用于冷却反向旋转涡轮发动机的一部分的方法和装置与流程

1.本公开大体上涉及一种具有反向旋转转子的涡轮发动机，更具体地，涉及一种来自一个转子的流体通道，用于冷却另一转子。关于联邦赞助的研究或开发的声明
2.关于此申请的项目获得了欧盟地平线2020研究和创新计划下的clean sky 2联合企业的拨款协议编号cs2
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2018/2019
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01的资助。


背景技术：

3.反向旋转涡轮发动机，特别是气体或燃烧反向旋转涡轮发动机，是从通过发动机的燃烧气体流中提取能量到多个压缩机和涡轮级上的旋转发动机，其中每个级通常包括一组互补的旋转叶片和反向旋转叶片。
4.反向旋转的涡轮发动机可以包括串联流动布置的前部风扇组件、后部风扇组件、用于压缩流过发动机的空气的高压压缩机、用于将燃料与压缩空气混合以使得混合物可以点燃的燃烧器、以及高压涡轮。高压压缩机、燃烧器和高压涡轮有时统称为核心发动机。在操作中，核心发动机产生燃烧气体，该燃烧气体在下游排出到涡轮区段，从中提取能量以为前部和后部风扇组件提供动力。反向旋转涡轮发动机还可以包括加压腔，加压腔被供应有冷却空气并且与发动机内的燃烧气流密封。
5.涡轮发动机的压缩机和涡轮区段典型地包括多个串联布置的级，其中每个级包括周向翼型件的协作组，其中一个组与另一组轴向间隔开。在反向旋转的涡轮发动机中，两组翼型件可以是叶片组的形式，每组在相反的方向旋转。在这种情况下，反向旋转涡轮机可以包括具有可旋转地联接至前部风扇组件的第一组翼型件的外转子，以及具有可旋转地联接至后部风扇组件的第二组翼型件的内转子。


技术实现要素：

6.在一个方面，本公开涉及一种反向旋转涡轮发动机，该反向旋转涡轮发动机包括：第一转子，其在第一旋转方向上旋转，并具有多组周向布置的叶片，限定第一转子叶片组，第一转子叶片组轴向间隔开以在每组之间限定间隙；第二转子，其在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上旋转，并具有多组周向布置的叶片，限定第二转子叶片组，第二转子叶片组轴向间隔开并容纳在第一转子的间隙内；以及多个流体通道，多个流体通道形成在第一转子中，具有面向间隙的出口，其中流体通道具有通道中心线，通道中心线定向成将流体通道内的流体流从第一旋转方向重定向到第二旋转方向。
7.在另一方面，本公开涉及一种在具有反向旋转的第一转子和第二转子的反向旋转涡轮发动机中冷却叶片的方法，该方法包括在使得冷却的成分在第二旋转方向上的方向上从第一转子发出冷却空气。
附图说明
8.附图中：
9.图1是根据本说明书描述的各个方面的包括反向旋转涡轮区段的反向旋转涡轮发动机的示意性截面图。
10.图2是图1的反向旋转涡轮截面的一部分的示意图。
11.图3是从包括冷却歧管的图2的截面iii截取的反向旋转涡轮发动机的透视图。
12.图4是图3的冷却歧管的一部分的横截面图。
具体实施方式
13.本文描述的公开内容的方面涉及利用从反向旋转涡轮发动机的另一个转子供应的冷却空气来冷却反向旋转涡轮发动机的一个转子的翼型组件。转子可以是内转子和外转子。虽然反向旋转的转子可以以相同的速度但在相反的方向上运行，但是转子可以以不同的速度运行，从而产生低速转子(lsr)和高速转子(hsr)。为了实现冷却，冷却歧管可以被包括在一个转子内并且具有通向另一个转子的出口通道。
14.为了抵消与反向旋转转子相关的风阻影响，出口通道可以被定向成使得出口通道的中心线的成分平行于另一个转子的旋转方向。这导致离开出口通道的空气已经在与被冷却的转子的旋转方向相同的方向上具有流动成分。从冷却通道排放的冷却流的这种定向遭遇由旋转的转子产生的较小的风阻。
15.如本文所使用的，术语“上游”指与流体流动方向相反的方向，并且术语“下游”指与流体流动方向相同的方向。术语“前”或“前部”是指部件前方的方向或位置，而“后”或“后部”是指部件后方的方向或位置。例如，当用于流体流动时，前/前部意味着上游，后/后部意味着下游。
16.另外，如本文所使用的，术语“径向”或“径向地”指远离公共中心的方向。例如，在涡轮发动机的总体上下文中，径向是指在发动机的中心纵轴线和发动机外圆周之间延伸的射线的方向。此外，如本文所使用的，术语“组”或元素“组”可以是任意数量的元素，包括仅一个。
17.所有方向参考(例如，径向、轴向、近端、远端、上、下、上部、下部、左、右、侧向、前、后、顶、底、上方、下方、垂直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、前部、后部等)仅用于识别目的以帮助读者理解本公开，并且不应被解释为对实施例的限制，特别是对本文描述的公开内容的各个方面的位置、定向或使用的限制。除非另有说明，否则连接参考(例如，附接、耦合、固定、连接、接合等)将被广义地理解，并且可以包括元件集合之间的中间构件和元件之间的相对运动。因此，连接引用不一定推断两个元素直接连接并且以固定关系彼此连接。除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用。
18.示例性附图仅用于说明的目的，并且在附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对尺寸可以变化。
19.图1是燃气涡轮发动机的示意性截面图，特别是用于飞机的反向旋转燃气涡轮(crt)发动机10。crt发动机10具有大体上纵向延伸的轴线或轴向中心线12，该轴线或轴向中心线12从前向方向14向后向方向16延伸。crt发动机10包括下游串流关系的包括前部风扇组件20和后部风扇组件21的风扇区段18、包括增压或低压(lp)压缩机24和高压(hp)压缩
机26的压缩机区段22、包括燃烧器30的燃烧区段28、包括hp涡轮34和lp涡轮36的涡轮区段32，以及排气区段38。
20.风扇组件20和21定位在crt发动机10的前端，如图所示。术语“前部风扇”和“后部风扇”在此用于表示风扇组件中的一个20联接在后部风扇组件21的轴向上游。还设想风扇组件20、21可定位在crt发动机10的后端。风扇组件20和21各自包括定位在风扇壳体42内的多排风扇叶片40。风扇叶片40接合到相应的转子盘44，转子盘44通过相应的前部风扇轴46可旋转地联接到前部风扇组件20，并且通过后部风扇轴47可旋转地联接到后部风扇组件21。
21.hp压缩机26、燃烧器30和hp涡轮34形成crt发动机10的发动机核心48。发动机核心48由与风扇壳体42联接的鼓50包围。hp涡轮34经由核心转子或轴52联接到hp压缩机26。在操作中，发动机核心48产生燃烧气体，该燃烧气体被引导到反向旋转的lp涡轮36的下游，lp涡轮36从气体中提取能量，以通过它们各自的风扇轴46、47为风扇组件20、21提供动力。
22.在所示的示例中，lp涡轮36是反向旋转涡轮的形式。应当理解，本公开的方面可以具有对其他涡轮的适用性，包括不反向旋转的lp涡轮的发动机。例如，还考虑具有lp涡轮的涡轮发动机，其中静态的周向布置的叶片与旋转的周向布置的叶片轴向间隔开。此外，还考虑具有反向旋转的压缩机区段22的涡轮发动机，特别是反向旋转的lp压缩机24或反向旋转的hp压缩机26。
23.lp涡轮36包括从鼓50径向向内定位的外转子54。外转子54可以具有大体上截头圆锥形状并且包括周向布置的第一组翼型件56，该第一组翼型件56朝向轴向中心线12径向向内延伸。
24.lp涡轮36还包括内转子58，该内转子58相对于外转子54大体上同轴地布置并且径向向内布置。内转子58包括第二组翼型件60，第二组翼型件60周向布置并与第一组翼型件56轴向间隔开。第二组翼型件60远离轴向中心线12径向向外延伸。第一和第二组翼型件56、60一起限定多个涡轮级62。在图1的示例中，示出了五个涡轮级62，并且将理解可以利用任意数量的级。此外，虽然第一组翼型件56被示出为位于第二组翼型件60的前方，但是第一组翼型件56和第二组翼型件60可以以任何适当的方式布置，包括第一组翼型件56位于第二组翼型件60的后方。
25.虽然在包括旋转的外转子54和旋转的内转子58的上下文中描述了crt发动机10，但是还可以设想，第一组翼型件56或第二组翼型件60中的任一个可以包括在crt发动机10内的固定定子中或形成固定定子的一部分，使得crt发动机10的至少一部分不反向旋转。例如，第一组翼型件56可形成一组周向布置的静态叶片，该组静态叶片形成crt发动机10内的外定子的一部分，而第二组翼型件60联接至内转子58并构造成围绕轴向中心线12周向旋转。进一步设想，第二组翼型件60可以是联接到crt发动机10内的内定子的静态叶片的形式，第一组翼型件56是联接到外转子的叶片的形式。
26.crt发动机10的固定部分，例如外壳体或鼓50，与外转子54和内转子58互补，也被单独地或共同地称为定子63。因此，定子63可以指整个crt发动机10中的非旋转元件的组合。
27.在操作中，离开风扇区段18的气流被分开，使得气流的一部分沿着主流路15被引导到lp压缩机24中，lp压缩机24然后将加压气流65供给到hp压缩机26，hp压缩机26进一步
加压空气。来自hp压缩机26的加压气流65在燃烧器30中与燃料混合并点燃，由此沿着主流路15产生燃烧气体66。通过驱动hp压缩机26的hp涡轮34从这些燃烧气体66提取能量。燃烧气体66沿着主流路15排出到lp涡轮36中，lp涡轮36提取用于驱动lp压缩机24的附加能量，并且废气最终经由排气区段38从crt发动机10排出。lp涡轮36的驱动可以驱动前部风扇组件20和lp压缩机24的旋转。
28.加压气流65的一部分可以作为引气67被从压缩机区段22抽吸。引气67可从加压气流65抽吸并提供给需要冷却的发动机部件。进入燃烧器30的加压气流65的温度显著地高于引气67的温度。引气67可用于降低燃烧器下游的核心部件的温度。
29.由前部风扇组件20供应的一些空气，例如引气67，可以绕过发动机核心48，并用于冷却crt发动机10的部分，特别是crt发动机10的热部分，或用于冷却crt发动机10的其它部分或为其供应动力。在涡轮发动机的情况下，发动机的热部分通常位于燃烧器30的下游，特别是涡轮区段32，其中hp涡轮34是最热部分，因为它直接位于燃烧区段28的下游。其它冷却流体源可以是但不限于从lp压缩机24或hp压缩机26排出的流体。
30.图2是反向旋转lp涡轮36的一部分的放大示意图。鼓50包括壳体表面68，并且外转子54具有面向壳体表面68的转子表面69。
31.腔74可以至少部分地限定为鼓50和外转子54之间的空间。腔74可在crt发动机10内至少周向延伸，包括但不限于全环形腔74或多个周向间隔开或分段的腔74。
32.作为非限制性示例，第一组翼型件56可经由至少一个吊架组件80安装到外转子54。应当理解，可以在lp涡轮36内沿周向或轴向设置和布置多个吊架组件80。每个吊架组件80可以包括从外转子54延伸的钩82。一组翼型件，例如第一组翼型件56，可以终止于凸缘84，凸缘84被构造成接收在钩82内，从而将第一组翼型件56固定到外转子54。应当理解，第一组翼型件56可以以任何合适的方式安装到外转子54。进一步设想的是，吊架组件80可利用与钩82或凸缘84之一中的槽的过盈配合。另外，虽然在第一组翼型件56的上下文中讨论了吊架组件80，但是吊架组件80也可用于将第二组翼型件60固定到内转子58(图1)。
33.入口通道90或旁路空气管道可流体联接至腔74，以将加压空气88或冷却空气供应至腔74。入口通道90可以流体联接到crt发动机10的至少一部分，该部分不是涡轮区段32。例如，入口通道90可以流体联接到压缩机区段22或风扇区段18的一部分。因此，加压空气88可以限定为来自压缩机区段22或风扇区段18中的一个或多个的旁路空气。加压空气88可进一步限定为具有比主流路15内的燃烧气体66的温度低的温度。一组流体通道86可设置在crt发动机10的旋转部分内，特别是lp涡轮36内。如图所示，内转子58和外转子54包括一组流体通道86。流体通道86可构造成向第一组或第二组翼型件56、60的至少一部分提供流体流，特别是冷却空气。因此，流体通道86可以限定为冷却通道。设置在外转子54内的流体通道86可流体联接到空间或腔74，使得加压空气88的一部分可流过流体通道86并进入主流路15。设置在内转子58内的流体通道86可以流体联接到不同于腔74的内转子空间。例如，内转子58可以包括或联接到旋转轴，该旋转轴可以包括穿过轴的内部的中空部分。中空部分可以在一端流体联接到crt发动机10的压缩机区段22或风扇区段18。这样，内转子58，特别是旋转轴的中空部分，可以限定为包括与压缩机区段22或风扇区段18的一部分联接的旁路通道。这样，流体通道86可联接至内转子58的旁路通道，使得流体通道86可提供冷却空气进入主流路15。应当理解，图3所示的流体通道86是非限制性的。例如，流体通道86可以形成一组
流体通道86，该组流体通道86形成在内转子54和外转子58的一部分内。该组流体通道86可以沿内转子54和外转子58的任何部分周向或轴向间隔开。
34.从图3中的放大图iii来看，图3是图2的lp涡轮36的示意性横截面图，进一步示出了设置在第一转子92内的流体通道86。如图所示，第一转子92可以包括围绕作为内转子58的第二转子的外转子54。然而，应当理解，第一转子92可以包括外转子54或内转子58中的任一个，使得流体通道86可以包括在外转子54或内转子58中。
35.第一转子92可以包括一组叶片，该组叶片被限定为第一转子叶片组94，其可以以第一旋转速度u1在第一旋转方向上围绕由箭头u1指示的轴线12旋转。如图所示，可以存在包括在第一转子叶片组94内的第一组和第二组叶片。第一组可以被限定在第二组的上游。第一组和第二组可以轴向间隔开以在第一组和第二组之间限定空间或间隙98。第二转子叶片组96可以设置在由第一转子叶片组94限定的间隙98内。第二转子叶片组96可以被限定为联接到第二转子并被构造成在由箭头u2指示的第二旋转方向上以第二旋转速度u2旋转的一组叶片。
36.第一转子叶片组94和第二转子叶片组96可以包括限定为叶片94，96的上游边缘的前缘100和限定为叶片的下游区段的后缘102。如图所示，第二转子叶片组可以进一步包括位于第二转子叶片组的径向远端部分的末端104。末端104可以位于第一转子92附近并且远离第一转子92的位置。凹部106可以由靠近第二转子叶片组96的前缘100的末端104与第一转子92之间的区域限定。主流路15中的燃烧气体66的至少一部分可流入凹部106并在末端104周围流动。
37.第一旋转速度u1和第二旋转速度u2彼此直接相对，使得第一转子叶片组94和第二转子叶片组96能够反向旋转。第一旋转速度u1可以小于第二旋转速度u2，使得第一转子92可以被限定为低速转子(lsr)，并且第二转子可以被限定为高速转子(hsr)。或者，第一旋转速度u1可以等于第二旋转速度u2。
38.设置在第一转子92内的流体通道86可以包括入口通道108，该入口通道108具有流体联接到腔74的入口110。流体通道86可进一步包括出口通道112，该出口通道112具有流体联接到凹部106的出口114。因此，来自腔74的冷却空气可流经入口通道108和出口通道112并进入凹部106。出口通道112可位于第二转子叶片组96的前缘100的上游和第一转子叶片组94的第一组的后缘的下游。
39.流体歧管116可以设置在入口通道108和出口通道112之间。流体歧管116可以被限定为形成在第一转子内的腔。流体歧管116可以是连续的环形腔，使得其围绕第一转子92周向延伸。可选地，流体歧管116可以是非连续的并且形成一组围绕第一转子92周向间隔开的一组流体歧管116。流体歧管可以包括联接到入口通道108的歧管入口118和联接到出口通道112的歧管出口120。因此，流体可从入口通道108流入流体歧管116并流至出口通道112。总体而言，入口通道108、出口通道112、流体歧管116和它们各自的部件可以限定为流体通道86。
40.图4是流体通道86的一部分，具体地说是图3的流体歧管116和出口通道112的一部分的横截面图。
41.出口通道112以及由此流体通道86可进一步由通道中心线122限定。夹角124可以由通道中心线122相对于垂直于第一转子92的旋转轴的平面形成。旋转轴可以由crt发动机
10的轴向中心线12限定。夹角124可以进一步限定为非零锐角。具体地，夹角可以是小于90度且大于0度的任何角度。
42.夹角124可以沿着整个出口通道112均匀，使得出口通道112的壁可以限定为在流体歧管116的歧管出口120和出口通道112的出口114之间的轴向距离上是线性的。或者，夹角124可以在歧管出口120和出口114之间的轴向距离上变化。例如，出口通道112的壁可以包括倾斜壁，使得最接近歧管出口120的夹角124大于最接近出口114的夹角。
43.在crt发动机10工作期间，流体可流入流体歧管116。流体歧管116内的该流体流可以由第一切向速度vt1限定。第一切向速度vt1可以平行于第一旋转速度u1。换句话说，流体歧管116内的流体流可以在与第一转子92的旋转方向相同的方向上流动。流体流然后可以通过歧管出口120离开流体歧管116并进入出口通道112。出口通道112中的流体流可通过出口114流出并进入凹部106。凹部106内的流体流可以由第二切向速度vt2限定。第二切向速度vt2可以平行于第二旋转速度u2。换句话说，凹部106内的流体流可以在与第二转子或第二转子叶片组96的旋转方向相同的方向流动。这样，流体通道86可以将流体流从第一转子92的旋转方向重定向到第二转子的旋转方向。
44.与传统crt发动机相比，本公开的益处包括减少风阻(windage)损耗和增加crt发动机的总功率输出。例如，传统的crt发动机可以包括形成在外转子内并朝向联接到内转子的叶片的一部分的各种冷却系统或通道。然而，传统crt发动机中的冷却通道不将导致流体流出冷却通道的流体流重定向为直接与内转子的旋转速度相反。具体地，在传统crt发动机中流出冷却通道的流体流在与外转子的旋转方向相同的方向上。这导致风阻损耗，因为附接到内转子的叶片经历了来自离开冷却通道的流体的直接阻力。这最终导致crt发动机的功率和效率降低。然而，如本文所述的冷却通道将流体通道内的流体流重定向以与冷却通道出口下游的叶片的旋转速度对准。流体流的重定向消除了风阻(windage)损耗的影响，因此提高了涡轮发动机的总体效率。然而，进一步设想，冷却通道加速该流体流。随着流体流被加速并且在下游叶片的旋转方向上，由下游叶片产生的功率增加。这最终增加了涡轮发动机的总功率，提供了比传统crt发动机更多的益处。
45.进一步设想，与传统的crt发动机相比，可以增加crt发动机的功率输出，而不必改变其他发动机性能参数。如本文所使用的，发动机性能参数可以是可以直接影响功率输出的crt发动机的任何操作参数。这些发动机性能参数可以是例如冷却剂的质量流速或crt发动机内的旋转元件之一的旋转速度。例如，如果在传统crt发动机中功率输出将要被增加，则可能需要调整一个或多个发动机性能参数以增加涡轮发动机的总功率输出。这反过来可能需要对传统的crt发动机进行进一步的改变。例如，如果将要增加内转子和外转子的旋转速度，使得发动机的功率输出也将增加，则可能需要更强的材料以承受由增加的旋转速度产生的增加的离心力。这反过来会增加发动机的制造难度或总成本。然而，如本文所述的crt发动机不调整这些性能参数，而是使用流体流的重定向来与冷却通道的出口下游的叶片的旋转速度对准，以增加crt发动机的功率输出。因此，不需要额外的部件或材料替代来增加crt发动机的总功率输出。
46.该书面描述使用示例来描述这里描述的本公开的方面，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本公开的方面，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的方面的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员
想到的其他示例。如果它们具有与权利要求书的文字语言不存在差异的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言具有不显著差异的等效结构元件，则这样的其他示例旨在权利要求书的范围内。
47.本发明的其它方面由以下条项的主题内容提供：
48.1.一种反向旋转涡轮发动机，该反向旋转涡轮发动机包括：第一转子，其在第一旋转方向上旋转，并具有多组周向布置的叶片，限定第一转子叶片组，第一转子叶片组轴向间隔开以在每组之间限定间隙；第二转子，其在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上旋转，并具有多组周向布置的叶片，限定第二转子叶片组，第二转子叶片组轴向间隔开并容纳在第一转子的间隙内；以及多个流体通道，多个流体通道形成在第一转子中，具有面向间隙的出口，其中流体通道具有通道中心线，通道中心线定向成将流体通道内的流体流从第一旋转方向重定向到第二旋转方向。
49.2.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，其中第一转子是外转子，第二转子是内转子，使得第一转子包围第二转子。
50.3.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，还包括流体联接到流体通道的流体歧管。
51.4.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，其中流体歧管包括形成在外转子中的腔。
52.5.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，其中腔围绕外转子周向延伸。
53.6.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，其中第一转子是内转子，第二转子是外转子，使得第二转子包围第一转子。
54.7.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，其中内转子流体联接到旁路空气通道，使得多个流体通道流体联接到旁路空气通道。
55.8.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，还包括包围第一转子和第二转子的鼓，并在鼓与第一转子或第二转子中的一个之间限定空间，并且空间流体联接到多个流体通道。
56.9.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，还包括压缩机区段和涡轮区段，其中流体通道位于涡轮区段中。
57.10.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，还包括将压缩机区段流体联接到空间的旁路空气管道。
58.11.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，其中第一转子或第二转子中的一个包括将空间流体联接到流体通道的腔。
59.12.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，其中第一转子叶片组和第二转子叶片组限定相应的对，其中第一转子组位于该对的第二转子组的上游。
60.13.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，其中给定对的流体通道的出口位于第一转子组的后缘的下游和第二转子组的前缘的上游。
61.14.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，其中第二转子叶片组终止于具有前缘的末端，并且出口径向地超出末端的前缘。
62.15.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，其中第一转子限定末端的前缘上游的凹部，并且出口位于凹部内。
63.16.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，其中通道中心线形成相对于垂直于第一转子和第二转子的旋转轴的平面的非零的锐夹角。
64.17.根据任何前述条项的反向旋转涡轮发动机，其中锐夹角小于90度。
65.18.一种在具有反向旋转的第一转子和第二转子的反向旋转涡轮发动机中冷却叶片的方法，所述方法包括在使得冷却的成分在第二旋转方向上的方向上从第一转子发出冷却空气。
66.19.根据任何前述条项的方法，还包括通过第一转子中的冷却空气通道供应所发出的冷却空气。
67.20.根据任何前述条项的方法，其中冷却空气的供应还包括将冷却空气从第一转子中的流体歧管供应到冷却空气通道。
68.21.根据任何前述条项的方法，其中冷却空气的供应还包括将冷却空气从包围第一转子或第二转子中的一个的鼓之间的空间供应到流体歧管。
69.22.根据任何前述条项的方法，其中冷却空气的供应还包括从涡轮发动机的压缩机区段放出空气以限定引气供应部分并将引气供应部分供应到空间。