專利名稱：在高和低功率模式之間用閥調節的具有兩偏軸線轉軸的渦輪發動機的制作方法
在高和低功率模式之間用閥調節的 具有兩偏軸線轉軸的渦輪發動機背景技術普通的直升機垂直起飛和降落(VTOL)飛機結構通常限制為小于170節 的飛行速度，但是能夠提升較大負載。現有的傾斜轉子VTOL飛機結構有 300節的中間飛行速度能力，但是提升能力小于直升機。普通的升力風扇 VTOL飛機具有超過400節的高速飛行能力，但是提升負載能力進一 步降低。 升力風扇VTOL還能夠有更強的生存力，但是通常需要復雜和昂貴的推進系 統。因此，需要一種用于VTOL飛機的成本低的發動機，能夠使飛機的生存 力更強，并提供有大約300節的飛行速度能力，有大約150節的巡航速度， 以及有靜止停懸能力。美國專利No.4286430公開了具有三個轉軸的渦輪發動機低壓轉軸、 中間轉軸和高壓轉軸。高壓轉軸偏軸線安裝，并且典型地相對于其它轉軸垂 直。進氣渦管引導壓縮空氣從中間轉軸壓縮機通向高壓轉軸組件，類似的， 排氣渦管引導高壓渦輪組件的排氣并通向中間壓力渦輪組件。發明內容在一個總體方面，本發明涉及一種特別適合VTOL飛機的渦輪發動機。 該渦輪發動機也可以用于其它類型航行器，包括其它類型飛機、地面車輛和 船。根據不同的實施例，渦輪發動機的核心包括兩個轉軸(spool)-低壓(LP) 轉軸和高壓(HP)轉軸-其中LP轉軸遠離HP轉軸獨立地安裝。也就是說，LP 和HP轉軸可以分離，這樣它們并不在同心軸上運轉。發動機可以利用一對 轉向器閥組件和通過流向發動機的燃料流量來調節操作。因此，發動機的功 率輸出可以通過利用氣流轉向器閥組件控制流過發動機的氣流而從高水平 調節成低水平以及相反。在升力(lift)工作模式中，LP和HP轉軸都可工作， 而在向前飛行巡航工作模式中，HP轉軸工作，LP轉軸可以根據飛行情況所 需的功率而工作或不工作。當只有HP轉軸工作時，LP轉軸可以利用轉向器 閥組件關閉。可轉換結構可以通過發動機氣流方向的能用閥調節來獲得，以便產生用于垂直升力模式的升力裝置軸功率輸出特征和產生用于向前飛行 模式的推進輸出。在可選擇實施例中，用于升力裝置的排氣驅動可以用于垂 直升力模式。根據各種實施例，凈效果是將在飛機的升力和巡^fe工作模式之 間具有很高的功率調節比，同時保持燃料消耗的低水平。根據各種實施方式，在第一工作模式(例如高功率模式)中，調節轉向器 閥組件將燃燒的氣流的第一可變量引向高壓渦輪級。在第二工作模式(例如 低功率或巡航模式)中，調節轉向器閥組件將燃燒的氣流的第二可變量引向 低功率渴輪級。此外，在第一工作模式中，流動轉向器閥組件可以將進口空 氣引向低壓轉軸組件的低壓壓縮系統，在第二工作模式中，流動轉向器閥組件可以將進口空氣偏離低壓壓縮系統。當發動機從第一模式向第二模式過渡 時，調節轉向器閥組件可以減少通向高功率渦輪系統的氣流，因此最終全部氣流都引向低功率渦輪系統。在另一方面，本發明涉及一種包括渦輪發動機的航行器(例如飛機、地 面車輛或船)。
下面將結合附圖介紹本發明，附圖中圖1和2是本發明各種實施例的渦輪發動機的視圖； 圖3是本發明各種實施例的渦輪發動機的轉向器閥組件的視圖； 圖4是本發明各種實施例的VTOL飛機的視圖；以及 圖5是可以用于本發明各種實施例的渦輪發動機的螺旋槳風扇巡航風扇 的視圖。
具體實施方式
本發明的各種實施例涉及特別適用于VTOL飛機的渦輪發動機。這樣的 飛機具有升力工作模式和向前飛行巡航工作模式，在該升力工作模式中它們 升高離開降落表面，而在該向前飛行巡航模式中它們以高速巡航(例如300 節)。通過下面介紹的可轉換渦輪發動機，VTOL飛機可以使用升力風扇或轉 子用于垂直起飛和降落，還可以使用嵌入的超高旁路比函道風扇/推進器用于 巡航模式。圖1是簡化透視圖，圖2是本發明各種實施例的渦輪發動機10的簡化示意圖。如這些視圖所示，發動機10可以包括至少高壓(HP)轉軸組件12和低壓(LP)轉軸組件14兩者。如下面更詳細所述，這兩個轉軸組件12、 14優選是沿不同軸線定向。例如，LP轉軸組件14可以相對于HP轉軸組件12橫向定向。在所示實施例中，如圖2中所示，LP轉軸組件14沿水平軸線定向，而HP轉軸12與垂直軸線對齊。雖然轉軸優選是并不在同心軸上運轉， ^旦也可以進;f于其它定向，例如平行。轉軸組件l2、 14可以裝入殼體(未示出)中。LP轉軸組件M可以包括細 長管形軸16,該細長管形軸16縱向穿過殼體延伸。軸16通過位于例如軸 16的前部和后部的軸承可旋轉地安裝在殼體上。低壓壓氣機系統22可以固 定在軸16的前端，這樣，低壓壓氣機系統22位于進氣口 20的下游。低壓 壓縮系統22可以包括一個或多個低壓軸向和/或徑向壓縮級。另外，低壓(LP) 渦輪系統26和功率渦輪系統28可以固定在LP軸16的相對端或后端30上， 恰好在排氣出口 32的上游。而且，功率渦輪系統28可以自由地安裝在LP 轉軸14上。HP轉軸組件12也可以包括細長管形軸18，該細長管形軸18通過軸承 可旋轉地安裝在殼體上。高壓壓氣機系統34可以固定在軸18上靠近用于 HP轉軸12的空氣進口 36。高壓壓縮系統34可以包括一個或多個低壓軸向 和/或徑向壓縮級。另外，高壓渦輪系統54可以固定在HP軸18上。根據一 個實施例，巡航推進器42可以固定在HP軸18的出口端40上。巡航推進器 42例如可以是螺旋槳風扇、函道風扇或螺旋槳。在需要時圖2中所示的齒輪 箱44也可以用于進行軸減速。在另一實施例中，并不是將巡航推進器42機 械連接到HP軸18上，而是巡航推進器42可以通過自由安裝的功率渦輪38 而高效匹配地氣動連接到HP軸18上，從而不需要齒輪箱44。參考圖2,在高功率模式中，空氣可以通過低壓進氣口 20進入發動機 10,并當需要時在進入LP壓氣機系統22之前通過砂/塵分離器46。在壓縮 后，空氣可以通過渦管48和進入HP壓氣機系統34。燃料可以分配至燃燒器52中，在該燃燒器52中燃料與離開HP壓氣機 系統34的空氣一起引入。在優選實施例中，如需要燃料可以通過中間冷卻 器50進入。在燃燒后，排氣可以通過高壓渦輪系統54膨脹，以便驅動HP壓氣才幾系 統34。然后，燃燒后的流體流(排氣)通過調節轉向器間組件56,在該調節轉向器閥組件56中，排氣轉向到LP壓氣機系統22的LP渦4侖系統26。在排 氣經過LP渦輪系統26后，它可以通過高功率渦輪系統28膨脹，從而抽取 能量以便驅動升力風扇或升力轉子(未示出)，因此VTOL航行器能夠以升力 模式工作。離開LP渦輪系統26的一部分燃燒后空氣可以轉向至低功率渦輪 38,以便驅動巡航推進器42,該巡航推進器42可以在VTOL中用作后部升 力桿。當渦輪發動機IO用于除VTOL飛機外的航行器時，高功率渦輪系統 28可以用于向其它類型推進裝置提供動力。當VTOL飛機從垂直升高轉變成向前飛行時，發動機IO優選是從高功 率模式調節至中等功率模式。在中等功率模式工作中，LP轉軸組件14和 HP轉軸組件12兩者優選是繼續工作。根據各種實施例，燃料流減少，因此 各轉軸組件的轉速降低。當通過減少燃料流量而降低功率時，獲得過渡功率 點，在該過渡功率點調節轉向器閥組件56開始將更多的排氣從HP渦輪系統 54引導至低功率渦輪38,并使更少氣體流向LP渦輪26和高功率渦輪系統 28。來自調節轉向器閥組件56的減少的氣流使得LP轉軸組件14的轉速進 一步降低并最終停止。當LP轉軸組件停止時，發動機10以低功率模式或巡 航模式工作。在低功率模式或巡航模式中，所有LP渦輪機構組件(例如LP渦輪系統 26和LP壓氣機系統22)優選是離線和不再參與發動機工作。調節轉向器閥 組件56可以將全部氣體引向低功率渦輪系統38和關閉正常供給LP渦輪系 統26的流動通路。然后，在LP壓氣機系統22和HP壓氣機系統34之間的 流動(或"轉軸進口")轉向器閥組件58可以關閉來自LP壓氣機級22的氣流。 這樣，流動轉向器閥組件58可以打開通向進口 36的流動通i 各，該進口 36 用于在巡航模式下向發動機IO供給空氣。在該模式下，HP轉軸組件12本 身工作，引導所有排氣流向低功率渦輪級38。利用在渦管48中的中間冷卻器50是一個可選特征，但是它可以在設置 HP轉軸組件的尺寸和獲得用于更低燃料消耗的更好的總體循環效率方面提 供更高的性能。圖1還表示了可以包括其它普通部件的發動機，這些部件包括例如交流 發電機70、滑油泵72、 FADEC(全管理數字發動機控制裝置)94等。圖3表示了根據各種實施例的能閥調節。該圖描述了在升力(或高功率) 模式中的閥結構。如圖所示可看出，流動轉向器閥組件58可以包括兩個閥A和B。閥A和B例如可以是蝶形閥或截斷閥。類似的，調節轉向器閥組件 56可以包括兩個閥C和D,它們例如也可以是蝶形閥或截斷閥。在升力模 式中，如圖3的實施例中所示，閥A打開和閥B關閉，這樣，迫使進入的 空氣通過LP壓氣機系統22然后通向HP轉軸12。通過使閥C打開和使閥D 關閉，氣體引向高功率渦輪系統28,以便向升力風扇/轉子60提供動力。在 巡航(或低功率)模式中，閥的設置將相反。由閥A阻擋的進入空氣將通過閥 B然后通向HP轉軸12,因此旁通LP壓氣機系統22。以后氣體將通過閥 D(因為閥C關閉)至低功率渦輪系統38,以便向巡航推進器42提供動力。 在中間模式中，閥C和D都將打開(或部分打開)，以便向各渦輪系統26、 38提供動力。優選是，閥A和B并不同時都打開，或者至少只同時打開非 常短時間。在圖3中，調節轉向器閥組件56表示為包括兩個閥(C和D),盡管在其 它結構中可以只需要一個具有雙槽道流動轉向的閥。類似的，流動轉向器閥 組件58可以只包括一個具有雙槽道流動轉向的閥。當函道風扇用于向前飛行巡航推進器42時，第三進口可以用于風扇流 動。在任何情況下(例如無論是螺旋槳風扇還是函道風扇用作巡航推進器42), 來自功率渦輪26、 38的排氣氣流優選是引導成與向前推動的函道風扇或螺 旋槳風扇排出的流體流混合，以便降低總排氣溫度，用于降低可觀察的信號 水平。調節轉向器閥組件56和流動轉向器閥組件58的閥可以由控制系統例如 FADEC 94來控制。根據另 一方面，本發明的各種實施例涉及VTOL飛才幾120,如圖4中所 示，它包括上述的渦輪發動機10。在圖4的實施例中表示了渦輪發動機10 的巡航推進器42。在圖4的視圖中，渦輪發動機10的主要部分由VTOL飛 機120的機身擋住。圖5表示了渦輪發動機10的外部部分的實施例，其中巡航推進器42是 螺旋槳風扇。發動才幾10可以通過驅動調節轉向器閥組件56和流動轉向器閥組件58 而使工作模式從低功率或巡航模式反向至高功率模式。當燃料流量增加時， LP轉軸組件14將增大速度。當獲得高功率模式時，調節轉向器閥組件56 和流動轉向器閥組件58將返回初始位置。盡管上面介紹了渦輪發動機10用于VTOL飛機，但是應當理解，發動 機10可以用于其它類型的航行器，包括其它類型飛機以及地面車輛(例如 humvees或坦克)和船，以及電站設備。盡管已經介紹了發動機10的多個實施例，但是應當理解，本領域技術 人員在獲得本發明的一些或全部優點的情況下可以對這些實施例進行各種 變型、改變和改進。在不脫離由附加權利要求確定的本發明精神和范圍的情 況下，本申請將覆蓋所有這些變型、改變和改進。
權利要求
1.一種渦輪發動機，包括包括高功率渦輪系統的低壓轉軸組件；包括低功率渦輪系統的高壓轉軸組件，其中低壓轉軸組件和高壓轉軸組件沿不同軸線定向；以及調節轉向器閥組件，用于根據渦輪發動機的工作模式調節燃燒的氣流至高功率和低功率渦輪系統。
2. 根據權利要求1所述的渦輪發動機，其中，所述低壓轉軸組件包括 低壓壓縮系統，高壓轉軸組件包括高壓壓縮系統，且進一步包括流動轉向器 閥組件，用于根據渦輪發動機的工作模式將進口空氣流引向低壓壓縮系統和 高壓壓縮系統。
3. 根據權利要求2所述的渦輪發動機，其中，所述在第一工作模式中， 調節轉向器閥組件是用于將第一可變量的燃燒的氣流引向高功率渦輪級，而在第二工作模式中，調節轉向器閥組件是用于將第二可變量的燃燒的氣流引向低功率渦輪級。
4. 根據權利要求3所述的渦輪發動機，其中，所述當發動機從第一工 作模式向第二工作模式過渡時，調節轉向器閥組件是用于減少通向高功率渦 輪系統的氣流，因此最終全部氣流都引向低功率渦輪系統。
5. 根據權利要求4所述的渦輪發動機，其中，所迷在第一工作模式中， 流動轉向器閥組件是用于將進口空氣引向低壓轉軸組件的低壓壓縮系統，在第二工作模式中，流動轉向器閥組件是用于將進口空氣偏離低壓壓縮系統。
6. 根據權利要求5所述的渦輪發動機，其中，所述調節轉向器閥組件 包括一個具有雙槽道流動轉向的閥。
7. 根據權利要求5所述的渦輪發動機，其中，所述調節轉向器閥組件 包括至少兩個閥。
8. 根據權利要求1所述的渦輪發動機，其中，所述調節轉向器閥組件 包括一個具有雙槽道流動轉向的閥。
9. 根據權利要求1所述的渦輪發動機，其中，所述調節轉向器閥組件 包括至少兩個閥。
10. 根據權利要求7所述的渦輪發動機，其中，所述流動轉向器閥組件包4舌至少兩個閥。
11. 根據權利要求1所述的渦輪發動機，其中，所述低壓轉軸組件定向 成不與高壓轉軸組件同心。
12. 根據權利要求5所述的渦輪發動機，其中，所述低壓轉軸組件定向 成不與高壓轉軸組件同心。
13. 根據權利要求5所述的渦輪發動機，還包括連接到高壓轉軸組件上的巡航推進器。
14. 根據權利要求13所述的渦輪發動機 地連接到高壓轉軸組件上。
15. 根據權利要求13所述的渦輪發動機 地連接到高壓轉軸組件上。
16. 根據權利要求13所述的渦輪發動機 巡航風扇、螺旋槳風扇或螺旋槳中的至少一個
17. 根據權利要求15所述的渦輪發動機，還包括渦管，用于引導空氣從低壓壓縮系統至高壓壓縮系統；以及 在渦管中的中間冷卻器，用于引入燃料。
18. —種包括渦輪發動機的航行器，其中，渦輪發動機包括 包括高功率渦輪系統的低壓轉軸組件；包括低功率渦輪系統的高壓轉軸組件，其中低壓轉軸組件和高壓轉軸組件沿不同軸線定向；以及調節轉向器閥組件，用于根據渦輪發動機的工作模式調節燃燒的氣流至高功率和低功率渦輪系統。
19. 根據權利要求18所述的航行器，其中，所述低壓轉軸組件包括低 壓壓縮系統，高壓轉軸組件包括高壓壓縮系統，且進一步包括流動轉向器閥 組件，用于根據渦輪發動機的工作模式將進口空氣流引向低壓壓縮系統和高 壓壓縮系統。
20. 根據權利要求19所述的航行器，其中，所述高壓轉軸組件包括自 由安裝的低功率渦輪組件。
21. 根據權利要求19所述的航行器，其中，所述在第一工作模式中， 調節轉向器閥組件是用于將第一可變量的燃燒的氣流引向高功率渦輪系統， 而在第二工作模式中，調節轉向器閥組件是用于將第二可變量的燃燒的氣流,其中，所述巡航推進器機械 ，其中，所述巡航推進器氣動 ，其中，所述巡航推進器包括引向低功率渦輪系統。
22. 根據權利要求21所述的航行器，其中，所述當發動機從第一工作 模式向第二工作模式過渡時，調節轉向器閥組件是用于減少通向高功率渦輪 系統的氣流，因此最終全部氣流都引向低功率渦輪系統。
23. 根據權利要求22所述的航行器，其中，所述在第一工作模式中， 流動轉向器閥組件是用于將進口空氣引向低壓轉軸組件的低壓壓縮系統，在 第二工作模式中，流動轉向器閥組件是用于將進口空氣偏離低壓壓縮系統。
24. 根據權利要求18所述的航行器，其中，所述航行器包括VTOL飛機。
25. 根據權利要求18所述的航行器，其中，所述航行器從包括飛機、 地面車輛和船的組中選擇。
26. —種渦輪發動機，包括包括低壓壓縮系統和高功率渦輪系統的低壓轉軸組件； 包括高壓壓縮系統、燃燒器和低功率渦輪組件的高壓轉軸組件，其中低 壓轉軸組件和高壓轉軸組件沿不同軸線定向；調節轉向器閥組件，用于根據渦輪發動機的工作模式調節燃燒的氣流至高功率和低功率渦輪系統，其中，在高功率工作模式中，調節轉向器閥組件 是用于將第一可變量的燃燒的氣流引向高功率渦輪系統，而在低功率工作模 式中，調節轉向器閥組件是用于將第二可變量的燃燒的氣流引向低功率渦輪系統；以及流動轉向器閥組件，用于根據渦輪發動機的工作模式將進口空氣流引向 低壓壓縮系統和高壓壓縮系統，其中，在高功車工作模式中，流動轉向器閥 組件是用于將進口空氣引向低壓轉軸組件的低壓壓縮系統，而在低功率工作 模式中，流動閥組件是用于將進口空氣偏離低壓壓縮系統。
全文摘要
本發明公開了一種特別適合VTOL飛機的渦輪發動機(10)。渦輪發動機的核心可包括兩個轉軸-低壓(LP)轉軸(14)和高壓(HP)轉軸(12)-其中，LP轉軸遠離HP轉軸獨立地安裝。發動機可以通過調節轉向器閥組件(56)和通過流向發動機的燃料流量進行調節操作。在升力工作模式中，LP和HP轉軸都可工作，而在向前飛行巡航工作模式中，HP轉軸(12)工作，LP轉軸(14)根據飛行情況所需的功率可以工作或不工作。只有HP轉軸(12)工作時，LP轉軸(14)可以利用調節轉向器閥組件(56)和進口流動轉向器閥組件(58)關閉。
文檔編號F02C3/10GK101243249SQ200680029905
公開日2008年8月13日 申請日期2006年8月18日 優先權日2005年8月22日
發明者喬治·明基南, 唐納德·赫爾伯特, 約翰·T·埃克斯利, 邁克爾·D·魯迪 申請人:泰里迪尼技術股份有限公司