增大應當成比例地等同。因此，期望包括用于機械驅動架構的輕量或低密度材料，這有助于提尚期望的比例性。
[0027]除了形成具有能夠由低損耗軸承支撐的重量的機械驅動架構之外，更輕重量材料的使用還可提高產生更大空氣流的能力。一直以來，在這種驅動系中生成更高空氣流速率是困難的，因為在燃氣渦輪操作期間放置在旋轉葉片上的離心負載隨著產生期望空氣流速率所需的更長葉片長度而增大。例如，在燃氣渦輪中使用的多級軸向壓縮機的前方級中的旋轉葉片比壓縮機中級和后級二者中的旋轉葉片大。這種構造使得軸向壓縮機的前方級中的更長、更重的葉片在操作期間更容易由于大離心拉力而較高地受到應力，該大離心拉力由更長和更重的葉片的旋轉引起。
[0028]具體而言，由前方級中的葉片由于轉子輪的高旋轉速度而經歷大的離心拉力，這又對葉片加應力。可在軸向壓縮機的前方級中的旋轉葉片上發生的大的附接應力變得成問題，因為更期望增大葉片的尺寸以便產生用于燃氣渦輪發動機的壓縮機，該壓縮機可如某些申請所要求的那樣生成更高的空氣流速率。類似的考慮適用于負載壓縮機。
[0029]因此，期望提供如下機械驅動架構，該機械驅動架構包括一個或更多個低損耗潤滑劑軸承，低損耗潤滑劑軸承與低密度材料結合地使用，如應用在燃氣渦輪或負載壓縮機中的。在一些實施例中，這種低損耗軸承與由低密度材料制造的構件結合地使用。這種架構提供更少的粘性損耗，從而增加機械驅動架構的總效率。
[0030]本發明的各種實施例涉及提供具有低損耗潤滑劑軸承和低密度材料的燃氣渦輪驅動的機械驅動架構。
[0031]如在本文中所使用的，短語“機械驅動架構”描述移動部分的組件，其包括壓縮機區段、渦輪區段、再加熱渦輪區段、動力渦輪區段、和負載壓縮機區段中的一個或更多個的旋轉構件，它們與彼此共同地連通以壓縮流體。短語“機械驅動架構”、“機械驅動系”、和“燃氣渦輪驅動的機械驅動器”可以可互換地使用。短語“燃氣渦輪架構”描述具有壓縮機區段、燃燒器區段、和渦輪區段的系統，且其可以可選地包括再加熱燃燒器區段、再加熱渦輪區段、和/或動力渦輪區段。燃氣渦輪架構是在本文中描述的機械驅動架構的子集合。
[0032]如在本文中所使用的，“低損耗軸承”為具有至少一個初級軸承單元的軸承組件，其具有工作流體，該工作流體具有低或非常低的粘性。該“初級軸承單元”可為軸頸軸承、推力軸承、或鄰接推力軸承的軸頸軸承。“低損耗潤滑劑軸承”或“包括低損耗潤滑劑的低-低損耗軸承”為軸承組件，在該軸承組件中工作流體為低損耗潤滑劑，且該軸承組件不需要額外的次級軸承。
[0033]短語“低損耗潤滑劑”(如用于本低損耗軸承中的)意指如下流體，該流體具有遠大于水(即，20°C下1厘泊)的粘性，且優選地具有約VG8與約VG20之間的粘性，其中VG表示由國際標準組織開發的ISO標度上的處于40°C的以厘斯(cSt)計的粘性等級。根據ISO標準(在1992年發表的ISO 3448中提出)，各粘性等級由與其40°C下的以mm2/秒(1 mm2/秒=1 cSt)計的中點動粘度最接近的整數來指定，并且允許百分之+/ - 10的值的范圍。具有以上范圍中的粘性的低損耗潤滑劑的特定示例包括API基礎油組III中的礦物油基潤滑劑；API基礎油組IV中的合成基聚阿爾法烯烴(ΡΑ0);和某些聚烷撐二醇(PAG)。相反，用于工業燃氣渦輪中的“高粘性”油(在本文中還稱作常規油)可具有VG32或甚至VG45的粘性以用于高溫環境。
[0034]如在本文中所使用的，“單一類型低損耗軸承”為具有單個初級軸承單元的軸承組件，該初級軸承單元具有非常低的粘性工作流體且其附有為滾子軸承元件的次級軸承。如在本文中所使用的，“混合類型低損耗軸承”為具有兩個初級軸承單元的軸承組件，這兩個初級軸承單元包括非常低粘性的工作流體且附有次級軸承。在單一類型或混合類型低損耗軸承中用作次級或備用軸承的“滾子軸承元件”的示例包括球形滾子軸承、圓錐形滾子軸承、錐形滾子軸承、和陶瓷滾子軸承。
[0035]同此同時提交并通過引用而并入本文中的，題為“具有單一類型低損耗軸承和低密度材料的機械架構”的US專利申請序列號N0.14/460，606提供了關于在功率生成架構中使用單一類型軸承的更多細節。同此同時提交并通過引用而并入本文中的，題為“具有混合類型低損耗軸承和低密度材料的機械驅動架構”的US專利申請序列號N0.14/460，620提供關于在功率生成架構中使用混合類型軸承的更多細節。
[0036]在單一類型或混合類型低損耗軸承任一者之中，(多種)工作流體可為非常低粘性的流體。用于本單一類型或混合類型低損耗軸承中的“非常低粘性”的流體具有小于水(8口，20°(:下1厘泊)的粘性，且可包括但不限于:空氣(例如，在高壓空氣軸承中)、氣體(例如，在高壓氣體軸承中)、磁通(例如，在高通量磁性軸承中)、和蒸汽(例如，在高壓蒸汽軸承中)。在氣體軸承中，氣態流體可為惰性氣體、氫、二氧化碳(C02)、二氧化氮(N02)、或烴(包括甲烷、乙烷、丙烷等)。
[0037]在混合類型低損耗軸承中，第一初級軸承單元包括將磁通作為工作流體的磁軸承。第二初級軸承單元包括箔軸承，該箔軸承被供應有具有非常低粘性的高壓流體，其示例提供在上面。
[0038]為了清楚地例示出各種驅動系架構，利用矩形符號和數字140來代表軸承(不考慮類型)。一般來說，由箭頭例示由軸承流體滑道提供至各初級軸承單元的工作流體。為了表示混合類型低損耗軸承，在附圖中，通過具有不同形狀箭頭的兩條線來表示由軸承流體滑道提供至兩個初級軸承單元的工作流體。具體而言，具有閉合頭部的箭頭表示輸送磁流體的管道，而具有開放頭部的箭頭表示輸送上述低損耗潤滑劑或非常低粘性的流體中的一者的管道。
[0039]盡管附圖可例示在驅動系架構的大部分或所有區段中使用混合類型低損耗軸承，但沒有必要所有的軸承都為混合類型軸承。例如，低損耗潤滑劑軸承的組合可與常規油軸承結合地使用，低損耗潤滑劑軸承用于一些位置，且常規油軸承用于其他位置。備選地或此夕卜，只要至少一個軸承為低損耗潤滑劑軸承，則軸承中的一個或更多個可包括單一類型或混合類型低損耗軸承中的任一者中的非常低粘性的流體。在常規油軸承用在特定位置處的方案中，其將接收從軸承流體滑道供應的單個流體(油)。在使用單一類型軸承(包含非常低粘性的流體)的方案中，這種軸承將類似地接收來自軸承流體滑道的單個流體。因此，附圖中去往各軸承的兩個箭頭的使用僅是例示性的且不意圖將本公開的范圍限制于任何特定布置(例如，僅使用混合類型軸承的一種)。
[0040]如在本文中使用的，“低密度材料”為具有小于大約0.200 lbm/in3的密度的材料。適于與在附圖中例示出且在本文中描述的旋轉構件(例如，葉片130、135) —起使用的低密度材料的示例包括但不限于:合成材料，包括陶瓷基合成物(CMC)、有機基合成物(0MC)、聚合物玻璃合成物(PMC)、金屬基合成物(MMC)、和碳-碳合成物(CCC);鈹；鈦(諸如T1-64、T1-6222，和T1-6246);包括鈦和鋁的金屬間化合物(諸如TiAl、TiAl2、TiAl3、Ti3Al);包括鐵和鋁的金屬間化合物(諸如FeAl);包括鉑和鋁的金屬間化合物(諸如PtAl);包括鈷和鋁的金屬間化合物(諸如CbAl);包括鋰和鋁的金屬間化合物(諸如LiAl);包括鎳和鋁的金屬間化合物(諸如NiAl);和泡沫鎳。
[0041]短語“低密度材料”在本申請(包括權利要求)中的使用不應解釋為將本發明的各種實施例限制為使用單個低密度材料，而是可解釋為指包括相同或不同低密度材料的構件。例如，第一低密度材料可用于架構的一個區段中，而第二(不同的)低密度材料可用于另一區段中。在另一示例中，第一低密度材料可用于區段(例如，渦輪區段)的一個級中，而第二(不同的)低密度材料可用于相同區段(例如，渦輪區段)的第二級中。
[0042]在附圖中，由驅動系的可使用這種低密度材料的相應區段中的虛線來表示低密度材料的使用。盡管附圖可例示出低密度材料用于機械驅動架構或燃氣渦輪架構的大部分或所有區段中，但應當理解的是，低密度材料可僅限于由低損耗軸承支撐的那些區段。
[0043]與上述低密度材料相反，“高密度材料”為具有大于大約0.200 lbm/in3的密度的材料。高密度材料(如在本文中使用的)的示例包括，但不限于:鎳基超級合金(諸如處于單晶體、等軸或定向凝固形式的合金，其示例包括INC0NEL? 625、INC0NEL? 706、和INC0NEL? 718);鋼基超級合金(諸如鍛制CrMoV及其衍生物、GTD-450、GTD-403 Cb、和GTD-403 Cb+);和所有不銹鋼衍生物(諸如17-4PH?不銹鋼、AISI類型410不銹鋼等)。
[0044]使驅動系架構具有如在本文中所描述的低損耗潤滑劑軸承和低密度材料的技術影響為，這些架構:(a)提供在驅動系中使用低損耗軸承的能力，否則其將過重以至于不能操作；(b)提供操作處于可接受溫度的軸承，同時承載重負載，而不使低損耗潤滑劑軸承流體過早降解的能力；(c)輸送高輸出負載，同時降低粘性損耗，這些粘性損耗通常通過使用高粘性油基軸承而引入到驅動系中；和(d)允許由各軸承使用的潤滑劑的流量和體積的降低，從而容許相關潤滑劑儲存器、栗等的尺寸的對應減小。
[0045]通過使用燃氣渦輪中的包括低密度材料的旋轉葉片來輸送更大量的空氣流轉變成燃氣渦輪的更高輸出。結果，燃氣渦輪制造者可增大旋轉葉片的尺寸，以生成更高空氣流速率，同時確保這種更長的葉片保持在規定的進氣環室(AN2)限制內，以避免葉片上的過多附接應力，甚至當葉片由低密度材料制造時。注意AN2是環室面積A (in2)和旋轉葉片的旋轉速度N平方(rpm2)的積，且用作大體上量化來自燃氣渦輪的功率輸出額定值的參數。
[0046]圖1到4例示出包括燃氣渦輪的各種機械驅動架構，其可包括多個軸承位置。圖5到9例示出各種燃氣渦輪架構，其可包括多個軸承位置。低損耗軸承140 (尤其是低損耗潤滑劑軸承)可根據需要與機械驅動架構的負載輸出無關地用于遍及驅動系的任何位置。與低損耗潤滑劑軸承結合地使用低密度材料可為適當的，因為更高負載輸出的情況下的更大的構件尺寸和重量中的相關增加可需要使用低密度材料。盡管可通過對旋轉構件中的至少一些使用低密度材料而獲得改善的性能和/或操作，但在一些實施例中，預期可在旋轉構件中沒有低密度材料的情況下使用低損耗潤滑劑軸承。
[0047]在低損耗軸承用于支撐機械驅動架構的特定區段的那些情形中，低密度材料可用在驅動系的該區段的特定旋轉構件中。例如，如果低損耗軸承正在支撐渦輪區段，則低密度材料可用于渦輪區段(如由虛線指示的)內的旋轉葉片的一個或更多個級。類似地，如果低損耗軸承正在支撐負載壓縮機，則低密度材料可用在負載壓縮機(也如由虛線指示的)的旋轉構件中。
[0048]用語“旋轉構件”意指包括壓縮機區段、渦輪區段、再加熱渦輪區段、動力渦輪區段、和負載壓縮機的移動部分中的一個或更多個，諸如葉片(也稱為翼型件)、覆蓋板、間隔件、密封件、圍帶、熱屏蔽件、以及這些或其他移動部分的任何組合。在本文中出于便利，壓縮機、渦輪和負載壓縮機的旋轉葉片將最常稱為由低密度材料制造。然而，應當理解的是，可除旋轉葉片以外或代替旋轉葉片來使用低密度材料的其他構件。
[0049]盡管以下關于示出的驅動系架構的說明用于商業或工業機械驅動架構中，但本發明的各種實施例不意圖僅限于這種應用。相反，使用低損耗軸承(且尤其是低損耗潤滑劑軸承)和低密度材料的旋轉構件的構思能夠應用于所有類型的燃燒渦輪或旋轉發動機，這些發動機使用可壓縮流體來驅動具有可壓縮或幾乎不可壓縮流體中的任一種的負載裝置。使用可壓縮流體的負載裝置的示例包括但不限于，單機(stand-alone)壓縮機(諸如多級軸向壓縮機布置)、飛行器發動機、航海動力驅動器等。使用幾乎不可壓縮流體(例如，水、