具有成角度入口预旋流轮叶的涡轮风扇发动机的制作方法

1.本主题通常涉及一种燃气涡轮发动机，或更具体地涉及一种构造为在机舱的入口处引导气流并将进入的物体导向发动机的外部分并远离发动机的核心的燃气涡轮发动机。


背景技术：

2.涡轮风扇发动机通常包括布置成彼此流动连通的具有多个风扇叶片的风扇和涡轮机。另外，涡轮风扇发动机的涡轮机通常按串联流动顺序包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中，空气从风扇提供到压缩机区段的入口，其中一个或多个轴向压缩机逐渐压缩空气直到它到达燃烧区段。燃料与压缩空气混合并在燃烧区段内燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段引导到涡轮区段。通过涡轮区段的燃烧气体流驱动涡轮区段，然后通过排气区段被引导至例如大气。
附图说明
3.在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本公开的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其参考了附图，其中：
4.图1是根据本主题的示例性实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性横截面图。
5.图2是根据本主题的示例性实施例的图1的示例性燃气涡轮发动机的前端的特写示意性横截面图。
6.图3是根据本主题的示例性实施例的沿着图1的燃气涡轮发动机的轴向方向的图1的示例性燃气涡轮发动机的入口的示意图。
7.图4是根据本公开的另一个示例性实施例的燃气涡轮发动机的入口的示意图。
8.图5是根据本主题的另一个示例性实施例的沿着图1的燃气涡轮发动机的轴向方向的图1的示例性燃气涡轮发动机的入口的示意图。
9.图6是图1的示例性燃气涡轮发动机的部分跨度入口导向轮叶在沿着部分跨度入口导向轮叶的跨度的第一位置处的横截面图。
10.图7是图1的示例性燃气涡轮发动机的部分跨度入口导向轮叶在沿着部分跨度入口导向轮叶的跨度的第二位置处的横截面图。
11.图8是根据本主题的另一个示例性实施例的沿着图1的燃气涡轮发动机的轴向方向的图1的示例性燃气涡轮发动机的入口的示意图。
12.图9是根据本主题的另一个示例性实施例的沿着图1的燃气涡轮发动机的轴向方向的图1的示例性燃气涡轮发动机的入口的示意图。
13.图10是根据本主题的另一个示例性实施例的沿着图1的燃气涡轮发动机的轴向方向的图1的示例性燃气涡轮发动机的入口的示意图。
14.图11是根据本主题的另一个示例性实施例的沿着图1的燃气涡轮发动机的轴向方向的图1的示例性燃气涡轮发动机的入口的示意图。
15.相应的附图标记指示贯穿若干视图的相应部分。在此阐述的示例说明了本公开的
示例性实施例，并且这样的示例不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
16.现在将详细参考本公开的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的类似或相似的标号已用于指代本公开的类似或相似的部分。
17.提供以下描述是为了使本领域技术人员能够制作和使用所描述的实施例，这些实施例被设想用于执行本公开。然而，各种修改、等同物、变化和替代对于本领域技术人员而言将是显而易见的。任何和所有此类修改、变化、等同物和替代物旨在落入本公开的范围内。
18.本文使用的词语“示例性”是指“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为优于或好于其他实施方式。此外，除非另有具体说明，否则本文描述的所有实施例都应被视为示例性的。
19.为了下文描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“竖直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“横向”、“纵向”及其派生词应与附图中定向的公开内容相关。然而，应当理解，除非有相反的明确规定，否则本公开可以采用各种替代变体。还应当理解，附图中所示和以下说明书中描述的具体装置仅仅是本公开的示例性实施例。因此，与本文公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特性不应被视为限制性的。
20.如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以将一个部件与另一个部件区分开来并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
21.术语“前”和“后”指的是燃气涡轮发动机内的相对位置，前指的是更靠近发动机入口的位置，后指的是更靠近发动机喷嘴或排气口的位置。
22.术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流自的方向，“下游”是指流体流向的方向。
23.单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。
24.此外，术语“低”、“高”或它们各自的比较程度(例如，较低、较高，在适用的情况下)均指发动机内的相对速度或压力，除非另有说明。例如，“低压涡轮”在通常低于“高压涡轮”的压力下操作。替代地，除非另有说明，否则可以以其最高级来理解上述术语。例如，“低压涡轮”可指涡轮区段内最低的最大压力涡轮，而“高压涡轮”可指涡轮区段内的最高最大压力涡轮。本公开的发动机还可以包括中压涡轮，例如具有三个线轴的发动机。
25.如在整个说明书和权利要求书中所使用的近似语言被应用于修饰任何可以允许变化而不导致与其相关的基本功能发生变化的定量表示。因此，由诸如“大约”、“近似”和“基本上”之类的一个或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度，或者用于构建或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指在1％、2％、4％、10％、15％或20％的余量内。这些近似余量可适用于单个值、定义数值范围的任一端点或两个端点，和/或端点之间范围的余量。
26.此处和整个说明书和权利要求，范围限制被组合和互换，这样的范围被识别并且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另有说明。例如，本文公开的所有范围均
包括端点，并且端点可彼此独立组合。
27.如本文所用，术语“风扇压力比”是指在风扇操作期间紧接在风扇的风扇叶片下游的气压与在风扇操作期间紧接在风扇的风扇叶片上游的气压的比率。
28.如本文所用，关于涡轮风扇发动机的术语“额定速度”是指涡轮风扇发动机在正常操作时可达到的最大转速。例如，涡轮风扇发动机可以在最大负载操作期间以额定速度操作，例如在起飞操作期间。
29.同样如本文所用，风扇的多个风扇叶片所限定的术语“风扇尖端速度”是指在风扇操作期间风扇叶片的外尖端沿径向方向的线速度。
30.本公开大体上涉及构造为用于涡轮风扇发动机的多个部分跨度入口导向轮叶的入口预旋流轮叶。在本公开中，多个部分跨度入口导向轮叶相对于涡轮风扇发动机的外机舱的半径成第一角度。此外，多个部分跨度入口导向轮叶限定弦并且部分跨度入口导向轮叶的弦相对于外机舱的纵向轴线成第二角度。
31.以这种方式，多个部分跨度入口导向轮叶被构造为将进入的物体导向涡轮风扇发动机的外部分。多个部分跨度入口导向轮叶构造为将进入的物体导向远离涡轮风扇发动机的核心空气流路并朝向旁通气流通道。这提供了一种偏转机构，该偏转机构通过最小化物体行进到涡轮风扇发动机的核心的机会来促进将物体吸入涡轮风扇发动机的外部分。这些物体可能包括鸟击、冰雹、冰、沙尘暴、碎片和其他异物。
32.此外，以这种方式，多个部分跨度入口导向轮叶也被构造为预旋流通过外机舱的入口提供(在风扇的多个风扇叶片的上游)的气流。如本文所讨论的，在这种气流到达风扇的多个风扇叶片之前使通过外机舱的入口提供的气流预旋流可以减少分离损失和/或冲击损失，允许风扇以相对较高的风扇尖端速度操作，而效率损失较小。此外，以这种方式，多个部分跨度入口导向轮叶也被构造为最小化颤振并保持层流空气流过部分跨度入口导向轮叶并且最小化入口中的湍流。
33.现在参考附图，其中贯穿附图相同的数字指示相同的元件，图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。更具体地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机是航空涡轮风扇喷气发动机10，此处称为“涡轮风扇发动机10”，构造为安装到飞行器，例如在机翼下构造或尾部安装构造中。如图1所示，涡轮风扇发动机10限定轴向方向a(平行于供参考的纵向中心线12延伸)、径向方向r和周向方向(即，围绕轴向方向a延伸的方向；未描绘)。一般而言，涡轮风扇发动机10包括风扇区段14和布置在风扇区段14下游的涡轮机16(涡轮机16有时也或替代地称为“核心涡轮发动机”)。
34.所示的示例性涡轮机16通常包括限定环形入口20的基本管状外壳体18。外壳体18以串联流动关系包围：压缩机区段，该压缩机区段包括第一增压器或低压(lp)压缩机22和第二高压(hp)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段，涡轮区段包括第一高压(hp)涡轮28和第二低压(lp)涡轮30；和喷射排气喷嘴区段32。高压(hp)轴34将hp涡轮28驱动连接到hp压缩机24。低压(lp)轴36将lp涡轮30驱动连接到lp压缩机22。压缩机区段、燃烧区段26、涡轮区段和喷射排气喷嘴区段32以串联流动顺序布置并且一起限定通过涡轮机16的核心空气流动路径37。还可以设想本公开与具有中压涡轮的发动机兼容，例如具有三个线轴的发动机。
35.仍然参考图1的实施例，风扇区段14包括可变桨距的单级风扇38，涡轮机16可操作地联接到风扇38以驱动风扇38。风扇38包括以间隔开的方式联接到盘42的多个可旋转风扇
叶片40。如图所示，风扇叶片40大致沿径向方向r从盘42向外延伸。由于风扇叶片40可操作地联接到合适的致动构件44，每个风扇叶片40可相对于盘42绕桨距轴线p旋转，该致动构件44被构造为共同地例如一致地改变风扇叶片40的桨距。风扇叶片40、盘42和致动构件44可跨越动力齿轮箱46通过lp轴36一起绕纵向中心线12旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，用于将lp轴36的转速降低到更有效的旋转风扇速度。因此，对于所示实施例，涡轮机16通过动力齿轮箱46可操作地联接到风扇38。
36.在示例性实施例中，风扇区段14包括二十二(22)个或更少的风扇叶片40。在某些示例性实施例中，风扇区段14包括二十(20)个或更少的风扇叶片40。在某些示例性实施例中，风扇区段14包括十八(18)个或更少的风扇叶片40。在某些示例性实施例中，风扇区段14包括十六(16)个或更少的风扇叶片40。在某些示例性实施例中，可以设想风扇区段14包括用于特定应用的其他数量的风扇叶片40。
37.在涡轮风扇发动机10的操作期间，风扇38限定风扇压力比并且多个风扇叶片40各自限定风扇尖端速度。所描绘的示例性涡轮风扇发动机10在涡轮风扇发动机以额定速度操作期间限定了相对高的风扇尖端速度和相对低的风扇压力比。如本文所用，术语“风扇压力比”是指风扇38操作期间紧接在风扇叶片40下游的气压与风扇38操作期间紧接在风扇叶片40上游的气压之比。对于图1所示的实施例，涡轮风扇发动机10的风扇38限定相对低的风扇压力比。例如，所描述的涡轮风扇发动机10限定了小于或等于大约1.5的风扇压力比。例如，在某些示例性实施例中，涡轮风扇发动机10可限定小于或等于约1.4的风扇压力比。在某些示例性实施例中，设想涡轮风扇发动机10可以限定用于特定应用的其他风扇压力比。风扇压力比可以是在涡轮风扇发动机10操作期间风扇38的风扇压力比，例如在涡轮风扇发动机10以额定速度操作期间。
38.如本文所用，关于涡轮风扇发动机10的术语“额定速度”是指涡轮风扇发动机10在正常操作时可达到的最大转速。例如，涡轮风扇发动机10可以在最大负载操作期间以额定速度操作，例如在起飞操作期间。
39.同样如本文所用，由多个风扇叶片40定义的术语“风扇尖端速度”是指在风扇38操作期间风扇叶片40的外尖端沿周向方向的线速度。在示例性实施例中，本公开的涡轮风扇发动机10使风扇38的风扇叶片40以相对高的转速旋转。例如，在涡轮风扇发动机10以额定速度操作期间，多个风扇叶片40中的每一个的风扇尖端速度大于或等于1,000英尺/秒并且小于或等于2,250英尺/秒。在某些示例性实施例中，在涡轮风扇发动机10以额定速度操作期间，每个风扇叶片40的风扇尖端速度可以大于或等于1,250英尺/秒并且小于或等于2,250英尺/秒。在某些示例性实施例中，在涡轮风扇发动机10以额定速度操作期间，每个风扇叶片40的风扇尖端速度可大于或等于大约1,350英尺/秒，例如大于大约1,450英尺/秒，例如大于大约1,550英尺/秒，并且小于或等于2,250英尺/秒。在某些示例性实施例中，设想在涡轮风扇发动机10以额定速度操作期间，每个风扇叶片40的风扇尖端速度可限定用于特定应用的其他范围。
40.仍然参考图1的示例性实施例，盘42被可旋转的前机舱或轮毂48覆盖，其具有空气动力学轮廓以促进气流通过多个风扇叶片40。另外，示例性风扇区段14包括环形风扇壳体或外机舱50，其至少部分地并且对于所描述的实施例来说，周向地围绕风扇38和涡轮机16的至少一部分。
41.更具体地，外机舱50包括内壁52，并且外机舱50的内壁52的下游区段54在涡轮机16的外部分上延伸，以便在它们之间限定旁通气流通道56。另外，对于所示实施例，外机舱50由多个周向间隔开的出口导向轮叶55相对于涡轮机16被支撑。外机舱50包括在外机舱50的前缘61处的入口60。
42.在涡轮风扇发动机10的操作期间，一定体积的空气58通过外机舱50和/或风扇区段14的入口60进入涡轮风扇发动机10。当一定体积的空气58穿过风扇叶片40时，空气58的第一部分如箭头62所示被导向或引导到旁通气流通道56中，且空气58的第二部分如箭头64所示被导向或引导到核心空气流动路径37中。通过旁通气流通道56的气流量(即，箭头62所示的空气的第一部分)与通过核心空气流动路径37的气流量(即，箭头64指示的空气的第二部分)之间的比率被称为旁通比。
43.仍参考图1，来自压缩机区段的由箭头64指示的压缩的第二部分空气与燃料混合并在燃烧区段内燃烧以提供燃烧气体66。燃烧气体66从燃烧区段26被引导通过hp涡轮28，在hp涡轮28中来自燃烧气体66的一部分热能和/或动能经由联接到外壳体18的hp涡轮定子轮叶68和联接到hp轴34的hp涡轮转子叶片70的顺序级提取，从而引起hp轴34旋转，进而支持hp压缩机24的操作。然后，燃烧气体66被引导通过lp涡轮30，在lp涡轮30中来自燃烧气体66的第二部分热能和动能经由联接到外壳体18的lp涡轮定子轮叶72和联接到lp轴36的lp涡轮转子叶片74的顺序级提取，从而引起lp轴36旋转，进而支持lp压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
44.燃烧气体66随后被引导通过涡轮机16的喷射排气喷嘴区段32以提供推进推力。同时，当空气的第一部分62在其从涡轮风扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被引导通过旁通气流通道56时，由箭头62指示的空气的第一部分的压力显著增加，也提供推进力。hp涡轮28、lp涡轮30和喷射排气喷嘴区段32至少部分地限定用于引导燃烧气体66通过涡轮机16的热气路径78。
45.仍然参考图1，本公开的涡轮风扇发动机10还在如本文所述的风扇叶片40的尖端的前方提供预旋流。例如，涡轮风扇发动机10另外包括入口预旋流轮叶，例如构造为多个部分跨度入口导向轮叶100，如本文更详细描述的。
46.在一些示例性实施例中，应当理解，本公开的示例性涡轮风扇发动机10可以是相对大功率等级的涡轮风扇发动机10。因此，当以额定速度操作时，涡轮风扇发动机10可构造为产生相对大的推力。更具体地说，当以额定速度操作时，涡轮风扇发动机10可构造为产生至少大约20,000磅的推力，例如至少大约25,000磅的推力，例如至少大约30,000磅的推力，以及高达例如大约150,000磅的推力。因此，涡轮风扇发动机10可称为相对大功率等级的燃气涡轮发动机。
47.此外，应当理解，图1中描绘的示例性涡轮风扇发动机10仅作为示例，并且在其他示例性实施例中，涡轮风扇发动机10可具有任何其他合适的构造。例如，在某些示例性实施例中，风扇可以不是可变桨距风扇，发动机可以不包括驱动风扇的减速齿轮箱(例如，动力齿轮箱46)，可包括任何其他合适数量或布置的轴、线轴、压缩机、涡轮等。
48.如上所述，本公开的涡轮风扇发动机10还在风扇叶片40的尖端的前方提供预旋流。现在还参考图2，提供了图1的示例性涡轮风扇发动机10的风扇区段14和涡轮机16的前端的特写横截面图。在示例性实施例中，涡轮风扇发动机10包括入口预旋流轮叶，其位于风
扇38的多个风扇叶片40的上游并且联接到外机舱50。例如，入口预旋流轮叶可直接附接、间接附接或集成到外机舱50中。更具体地，对于图1和图2的实施例，入口预旋流轮叶被构造为多个部分跨度入口导向轮叶100。多个部分跨度入口导向轮叶100各自沿轴向方向a在风扇38的多个风扇叶片40前方并且在外机舱50的入口60的后方的位置处从外机舱50(例如从外机舱50的内壁52)悬臂伸出。更具体地，多个部分跨度入口导向轮叶100中的每一个沿着径向方向r限定外端102，并且通过合适的连接装置(未示出)在径向外端102处联接到外机舱50。例如，多个部分跨度入口导向轮叶100中的每一个都可以在外端102处螺栓连接到外机舱50的内壁52，在外端102处焊接到外机舱50的内壁52，或者在外端102处以任何其他合适的方式联接到外机舱50。
49.仍然参照图2，在示例性实施例中，本公开的机舱组件80包括外机舱50和入口预旋流轮叶，例如，多个部分跨度入口导向轮叶100。此外，对于所示的实施例，多个部分跨度入口导向轮叶100大体沿径向方向r从外端102延伸至内端104(即，沿径向方向r的内端104)。此外，如将理解的，对于所描绘的实施例，多个部分跨度入口导向轮叶100中的每一个在各自的内端104处不与相邻的部分跨度入口导向轮叶100连接(即，相邻部分跨度入口导向轮叶100在径向内端104处相互不接触，并且在径向内端104处不包括任何中间连接构件，例如连接环、支柱等)。更具体地，对于所描述的实施例，每个部分跨度入口导向轮叶100在各自的外端102处完全由与外机舱50的连接支撑(并且不通过例如在外端102沿径向方向r向内的位置处在相邻部分跨度入口导向轮叶100之间延伸的任何结构)。正如下面将要讨论的，这可以减少由部分跨度入口导向轮叶100产生的湍流量。
50.此外，如图所示，多个部分跨度入口导向轮叶100中的每一个都不完全在外机舱50和例如涡轮风扇发动机10的轮毂48之间延伸。更具体地，对于所描述的实施例，多个入口导向轮叶中的每一个沿径向方向r限定入口导向轮叶(“igv”)跨度106，其是指在部分跨度入口导向轮叶100的前缘108处沿径向方向r在部分跨度入口导向轮叶100的外端102和内端104之间的尺寸。多个部分跨度入口导向轮叶100中的每一个还限定前缘108和后缘110。类似地，应当理解，风扇38的多个风扇叶片40沿径向方向r限定风扇叶片跨度112，其是指在相应风扇叶片40的前缘114处沿径向方向r在风扇叶片40的径向外尖端和基部之间的尺寸。风扇38的多个风扇叶片40中的每一个还限定前缘114和后缘116。
51.对于所示实施例，igv跨度106至少为风扇叶片跨度112的大约百分之五，并且高达风扇叶片跨度112的大约百分之五十五。例如，在某些示例性实施例中，igv跨度106可以在风扇叶片跨度112的大约百分之十五和风扇叶片跨度112的大约百分之四十五之间，例如在风扇叶片跨度112的大约百分之三十和风扇叶片跨度112的大约百分之四十之间。
52.现在还将参考图3，其提供图1和图2的涡轮风扇发动机10的入口60的轴向视图。应当理解，涡轮风扇发动机10的多个部分跨度入口导向轮叶100包括相对大量的部分跨度入口导向轮叶100。例如，对于所示实施例，涡轮风扇发动机10的多个部分跨度入口导向轮叶100包括三十二个部分跨度入口导向轮叶100。在其他示例性实施例中，设想多个部分跨度入口导向轮叶100包括大约十个部分跨度入口导向轮叶100至大约五十个部分跨度入口导向轮叶100。在另外的示例性实施例中，设想多个部分跨度入口导向轮叶100包括大约二十个部分跨度入口导向轮叶100和大约四十五个部分跨度入口导向轮叶100。另外，对于所示实施例，多个部分跨度入口导向轮叶100中的每一个沿着周向方向c基本均匀地(例如，等距
地)间隔开。更具体地，多个部分跨度入口导向轮叶100中的每一个与相邻的部分跨度入口导向轮叶100限定周向间距118，每相邻的部分跨度入口导向轮叶100之间的周向间距118基本相等。
53.虽然未描绘，但在某些示例性实施例中，部分跨度入口导向轮叶100的数量可基本上等于涡轮风扇发动机10的风扇38(图1)的风扇叶片40(图1)的数量。然而，在其他实施例中，部分跨度入口导向轮叶100的数量可以大于涡轮风扇发动机10的风扇38的风扇叶片40的数量，或者替代地，可以小于涡轮风扇发动机10的风扇38的风扇叶片40的数量。
54.此外，应当理解，在其他示例性实施例中，涡轮风扇发动机10可包括任何其他合适数量的部分跨度入口导向轮叶100和/或部分跨度入口导向轮叶100的周向间距118。例如，现在简要地参考图4，提供了根据本公开的另一个示例性实施例的涡轮风扇发动机10的入口60的轴向视图。对于图4的实施例，涡轮风扇发动机10包括少于二十个部件跨度入口导向轮叶100。更具体地，对于图4的实施例，涡轮风扇发动机10包括至少八个部分跨度入口导向轮叶100，或更具体地包括恰好八个部分跨度入口导向轮叶100。另外，对于图4的实施例，多个部分跨度入口导向轮叶100沿周向方向c不是基本上均匀地间隔开的。例如，多个部分跨度入口导向轮叶100中的至少某些限定第一周向间距118a，而多个部分跨度入口导向轮叶100中的其他部分跨度入口导向轮叶限定第二周向间距118b。对于所示实施例，第一周向间距118a比第二周向间距118b大至少大约百分之二十，例如至少大约百分之二十五，例如至少大约百分之三十，例如高达大约百分之两百。值得注意的是，周向间距118是指相邻部分跨度入口导向轮叶100之间的平均周向间距。不均匀的周向间距可以例如偏移部分跨度入口导向轮叶100上游的结构。
55.返回参考图3，外机舱50限定半径nr。对于所示实施例，多个部分跨度入口导向轮叶100相对于外机舱50的半径nr成角度(例如，倾斜)，即第一角度a1。
56.以这种方式，多个部分跨度入口导向轮叶100被构造为将进入的物体引向涡轮风扇发动机10(图1)的外径向部分。多个部分跨度入口导向轮叶100被构造为引导进入的物体远离涡轮风扇发动机10的核心空气流动路径37(图1)并且朝向旁通气流通道56(图1)。这提供了一种偏转机构，该偏转机构有助于将物体吸入到涡轮风扇发动机10(图1)的外径向部分，从而最小化物体行进到涡轮风扇发动机10的核心的机会。
57.此外，以这种方式，多个部分跨度入口导向轮叶100还被构造为预旋流通过外机舱50的入口60提供(在风扇38(图1)的多个风扇叶片40(图1)的上游)的气流58(图1)。如本文所讨论的，在这种气流58到达风扇38的多个风扇叶片40之前预旋流通过机舱50的入口60提供的气流58可以减少分离损失和/或激波损失，允许风扇38以上面描述的相对高的风扇尖端速度操作而效率损失较小。此外，以这种方式，多个部分跨度入口导向轮叶100还被构造为最小化颤振并保持层流空气流过部分跨度入口导向轮叶100并且最小化入口60中的湍流。
58.在某些示例性实施例中，第一角度a1在大约2度和大约45度之间。在其他示例性实施例中，设想第一角度a1在用于特定应用的其他范围之间。
59.在图3所示的示例性实施例中，多个部分跨度入口导向轮叶100在顺时针方向cw上(即，与风扇叶片40(图2)旋转相同的方向)相对于外机舱50的半径nr成第一角度a1。
60.在一个示例性实施例中，多个部分跨度入口导向轮叶100各自相对于外机舱50的
半径nr成相同的第一角度a1。在其他示例性实施例中，多个部分跨度入口导向轮叶100相对于外机舱50的半径nr成不同的第一角度a1，这将在下面更详细地描述。
61.现在参考图5，提供了根据另一个示例性实施例的图1和图2的涡轮风扇发动机10的入口60的轴向视图。参考图5，在另一个示例性实施例中，多个部分跨度入口导向轮叶100在逆时针方向ccw上(即，与风扇叶片40(图2)旋转相反的方向)相对于外机舱50的半径nr成第一角度a1。
62.现在回到图2，如上所述，多个部分跨度入口导向轮叶100中的每一个被构造为预旋流通过机舱50的入口60提供(在风扇38的多个风扇叶片40上游)的气流58。如上所述，在气流58到达风扇38的多个风扇叶片40之前预旋流通过机舱50的入口60提供的气流58可以减少分离损失和/或激波损失，允许风扇38以上面描述的相对高的风扇尖端速度操作而效率损失较小。
63.例如，首先参考图6，提供了如图2中的线6-6所示沿部分跨度入口导向轮叶100的跨度的一个部分跨度入口导向轮叶100的横截面图。如图所示，部分跨度入口导向轮叶100大体被构造为翼型件，该翼型件具有压力侧120和相对的吸力侧122，并且沿弧线124在前缘108和后缘110之间延伸。此外，部分跨度入口导向轮叶100限定了从前缘108直接延伸到后缘110的弦线126。部分跨度入口导向轮叶100的弦线126相对于外机舱50的纵向轴线12(图2)成角度(例如，扭曲)，即第二角度或攻角128。例如，弦线126与通过机舱50的入口60(图2)的气流58的气流方向129限定第二角度或攻角128。值得注意的是，对于所示实施例，气流方向129基本平行于涡轮风扇发动机10的外机舱50的轴向方向a和纵向轴线12。对于所示实施例，在沿着部分跨度入口导向轮叶100的跨度106所描绘的位置处的攻角128至少大约为五度并且高达大约三十五度。例如，在某些实施例中，在沿着部分跨度入口导向轮叶100的跨度106描绘的位置处的攻角128可以在大约十度和大约三十度之间，例如在大约十五度和大约二十五度之间。
64.此外，在沿部分跨度入口导向轮叶100的跨度106(图2)所描绘的位置处，部分跨度入口导向轮叶100在后缘110处限定了局部旋流角130。如本文所用，部分跨度入口导向轮叶100的后缘110处的“旋流角”，指的是通过机舱50(图2)的入口60(图2)的气流58的气流方向129与由部分跨度入口导向轮叶100的压力侧120的后缘区段限定的参考线132之间的角度。更具体地，参考线132由沿弦线126测量的压力侧120的后百分之二十限定。值得注意的是，当压力侧120的后百分之二十限定曲线时，参考线132可以是这种曲线的直线平均拟合(例如，使用最小均方)。
65.此外，应当理解，最大旋流角130指的是沿着部分跨度入口导向轮叶100的跨度106(图2)的最大旋流角130。对于所示实施例，最大旋流角130被限定在部分跨度入口导向轮叶100的径向外端102(图2)附近(例如，在部分跨度入口导向轮叶100的跨度106的外部百分之十处)，如图6中描绘的横截面所示。对于所描示实施例，每个部分跨度入口导向轮叶100在后缘110处的最大旋流角130在大约五度和大约三十五度之间。例如，在某些示例性实施例中，每个部分跨度入口导向轮叶100在后缘110处的最大旋流角130可以在十二度和二十五度之间。
66.此外，应当理解，对于图2的实施例，局部旋流角130从每个部分跨度入口导向轮叶100的径向内端104(图2)向径向外端102(图2)增加。例如，现在还参考图7，提供了如图2中
的线7-7所示的部分跨度入口导向轮叶100在从图6中观察到的横截面径向向内的位置处的横截面图。如图7所示和如上所述，部分跨度入口导向轮叶100限定了压力侧120、吸力侧122、前缘108、后缘110、弧线124和弦线126。此外，由弦线126和通过机舱50的入口60的气流58的气流方向129在沿图7所示跨度106的位置处限定的第二角度或攻角128小于沿图6中描绘的跨度106的位置处的攻角128(例如，可以小至少大约百分之二十，例如小至少大约百分之五十，例如小最多大约百分之一百)。此外，部分跨度入口导向轮叶100在靠近内端104的沿部分跨度入口导向轮叶100的跨度106的位置处的后缘110处限定局部旋流角130，如图7所示。如上所述，局部旋流角130从每个部分跨度入口导向轮叶100的径向内端104向径向外端102增加。因此，靠近外端102的局部旋流角130(参见图6)大于靠近径向内端104的局部旋流角130(参见图7；例如跨度106的径向内部百分之十)。例如，局部旋流角130可在径向内端104处接近零度(例如，可小于大约五度，例如小于大约两度)。
67.值得注意的是，包括具有这种构造的部分跨度入口导向轮叶100可以减少每个相应部分跨度入口导向轮叶100的径向内端104(图2)处的湍流量。此外，这样的构造可以在风扇38(图2)的多个风扇叶片40(图2)的径向外端处(其中风扇叶片40的转速最大)提供期望量的预旋流，以提供流分离和/或激波损失的期望减少，否则在涡轮风扇发动机10(图2)的操作期间，可能由于风扇尖端处的多个风扇叶片40的相对高的速度而发生流分离和/或激波损失。
68.现在参考图8，提供了根据另一个示例性实施例的图1和图2的涡轮风扇发动机10的入口60的轴向视图。参考图8，在另一个示例性实施例中，多个部分跨度入口导向轮叶100相对于外机舱50的半径nr成不同的第一角度a1。
69.外机舱50包括顶部210、底部212、第一侧部214和第二侧部216。在示例性实施例中，部分跨度入口导向轮叶100的第一部分，例如顶部210，相对于外机舱50的半径nr成第一角度a1。例如，部分跨度入口导向轮叶100在顶部210处相对于外机舱50的半径nr成五度或七度的第一角度a1。此外，部分跨度入口导向轮叶100的第二部分，例如第一侧部214，相对于外机舱50的半径nr成不同的角度。例如，部分跨度入口导向轮叶100在第一侧部214处相对于外机舱50的半径nr成十度或十五度的第一角度a1。在这样的示例性实施例中，多个部分跨度入口导向轮叶100沿周向方向c相对于外机舱50的半径nr成不同的第一角度a1。
70.在这样的示例性实施例中，倾斜角度的周向变化，例如，相对于外机舱50的半径nr的第一角度a1的周向变化，可以解决许多问题，包括横风、起飞等大攻角机动以及飞行器一侧或另一侧的发动机安装。例如，横风更可能影响发动机上的3点钟或9点钟位置，例如第二侧部216和第一侧部214，这可以使发动机上的3/9点钟位置比6/12点钟位置(例如，底部212和顶部210)更需要不同的倾斜角度。此外，安装在飞行器的一侧或另一侧可能会使离机身较远的发动机一侧的横风效应更加明显。同样，高攻角可能使6/12点钟位置(例如，底部212和顶部210)处的不同倾斜角度成为所期望的。由于这些原因，设想相对于外机舱50的半径nr的第一角度a1可以针对特定应用而变化，并且可以在外机舱50的顶部210、底部212、第一侧部214和/或第二侧部216处不同。
71.现在参考图9，提供了根据另一个示例性实施例的图1和图2的涡轮风扇发动机10的入口60的轴向视图。参考图9，在另一个示例性实施例中，多个部分跨度入口导向轮叶100相对于外机舱50的半径nr成不同的第一角度a1。
72.外机舱50包括顶部210、底部212、第一侧部214和第二侧部216。在示例性实施例中，部分跨度入口导向轮叶100在顶部210和底部212处相对于外机舱50的半径nr成不同的第一角度a1。例如，部分跨度入口导向轮叶100的顶部210相对于外机舱50的半径nr成第一角度a1。例如，部分跨度入口导向轮叶100在顶部210处相对于外机舱50的半径nr成五度或七度的第一角度a1。此外，部分跨度入口导向轮叶100的底部212相对于外机舱50的半径nr成不同的角度。例如，部分跨度入口导向轮叶100在底部212处相对于外机舱50的半径nr成十度的第一角度a1。在这样的示例性实施例中，多个部分跨度入口导向轮叶100在顶部210和底部212处相对于外机舱50的半径nr成不同的第一角度a1。
73.在这样的示例性实施例中，倾斜角度的周向变化，例如，相对于外机舱50的半径nr的第一角度a1的周向变化，可以解决许多问题，包括横风、起飞等大攻角机动以及飞行器一侧或另一侧的发动机安装。例如，横风更可能影响发动机上的3点钟或9点钟位置，例如第二侧部216和第一侧部214，这可以使发动机上的3/9点钟位置比6/12点钟位置(例如，底部212和顶部210)更需要不同的倾斜角度。此外，安装在飞行器的一侧或另一侧可能会使离机身较远的发动机一侧的横风效应更加明显。同样，高攻角可能使6/12点钟位置(例如，底部212和顶部210)处的不同倾斜角度成为所期望的。由于这些原因，设想相对于外机舱50的半径nr的第一角度a1可以针对特定应用而变化，并且可以在外机舱50的顶部210、底部212、第一侧部214和/或第二侧部216处不同。
74.现在参考图10，提供了根据另一个示例性实施例的图1和图2的涡轮风扇发动机10的入口60的轴向视图。参考图10，在另一个示例性实施例中，部分跨度入口导向轮叶100中的一个在部分跨度入口导向轮叶100的不同部分处相对于外机舱50的半径nr成不同角度。
75.例如，部分跨度入口导向轮叶100在部分跨度入口导向轮叶100的第一位置250处相对于外机舱50的半径nr成第一角度a1，并且部分跨度入口导向轮叶100在部分跨度入口导向轮叶100的第二位置252处相对于外机舱50的半径nr成第二角度a2。在这样的实施例中，第一角度a1不同于第二角度a2。例如，在图10所示的实施例中，第一角度a1大于第二角度a2。
76.在这样的示例性实施例中，当你靠近/远离外机舱50的壁52(图2)时，改变从部分跨度入口导向轮叶100的底部(例如，外端102(图2))到部分跨度入口导向轮叶100的尖端(例如，内端104(图2))的倾斜角度(例如，第一角度a1和第二角度a2)可以解决由于边界层效应引起的不同程度的湍流。当你靠近/远离发动机10的轴线12(图1)时，倾斜角度和掠角也可用于改进赋予进入空气的旋流与风扇叶片40(图2)的变化线速度的匹配。风扇叶片40(图2)的线速度在尖端处最大，而在风扇叶片40(图2)的根部处最慢，即使转速相等。
77.现在参考图11，提供了根据另一个示例性实施例的图1和图2的涡轮风扇发动机10的入口60的轴向视图。参考图11，在另一个示例性实施例中，其中一个部分跨度入口导向轮叶100在部分跨度入口导向轮叶100的不同位置处相对于外机舱50的半径nr成不同的角度。
78.例如，部分跨度入口导向轮叶100在部分跨度入口导向轮叶100的第一位置250处相对于外机舱50的半径nr成第一角度a1，并且部分跨度入口导向轮叶100在部分跨度入口导向轮叶100的第二位置252处相对于外机舱50的半径nr成第二角度a2。在这样的实施例中，第一角度a1不同于第二角度a2。例如，在图11所示的实施例中，第一角度a1小于第二角度a2。
79.在这样的示例性实施例中，当你靠近/远离外机舱50的壁52(图2)时，改变从部分跨度入口导向轮叶100的底部(例如，外端102(图2))到部分跨度入口导向轮叶100的尖端(例如，内端104(图2))的倾斜角度(例如，第一角度a1和第二角度a2)可以解决由于边界层效应引起的不同程度的湍流。当你靠近/远离发动机10的轴线12(图1)时，倾斜角度和掠角也可用于改进赋予进入空气的旋流与风扇叶片40(图2)的变化线速度的匹配。风扇叶片40(图2)的线速度在尖端处最大，而在风扇叶片40(图2)的根部处最慢，即使转速相等。
80.本公开的其他方面由以下条项的主题提供：
81.一种涡轮风扇发动机，包括：风扇，所述风扇包括多个风扇叶片；涡轮机，所述涡轮机可操作地联接到所述风扇以驱动所述风扇，所述涡轮机以串联流动顺序包括压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段并且一起限定核心空气流动路径；机舱，所述机舱围绕并至少部分地包围所述风扇，所述机舱限定半径和纵向轴线；和入口预旋流轮叶，所述入口预旋流轮叶位于所述多个风扇叶片的上游并限定弦，所述入口预旋流轮叶联接到所述机舱，其中所述入口预旋流轮叶相对于所述机舱的所述半径成第一角度，并且其中所述入口预旋流轮叶的所述弦相对于所述机舱的所述纵向轴线成第二角度。
82.根据任一前述条项所述的涡轮风扇发动机，其中所述入口预旋流轮叶从所述机舱的入口沿顺时针方向相对于所述机舱的所述半径成所述第一角度。
83.根据任一前述条项所述的涡轮风扇发动机，其中所述入口预旋流轮叶从所述机舱的入口沿逆时针方向相对于所述机舱的所述半径成所述第一角度。
84.根据任一前述条项所述的涡轮风扇发动机，其中所述第一角度在大约2度和大约45度之间。
85.根据任一前述条项所述的涡轮风扇发动机，其中所述第二角度在大约5度和大约35度之间。
86.根据任一前述条项所述的涡轮风扇发动机，其中所述入口预旋流轮叶是多个部分跨度入口导向轮叶中的一个，所述多个部分跨度入口导向轮叶在所述多个风扇叶片的上游和所述机舱的入口的后方从所述机舱延伸。
87.根据任一前述条项所述的涡轮风扇发动机，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个相对于所述机舱的所述半径成相同的第一角度。
88.根据任一前述条项所述的涡轮风扇发动机，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个的第一部分相对于所述机舱的所述半径成所述第一角度，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个的第二部分相对于所述机舱的所述半径成第三角度，并且其中所述第一角度不同于所述第三角度。
89.根据任一前述条项所述的涡轮风扇发动机，其中所述机舱包括顶部、底部、第一侧部和第二侧部，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个的第一部分在所述顶部处相对于所述机舱的所述半径成所述第一角度，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个的第二部分在所述底部处相对于所述机舱的所述半径成第三角度，并且其中所述第一角度不同于所述第三角度。
90.一种用于涡轮风扇发动机的机舱组件，所述涡轮风扇发动机包括风扇，所述风扇包括多个风扇叶片，所述机舱组件包括：机舱，所述机舱围绕并至少部分地包围所述风扇，所述机舱限定半径和纵向轴线；和入口预旋流轮叶，所述入口预旋流轮叶位于所述多个风
扇叶片的上游并限定弦，所述入口预旋流轮叶联接到所述机舱，其中所述入口预旋流轮叶相对于所述机舱的所述半径成第一角度，并且其中所述入口预旋流轮叶的所述弦相对于所述机舱的所述纵向轴线成第二角度。
91.根据任一前述条项所述的机舱组件，其中所述入口预旋流轮叶从所述机舱的入口沿顺时针方向相对于所述机舱的所述半径成所述第一角度。
92.根据任一前述条项所述的机舱组件，其中所述入口预旋流轮叶从所述机舱的入口沿逆时针方向相对于所述机舱的所述半径成所述第一角度。
93.根据任一前述条项所述的机舱组件，其中所述第一角度在大约2度和大约45度之间。
94.根据任一前述条项所述的机舱组件，其中所述第二角度在大约5度和大约35度之间。
95.根据任一前述条项所述的机舱组件，其中所述入口预旋流轮叶是多个部分跨度入口导向轮叶中的一个，所述多个部分跨度入口导向轮叶在所述多个风扇叶片的上游和所述机舱的入口的后方从所述机舱延伸。
96.根据任一前述条项所述的机舱组件，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个相对于所述机舱的所述半径成相同的第一角度。
97.根据任一前述条项所述的机舱组件，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个的第一部分相对于所述机舱的所述半径成所述第一角度，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个的第二部分相对于所述机舱的所述半径成第三角度，并且其中所述第一角度不同于所述第三角度。
98.根据任一前述条项所述的机舱组件，其中所述机舱包括顶部、底部、第一侧部和第二侧部，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个的第一部分在所述顶部处相对于所述机舱的所述半径成所述第一角度，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个的第二部分在所述底部处相对于所述机舱的所述半径成第三角度，并且其中所述第一角度不同于所述第三角度。
99.一种用于涡轮风扇发动机的机舱组件，所述涡轮风扇发动机包括风扇，所述风扇包括多个风扇叶片，所述机舱组件包括：机舱，所述机舱围绕并至少部分地包围所述风扇，所述机舱限定半径；和入口预旋流轮叶，所述入口预旋流轮叶位于所述多个风扇叶片的上游，所述入口预旋流轮叶联接到所述机舱，其中所述入口预旋流轮叶在所述入口预旋流轮叶的第一位置处相对于所述机舱的所述半径成第一角度，其中所述入口预旋流轮叶在所述入口预旋流轮叶的第二位置处相对于所述机舱的所述半径成第二角度，并且其中所述第一角度不同于所述第二角度。
100.根据任一前述条项所述的机舱组件，其中所述机舱限定纵向轴线，其中所述入口预旋流轮叶限定弦，并且其中所述入口预旋流轮叶的所述弦相对于所述机舱的所述纵向轴线成第三角度。
101.该书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及进行任何结合的方法。本公开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。如果这些其他示例包括与权利要求的文字语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求
的文字语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。
102.虽然本公开被描述为具有示例性设计，但本公开可以在本公开的范围内进一步修改。因此，本技术旨在使用其一般原理覆盖本公开的任何变化、使用或改编。此外，本技术旨在涵盖在本公开所属领域的已知或常规实践范围内并且在所附权利要求的范围内的对本公开的偏离。

技术特征：
1.一种涡轮风扇发动机，其特征在于，包括：风扇，所述风扇包括多个风扇叶片；涡轮机，所述涡轮机可操作地联接到所述风扇以驱动所述风扇，所述涡轮机以串联流动顺序包括压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段并且一起限定核心空气流动路径；机舱，所述机舱围绕并至少部分地包围所述风扇，所述机舱限定半径和纵向轴线；和入口预旋流轮叶，所述入口预旋流轮叶位于所述多个风扇叶片的上游并限定弦，所述入口预旋流轮叶联接到所述机舱，其中所述入口预旋流轮叶相对于所述机舱的所述半径成第一角度，并且其中所述入口预旋流轮叶的所述弦相对于所述机舱的所述纵向轴线成第二角度。2.根据权利要求1所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，其中所述入口预旋流轮叶从所述机舱的入口沿顺时针方向相对于所述机舱的所述半径成所述第一角度。3.根据权利要求1所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，其中所述入口预旋流轮叶从所述机舱的入口沿逆时针方向相对于所述机舱的所述半径成所述第一角度。4.根据权利要求1所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，其中所述第一角度在大约2度和大约45度之间。5.根据权利要求1所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，其中所述第二角度在大约5度和大约35度之间。6.根据权利要求1所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，其中所述入口预旋流轮叶是多个部分跨度入口导向轮叶中的一个，所述多个部分跨度入口导向轮叶在所述多个风扇叶片的上游和所述机舱的入口的后方从所述机舱延伸。7.根据权利要求6所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个相对于所述机舱的所述半径成相同的第一角度。8.根据权利要求6所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个的第一部分相对于所述机舱的所述半径成所述第一角度，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个的第二部分相对于所述机舱的所述半径成第三角度，并且其中所述第一角度不同于所述第三角度。9.根据权利要求6所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，其中所述机舱包括顶部、底部、第一侧部和第二侧部，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个的第一部分在所述顶部处相对于所述机舱的所述半径成所述第一角度，其中所述多个部分跨度入口导向轮叶中的每一个的第二部分在所述底部处相对于所述机舱的所述半径成第三角度，并且其中所述第一角度不同于所述第三角度。10.一种用于涡轮风扇发动机的机舱组件，所述涡轮风扇发动机包括风扇，所述风扇包括多个风扇叶片，其特征在于，所述机舱组件包括：机舱，所述机舱围绕并至少部分地包围所述风扇，所述机舱限定半径和纵向轴线；和入口预旋流轮叶，所述入口预旋流轮叶位于所述多个风扇叶片的上游并限定弦，所述入口预旋流轮叶联接到所述机舱，
其中所述入口预旋流轮叶相对于所述机舱的所述半径成第一角度，并且其中所述入口预旋流轮叶的所述弦相对于所述机舱的所述纵向轴线成第二角度。

技术总结
提供了一种涡轮风扇发动机。涡轮风扇发动机包括具有多个风扇叶片的风扇；可操作地联接到风扇以驱动风扇的涡轮机，涡轮机具有按串联流动顺序的压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段并且一起限定核心空气流动路径；围绕并至少部分地包围风扇的机舱，该机舱限定半径和纵向轴线；和入口预旋流轮叶，其位于多个风扇叶片的上游并限定弦，入口预旋流轮叶联接到机舱，其中入口预旋流轮叶相对于机舱的半径成第一角度，并且其中入口预旋流轮叶的弦相对于机舱的纵向轴线成第二角度。纵向轴线成第二角度。纵向轴线成第二角度。


技术研发人员：亚瑟
受保护的技术使用者：通用电气公司
技术研发日：2023.02.14
技术公布日：2023/8/23