相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2016年1月12日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)no.62/277,622的優(yōu)先權(quán)，該臨時(shí)專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用被合并到本文中。

本申請(qǐng)一般地涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，并且更具體地，涉及用于渦輪區(qū)段的包容箱體的冷卻布置。

背景技術(shù)：

通常，使用多個(gè)外部管道分別將冷卻劑引到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)渦輪級(jí)。每個(gè)渦輪級(jí)一般由恰當(dāng)數(shù)量的、周向間隔開的外部管道來(lái)供給。這種多個(gè)外部管道圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的布置不僅增加了部件數(shù)，而且提高了冷卻空氣發(fā)生泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。而且，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，渦輪區(qū)段暴露于高溫，因?yàn)闆]有在外側(cè)對(duì)圍繞渦輪機(jī)葉片的包容箱體進(jìn)行冷卻，所以必須使該箱體更厚以便承受所述高溫。這導(dǎo)致額外的重量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一方面中，提供了一種用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪區(qū)段的箱體組件，所述箱體組件包括：結(jié)構(gòu)性外箱體，所述結(jié)構(gòu)性外箱體被構(gòu)造成在結(jié)構(gòu)上連接到燃?xì)獍l(fā)生器箱體并且在結(jié)構(gòu)上連接到排氣箱體；包容環(huán)部，所述包容環(huán)部安裝在所述結(jié)構(gòu)性外箱體內(nèi)并且被構(gòu)造成圍繞軸向間隔開的多個(gè)渦輪級(jí)，所述包容環(huán)部的內(nèi)表面限定了多個(gè)圍帶接收部分；環(huán)形氣室，所述環(huán)形氣室被限定在所述結(jié)構(gòu)性外箱體和所述包容環(huán)部之間，所述環(huán)形氣室具有進(jìn)口和出口，所述進(jìn)口能夠連接到加壓冷卻劑的源，所述出口周向地且軸向地分布并且被限定成穿過(guò)所述包容環(huán)部，所述出口在所述環(huán)形氣室和所述軸向間隔開的多個(gè)渦輪級(jí)之間提供了流動(dòng)連通。

在另一方面中，提供了一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)箱組件，所述機(jī)箱組件相對(duì)于燃?xì)饬鲃?dòng)方向沿上游到下游的順序包括燃?xì)獍l(fā)生器箱體、結(jié)構(gòu)性外箱體以及排氣箱體，所述結(jié)構(gòu)性外箱體在結(jié)構(gòu)上連接到所述燃?xì)獍l(fā)生器箱體并且在結(jié)構(gòu)上連接到所述排氣箱體，所述排氣箱體支撐軸承，所述軸承支撐發(fā)動(dòng)機(jī)軸，所述組件還包括包容環(huán)部，所述包容環(huán)部同軸地設(shè)置在所述外箱體內(nèi)并且圍繞軸向間隔開的多個(gè)渦輪級(jí)，所述外箱體和所述包容環(huán)部在它們之間限定了環(huán)形氣室，所述環(huán)形氣室具有進(jìn)口和出口，所述進(jìn)口被構(gòu)造成用于接收加壓冷卻空氣，所述出口周向地且軸向地分布在所述包容環(huán)部上，所述出口在所述軸向間隔開的渦輪級(jí)和所述環(huán)形氣室之間提供了流體流動(dòng)連通。

在又一方面中，提供了一種用于降低箱體組件上的熱致應(yīng)力的方法，所述箱體組件圍繞燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的多個(gè)渦輪級(jí)，所述方法包括：在所述箱體組件內(nèi)限定環(huán)形氣室，所述箱體組件包括外箱體，所述外箱體在結(jié)構(gòu)上連接到燃?xì)獍l(fā)生器箱體并且在結(jié)構(gòu)上連接到排氣箱體，所述環(huán)形氣室被限定在所述外箱體和包容環(huán)部之間；允許所述包容環(huán)部相對(duì)于所述外箱體且相對(duì)于所述多個(gè)渦輪級(jí)發(fā)生徑向和軸向熱膨脹；將所述多個(gè)渦輪級(jí)與加壓冷卻劑的源流體地連接，所述加壓冷卻劑循環(huán)通過(guò)所述環(huán)形氣室。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)在參考附圖，在附圖中：

圖1是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的截面圖，該燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)具有渦輪區(qū)段，該渦輪區(qū)段包括使用內(nèi)部氣室的被冷卻的包容箱體；

圖2是圖1所示的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的下游部分的放大截面圖，并且示出了包容箱體，該包容箱體安裝在燃?xì)獍l(fā)生器箱體和排氣箱體之間；

圖3是圖1所示的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的下游部分的動(dòng)力渦輪區(qū)段的放大截面圖，并且示出了包容箱體的冷卻布置；

圖4是圖3的截面圖的上游部分的放大圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出了渦輪軸類型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的示意圖，其適于驅(qū)動(dòng)可轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載，例如直升機(jī)主旋翼。發(fā)動(dòng)機(jī)10包括輸出軸12、壓縮機(jī)區(qū)段14、燃燒器16以及渦輪區(qū)段18，壓縮機(jī)區(qū)段14用于對(duì)空氣進(jìn)行加壓，經(jīng)壓縮的空氣在燃燒器16中與燃料混合并且被點(diǎn)燃從而產(chǎn)生熱燃燒氣體的環(huán)狀流，渦輪區(qū)段10用于從該燃燒氣體提取能量。

參照?qǐng)D1和2，可以理解的是，壓縮機(jī)區(qū)段14包括低壓（lp）壓縮機(jī)14a和高壓（hp）壓縮機(jī)14b（在所示出的示例中為葉輪），低壓（lp）壓縮機(jī)14a包括給定數(shù)量的級(jí)（在所示出的示例中為3級(jí)）。渦輪區(qū)段18包括hp渦輪20b、壓縮機(jī)渦輪20a和動(dòng)力渦輪22。在示例性實(shí)施例中，動(dòng)力渦輪22包括3級(jí)。

hp渦輪20b經(jīng)由hp軸21b傳動(dòng)性地連接到hp壓縮機(jī)14b。hp渦輪20b、hp壓縮機(jī)14b以及hp軸21b形成hp轉(zhuǎn)軸（spool），該hp轉(zhuǎn)軸能夠繞發(fā)動(dòng)機(jī)軸線29轉(zhuǎn)動(dòng)。

壓縮機(jī)渦輪20a經(jīng)由壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)軸21a傳動(dòng)性地連接到lp壓縮機(jī)14a。lp壓縮機(jī)14a、壓縮機(jī)渦輪20a以及壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)軸21a形成第二轉(zhuǎn)軸，該第二轉(zhuǎn)軸能夠獨(dú)立于hp轉(zhuǎn)軸繞軸線29轉(zhuǎn)動(dòng)。

動(dòng)力渦輪22傳動(dòng)性地連接到動(dòng)力渦輪軸21c，動(dòng)力渦輪軸21c進(jìn)而經(jīng)由減速齒輪箱（rgb）23傳動(dòng)性地連接到輸出軸12（圖1）。動(dòng)力渦輪軸21c在壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)軸21a和hp軸21b內(nèi)同心地延伸，并且動(dòng)力渦輪軸21c能夠相對(duì)于壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)軸21a和hp軸21b獨(dú)立地轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖3最佳地示出，每個(gè)動(dòng)力渦輪級(jí)s1、s2、s3包括定子和轉(zhuǎn)子，該定子和轉(zhuǎn)子分別包括一組周向間隔開的翼葉（vane）v1、v2、v3和一組周向間隔開的葉片（blade）b1、b2、b3?？衫斫獾兀诓黄x本公開的范圍的情況下，動(dòng)力渦輪22可以包括多于或少于三級(jí)。

動(dòng)力渦輪級(jí)s1、s2和s3被包容箱體100圍繞，包容箱體100安裝在燃?xì)獍l(fā)生器箱體104和排氣箱體102之間，排氣箱體102相對(duì)于穿過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)饬鲝陌菹潴w100向下游伸出。包容箱體100包括結(jié)構(gòu)性外箱體108，結(jié)構(gòu)性外箱體108具有在其軸向相對(duì)端部處的安裝凸緣108a和108b。結(jié)構(gòu)性外箱體108的下游端部處的凸緣108a在結(jié)構(gòu)上連接到排氣箱體102的對(duì)應(yīng)安裝凸緣102e。結(jié)構(gòu)性外箱體108的上游端部處的凸緣108b在結(jié)構(gòu)上連接到燃?xì)獍l(fā)生器箱體104的下游端部處的對(duì)應(yīng)凸緣104a。在一個(gè)實(shí)施例中，凸緣108a和108b借助于螺栓120分別附接到排氣箱體102和燃?xì)獍l(fā)生器箱體104的對(duì)應(yīng)凸緣?？梢允褂闷渌m合的方式來(lái)替代該螺栓。外箱體108在燃?xì)獍l(fā)生器箱體104和排氣箱體102之間形成負(fù)載通道。在運(yùn)轉(zhuǎn)中，外箱體108支撐軸向和徑向負(fù)載。

如圖2所示，排氣箱體102包括內(nèi)軸承支撐部102a，內(nèi)軸承支撐部102a由多個(gè)徑向延伸的結(jié)構(gòu)性支桿102b在結(jié)構(gòu)上連接到外環(huán)部102c。內(nèi)軸承支撐部102a支撐軸承101，軸承101進(jìn)而向動(dòng)力渦輪軸21c的下游端部提供支撐。在運(yùn)轉(zhuǎn)中，負(fù)載從軸21c傳遞到軸承支撐部102a并且經(jīng)過(guò)支桿102b傳遞到外環(huán)部102c。這些負(fù)載隨后被傳遞到外環(huán)部102c所安裝到的外箱體108。所述負(fù)載包括徑向和軸向負(fù)載。外箱體108必須能夠承受那些負(fù)載。結(jié)構(gòu)性外箱體108被構(gòu)造為負(fù)載通道以便在燃?xì)獍l(fā)生器箱體104和排氣箱體102之間傳遞負(fù)載。

包容箱體100還包括包容環(huán)部110，包容環(huán)部110同軸地安裝在結(jié)構(gòu)性外箱體108內(nèi)。包容環(huán)部110被構(gòu)造成圍繞動(dòng)力渦輪22的軸向間隔開的多個(gè)渦輪級(jí)s1、s2和s3。包容環(huán)部110適于容納失效葉片或葉片碎片，以使得萬(wàn)一渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)部件發(fā)生脫落，則將避免該脫落的轉(zhuǎn)動(dòng)部件穿過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)箱。

在一個(gè)實(shí)施例中，包容環(huán)部110包括兩個(gè)區(qū)段，即上游區(qū)段110a和下游區(qū)段110b，以便獲得緊湊并且低重量的結(jié)構(gòu)。然而，要理解的是包容環(huán)部110可以具有單體構(gòu)造。

同時(shí)參照?qǐng)D3和4，包容環(huán)部110的徑向內(nèi)表面限定了多個(gè)圍帶接收部分110c。圍帶接收部分110c可以例如采取鉤狀體的形式以便與對(duì)應(yīng)的鉤狀體相接合，該對(duì)應(yīng)的鉤狀體從翼葉v1、v2和v3的徑向外圍帶114伸出。圍帶接收部分110c還可以用于關(guān)于動(dòng)力渦輪葉片b1、b2和b3的尖端來(lái)定位葉片圍帶115。在一個(gè)實(shí)施例中，葉片圍帶115包括可磨耗表面115a以便使葉片b1、b2和b3的尖端泄漏最小化。葉片圍帶可以被設(shè)置成上游翼葉的圍帶的軸向延伸部，如在圖3中關(guān)于第三動(dòng)力渦輪級(jí)s3所例示的。

包容箱體100還限定了在結(jié)構(gòu)性外箱體108和包容環(huán)部110之間的環(huán)形氣室（plenum）112。環(huán)形氣室112具有進(jìn)口112a，進(jìn)口112a被限定成在凸緣108b的徑向內(nèi)側(cè)以便接收來(lái)自歧管109的空氣，歧管109被限定在燃?xì)獍l(fā)生器箱體104中并且連接到管道44。在一個(gè)實(shí)施例中，從氣室提供冷卻劑，該氣室被供給有經(jīng)hp14b壓縮的空氣。替代地，可以從低壓壓縮機(jī)14a的級(jí)中的一個(gè)獲取經(jīng)壓縮的空氣。經(jīng)加壓的空氣可以經(jīng)由管道44輸送到環(huán)形氣室112。相比動(dòng)力渦輪22的燃?xì)馔ǖ乐械膲毫Γ瑢?lái)自壓縮機(jī)的排出空氣選擇為處于更高的壓力以便提供圍繞整個(gè)動(dòng)力渦輪燃?xì)馔ǖ赖拿芊狻?/p>

包容環(huán)部110還限定了出口110d，該出口110d以孔的形式周向地且軸向地分布并且被限定為穿過(guò)包容環(huán)部110。對(duì)該孔的樣式進(jìn)行選擇以便獲得沿著包容環(huán)部的長(zhǎng)度跨過(guò)渦輪級(jí)s1、s2、s3的期望流量分布。出口110d在環(huán)形氣室112和軸向間隔開的多個(gè)渦輪級(jí)s1、s2、s3之間提供了流動(dòng)連通。更具體地，出口110d使空氣沿著軸向間隔開的多個(gè)腔室c1、c2、c3和c4分布，該多個(gè)腔室c1、c2、c3和c4被限定在包容環(huán)部110和圍帶114之間，圍帶114被構(gòu)造成用于支撐帶圍帶的翼葉v1、v2和v3。在另一實(shí)施例中，可以使出口110d定向成朝圍帶114、115的某些關(guān)鍵部分提供沖擊冷卻。

在一個(gè)實(shí)施例中，可以在結(jié)構(gòu)性外箱體108的周向外表面的周圍提供隔熱層106。該隔熱層用于確保使動(dòng)力渦輪區(qū)段周圍的表面溫度保持在適航規(guī)章所允許的最大外機(jī)箱溫度之下。

在使用中，經(jīng)由進(jìn)口112a將壓縮機(jī)排出空氣引導(dǎo)進(jìn)入氣室112，壓縮機(jī)排出空氣隨著其軸向地繞包容環(huán)部110流動(dòng)使該包容環(huán)部110冷卻。在每個(gè)渦輪級(jí)s1、s2、s3處根據(jù)沿包容環(huán)部110設(shè)置的孔110d所限定的預(yù)定比率從氣室112排放壓縮機(jī)排出空氣的一部分。隨后，壓縮機(jī)排出空氣用于使腔室c1、c2、c3和c4冷卻并且使腔室c1、c2、c3和c4加壓以便避免在其中發(fā)生熱燃?xì)饣赝蹋疵芊馇皇乙苑廊細(xì)馔ǖ佬孤?/p>

在圖4所示的一個(gè)實(shí)施例中，保持環(huán)116阻止了包容環(huán)部110的上游區(qū)段110a從外箱體108的軸向撤回，保持環(huán)116可拆裝地安裝在周向槽中，該周向槽限定在外箱體108的內(nèi)表面中。部件110a上的定位肩部117a被構(gòu)造成軸向地鄰接抵靠對(duì)應(yīng)的定位肩部117b從而相對(duì)于外箱體108軸向地定位上游區(qū)段110a。而且，爪槽布置被設(shè)置在包容環(huán)部110和外箱體108之間，以便相對(duì)于外箱體周向地且軸向地定位包容環(huán)部而同時(shí)允許在包容環(huán)部和外箱體之間發(fā)生相對(duì)的熱生長(zhǎng)。爪槽布置可以包括凸塊108c，凸塊108c從結(jié)構(gòu)性外箱體108徑向向內(nèi)伸出以便與槽110f接合，槽110f被限定在上游區(qū)段110a的徑向外表面中。槽110f和凸塊108c周向地分布。包容環(huán)部的上游部件110a可以從所插入的外箱體108的下游端部軸向插入，并且轉(zhuǎn)動(dòng)從而以類似卡銷的方式將凸塊108c鎖定在槽110f中。如圖4所示，上游區(qū)段110a的上游端部還可以包括徑向向內(nèi)朝向的槽111以便與從翼葉v1徑向向外延伸的凸塊113接合。

包容環(huán)部110的下游區(qū)段110b可以被經(jīng)由螺栓連接到外箱體108或者以其他適合的方式在結(jié)構(gòu)上連接到外箱體108。在所示出的實(shí)施例中，下游區(qū)段110b具有徑向向外延伸的凸緣110c，凸緣110c夾在外箱體凸緣108a和排氣箱體102的凸緣102e之間。

彈簧加載的密封構(gòu)件118（例如w形密封件）被使用在包容環(huán)部110的上游和下游區(qū)段110a、110b之間，并且被使用在包容環(huán)部110和燃?xì)獍l(fā)生器箱體104之間。密封構(gòu)件118允許包容環(huán)部110的徑向和軸向熱致膨脹，而同時(shí)限制燃?xì)馔ǖ篮蜌馐?12之間的冷卻劑泄漏。

通過(guò)利用包容環(huán)部110和外箱體108之間的、經(jīng)加壓的冷卻空氣的環(huán)帶來(lái)如此地冷卻包容環(huán)部110和外箱體108，可以將包容環(huán)部110和外箱體108制造得更薄，這可以導(dǎo)致顯著地節(jié)省重量。而且，上述冷卻方式有助于改善葉片尖端間隙，因?yàn)榘莪h(huán)部110更少地發(fā)生熱生長(zhǎng)。此外，當(dāng)包容環(huán)部110被用于支撐并且徑向地定位翼葉v1、v2、v3以及圍帶114和115時(shí)，上述冷卻方式改善了燃?xì)馔ǖ溃@還是因?yàn)榘莪h(huán)部110并且從而圍帶114和115更少地發(fā)生熱生長(zhǎng)。上述冷卻方式還導(dǎo)致了更少的部件，因?yàn)椴辉傩枰煌耐獠抗艿澜M來(lái)將冷卻空氣引到每個(gè)渦輪級(jí)。氣室112使空氣沿著包容環(huán)部108的整個(gè)軸向長(zhǎng)度更均勻地分布。

還公開了一種用于降低圍繞燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的多個(gè)渦輪級(jí)s1、s2、s3的箱體組件100上的熱致應(yīng)力的方法。該方法包括：在箱體組件100內(nèi)限定環(huán)形氣室112。箱體組件100包括外箱體108，外箱體108在結(jié)構(gòu)上連接到燃?xì)獍l(fā)生器箱體104并且在結(jié)構(gòu)上連接到排氣箱體102。環(huán)形氣室112被限定在外箱體108和包容環(huán)部110之間，包容環(huán)部110圍繞所述渦輪級(jí)。

該方法還包括允許包容環(huán)部110相對(duì)于外箱體108且相對(duì)于多個(gè)渦輪級(jí)s1、s2、s3發(fā)生徑向和軸向熱膨脹。這可以使用凸塊108c來(lái)實(shí)現(xiàn)，該凸塊108c從結(jié)構(gòu)性外箱體108向內(nèi)突出并且被構(gòu)造成接合限定在包容環(huán)部110中的槽110f。也可以使用保持構(gòu)件（例如彈性擋圈116）將包容環(huán)部110軸向地保持在外箱體108內(nèi)。

另外，該方法包括將多個(gè)渦輪級(jí)s1、s2、s3與加壓冷卻劑的源流體地連接，該加壓冷卻劑循環(huán)通過(guò)環(huán)形氣室112。在一個(gè)實(shí)施例中，冷卻劑是從低壓壓縮機(jī)14a提取的經(jīng)加壓的空氣。因此，該方法還可以包括使壓縮機(jī)排出空氣并且將該排出的空氣輸送通過(guò)管道44。

上面的描述僅意圖是示例性的，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到在不偏離本發(fā)明所公開的范圍的情況下可以對(duì)所描述的實(shí)施例作出改變。此外，根據(jù)對(duì)本公開的回顧，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白落入本發(fā)明的范圍內(nèi)的其他修改，并且此類修改意圖落入所附權(quán)利要求內(nèi)。