具体实施方式

现将详细参考本发明的当前实施例，所述当前实施例的一个或多个实例在附图中说明。具体实施方式使用数字和字母标号来指代附图中的特征。在附图和描述中使用相同或相似的标号来指代本发明的相同或相似的部件。如本文中所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一个部件与另一部件，而并非希望表示个别部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流的相对方向。举例来说，“上游”是指流体从其流出的方向，而“下游”是指流体流到的方向。

现在参考附图，其中贯穿各图相同的标号指示相同的元件，图1是根据本发明的示范性实施例的燃气涡轮发动机的示意性截面图。更具体地说，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机为高旁通涡扇喷气发动机10，其在本文中被称为“涡扇发动机10”。如图1中所示，涡扇发动机10限定轴向方向A(平行于为了参考而提供的纵向中心线12延伸)、径向方向R和周向方向C(见图4)。通常，涡扇10包括风扇区段14和安置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。

所描绘的示范性核心涡轮发动机16大体上包括基本上管状的外部壳体18，所述外部壳体18界定环形入口20。外部壳体18以串流关系包封：压缩机区段，其包括增压器或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段，其包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30；以及喷气排气喷嘴区段32。高压(HP)轴杆(shaft)或卷轴(spool)34将HP涡轮28传动地连接到HP压缩机24。低压(LP)轴杆或卷轴36将LP涡轮30传动地连接到LP压缩机22。压缩机区段、燃烧区段26和涡轮区段一起限定核心空气流动路径37。

对于所描绘的实施例，风扇区段14包括定桨距(pitch)风扇38，所述定桨距风扇38具有以隔开的方式联接到盘42的多个风扇叶片40。如所描绘，风扇叶片40从盘42大体沿径向方向R向外延伸。风扇叶片40和盘42可通过LP轴杆36一起围绕纵向轴线12旋转。对于所描绘的实施例，涡扇发动机10被配置为“直接-驱动”发动机，使得LP轴杆36直接驱动风扇38，而不使用减速齿轮箱。然而，在本发明的其它实施例中，涡扇发动机10可改为利用减速齿轮箱，且进一步可包括用于改变所述多个风扇叶片40的桨距的致动组件。

仍然参考图1的示范性实施例，盘42由可旋转的前轮毂48覆盖，所述前轮毂48成空气动力学轮廓以促进空气流通过所述多个风扇叶片40。另外，示范性风扇区段14包括环形风扇壳体或外部舱体50，所述环形风扇壳体或外部舱体50周向包围风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。此外，舱体50由多个周向间隔开的出口导向轮叶52相对于核心涡轮发动机16被支撑，并且舱体50的下游区段54延伸在核心涡轮发动机16的外部部分的上方，以便限定两者间的旁通空气流通道56。

在涡扇发动机10的操作期间，一定体积的空气58通过舱体50和/或风扇区段14的相关联的入口60进入涡扇10。随着所述体积的空气58经过风扇叶片40，由箭头62指示的空气58的第一部分被导向或输送进旁通空气流通道56中，并且由箭头64指示的空气58的第二部分被导向或输送进核心空气流动路径37中，或者更具体地说，被导向或输送进LP压缩机22中。空气的第一部分62和空气的第二部分64之间的比率通常被称为旁通比。在空气的第二部分64被输送通过高压(HP)压缩机24并进入燃烧区段26时，空气的第二部分64的压力接着增加，在燃烧区段26处，空气与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。

燃烧气体66被输送通过HP涡轮28，在那里，来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分经由联接到外部壳体18的HP涡轮定子轮叶68和联接到HP轴杆或卷轴34的HP涡轮转子叶片70的顺序级被提取，由此导致HP轴杆或卷轴34旋转，从而支持HP压缩机24的操作。燃烧气体66接着被输送通过LP涡轮30，在那里，来自燃烧气体66的热能和动能的第二部分经由联接到外部壳体18的LP涡轮定子轮叶72和联接到LP轴杆或卷轴36的LP涡轮转子叶片74的顺序级被提取，由此导致LP轴杆或卷轴36旋转，从而支持LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。

燃烧气体66随后被输送通过核心涡轮发动机16的喷气排气喷嘴区段32以提供推进力。同时，当空气的第一部分62在从涡扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被输送通过旁通空气流通道56时，空气的第一部分62的压力显著增加，从而也提供推进力。HP涡轮28、LP涡轮30和喷气排气喷嘴区段32至少部分地限定热气体路径78，以用于将燃烧气体66输送通过核心涡轮发动机16。

然而，应了解，图1中仅以举例方式描绘示范性涡扇发动机10，并且在其它示范性实施例中，本发明的方面可另外或作为替代应用于任何其它合适的燃气涡轮发动机。举例来说，在其它示范性实施例中，燃气涡轮发动机可以是任何其它合适的航空燃气涡轮发动机，例如涡喷发动机、涡轴发动机、涡桨发动机等。此外，在本发明的另外其它示范性实施例中，燃气涡轮发动机可改为经配置为例如用于发电的工业/实用燃气涡轮发动机，或例如用于船舶应用的航改型燃气涡轮发动机(aeroderivative gas turbine engine)。

现参看图2，提供图1的示范性涡扇发动机10的压缩机区段的侧面特写示意图。如所描绘，压缩机区段大体上包括LP压缩机22和HP压缩机24。LP压缩机22包括可围绕纵向中心线12旋转的LP压缩机转子叶片80、和LP压缩机定子轮叶82的各个级。此外，示范性LP压缩机22包括最后转子84(即，对于所描绘的实施例，级三转子)；LP压缩机转子叶片80包括多个最后级LP压缩机转子叶片80A(即，对于所描绘的实施例，多个级三LP压缩机转子叶片)；且LP压缩机定子轮叶82包括多个最后LP压缩机定子轮叶82A。所述多个最后级LP压缩机转子叶片80A各自连接到最后转子84，且可随最后转子84一起旋转。类似地，HP压缩机24包括可围绕纵向中心线12旋转的HP压缩机转子叶片86和HP压缩机定子轮叶88的各个级。

此外，对于所描绘的实施例，涡扇发动机10包括位于由核心壳体18限定的入口20下游且在压缩机区段上游(或更确切地说，LP压缩机22上游)的入口导叶级90。对于所描绘的实施例，入口导叶级90包括多个静止入口导叶。然而，在其它示范性实施例中，入口导叶级90可替换为包括多个可变入口导叶，其具有例如可变几何形状用于修改压缩机区段上游的进入核心空气流动路径37中的空气流的涡流。

此外，涡扇发动机10包括在LP压缩机22和HP压缩机24之间延伸的内部流动路径衬垫(liner)92和外部流动路径衬垫94。外部流动路径衬垫94沿着径向方向R从内部流动路径衬垫92朝外定位。内部和外部流动路径衬垫92、94一起限定从LP压缩机22向HP压缩机24延伸的核心空气流动路径37的一部分。此外，涡扇发动机10包括定位在压缩机区段内在HP压缩机24上游和LP压缩机22下游的位置处的支柱96和可变导叶97。更确切地说，示范性涡扇发动机10包括沿着涡扇发动机10的周向方向C间隔的多个支柱96，和多个或多级可变导叶97。支柱96和可变导叶97中的每一个在内部流动路径衬垫92和外部流动路径衬垫94之间延伸。如将了解，所述多个支柱96经配置用于支撑涡扇发动机10内的各种部件，且可变导叶97经配置以更改穿过核心空气流动路径37的空气流的涡流。

此外，图2中描绘的示范性涡扇发动机10包括用于冷却压缩机区段中的空气流的冷却系统100。示范性冷却系统100大体上包括用于储存一定体积的冷却流体的流体贮槽102，和流体管线组件104。流体管线组件104与流体贮槽102处于流体连通，用于将来自流体贮槽102的冷却流体注射到压缩机区段内(或上游)的空气流中。更确切地说，如下文将更详细地论述，流体管线组件104包括定位在HP压缩机24上游和由核心壳体18限定的入口20下游的出口106，用于将冷却流体注射到HP压缩机24上游的空气流中。

在某些示范性实施例中，冷却流体可以是消耗性冷却液体。举例来说，冷却流体可包括水或乙二醇-水混合物(其可抵抗例如冻结)。然而，或者，在其它实施例中，可提供任何其它合适的冷却流体。值得注意的是，如本文所使用，关于冷却流体的术语“消耗性”指冷却流体降低部件的温度的方式。具体地说，在至少特定示范性方面，术语消耗性指经配置以在接触部件、吸收热量且降低此类部件的温度之后蒸发的液体。

同样如图2中描绘，示范性冷却系统100进一步包括泵108，用于产生来自贮槽102的冷却流体穿过流体管线组件104的流动。泵108可以是包括叶轮的旋转泵，或者可以是任何其它合适的流体泵。此外，对于所描绘的实施例，泵108和流体贮槽102沿着径向方向R从核心空气流动路径37朝外定位。更确切地说，流体贮槽102从核心壳体18朝外定位，而泵108从核心壳体18朝内且从核心空气流动路径37朝外定位。举例来说，在某些示范性实施例中，流体贮槽102可定位在涡扇发动机10连接到的飞行器的翼中，或者定位在涡扇发动机10的舱体(例如，外部舱体50)中。因此，对于所描绘的实施例，流体贮槽102穿过流体源管线110与泵108处于流体连通，流体源管线110可延伸穿过涡扇发动机10的出口导叶52(参看图1)或另一结构特征。

然而，应了解，在其它示范性实施例中，泵108和/或贮槽102或者可沿着径向方向R从核心空气流动路径37朝内定位。在此类配置中，或在其它配置中，泵108可分别直接和/或间接联接到例如LP轴杆36或HP轴杆34且由例如LP轴杆36或HP轴杆34驱动。此外，在另外其它实施例中，冷却系统100可不包括流体贮槽102，且可替代地流体管线组件104可流体地连接到任何其它合适的流体源(例如，用于工业应用的市政水源)。

值得注意的是，在某些示范性实施例中，泵108可与涡扇发动机10的控制器(未图示)可操作连通以控制冷却系统100的操作。举例来说，控制器可基于例如涡扇发动机10的操作条件或响应于一个或多个温度传感器(未图示)来调节冷却流体穿过冷却系统100的流动速率。

仍参考图2，流体管线组件104被配置成用于将冷却流体注射到HP压缩机24上游的穿过核心空气流动路径37的空气流中。确切地说，对于所描绘的实施例，流体管线组件104延伸到位于LP压缩机22上游的入口导叶级90。此外，流体管线组件104的出口106沿着轴向方向A与入口导叶90对准。如所描绘，示范性流体管线组件104包括在邻近入口导叶90之间延伸到核心空气流动路径37中的部分，使得出口106位于核心空气流动路径37内。然而，应了解，在其它示范性实施例中，流体管线组件104的出口106可替代为为集成到入口导叶90中的一个中，或者可集成到在邻近入口导叶90之间延伸或者从入口导叶级90向前或向后延伸的内部衬垫或外部衬垫中。值得注意的是，尽管未描绘，在某些示范性实施例中，流体管线组件可包括喷嘴或限定出口106的其它类似结构。

现还参看图3和4，应了解，流体管线组件104进一步经配置以在将冷却流体注射到穿过核心空气流动路径37的空气流中之前使此类冷却流体雾化(更确切地说，雾化冷却液体)，使得冷却流体提供为冷却流体和空气的混合物的一部分(即，作为其中悬置有冷却液体液滴的空气的混合物)。图3提供流体管线组件104的一部分的特写视图，且图4提供沿着轴向方向A的冷却系统100的示意图。

如图2到4中描绘，所描绘的示范性流体管线组件104大体上包括冷却流体管线112、压缩空气管线114和供应管线116。供应管线116与冷却流体管线112和压缩空气管线114两者处于流体连通，且延伸到出口106以经由出口106提供空气和冷却液体的混合物。更确切地说，供应管线116经配置以经由出口106将经雾化冷却液体流提供到核心空气流动路径37在HP压缩机24的上游的位置处。

更确切地说，仍然对于图2到4的实施例，冷却流体管线112由以下各者形成：从泵108延伸且流体地连接到泵108的第一流体管线部分118；在沿着径向方向R从核心壳体18朝内且沿着径向方向R从核心空气流动路径37朝外的位置处大体沿着周向方向C延伸的第二流体管线部分120；以及从第二流体管线部分120延伸的第三流体管线部分122。类似地，压缩空气管线114包括：从高空气压力源(即，对于所描绘的实施例，HP压缩机24的后向级)延伸且流体地连接到高空气压力源的第一空气管线部分124；在沿着径向方向R从核心壳体18朝内且沿着径向方向R从核心空气流动路径37朝外的位置处大体沿着周向方向C延伸的第二空气管线部分126；以及从第二空气管线部分126延伸的第三空气管线部分128。

确切地说参看图3，冷却流体管线112的第三流体管线部分122延伸到供应管线116且与供应管线116流体连接，此外，压缩空气管线114的第三空气管线部分128也延伸到供应管线116且与供应管线116流体连接。此外，现确切地说参看图4，冷却流体管线112进一步包括沿着周向方向C间隔的多个第三流体管线部分122，压缩空气管线114也进一步包括沿着周向方向C间隔的多个第三空气管线部分128，且供应管线116进一步被配置成多个供应管线116，每一供应管线116与第三流体管线部分122中的相应一个以及与第三空气管线部分128中的相应一个流体连接。此外，仍然，每一供应管线116包括相应出口106，每一出口106定位在HP压缩机24上游以及由核心壳体18限定的入口20下游，用于将冷却流体注射到HP压缩机24上游的穿过核心空气流动路径37的空气流中。更确切地说，对于所描绘的实施例，供应管线116中的每一个的出口106沿着轴向方向A与入口导叶级90对准。

然而，应了解，上文参看图2到4描述的示范性冷却系统100仅借助于实例而提供。在其它示范性实施例中，示范性冷却系统100可替换为具有任何其它合适的配置。举例来说，现参看图5，提供根据本发明的另一示范性实施例包括冷却系统100的涡扇发动机10的压缩机区段的侧面示意图。图5的示范性涡扇发动机10和冷却系统100可以与上文参看图2到4描述的示范性涡扇发动机10和冷却系统100大体上相同的方式配置。因此，相同或类似标号可指代相同或类似零件。

举例来说，示范性涡扇发动机10大体上包括具有位于HP压缩机24上游的LP压缩机22的压缩机区段。此外，涡扇发动机10包括外部流动路径衬垫94和内部流动路径衬垫92，各自大体上从LP压缩机22延伸到HP压缩机24。包括从外部流动路径衬垫94向内部流动路径衬垫92延伸穿过核心空气流动路径37的多个支柱96。此外，涡扇发动机10包括用于冷却压缩机区段中的空气的冷却系统100。冷却系统100大体上包括流体贮槽102、流体泵108和流体管线组件104，流体管线组件104包括定位在HP压缩机24上游以及由核心壳体18限定的入口20下游的出口106。

然而，与图2到4的实施例相比，对于图5中描绘的实施例，出口106替换为定位在LP压缩机22下游。更确切地说，图5的流体管线组件104的出口106定位在内部流动路径衬垫92处。举例来说，出口106可定位在内部流动路径衬垫92中或由内部流动路径衬垫92限定。然而，或者，在其它实施例中，流体管线组件104可包括喷嘴或限定出口106的其它单独结构，此类喷嘴或其它单独结构安装到内部流动路径衬垫92或定位成邻近于内部流动路径衬垫92。

如将了解，因为对于所描绘的实施例，流体贮槽102和流体泵108定位在核心空气流动路径37外部(即，沿着径向方向R从核心空气流动路径37朝外)，所以流体管线组件104的至少一部分延伸穿过核心空气流动路径37到沿着径向方向R从核心空气流动路径37朝内的位置。具体地说，对于所描绘的实施例，流体管线组件104大体上包括具有第一流体管线部分118、第二流体管线部分120和第三流体管线部分122的冷却流体管线112。此外，对于所描绘的实施例，流体管线组件104的冷却流体管线112的第一流体管线部分118延伸穿过定位在HP压缩机24上游以及LP压缩机22下游的支柱96中的一个。

此外，应了解，与图2到4的实施例一样，图5的示范性流体管线组件104进一步包括多个管线，所述多个管线沿着周向方向C间隔且各自包括用于将冷却流体注射到压缩机区段中(或压缩机区段上游；参看图2)的相应出口106。更确切地说，流体管线组件104的冷却流体管线112大体上包括多个第三流体管线部分122。第三流体管线部分中的每一个从第二流体管线部分120延伸到相应出口106。

举例来说，简要参看图6，提供沿着在LP压缩机22和HP压缩机24之间延伸的涡扇发动机10的内部流动路径衬垫92的一部分的轴向方向A的示意图。如所描绘，流体管线组件104的所述多个出口106定位在内部流动路径衬垫92中或由内部流动路径衬垫92限定，且沿着周向方向C间隔。此配置可允许提供到HP压缩机24上游的核心空气流动路径37中的空气流的冷却流体的较均匀分布。

然而，应了解，尽管图5和6的实施例未描绘为包括压缩空气管线114作为流体管线组件104的一部分，但在其它示范性实施例中，图5和6中展示的配置可进一步包括用于例如雾化穿过出口106的液体的压缩空气管线114(类似于图1到4的压缩空气管线114)。

此外，在本发明的另外其它示范性实施例中，冷却系统100可具有任何其它合适的配置。举例来说，首先大体参看图7到10，提供根据本发明的各种其它实施例包括冷却系统100的涡扇发动机10的视图。图7到10的实施例中的每一个可以与上文参看图2到4描述的示范性涡扇发动机10和冷却系统100大体上相同的方式配置，且因此，相同或类似标号可指代相同或类似零件。图7到10中的实施例中的每一个在下文更详细地个别论述。

举例来说，图7到10中描绘的示范性涡扇发动机10各自大体包括具有LP压缩机22和位于其下游的HP压缩机24的压缩机区段。LP压缩机22包括LP压缩机转子叶片80和LP压缩机定子轮叶82的交替级。此外，图7到10的示范性涡扇发动机10各自还包括用于冷却穿过压缩机区段中的核心空气流动路径37(或在其上游)的空气的冷却系统100。示范性冷却系统100各自大体包括流体贮槽102、流体泵108和流体管线组件104。流体管线组件104各自包括冷却流体管线112，其具有从泵108穿过核心空气流动路径37延伸到从核心空气流动路径37朝内的位置的第一流体管线部分118。此外，流体管线组件104中的每一个的流体管线112还包括：第二流体管线部分120，其流体地连接到第一流体管线部分118且大体沿着涡扇发动机10的周向方向C延伸；以及第三流体管线部分122(或多个第三流体管线部分122)，其从第二流体管线部分120延伸到相应出口106。

确切地说参看图7的实施例，流体管线组件104的出口106、或更确切地说流体管线组件104的冷却流体管线112的第三流体管线部分122的出口106定位在LP压缩机定子轮叶82A的最后级处。更确切地说，对于图7的实施例，流体管线组件104的第三流体管线部分122延伸穿过LP压缩机定子轮叶82A的最后级的基底98，使得出口106定位在核心空气流动路径37内在LP压缩机定子轮叶82A的最后级处，用于将冷却流体注射到HP压缩机24上游的穿过核心空气流动路径37的空气流中。然而，在其它示范性实施例中，出口106可限定在LP压缩机定子轮叶82A的最后级的基底98中，连接到所述基底98或以其它方式定位成邻近于所述基底98。

类似地，现确切地说参看图8，流体管线组件104的出口106定位成接近所述多个最后级LP压缩机定子轮叶82A中的一个且与LP压缩机定子轮叶82A轴向对准。举例来说，现还参看图9，提供最后级LP压缩机定子轮叶82A中的一个的特写视图，最后级LP压缩机定子轮叶82A限定内部腔130，内部腔130限定入口132且包括多个喷嘴134，所述多个喷嘴134定位成接近后缘136，用于将冷却流体注射到HP压缩机24上游的穿过核心空气流动路径37的空气流中。如所描绘，对于图8和9的实施例，流体管线组件104的冷却流体管线112的第三流体管线部分122延伸到最后级LP压缩机定子轮叶82A。具体地说，第三流体管线部分122的出口106定位成邻近于LP压缩机定子轮叶82A的内部腔130的入口132且与之成流体连通。

此外，现参看图10，提供根据本发明的又一示范性实施例的涡扇发动机10和冷却系统100的特写视图。更确切地说，图10提供最后级LP压缩机转子叶片80A和最后LP压缩机转子84的特写视图。如较早提到，所述多个最后级LP压缩机转子叶片80A中的每一个连接到最后LP压缩机转子84。此外，最后LP压缩机转子84限定到延伸穿过压缩机区段的核心空气流动路径37的开口138。用于图10的示范性冷却系统100的流体管线组件104的出口106，或更确切地说流体管线组件104的冷却流体管线112的第三流体管线部分122的出口106定位成引导冷却流体穿过最后LP压缩机转子84的开口138，用于将冷却流体注射到HP压缩机24上游的穿过核心空气流动路径37的空气流中。更确切地说，对于所描绘的实施例，转子84限定与开口138成流体连通的腔140。流体管线组件104的出口106定向和定位成将冷却流体提供到腔140。在涡扇发动机10的操作期间，转子84可能正围绕纵向中心线12以相对高的转速旋转。此旋转可在腔140内收集的冷却流体上产生离心力，从而驱动冷却流体穿过开口138以将冷却流体提供到HP压缩机24上游的穿过核心空气流动路径37的空气流。值得注意的是，与其它实施例一样，流体管线组件104的冷却流体管线112可包括沿着周向方向C间隔的多个第三流体管线部分122。

然而，应了解，尽管图7到10的实施例未描绘为包括压缩空气管线114作为流体管线组件104的一部分，但在其它示范性实施例中，图7到10中展示的配置可进一步包括用于例如雾化穿过出口106的液体的压缩空气管线114(类似于图1到4的压缩空气管线114)。

包括根据本发明的一个或多个示范性实施例的冷却系统可允许燃气涡轮发动机更高效地操作。更确切地说，通过包括根据本发明的一或多个实施例的冷却系统，压缩机区段可以较高总体压缩机比率操作，且超出压缩机区段的部件的任何温度限制的风险减小。此外，通过包括位于HP压缩机上游的冷却系统的出口，遍及HP压缩机的经压缩空气的温度可更彻底地最小化。

本书面描述使用实例来公开包括最佳模式的本发明，且还使得所属领域的技术人员能够实施本发明，包括制造及使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可获取专利范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例包括与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或如果此类其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么此类其它实例希望在权利要求书的范围内。