[发明专利]交错型反向旋转式涡轮系统和操作方法

说明书

本公开涉及一种操作具有交错型涡轮区段的燃气涡轮发动机的方法。发动机包括成串行流布置的风扇转子、中压压缩机、高压压缩机、燃烧区段和涡轮区段。涡轮区段以串行流布置包括低速涡轮转子的第一级、高速涡轮转子、低速涡轮转子的第二级、中速涡轮转子以及低速涡轮转子的一个或多个额外的级。低速涡轮转子经由低压轴联接至风扇转子。中速涡轮转子经由中压轴联接至中压压缩机。高速涡轮转子经由高压轴联接至高压压缩机。该方法包括：使低速涡轮转子在沿着周向方向的第一方向上旋转；使高速涡轮转子在沿着周向方向的与第一方向相反的第二方向上旋转；以及使中速涡轮转子在第二方向上旋转。

技术领域

本主题大体上涉及燃气涡轮发动机架构。更特别地，本主题涉及一种用于燃气涡轮发动机的涡轮区段。

背景技术

燃气涡轮发动机大体上包括在燃烧区段的下游的涡轮区段，涡轮区段能够与压缩机区段一起旋转以使燃气涡轮发动机旋转并操作来产生功率，诸如推进推力。一般的燃气涡轮发动机设计标准通常包括必须平衡或折衷的相冲突的标准，包括在维持或减小重量、部件数量和/或包装(即，发动机的轴向和/或径向尺寸)的同时提高燃料效率、操作效率和/或功率输出。

常规的燃气涡轮发动机大体上包括涡轮区段，其限定与中压涡轮和/或低压涡轮成串行流布置的高压涡轮。高压涡轮包括在燃烧区段与高压涡轮转子之间的入口或喷嘴导叶。常规上，与涡轮的第一旋转级(其大体上被限定为高压涡轮转子)的速度(例如，沿着周向或切向方向)相比，离开燃烧区段的燃烧气体限定相对低的速度。因而，常规上，喷嘴导叶用于使离开燃烧区段的燃烧气体的流加速，以较接近地匹配或超过沿着切向或周向方向的高压涡轮转子速度。已知使用喷嘴导叶来使流进行这样的加速以匹配或超过高压涡轮转子速度会改进一般发动机的可操作性和性能。

据此，常规的燃气涡轮发动机的涡轮区段大体上包括固定翼型件和旋转翼型件(或相应地，导叶和叶片)的连续排或级。这种常规的构造大体上调节进入和离开导叶和叶片的各级的燃烧气体的流。然而，常规的涡轮区段且尤其是固定翼型件(即，导叶和喷嘴导叶)需要相当大的量和质量的冷却空气来减轻由于热燃烧气体而造成的损坏。例如，大体上，喷嘴导叶设计成承受沿着环状空间的最高燃烧气体温度(即，热点)，该温度可显著地大于沿着环状空间的平均燃烧气体温度。因而，常规的发动机设计成使用显著的量或质量的来自压缩机区段的冷却空气或来自燃烧区段的未燃烧空气来减轻喷嘴导叶的结构损坏、磨损、劣化并最终减少其维护和修理。然而，该冷却空气通过移除原本可在燃烧中使用来驱动涡轮、压缩机和风扇的能量而不利地影响总体的发动机效率、性能、燃料消耗和/或可操作性。更进一步，当确定针对燃气涡轮发动机的维护和修理间隔时，喷嘴导叶通常是限制性构件，从而限制总体的发动机性能和效率。

改进涡轮区段的效率的已知解决方案是使涡轮区段的转子(即，旋转翼型件或叶片的连续排或级)交错(interdigitate)。例如，已知的解决方案是沿着纵向方向从上游端至下游端以串行流布置将涡轮区段构造成具有喷嘴导叶、高压涡轮转子、另一涡轮导叶级(即，固定翼型件)以及与低压涡轮交错的中压涡轮。另一已知的解决方案是以串行流布置将涡轮区段构造成具有喷嘴导叶、高压涡轮转子和其后的多级交错的转子(包括低压涡轮转子、中压涡轮转子或高压涡轮转子)。

然而，尽管存在多种已知的解决方案，但仍存在对于包括可实现额外的交错级的涡轮区段的发动机的需要。更进一步，尽管存在多种已知的解决方案，但仍存在对于如下的涡轮区段的需要：可进一步减少冷却空气消耗，提高发动机效率、性能和/或可操作性，且/或减小部件数量、重量和/或包装(即，轴向和/或径向尺寸)。

发明内容

本发明的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而显而易见，或可通过实践本发明而认识到。