[发明专利]改进的气体涡轮引擎

说明书

本公开提供了一种高效的气体涡轮引擎。该气体涡轮引擎的风扇经由齿轮箱从涡轮驱动，使得该风扇具有比该驱动涡轮低的旋转速度，从而提供效率增益。该高效的风扇系统与具有低冷却流需求和/或高温性能并且对于给定功率可具有特别低质量的核心相配合。

本公开涉及高效气体涡轮引擎。本公开的各方面涉及具有经由齿轮箱驱动的风扇和高效引擎核心的气体涡轮。

气体涡轮引擎的设计必须平衡多个竞争因素。一般来讲，需要最小化燃料燃烧和重量。然而，气体涡轮引擎已经使用和开发多年，因此基础设计是成熟的。这种高水平的设计成熟度意味着，例如，在燃料燃烧和/或重量减少方面的改进相对较小且近年来逐渐增加。

需要提高气体涡轮引擎的开发速度。

根据一个方面，提供了一种用于飞行器的气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎包括：

引擎核心，该引擎核心包括：

涡轮、燃烧器和压缩机，该涡轮包括第一涡轮和第二涡轮，并且该压缩机包括第一压缩机和第二压缩机；

第一芯轴，该第一芯轴将第一涡轮连接到第一压缩机；

第二芯轴，该第二芯轴将第二涡轮连接到第二压缩机，第二涡轮、第二压缩机和第二芯轴被布置成以比第一芯轴更高的旋转速度旋转，气体涡轮引擎还包括：

风扇，该风扇包括多个风扇叶片；和

齿轮箱，该齿轮箱接收来自第一芯轴的输入并将驱动输出至风扇，以便以比第一芯轴更低的旋转速度驱动风扇。

第二涡轮包括至少一个陶瓷基质复合部件。第二涡轮中陶瓷基质复合材料的质量在第二涡轮总质量的2％至15％的范围内。

通常，使用金属合金诸如镍合金制造气体涡轮引擎的涡轮部分中的部件。然而，为了实现更高的引擎效率，已发现需要提高从燃烧器进入涡轮的核心气流的温度。通常，在操作中，流过涡轮中的一些部件的气体的温度接近或高于这些部件的熔点。因此，为了确保此类部件具有足够的工作寿命，它们需要显著的冷却。此类冷却通常使用绕过燃烧器来自压缩机的空气来提供。绕过燃烧器的冷却流导致引擎效率降低，因为该流在压缩机中被简单地压缩，然后通过涡轮膨胀。

此外，为了最小化所使用的冷却流的量，从而最小化对引擎效率的影响，必须尽可能有效地使用冷却流。例如，用于冷却这种涡轮部件的冷却通道通常是复杂的，需要大量的设计和复杂的制造技术。这显著地增加了气体涡轮引擎的成本。

此外，冷却系统自身增加了引擎的质量。

本发明人已经理解，可以通过在其涡轮中选择性地使用陶瓷基质复合材料(CMC)来改进气体涡轮引擎。具体地讲，发明人已经理解，尽管CMC在涡轮的一些区域中可能是有利的，但是它们的使用实际上可能并不适用于所有区域。通过这种理解，本发明人已经推导出涡轮中CMC的最佳使用水平在所要求保护的范围内。例如，虽然CMC的热性能(其通常高于它们的金属对应物)适用于一些区域，但本发明人已经理解，CMC的导热率降低(与等效金属部件相比)意味着它们不适用于一些其他区域。仅以非限制性示例的方式，涡轮的最热部分可经历甚至超过CMC的性能的温度，因此仍需要一定程度的冷却流。在这种情况下，使用金属可能比使用CMC更合适，因为金属的更高导热率可能改善冷却流从部件中移除热量的有效性。

本公开的发明人已经发现，考虑到这些因素，高压(或第二)涡轮中陶瓷基质复合材料的最佳质量占高压(或第二)涡轮总质量的百分比可以在本文描述并且/或者要求保护的范围内。除此之外或另选地，高压(或第二)涡轮和低压(或第一)涡轮中陶瓷基质复合材料的最佳质量组合占高压(或第二)涡轮和低压(或第一)涡轮的总质量的百分比可以在本文描述并且/或者要求保护的范围内。

仅以举例的方式，CMC可以是SiC-SiC(即碳化硅基质中的碳化硅纤维)。然而，应当理解，可使用任何合适的CMC，并且实际上涡轮可包括多于一种的CMC组合物(例如具有不同的元素)。可将任何合适的制造方法用于CMC，诸如气相沉积工艺或蒸汽注入工艺。