CN101078356B - 以主动间隙控制补偿叶片尖端间隙恶化 - Google Patents

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Abstract

补偿在飞行器燃气涡轮发动机(10)内的旋转的叶片尖端(82)和围绕的罩(72)之间的叶片尖端间隙恶化的方法，方法包括：基于一个或多个发动机运行参数的分别在固定个数的运行发动机飞行循环内平均的至少一个或多个移动平均确定一个或多个变量(V)和基于一个或多个变量调节热控制空气(36)的流速以反对叶片尖端间隙恶化。发动机运行参数可以包括发动机循环的运行数、起飞和巡航排气温度(EGT)裕度、巡航涡轮机效率、起飞和巡航最大涡轮机速度和巡航燃料流。变量的一些或全部可以是发动机运行参数的移动平均分别与相应的基线之间的差异，或变量可以全部是移动平均。流速可以渐增地调节。

Description

以主动间隙控制补偿叶片尖端间隙恶化
技术领域
本发明涉及用于补偿燃气涡轮发动机内的涡轮机叶片尖端间隙恶化(deterioration)的方法。
背景技术
发动机的性能参数，例如推力、燃料消耗率(SFC)和排气温度(EGT)裕度很强地取决于涡轮机叶片尖端和围绕涡轮机叶片的静态密封件或罩之间的间隙。在发动机的寿命期间，这些间隙趋向于作为叶片摩擦、氧化和腐蚀的结果而增加，因此导致发动机性能的恶化。很希望地是补偿此恶化。
已熟知飞行器燃气涡轮发动机内的发动机效率恶化和燃料消耗率的增加的主要因素是在涡轮机叶片尖端和围绕的静态密封件或罩之间的间隙的逐渐增加。尖端间隙恶化增加了涡轮机的工作流体越过涡轮机内的单个转子级以及越过燃气涡轮发动机压缩机级的泄漏的量。这样的泄漏降低了总发动机效率，因此提高了总燃料消耗率。
此增加直接地涉及自发动机第一次投入使用后或在进行发动机维护以使尖端间隙返回到或接近初始规格后的发动机使用的累积。这典型地涉及替换或整修密封件和/或叶片尖端，这是耗费时间的且昂贵的过程。在刚安装后，叶片尖端间隙最小且密封有效性最大。叶片尖端间隙和密封有效性当发动机运行了不断增加的循环数后恶化。
改进叶片尖端密封件的磨损寿命和有效性的一个方法是“主动间隙控制”。主动间隙控制调整了来自发动机风扇和/或压缩机的冷空气流，该空气流喷射在高压涡轮机壳体上以在某些运行情况下，即在稳定状态、高海拔巡航条件下相对于高压涡轮机叶片尖端缩小壳体。冷却空气可以流动到或喷射在其他用于支承围绕叶片尖端的罩或密封件的静态结构上。调整的冷却空气流在预先选择的发动机运行条件下使用，且设计为允许发动机对于其运行循环的大多数以最小密封间隙运行，同时降低或消除密封件和叶片尖端之间的干涉或磨蚀，该干涉和磨蚀可能在瞬态情况中发生，例如起飞、减速等。
装配有主动间隙控制的发动机仍受到与累积发动机使用有关的叶片尖端间隙恶化。已知了测量运行叶片尖端间隙和通过机械或热方式来修改间隙的尝试。也已知通过仅响应于累积的发动机使用参数的渐增的外部冷却空气流增加来周期性恢复叶片尖端间隙。这样的方法在美国专利No.4,856,272中披露。此方法建立了在定期检修之间的预先确定的发动机使用间隔时在发动机主动间隙控制系统内的增加的改变。此增加和使用间隔从对多个类似地构造的发动机的现有经验预先确定，从而允许对特定的发动机的调整唯一地基于发动机运行的累积的小时或循环完成。
很希望在密封件和/或叶片尖端替换或整修之间能在飞行器燃气涡轮发动机内维持或恢复尽可能多的优化叶片尖端间隙。也很希望精确地且自动地补偿叶片尖端间隙因磨损而增加导致的发动机性能的恶化。
发明内容
补偿在飞行器燃气涡轮发动机内的旋转的叶片尖端和围绕的罩之间的叶片尖端间隙恶化的方法包括：基于一个或多个发动机运行参数的分别在固定个数的运行发动机飞行循环内平均的至少一个或多个移动平均确定一个或多个变量，基于变量计算叶片尖端间隙恶化，和基于一个或多个变量调节热控制空气的流速以反对叶片尖端间隙恶化。发动机运行参数可以从包括如下项的组内选择：发动机循环的运行数、起飞和巡航排气温度、巡航涡轮机效率、起飞和巡航最大涡轮机速度和巡航燃料流。
方法可以进一步包括确定叶片尖端封闭的量以反对叶片尖端间隙恶化，和当量满足对于调节热控制空气的流速的渐增标准时调节热控制空气的流速。变量可以包括发动机运行参数的移动平均和相应的基线之间的差异。方法可以进一步包括从将百分比与变量相联系的百分比函数确定变量的因为在叶片尖端和罩之间的径向叶片尖端间隙的百分比，且然后从将分量恶化与百分比相联系的分量恶化函数确定分量恶化。
附图说明
本发明的前述方面和其他特征在如下的结合附图的描述中解释，各图为：
图1是图示了飞行器燃气涡轮发动机主动间隙控制系统的示意性截面图，主动间隙控制系统使用了基于发动机性能参数的移动平均的叶片尖端间隙恶化补偿方法；
图2是图示了在图1中图示的主动间隙控制系统内使用的叶片间隙控制设备的截面图；
图3是图示了用于为在图1中图示的主动间隙控制系统内使用的叶片尖端间隙恶化补偿方法确定叶片尖端恶化DT的方法的流程图；
图4是一般地图示了补偿图1中图示的恶化的叶片尖端间隙封闭的分量和发动机运行参数的移动平均之间的关系的图；
图5是图示了补偿图1中图示的恶化的叶片尖端间隙封闭的分量和发动机运行参数的移动平均之间的另一个典型关系的图；
图6是图示了补偿图4中图示的恶化的叶片尖端间隙封闭的分量和发动机运行参数的移动平均之间的典型关系的两步流程图；
图7是图示了补偿图1中图示的恶化的叶片尖端间隙封闭的典型分量和典型发动机运行参数的移动平均之间的另一个典型关系的一组流程图；
图8是图示了叶片尖端间隙和在图2中图示的恶化的放大的截面图；
图9是图示了在图8中图示的主动间隙控制流动模型中使用的叶片尖端恶化项的预先确定的或计算的上边界和下边界的曲线图。
具体实施方式
在图1的截面图中示意性地图示了包括主动间隙控制系统12的飞行器燃气涡轮发动机10的典型的实施例。主动间隙控制系统12包括用于补偿叶片尖端间隙恶化DT的方法，叶片尖端间隙恶化DT图示为图9中的发动机循环的函数，方法基于发动机性能参数P的函数F或多个函数的一个或多个移动平均MAVG。发动机10以串流关系具有包括风扇14的风扇部分13、增压器或低压压缩机(LPC)16、高压压缩机(HPC)18、燃烧部分20、高压涡轮机(HPT)22和低压涡轮机(LPT)24。绕发动机中心线8布置的高压轴26驱动地将HPT22连接到HPC18，且低压轴28驱动地将LPT24连接到LPC16和风扇14。HPT22包括具有安装在其外围的涡轮机叶片34的HPT转子30。
在图2中图示了通过前部和后部壳体钩68和70接附到HPT22的径向外壳体66的定子组件64。定子组件64包括由前部和后部罩钩74和76安装到环形分段罩支承件80上的环形分段定子罩72。罩72围绕了转子30的涡轮机叶片34且帮助降低绕叶片34的径向外叶片尖端82的流动泄漏。主动间隙控制系统12用于最小化在叶片尖端82和罩72之间的径向叶片尖端间隙CL，特别是在如图8中图示的发动机10的巡航运行期间。
在工业中已熟知，小的涡轮机叶片尖端间隙CL提供了更低的运行燃料消耗率(SFC)且因此很大程度上节约燃料。为以最小量的时间延迟来更有效地控制叶片尖端间隙CL和热控制(取决于运行情况的冷却或加热)空气流，提供了前部和后部热控制环84和86。前部和后部热控制环84和86与外部壳体66联合且可以与各壳体制成整体(如在图2中图示)，以螺栓或其他地紧固到壳体，或机械地从壳体分离但与壳体密封接合。热控制环提供了热控制质量以更有效地径向向内移动定子罩72(如果设计为如此则向外移动定子罩72)，以调节叶片尖端间隙CL。喷射管60将热控制空气36(冷却空气)冲击在前部和后部热控制环84和86上，且如果期望则将热控制空气36冲击在外壳体66上，以导致定子罩72径向向内移动来收紧或最小化叶片尖端间隙CL。
参考图1和图2，压缩的风扇空气供给32可以用作用于热控制空气36的源，热控制空气36通过轴向空气供给管42供给到一般地在40处示出的涡轮机叶片尖端间隙控制设备。到轴向空气供给管42的空气供给入口19位于布置在风扇14下游的风扇旁通道15内的出口导向轮叶17下游。布置在空气供给管42内的空气阀44控制流过它的热控制空气36的总量。热控制空气36在此处图示的主动间隙控制系统12的典型实施例内是冷却空气。冷却空气可控制地从围绕增压器或低压压缩机(LPC)16的风扇旁通道15流动通过轴向空气供给管42到涡轮机叶片尖端间隙控制设备40的分配歧管50。
空气阀44和被冲击用于控制涡轮机叶片尖端间隙CL(在图2中图示)的热控制空气36的量由控制器48控制。控制器48是数字电子发动机控制系统，经常称为全权限数字电子控制(FADEC)，且控制器48如果期望则控制冲击到前部和后部热控制环84和86上的热控制空气36的量和温度，且因此控制涡轮机叶片尖端间隙CL。歧管50包括环形集管54，它将冷却空气分配到多个增压区56，增压区56又将冷却空气分配到多个喷射管60，如在图2中图示。
算法或数学计算的主动间隙控制流动模型在后文中称为ACC流动模型92，它用于控制涡轮机叶片尖端间隙CL且在控制器48内存储且运行。ACC流动模型92基于发动机运行参数和发动机的各种零件的物理特性。控制器48基于计算ACC流动模型92发送阀位置信号到空气阀44，以控制热控制空气36的总量。空气阀44根据阀位置信号渐增地打开。ACC流动模型92至少部分地基于叶片尖端恶化DT的计算的量。径向叶片尖端间隙CL包括当发动机使用过增加的时间量和循环后叶片尖端恶化DT的增加量，如图9中图示。在此处图示的典型的实施例中，ACC流动模型92包括添加的恶化项，以考虑到叶片尖端恶化DT的量。在FADEC中运行间隙模型程序CLM作为ACC流动模型92的部分，以确定叶片尖端恶化DT的量。如在图3的流程图中图示，在发动机启动后间隙模型程序CLM在FADEC后台运行。
计算的涡轮机叶片尖端间隙恶化DT由涡轮机叶片尖端封闭TCL反对。计算的涡轮机叶片尖端间隙恶化DT通过DT与表示为F(MAVG(I))的MAVG(I)的函数F的关系曲线分别基于一个或多个发动机运行参数P(I)的一个或多个移动平均MAVG(I)，如图4中图示。I代表对于被使用的不同的发动机运行参数P的个数的发动机运行参数指标，例如如果5个不同的发动机运行参数被使用，则I＝1至5。
涡轮机叶片尖端封闭TCL和计算的涡轮机叶片尖端间隙恶化DT可以分别基于一个或多个发动机运行参数P(I)的一个或多个移动平均MAVG(I)的一个或多个函数F(I)。移动平均是在一个周期内的平均，该周期是运行发动机飞行循环NC的固定个数。在此提出的典型的方法使用50个发动机循环周期，如在图3中图示。热控制空气36的流速被调节为实现涡轮机叶片尖端封闭TCL以反对叶片尖端间隙恶化DT。尖端间隙恶化DT由在控制器48内存储和运行的间隙恶化补偿模型94确定，如在图1中指示。
发动机运行参数可以包括发动机循环运行数、起飞和巡航排气温度EGT、巡航涡轮机效率、起飞和巡航最大涡轮机速度N、巡航燃料流等。方法可以使用一个或多个发动机运行参数P的移动平均MAVG与一个或多个发动机运行参数的各自的基线B之间的差异D。基线B可以从预存在的值基于经验、半经验或分析技术选择，或如在此处图示的方法中基于在发动机运行期间测量的或确定的值选择。移动平均在此图示为最初50个发动机循环周期内的平均。在此基线也是移动平均，它是在最初50个发动机循环周期内的平均，如在图3中图示。
计算的尖端间隙恶化DT因此可以基于在此被称为一个或多个变量V，一个或多个变量V包括一个或多个发动机运行参数P的一个或多个移动平均，和/或一个或多个发动机运行参数P的移动平均MAVG与一个或多个发动机运行参数的各自的基线B之间差异D，或二者的组合。V(I)可以是发动机运行参数P(I)，例如发动机循环总数。因此V(I)＝D(I)或MAV(I)或P(I)，I＝1至N，其中N是在方法中用于确定计算的尖端间隙恶化DT的发动机参数P的个数，如在图5中图示。如果一个V(I)是P(I)，例如发动机循环，则使用基于一个或多个移动平均MAVG或移动平均MAVG与发动机运行参数P的一个或多个的各自的基线B之间的差异D的至少一个其他的V(I)。
在此图示的用于计算叶片尖端间隙恶化DT的典型的方法使用了在FADEC内存储和运行的计算的合成发动机叶片尖端间隙恶化DTC模型。在FADEC内运行间隙模型程序CLM作为ACC流动模型92的部分，以确定叶片尖端恶化DT的量，例如计算的合成涡轮机叶片尖端间隙恶化DTC。合成涡轮机叶片尖端间隙恶化DTC由分量恶化DCL(I)组成，其中I代表不同的发动机运行参数，如图(7)中的DCL(1)至DCL(7)所图示。总的或合成的涡轮机叶片尖端间隙恶化DTC首先通过确定所有分量恶化DCL(I)且然后通过将所有分量恶化DCL(I)加和来计算。对于一个或多个发动机运行参数P(I)的每个，存在不同的分量恶化DCL(I)。
图7中图示了发动机运行参数P以及循环的一个或多个的移动平均的数个特定的变量V。变量V的一个是发动机循环，剩余变量V是发动机运行参数P的一个或多个的移动平均与一个或多个发动机运行参数的各自的基线B之间的差异D。图7中图示的差异D是对于起飞和巡航排气温度DTEGT和DCEGT、巡航涡轮机效率DTEFF、起飞和巡航最大涡轮机速度DTN和DCN以及巡航燃料流DWF的移动平均与其相应的基线B之间的差异。
分量恶化DCL(I)分别基于一个或多个发动机运行参数P(I)的至少一个或多个移动平均。在此图示的典型的方法示出了分量恶化DCL(I)基于数个变量V(I)，数个变量V(I)又基于发动机运行参数P(I)的一个或多个的移动平均。变量V(I)的一个是发动机循环的移动平均，且剩余变量V(I)是发动机运行参数P(I)的一个或多个的移动平均与一个或多个发动机运行参数的各自的基线之间的差异D(I)。差异D(I)是基线B(I)与起飞和巡航排气温度DTEGT和DCEGT、巡航涡轮机效率DTEFF、起飞和巡航最大涡轮机速度DTN和DCN以及巡航燃料流DWF的各自的移动平均MAVG(I)之间的差异。
在此图示的典型的方法使用了由存储在FADEC内的主动间隙控制流动模型ACC流动模型92执行的两步过程，以确定分量恶化DCL(I)。在图6中图示为步骤1的第一步是确定因为叶片尖端82和罩72之间的径向叶片尖端间隙CL的变量V(I)的百分比％V(I)。在控制器48或FADEC内存储为变量V(I)的函数的百分比函数％F(I)用于确定百分比％V(I)。存在许多已知的方法以在FADEC内存储函数，在此图示的一个是表。使用查表方法或方案来基于各自的变量V(I)确定百分比函数％F(I)的值。查表方法通常存储作为变量的函数的值且使用多种插值方案来确定对于给定输入值，例如V(I)的输出值，例如％V(I)。
在图6中图示为步骤2的第二步是确定分量恶化DCL(I)，DCL(I)作为在步骤1中确定的百分比％V(I)的分量恶化函数FDCL(I)存储。分量恶化DCL(I)存储在控制器48或FADEC内。存在许多已知的方法来在FADEC内存储函数，在此图示的一个是表，且使用查表方法或方案来基于对各变量V(I)的百分比函数％V(I)的值确定分量恶化DCL(I)的值。查表方法通常存储作为变量的函数的值且使用多种插值方案来确定对于给定输入值，例如％V(I)的输出值，例如DCL(I)。分量恶化DCL(I)然后被加和以计算合成涡轮机叶片尖端间隙恶化DCL。
在分量恶化DCL(I)被加和以计算合成涡轮机叶片尖端间隙恶化DCL前，置信或加权因数CF(I)可以应用于分量恶化DCL(I)。对于K个发动机运行参数P(I)使用置信或加权因数CF(I)，合成涡轮机叶片尖端间隙恶化DCL＝(CF(1)＊DCL(1)+CF(2)＊DCL(2)+...+CF(K)＊DCL(K))/(CF(1)+CF(2)+...+CF(K))。移动平均是在预先确定的发动机循环个数NC或移动平均周期内的平均，使得不改变涡轮机叶片尖端基线间隙CLB，直到至少预先确定的发动机循环个数NC后。涡轮机叶片尖端间隙基线是典型地基于零件图尺寸的组件名义冷间隙。
具有算法或表格形式的函数F(I)，例如在图7中的函数F(1)至函数F(7)存储在控制器48内，由其可以确定分量叶片尖端间隙恶化DCL(I)。在此图示的发动机运行参数是高压涡轮机效率HPTEFF、燃料流WF、起飞和巡航排气温度EGT、起飞和巡航最大N2(高压涡轮机的旋转速度)输入以确定。在起飞期间测量且记录起飞发动机运行参数值，而在稳定巡航情况下，例如在飞行循环期间达到巡航高度后大约10分钟记录巡航发动机运行参数值，如在图3中所指示。
在此图示的方法的典型实施例根据阀位置信号渐增地打开空气阀44，使得通过渐增地增加涡轮机叶片尖端封闭TCL来反对计算的涡轮机叶片尖端间隙恶化DT，涡轮机叶片尖端封闭TCL的渐增增加在此图示为0.005英寸的增量，如在图9中图示。空气阀44渐增地打开，因此增加了渐增地流动的热控制空气36的总量且渐增地增加了涡轮机叶片尖端封闭TCL的量。在涡轮机叶片尖端封闭TCL内增加的典型的增量在此图示为0.005英寸。
如果计算的涡轮机叶片尖端间隙恶化DT分别在预先确定的或计算的上边界UB和下边界LB内，则在此图示的方法的典型实施例仅打开空气阀44，这如在此图示的典型实施例内可以基于如在图9内图示的发动机循环的运行数。
虽然在此已描述了被认为是优选的和典型的本发明的实施例，但以此处的教示本发明的其他修改将变得对本领域技术人员显见，因此希望在附带的权利要求书中保护所有这些落入本发明的实际精神和范围内的修改。因此，希望通过美国专利保护的是在如下的权利要求书中限定和区分的本发明。
术语列表
08.发动机中心线
10.飞行器燃气涡轮发动机
12.主动间隙控制系统
13.风扇部分
14.风扇
15.风扇旁通道
16.增压器或低压压缩机(LPC)
17.出口导向轮叶
18.高压压缩机(HPC)
19.空气供给入口
20.燃烧部分
22.高压涡轮机(HPT)
24.低压涡轮机(LPT)
26.高压轴
28.低压轴
30.HPT转子
32.风扇空气供给
34.涡轮机叶片
36.热控制空气
40.涡轮机叶片尖端间隙控制设备
42.空气供给管
44.空气阀
48.控制器
50.分配歧管
54.集管
56.增压区
60.喷射管
64.定子组件
66.外部壳体
68.前部壳体钩
70.后部壳体钩
72.罩
74.前部罩钩
76.后部罩钩
80.罩支承件
82.叶片尖端
84.前部热控制环
86.后部热控制环
92.ACC流动模型
94.间隙恶化补偿模型
CL-叶片尖端间隙
DT-叶片尖端间隙恶化
B-基线
D-差异
F-函数
P-参数
V-变量
NC-飞行循环/发动机循环
UB-上边界
LB-下边界
CLB-尖端基线间隙
CLM-间隙模型程序
EGT-排气温度
SFC-燃料消耗率
TCL-涡轮机叶片尖端封闭

Claims (10)

1.一种补偿在飞行器燃气涡轮发动机(10)内的旋转的叶片尖端(82)和围绕的罩(72)之间的叶片尖端间隙恶化(DT)的方法，该方法包括：
基于一个或多个发动机运行参数的分别在固定个数的运行发动机飞行循环内平均的至少一个或多个移动平均确定一个或多个变量(V)，
基于变量(V)计算叶片尖端间隙恶化(DT)，和
基于该一个或多个变量调节热控制空气(36)的流速以反对叶片尖端间隙恶化。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括从包括如下项的组中选择的一个或多个发动机运行参数：发动机循环的运行数、起飞和巡航排气温度(EGT)、巡航涡轮机效率、起飞和巡航最大涡轮机速度和巡航燃料流。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括确定叶片尖端封闭的量以反对叶片尖端间隙恶化，和当所述量满足对于调节热控制空气(36)的流速的渐增标准时调节热控制空气(36)的流速。
4.根据权利要求1所述的方法，其中变量包括一个或多个发动机运行参数的一个或多个移动平均分别与一个或多个发动机运行参数的一个或多个基线之间的差异。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括通过计算合成涡轮机叶片尖端间隙恶化(DTC)来计算叶片尖端间隙恶化(DT)，包括确定基于相应的变量(V(I))的分量恶化(DCL(I))和将所述分量恶化(DCL(I))加和，以确定叶片尖端间隙恶化(DT)。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括从将百分比(％V(I))与变量(V(I))相联系的百分比函数(％F(I))确定归因于在叶片尖端(82)和罩(72)之间的径向叶片尖端间隙(CL)的变量(V(I))的百分比(％V(I))，且然后从将分量恶化(DCL(I))与百分比(％V(I))相联系的分量恶化函数(FDCL(I))确定分量恶化(DCL(I))。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括确定叶片尖端封闭的量以反对叶片尖端间隙恶化，和当所述量满足对于调节热控制空气(36)的流速的渐增标准且叶片尖端间隙恶化在基于发动机循环的运行数的预先确定的或计算的上边界和下边界内时调节热控制空气(36)的流速。
8.根据权利要求1所述的方法，其中变量包括一个或多个移动平均的第一部分分别与一个或多个发动机运行参数的第一部分的相应的基线之间的差异分别与一个或多个移动平均的第二部分的组合。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括通过计算合成涡轮机叶片尖端间隙恶化(DTC)来计算叶片尖端间隙恶化(DT)，包括计算基于相应的变量(V(I))的分量恶化(DCL(I))和将所述分量恶化(DCL(I))加和，以确定叶片尖端间隙恶化(DT)。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括从将百分比(％V(I))与变量(V(I))相联系的百分比函数(％F(I))确定归因于在叶片尖端(82)和罩(72)之间的径向叶片尖端间隙(CL)的变量(V(I))的百分比(％V(I))，且然后从将分量恶化(DCL(I))与百分比(％V(I))相联系的分量恶化函数(FDCL(I))确定分量恶化(DCL(I))。
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