CN101270703A - 带涂层的可变面积风扇喷嘴 - Google Patents

带涂层的可变面积风扇喷嘴 Download PDF

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Abstract

一种与燃气涡轮发动机系统一起使用的可变面积风扇喷嘴，包括可在多个位置之间移动的喷嘴部分，其用于改变与旁路气流相关联的有效面积，所述旁路气流穿过燃气涡轮发动机的风扇旁路通道。保护涂层覆盖在喷嘴部分上，并抵抗由环境状态引起的喷嘴部分的有效面积的改变。

Description

带涂层的可变面积风扇喷嘴
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机，更具体地说，涉及一种带有可变风扇喷嘴的燃气涡轮发动机，该喷嘴包括保护涂层。
背景技术
众所周知，燃气涡轮发动机已被并用于交通工具(例如飞机)的推进。典型的燃气涡轮发动机包括压缩部分、燃烧部分和涡轮部分，其利用中心气流进入发动机从而驱动交通工具。燃气涡轮发动机典型地安装在外部结构内，例如飞机的引擎机舱内。旁路气流流经位于外部结构和发动机之间的通道，并从出口退出发动机。
目前，传统的燃气涡轮发动机被设计成在某种预定飞行情况下(例如巡航)以所希望的性能运行。在巡航之外的飞行情况下(例如起飞和着陆)，传统的发动机趋于接近或超出所希望性能的界限，这些可能导致发动机效率降低。例如，风扇的尺寸和旁路气流与中心气流的比值被设计成，在起飞过程中，维持所希望的、穿过风扇的压力比，从而防止旁路气流在通道中的闭塞。然而，在巡航过程中，旁路气流在通道中减少，发动机的燃料燃烧受到影响。由于发动机在巡航时运行超过延长时间，起飞设计的限制加剧了燃料燃烧的影响。
因此就存在需求，在多种不同的飞行条件下控制旁路气流，以能够增强对发动机运行的控制和降低燃料燃烧。
发明内容
一种与燃气涡轮发动机系统一起使用的示例性的可变面积风扇喷嘴(variable area fan nozzle)包括喷嘴部分(nozzle area)，其可在多个位置之间移动，以改变与旁路气流相关联的有效面积，该旁路气流穿过燃气涡轮发动机的旁路通道。保护涂层(protective coating)设置在喷嘴部分上，并抵抗在喷嘴部分上由环境状态引起的有效面积的改变。例如，保护涂层包括了能够保护喷嘴部分不结冰不被腐蚀的材料。
在一个示例中，具有保护涂层的示例性可变面积风扇喷嘴用于内燃气涡轮发动机系统中，以抵抗在喷嘴上有效面积的变化，从而提供对喷嘴有效面积的控制。例如，保护涂层能够抵抗引起喷嘴部分的有效面积改变的冻结成冰和腐蚀。
附图说明
通过对下文的当前优选实施例的详细描述，对本领域的技术人员来说，本发明的各种特征和优点将变得显而易见。与详细描述有关的附图将作如下简要描述。
图1示意性地显示了具有可变面积风扇喷嘴的示例性燃气涡轮发动机系统的选取部分。
图2示意性地显示了利用保护涂层的示例性喷嘴结构的选取部分。
图3示意性地显示了利用保护涂层的另一个示例性喷嘴结构的选取部分。
具体实施方式
图1示意性地显示了从飞机(一般为超音速飞机)发动机吊架12上悬挂下来的示例性燃气涡轮发动机10的选取部分。燃气涡轮发动机10围绕发动机核心线或者说轴向中心轴线A而设置。燃气涡轮发动机10包括风扇14、低压压缩机16a、高压压缩机16b、燃烧部分18，高压涡轮20b和低压涡轮20a。在现有技术中已经熟知，在压缩机16a、16b中压缩的空气与燃料混合物在燃烧部分18中燃烧并在涡轮20a和20b中膨胀。涡轮20a和20b分别与转子22a和22b(例如，线轴)联接以用于旋转，并响应于膨胀并旋转地驱动压缩机16a、16b和风扇14。在该示例中，转子22a还通过齿轮传动链24来驱动风扇14。
示例中显示，燃气涡轮发动机10是高旁路比齿轮传动涡扇装置。在一个示例中，旁路比值大于10∶1，风扇14的直径显著大于低压压缩机16a的直径。在示例中，低压涡轮20a的压力比大于5∶1。齿轮传动链24可以是任意已知的合适的齿轮系统，例如带有旋转运动的行星齿轮的行星齿轮系统。在公开的示例中，齿轮传动链24具有恒定的齿轮齿数比。虽然给出了这种描述，本领域的普通技术人员应该认识到，以上参数只是示例性的，为满足实施的特殊需求，其它参数也可以被使用。
外部罩壳、飞机的引擎舱28，(也即通常所称的风扇舱)围绕风扇14的圆周延伸。大致环形的风扇旁路通道30延伸在引擎舱28和内部罩壳即内部罩34之间，内部罩34通常包围着压缩机16a、16b和涡轮20a、20b。
在运行中，风扇14将空气引入燃气涡轮发动机10形成中心气流C，并引入旁路通道30形成旁路气流D。在示例中，进入引擎舱28的气流大约有80％成为旁路气流D。后侧排气装置36从燃气涡轮发动机10泄放旁路气流D。中心气流C从位于内部罩34和机身末端38之间的通道泄放。由于高旁路比值，旁路气流D可以提供大量的推力。
图1所示的示例燃气涡轮发动机10还包括喷嘴40(示意性显示)，其与旁路通道30相关。在本示例中，喷嘴40与引擎机舱的机翼后缘相接合。
喷嘴40包括用于多个位置之间的运动的促动器42，其影响旁路气流D，从而控制旁路气流D的气压。控制器44命令促动器42在多个位置中可选择地移动喷嘴40，以所希望的方式控制旁路气流D。控制器44可以专用于控制促动器42和喷嘴40，并集成到位于燃气涡轮发动机10内的现有发动机控制器中，或与其它已知的飞机或发动机控制器合并。例如，根据控制器44的输入参数，喷嘴40的选择性运动允许控制器改变提供的推进量、增强飞机控制的条件、增强风扇14的运行条件，或者提高其它与旁路通道30相关联的部件的运行条件。
在一个示例中，燃气涡轮发动机10设计成在某种预定状态下(例如巡航)运行在所希望的性能范围内。例如，在所希望的压力比(也即，风扇14之前的空气压力与风扇14之后的空气压力之比)范围内运行风扇14是理想的。为了维持该范围，喷嘴40影响旁路气流D以控制风扇14后端的气压，从而控制压力比。例如，在巡航状态下，喷嘴40允许较少的旁路气流D，在起飞状态下，喷嘴允许较多的旁路气流D。在一些示例中，喷嘴以大约20％的幅度来改变与旁路通道30相关联的截面面积，以增加旁路气流D用于起飞。因此，喷嘴40能够在多种不同的飞行条件下使性能得到维持。
图2显示的示例性喷嘴40的一部分，该喷嘴40具有可大致沿轴向方向58、在多个不同位置之间移动的喷嘴部分56，以通过改变喷嘴40的有效流通面积(例如，截面面积)来影响旁路气流D。在该示例中，喷嘴部分56可操作地与促动器42相连接，以沿轴向58移动。控制器44可选择地命令促动器42来移动喷嘴部分，以开启或关闭喷嘴部分和引擎机舱之间的辅助流通路60。喷嘴40的有效流通面积是喷嘴部分56和内部罩34之间的截面面积(用距离AR表示)与辅助流通路60的截面面积(用AR2表示)之和。
如图所示，在开启位置，辅助流通路60允许旁路气流D的至少一部分沿轴向穿过喷嘴40并沿径向穿过辅助流通路60流出。在闭合位置，喷嘴部分56邻接引擎机舱28，这样旁路气流D只从轴向流出。根据飞机的飞行状态，控制器44和促动器42通过可选择地开启或闭合喷嘴部分56而协作改变喷嘴40的有效流通面积。
例如，为了相对较大的整体流通面积，把喷嘴部分56移动到开启位置会允许更多的旁路气流D通过喷嘴40，并减少压力增大(也即，气压减少)。为了相对较小的整体流通面积，把喷嘴部分56移动到闭合位置会限制旁路气流D并产生压力增大(也即，气压增加)。因此，控制器44能够在旁路通道30内可选择地控制气压，从而控制穿过风扇14的压力比(如上所述)。例如，在起飞过程中，喷嘴部分56开启，获得所希望的压力比，允许风扇14避免出现悸动，防止阻塞，从而更有效地运行。
图3显示了示例性喷嘴40的另一个所选部分，其中，喷嘴部分56’在枢轴联接62上沿着方向64转动。在此示例中，控制器44可选择地命令促动器42使喷嘴部分56’绕枢轴转动，从而可选择地改变由AR’表示的流通面积(其在该示例中代表了全部有效的流通区域)。从图3中可以看出，喷嘴部分56’朝着中心轴线A转动会减少流通区域AR’，而喷嘴部分56’远离中心轴线A转动会增加流通区域AR’。如上所述，相对较小的整体流通面积限制了旁路气流D，相对较大的整体流通面积允许更多的旁路气流D穿过喷嘴40。应当认识到，以上的示例性喷嘴40不是限制性的，其它类型的可变截面喷嘴也可以从本公开中受益。
在所示示例中，喷嘴部分56、56’包括保护涂层74，其抵抗喷嘴40在环境状态中引起的有效流通面积的改变。在图2中，保护层74从前端75a到后端75b、完全地包住了在下面的喷嘴部分56。备选地，保护涂层74可以根据对(例如)结冰和腐蚀敏感的区域而只位于喷嘴部分56的专门区域(例如，只在前端74a上)。在图3中，保护涂层只覆盖在喷嘴部分56’的内部表面和外部表面上。备选地保护涂层只覆盖在内部表面上。
可选地，引擎舱的一部分28也包括保护涂层74。例如，保护涂层74覆盖引擎舱28的尾端部分(图2)，还覆盖引擎舱28的内部表面和外部表面以及位于引擎舱28和喷嘴部分56之间的轴向表面75。
保护涂层74可以抵抗结冰、腐蚀或两者兼有。对结冰和腐蚀的预防(在一些情况下，是完全的避免)可以在喷嘴部分56、56’和/或引擎舱28上保持空气动力性的流畅表面，并且预防有效流通面积因为结冰或腐蚀而出现不希望的改变。保护涂层74也可以防止所附着的冰达到能影响喷嘴部分56、56’的运动的大小。
在一个示例中，保护涂层74包括“厌冰性”(icephobic)材料，其具有的冰粘附强度(ice adbesion strength)比其下面的喷嘴部分56、56’要小。此外，保护涂层74要可以抵抗腐蚀，保护涂层74的抗腐蚀性比其下面的喷嘴部分56、56’强。例如，下面的喷嘴部分56，56’可以包括钛、铝、金属合金或聚合物成分。厌冰性特征和腐蚀抵抗特征可以集成在单一类型的保护涂层74中，保护涂层74也可以单独地利用厌冰性材料或抗腐蚀材料。
在一个示例中，保护涂层74包括从基于硅树脂的弹性体、基于聚胺脂的弹性体和含氟聚合物中选取的材料。在另一个示例中，基于硅树脂的弹性体包括高分子量的聚硅氧烷，例如，以铂固化的乙烯基为终端的聚二甲基硅氧烷、以过氧化物固化的乙烯基为终端的聚二甲基硅氧烷、聚苯甲基硅氧烷、4-聚三氟丙基甲基硅氧烷、或聚二苯基硅氧烷。在另一个示例中，以上所使用的材料不带固体填充剂、液体填充剂或添加剂来进一步提高保护涂层74厌冰性和抗腐蚀性。在另一个示例中，保护涂层74的冰粘附强度不超过388kpa，在一些示例中，不超过200kpa。尽管以上示例材料可以被有效用于保护喷嘴部分56、56’，在一个示例中，基于硅树脂的弹性体由于缺少填充剂和添加剂，提供了厌冰性和腐蚀抵抗的溢出。给定这种描述，本领域的普通技术人员就会发现，其它类型的厌冰性和腐蚀抵抗材料可以满足特殊需要。
可选地，底层(primer layer)76可以用于保护涂层74和喷嘴部分56，56’之间，以起粘附作用。例如，底层76包括带有或不带有催化剂(例如铂、钯、铑)的硅烷或钛酸盐偶联剂。底层76和保护涂层74可以通过已有的技术涂附在喷嘴部分56、56’上，并根据需要通过已有技术进行固化，这些已有技术可以是例如喷射、静电沉积、抛光、浸渍等方法。
公开的示例因此提供了具有喷嘴部分56、56’的喷嘴40，保护涂层74抵抗在环境状态下不希望的有效流通面积的变化。例如，保护涂层74通过完全防止冰粘附到喷嘴40上或减少冰粘附到喷嘴40上的几率来减少结冰的影响。因此，当控制器44移动喷嘴部分56到预先计算的相应于有效流通面积的位置时，结冰不会减少流通面积，而腐蚀也不会增加有效的流通面积(与期望的预先计算的有效流通面积相比)。因此，在喷嘴部分56、56’上使用保护涂层74，提供了可靠控制喷嘴40和不受环境干扰的有效流通面积的益处。
尽管在所示示例中存在特征的组合，但是并不是所有特征都需要组合在一起以实现本发明各种实施例的优点。换句话说，根据本发明实施例所设计的系统不需要包括所有在途中显示的特征或部分。另外，一个实施例的所选特征可以与另一个实施例的所选特征相结合。
以上说明在本质上只是起示例性作用，而非起限制作用。只要不脱离本发明的基本，对所公布的示例所进行的变化和修改对于本领域内的技术人员来说是显而易见的。赋予本发明的法律保护范围只有通过学习以下权利要求才能确定。

Claims (19)

1.一种与燃气涡轮发动机系统一起使用的可变面积风扇喷嘴，包括：
喷嘴部分，其能够在多个位置之间移动以改变与旁路气流相关联的有效面积，所述旁路气流穿过燃气涡轮发动机的风扇旁路通道；以及
位于所述喷嘴部分上的保护涂层，其抵抗由环境状态引起的所述喷嘴部分的有效面积的改变。
2.根据权利要求1所述的可变面积风扇喷嘴，其特征在于，所述保护涂层包括抗结冰涂层，其冰粘附强度低于所述喷嘴部分的冰粘附强度。
3.根据权利要求1所述的可变面积风扇喷嘴，其特征在于，所述保护涂层包括抗腐蚀的涂层，其抗腐蚀性强于所述喷嘴部分的抗腐蚀性。
4.根据权利要求3所述的可变面积风扇喷嘴，其特征在于，所述喷嘴部分包括最外表面，其包括聚合物复合材料。
5.根据权利要求1所述的可变面积风扇喷嘴，其特征在于，所述保护涂层包括基于硅树脂的弹性体。
6.根据权利要求1所述的可变面积风扇喷嘴，其特征在于，所述保护涂层包括聚硅氧烷。
7.根据权利要求1所述的可变面积风扇喷嘴，其特征在于，所述保护涂层包括聚氨酯基体的弹性体和含氟聚合物中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的可变面积风扇喷嘴，其特征在于，所述保护涂层包括高分子量的聚硅氧烷，例如，选自以铂固化的乙烯基为终端的聚二甲基硅氧烷、以过氧化物固化的乙烯基为终端的聚二甲基硅氧烷、聚苯甲基硅氧烷、4-聚三氟丙基甲基硅氧烷和聚二苯基硅氧烷中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的可变面积风扇喷嘴，其特征在于，所述保护涂层位于所述喷嘴部分的前缘。
10.根据权利要求1所述的可变面积风扇喷嘴，其特征在于，所述可变面积风扇喷嘴还包括抗结冰装置，其能够可操作地融化或破坏形成在保护涂层上的任何冰。
11.一种燃气涡轮发动机系统，包括：
风扇；
围绕所述风扇设置的结构；
具有至少部分地位于所述结构内的压缩机和涡轮的发动机核心；
在所述结构和燃气涡轮发动机之间的风扇旁路通道；
喷嘴部分，其可在多个位置之间移动以改变与旁路气流相关联的有效面积，所述旁路气流穿过所述风扇旁路通道；以及
位于所述喷嘴部分上的保护涂层，其抵抗由环境状态引起的所述喷嘴部分的有效面积的改变。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述保护涂层位于所述喷嘴部分和所述结构之间。
13.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述保护涂层位于所述喷嘴部分和相应于所述发动机核心的内部罩之间。
14.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述保护涂层还位于围绕所述风扇设置的所述结构的至少一部分上。
15.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述保护涂层位于围绕所述风扇设置的所述结构的后缘上。
16.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，控制器用于响应所述燃气涡轮发动机的多个运行状态中的一个而可选择地移动所述喷嘴部分。
17.一种控制与燃气涡轮发动机可变喷嘴部分相关联的有效面积的方法，所述方法包括：
把保护涂层涂附在可变喷嘴部分上，以抵抗由环境状态引起的所述喷嘴部分的有效面积的改变。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括选取保护涂层，其冰粘附强度低于所述可变喷嘴部分的冰粘附强度。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括选取保护涂层，其抗腐蚀性强于所述可变喷嘴部分的抗腐蚀性。
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