CN102128179A - 非线性的不对称式可变引导导叶调度 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及非线性的不对称式可变引导导叶调度。具体而言，一种用于压缩机(18)的可变入口引导导叶装置(30)，包括：壳体(40)，其限定压缩机的入口；同轴地设置在壳体内的至少一个导叶支承件(41；6)；多个导叶(38；4)，其围绕壳体的圆周周向地设置，各导叶均可枢转地安装在壳体和至少一个导叶支承件之间；促动器机构(44，46；8)，其构造成用以围绕所述壳体的圆周以不对称的模式枢转多个导叶中的至少一些。控制用于压缩机的可变入口引导导叶装置的方法包括围绕壳体的圆周以不对称的模式枢转多个导叶中的至少一些。

Description

非线性的不对称式可变引导导叶调度
技术领域
本发明涉及用于控制进入压缩机(例如，燃气涡轮发动机的压缩机)的流动的可变入口引导导叶(或导向叶板，guide vane)。
背景技术
用于向飞行中的航空器提供动力的涡轮风扇燃气涡轮发动机通常包括成串行流动连通的风扇、低压压缩机或增压器、高压压缩机、燃烧器，高压涡轮，以及低压涡轮。燃烧器产生燃烧气体，该燃烧气体经引导通向后继的高压涡轮(在其中燃烧气体膨胀以驱动高压涡轮)，而然后通向低压涡轮(在其中燃烧气体进一步膨胀以驱动低压涡轮)。高压涡轮经由第一转子轴传动地连接到高压压缩机上，而低压涡轮经由第二转子轴传动地连接到风扇和增压器二者上。
高压压缩机通常包括用于压缩空气以便发动机和航空器使用的一系列的定子导叶级。邻近增压器的第一压缩机级为由多个周向布置的悬臂式入口引导导叶所形成的入口引导导叶级。入口引导导叶可通过控制系统予以促动以便为提供动力和避免停机目的而优化空气流动。引导导叶保持在定子壳体和内部导叶护罩之间。定子壳体联接到发动机壳体上。在定子壳体和护罩之间的空间限定传送经过高压压缩机的空气量。护罩提供高压压缩机的空气动力学流动通路边界。
在一些发动机中，入口引导导叶，以及其它的下游定子导叶通过一个或多个可控的导叶促动器的操作而予以可变地促动。导叶的外部耳轴(trunnion)或心轴穿过定子壳体并联接到杠杆(lever)臂上。杠杆臂联接到促动环上，而促动环连接到导叶促动器上。一个或多个导叶促动器实现对于各压缩机级的该系列周向布置的定子导叶而言的运动。导叶通过衬套、衬垫以及拧到外部耳轴上的锁定螺母(或螺帽)的结合而保持在定子壳体上。
可变引导导叶用于控制进入压缩机的流动并被设计成用以根据流动需求而开启和关闭。在低流动状态，可变引导导叶可在分离的流动状态中操作，而在较高的流动状态则可变引导导叶在非分离的流动状态中操作。在沿着开启/关闭调度(或进程，schedule)的可变引导导叶运动期间，具有流动开始分离的区域。该区域定义为“分离开始区(或分离初始区，onset of separation)”。由于入口扭曲(或变形)，流动速度并不均匀(或不一致)。这种不均匀性可导致在各个单独的导叶到达分离开始区时的差异。与该种状态相关联的周向模式将引起强烈的谐波刺激(stimulus)，该谐波刺激为用于使容易受到这些激励的叶片旋转的激励源。该刺激可在存在叶片谐振的区域中引起强烈的谐波含量，因此在叶片上施加振动应力。
发明内容
根据本发明的一个实施例，一种用于压缩机的可变入口引导导叶装置(arrangement)包括限定压缩机入口的壳体；同轴地设置在壳体内的至少一个导叶支承件；围绕壳体的圆周周向地设置的多个导叶，各导叶均可枢转地安装在壳体和至少一个导叶支承件之间；以及促动器机构，其构造成用以使该多个导叶中的至少一些围绕壳体的圆周以不对称的模式而枢转。
根据本发明的另一实施例，提供了一种控制用于压缩机的可变入口引导导叶装置的方法，该可变入口引导导叶装置包括限定压缩机入口的壳体；同轴地设置在壳体内的至少一个导叶支承件；围绕壳体的圆周周向地设置的多个导叶，各导叶均可枢转地安装在壳体和至少一个导叶支承件之间；以及促动器机构，其构造成用以使该多个导叶中的至少一些围绕壳体的圆周以不对称的模式而枢转。该方法包括使该多个导叶中的至少一些围绕壳体的圆周以不对称的模式而枢转。
附图说明
图1为结合了入口引导导叶控制系统实施例的涡轮风扇发动机的局部示意性截面视图；
图2为图1中发动机的高压压缩机区段的局部剖面透视图；
图3为图1中发动机的入口引导导叶控制系统的局部分解透视图；
图4为入口引导导叶和导叶-护罩联接件的侧视图；以及
图5和图6示意性地示出了根据本发明另一实施例的入口引导导叶装置和促动器机构。
零件清单
1    外部导叶支承件
2    周向支承件部件
3    齿条
4    引导导叶
5    内部盖部件
6    内部导叶支承件
7    紧固件部件
8    促动器
9    小齿轮
10   涡轮风扇发动机
12   纵向中心线轴线
14   风扇
16   增压器
18   高压压缩机
20   燃烧器
22   高压涡轮
24   低压涡轮
26    第一转子轴
28    第二转子轴
30    入口引导导叶级
32    可变导叶定子级
34    可变导叶定子级
36    可变导叶定子级
38    导叶
40    定子壳体
41    导叶护罩
42    护罩区段
44    可变导叶促动器
46    可变导叶促动器
48    导叶外部耳轴
50    定子壳体端口
52    内部衬套
54    外部螺母
56    杠杆臂
58    连杆臂
60    护罩端口
62    内部耳轴
64    接触台肩/耳轴按扣(button)
66    护罩端口凹部
68    护罩衬套
70    护罩衬垫
74    护罩密封保持件
具体实施方式
参看附图，其中相同的参考标号表示相同的元件，图1示出了涡轮风扇发动机10的纵向截面视图。发动机10包括关于纵向中心线轴线12成串行轴向流动连通的风扇14、增压器16、高压压缩机18、燃烧器20、高压涡轮22以及低压涡轮24。高压涡轮22利用第一转子轴26传动地连接到高压压缩机18上，而低压涡轮24则利用第二转子轴28传动地连接到增压器16和风扇14二者上，该第二转子轴28设置在第一转子轴26内。
在发动机10的操作期间，环境空气传送通过风扇14、增压器16以及压缩机18而依序受到压缩。一部分环境空气流出用于补充(或附加)功能，同时主压缩空气流进入燃烧器20，在其中该压缩空气流与燃料相混合并经点燃以提供高能量的热燃烧气体流。高能量的气体流传送通过高压涡轮22，在其中该气体流进一步膨胀，同时获取能量以驱动第一转子轴26。然后，气体流传送通过低压涡轮24，在其中获取能量以驱动第二转子轴28，且因此驱动风扇14。不再使用的燃烧产物和未使用的气体则通过排气管道传送出发动机10。
参看图2至图4，压缩机18包括入口引导导叶级30和一组后续(或在后)的可变导叶定子级32、34和36。各个级30、32、34、36的环形尺寸(或维度)逐渐变得更小以压缩空气用于后续的发动机级。压缩机18的各个级均包括锁位在压缩机18的定子壳体40和导叶护罩41之间的一组周向布置的导叶38。如图3中所示，护罩41由一组护罩区段42形成。尽管示出和描述了护罩，但应认识到的是，压缩机18可以不包括护罩，而导叶38可支承在定子壳体40和支承件(例如，内部定子结构或外壳，或环，或发动机承载支承件)之间。
导叶38由一组可变导叶促动器44、46可变地促动。导叶38借助于导叶外部耳轴48穿过定子壳体40而联接到促动器44、46上。外部耳轴48穿过定子壳体端口50并借助于内部衬套52和外部螺母(或螺帽)54而得到保持。杠杆臂56锁位在衬套52和外部螺母54之间。杠杆臂56通过连杆臂58而联接到导叶促动器44、46上。
参考图3和图4，通过将成组的导叶38联接到内部导叶护罩区段42的相应区段上，能够进一步实现导叶38的旋转。各护罩区段42均包括多个护罩端口60，各端口60均构造成用以接纳导叶38中的单独导叶的内部耳轴62。内部耳轴62包括接触台肩或耳轴按扣64，该接触台肩或耳轴按扣64置于具有凹部台肩的护罩端口凹部66中。内部耳轴62使用装配在端口60中的护罩衬套68而初始地锁位在端口60中。护罩衬垫70形成位于耳轴按扣64的衬套面(或端面)和护罩衬套68的耳轴面(或端面)之间的中间接触区域。衬垫70防止护罩区段42向上运动并显著地增加位于锁位构件和内部耳轴62之间的锁位接触区域。这增加了引导导叶系统的寿命并减少了维护负担。
护罩区段42还与护罩密封保持件74联接到一起。保持件74延伸压缩机18整个内部圆周的大约一半，如图3中所示，并有效地将成组的护罩区段42且因此成组的导叶38连结在一起。结果在互连的悬臂式导叶38上产生辐条(轮辐，spoke)效应。保持件74的跨距还增强防止护罩区段42向下远离压缩机18内部空间的运动。因此，降低了在护罩-导叶对接面上的促动和振动影响。
参看图5和图6，根据另一实施例的可变入口引导导叶装置包括外部导叶支承件1和内部导叶支承件6。各引导导叶4均包括小齿轮9，该小齿轮9提供在导叶耳轴上，由外部导叶支承件1可枢转地支承。齿条3连接到周向支承件部件2上并与引导导叶装置的各个小齿轮9相接合，如图6中所示。外部导叶支承件1通过紧固件部件7连接到定子壳体上，而内部导叶支承件6由内部盖部件5所覆盖。
周向支承件部件2连接到促动器8上，该促动器8构造成用以使周向支承件部件2旋转而致使齿条3通过小齿轮9枢转入口引导导叶4。齿条3可构造成用以不对称地改变导叶的开启/关闭调度。齿条3在一部分的开启-关闭范围内可以是不均匀的(或不一致的)。
可变导叶促动器可经促动而不对称地(在周向上)改变导叶的开启/关闭调度，以迫使与叶片的流动分离开始区进入一定模式，该模式产生有利的谐波而减少(或可能地消除)存在于旋转叶片上的刺激。导叶开启/关闭调度可采用非线性的调度，使得将仅在分离开始区的区域引入不对称性。作为备选，交替(不同)的线性调度可用于提供双线性的调度。超出分离开始区的区域，将不再采用不对称的方式，使得导叶将对称地定位在完全分离的或完全不分离的流动区域中，因此最大限度地减小了与这些状态相关联的谐波含量。
通过随着围绕圆周的位置的变化而改变导叶开启/关闭调度，可在周向上控制分离开始区。最终产生的谐波刺激可经由分离模式进行控制，用以消除存在叶片谐振的区域中的强烈的谐波含量，因此减小了易受该种刺激的叶片的振动应力。
导叶的开启/关闭调度的非线性在周向上改变各导叶关于级中其它导叶的位置，以产生有益于产生频率位于转子叶片谐振频率附近的低空气动力学刺激的分离模式。调度的非线性可在其中导叶从完全附连的流动转变至完全分离的流动的狭窄调度区域上采用，也即在分离开始区的区域上采用。在其中流动或完全分离(导叶完全关闭)或完全附连(导叶完全开启)的其它导叶位置处，导叶开启/关闭调度为线性的，以提供轴对称的模式来在这些更为均匀的状态下提供最低的刺激和最为高效的操作。
尽管上述实施例包括通过杠杆臂连接到入口引导导叶上的可变促动器，其中该杠杆臂连接到通过连杆连接到可变促动器上的单独的入口引导导叶上，但应认识到的是，其它的导叶开启/关闭机构，如齿轮传动或椭圆凸轮，也可用于提供导叶开启/关闭调度的非线性。
虽然本发明已结合目前认为是最为实用和优选的实施例进行了描述，但应理解的是，本发明不限于所披露的实施例，而相反，本发明意图涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种变型和同等布置。

Claims (15)

1.一种用于压缩机(18)的可变入口引导导叶装置(30)，包括：
限定所述压缩机的入口的壳体(40)；
同轴地设置在所述壳体内的至少一个导叶支承件(6；41)；
周向地围绕所述壳体的圆周设置的多个导叶(4；38)，各导叶均可枢转地安装在所述壳体和所述至少一个导叶支承件之间；
促动器机构(44，46；8)，其构造成用以围绕所述壳体的圆周以不对称的模式枢转所述多个导叶中的至少一些。
2.根据权利要求1所述的可变入口引导导叶装置，其特征在于，所述促动器机构(44，46；8)构造成用以在所述导叶从完全关闭到完全开启的位置的部分枢转期间根据非线性的调度或根据交替的线性调度而枢转所述导叶。
3.根据权利要求2所述的可变入口引导导叶装置，其特征在于，所述多个导叶(4；38)在流动与所述多个导叶的分离开始区处根据所述非线性的调度或交替的线性调度进行枢转。
4.根据权利要求3所述的可变入口引导导叶装置，其特征在于，所述促动器机构(44，46；8)构造成用以在所述流动与所述多个导叶完全附连或基本上分离时根据线性的调度而枢转所述导叶以围绕所述壳体的圆周产生轴对称模式。
5.根据权利要求1所述的可变入口引导导叶装置，其特征在于，所述至少一个导叶支承件(41)包括多个导叶支承件(42)，以及所述多个导叶可枢转地安装在所述壳体和所述多个导叶支承件之间，以及所述促动器机构(44，46)构造成用以围绕所述壳体的圆周以不对称的模式枢转所述多个导叶支承件的子集的所述多个导叶以及用以围绕所述壳体的圆周以轴对称模式枢转所述多个导叶支承件的剩余部分的所述导叶而产生与所述导叶的流动分离模式。
6.根据权利要求5所述的可变入口引导导叶装置，其特征在于，所述流动分离模式构造成用以在所述流动中产生频率接近涡轮风扇发动机转子叶片谐振频率的低空气动力学刺激。
7.根据权利要求1所述的可变入口引导导叶装置，其特征在于，所述促动器机构(44，46)包括：
多个杠杆臂(56)，各杠杆臂均连接到导叶上；
多个连杆臂(58)，各连杆臂均连接到所述多个杠杆臂的子集上；以及
多个促动器(44，46)，各促动器均连接到连杆臂上以通过所述连杆臂枢转所述杠杆臂。
8.根据权利要求1所述的可变入口引导导叶装置，其特征在于，所述促动器机构包括：
提供到各个导叶上的齿轮(9)；
与各个齿轮接合的齿条(3)；以及
促动器(8)，其构造成用以相对于所述齿轮移位所述齿条以枢转所述导叶。
9.根据权利要求1所述的可变入口引导导叶装置，其特征在于，所述装置还包括：
压缩机(18)。
10.根据权利要求9所述的可变入口引导导叶装置，其特征在于，所述装置还包括：
发动机(10)。
11.一种控制用于压缩机(18)的可变入口引导导叶装置(30)的方法，所述可变入口引导导叶装置(30)包括：壳体(40)，其限定所述压缩机的入口；至少一个导叶支承件(6；41)，其同轴地设置在所述壳体内；多个导叶(4；38)，其围绕所述壳体的圆周周向地设置，各导叶均可枢转地安装在所述壳体和所述至少一个导叶支承件之间；以及促动器机构(44，46；8)，其构造成用以枢转所述多个导叶中的至少一些，所述方法包括：
围绕所述壳体的圆周以不对称的模式枢转所述多个导叶中的至少一些。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，以不对称的模式枢转所述导叶包括在所述导叶中的至少一些从完全关闭到完全开启的位置的部分枢转期间根据非线性的调度或交替的线性调度枢转所述多个导叶中的至少一些，其中，所述多个导叶中的至少一些在流动与所述多个导叶的分离开始区处根据所述非线性的调度或交替的线性调度进行枢转。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述流动与所述多个导叶完全附连或基本上分离时根据线性的调度枢转所述多个导叶中的至少一些以围绕所述壳体的圆周产生轴对称模式。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一个导叶支承件包括多个导叶护罩(42)，以及所述多个导叶可枢转地安装在所述壳体和所述多个导叶护罩之间，所述方法还包括：
围绕所述壳体的圆周以不对称的模式枢转所述多个导叶护罩的子集的所述多个导叶以围绕所述壳体的圆周以轴对称模式枢转所述多个导叶护罩的剩余部分的所述导叶而产生与所述多个导叶的流动分离模式。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述流动分离模式构造成用以在所述流动中产生频率接近涡轮风扇发动机(10)转子叶片的谐振频率的低空气动力学刺激。
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PB01 Publication
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