CN102171416A - 由导向轨道连接的燃气涡轮发动机的变几何装置的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可控制燃气涡轮发动机的至少两个变几何装置(10，110)的系统，该发动机包括至少一个以第一速度运转的第一本体和以第二速度运转的第二本体，所述第一装置(10)是第一本体压缩器的可变角度定子叶片，该第一本体在空转时的闭合位置和高速时的打开位置之间移动，所述第二装置(110)是第二本体压缩器的至少一个排气阀，该第二本体在空转时的打开位置和高速时的闭合位置之间移动，其特征在于，该系统包括可驱动两个装置的传动装置(24)。

Description

由导向轨道连接的燃气涡轮发动机的变几何装置的控制系统

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机---尤其是喷气发动机---变几何装置控制的一般领域。本发明特别涉及构成燃气涡轮发动机不同本体组成部分的几种装置的优化控制。

背景技术

术语“变几何装置”在此处应理解为与控制构件相连的装置，以及该装置的尺寸、形状、位置和/或转速都可根据探测到的情况或确定的参数进行修改，以便对发动机的工作产生作用。变几何装置的示例包括压缩器排气阀(带可变开口)、带可变设定角度的固定式压缩器叶片、顶部间隙可变的涡轮叶片、可变流量燃油泵，等等。

术语“本体”系指燃气涡轮发动机的分组件，作为主要构件，包括装配在同一根轴上的压缩器和涡轮。它可以是多本体的。双本体发动机(dual-body engine)包括所谓的高压本体和所谓的低压本体。每个本体包括压缩器和涡轮，其叶片都是围绕所安装的轴的轴线被带动旋转。

一般来讲，燃气涡轮发动机的各个本体都设计成可以彼此独立工作。即使连接在一起或在某些运转速度时相互关联，其旋转速度也是独立的。

为了控制构成各个不同本体部分的变几何装置，这些截然不同的装置都提供有截然不同的控制系统：两个控制电路、两个传动装置、两个动力源等等。结果就是，这种装置的控制系统的重量、成本和体积都较高。申请人在其欧洲专利申请(申请号EP 1 724 474)介绍了这样一种布局。

例如，低压本体的压缩器可以包括一个或多个排气阀(通常缩写为VBV，表示“可变放气阀门”)，而高压本体的压缩器可包括一个或多个可变角度定子叶片级(通常缩写为VSV，表示“变距定子叶片”)。为了减小这些装置及其控制构件的重量，可以设想不安装任何可变放气阀门。尽管采用这种方法所取得的节约量很大(与其相关的传动装置、伺服阀、导管、线束等都省略不用)，但弊端也很大，尤其是在空转时，如果水或冰雹进入到发动机时，会导致发动机熄火风险增加。

通用电气公司的专利申请FR 2 445 439介绍了控制低压级排气阀和高压级可变角度定子级的一种装置，但是，这种装置主要是按照顺序来控制两个装置，在涡轮发动机正常工作(也就是说，大于空转速度)时只有定子叶片被驱动。

发明内容

本发明旨在提出一种燃气涡轮发动机，带有属于发动机不同本体的变几何装置，这些装置的控制系统得到优化。

为此，本发明涉及一种燃气涡轮发动机的至少两个变几何装置的控制系统，该发动机包括至少一个以第一速度运转的第一本体和以第二速度运转的第二本体，所述第一装置是第一本体压缩器的可变角度定子叶片级，该第一本体在空转时的闭合位置和高速时的打开位置之间移动，所述第二装置是第二本体压缩器的至少一个排气阀，该第二本体在空转时的打开位置和高速时的闭合位置之间移动，其特征在于，该系统包括可驱动两个装置的传动装置。

控制系统通过使用一个传动装置来控制几个(至少两个)变几何装置，减少了发动机的部件数量，从而实现本发明的目的。至少很大程度上避免了第二控制系统的重量、体积和成本，因为第一本体和第二本体的装置是通过同一个传动装置来驱动的。

根据一个实施方案，控制系统能够使用一个传动装置来控制两个以上变几何装置。

根据一个实施方案，传动装置由第一本体的旋转速度来控制。

这样，第二本体的变几何装置就通过传动装置由第一本体的旋转速度来控制。

根据具体实施方案，第一本体是高压本体，第二本体为低压本体。

特别是，燃气涡轮发动机包括低压压缩器和高压压缩器，低压压缩器的变几何装置由高压压缩器的旋转速度控制。

根据一个实施方案，在带有高压本体和低压本体的燃气涡轮发动机的情况下，高压本体的变几何装置位于低压本体附近(例如，靠近高压本体的上游侧)。

根据这种情况下的一个具体实施方案，燃气涡轮发动机为双体发动机，带有高压本体和低压本体。在这种情况下，优选地，可变角度定子叶片级构成了高压本体的组成部分，第一装置由构成低压本体组成部分的控制系统控制。

根据这种情况下的一个具体实施方案，叶片级包括多个叶片，每个叶片安装成可在涡轮发动机壳体上枢转，以及围绕壳体的控制环经由杠杆连接到该级的每个叶片上，传动装置能够通过安装在壳体上的传动构件来带动该级的控制环转动。

根据一个实施方案，一个变几何装置是发动机的排气阀。该变几何装置可以包括一个阀或多个排气阀。例如，位于低压压缩器下游的VBV型排气阀。

在这个具体情况下，本发明提供了如下优点：

只需要一台传动装置，而不是两台，以及相关的服务装置，即，导管、伺服阀、HMU或电动机上的插座，等等。

保留有关增压器性能的自由度，无需增加完整的变几何形状。

减少了维护保养：实际上，略去VBV传动则可消除这种变几何的故障风险。

保留了低速运转时排水或冰雹的能力。而且，与无VBV的增压器结构相比，能够更好地承受空转时燃烧室的熄火。

简化了电气系统。省略了局部伺服控制环路：计算机输出、线束、位置回程传感器(TBC)、缩小了计算机尺寸，等等。

本发明的控制系统还可以适合控制各种类型的装置。除了上面介绍的装置外，变几何装置可以特别包括如下装置或构成其中一个或多个如下装置的组成部分：

-带相应开口的高压压缩器排气阀，(通常称之为“过渡引气阀”(TBV)或“启动引气阀”(SBV))；

-高压压缩器的通断排气阀(通常称之为“操纵引气阀”(HBV))；

-用于低压涡轮间隙控制的空气流量调节阀(通常称之为“低压涡轮主动间隙控制”(LPTACC))，或用于高压涡轮间隙控制的空气流量调节阀(通常称之为“高压涡轮主动间隙控制”(HPTACC))。

根据一个实施方案，在控制系统中，传动装置包括一个活动控制构件，该控制构件的位移将控制动作传递给变几何装置。控制构件可以—例如—包括作汽缸的臂。

根据一个实施方案，该传动装置布置成通过改变第一装置传动范围内的参数来驱动第一变几何装置，该传动装置布置成通过改变第二装置传动范围内的同一参数来驱动第二变几何装置。

例如，上述传动装置的参数可以是传动装置驱动构件的位置。为此，该参数就可以是汽缸臂端部位置。因此，在这种情况下，改变该参数就意味着移动汽缸臂的端部或传动装置工作端部位置。

根据最佳实施方案，控制系统包括围绕轴线转动的圆盘，通过机械传动机构来连接到所述装置上，机械传动机构包括沿导向轨道移动的导销，当圆盘通过传动装置带动围绕其轴线转动时，轨道的外形确定了两个装置的传动路径。

更确切地说，机械传动机构包括驱动所述装置的杆，导向轨道在旋转圆盘上形成，导销牢牢地固定到所述杆上以驱动所述装置。驱动所述装置的杆根据另一个特性在平移时是活动的。

在VSV和VBV结合控制情况下，旋转圆盘安装在第一本体的压缩器的壳体上。

传动装置可以是一种电动机，液压马达或气动马达。

当传动参数在装置的传动范围之外的范围内变化时，后者则未被传动装置传动。传动装置参数值的这种范围构成了所述装置的“死行程(dead travel)”，在此情况下，实际上没有将任何动作施加到有关装置上。在这个范围内，不论参数变化如何，传动装置都不会(或不会明显)作用于有关装置。

根据具体实施方案，第一装置的至少一部分传动范围位于第二装置传动范围之外。

两个装置传动范围并不完全对应，使得只有一个装置在公共区域外被驱动，从而方便了由一个传动装置来控制两个变几何装置。

根据另一个具体实施方案，第一和第二装置的传动范围是独立的，也就是说，第一装置的传动范围完全超出了第二装置的传动范围(附图所示未交叉)。

这样，装置就可以按顺序被驱动。实际上，当传动装置参数在第一装置传动范围内变化时，这些变化几乎不会导致任何动作，对第二装置不会产生影响，反之亦然。

根据具体实施方案，第一和第二装置中其中一个的传动范围完全置于另一个装置的传动范围之内。

在这种情况下，各个装置可以同时在其公共区域内被驱动，根据装置特性，提供了方便。这种实施方案可以提供更大的传动幅度。

根据这种情况下的具体实施方案，其中一个装置的传动范围幅度要大大小于另一个装置传动范围整个幅度；例如，它可以是这个范围的不到20％或不到10％。这样，当带有缩小了传动范围的装置的范围处于另一装置的范围之内时，该装置的控制动作就只会使另一个装置的控制变化变小和/或不敏感。这种布置方便了采用一个控制系统对两个装置的控制。

控制系统优选布置成可使传动装置参数在其传动范围极限值之间的变化足以以足够的幅度来驱动装置。

根据一个实施方案，传动装置和其中一个装置之间的连接装置包括分离装置，能够通过传动装置在传动参数值范围上分离该装置的传动。因此，该参数值的范围在有关装置传动范围之外。于是，分离装置可以储备一部分传动范围，以便用于仅控制另一个或另一些装置。当有关装置必须不受影响时，这可能是至关重要的，甚至当其它受控装置中的其中一个的控制发生变化时。

根据一个实施方案，控制系统还包括可使其中一个装置的控制构件保持在预定位置的回行装置，至少当传动装置参数在装置传动范围之外的范围内变化时。

本发明还涉及到装有上述控制系统的燃气涡轮发动机。

附图说明

下面结合附图，通过介绍发动机和本发明系统的最佳实施方案，可以更好地理解本发明，参考附图如下：

-图1为已有技术喷气发动机局部轴向剖面图，所述发动机包括排气阀VBV和可变定子叶片；

-图2为根据已有技术的VSV控制系统的透视图；

-图3为两个装置的位置的控制装置平面示意图；

-图4和图5为曲线图，给出了根据发动机转速的定子叶片和排气阀的位置，所示为两个装置打开和关闭范围重叠和无重叠情况。

具体实施方式

众所周知，如图1和图2所示，适用于航空航天领域的燃气涡轮发动机，诸如喷气发动机(在此用X-X轴线表示)，包括---从上游至下游---风扇、低压压缩器2、高压压缩器4、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和喷射气体的喷管(图中未示)。高压压缩器和高压涡轮牢固地固定到同一根轴上，称之为高压轴，因此属于发动机的高压本体或以第一速度旋转的第一本体，而低压压缩器和低压涡轮牢固地固定到同一根轴上，称之为低压轴，因此属于发动机的低压本体或以第二速度旋转的第二本体。

下面，缩写LP和HP分别表示低压和高压。

高压压缩器4包括至少一个级，该级由一圈动叶片和一圈固定叶片(又称之为定子叶片)构成。每个级由多个径向围绕燃气涡轮发动机X-X轴线布置的叶片构成。在典型情况下，高压压缩器包括多个级10，动叶片轮和固定叶片轮交替布置。这些叶片封闭在圆柱形壳体12内，后者以发动机的轴线X-X为中心。

在固定叶片轮之间，至少一个级10包括所谓的变角度叶片14。每个叶片14安装成可围绕轴线16(或枢轴)枢转，后者穿过壳体12。每个叶片14的角度位置可以通过驱动其枢轴16转动来调节。

可变角度叶片级10构成了第一变几何设备，属于高压本体(因为其属于高压压缩器)。该设备的可变参数是叶片14的角度；在典型情况下，所有叶片14都通过叶片14级10的控制环22被同时带动旋转。

控制环22呈整体环形；其围绕壳体12，并以发动机的轴线X-X为中心。通过控制环22围绕发动机轴线X-X旋转，从而以已知方式可获得叶片14角度位置的同步修正。

图2示出了已有技术两个定子叶片级10和10’的同步控制机构。

控制系统布置成可控制可变角度叶片级10和10’的控制环22和22’的转动。

控制系统包括传动装置24，在该示例中，是一个作汽缸，该传动装置机械地连接到级10上，以驱动定子叶片旋转。

为此，可变角度叶片14，14’的每个枢轴16，16’连接到控制连接杆18，18’的一端，而控制连接杆的另一端用关节连接到耳轴20，20’周围，而耳轴则固定到控制环22，22’上并相对于控制环径向延伸。

控制环包括至少一个端接头27，27’，延伸螺杆型控制杆32，32’的一端就固定到该接头上，大体切向地延伸到控制环22，22’。控制杆32的另一端牢固地连接到回行构件26，26’上，安装成可在压缩器壳体12的组件28上枢转。传动回行构件26为T形。控制杆32固定到传动回行构件26的第一支管34的一端，作汽缸24控制杆的端部用关节连接方式固定到第二支管42的端部，后者大体上位于第一支管34的延伸端上。

第二个回行构件26’呈L形状，带有连接到控制杆32’上的支管36和经由同步杆连接到T形构件第三支管38上的支管40。传动装置(汽缸)24可以通过传动回行构件26带动可变角度叶片级10的控制环22转动，将汽缸24的动作传递给控制杆32，后者再将该动作传递给控制环22，控制杆在平移(曲线)时牢牢固定到该控制环上。

传动装置通过同步杆30带动控制环22’旋转。

汽缸24通过电子控制装置控制。其动作取决于高压压缩器的旋转速度N2。

如图1所示，发动机包括第二变几何设备110。在典型情况下，该设备是VBV型排气阀。该设备110的可变参数是排气阀110的开口角度。这个设备110位于低压压缩器的下游。VBV阀110的作用就是根据确定工况排出低压压缩器2出口的空气。第二设备110一般包括多个这样的阀门。

根据已有技术，设备110由该设备专用系统控制。图1所示传动装置A通过联动系统T来作用于阀门。

根据本发明，提供了可共同控制两个设备的系统。这样，控制VSV叶片的传动装置24通过专用装置也可控制第二设备110的控制构件115的位移。

参照图3，图3示出了根据一个实施方案的控制系统，从图中可以看到传动装置24既作用于由一对10和10’的VSV可变角度叶片级构成的第一设备，同时也作用于由阀门或多个排气阀VBV构成的第二设备110.

叶片10和10’的控制环设置成可围绕发动机的轴线XX旋转，每个控制环均由枢转杠杆---分别是142和142’----来带动。图中未示出控制环22和22’和杠杆142和142’之间的连杆。

排气阀110设置成可通过枢转杠杆115来动作。

三个杠杆142，142’和115均通过杆来控制，即141和141’分别用于杠杆142和142’，而111用于杠杆115。

这些杆在牢牢固定到壳体12上的导轨内平移时保持移动。杆111在导轨12C内沿其轴线是移动的。同样，杆141和141’在其各自导轨12A和12B内轴向移动的。这些杆的平移动作通过连杆传递到杠杆，导销141P2，141’P2和111P2固定到这些杆上，可在其所控制的杠杆的槽142F，142’F和115F内自由滑动。在杠杆围绕旋转中心枢转时，槽可以吸收杠杆臂的长度变化量。

在这些杆141，141’和111的另一端，每个杆都包括另一个导销，该导销相对于其轴线141P1，141’P1和111P1横向布置，可在圆盘100内的导向轨道100A，100B和100C内滑动。圆盘100安装成可围绕牢牢固定到壳体12上的轴线100D旋转。轴线100D垂直于三个杆形成的平面。

为此，旋转盘100通过机械传动机构连接到所述设备10，10’，110上，传动机构包括沿导向轨道100A，100B，100C移动的导销111P1，141P1，141’P1。当圆盘100由传动装置24带动围绕其轴线100D旋转时，导向轨道的外形确定了设备的传动规律。

导销和其各个导向轨道之间的连接得到优化，以便减少机械损失。导销可以是线性轴承形式，这样，导销在轨道内滚动不会产生摩擦。为了形成一种轨道，圆盘内形成的槽即为导销的宽度。

优选地，两个钉子叶片级10和10’的控制臂位于彼此的延伸端上，目的是减少圆盘100的旋转轴线100D上的力。这样，就可减少作用在轴100A上的摩擦力和传动所述杆所需之动力。该装置不限于对可变角度钉子叶片级的两个臂的控制。该装置可以很方便地适用于更多部分。

圆盘100通过传动装置24围绕其轴线100D被带动旋转。在这种情况下，传动装置通过杆241和臂242连接到圆盘上，而臂242连接到后者的中心处。杆通过传动装置沿其轴线的位移经由臂242带动圆盘转动。根据传动装置的杆241是延伸还是收缩，圆盘会按顺时针方向或逆时针方向旋转。

这样，当圆盘100围绕其轴线旋转时，根据导销在其各个轨道内的位置，圆盘的旋转动作被转换成杆的平移动作。圆盘的每个角度位置具有导销在其各个轨道内的对应的精确位置。导销的位置决定了杠杆的角度位置，而杆就固定到这些杠杆上。

在圆盘围绕其轴线100D转动时，圆盘内形成的轨道的形状就决定了每个杠杆的角度位置。

换句话说，圆盘围绕其轴线转动杠杆的枢转规律是由圆盘上导销的活动轨道来决定的。

因此，本发明提出的解决方案可以针对圆盘的每个角度位置来确定定子叶片和排气阀的打开或关闭位置。

参考图4和图5，可以看到根据高压本体旋转速度N2的可变角度叶片(图中符号VSV)和排气阀(图中符号VBV)的相对打开规律。在零转速N2时，排气阀打开，可变角度叶片处于所谓的关闭位置。当转速增加时，排气阀逐渐关闭，而叶片则打开。在图4所示方案V1中，随着转速的增加，可变角度叶片VSV开始打开，与此同时，排气阀VBV关闭，但此后结束，然而在方案V2中，如图5所示，可变角度叶片VSV只有在排气阀VBV关闭后才开始打开。方案的选择和排气阀开始关闭的确切时刻通过改变轨道形状来确定。

尽管本发明已经通过具体实施方案进行了介绍，但显然，本发明并不仅限于所述实施方案，本发明包含了所述装置的所有等同技术和组合形式，只要它们属于本发明技术说明范围之内。

Claims (13)

1.一种燃气涡轮发动机至少两个变几何装置(10，110)的控制系统，所述发动机包括以第一速度旋转的至少一个第一本体和以第二速度旋转的第二本体，所述第一装置(10)为第一本体压缩器可变角度定子叶片级，所述第一本体在空转时的闭合位置和高速时的打开位置之间移动，所述第二装置(110)为第二本体压缩器的至少一个排气阀，所述第二本体在空转时的打开位置和高速时的闭合位置之间移动，其特征在于，该系统包括可驱动两个装置的传动装置(24)。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，第一本体是高压本体，第二本体是低压本体。

3.根据权利要求1或2其中一项所述的控制系统，其特征在于，传动装置(24)由发动机其中一个本体的旋转速度控制。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，传动装置(24)由高压本体的旋转速度控制。

5.根据权利要求1到4其中一项所述的控制系统，包括围绕轴线(100D)旋转的圆盘(100)，该圆盘通过机械传动机构连接到所述装置(10，110)上，所述机械传动机构包括沿导向轨道(100A，100B，100C)移动的导销(111P1，141P1，141’P1)，在圆盘由传动装置(24)带动围绕其轴线转动时，导向轨道的外形确定了两个装置的传动路径。

6.根据前面权利要求所述的控制系统，其特征在于，机械传动机构包括驱动所述装置的杆(141，141’，111)，导向轨道(100A，100B，100C)在旋转圆盘(100)上形成，而导销(111P1，141P1，141’P1)则牢牢地固定到带动所述装置的杆(141，141’，111)上。

7.根据前面权利要求所述的控制系统，其特征在于，带动所述装置的杆(141，141’，111)在平移时是活动的。

8.根据权利要求4所述的控制系统，结合权利要求5到7其中一项，其特征在于，旋转圆盘(100)安装在第一本体的压缩器的壳体上。

9.根据权利要求5到8其中一项所述的控制系统，其特征在于，传动装置(24)是一种电动机。

10.根据权利要求5到8其中一项所述的控制系统，其特征在于，传动装置(24)是一种液压或气动马达。

11.根据权利要求5到10其中一项所述的控制系统，其特征在于，每个装置(10，110)的传动路径均包括一个传动范围，其中一个装置的传动范围包括在另一个装置的传动范围之内。

12.根据权利要求5到10其中一项所述的控制系统，其特征在于，每个装置(10，110)的传动路径都包括一个传动范围，第二装置(110)的传动范围完全超出第一装置(10)的传动范围。

13.一种燃气涡轮发动机，其包括上述权利要求中其中一项所述的控制系统。

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