CN102482947A - 在涡轮发动机中控制叶片顶端间隙 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种的涡轮发动机，包括用于控制所述高压涡轮机的动叶片(16)顶端以及环绕所述叶片(16)的外壳(12)之间间隙的装置，所述控制是通过从发动机的高压压缩机级带走的空气(48，46)冲击冷却所述外壳，以及所述外壳(12)的顶部和底部的电加热来实现的。

Description

在涡轮发动机中控制叶片顶端间隙
技术领域
本发明涉及涡轮发动机，诸如飞行器涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机，所述发动机安装有用于控制叶片顶端间隙的装置，本发明还涉及控制这样的间隙的方法。
背景技术
在传统方式中，穿过涡轮发动机的空气从上游到下游地穿过低压压缩机以及高压压缩机，而后则穿入到燃烧室中，并从所述燃烧室出口输入到高压涡轮机，再输入到低压涡轮机，所述高压涡轮机具有驱动所述高压压缩机转子的转子，而所述低压涡轮机则具有驱动所述低压压缩机转子的转子。
通常地，所述高压涡轮机包括安装在两排定子叶片(一排上游定子叶片以及一排下游定子叶片)之间的装有叶片的叶轮，所述定子叶片由外壳带有，在所述动叶片顶端与所述外壳之间设置有少量的径向间隙。所述叶轮包括带有叶片且与所述高压涡轮机的轴相连接的轮盘。
当所述涡轮发动机在运转过程中，为了避免空气泄漏也为了保证所述发动机的最佳性能，使位于所述叶片顶端的径向间隙最小化是非常重要的。
然而，在运转过程中，由于固定部分的尺寸变化与旋转部分的尺寸变化并不相同，所以调整该径向间隙是有困难的。所有的部分都经受了燃烧气体中的温度变化，也由此导致了取决于所述发动机速度的连续的扩张和收缩，然而，由于构成所述高压涡轮机的转子盘的物质的热惯性，所述温度变化以及所述旋转部分的相应的尺寸变化比所述固定部分的尺寸变化发生得更加缓慢。另外，由于工作过程中的离心力所引起的涡轮叶片的尺寸变化也必须考虑进来。
用于控制所述叶片顶端间隙的装置已经被提出，所述装置包括用于将空气从所述高压压缩机的上游部分(例如从它的第四级)以及从所述压缩机的下游部分(例如从它的第九级)带走的装置。用于带走空气的每一个回路包括阀门，所述阀门的开启和关闭由控制系统控制。以这一方式被带走的空气被输送到所述外壳，以便对其进行冷却或加热，从而对所述高压涡轮机的动叶片顶端位置的间隙进行调整(参见申请人的专利申请文件FR 2828908-A1)。
所述控制系统接受关于所述发动机速度、所述外壳温度以及所述高压压缩机出口位置的温度的信息，以及所述发动机运转的相关信息(在地面空转、热启动或冷启动、临时加速或减速……)。
由于该装置需要安装分开的阀门和回路用以从所述高压压缩机的上游和下游部分带走空气，该已知装置较为复杂。为了对将要冲击所述外壳的空气的温度进行全面的控制，控制所述阀门被打开的程度是必要的，同样地，这也是较为复杂的。此外，所述这种类型的装置特别地重并且特别地庞大。最后，将空气从所述高压压缩机的下游部分的带走是没有益处的，这是由于它以非常高的压力消耗掉空气从而对所述发动机的效率造成影响。
当在热状态下重新启动所述发动机(也就是已经停止了一段时间之后重新启动所述涡轮发动机)时出现了另外一个问题，该段时间不足以使所述发动机的温度，特别是所述高压涡轮机的转子盘的温度，恢复至环境温度。在所述发动机停转后，可以看出其底部(6点钟方向)的冷却比其顶部(12点钟方向)的冷却更快，这导致了所述高压涡轮机的转子在所述外壳内占据了一个偏离中心的位置。因此，底部位置中叶片顶端间隙减小，而且，所述高压涡轮的转子叶片的离心能够导致在其底部与所述外壳发生摩擦。
用于通过电加热所述外壳的方式来控制间隙的装置也得以被提出，从而使得适应加速度并且避免热状态重新启动的不良影响成为可能，但是，该装置无法冷却所述外壳，以便在巡航飞行过程中减小所述间隙。
发明内容
本发明特别的目的在于提供一种针对现有技术中的那些问题的解决方案，所述方案简单、有效并且廉价。
为此目的，本发明提供一种涡轮发动机，其包括用于控制高压涡轮机的动叶片顶端和环绕叶片的外壳之间间隙的装置，所述控制装置包括空气冲击冷却装置，用于通过从所述发动机的高压压缩机级所带走的空气冲击来冷却所述外壳，所述涡轮发动机特征在于，其进一步包括用于加热所述外壳顶部的第一电加热装置以及用于加热所述外壳底部的第二电加热装置，以及用于控制所述空气冲击冷却装置的开/关控制装置，以及用于控制所述第一、第二电加热装置的独立装置。
用于以空气冲击方式冷却外壳的装置与用于电加热所述外壳的装置相结合，使得本发明从两个系统的优点中得到好处，同时还避免了它们各自的不同。
为所述外壳加入电加热装置使得移除用于自所述高压压缩机的下游部分带走热空气的回路成为可能，并且因此提高了所述涡轮发动机的性能。
在开/关模式下操纵所述空气冲击冷却装置能够使得所述间隙控制装置的设计得以简化，这是由于不需要再像现有技术那样对阀门打开的程度加以控制。
另外，针对所述外壳顶部以及底部的电加热装置的独立运转使得针对在热状态下重启所述涡轮发动机的问题提供解决方案成为可能，特别地通过造成仅有所述外壳的底部被加热，从而避免与所述高压涡轮转子的叶片顶端相接触。
根据本发明的另外一个特征，所述空气冲击冷却装置包括由外壳所带有的圆环，所述圆环包括被多孔的条状物轴向地彼此分隔开的突出部，所述多孔的条状物安装于所述突出部之间用于输送从所述高压压缩机带来的空气。
用于从高压压缩机带来的空气的装置可包括用于打开和关闭向所述外壳输送空气的装置。
在本发明的一个特别实施方式中，所述冷却空气从所述高压压缩机的第四级中以穿过所述压缩机的总空气流速的约0.7％的速度被带走。
在本发明的一个实施方式中，所述电加热装置包括由所述外壳所带有的位于其顶部及底部的有电阻回路。
有益地，所述电阻回路安装在所述外壳所带有的圆环的突出物附近。
本发明还提供了一种在如上所述的涡轮发动机内控制所述高压涡轮叶片顶端间隙的方法，所述方法包括当在热状态下重新启动所述涡轮发动机时，以最大功率起动所述高压涡轮机外壳底部的电加热装置，还包括停用所述用于加热所述外壳顶部的加热装置。
因此，所述底部的电加热装置在热启动的过程中激活，从而避免了叶片顶端间隙的增加以及所述涡轮机性能的降低。
所述方法还包括在所述涡轮发动机冷启动的过程中，起动所述用于加热外壳底部的电加热装置，使其功率达到它们的最大电功率的50％。
在热启动之后的所述发动机加速阶段的开始，所述底部的电加热装置的功率暂时地减小到如上所述的最大电功率的50％左右，随后，所述电功率逐渐地增加，直到其达到最大功率的75％左右。
以相类似的方式，在冷启动之后的所述涡轮发动机加速阶段的开始，所述底部的电加热装置暂时停用，随后重新起动以达到其最大电功率的75％左右的功率。
在热启动或冷启动的过程中，在加速之初，这样的在加热上的减少避免了所述外壳相比较于所述高压涡轮转子过快地扩张，并且从而避免了在涡轮发动机加速之初所述间隙的增大，所述间隙的增大将可能导致穿过叶片顶端的空气泄漏情况的恶化。
根据本发明所述方法的另外一个实施方式，在巡航过程中，用于加热所述外壳底部的电加热装置在所述涡轮发动机减速之前以全功率起动，从而避免由主通道温度下降所引起的所述外壳过快的收缩，从而防止与所述叶片顶端相接触。
有益地，在巡航阶段，停用所述外壳的全部电加热装置，而所述空气冲击冷却装置得以启用。
本发明能够更好地被理解，并且本发明的其它细节、优点以及特征将通过非限制性的例子并且参考说明书附图在下面的说明中得以显现，其中：
附图说明
图1为高压涡轮机以及用于控制叶片顶端间隙的现有装置的轴向剖面局部示意图；
图2A和2B为在冷启动和热启动的过程中所述涡轮机组的示意图；
图3为高压涡轮机以及用于控制叶片顶端间隙的本发明所述装置的轴向剖面局部示意图；以及
图4为在用于加热本发明所述涡轮发动机底部的电加热装置上所施加的功率的变化曲线图。
首先，参考图1，其示出了高压涡轮机的顶部，所述高压涡轮机被设置于燃烧室的出口位置以及低压涡轮机的上游，其包括外壳12以及限定了主空气流流动通道外侧的壁14，安装在两排定子叶片(一排上游定子叶片18以及一排下游定子叶片20)之间的装有叶片的叶轮16在所述流动通道中旋转。所述壁14由带有所述定子叶片18、20的环形部分22、24以及置于所述环形部分22、24之间且径向地面对所述动叶片16外端的环形部分26组成，所述动叶片16由高压涡轮机的转子盘(未示出)所带有。
圆环28置于所述外壳12与所述壁14之间，所述圆环28在其上游端部包括通过螺栓连接固定于所述外壳12的肩部32的径向凸缘30，而在其下游端部则包括被固定在径向凸缘36与径向凸缘38之间的径向凸缘34，所述径向凸缘36位于所述外壳12下游端部，而所述径向凸缘38则位于所述下游低压涡轮机的外壳40上游端部。该圆环28带有通过垫片42环绕所述动叶片16的环形部分26，并且其也包括多个突出部44，所述突出部44被轴向地彼此分隔开来，而在所述多个突出部44之间则安装有多孔的条状物46。
用于控制所述叶片16顶端与所述环形部分26之间的间隙的装置包括用于从所述压缩机的上游部分(例如从第四压缩机级)带走冷空气的回路48以及用于从所述压缩机的下游部分(例如从第九压缩机级)带走热空气的回路50。每一个用于分别地带走冷空气和热空气的回路48、50具有与各自的阀门52、54相连接的出口，所述阀门52、54控制被带走的冷空气和热空气的速度。与所述阀门的出口相连接的通道56用以将已经被带走的空气混合物注入到多孔的条状物46中所述高压压缩机内，所述空气由此射出并且对所述圆环进行冲击，从而对其进行冷却和加热。
用于从所述高压压缩机的第四级中带走空气的第三回路57得以被提供，以便冷却所述低压压缩机。为了这一目的，所述被带走的冷空气通过所述外壳12直接地被注入到所述主空气流流动通道的内部，并且穿过通向所述定子叶片20排的所述圆环内的喷孔58。该冷却空气的流速大约是穿过所述高压压缩机的空气的总流速的2％。
通常地，它可以很容易地被理解：通过从所述高压压缩机带走的空气的冲击，所述圆环的冷却或加热分别地引起所述外壳12和圆环28的冷却或加热。该种加热或冷却用来控制面向所述动叶片16的环形部分26的径向位置，从而控制位于所述动叶片16顶端的间隙。
用于冲击所述圆环28的所述冷空气和热空气的混合气体通过全权限数字发动机控制器(FADEC)系统得以被控制，所述全权限数字发动机控制器(FADEC)系统控制所述涡轮发动机，并且对各种类型的信息考虑进去，诸如，发动机的工作模式、所述外壳12的温度以及发动机在两次应用之间所停滞的时长，以便确定对于打开所述阀门54和52而言合适的设置，从而最小化所述叶片16的顶端的间隙。
例如，当所述发动机冷启动并且在地面上空转时，所述外壳12以及所述高压涡轮机的转子盘处于温度平衡状态(图2A)。所述高压涡轮机59在所述外壳12的内部居中。由于所述高压涡轮机的转子盘的热惯性以及所述外壳12较快的扩张，在这种结构中冷却所述处壳12以避免位于所述叶片顶端的间隙的增大是有必要的。因此，所述控制系统使得所述用于从第四压缩级中带走冷空气的阀门52开启，而使得所述用于从第九压缩级中带走热空气的阀门54关闭。随后，所述已经被带走的空气被输送到所述多孔条状物46处，所述空气离开这些条状物46以便对所述圆环28的突出物44进行冲击，并且冷却所述圆环28以及外壳。
然而，这些用于通过空气冲击所述外壳12进行冷却和加热的装置以均匀地围绕所述高压涡轮机的整个环状面的方式运行，即所述圆环28的整个环状面具有相同的来自于所述高压压缩机的用以冲击的空气混合物，这无法满足涡轮发动机在热重新启动的情况。
由于所述外壳12的冷却快于所述高压涡轮机的转子盘(需要花费5个小时来使所述转子盘冷却下来)，也由于所述涡轮发动机在其底部的冷却要快于其上顶部的冷却，由此可以发现：所述高压涡轮机59在所述外壳12内偏离中心地移动(如图2B所示)。在热重新启动的情况下，位于底部位置的所述叶片顶端处的所述间隙非常的小，而所述高压涡轮机的转子上离心力的作用使得所述动叶片16的径向尺寸增加，并且导致位于底部的所述动叶片16的径向外侧端部与面向所述动叶片16设置的环形部分26之间发生接触。
如上所述类型的通过空气冲击来得以操作的间隙控制装置的使用将会导致所述外壳12的整个环状面得以均匀的扩张，也因此导致位于所述涡轮发动机顶部的叶片顶端的间隙过度增大。
本发明提供一种针对这一问题以及如上所述的那些问题的解决方案，通过移除用于从所述高压压缩机带走热空气的装置50，且通过使用对所述外壳12的顶部进行加热的第一电加热装置取代上述装置，所述装置独立于用于加热所述外壳12的底部的第二加热装置而被加以控制。所述外壳12的电加热更快，而且较之通过热空气冲击的方式进行加热更为活跃，它不会降低所述涡轮发动机的高压压缩机的性能。、
所述用于加热所述外壳12的顶部和底部的第一和第二电加热装置60安装在所述圆环28的突出物44的附近，如图3所示，并且它们可由有电阻类型回路构成。
为所述第一、第二电加热装置60提供独立控制装置，并且它们与FADED系统相连接，以便独立地对所述外壳12的顶部与底部的加热加以控制，从而使得对热重新启动所述涡轮发动机的问题进行响应成为可能，如下文所给出的更加详细的解释。
如上所述，所述外壳12通过空气冲击冷却装置被冷却，即通过用于将空气从所述第四高压压缩机级带走的回路48，此空气供给所述多孔条状物46并且朝向所述圆环28的突出特44注入。与现有技述不同，所述冷却装置可包括阀门61，所述阀门61受与所述FADED系统相连接的控制装置63的开/关控制。
图4为示出了在用于所述涡轮发动机底部的电加热装置上所施加的功率变化曲线图，虚线表示在冷启动的过程中，而实线则表示在热启动的过程中。
为了避免在热启动的过程中，位于所述涡发动机底部的叶片顶端之间相互接触，所述用于圆环28底部的电加热装置全功率开动，如62所示，从而引起所述圆环28扩张，由此使得在这一部分中位于所述叶片顶端的间隙加大。相类似地，所述用于所述圆环28顶部的电加热装置停用，这是由于在这一位置位于所述叶片16顶端的间隙足够大，正如上文中所解释的，从而避免了位于所述顶部的叶片顶端处的间隙的任何形式的扩大，在此处，如此扩大的间隙将会降低所述涡轮发动机的性能。
在重新启动之后，在所述发动机加速阶段的开始，所述用于加热所述底部的电加热装置暂时地以约为最大功率的50％的功率开动，如64所示，从而避免由所述外壳12的径向扩张所导致的所述间隙的任何形式的加大，所述外壳12的径向扩张是由于所述电加热以及由加速所引起的主通道内的气体温度升高的综合效应。
随后，所述电功率再次逐渐地增加，如66处所示，直到其达到最大功率的大约75％处，如68处所示，以便对由所述高压涡轮机转子盘的逐渐扩张所引起的位于叶片顶端的间隙进行重新调整。
本发明也可以在所述涡轮发动机冷启动的过程中得以应用(图4)。在这种环境下，用于加热所述底部的电加热装置在片刻间全功率开动直至地面空转速度得以确定下来，如70处所示(典型地为3秒)，随后所供应的功率被减少到最大功率的50％，如72处所示。当在地面空转时，由于所述高压涡轮机的转子在所述外壳12中并没有处于偏离中心的位置，所以不需要所述外壳的底部发生明显的扩张。
当在冷启动后开始对所述发动机加速时，用于加热底部的所述电加热装置被暂时地停用，如74处所示，以便避免所述外壳快速地扩张，正如上文中所解释的，关于热启动后的加速。
随后，所述电功率再次逐渐地增加，如76处所示，直到其达到最大功率的大约75％处，如68处所示，以便对由所述高压涡轮机转子盘的逐渐扩张所引起的位于叶片顶端的间隙进行重新调整。
无论所述发动机是在冷状态下还是在热状态下被重新启动的，在巡航过程中，在发动机减速之前，所述用于加热所述外壳12底部的电如热装置全功率开动，如78处所示。这避免了所述外壳过快收缩，并且使得为减小所述动叶片的径向尺寸所需要的时间保持足够的温度成为可能，所述动叶片的径向尺寸的减小是由减速所引起的温度的降低所导致的。
在巡航过程中，如78处所示，所述电加热装置被停用，只有所述空气冲击冷却装置在工作，所述阀门被置于打开的位置。
因此，本发明使得具有仅在巡航过程中运转的空气冲击冷却装置成为可能，在所述巡航过程中，其以非常容易实现的开/关运转方式运转。

Claims (12)

1.一种涡轮发动机，其包括用于控制高压涡轮机的动叶片(16)顶端和环绕所述叶片(16)的外壳(12)之间间隙的装置，控制装置(48，46)包括空气冲击冷却装置，用于通过从所述发动机的高压压缩机级带走的空气的冲击冷却所述外壳，所述涡轮发动机特征在于，其进一步包括用于加热所述外壳(12)顶部的第一电加热装置(60)以及用于加热所述外壳(12)底部的第二电加热装置，以及用于控制所述空气冲击冷却装置(48，61，46)的开/关控制装置(63)，以及用于控制所述第一、第二电加热装置(60)的独立装置。
2.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述空气冲击冷却装置(48，46)包括由外壳(12)所带有的圆环(28)，所述圆环(28)包括被多孔的条状物(46)轴向地彼此分隔开来的突出部(44)，所述多孔的条状物(46)安装于所述突出部(44)之间用于输送从所述高压压缩机带来的空气。
3.如权利要求1或2所述的涡轮发动机，其特征在于，用于从高压压缩机带来的空气的装置(48)包括用于打开和关闭向所述外壳(12)输送空气的阀门(61)。
4.如权利要求1到3中任一项权利要求所述的涡轮发动机，其特征在于，冷却空气从所述高压压缩机的第四级中以穿过压缩机的总空气流速的0.7％左右的速度被带走。
5.如权利要求1到4中任一项权利要求所述的涡轮发动机，其特征在于，所述电加热装置(60)包括由所述外壳(12)所带有的位于其顶部及底部的电阻回路。
6.如权利要求2和5合起来得到的所述的涡轮发动机，其特征在于，电阻回路安装在所述外壳(12)所带有的圆环(28)的突出物(44)的附近。
7.一种控制前述任一权利要求所述的涡轮发动机内高压涡轮叶片顶端间隙的方法，其特征在于，当热重启所述涡轮发动机时，所述方法包括以最大功率起动所述高压涡轮机外壳(12)底部的电加热装置(60)，还包括停用所述用于加热所述外壳顶部的加热装置(60)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在热重启之后的所述涡轮发动机加速阶段的开始，所述底部的电加热装置(60)的功率暂时地减小到最大电功率的50％左右，随后，所述电功率逐渐地增加，直到其达到最大功率的75％左右。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在所述涡轮发动机冷启动的过程中，起动所述用于加热外壳(12)底部的电加热装置(60)，使其功率达到它们的最大电功率的50％。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在冷启动之后的所述涡轮发动机加速阶段的开始，所述底部的电加热装置(60)暂时停用，随后重新起动以达到其最大电功率的75％左右的功率。
11.如权利要求7到10中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在巡航过程中，用于加热所述外壳底部的电加热装置(60)在所述涡轮发动机减速之前以全功率起动。
12.如权利要求7到11中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在巡航阶段，停用所述外壳的全部电加热装置，而启用空气冲击冷却装置。
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