CN105339601A - 流动表面 - Google Patents

Abstract

根据一些实施例，一种流动表面包括：复合物材料，其由多个层的所述复合物形成；以及位于层内或复合物材料的外表面上的压电促动器。压电促动器是可促动的以振动复合物材料，以及阻止冰累积或除去已形成的冰中的一者。

Description

流动表面

技术领域

本实施例大体上涉及燃气涡轮发动机。更具体地，但不通过限制的方式，本实施例涉及用于利用嵌入式压电促动器来从翼型件或流动通路结构除冰的设备和方法。

背景技术

在涡轮发动机中，空气在压缩机中加压，且在燃烧器中与燃料混合以用于生成向下游流过涡轮级的热燃烧气体。这些涡轮级从燃烧气体提取能量。高压涡轮包括第一级喷嘴和转子组件，转子组件包括盘和多个涡轮叶片。高压涡轮首先从燃烧器接收热燃烧气体，且包括第一级定子喷嘴，喷嘴将燃烧气体向下游引导穿过从第一转子盘沿径向向外延伸的一排高压涡轮转子叶片。在两级涡轮中，第二级定子喷嘴组件定位在第一级叶片下游，继而后接从第二支承转子盘沿径向向外延伸的一排第二级涡轮叶片。定子喷嘴以一种方式引导热燃烧气体，以使相邻下游涡轮叶片处提取最大化。

第一转子盘和第二转子盘由对应的转子轴连结到压缩机上，以在操作期间对压缩机供能。这些典型地称为高压涡轮。涡轮发动机可包括一定数目的静止翼型件级(通常称为轮叶)，沿发动机轴向方向在通常称为叶片的旋转翼型件的中间。多级低压涡轮在两级高压涡轮之后，且典型地通过第二轴连结到用于对飞行中的飞行器供能的设置在典型的涡扇飞行器发动机构造中的压缩机上游的风扇上。

当燃烧气体向下游流过涡轮级时，能量从其提取且燃烧气体的压力降低。燃烧气体用于对压缩机以及涡轮输出轴供能以用于动力和海洋使用，或在航空使用中提供推力。以此方式，燃料能量转换成旋转轴的机械能，以对压缩机供能且供应继续该过程所需的压缩空气。

静止翼型件和流动通路结构的一个问题在于在飞行操作期间，冰趋于形成在静止零件上。这增大了零件、作为整体的发动机的重量，且降低了发动机效率。这样结冰还影响在静止部分上移动的空气流，这也降低效率。冰也可形成在动态零件上。

当前除冰的方法包括将热输送至这些零件来减少或消除结冰。由于许多已知的翼型件由刚性的材料形成，故除冰的方法受限。例如，一些方法需要歧管和管路来减少热，这又增加了发动机的重量。减少结冰或除去此形成物的其它方法包括机械手段，诸如膨胀且施力来除冰的球囊或保护罩。这些零件大体上具有相对重的特性，这与效率期望相反。

如可由前文所见，存在对改善除冰能力或阻止这些冰的形成的需要。类似地，存在对改善发动机效率的不断需要，这样做的一种方法为减轻发动机重量。

发明内容

本公开内容的一些实施例涉及诸如轮叶或叶片的翼型件，其由复合物材料形成且具有嵌入式压电促动器，促动器可电性地激励，且在预选位置处引起振动，以阻止形成或引起除冰。翼型件由复合物材料形成，复合物材料层叠，且包括可通过有功促动来振动的至少一个可形变区域。其它实施例包括金属翼型件或其它流动通路结构，其包括表面安装或近表面安装的压电促动器。对于静止流动通路硬件的应用，复合物材料和金属两者都适用。

根据各种实施例，一种流动表面包括由多层前述复合物形成的复合物材料，以及位于层内或复合物材料的外表面上的压电促动器。压电促动器可促动来振动复合物材料，以及阻止冰累积或除去形成的冰中的一者。流动表面可位于导叶上。导叶还可包括在导叶的径向端处的外平台和内平台。压电促动器可位于导叶上，且引起沿基本垂直于促动器的表面的方向的振动。压电促动器可连接到控制器上，控制器发信号至促动器来促动。流动表面可备选地为鼻形分流器。流动表面可备选地具有设置在前述鼻形分流器的前端与后端之间的促动器。鼻形分流器可连接到入口导叶上。压电促动器位于鼻形分流器上，以振动鼻形分流器，且阻止结冰或破坏任何形成的冰。流动表面可备选地为翼型叶片。所有上文提到的特征都将理解为仅为示例性的，且带有用于除冰的压电促动器的复合翼型件的更多特征和目的可从本文的公开内容发现。因此，在未进一步阅读在此包括的整个说明书、权利要求书和附图的情况下，将不能理解到该概述的限制性解释。

附图说明

通过连同附图参照实施例的以下描述，本公开内容的上文提到的和其它特征和优点以及获得它们的方式将变得更清楚，且带有压电促动器的复合翼型件将更好理解，在附图中：

图1为示例性涡轮发动机的侧区段示意图；

图2为示例性轮叶的等距视图；

图3为低压压缩机中的示例性导叶组件的局部侧区段；

图4为具有叶片型翼型件的备选实施例；

图5为包括以虚线示出的促动下的弯曲位置的图4的叶片的一部分的顶视图；

图6为限定包括压电促动器的翼型件的材料层的截面视图；以及

图7为具有促动器的备选流动表面的侧视图。

具体实施方式

现在将详细地参照提供的实施例，其中的一个或更多个实例在附图中示出。各个实例通过阐释的方式提供，而未限制公开的实施例。实际上，对于本领域的技术人员将显而易见的是，可在本实施例中进行各种修改和变型而不脱离本公开内容的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一个实施例使用来产生又一个实施例。因此，意图本发明覆盖归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

本实施例提供了一种翼型件，其可由具有一个或更多个振动区段或部分的各种材料层形成。例如，一种材料可为聚合物基质复合物(PMC)。这允许了翼型件在一个或更多个位置处振动。根据第二实施例，材料可为陶瓷基质复合物(CMC)。也可使用其它材料，例如基于碳的材料或基于金属的材料，且因此描述不应当认作是限制性的。

用语前和后关于发动机轴线使用，且大体上意思是分别在发动机轴线的方向上朝涡轮发动机的前方或涡轮发动机的后方。

现在参看图1-7，各种实施例绘出了在复合翼型件上利用嵌入式压电促动器来用于除冰的设备和方法。翼型件可用于涡轮发动机的多个非限制性区域中，包括但不限于涡扇、压缩机和涡轮。作为备选，形变的翼型件设计可包括除涡轮之外的实施例，例如在翼、或其它翼型形状或流动通路结构中。翼型件或流动通路结构可通过促动的压电振动来振动。典型地，当促动器调节至结构的自然频率时实现振动，以使偏转最大化且因此除冰。通过调制频率来激励各种周向区域，这样除冰可发生在三维结构上。

首先参看图1，示出了燃气涡轮发动机10的示意性侧区段视图，燃气涡轮发动机10具有发动机入口端12、压缩机14、燃烧器16和多级高压涡轮20。燃气轮机10可用于航空、发电、工业、船舶等。燃气轮机10关于发动机轴线26或轴24轴对称，使得各种发动机构件围绕其旋转。在操作中，空气穿过发动机10的空气入口端12进入，且移动穿过至少一个压缩级，在该处，空气压力增大且引导至燃烧器16。压缩空气与燃料混合，且焚烧，以提供热燃烧气体，其朝高压涡轮20流出燃烧器16。在高压涡轮20处，能量从热燃烧气体提取，引起涡轮叶片旋转，这继而又引起轴24旋转。

轴24朝发动机的前部穿过以取决于涡轮设计而继续一个或更多个压缩机级14、涡扇18或入口风扇叶片的旋转。轴对称的轴24穿过涡轮发动机10从前端延伸至后端。轴24由轴承沿其长度支承。轴24可为中空的，以允许其中的低压涡轮轴28旋转。两个轴24,28可围绕发动机的中心线26旋转。在操作期间，轴24,28连同连接到轴上的其它结构一起旋转，诸如高压和低压的涡轮20和高压和低压的压缩机14的转子组件，以便取决于使用领域(例如，动力、工业或航空)来产生动力或推力。

仍参看图1，入口12包括具有多个叶片的涡扇18。涡扇18由轴28连接到低压涡轮19上，且产生用于涡轮发动机10的推力。应当理解的是，本实施例可结合遍及发动机的不同位置的各种翼型件使用。例如，可关于涡扇18、压缩机14或涡轮20的各种叶片以及压缩机14或涡轮20或振动翼型件中的导叶来描述的促动器可结合涡轮发动机10内的各种翼型件使用。此外，振动翼型件可结合与除涡轮发动机之外的结构相关联的各种翼型件使用。

现在参看图2，示例性出口导叶组件60的侧视图。空气行进穿过风扇模块18(图1)，且朝导叶组件60(图2)的前缘或入口导叶40(图3)引导。对于组件60，组件包括外带或连接器62、内带或连接器64、前缘61和后缘63。外连接器62和内连接器64可具有各种形式，诸如支座、平台、带等。

现在参看图3，绘出了增压器或低压压缩机15内的复合翼型件的局部侧剖视图。增压器15包括入口轮叶组件40，其由上(外)带42、下(内)带44和其间延伸的轮叶46形成。轮叶46沿轴向方向从前缘41延伸至后缘43。此外，应当理解的是，可使用各种导叶结构。例如，在本实施例中，入口导叶可具有在内安装表面44和外安装件42的节段之间延伸的一个或更多个轮叶翼型件46。此外，这些结构可形成为容纳快速发动机更换结构来用于轮叶组件的容易安装或拆卸。

轮叶40的后部是旋转的压缩机叶片，其随低压涡轮轴28一起旋转。各个组件40均可包括在沿周向延伸的节段内的一个或更多个轮叶46。多个节段围绕发动机10的中心线26沿周向延伸。绘出的低压压缩机15的部分为发动机10的该部分的入口。低压压缩机或增压器包括轮叶翼型件46，其定位在径向外带42与径向内带44之间。翼型件轮叶46具有各自在外安装件42与内安装件44之间延伸的前缘41和后缘43。如本领域的技术人员将认识到那样，翼型件46包括轮叶的吸力侧和压力侧。

参看图2-3，示例性压电促动器50沿轮叶46,66的表面定位。促动器50示为在表面上，但也可形成在轮叶46的内层内。促动器50可由各种形状形成，但示例性促动器50为了简单起见示为矩形。

促动器50可为压电促动器，其引起大体上垂直于促动器50的表面的平面中的振动。因此，在所描绘的实施例中，翼型件轮叶46的振动位移可为进出绘出的附图。然而，振动可在各种平面中，且并未受限。促动器50示为具有大体上矩形的形状。由于绘出的实施例主要是代表性的，故促动器形状可变化。促动器形状可由促动器所放置的位置和/或冰典型地沿翼型件轮叶46形成的区域影响。换言之，可使用各种形状。促动器50在大体上垂直于促动器50所定位的平面的方向上引起振动。

此外，尽管绘出了单个促动器50，但可使用沿一个或更多个表面的多个促动器，其定位在一起或间隔开，且电连接来包括除冰能力。此外，一个或更多个促动器可调节来在促动器50操作时改善轮叶46的振动位移功能。例如，如果使用多个促动器，则促动可使得所有促动同相或同步发生，或所有促动可以以与其它促动器异相的方式发生。由于确定了所需的除冰量，故此调节可发生于设计阶段。

径向外安装件42上方的是诸如分离器的流动表面160，其限定旁通导管27的径向内表面。流动表面160连接到安装件42的端部凸缘上，并且对角地且沿轴向方向延伸。根据本实施例，促动器150还沿该流动表面160嵌入，以再次阻止结冰或除去可出现在该区域中的形成的冰。如前文所述，表面160的振动位移是在大体上垂直于促动器150所处的表面的方向上。这大体上由振动箭头151绘出。流动表面160连接到安装件42的前端上，且在对角方向上向后延伸，且沿径向方向向下悬挂来连接到低压涡轮15的壳部分上。

现在参看图4，绘出了压缩机叶片130的等距视图。此叶片用于压缩机中，但可作为备选用于涡轮或发动机的其它区域中，假定了复合物材料适用于所述发动机的区域的操作温度下。尽管示出和描述了压缩机叶片130，但使用翼型形状的其它构件也可使用促动除冰特征。叶片或翼型件130包括根部部分132，其例如连接到涡轮发动机10的压缩机14、涡扇18或涡轮20内的转子组件上。例如，根部132可收纳在转子盘的腔中，或可使用与转子的其它机械连接。从根部132延伸的是包括前缘136和后缘138的翼型件部分134。翼型件134包括吸力侧142和压力侧144。前缘136和后缘138形成在叶片130的翼型件134部分上。径向外端140在前缘136与后缘138之间延伸。类似地，径向内端128在根部132处在前缘136与后缘138之间延伸。叶片130由复合物材料形成，且可为实心、中空、部分中空的，或可整体或部分填充有一些低密度材料。翼型件134的材料可与根部132的材料相同或不同。

叶片130包括至少一个促动器50，以有助于可发生在叶片、吸力表面142或压力表面144上的除冰。促动器50又引起表面的振动，以有助于除去现有的冰或可出现在表面的冰的形成。

现在参看图5，绘出了示例性叶片的详细视图，叶片具有位于叶片的表面中的至少一个上的一个或更多个促动器50。绘出了前缘136，且促动器50定位在压力侧144和吸力侧142上。促动器示为定位成彼此相对。然而，它们可沿轴向方向以及径向方向偏移。换言之，促动器可取决于冰可具有形成趋势的位置来定位在翼型件130的各种位置处。还如图5中所示，叶片130以虚线示为在两个位置。这些代表由至少一个促动器50的促动引起的叶片的振动移动。此类振动阻止了结冰，或在操作期间引起冰的除去。移动的角由角太塔(θ)限定，且此角可由促动器的大小、材料厚度、促动器50的定位或其它特征来调节。

此外，仍参看图5，前缘136还可具有振动部分142。因此，叶片130可包括单个振动区域或多个振动区域，其中的任一个都可在叶片130的前缘、后缘或其它部分处。

本描述应用于示例性叶片以及可在本公开内容的范围内的其它叶片。再次参看图3-5，包括促动器50的叶片130可定位在翼型件134的后缘138处。促动器50可备选地移动到各种位置来提供期望的振动。类似地，沿前缘136的振动区域也可位于翼型件134的各种位置处。

参看图6，叶片130形成为带有复合物材料的若干层270,272,274,276,278,280和282，它们建立在彼此上以形成至少翼型件部分134的期望形状。尽管一定数目的层在所示实施例中示出，但可使用更多的层或更少的层。根据一个实施例，叶片130可由聚合物基质复合物(PMC)形成。根据其它实施例，碳纤维、玻璃纤维、粘合剂和它们的组合可使用，且可以以弦向、翼展方向、倾斜方向或它们的组合位于穿过一个或更多个层。在翼型件部分134内，在期望的促动位置处，翼型件部分134可包括可除冰或阻止冰形成的一个或更多个促动器50,150。有功促动器50以表面下的方式嵌入来引起一个或更多个表面层振动促动。在所描绘的实施例中，层282代表外层或保护涂层。至少一个促动器50,150可位于各种深度处，但可期望的是如图所示将促动器50,150更接近于外表面层来放置。此外，由于促动器50的嵌入式构造，故引线52可从叶片130的各种位置延伸。各种层以截面示出，且绘出了若干层可取决于期望的形变来以弦向、翼展方向、倾斜方向或它们的组合铺设。一个或更多个翼型件区域可设计成实现期望的形变。此外，本领域的技术人员应当理解的是，尽管本实施例绘出了由层形成复合物材料，但其它实施例可使用金属材料来形成流动表面。

有功促动可通过压电促动器发生，压电促动器嵌入限定叶片130的复合物叠层材料中。压电促动器50为有功促动器，其接收电压输入，且通过将电压施加到压电促动器50上来振动。通过反复地促动，可引起一个或更多个层振动。促动器50定位成更接近促动区域的外表面，以引起除冰或排除冰的形成。利用此有功促动器50，可使用更顺应性的复合物材料，其更能处理应变且需要较少驱动力来偏转。可使用的一种示例性材料可为促动区域中的S玻璃和用于翼型件134的其余区域的碳。因此，促动区域可由与翼型件部分134的其余部分相同、不同或至少部分不同的材料形成。

例如，有功促动器引线52可嵌入复合物材料中，且端接于结构外，以将电压提供至压电促动器50。利用嵌入的促动器50，促动器免受侵蚀和可限制促动器50的操作的其它破坏效果。引线52可在不干扰性能且不破坏引线的任何位置处的退出。例如，涂层可用于覆盖引线且保护其免于受损。

现在参看图7，附加类型的流动表面160的详细侧视图，其中积冰是非期望的。具体而言，本实施例中绘出的流动表面160为鼻形分流器300，其在详细侧视图中绘出。鼻形分流器300限定分开或分流移动穿过内核13的空气和移动穿过旁通导管27的空气的结构。鼻形分流器300包括提供凹口304的前部302。导叶46的外端，平台42由接合凹口304的凸片连接到鼻形分流器300上。如之前所示，压电促动器150位于鼻形分流器300上或内。促动器150引起大体上垂直于促动器150所处的表面的方向上的移动。促动器150可位于期望用于除冰的振动的表面上或附近。

如在绘出的实施例中所示，鼻形分流器300的上表面以虚线示为振动。振动表面从以实线示出的正常位置移动。表面300的移动阻止了结冰，且破坏了开始累积的任何冰。鼻形分流器300的弯曲或振动可通过改变促动器150的位置、促动器150的大小和厚度、促动器施力功能的调制、或流动表面60的其它尺寸来控制。

尽管本文中已描述和示出了若干创造性实施例，但本领域的普通技术人员将容易构想出多种其它手段和/或结构来执行功能和/或获得本文所述的结果和/或一个或更多个优点，且此类变型和/或修改中的每一个均认作是在本文所述的实施例的创造性范围内。更普遍而言，本领域的技术人员将容易认识到本文所述的所有参数、尺寸、材料和构造都意在为示例性的，且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于创造性教导内容使用的一个或更多个特定应用。本领域的技术人员将认识到或能够使用仅常规实验就确定本文所述的特定创造性实施例的许多等同方案。因此将理解的是，前述实施例仅通过实例的方式提出，且在所附权利要求及其等同物的范围内，创造性实施例可除明确描述和提出之外那样实践。本公开内容的创造性实施例针对本文所述的各个独立特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。此外，两个或更多个此类特征、系统、制品、材料、套件和/或方法的任何组合在此特征、系统、制品、材料、套件和/或方法不相互矛盾的情况下包括在本公开内容的创造性范围内。

实例用于公开实施例，包括最佳模式，且还允许本领域的任何技术人员实践设备和/或方法，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。这些实例不旨在为详尽的或将本公开内容限于公开的精确的步骤和/或形式，且许多修改和变型鉴于以上教导内容是可能的。本文所述的特征可以以任何组合来组合。本文所述的方法的步骤可以以物理上可能的任何顺序来执行。

如本文限定和使用的任何定义都应当理解为支配词典定义、通过应用并入的文献中的定义和/或限定用语的普通意义。如这里在说明书和权利要求书中使用的词语"一"和"一个"除非明确另外指出，则应当理解为意思是"至少一个"。如这里在说明书和权利要求书中使用的短语"和/或"应当理解为这样结合的元件中的"任一者或两者"，即，在一些情况中结合地存在而在其它情况中分离地存在的元件。

还应当理解的是，除非清楚地另外指出，在包括一个以上的步骤或动作的本文提出的任何方法中，方法的步骤或动作的顺序不一定限于阐述方法的步骤或动作的顺序。

在权利要求书以及在以上说明书中，诸如"包括"、"包含"、"承载"、"具有"、"含有"、"涉及"、"保持"、"构成"等所有过渡短语将理解为开放的，即，意思是包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册2111.03段中所述，仅过渡短语"由……构成(consistingof)"和"基本上由……构成(consistingessentiallyof)"应当分别是封闭或半封闭的过渡短语。

Claims (9)

1.一种流动表面，包括：

复合物材料，其由多个层的所述复合物形成；

压电促动器，其位于所述层内或所述复合物材料的外表面上；

所述压电促动器是可促动的以振动所述复合物材料，以及阻止冰累积或除冰中的一者，根据权利要求1所述的流动表面，其特征在于，所述流动表面位于导叶上。

2.根据权利要求2所述的流动表面，其特征在于，所述导叶包括所述导叶的径向端处的外平台和内平台。

3.根据权利要求3所述的流动表面，其特征在于，所述压电促动器位于所述导叶上，且在基本垂直于所述促动器的表面的方向上引起振动。

4.根据权利要求1所述的流动表面，其特征在于，所述压电促动器连接至发信号给所述促动器来促动的控制器。

5.根据权利要求1所述的流动表面，其特征在于，所述流动表面为鼻形分流器。

6.根据权利要求6所述的流动表面，其特征在于，所述鼻形分流器具有设置在前端与后端之间的促动器。

7.根据权利要求6所述的流动表面，其特征在于，所述鼻形分流器连接至入口导叶。

8.根据权利要求6所述的流动表面，其特征在于，所述压电促动器位于所述鼻形分流器上以振动所述鼻形分流器且阻止结冰或破坏任何形成的冰。

9.根据权利要求1所述的流动表面，其特征在于，所述流动表面为翼型叶片。