CN105863848B - 启动燃气涡轮发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

一种启动具有至少包括安装在轴(14)上的压缩机(16)和涡轮(18)的转子(12)的燃气涡轮发动机(10)的方法，其中壳(24)包绕转子(12)。

Description

启动燃气涡轮发动机的方法
背景技术
涡轮发动机，且特别是燃气或燃烧涡轮发动机，是从经过发动机流到大量涡轮叶片上的燃烧气体流获得能量的旋转发动机。燃气涡轮发动机包括由压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段形成的核心。压缩机区段和涡轮区段包括安装到共同的传动轴上且共同称为转子的压缩机叶片和涡轮叶片，转子由壳包绕。在一些燃气涡轮发动机中，存在多个转子，诸如低压转子和高压转子，其中传动轴是同轴的。
燃气涡轮发动机用于陆地和海上运转和发电，但最常用于航空应用，诸如用于飞行器，包括直升机。在飞行器中，燃气涡轮发动机主要用于推进飞行器，以及发电。在陆地应用中，涡轮发动机主要用于发电。
用于飞行器的燃气涡轮发动机设计成在大约2000℃的高温下操作，以最大化发动机效率，因此某些发动机构件的冷却可为所需的。典型地，冷却通过将大约900℃的较冷空气从高和/或低压压缩机导送至需要冷却的发动机构件来实现。
当涡轮发动机在此高温下操作之后关闭时，发动机核心和转子的顶部的热分层将由于上升的热而变得比底部更热。分层常常可导致转子的顶部与底部之间的500℃的差异，这导致转子的顶部与底部之间的不对称的热膨胀。在此温差下，转子的顶部热膨胀较大的径向量，促使称为弯曲转子(bowed-rotor)状态的情况。弯曲转子状态可发生在发动机关闭的10分钟内，且可持续高达8小时。
不对称的热膨胀使质量中心向上移动且与轴的旋转轴线失准，导致转子转动时的失衡状态。该向上移动还减小了叶片末梢与壳之间的空隙。当转子又旋转时，引起的失衡将在旋转期间引起振动。振动将增大转子偏转，尤其是在经过振动模式(诸如转子的旋转自然频率)时。振动可加速正常开裂和疲劳，导致较早且更频繁的维护。它们还可加速密封件和类似结构上的磨损和开裂。
热膨胀可足够大，使得当转子的上部旋转至包绕的发动机壳的下部时，其可接触并未沿径向膨胀与发动机壳的上部一样多的壳的下部。在带有弯曲转子状态的转子的旋转期间与发动机壳的反复接触或摩擦可引起零件断开，且因此可引起对发动机的外来物体破坏。
弯曲转子现象的现有解决方案针对一旦弯曲发生就防止和缓解。最常见的当前解决方案在于在期望启动发动机时利用启动机使发动机旋转延长周期，直到弯曲消失。这可花费几分钟，且具有若干非期望的效果。首先，可能存在由穿过飞行器结构承载的转子振动引起的不舒适的较大客舱噪音。其次，由于使发动机启动机旋转所需的大功率下的较长时间，故消耗了飞行器辅助动力单元寿命。第三，增加启动时间引起机场拥挤，因为飞行器必须在发动机启动期间仍在滑行道中，阻挡了其它飞行器的移动。第四，如果发动机转子具有启动顺序的速度范围中的自然频率，则上文所述的破坏可发生。这些问题的先前的解决方案提出了在大约1rpm的低速下外部旋转转子，直到弯曲转子现象消失，这常常超过半个小时，这是在飞行器的操作中的不可接受的停机时间，尤其是商业航班。
典型地，在关闭涡轮发动机后，转子将通过外部电源(诸如气动驱动或电动机)在大约1rpm的低速下旋转以防止弯曲转子。此预防动作需要附加步骤来使发动机停机，这可能被地勤人员忘记。作为备选，涡轮发动机将不会停机，这消耗相对显著量的燃料。弯曲转子现象可快到在停机的10分钟内发生。因此，即使地勤人员采取措施缓慢旋转发动机，他们也不可足够快地起作用。
一旦弯曲转子状态存在，则其可自然地持续直至8小时，这是飞行器的非期望长的未操作时间。因此，给定弯曲转子状态出现所需相对短时间而其自然平息需要相对长时间，重要的是防止或解决飞行器的正常操作中的弯曲转子现象。否则，一旦弯曲转子现象发生，则最常见的当前解决方案在于使带有启动机的发动机旋转延长周期，直到弯曲消失。这可花费几分钟，且具有若干非期望的效果。首先，可能存在由穿过飞行器结构承载的转子振动引起的不舒适的较大客舱噪音。其次，由于使发动机启动机旋转所需的大功率下的较长时间，故消耗了飞行器辅助动力单元寿命。第三，增加启动时间引起机场拥挤，因为飞行器必须在发动机启动期间仍在滑行道中，阻挡了其它飞行器的移动。第四，如果发动机转子具有启动顺序的速度范围中的自然频率，则上文所述的破坏可发生。这些问题的先前解决方案提出了在大约1rpm的低速下外部旋转转子，直到弯曲转子现象消失，这常常超过半个小时，这是飞行器的操作中的不可接受的停机时间，尤其是商业航班。
发明内容
一种启动具有至少包括安装在轴上的压缩机和涡轮的转子的燃气涡轮发动机的方法，其中壳包绕转子。该方法包括加速阶段、加速期间的弯曲转子冷却阶段、和燃烧阶段。弯曲转子冷却阶段包括其中转子的转速保持低于弯曲转子阈值速度直到满足非弯曲状态的时间，其中强制穿过燃气涡轮发动机的空气冷却转子。燃烧阶段在弯曲转子冷却阶段之后和在其达到燃烧速度后发生，其中燃料供应至启动的燃气涡轮发动机。
本发明的第一技术方案提供了一种启动具有至少包括安装在轴上的压缩机和涡轮的转子的燃气涡轮发动机的方法，其中壳包绕转子，方法包括：加速阶段，其中转子的转速朝燃烧速度增大以迫使空气穿过发动机；在加速阶段期间的弯曲转子冷却阶段，其中转子的转速保持低于弯曲转子阈值速度，直到满足非弯曲转子状态，其中强制穿过燃气涡轮发动机的空气冷却转子；以及在弯曲转子冷却阶段之后和在达到燃烧速度后的燃烧阶段，其中燃料供应至燃气涡轮发动机且点火启动。
本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，还包括在燃烧阶段之后的空转阶段，其中转子的转速加速至空转速度。
本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，加速阶段包括外部旋转转子。
本发明的第四技术方案是在第三技术方案中，外部旋转转子包括使用可操作地联接至转子的转动电机系统。
本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，弯曲转子阈值速度包括非接触速度，低于该非接触速度则弯曲转子不接触壳。
本发明的第六技术方案是在第五技术方案中，非接触速度小于涡轮发动机的自然频率。
本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，非弯曲转子状态包括将转子的转速保持在低于弯曲转子阈值速度达预定时间。
本发明的第八技术方案是在第七技术方案中，预定时间小于90秒。
本发明的第九技术方案是在第八技术方案中，将转子的转速保持低于阈值速度包括将转子的转速保持在基本恒速下。
本发明的第十技术方案是在第九技术方案中，恒速小于涡轮发动机的自然频率。
本发明的第十一技术方案是在第一技术方案中，还包括弯曲转子冷却阶段期间的保持阶段，其中转子的转速保持在低于阈值速度的基本恒速下，以保持转子的转速低于阈值速度。
本发明的第十二技术方案是在第十一技术方案中，恒速小于涡轮发动机的自然频率。
本发明的第十三技术方案是在第一技术方案中，非弯曲转子状态包括转子的旋转失衡。
本发明的第十四技术方案是在第十三技术方案中，还包括感测转子的旋转失衡且确定旋转失衡小于旋转失衡阈值以满足非弯曲转子状态。
本发明的第十五技术方案提供了一种启动具有至少包括安装在轴上的压缩机和涡轮的转子的燃气涡轮发动机的方法，其中壳包绕转子，方法包括：加速阶段，其中转子的转速朝燃烧速度增大以迫使空气穿过发动机；在加速阶段期间的弯曲转子冷却阶段，其中转子的转速保持低于非接触速度，低于该非接触速度则弯曲转子不接触壳，其中强制穿过燃气涡轮发动机的空气冷却转子；以及在弯曲转子冷却阶段之后和在达到燃烧速度后的燃烧阶段，其中燃料供应至燃气涡轮发动机且点火启动。
本发明的第十六技术方案是在第十五技术方案中，转子的转速保持低于非接触速度达预定时间。
本发明的第十七技术方案提供了一种启动具有至少包括安装在轴上的压缩机和涡轮的转子的燃气涡轮发动机的方法，其中壳包绕转子，方法包括：加速阶段，其中转子的转速朝燃烧速度增大以迫使空气穿过发动机；在加速阶段期间的的燃烧阶段，其中燃料供应至燃气涡轮发动机且点火启动；在加速阶段期间的弯曲转子状态监测阶段，其中针对弯曲转子状态监测转子；以及在加速阶段期间的弯曲转子冷却阶段，其中在存在弯曲转子状态后，转子的转速保持低于非接触速度，低于该非接触速度则弯曲转子不接触壳，以迫使穿过燃气涡轮发动机的空气冷却转子。
本发明的第十八技术方案是在第十七技术方案中，转子的转速保持低于非接触速度达预定时间。
本发明的第十九技术方案是在第十八技术方案中，保持转子的转速低于非接触速度包括将所述转子的转速保持在基本恒速下。
本发明的第二十技术方案是在第十九技术方案中，还包括燃烧阶段之后的空转阶段，其中转子的转速从燃烧速度加速至空转速度。
附图说明
图1为用于飞行器的燃气涡轮发动机的示意性截面视图。
图2为没有本发明的正常启动顺序的图表。
图3为正常启动顺序的流程图。
图4为根据本发明的第一实施例的带有弯曲转子的启动顺序的图表。
零件列表
10 发动机
12 风扇区段
14 压缩机区段
16 燃烧区段
18 涡轮区段
20 排气区段
22 发动机核心
24 壳
26 低压压缩机
28 高压压缩机
30 高压涡轮
32 低压涡轮
34 第一传动轴
36 第二传动轴
37 旋转轴线
38 风扇
40 风扇叶片
42 上区段
44 下区段
46 机舱
50 转动电机系统
100 正常启动顺序
102 第一加速阶段
104 燃烧速度
106 加速阶段
108 空转速度
110 飞行机组人员开始启动
112 FADEC开始自动启动顺序
114 FADEC评估转动电机系统状态
116 SAV开启
118 FADEC监测转子振动
120 点火和燃料启动
122 子模式
200 启动顺序
202 保持阶段。
具体实施方式
图1示出了用于飞行器的燃气涡轮发动机10。涡轮发动机10以轴流次序包括风扇区段12、压缩机区段14、燃烧区段16、涡轮区段18和排气区段20。压缩机区段14、燃烧区段16和涡轮区段18共同地限定由壳24包绕的发动机核心22。压缩机区段包括低压压缩机26和高压压缩机28。涡轮区段包括高压涡轮30和低压涡轮32。第一传动轴34连接高压压缩机28和高压涡轮30的旋转元件，大体上是叶片。第二传动轴同轴地延伸穿过第一传动轴，且连接低压压缩机26和低压涡轮32的旋转元件。风扇区段12包括风扇38，风扇38还包括联接到第二传动轴36上的风扇叶片40。机舱46可包绕风扇叶片40的一部分。
共同地，压缩机区段14和涡轮区段18的旋转元件连同连接轴称为转子R。在一些涡轮发动机中，压缩机区段14和涡轮区段18仅具有由一个旋转轴连接的单个压缩机和涡轮，其将限定发动机转子。在所示实例中，涡轮发动机10具有低压和高压的两个压缩机和涡轮，其连同第一传动轴和第二传动轴限定转子R。可存在任何数目的压缩机和涡轮组合，它们不限制本发明。
转动电机系统50设在壳24上，且可操作地联接到转子R上。涡轮发动机外的旋转源可联接到转动电机系统50上，以开始转子的旋转。此旋转源的公知实例为涡轮空气启动机(未示出)，其并非与本发明密切相关。
如上文更详细所述，当涡轮发动机10在以正常操作运行之后停机时，由于热从壳24的下区段44朝壳24的上区段42自然地上升，故热在发动机核心22中分层，导致上区段42变得比下区段44更热。对应地，转子的上区段Ru将在径向距离中热膨胀大于下区段Rl的量，导致转子R的上区段Ru和下区段Rl关于轴34,36的旋转轴线37的非对称径向膨胀。由分层产生的温差引起的该非对称径向膨胀在本行业中称为弯曲转子。该问题在于非对称膨胀引起转子的质量中心远离轴34,36的旋转轴线37沿径向向上移动，这导致旋转失衡。
在特定发动机实例中，由弯曲转子引起的失衡状态将引起低于500RPM的振动和/或在发动机10加速时经历临界速度。如果存在接近启动系统能够产生的最大转子速度的振动模式(诸如自然频率)，则某些涡轮发动机10更易受弯曲转子状态。对于以上实例，涡轮发动机10的峰值振动模式可处于3500RPM，且最大启动转子速度可为4250RPM。由于峰值模式低于最大转子速度，故如果弯曲转子状态存在，在涡轮发动机10通过3500RPM下的峰值模式加速时，高振动和摩擦将发生。
在涡轮发动机10的正常启动顺序下，带有弯曲转子状态的涡轮发动机10可经历与弯曲转子状态相关联的振动。这参照图2最佳看到，其中是涡轮发动机10的正常启动顺序100，图2代表启动期间随时间变化的转子速度。典型的启动顺序100以第一加速阶段102开始，其中转子R的转速由外部功率增大，直到其达到燃烧速度104，这是发动机产生用于燃烧的充分压缩的情况。在达到燃烧速度104后，燃料提供至涡轮发动机，且点火系统开启以点燃燃料。在第一加速阶段102结束的开始燃烧之后，转子R的转速在使用发动机生成的动力替代外部动力的第二加速阶段106期间增大至空转速度108。第二加速阶段106典型地具有较大的加速率，因为由涡轮发动机生成的动力大于第一加速阶段期间由外部功率生成的动力。
参看图3，为了实际地实施启动顺序100，在发动机启动时，飞行机组人员开始在110处使用飞行器的飞行管理系统来开始启动顺序，其将权限转交给全权数字发动机控制(下文称为"FADEC")，其在112处执行自动启动顺序。FADEC在114处评估转动电机50状态，且在116处开启启动机空气阀("SAV")(在使用涡轮空气启动机时)，以供应启动空气且开始第一加速阶段102。在第一加速阶段102期间，FADEC在转子在118处将速度增大至燃烧速度104时监测一定时间段内的转子R的振动。一旦燃烧速度104发生且感测到振动低到足以加速至空转速度108，则在120处开始点火和燃料供应。在该点，FADEC将开始第二加速阶段106，且转子将在108处加速至空转速度。在到达空转速度108之后，涡轮发动机然后继续在空转阶段中在空转速度108下运转。如果监测的振动过大(这可表示弯曲转子状态)，则SAV将关闭且旋转将停止，这是很不期望的。
本发明消除了在此情况下关闭涡轮发动机的需要，且在弯曲转子状态存在时采用校正动作。大体上，本发明在启动顺序期间利用了经由涡轮发动机吸入的空气，以快速冷却转子R且在启动期间减轻弯曲转子状态。这在启动顺序期间通过将弯曲转子冷却阶段的子模式122加至启动顺序来实现，其中转子在预定弯曲转子速度阈值以下旋转，防止了对转子的破坏，直到满足非弯曲转子状态。非弯曲转子状态可为足以确保经由涡轮发动机吸入的空气提供足够的冷却来为了安全操作充分缓解弯曲转子状态的预定旋转时间，或其可为发动机参数，诸如转子的温度或转子的失衡。
图4示出了弯曲转子冷却阶段子模式的一个实施例，其中经由涡轮发动机吸入的空气用于冷却转子且减轻弯曲转子状态。图4的启动顺序200通过将保持阶段202形式的弯曲转子冷却阶段加至图3的启动顺序的第一加速阶段102来执行本发明。在此意义上，除添加保持阶段202之外，启动顺序200类似于启动顺序100。因此，启动顺序100的之前的描述适用于启动顺序200。简言之，将描述仅关于附加保持阶段202的方面。
在第一加速阶段102期间，如果FADEC确定表现弯曲转子状态的失衡，则FADEC开始保持阶段202形式的弯曲转子冷却阶段，而不是使涡轮发动机停机，冷却阶段包括暂时中止转子R的加速度且使转子R在基本恒速下旋转，直到弯曲转子状态减轻，诸如通过满足非弯曲转子状态，诸如非弯曲转子阈值。在减轻弯曲转子状态后，第一加速阶段102继续，且启动顺序200以与启动顺序100相同的方式完成。
若干非弯曲转子阈值可用于确定弯曲转子状态的缓解。一个非弯曲转子阈值在于操作保持阶段202达预定时间，这可为由测试确定的时间，其对于在保持速度下旋转的特定转子R足以充分冷却来消除弯曲转子状态。另一个非弯曲转子阈值为在保持阶段期间感测转子失衡的FADEC。在转子冷却时，转子内的膨胀不一致消失，这减少了由FADEC感测到的失衡的量。一旦失衡量降低到给定涡轮发动机的可接受的阈值以下，则FADEC将终止保持阶段202且恢复第一加速阶段102。当失衡量大体上关于给定速度下的振动的大小时，FADEC可使用运动传感器输入，其表示确定失衡程度的振动。另一非弯曲转子阈值为监测转子的一个或更多个部分的温度。当温度在彼此的预定范围内或低于绝对阈值时，FADEC可确定弯曲转子状态缓解且恢复第一加速阶段102。温度可由接收转子、壳和/或壳内部的一个或更多个部分的温度传感器输入的FADEC确定。前述非弯曲转子阈值可单独地使用或以任何组合使用。其它非弯曲转子阈值也可单独使用或与上文所述的那些组合使用。
应当注意的是，尽管仅示出了一个保持阶段202，但可构想出可使用多个保持阶段202。如果在第一保持阶段202完成之后且第一加速阶段正完成时，FADEC确定表现弯曲转子状态的失衡，则可进入另一个保持阶段202。可增加如需要那样多的保持阶段。这将导致第一加速阶段的阶梯状轮廓，其中阶梯的上升为第一加速阶段102的一部分，且运行为保持阶段202，其中保持阶段202将可能但不一定具有连续增大的转速。
尽管保持阶段202示为在第一加速阶段102期间，但将注意的是，保持阶段202可应用于启动顺序200的任何阶段，包括第二加速阶段106。保持阶段202示为在第一加速阶段102，这是转子速度可能低于弯曲转子阈值速度的阶段，其中其不利于涡轮发动机使带有弯曲转子状态的转子旋转。然而，取决于涡轮发动机，弯曲转子阈值速度可在第二加速阶段106期间发生。弯曲转子阈值速度取决于转子的振动模式和/或转子R与包绕的壳24之间的空隙。在大多数情况下，由于振动与归因于弯曲转子状态的当前失衡相关联，故弯曲转子阈值速度为低于转子R将接触壳24的一部分所处的速度的速度。
还应当注意的是，尽管弯曲转子冷却阶段示为具有恒速的保持阶段202，但这不一定是此情况。例如，弯曲转子冷却阶段可仅使用比第一加速阶段102慢得多的加速率。保持阶段202期间的目标在于向转子R提供足够的时间来充分地冷却，以在转子R的转速达到对应失衡的弯曲转子阈值速度之前消除弯曲转子状态。当弯曲转子状态缓解时，对应的弯曲转子阈值速度将必须增大，因为转子R在其冷却时连续地缩小，导致了可归因于弯曲转子状态的转子R的失衡的连续减少。
弯曲转子冷却阶段还可为加速步骤和加速步骤的组合，其中加速继续，直到FADEC确定非期望的失衡，且然后转子略微减速。在经过预定时间且/或满足另一非弯曲状态阈值之后，转子R将再次加速，直到遇到不可接受的失衡。加速/减速将继续，直到缓解失衡。
本书面描述使用了实例来公开包括最佳模式的本发明，且使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，且执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则这些其它实例将在权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种启动具有至少包括安装在轴上的压缩机和涡轮的转子的燃气涡轮发动机的方法，其中壳包绕所述转子，所述方法包括：
加速阶段，其中所述转子的转速朝燃烧速度增大以迫使空气穿过所述发动机；
在所述加速阶段期间的弯曲转子冷却阶段，其中所述转子的转速保持低于弯曲转子阈值速度，直到满足非弯曲转子状态，其中强制穿过所述燃气涡轮发动机的所述空气冷却所述转子；以及
在所述弯曲转子冷却阶段之后和在达到所述燃烧速度后的燃烧阶段，其中燃料供应至所述燃气涡轮发动机且点火启动；
其中，所述燃烧阶段的加速率大于所述加速阶段的加速率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述燃烧阶段之后的空转阶段，其中所述转子的转速加速至空转速度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加速阶段包括外部旋转所述转子。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，外部旋转所述转子包括使用可操作地联接至所述转子的转动电机系统。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弯曲转子阈值速度包括非接触速度，低于该非接触速度则弯曲转子不接触所述壳。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述非接触速度小于所述涡轮发动机的自然频率。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非弯曲转子状态包括将所述转子的转速保持在低于所述弯曲转子阈值速度达预定时间。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预定时间小于90秒。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将所述转子的转速保持低于所述阈值速度包括将所述转子的转速保持在基本恒速下。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述恒速小于所述涡轮发动机的自然频率。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括所述弯曲转子冷却阶段期间的保持阶段，其中所述转子的转速保持在低于所述阈值速度的基本恒速下，以保持所述转子的转速低于所述阈值速度。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述恒速小于所述涡轮发动机的自然频率。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非弯曲转子状态包括所述转子的旋转失衡。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括感测所述转子的所述旋转失衡且确定所述旋转失衡小于旋转失衡阈值以满足所述非弯曲转子状态。
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