CN107152314B - 用于燃气涡轮发动机的调制混合可变面积涡轮喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可变面积涡轮喷嘴。所述可变面积涡轮喷嘴包含第一静叶区段、与所述第一静叶区段设置在一起的第二静叶区段以及与所述第一静叶区段和所述第二静叶区段设置在一起的后缘区段。所述静叶还包含用于相对于所述第一静叶区段枢转所述第二静叶区段的第一致动系统和用于相对于所述第一静叶区段和所述第二静叶区段枢转后缘的第二致动系统。

Description

用于燃气涡轮发动机的调制混合可变面积涡轮喷嘴
技术领域
本主题大体上涉及燃气涡轮发动机，且更具体地涉及用于燃气涡轮发动机的调制混合可变面积涡轮机喷嘴(modulated hybrid variable area turbine nozzles)。
背景技术
燃气涡轮发动机以串行流顺序大体上包含压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中，空气进入压缩机区段的入口，其中一个或多个轴向或离心式压缩机逐渐压缩空气，直到其到达燃烧区段。燃料与压缩空气混合并在燃烧区段内燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段经过限定在涡轮区段内的热气体路径，然后经由排气段从涡轮区段排出。
在特定配置中，涡轮区段以串行流顺序包含高压(HP)涡轮和低压(LP)涡轮。HP涡轮和LP涡轮各自包含各种可旋转涡轮机部件(例如涡轮机转子叶片(rotor blade)，转子盘和保持器)以及各种固定涡轮机部件(例如定子静叶(vane)或喷嘴，涡轮机护罩和发动机框架)。可旋转和固定的涡轮机部件至少部分地限定通过涡轮区段的热气体路径。当燃烧气体流过热气体路径时，能量从燃烧气体传递到可旋转和固定的涡轮机部件。
考虑到在其中操作的严重的温度和高压负载环境，典型涡轮喷嘴(例如高压和低压涡轮喷嘴)具有固定的静叶配置和其间的固定的喷嘴喉部区域。相邻喷嘴静叶之间的喉部面积必须精确地保持以使发动机的性能最大化，然而热环境需要将涡轮喷嘴制造在周向段中，以减少操作期间的热应力。因此，喷嘴区段需要适当的段间密封以减少不期望的流量泄漏，这会进一步使涡轮喷嘴设计复杂化。
正在开发可变循环发动机，用于在亚音速和超音速飞行条件下最大化性能和效率。尽管期望通过调节喉部面积来获得通过涡轮喷嘴的可变流量，但是鉴于喷嘴的严重操作环境，先前的尝试被证明是不切实际的。例如，通常通过将每个静叶安装在径向主轴上并且使用环形协调环来共同地旋转每排压缩机静叶，以提供压缩机定子静叶中的可变性，该环形协调环附接相应的杠杆臂，而相应的杠杆臂与每个主轴连接。以这种方式，通过需要适当的毂和尖端间隙以允许静叶枢转，整个压缩机静叶围绕径向轴线旋转或枢转。
将可变压缩机配置应用于涡轮喷嘴，在机械实施以及空气动力学性能方面都具有显著的缺点。浸入来自燃烧器的热燃烧气体中的涡轮喷嘴的严重温度环境通常需要对各个静叶进行适当的冷却，其具有通过各种部件的相应的大温差梯度。可枢转的喷嘴静叶增加设计难度，并且还导致需要对毂和尖端间隙进行适当的密封，因为燃烧气体通过其中的任何泄漏对发动机性能和效率产生不利影响，这否定了所引入的变化的有效性。
此外，喷嘴静叶在操作期间经受来自燃烧气体的实质上的气动力学负载，并且鉴于静叶的翼型配置，实质的负载不平衡是由于各个静叶的旋转中心(center-of-rotation)偏离空气动力的压力中心(center-of-pressure)导致的。这种不平衡向上驱动所需要的驱动扭矩负载，并将整个喷嘴静叶的弯曲载荷增加到不可接受的水平。
考虑到喷嘴区段之间的增加的自由度，这种可调节的喷嘴静叶必然减少喷嘴区段的结构完整性和耐用性。并且，各个喷嘴静叶的角度枢转直接对应于与其连接的致动杆臂的角度枢转，这使得难以实现有效可变循环操作所需要的喉部面积的相对小的变化。
因此，期望具有可变面积涡轮喷嘴，其具有改进的构造和致动，以改善燃气涡轮发动机在操作期间的耐用性和性能。
发明内容
本发明的方面和优势将在下文的描述中加以阐明，或者与所描述有所不同，或通过实施本发明来知悉。
一方面，本发明涉及具有可变面积涡轮喷嘴和控制器的可变面积涡轮喷嘴系统。可变面积涡轮喷嘴包含至少一个喷嘴区段，该喷嘴区段具有外部和内部间隔带以及在带之间延伸并且彼此间隔开以限定用于引导燃烧气体穿过其中的、具有最小流动面积的喉部的多个静叶。每个静叶还包含固定地连接到带的第一静叶区段和与第一静叶区段设置在一起的第二静叶区段。此外，每个静叶还包含用于使第二静叶区段相对于第一静叶区段枢转以便改变喉部面积的第一致动系统。此外，喷嘴静叶子集(a subset of the vanes)还包含配置有第一静叶区段和第二静叶区段的后缘区段，用于相对于第一静叶区段和第二静叶区段枢转后缘的第二致动系统。因此，配置控制器以控制第一致动系统和第二致动系统。
另一方面，本发明涉及可变面积涡轮喷嘴区段。喷嘴区段包含外部和内部间隔带，以及彼此间隔开以限定用于引导燃烧气体穿过其中的、具有最小流动面积的喉部的多个静叶。每个静叶包含在带间延伸并且固定地与其连接的第一静叶区段和与第一静叶区段设置在一起的第二静叶区段。每个静叶还包含用于使第二静叶区段相对于第一静叶区段枢转以便改变喉部面积的第一致动系统。此外，静叶子集还包含配置有第一静叶区段和第二静叶区段的后缘区，用于相对于第一静叶区段和第二静叶区段枢转后缘的第二致动系统。应了解，可变面积涡轮喷嘴区段可进一步包含如本文所述的任何附加特征。
再另一方面，本发明涉及可变面积涡轮喷嘴，例如用于燃气涡轮发动机。所述可变面积涡轮喷嘴包含固定的第一静叶区段、与第一静叶区段设置在一起的、旋转的第二静叶区段以及与第一静叶区段和第二静叶区段配置在一起的后缘区段。喷嘴还包含用于使第二静叶段相对于第一静叶区段枢转的第一致动系统和用于使后缘相对于第一静叶区段和第二静叶区段枢转的第二致动系统。应了解，可变面积涡轮喷嘴可进一步包含如本文所述的任何附加特征。
技术方案1：可变面积涡轮喷嘴系统，包括：
可变面积涡轮喷嘴，其包括至少一个喷嘴区段，所述喷嘴区段包括：
外部和内部间隔带，
多个静叶，其彼此间隔开以限定用于引导燃烧气体穿过其中的、具有最小流动面积的喉部，每个静叶包括：
第一静叶区段，其在所述带之间延伸并固定地连接到所述带，
第二静叶区段，其与第一静叶区段设置在一起，以及
第一致动系统，其用于使所述第二静叶区段相对于所述第一静叶区段枢转，以改变所述喉部面积；
其中，所述静叶的子集还包括：
与所述第一静叶区段和第二静叶区段配置的后缘区段，以及
第二致动系统，其用于相对于所述第一静叶区段和第二静叶区段枢转所述后缘，以及
控制器，其配置用于控制所述第一致动系统和第二致动系统。
技术方案2：根据技术方案1所述的喷嘴系统，其中，具有后缘区段的静叶以预定的交替、周向的构造而安装到所述带，所述静叶没有后缘区段。
技术方案3：根据技术方案1所述的喷嘴系统，其中，所述控制器配置为单独地控制所述第一致动系统和第二致动系统。
技术方案4：根据技术方案1所述的喷嘴系统，其中，所述控制器配置为基于预定计划一起控制所述第一致动系统和第二致动系统。
技术方案5：根据技术方案1所述的喷嘴系统，其中，所述控制器进一步配置为根据预定温度范围来控制所述第一致动系统和第二致动系统。
技术方案6：根据技术方案1所述的喷嘴系统，其中，所述第一致动系统包括两个铰链接头和两个致动接头，所述两个铰链接头和两个致动接头与所述第一静叶区段和第二静叶区段的对应对连接在一起。
技术方案7：根据技术方案6所述的喷嘴系统，其中，所述致动接头设置为邻近所述喉部。
技术方案8：根据技术方案6所述的喷嘴系统，其中，所述第一致动系统进一步包括：
铰链管，其在其一端固定地连接到所述第二静叶区段中的对应各个，以与所述第一静叶区段的互补底座限定铰链间隙；
铰链销，其延伸穿过所述带和所述铰链管中的对应各个，以将所述第二静叶区段安装到所述第一静叶区段，用于枢转运动；以及
对应的凸轮轴，其延伸穿过每个静叶的两个致动接头，所述凸轮轴可旋转以围绕所述铰链接头枢转所述第二静叶区段。
技术方案9：根据技术方案8所述的喷嘴系统，其中，所述第二致动系统设置成邻近所述铰链接头中的至少一个。
技术方案10：根据技术方案1所述的喷嘴系统，其中，所述第二致动系统包括：
铰链管，其在其一端固定地连接到所述第一静叶区段和第二静叶区段中的对应各个；以及
铰链销，其延伸穿过所述带和所述铰链管中的对应各个，以将所述后缘区段安装到所述第一静叶区段和第二静叶区段，用于枢转运动。
技术方案11：可变面积涡轮喷嘴区段，包括：
外部和内部间隔带；
多个静叶，其彼此间隔开以限定用于引导燃烧气体穿过其中的、具有最小流动面积的喉部，每个静叶包括：
第一静叶区段，其在所述带之间延伸并固定地连接到所述带，
第二静叶区段，其与第一静叶区段设置在一起，以及
第一致动系统，其用于使所述第二静叶区段相对于所述第一静叶区段枢转，以改变所述喉部面积，
其中所述静叶的子集还包括：
后缘区段，其与第一静叶区段和第二静叶区段一起配置，以及
第二致动系统，其用于相对于所述第一静叶区段和第二静叶区段枢转所述后缘。
技术方案12：根据技术方案11所述的喷嘴区段，其中，具有后缘部分的静叶以预定的交替、周向的构造而安装到所述带，所述静叶没有后缘区段。
技术方案13：根据技术方案11所述的喷嘴区段，其中所述第一致动系统进一步包括：
铰链管，其在其一端固定地连接到所述第二静叶区段中的对应各个，以与所述第一静叶区段的互补底座限定铰链间隙；
铰链销，其延伸穿过所述带和所述铰链管中的对应各个，以将所述第二静叶区段安装到所述第一静叶区段，用于枢转运动；以及
对应的凸轮轴，其延伸穿过每个静叶的两个致动接头，所述凸轮轴可旋转以围绕所述两个铰链接头枢转所述第二静叶区段。
技术方案14：根据技术方案13所述的喷嘴区段，其中，所述第二致动系统设置成邻近所述铰链接头中的至少一个。
技术方案15：根据技术方案11所述的喷嘴区段，其中，所述第二致动系统包括：
铰链管，其在其一端固定地连接到所述第一静叶区段和第二静叶区段中的对应各个；以及
铰链销，其延伸穿过所述带和所述铰链管中的对应各个，以将所述后缘区段安装到所述第一静叶区段和第二静叶区段，用于枢转运动。
技术方案16：可变面积涡轮喷嘴，包括：
固定的第一静叶区段；
可旋转的第二静叶区段，其与所述第一静叶区段设置以限定相应静叶；
可旋转的后缘区段，其与所述第一静叶区段和第二静叶区段配置；
第一致动系统，用于相对于所述第一静叶区段枢转第二静叶区段；以及
第二致动系统，用于相对于所述第一静叶区段和第二静叶区段枢转所述后缘。
技术方案17：根据技术方案16所述的可变面积涡轮喷嘴，其中，所述第一致动系统包含两个铰链接头和两个致动接头，所述两个铰链接头和两个致动接头一起接合所述第一静叶区段和第二静叶区段的对应对。
技术方案18：根据技术方案17所述的可变面积涡轮喷嘴，其中，所述第一致动系统进一步包括：
铰链管，其在其一端固定地连接到所述第二静叶区段中的对应各个，以与所述第一静叶区段的互补底座限定铰链间隙；
铰链销，其延伸穿过所述带和所述铰链管中的对应各个，以将所述第二静叶区段安装到所述第一静叶区段，用于枢转运动；以及
对应的凸轮轴，其延伸穿过每个静叶的两个致动接头，所述凸轮轴可旋转以围绕所述两个铰链接头枢转所述第二静叶区段。
技术方案19：根据技术方案16所述的可变面积涡轮喷嘴，其中，所述第二致动系统设置成邻近所述铰链接头中的至少一个。
技术方案20：根据技术方案16所述的可变面积涡轮喷嘴，其中，所述第二致动系统包括：
铰链管，其在其一端固定地连接到所述第一静叶区段和第二静叶区段中的对应各个，以及
铰链销，其延伸穿过所述带和所述铰链管中的对应各个，以将所述后缘区段安装到所述第一静叶区段和第二静叶区段，用于枢转运动。
参考以下具体说明和所附权利要求书可以更深入地了解本发明的这些以及其他特点、方面和优点。附图并入本说明书并构成本说明书的一部分，所述附图图示了本发明的各实施例，并与具体说明一起解释本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图，针对所属领域一般技术人员，完整且可实现地详细公开了本发明，包含其最佳模式，其中：
图1所示为根据本发明的燃气涡轮发动机的一个实施例的示意性横截面图；
图2所示为根据本发明的示例性实施例的具有可变面积喷嘴区段的示例性燃气涡轮发动机涡轮喷嘴的一部分的部分分解等轴测视图；
图3所示为图2所示的示例性喷嘴区段之一的顶部截面图，并大体上沿线3-3截取，以示出用于在其间实现可变面积喉部的两个邻接的喷嘴静叶；
图4所示为图2所示的可变面积涡轮喷嘴静叶之一的部分截面正视图，并大体沿线4-4截取；
图5所示为图2所示的示例性可变面积涡轮喷嘴静叶之一的放大截面图；
图6所示为形成在如图5所示的、标记为6的圆内喷嘴静叶的固定区段和可动区段之间的铰链间隙的放大截面图；
图7所示为图2所示的示例性可变面积涡轮喷嘴静叶之另一个的放大截面图；且
图8所示为根据本发明可包含在控制器内的各种部件的实施例的方块图。
具体实施方式
现在将详细阐述本发明的各实施例，附图中所示为本发明实施例的一个或多个示例。每个实施例是通过本发明的解释而提供的，而不是对本发明的限制。事实上，对于所属领域的技术人员来说将显而易见的是，可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下对本发明做出各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分进行说明或描述的特征可与其他实施例使用，从而得到另一个实施例。因此，本发明应涵盖在所附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变化。
本专利申请文件所用的术语“第一”、“第二”以及“第三”可以互换使用以区分不同部件，并且这些术语并不旨在表示各个部件的位置或重要性。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流自方向，以及“下游”是指流体流向方向。
1997年8月28日提交的名称为“Variable Area Turbine Nozzle”的美国专利号5,931,636描述具有多个周向邻接的喷嘴区段的可变面积涡轮喷嘴，其全部内容通过引用并入本文。
大体上，本发明涉及可变面积涡轮喷嘴和相应的控制器。可变面积涡轮喷嘴包含至少一个喷嘴区段，该喷嘴区段具有外部和内部间隔带以及彼此间隔开以限定用于引导燃烧气体穿过其中的、具有最小流动面积的喉部的多个静叶。每个静叶至少包含在带间延伸并且固定地与其接合的第一静叶区段和与第一静叶区段设置在一起的第二静叶区段。静叶还包含用于使第二静叶区段相对于第一静叶区段枢转以便改变喉部面积的第一致动系统。此外，静叶子集还包含配置有第一静叶区段和第二静叶区段的后缘区段以及用于相对于第一静叶区段和第二静叶区段枢转后缘的第二致动系统。因此，控制器被配置用于单独地或一起控制第一致动系统和第二致动系统。
本发明提供现有技术中不存在的各种优点。例如，可以通过使用两个单独的致动系统来调节和定制涡轮机流动面积变化。因此，本发明最小化涡轮机流动面积中的中等和大变化期间对涡轮机效率的惩罚(penalty)。
现在参考附图，图1所示为根据本发明的燃气涡轮发动机10(高旁通型)的实施例的示意性横截面图。更具体地，燃气涡轮发动机10可包含航空发动机，例如飞机、直升机或类似物。如图所示，燃气涡轮发动机10具有用于参考目的的穿过其的轴向纵向中心线轴线12。此外，如图所示，燃气涡轮发动机10较佳地包含通常由参考号14标识的核心燃气涡轮发动机和位于其上游的风扇部分16。核心发动机14通常包含限定环形入口20的管状外壳18。外壳18进一步围绕并支撑增压器22，用于将进入核心发动机14的空气的压力升高到第一压力水平。高压多级轴流式压缩机24接收来自增压器22的加压空气，并进一步增加空气的压力。压缩机24包含旋转叶片和固定静叶，其具有引导和压缩涡轮发动机10内的空气的功能。加压空气流到燃烧器26，此处燃料被喷射到加压空气流中并被点燃以升高加压空气的温度和能量水平。高能燃烧产物从燃烧器26流到第一(高压)涡轮机28，其用于通过第一(高压)驱动轴30驱动高压压缩机24，然后到第二(低压)涡轮机32，其用于通过与第一驱动轴30同轴的第二(低压)驱动轴34驱动增压器22和风扇部分16。此外，如图所示，第一涡轮机28和第二涡轮机32各自具有多个旋转叶片和固定静叶43。在驱动每个涡轮机28和涡轮机32之后，燃烧产物通过排气喷嘴36离开核心发动机14，以提供发动机10的喷射推进推力的至少一部分。
风扇部分16包含由环形风扇壳体40包围的可旋转的轴流风扇转子38。应理解，风扇壳体40由从核心发动机14通过多个大致上径向延伸的、周向间隔出口导叶42支撑。以这种方式，风扇壳体40围绕风扇转子38和风扇转子叶片44。风扇壳体40的下游部分46在核心发动机14的外部上方延伸以限定提供附加的喷射推进推力的次级或旁路气流导管48。
从流动观点来看，应理解，由箭头50表示的初始气流通过由风扇壳体40形成的入口52进入燃气涡轮发动机10。气流穿过风扇叶片44并分裂成移动通过导管48的第一空气流(由箭头54表示)和进入增压器22的第二空气流(由箭头56表示)。
第二压缩空气流56的压力增加并且进入高压压缩机24，如箭头58所示。在与燃料混合并在燃烧器26中燃烧之后，燃烧产物60离开燃烧器26并流过第一涡轮机28。燃烧产物60然后流过第二涡轮机32并离开排气喷嘴36以提供用于燃气涡轮发动机10的推力的至少一部分。
仍参考图1，燃烧器26包含与纵向中心线轴线12同轴的环形燃烧室62，以及入口64和出口66。如上所述，燃烧器26从高压压缩机排放出口69接收加压空气的环形流。该压缩机排放空气的一部分流入混合器(未示出)。燃料从一个或多个燃料喷嘴80喷射以与空气混合并形成燃料-空气混合物以提供给燃烧室62用于燃烧。燃料-空气混合物的点燃通过适当的点火器实现，并且所产生的燃烧气体60沿轴向方向流向并进入环形的第一级涡轮喷嘴72。涡轮喷嘴72由环形流动通道限定，该环形流动通道包含多个径向延伸的、周向间隔的喷嘴静叶74，其使气体转向，使得它们成角度地流动并冲击到第一涡轮机28的第一级涡轮机叶片上。如图1所示，第一涡轮28较佳地经由第一驱动轴30旋转高压压缩机24，而低压涡轮32较佳地经由第二驱动轴34驱动增压器22和风扇转子38。
现参考图2，环形可变面积涡轮喷嘴100的一部分配置为高压涡轮喷嘴，例如，用于如图1所示的第一涡轮机28。如图所示，将喷嘴100配置成用于提供可变面积以选择性地控制燃烧气体112从燃烧器26到高压涡轮机28的转子叶片的流动。可变面积涡轮喷嘴100也可称为受控面积涡轮喷嘴(CATN)。
考虑到涡轮喷嘴100的严重的温度环境以及由此所适应的实质上的空气动力和热负荷，喷嘴100被配置成多个周向邻接的喷嘴区段114，其共同形成围绕发动机10中心线轴线12的完整的环形圈(图1)。此外，每个喷嘴区段114包含彼此径向间隔的弓形外带116和弓形内带118。周向相邻的带限定分裂线120，其使相邻的喷嘴区段114彼此热解耦(uncouple)，并且需要使用例如花键密封件在其之间的常规密封。
此外，如图所示，每个喷嘴区段114较佳地包含在外部带116和内部带118之间径向或纵向延伸的、多个周向间隔的第一或固定静叶区段122，所述第一或固定静叶段固定地或一体地连接到其上。在图2所示的实施例中，例如，两个第一静叶区段122连接到共同的外带116和内带118，并且提供刚性结构组件以用于在操作期间适应热和空气动力学负载，同时提供用于精确地实现如下所述的优选流动面积的固定参考。对于静叶的一部分，多个可枢转或第二静叶区段124周向地邻接第一静叶区段122的对应的区段，以与其一起限定对应的两段式静叶，如图3和图5更具体地所示。在该示例性实施例中，每个第一静叶区段122在空气动力学上被常规地配置用于限定在前缘122b和后缘122c之间延伸的凹形或压力侧壁122a。
相应地，每个第二静叶区段124在空气动力学上被配置成限定在第一或前端124b和沿着静叶的弦轴间隔的第二或后端124c之间延伸的凸形或吸入侧壁124a的一部分。例如，如图3所示(尤其是指右侧喷嘴)，第二端124c仅在前缘122b和后缘122c之间延伸部分弦，第二静叶区段124的侧壁124a仅限定静叶吸入侧的一部分。静叶吸入侧的剩余部分由从后缘122c延伸的第一静叶区段122的相应吸入侧壁122d限定。
以这种方式，在前缘122b和后缘122c之间的两个第一静叶区段122整体地固定地连接到外带116和内带118，以产生四件式刚性箱结构，第二静叶区段124适当地、枢转地附接到该四件式刚性箱结构上。这种盒结构为每个喷嘴区段114提供结构刚性，而在其中没有任何不期望的分裂线。分裂线120以其它常规方式单独安装在相邻的喷嘴区段114之间，用于适应操作期间的不同的热生长。第一静叶区段122的安装设置还提供沿着前缘122b和后缘122c之间的整个压力侧壁122a的固有密封，以防止燃烧气体通过各个静叶不期望的横向流动。
在一些附加实施例中，如图3和图7所示，静叶还可有具有多于两个区段的多段式配置。更具体地，如图所示，静叶可包含第一静叶段区122、第二静叶区段124和至少第三或后缘段区125。因此，在某些实施例中，静叶子集可具有两段式配置(图3，右静叶)，而静叶的另一子集可具有三段式或更多配置，其具有至少附加的后缘区段125(图3，左静叶)，其配置有第一静叶区段122和第二静叶区段124。另外，如图3所示，具有后缘区段125(左静叶)的静叶可以以具有静叶而没有后缘区段(右静叶)的交替周向配置的方式而安装到带116和带118。因此，应了解，可使用任何适当的安装模式，以使得至少两个不同的可变面积涡轮喷嘴几何形状以预定模式周向设置。
此外，如图3所示，静叶彼此周向地间隔开以限定用于引导燃烧气体的、具有最小流动面积的相应喉部126，燃烧气体接着由涡轮机转子叶片接收，进而以常规方式从其中提取能量。每个喉部126由一个静叶的后缘122c和相邻静叶的吸入侧壁124a上的相应位置之间的最小距离限定。
参考图3-4和图7，每个静叶还包含第一致动系统128，用于使每个第二静叶区段124相对于其协作的第一静叶区段122枢转，以选择性地改变几个静叶之间的各个喉部面积126。由于第一静叶区段122和带116及带118提供刚性结构，第二静叶区段124可相对简单地被安装到其上，以用于枢转运动而提供受控的可变面积能力。然而，必须安装各个第二静叶区段124以在操作期间适应实质上的热和空气动力学负载，而没有不期望的变形，这可能不利地影响它们的运动，并且不会不利地影响喉部区域126的精确控制。另外，如图3和图7示，具有附加后缘区段125的静叶子集还可包含用于使后缘区段125相对于第一静叶区段122和第二静叶区段124枢转的第二致动系统138。
在一个实施例中，如图2-3、图5和图7所示，第一致动系统128可含两个铰链接头和两个致动接头，其将第一静叶区段122和第二静叶区段124的对应的对连接在一起。更具体地，如图2和图3所示，第一致动系统128较佳地包含相应的铰链管128a，其在后端124c处内侧上与第二静叶段区124的对应一个一体地或固定地连接，并且限定具有在第一静叶段122中一体形成的互补铰链座122e的径向或纵向铰链间隙130a。相应的细长铰链销128b径向延伸穿过外带116和内带118中的相应孔以及铰链管128a中的对应一个，以将每个第二静叶段区124枢转地安装到对应的第一静叶区段122，以摆门(swinging door)的方式用于相对于其的枢转运动。对应的致动凸轮轴128c径向地延伸穿过外带116和内带118中的相应的孔，并且可操作地连接到第二静叶区段124中对应一个，以枢转地调节第二静叶区段而改变喉道面积126。
凸轮轴128c可采取各种配置以与相应的第二静叶区段124的内部协作以用于其枢转。例如，尤其如图4所示，每个第二静叶区段124较佳地包含一体地或固定地连接到其内部的一对纵向或径向间隔凸轮凸耳(lug)128d。如图3更清楚地所示，每个凸耳128d包含椭圆形槽128e。
相应地，凸轮轴128c包含径向偏置的圆柱形凸轮或凸角，其以紧密的侧向配合方式延伸穿过两个凸耳槽128e，以使第二静叶区段124在膨胀位置和收缩位置之间枢转，以便当凸轮轴128c旋转时相应地减少和增加喉部126的流动面积。例如，图3所示为枢转到最大扩张或打开位置的第二静叶区段124，其进而最小化或关闭喉部126的流动面积。如图5所示，第二静叶区段124枢转到其收缩或关闭位置以最大化或打开喉部126的流动面积。
图2和图4所示为凸轮轴128c的一个实施例。如图所示，凸轮轴128c的中间部分限定与凸耳128d接合的圆柱形凸轮凸角(lobe)，凸轮轴128c的外端和内端具有终止于具有径向偏移量A的衬套的适当的轻推部件(jogs)。衬套接合互补孔在外带和内带中用于围绕径向旋转轴线旋转，其中凸轮的中心线轴线偏离半径A。凸轮轴128c的外端适当连接到常规杆128f，进而以类似于常规压缩机定子静叶静叶的致动方式加入到环形协调环128g。适当的致动器(未示出)使协调环128g围绕发动机的中心线轴线旋转，进而使旋转对应的凸轮轴128c的杠杆128f旋转。如图3和图4所示的凸轮轴128c的偏移A引起相对的第一静叶区段122和第二静叶区段124之间的横向相对运动，以实现其间的相对膨胀和收缩。
参考图3，凸轮轴128c可通过其最大横向位移从第一静叶区段122旋转，以将第二静叶区段124定位在其最大扩展位置，以修改最小喉部面积。此外，如图所示，凸耳椭圆形槽128e具有平行的平坦侧壁，其限定其间的最小长度的短轴，并且半圆形相对侧壁在其间限定最大长度的长轴。短轴被较佳地配备在大致上平行于相邻喉部126的平面，其中长轴基本上平行于位于最大膨胀位置处在第一静叶区段122的前缘122b和后缘122c之间延伸的弦线。在图3所示的最大膨胀位置，凸轮轴128c可顺时针旋转整个90°，例如，用于收缩第二静叶区段124。
该设置的显著益处是由凸轮轴128c提供的机械优点，以及与其非常精细的角度调整功能。例如，凸轮轴在第二静叶区段124的膨胀和收缩位置之间的90°旋转可对应于第二静叶区段124绕铰链销128b的仅约9°的旋转。在从最大膨胀位置的初始行程中，可以获得第二静叶区段124的大致小于0.5°的旋转，其中凸轮轴128c的旋转高达大约20°，相应的减少比率大于大约40倍。在行程的相对端，当第二静叶区段124处于其对应于凸轮轴的90°旋转的完全收缩位置时，实现对应于减速比十次的第二静叶区段124的总共约9°的旋转。
因此，在第二静叶区段124的最大膨胀位置附近可获得喉部126的流动面积的非常精细的微调，以相应精确地调节发动机10的可变循环。当第二静叶区段124也处于其最大收缩位置时，也提供适当的微调。
为了易于组装和拆卸，选择椭圆形槽128e的尺寸以补偿凸轮轴128c的轮廓，使得凸轮轴128c可容易地径向向内插入穿过外带16和两个凸耳128d并插入内带118。凸轮轴128c的内衬套较佳地小于外衬套，以让其易于组装。为了拆卸，凸轮轴128c可简单地沿相反的径向向外方向缩回。相应地，相对简单的铰链销128b类似地简单地径向向内插入穿过外带16和铰链管128a并进入内带118。这种配置允许组装和拆卸这三个部件，用于在维护停机期间保养或更换其中的任何一个部件。
参考图3和图7，第二致动系统138可设置在邻近第一致动系统128的铰链接头(例如铰链销128b)中的至少一个。此外，可将第二致动系统138类似地配置为具有第一致动系统128的任何部件。例如，在一个实施例中，第二致动系统138可包含铰链管138a，该铰链管138a在其一端处固定地连接到第一静叶区段122、第二静叶区段124和后缘区段125，并且具有延伸穿过带116和带118的铰链销138b，以及铰链管138a中的对应各个将后缘区段125安装到第一静叶区段122和第二静叶区段124，用于其枢转运动。在附加的实施例中，第二致动系统138可包含被配置成相对于第一静叶区段122和第二静叶区段124以移动后缘区段125的任何适当的致动器。
由于如本文所述的喷嘴段114在操作期间将热燃烧气体引导通过其中，所以可使用任何常规冷却技术(包含例如薄膜和冲击冷却)来适当地冷却静叶区段122、124和125。在静叶冷却中，一部分加压空气132(图4)适当地从压缩机(未示出)抽出并且引导到喷嘴区段114。喷嘴区段122、124和125的侧壁可是适当的双壁结构，用于在其间引导加压空气132以产生其适当的冷却。
此外，如图4所示，凸轮轴128c的顶部衬套可包含穿过其的孔，加压空气132的一部分可通过该孔被引导到中空分段静叶内部以用于其内部冷却。空气132的压力大致上大于燃烧气体112的压力，该压差可用于将第二静叶区段124自展开(self-deploy)到其最大膨胀位置。凸轮轴128c限制第二静叶区段124抵抗压差力的展开(deployment)，直到凸轮轴128c旋转。凸轮轴128c的旋转允许第二静叶区段124从第一静叶区段122向外枢转，且如果需要其抵抗在操作期间发生的任何固有的摩擦抑制力，凸轮轴128c还提供机械力以用于致动。
由于静叶区段122、124和125是相对薄壁的构件，所以它们在操作期间经受不同的热和压力负载。因此，图4中所示的两个凸耳128d较佳地在第二静叶区段124的相对的毂和尖端处径向间隔开，以最大化它们之间的距离，并且最大化第二静叶区段124在其毂和尖端处的反作用约束。由于第二静叶区段124限定各个静叶的吸入侧的部分，所以它们在操作期间在空气动力学上是高负载的，并且通过对应的凸耳128d限制在毂和尖端处的向外偏转，进而将负载传递到凸轮轴128c。因此，本发明的静叶设置增强流动面积控制，而不过度约束可能引起过度热应力的吸入侧壁。
相应地，铰链销128b(图2和图4)较佳地在其最大直径外端和内端之间具有减少的直径中心部。以这种方式，图4所示的铰链管128a仅被约束在铰链销128b外部和内部处。这再次限制第二静叶区段24在其毂和尖端处抵抗施加在其上的实质上的压力负载的向外偏转。铰链销128b的减少的中心部分减少由于操作期间的压力和热变形而与铰链管128a摩擦束缚(binding)的可能性。以这种方式，每个第二静叶区段124在四个点处连接到其互补的第一静叶区段122，仅在其对应于凸耳和凸轮接头以及铰链管和销接头的毂和尖端处。
如图3所示，凸耳128d被较佳地配备在邻近喉部126的第二静叶区段124上，因为空间允许由于热或压力负载而实现最小差动位移(minimum differential displacement)的节点(nodal point)。由于第二静叶区段124仅被有效地安装在四个反应点处，所以这些区段由于热梯度和压差而经受变形和位移。这种位移可不利地影响喉部126处的流动面积的精度。通过将凸耳128d和相应的凸轮轴128c紧密地邻近喉部126放置，将产生很少或没有相对位移的节点，相反地，远离喉部26进行相对位移。并且，凸耳128d也被较佳地配备靠近静叶的压力中心P，以减少弯曲变形。因此，在操作期间可更精确地保持喉部126的面积。
仍参考图3，邻近铰链间隙130a的吸入侧壁应当相对共同延伸，以保持空气动力学平滑的轮廓，以使喷嘴静叶空气动力效率最大化。然而，当第二静叶区段124枢转到如图5所示最大收缩位置时，铰链间隙130a在吸入侧壁处必然增加，其经历与第二静叶区段124的最大角度行程对应的小弯曲或扭结(kink)，在示例性实施例中该最大角度行程为大约9°。为了当第二静叶区段124设置在最大收缩位置时改善空气动力学性能(图5和图6)，在铰链间隙130a处的第一静叶区段122和第二静叶区段124包含适当的倒角134以减少在铰链间隙130a处的台阶不连续性，用于减少在收缩位置中的第二静叶区段124的空气动力学流动中断。倒角134相对于吸入侧壁的标称表面具有小的锐角B，在示例性实施例中，该角度B为大约4.5°，或者是最大角度行程的一半。
如上面参考图4所示,提供适当的装置用于将加压空气132引导到由互补的静叶区段122、124和125限定的各个静叶中以用于其冷却。因此，还可能需要一个或多个密封件136a、136b和136c用于密封静叶的各个面积。例如，如图2所示，在第二静叶区段124与外带116和内带118之间提供密封件136b。更具体地，如图所示，花键密封件的示例性形式中的适当的端部密封件136b可被安装在毂和第二静叶区段124的尖端中的相应凹部中，用于接合外带116和内带118的互补表面以实现它们之间的密封。此外，如图5所示，密封件136a被安装在第一静叶区段122处，以在第二静叶区段124的枢转行程时将加压空气限制在静叶内部。例如，如图5所示，适当的线密封件136a被较佳地配备在互补的半圆形座中，以在第二静叶区段124的后端处沿铰链管128a径向密封铰链间隙130a，并在其前端密封类似的间隙。此外，如图所示，第二静叶区段124的前端124b可在前缘122b处与第一静叶区段122的互补部分内部重叠，以用于适应相对于其的、所需要的膨胀和收缩行程。在这样的实施例中，相应的线密封件136a可设置在任何适当的位置，用于密封在前缘处的第一静叶区段122和第二静叶区段124之间的重叠接头。此外，如图7所示，密封件136c可被提供在第二致动系统138的铰链间隙处，以在后缘区段125枢转行进时将加压空气限制在静叶内部。
现参考图8，静叶的第一致动系统128和第二致动系统138可由控制器140控制。更具体地，在一个实施例中，可将控制器140配置为单独地或分开地控制第一致动系统128和第二致动系统138。或者，可将控制器140配置成一起控制第一致动系统128和第二致动系统138(例如，基于预定计划)。在进一步的实施例中，控制器140可进一步配置为具有控制第一致动系统128和第二致动系统138的预定的温度范围(例如，燃烧气体112)的功能。因此，如图8所示，根据本发明显示可被包含在控制器140中的适当部件的一个实施例的框图。如图所示，控制器140可包含一个或多个处理器142以及相关存储装置144，这两部分经配置以执行多种计算机实施的功能(例如，执行本专利中公开的方法、步骤、计算等以及存储相关数据)。此外，控制器140还可包含通信模块146，以便于控制器140与第一致动系统128和第二致动系统138之间的通信。此外，通信模块146可包含传感器接口148(例如，一个或多个模数转换器)，以允许从一个或多个传感器(例如温度传感器)传送的信号被处理器142转换成可被理解和处理的信号。应理解，这样的传感器可使用任何适当的手段通信耦合到通信模块146。例如，传感器可经由有线连接耦合到传感器接口148。然而，在其他实施例中，传感器可经由无线连接(例如通过使用本领域已知的任何适当的无线通信协议)耦合到传感器接口148。因此，可将处理器142配置为从传感器接收一个或多个信号。
本说明书所用术语“处理器”不仅是指包含在计算机中的所属领域中所谓的集成电路，还指控制器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其他可编程电路。此外，存储装置144通常可包含存储组件，所述存储组件包含，但不限于，计算机可读媒体(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性媒体(例如，闪存)、云储存、软盘、只读光盘(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能光盘(DVD)、和/或其他适当的存储组件。通常可将这样的存储器器件144配置为存储适当的计算机可读指令，当由处理器142实现时，其配置控制器140以执行燃气涡轮发动机10的各种功能。
本说明书使用了各种实例来揭示本发明，包含最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实施本发明，包含制造并使用任何装置或系统并实施所涵盖的任何方法。本发明的可专利性范围由权利要求书界定，可能包含所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果此类其他示例所包含的结构组件与权利要求书的书面语言无不同，或者如果其包含与权利要求书的书面语言无实质不同的等效结构组件，则此类其他示例应被确定为在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.可变面积涡轮喷嘴系统，包括：
可变面积涡轮喷嘴，其包括至少一个喷嘴区段，所述喷嘴区段包括：
外部和内部间隔带，
多个静叶，其彼此间隔开以限定用于引导燃烧气体穿过其中的、具有最小流动面积的喉部，每个静叶包括：
第一静叶区段，其在所述带之间延伸并固定地连接到所述带，
第二静叶区段，其与第一静叶区段设置在一起，以及
第一致动系统，其用于使所述第二静叶区段相对于所述第一静叶区段枢转，以改变所述喉部面积；
其中，所述静叶的子集还包括：
与所述第一静叶区段和第二静叶区段配置的后缘区段，以及
第二致动系统，其用于相对于所述第一静叶区段和第二静叶区段枢转所述后缘，以及
控制器，其配置用于控制所述第一致动系统和第二致动系统。
2.根据1所述的喷嘴系统，其中，具有后缘区段的静叶与没有后缘区段的静叶以预定的交替、周向的构造而安装到所述带。
3.根据1所述的喷嘴系统，其中，所述控制器配置为单独地控制所述第一致动系统和第二致动系统。
4.根据1所述的喷嘴系统，其中，所述控制器配置为基于预定计划一起控制所述第一致动系统和第二致动系统。
5.根据1所述的喷嘴系统，其中，所述控制器进一步配置为根据预定温度范围来控制所述第一致动系统和第二致动系统。
6.根据1所述的喷嘴系统，其中，所述第一致动系统包括两个铰链接头和两个致动接头，所述两个铰链接头和两个致动接头与所述第一静叶区段和第二静叶区段的对应对连接在一起。
7.根据6所述的喷嘴系统，其中，所述致动接头设置为邻近所述喉部。
8.根据6所述的喷嘴系统，其中，所述第一致动系统进一步包括：
铰链管，其在其一端固定地连接到所述第二静叶区段中的对应各个，以与所述第一静叶区段的互补底座限定铰链间隙；
铰链销，其延伸穿过所述带和所述铰链管中的对应各个，以将所述第二静叶区段安装到所述第一静叶区段，用于枢转运动；以及
对应的凸轮轴，其延伸穿过每个静叶的两个致动接头，所述凸轮轴可旋转以围绕所述铰链接头枢转所述第二静叶区段。
9.根据8所述的喷嘴系统，其中，所述第二致动系统设置成邻近所述铰链接头中的至少一个。
10.根据1所述的喷嘴系统，其中，所述第二致动系统包括：
铰链管，其在其一端固定地连接到所述第一静叶区段和第二静叶区段中的对应各个；以及
铰链销，其延伸穿过所述带和所述铰链管中的对应各个，以将所述后缘区段安装到所述第一静叶区段和第二静叶区段，用于枢转运动。
11.可变面积涡轮喷嘴区段，包括：
外部和内部间隔带；
多个静叶，其彼此间隔开以限定用于引导燃烧气体穿过其中的、具有最小流动面积的喉部，
每个静叶包括：
第一静叶区段，其在所述带之间延伸并固定地连接到所述带，
第二静叶区段，其与第一静叶区段设置在一起，以及
第一致动系统，其用于使所述第二静叶区段相对于所述第一静叶区段枢转，以改变所述喉部面积，
其中所述静叶的子集还包括：
后缘区段，其与第一静叶区段和第二静叶区段一起配置，以及
第二致动系统，其用于相对于所述第一静叶区段和第二静叶区段枢转所述后缘。
12.根据11所述的喷嘴区段，其中，具有后缘区段的静叶与没有后缘区段的静叶以预定的交替、周向的构造而安装到所述带。
13.根据11所述的喷嘴区段，其中所述第一致动系统进一步包括：
铰链管，其在其一端固定地连接到所述第二静叶区段中的对应各个，以与所述第一静叶区段的互补底座限定铰链间隙；
铰链销，其延伸穿过所述带和所述铰链管中的对应各个，以将所述第二静叶区段安装到所述第一静叶区段，用于枢转运动；以及
对应的凸轮轴，其延伸穿过每个静叶的两个致动接头，所述凸轮轴可旋转以围绕所述两个铰链接头枢转所述第二静叶区段。
14.根据13所述的喷嘴区段，其中，所述第二致动系统设置成邻近所述铰链接头中的至少一个。
15.根据11所述的喷嘴区段，其中，所述第二致动系统包括：
铰链管，其在其一端固定地连接到所述第一静叶区段和第二静叶区段中的对应各个；以及
铰链销，其延伸穿过所述带和所述铰链管中的对应各个，以将所述后缘区段安装到所述第一静叶区段和第二静叶区段，用于枢转运动。
16.可变面积涡轮喷嘴，包括：
固定的第一静叶区段；
可旋转的第二静叶区段，其与所述第一静叶区段设置以限定相应静叶；
可旋转的后缘区段，其与所述第一静叶区段和第二静叶区段配置；
第一致动系统，用于相对于所述第一静叶区段枢转第二静叶区段；以及
第二致动系统，用于相对于所述第一静叶区段和第二静叶区段枢转所述后缘。
17.根据16所述的可变面积涡轮喷嘴，其中，所述第一致动系统包含两个铰链接头和两个致动接头，所述两个铰链接头和两个致动接头一起接合所述第一静叶区段和第二静叶区段的对应对。
18.根据17所述的可变面积涡轮喷嘴，其中，所述第一致动系统进一步包括：
铰链管，其在其一端固定地连接到所述第二静叶区段中的对应各个，以与所述第一静叶区段的互补底座限定铰链间隙；
铰链销，其延伸穿过所述带和所述铰链管中的对应各个，以将所述第二静叶区段安装到所述第一静叶区段，用于枢转运动；以及
对应的凸轮轴，其延伸穿过每个静叶的两个致动接头，所述凸轮轴可旋转以围绕所述两个铰链接头枢转所述第二静叶区段。
19.根据16所述的可变面积涡轮喷嘴，其中，所述第二致动系统设置成邻近所述铰链接头中的至少一个。
20.根据16所述的可变面积涡轮喷嘴，其中，所述第二致动系统包括：
铰链管，其在其一端固定地连接到所述第一静叶区段和第二静叶区段中的对应各个，以及
铰链销，其延伸穿过所述带和所述铰链管中的对应各个，以将所述后缘区段安装到所述第一静叶区段和第二静叶区段，用于枢转运动。
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