CN109931165A - 起动燃气涡轮发动机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种起动燃气涡轮发动机的方法。所述发动机包括转子组件，转子组件包括各自连接到轴的压缩机转子和涡轮转子。转子组件连接到壳体内的轴承组件，使得所述转子组件能够旋转。所述方法包括：基于润滑剂参数确定所述转子组件的转速保持在弓形转子减缓速度范围内的时间段；在所述弓形转子减缓速度范围内持续所述时间段旋转所述转子组件；以及将所述转子组件加速到燃烧速度以点燃燃料‑氧化剂混合物进行燃烧。

Description

起动燃气涡轮发动机的方法

技术领域

本发明主题涉及关于弓形转子状态运行燃气涡轮发动机的方法。

背景技术

例如为飞行器提供推进力的燃气涡轮发动机在运行期间在转子组件处生成热。在发动机关机之后，转子组件是静止的(即，不旋转)，这通常导致沿转子组件周向和/或轴向的不对称热分布或热梯度。这种热梯度通常可能导致沿径向、轴向和/或周向方向的热弓曲或弓形转子。弓形转子导致相对于围绕转子组件的一个或多个壳体的相对较大偏心率。因而，当转子组件恢复运行时，这种偏心率通常可能导致转子组件以不希望的振动大小运行，例如会损坏周围的壳体、轴承组件、负载结构等。此外，发动机的这种运行可能导致翼型叶片尖端摩擦到周围的壳体中，导致叶片、壳体或两者的损坏。

因此，需要一种用于操作燃气涡轮发动机以减轻或消除转子组件的弓形转子状态的方法。

发明内容

本发明的各方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。

本发明总体上提供起动燃气涡轮发动机的方法。所述发动机包括转子组件，所述转子组件包括各自连接到轴的压缩机转子和涡轮转子。所述转子组件连接到壳体内的轴承组件，使得所述转子组件能够旋转。所述方法包括：基于润滑剂参数确定转子组件的转速保持在限定为小于燃烧速度的弓形转子减缓速度范围内的时间段；并在弓形转子减缓速度范围内持续所述时间段旋转转子组件；以及将转子组件加速到燃烧速度以点燃燃料—氧化剂混合物进行燃烧。

在各种实施例中，润滑剂参数是通过转子组件所连接到的轴承组件的润滑剂的物理性质中的至少一个。在一个实施例中，在以下一个或多个处限定润滑剂参数：轴承组件的润滑剂供应套管、阻尼器入口或清除套管，或其组合。在另一实施例中，润滑剂参数是通过转子组件所连接到的轴承组件的润滑剂的温度、压力或流速中的至少一个。

在其它各种实施例中，所述方法还包括通过轴承组件处的一个或多个传感器监测润滑剂参数。在一个实施例中，监测润滑剂参数包括通过一个或多个传感器连续地获取润滑剂参数。在另一个实施例中，监测润滑剂参数包括通过一个或多个传感器间歇地获取润滑剂参数。在又一个实施例中，监测润滑剂参数包括当转子组件处于弓形转子减缓速度范围内时获取润滑剂参数。在又一个实施例中，监测润滑剂参数包括在转子组件加速到弓形转子减缓速度范围内之前或期间获取润滑剂参数。

在一个实施例中，确定转子组件的转速保持在弓形转子减缓速度范围内的时间段还至少基于燃气涡轮发动机外部的环境空气的温度、压力或密度中的一个或多个。

在其它各种实施例中，所述方法包括将转子组件加速到弓形转子减缓速度范围内；至少基于润滑剂参数范围确定转子状态，其中转子状态确定是将转子组件加速到燃烧速度还是将转子组件保持在弓形转子减缓速度范围内；以及基于转子状态旋转转子组件。

在各种实施例中，润滑剂参数范围由下限和上限限定。在一个实施例中，当润滑剂参数低于润滑剂参数范围的下限或高于润滑剂参数范围的上限时，转子状态确定为弓形转子状态。在另一实施例中，基于转子状态旋转转子组件包括在转子状态确定为弓形转子状态的情况下，将转子组件保持在弓形转子减缓速度范围内。在其它各种实施例中，当润滑剂参数至少基于振动响应在润滑剂参数范围内时，转子状态确定为可接受的转子状态。在一个实施例中，基于转子状态旋转转子组件包括在润滑剂参数处于润滑剂参数范围内的情况下，将转子组件加速到燃烧速度。

参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施方案，且连同所述描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

本说明书中针对所属领域的技术人员来阐述本发明的完整和启发性公开内容，包括其最佳模式，本说明书参考了附图，在附图中：

图1是燃气涡轮发动机的示意图，其中可以利用用于起动发动机的方法的实施例；

图2是概述用于起动例如图1中所描绘的发动机的燃气涡轮发动机的方法步骤的流程图；

图3是描绘发动机的转子组件在一段时间内的转速变化的曲线图；以及

图4描绘振动响应对比发动机的润滑剂参数的变化的曲线图。

在本说明书和图中附图标记的重复使用意图表示本发明的相同或相似特征或元件。

具体实施方式

现将详细参考本发明的实施方案，在图中说明本发明的实施方案的一个或多个实例。每个实例是为了解释本发明而提供，而非限制本发明。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施方案的一部分的特征可与另一实施方案一起使用以产生再一实施方案。因此，希望本发明涵盖此类修改和变化，所述修改和变化处于所附权利要求书及其等效物的范围内。

如本文中所使用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一个部件与另一部件，而并非意欲表示个别部件的位置或重要性。

总体上提供了用于减轻和消除燃气涡轮发动机中的弓形转子状态的方法的实施例。本文总体提供的实施例提供减少或消除燃气涡轮发动机的转子组件的弓形转子状态。所述方法的各种实施例在启动期间控制转子组件的转速或加速度，以便调整转子组件在弓形转子减缓速度范围内的时间段。所述方法总体上包括至少基于润滑剂参数(例如发动机内的油)确定时间段，以减少或消除起动和操作确定为弓形转子状态的发动机的不利影响。因而，本文总体上提供的方法的实施例可以改善达到燃烧速度的电动回转时间，改善转子组件与周围壳体之间的间隙控制，并且至少部分地基于弓形转子运行(例如，高周疲劳失效)来减少故障。改善的间隙控制可以降低发动机的劣化或其速率，这可以改善或减轻发动机性能的降低和可操作性。例如，改善的间隙控制可以进一步改善或减轻发动机的特定燃料消耗的减少。更进一步地，本文提供的方法的实施例可以改善飞行安全性和发动机可靠性。

参考附图，图1-2是根据本公开的方面的燃气涡轮发动机10的示例性实施例的示意图。发动机10限定纵向方向L、与纵向方向L同向限定的参考轴向中心线12，以及从轴向中心线12延伸的径向方向R。发动机10包括通常可相对于轴向中心线12旋转的一个或多个转子组件100。转子组件100通常包括各自连接到轴35的压缩机转子23和涡轮转子29。例如，转子组件100可以限定高压(HP)转轴，所述高压HP转轴包括各自连接到HP轴36的HP压缩机24和HP涡轮30。发动机10的另一转子组件100还可以限定低压(LP)转轴，所述LP转轴包括各自连接到LP轴34的LP压缩机22和LP涡轮28。LP转轴可以另外包括风扇或螺旋桨组件。生成燃烧气体的燃烧系统26以串流布置设置在压缩机22、24和涡轮28、30之间。

转子组件100通常由壳体105围绕。壳体105通常可包括接近于转子组件100的护罩和/或密封件，并且通常限定气体路径。发动机10还包括连接到转子组件100和壳体105的轴承组件110。轴承组件110包括一种或多种类型的轴承，包括但不限于滚柱轴承、锥形滚柱轴承、止推轴承(例如，滚珠轴承)、流体薄膜轴承或空气轴承，或其组合。轴承组件110还包括一个或多个润滑剂供应套管、润滑剂清除套管，以及流体流动通过的阻尼线。例如油或其它润滑剂的流体流动通过润滑剂供应和清除套管可以限定润滑剂的温度、压力和流速中的一个或多个。流体流可以进一步包括在阻尼线处的空气或另一种流体或其组合，其至少部分地控制轴承组件110处的振动响应。

发动机10可以另外包括设置在壳体105、转子组件100和/或轴承组件110处的一个或多个传感器，以监测或测量一个或多个参数。传感器可以包括流量计、热电偶、压力传感器、接近探针、加速度计或其它振动、温度、压力或流量测量或计算装置。

应了解，尽管本文中未示出，但发动机还可包括变速装置，例如齿轮组件，以限定风扇或螺旋桨组件相对于LP转轴的其余部分的不同速度。因此，应了解，本文描述的方法还可以应用于包括变速装置的发动机，例如动力齿轮组件、减速齿轮箱、行星齿轮组件等。

现在参考图2，总体上提供了概述起动燃气涡轮发动机的方法的步骤的流程图(下文中称作“方法1000”)。方法1000通常可以在燃气涡轮发动机(例如，图1的发动机10)中使用或实施，燃气涡轮发动机在一个或多个转子组件处确定为热弓曲或弓形转子状态。转子组件可以限定为各自连接到轴的压缩机转子和涡轮转子。例如，参考参考图1中描绘的发动机10，转子组件100可以包括由HP压缩机24和HP涡轮30限定的HP转轴，HP压缩机24和HP涡轮30各自连接到HP轴36。作为另一实例，转子组件可以包括由LP压缩机22和LP涡轮28限定的LP转轴，LP压缩机22和LP涡轮28各自连接到LP轴34。作为另一实例，转子组件可以包括由连接到中间压力(IP)轴的IP压缩机和IP涡轮限定的IP转轴。所述转子组件连接到壳体内的轴承组件，使得所述转子组件能够旋转。例如，轴承组件可以包括连接到转子组件的轴承组件60中的一个或多个。如关于图1所描述的那样，轴承组件包括供应和清除套管，用于提供和排出润滑剂流入和流出轴承组件的流动和压力。轴承组件还包括阻尼器，以总体上控制轴承振动。

应了解，可以对本文中描述的方法1000的步骤进行重新排序、重新布置、重新排序、添加或移除，而不脱离本公开的范围。此外，尽管方法1000可以参考图3-4中通常提供的图表，但应理解，通常提供的图形、图表或曲线是出于说明性目的。因而，图3-4可以定义不同的曲线，例如变化的线性或非线性，这可以不偏离本公开的范围。

方法1000包括在1010处至少基于润滑剂参数确定转子组件的转速保持在弓形转子减缓速度范围内的时间段。弓形转子减缓速度范围限定为小于燃烧速度。例如，参考图3，提供示例性曲线图300，其总体上描绘了时间轴301对比速度轴302。速度轴302描绘发动机的转子组件的转速。时间轴301描绘发动机启动的经过时间，即从转子速度开始加速到燃烧速度303和怠速308的时间。燃烧速度303描绘转子组件的速度，或者另一选择为，描述燃料被引入燃烧区段并被点燃以产生燃烧气体时通过发动机的空气流速。燃烧气体的产生提高了转速(并且因此提高了通过发动机的空气流速)，直到达到被定义为怠速308的最小稳态速度。怠速308总体描绘了转子组件的最小稳态速度，考虑进入燃烧区段的最小燃料流和最小空气流速并且点燃以产生燃烧气体。

从零或静止到燃烧速度303、转子组件的旋转以及由此产生的空气通过发动机的流速通常由发动机上的起动器(例如，电动机、电动机/发电机、空气涡轮起动机，或在产生燃烧气体之前转子组件的其它动力源)提供。弓形转子减缓速度范围305被限定在小于燃烧速度303的速度范围内。弓形转子减缓速度范围305确定为小于燃烧速度并且大于零的速度范围，在所述速度范围之间，将保持转子组件的转速直到转子组件和发动机确定为可接受的转子状态以继续加速到燃烧速度303和更大。例如，弓形转子减缓速度范围305可以由沿着302的转速的下限304和沿着302的转速的上限306限定，转子组件在所述范围内保持时间段307。时间段307沿着时间轴301定义为转子组件保持在弓形转子减缓速度范围305内(即，在下限304速度与上限306速度之间)的时间。

参考方法1000，在1010处，在各种实施例中，润滑剂参数是通过转子组件所连接到的轴承组件中的一个或多个的润滑剂(例如，油)的物理性质中的至少一个。更具体地说，在以下一个或多个处限定润滑剂参数：轴承组件的润滑剂供应套管、阻尼器入口或清除套管。更进一步地，在各种实施方案中，润滑剂参数的物理性质可以是润滑剂的温度、压力、流速、粘度、密度或其它物理性质中的一种或多种，其可以在轴承组件的润滑剂供应套管、阻尼器入口或清除套管中的一个或多个中测量。此外，润滑剂参数可以基于润滑剂的物理性质的计算值，例如基于润滑剂的温度、压力、流速、粘度、密度或化学组成中的一个或多个。另外，润滑剂参数可以基于润滑剂的物理性质的计算值，另外基于循环量、润滑剂在发动机中的时间量、已经使用润滑剂运行发动机时的速度或条件，或其组合。应了解，“循环”可以指如本领域中可已知的发动机循环，例如但不限于发动机在高于然后低于限定的速度阈值旋转的发生量。然而，应了解，“循环”的计算可以基于燃气涡轮发动机(例如，涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴等)的配置、其中使用发动机的设备(例如，商用飞行器、军用飞行器等)或其它基于时间或循环的测量单位或其组合而不同。在其它各种实施例中，确定转子组件的转速保持在弓形转子减缓速度范围内的时间段所至少基于的润滑剂参数可以另外基于发动机内的流体(例如，空气)的压力、温度或流速。例如，可以在压缩机22、24的入口、HP压缩机24的出口或燃烧区段的入口、涡轮28、30的入口或出口中的一个或多个处或在发动机10的排气区段处测量、监测或计算温度、压力或流速或其组合。更进一步地，在各种实施例中，确定保持转子组件的转速的时间段可以基于在壳体105的内部或外部中的一个或多个处或在转子组件100处或其组合的振动测量值。

简要地参考图4，总体上提供示例性曲线图400，其描绘润滑剂参数轴401对比振动响应轴402。润滑剂参数轴401描绘润滑剂参数的值的范围，例如润滑剂的一个或测量或计算的物理性质，例如关于图3和步骤1010所描述的。振动响应轴402描绘在发动机处测量或监测的振动值的范围。在各种实施例中，可以在轴承组件、壳体或其组合中的一个或多个处测量或监测振动，以指示转子组件和发动机的可接受或不可接受的振动响应。在方法1000和曲线图400的各种实施例中，沿振动响应轴402描绘的振动响应可以至少基于沿润滑剂参数轴401描绘的润滑剂参数预先确定。例如，给定沿着润滑剂参数轴401的测量或计算的润滑剂参数值，可以沿着振动响应轴302预先确定预期的振动响应。曲线图400总体上限定其中润滑剂参数的值对应于转子状态的润滑剂参数范围405。润滑剂参数范围405由下限404和上限406限定。在润滑剂参数范围405内，转子状态被定义为通常可接受用于持续加速到燃烧速度和更高速度。低于下限404或高于上限406将转子状态确定为弓形转子状态，其中曲线图300中描绘的转子组件的转速将保持在弓形转子减缓速度范围305内。

在各种实施例中，在1010处，确定转子组件的转速保持在弓形转子减缓速度范围(例如，图3中的弓形转子减缓速度范围305)内的时间段(例如，图3中的时间段307)是基于例如本文中描述的润滑剂参数的实施例。例如，参考图3-4，时间段307可根据基于润滑剂参数预定的表、功能、图表、查找表等。例如，润滑剂参数可以对应于其中转子组件的转速保持在弓形转子减缓速度范围305内的时间段。在各种实施例中，保持在弓形转子减缓速度范围305内可以包括调节转子组件的加速度。在另一实施例中，保持在弓形转子减缓速度范围305内可以包括弓形转子减缓速度范围305内的总体稳态速度(即，近似零加速度)。

在另一实施例中，在1010处，确定转子组件的转速保持在弓形转子减缓速度范围内的时间段是基于润滑剂参数的测量或监测值。例如，参考图3-4，所述时间段可以基于接收润滑剂参数的值、将所述值与曲线图400进行比较，以及确定润滑剂参数的值是否在润滑剂参数范围405内。在各种实施例中，可以预先确定曲线图400，例如使润滑剂参数对应于振动响应轴402。在其它各种实施例中，所确定的时间段可以另外限定除了转子速度保持在弓形转子减缓速度范围305内的预定时间之外的时间段。例如，发动机10可以限定转子组件100在弓形转子减缓速度范围305内旋转的标称时间量。方法1000可以例如至少基于润滑剂参数另外限定除了转子组件100在弓形转子减缓速度范围305内旋转的标称时间量之外的延长的时间段。

因而，方法1000可以另外包括在1015处通过轴承组件处的一个或多个传感器监测或测量润滑剂参数。更进一步地，在各种实施例中，监测润滑剂参数可以包括通过一个或多个传感器连续地获取润滑剂参数。例如，润滑剂参数的连续获取可以在转子组件开始加速时(例如，从大约零RPM开始)或之前开始。作为另一实例，当转速至少近似于弓形转子减缓速度范围305或在弓形转子减缓速度范围305内时，可以开始连续地获取润滑剂参数。作为又一个实例，连续获取润滑剂参数可以确定何时转速可以增加到弓形转子减缓速度范围305之上(例如，增加到燃烧速度303或更高)。

在又一个实施例中，监测润滑剂参数可以包括通过一个或多个传感器间歇地获取润滑剂参数。例如，间歇地获取润滑剂参数可以大致在转子组件从零或静止起始加速时开始。作为另一实例，间歇地获取润滑剂参数可以大致在时间段307开始处(例如，加速到大致下限304)、在时间段307结束时，或其间的一个或多个点。

返回参考方法1000，在1010处，确定转子组件的转速保持在弓形转子减缓速度范围内的时间段可以另外至少基于发动机外部环境条件中的一个或多个。在各种实施例中，环境条件包括发动机外部环境空气的温度、压力或密度中的一个或多个。可以根据用润滑剂参数确定时间段来测量或监测和利用环境条件。例如，除了润滑剂参数之外的相对冷的环境条件可以产生与使用相同润滑剂参数的相对热的环境条件不同的时间段。作为另一实例，当转子组件加速时，环境条件可以影响或至少部分地确定润滑剂参数的变化率，从而影响转子组件保持在弓形转子减缓速度范围内旋转的时间段。在其它各种实施例中，确定保持转子组件的转速的时间段还可以基于发动机内的流体(例如，空气)的压力、温度或流速。例如，可以在压缩机22、24的入口、HP压缩机24的出口或燃烧区段的入口、涡轮28、30的入口或出口中的一个或多个处或在发动机10的排气区段处测量、监测或计算温度、压力或流速或其组合。更进一步地，在各种实施例中，确定保持转子组件的转速的时间段可以基于在壳体105的内部或外部中的一个或多个处或在转子组件100处或其组合的振动测量值。

方法1000还包括在1005处将转子组件加速到弓形转子减缓速度范围内(例如，图3中的弓形转子减缓速度范围305)。例如，加速转子组件通常可以是从零转/分钟(RPM)或静止开始。作为另一个例子，加速转子组件通常可以在转子组件处形成弓形转子状态或热弓曲，例如在发动机运行足够长的时间和/或在足够的功率或推力水平下产生转子组件上的热梯度。

方法1000还包括在1020处使转子组件在弓形转子减缓速度范围内旋转一段时间。在转子组件在弓形转子减缓速度范围内旋转的时间段期间，转子组件处的热梯度减小。因此，减小或消除弓形转子状态。在所述时间段之后，方法1000还包括在1030处将转子组件加速到燃烧速度(例如，图3中的燃烧速度303)以点燃燃料-氧化剂混合物从而产生燃烧气体。

本文中总体上提供的方法1000的实施例可以减小或消除转子组件(例如，转子组件100)处的热梯度以便减小或消除与弓形转子状态相关的不期望的振动响应。此外，减少或消除热梯度可以进一步减少或消除转子组件100相对于壳体105和/或发动机10的轴向中心线12的偏心率(即，非同心度)。本文中总体上描述的方法1000的实施例一般基于润滑剂参数中的一个或多个确定转子组件在弓形转子减缓速度范围内旋转的时间段。润滑剂参数或其范围通常可以对应于转子状态，例如允许进一步加速到燃烧速度和更高速度的或对于发动机通常是安全的可接受状态，或者其中加速度减小或消除并且转子组件的转速保持在弓形转子减缓速度范围内的弓形转子状态。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，且可以包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例具有与权利要求书的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么此类其它实例希望在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种起动燃气涡轮发动机的方法，其中所述发动机包括转子组件，所述转子组件包括各自连接到轴的压缩机转子和涡轮转子，其中所述转子组件连接到壳体内的轴承组件使得所述转子组件能够旋转，所述方法包括：

基于润滑剂参数确定所述转子组件的转速保持在弓形转子减缓速度范围内的时间段，其中所述弓形转子减缓速度范围限定为小于燃烧速度；

在所述弓形转子减缓速度范围内持续所述时间段旋转所述转子组件；以及

将所述转子组件加速到所述燃烧速度以点燃燃料-氧化剂混合物进行燃烧。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述润滑剂参数是通过所述转子组件所连接到的所述轴承组件的润滑剂的物理性质中的至少一个。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在以下一个或多个处限定所述润滑剂参数：所述轴承组件的润滑剂供应套管，阻尼器入口或清除套管，或其组合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

通过所述轴承组件处的一个或多个传感器监测所述润滑剂参数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，监测所述润滑剂参数包括通过一个或多个传感器连续地获取所述润滑剂参数。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，监测所述润滑剂参数包括通过一个或多个传感器间歇地获取所述润滑剂参数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述转子组件的转速保持在弓形转子减缓速度范围内的时间段还至少基于所述燃气涡轮发动机外部的环境空气的温度，压力或密度中的一个或多个。

8.一种起动燃气涡轮发动机的方法，其中所述发动机包括转子组件，所述转子组件包括各自连接到轴的压缩机转子和涡轮转子，其中所述转子组件连接到壳体内的轴承组件使得所述转子组件能够旋转，所述方法包括：

将所述转子组件加速到弓形转子减缓速度范围内，其中所述弓形转子减缓速度范围限定为小于燃烧速度；

至少基于润滑剂参数范围确定转子状态，其中所述转子状态确定是将所述转子组件加速到所述燃烧速度还是将所述转子组件保持在所述弓形转子减缓速度范围内；以及

基于所述转子状态旋转所述转子组件。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述润滑剂参数范围由下限和上限限定。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当所述润滑剂参数低于所述润滑剂参数范围的所述下限或高于所述润滑剂参数范围的所述上限时，所述转子状态确定为弓形转子状态。