CN110017181A - 转子弯曲管理 - Google Patents

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Abstract

一种减少燃气涡轮发动机的高压转子中的转子弯曲的方法，所述燃气涡轮发动机在轴向流动中具有低压转子和高压转子。所述方法包括(a)在发动机运转时储存来自所述燃气涡轮发动机的引气，以提供储存的气动能量；和(b)在发动机关闭后使用储存的气动能量使所述高压转子以一定的速度旋转并持续减少转子弯曲的持续时间。还公开了一种燃气涡轮发动机，其中通过执行上述方法减少了发动机关闭后高压转子中的转子。

Description

转子弯曲管理
相关申请的交叉引用
本说明书基于并要求2017年12月15日提交的英国专利申请第GB 1720944.6号的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及燃气涡轮发动机及其制造。更具体地，本公开涉及一种管理燃气涡轮发动机(例如民用航空燃气涡轮发动机)中的转子弯曲的方法。
背景技术
燃气涡轮发动机通常在轴向流动中具有低压转子和高压转子。一些发动机在低压转子和高压转子之间具有中压转子。转子在操作中暴露于高温，导致它们膨胀。高压转子通常暴露于这些温度中的最高温度。
当燃气涡轮发动机关闭时，例如由于热量上升而在发动机的上半部和下半部之间发生的不均匀冷却通常导致发动机转子在冷却期间弯曲或变形。高压转子特别容易发生这种膨胀。
弯曲可以在几分钟之内变得明显，例如10分钟，并持续几个小时，例如长达8小时，这取决于所涉及的发动机。如果在存在转子弯曲的情况下启动发动机，则存在压缩机叶片摩擦将发生而损坏发动机的风险。
通常，飞行员和商业航空公司经常需要能够在地面上执行严格时间线的发动机启动，因此非常不希望仅仅由于转子弯曲而导致不得不延迟起飞或者通过在存在残余转子弯曲时启动发动机而冒发动机磨损或发动机损坏的风险。
解决这些问题的现有尝试可以概括为包括启动之前干曲柄启动的方法和关闭之后电动机驱动的方法。
在启动之前干曲柄启动的方法中，发动机在启动之前是干曲柄启动的(也称为干式循环)，其速度和持续时间足以将任何转子弯曲减少到允许发动机安全启动的水平。干曲柄启动意味着通过启动马达以死曲柄速度使发动机曲柄起动几分钟，但燃料关闭并且点火器被禁用。
然而，这种启动之前干曲柄启动的方法需要将发动机干曲柄启动几分钟并且通常不被通常需要发动机启动时间小于一分钟的航空公司操作员接受。这种方法还存在风险：油损、启动马达过热以及可能的转子锁定。
欧洲专利申请EP 3051074 A1公开了一种启动发动机的方法，解决了弯曲转子现象。该方法是上述启动之前干曲柄启动的方法的实例。EP 3051074 A1的方法包括加速阶段，其中转子的转速朝向燃烧速度增加以迫使空气通过发动机；弯曲转子冷却阶段，其在加速阶段期间，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条件，其中强制通过燃气涡轮发动机的空气冷却转子；和燃烧阶段，其在弯曲转子冷却阶段之后并且在达到燃烧速度时，其中燃料被供应到燃气涡轮发动机并且点火开启。
用于解决转子弯曲的关闭之后电动机驱动的方法涉及在发动机关闭之后通过安装在附件齿轮箱上的电驱动马达驱动高压转子。美国专利申请US2017/0234166 A1公开了一种采用这种方法的弯曲转子防止系统。该系统包括热电发电机，其可操作以从发动机的废热产生电力，并且由热电发电机产生的电力为弯曲转子防止电动机提供动力，该电动机可操作以驱动发动机的涡轮机械旋转。
关闭之后电动机驱动的方法的问题是提供合适的电源。从飞机动力供电通常是不合适的，因为对于许多飞机发动机，尤其是民用航空发动机，飞机动力只能在发动机起动期间使用。在所有其他时间，发动机必须在电力方面自给自足。从电池供电的电力通常是不合适的，因为飞机发动机，特别是民用航空发动机中经历的高温引起技术挑战，包括安全问题，因为使用电池可能是火灾危险。电池会随着时间的推移而降级并最终需要更换，通常在1000次充电/放电循环后，具体取决于电池类型。此外，存储在电池中的能量的量不能如此精确地确定，并且通常需要在充电/放电循环期间密切监视电压/电流。即使实施了这一点，也只能估算储存能量的量。
本公开提供了一种管理转子弯曲的方法，其克服了所述方法的缺点或至少提供了对这些方法的有用替代方案。
发明内容
在第一方面，本发明提供了一种减少燃气涡轮发动机的高压转子中的转子弯曲的方法，该燃气涡轮发动机在轴向流动中具有低压转子和高压转子，该方法包括以下步骤：
(a) 在发动机运转时储存来自燃气涡轮发动机的引气，以提供储存的气动能量；和
(b) 在发动机关闭后使用储存的气动能量使高压转子以一定的速度旋转并持续减少转子弯曲的持续时间。
本公开的方法降低了转子弯曲的发生率和/或严重性。它还减少了在一次飞行后关闭燃气涡轮发动机和安全地重新启动燃气涡轮发动机以进行另一次飞行之间的时间。
现在将阐述本公开的燃气涡轮发动机中的转子弯曲管理方法的可选特征。这些可单独应用或与本发明的任何方面任意组合应用。
燃气涡轮发动机可包括在轴向流动中的低压压缩机，可选地中压压缩机，和高压压缩机，并且引气由高压压缩机提供。
存储的气动能量可以是压缩空气的形式。
存储的气动能量可以由气动能量存储系统提供，该气动能量存储系统包括空气罐、气动马达、附件齿轮箱和微控制器。
气动能量存储系统可以由可再充电电池供电，该可再充电电池由由附件齿轮箱驱动的永磁交流发电机再充电。
高压转子可以以0.1rpm至20rpm的速度旋转1分钟至10小时。
高压转子可以以0.5rpm至15rpm的速度旋转5分钟至8小时。
高压转子可以连续旋转该持续时间。
高压转子可以不连续地旋转该持续时间。
高压转子可以以约180°/转旋转。
在第二方面，本发明提供一种燃气涡轮发动机，其在轴向流动中具有低压转子和高压转子，其中通过执行上述方法减小了发动机关闭后高压转子中的转子弯曲。
本领域技术人员将了解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征可以在必要的变更后应用于任何其它方面。此外，除非相互排斥，否则在本文描述的任何特征可应用于任何方面和/或与本文描述的任何其它特征组合。
这里使用的术语“转子弯曲”是指转子(例如燃气涡轮发动机的转子)的轴向变形，其在转子在发动机关闭后冷却时发生，通常是由于发动机的部件例如典型地上半部和下半部之间的不均匀冷却。弯曲可以在几分钟之内变得明显，例如10分钟，并持续几个小时，例如长达8小时，这取决于所涉及的发动机。
这里使用的术语“转子”是指轴或轴的系统，其提供发动机的主旋转轴，例如燃气涡轮发动机。
这里使用的术语“高压转子”是指驱动转子将高压涡轮连接到燃气涡轮发动机中的高压压缩机。当燃气涡轮发动机是双轴燃气涡轮发动机时，通常存在分别连接到低压压缩机和高压压缩机的低压涡轮和高压涡轮，高压转子是两个转子旋转更快的。当燃气涡轮发动机是三轴燃气涡轮发动机时，通常存在低压涡轮、中压涡轮和高压涡轮，它们分别连接到低压压缩机、中压压缩机和高压压缩机，高压转子是三个转子中旋转最快的。
这里使用的术语“转子组件”是指带有叶片的轴或鼓。
除了在操作实施例中或另有说明之外，表示本文所用成分的量的所有数字应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。
在整个说明书和所附权利要求中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”或诸如“包含(comprises/comprising)”的变体将被理解为暗示包含所述的整数或整数组但不排除任何其他所述的整数或整数组。
附图说明
仅通过示例的方式参考附图描述了本公开的某些方面或实施例。在附图中，
图1是燃气涡轮发动机的侧剖视图。
图2是齿轮式风扇燃气涡轮发动机的已知机械装置的侧剖视图。
图3示出了用于图2中所示的齿轮式风扇燃气涡轮发动机的行星齿轮箱的典型布置。
图4是燃气涡轮发动机的转子的示意性截面侧视图，该转子经历转子弯曲。
图5是控制转子弯曲的本公开的气动系统的示意图。
具体实施方式
本公开涉及减少燃气涡轮发动机中的转子弯曲的方法，用于控制燃气涡轮发动机的转子中的转子弯曲的气动系统，以及包括该气动系统的燃气涡轮发动机。
如上所述，当燃气涡轮发动机关闭时，它将经历称为转子弯曲的状态，由此发动机转子或轴经历在发动机的上部和下部上产生的热梯度的影响。冷却期间的自然对流过程导致发动机的下部比上部更快地冷却。因此，发动机转子经历这种温差，该温差通常导致提供发动机的主旋转轴的一个或多个转子(通常是转子系统)的轻微弯曲。转子弯曲通常尤其影响高压转子。
在一些情况下，如果转子或转子系统在变形状态下重新启动(例如由于压缩机叶片摩擦)，则转子或转子系统的变形程度可足以损坏发动机。变形随着导致其逐渐消散的热梯度而减小，但这可能花费数小时，这对于飞行员、机组人员、乘客和航空公司操作员来说非常不方便。
概括地说，减少燃气涡轮发动机的高压转子中的转子弯曲的方法包括两个步骤。
本公开的方法的步骤(a)涉及在发动机运转时存储来自燃气涡轮发动机的引气以提供存储的气动能量。
本公开的方法的步骤(b)涉及在发动机已经关闭之后使用所存储的气动能量使高压转子以一定速度旋转并持续减小转子弯曲的持续时间。
燃气涡轮发动机可以在轴向流动中包括低压涡轮机，可选地中压涡轮机，和高压涡轮机。燃气涡轮发动机还可以在轴向流动中包括低压压缩机，可选地中压压缩机，和高压压缩机。这些涡轮机和压缩机的结构、压力和速度取决于相关飞机的设计。
用于本公开的方法的引气可以由燃气涡轮发动机的低压压缩机、中压压缩机(如果有的话)和/或高压压缩机提供。在某些实施例中，用于本公开的方法的引气由高压压缩机提供，例如从高压压缩机的出口提供。引气以合适的压力供应，例如高达7MPa(1,015psia)，更特别是约5.5MPa(800psia)，在起飞期间以最大功率进行充电。
气动能量可以以压缩空气的形式存储。为此目的提供了合适的气动能量存储系统。
就电力的使用而言，气动能量存储系统可以是自给自足的。然而，在某些实施例中，气动能量存储系统由可再充电电池供电，例如，其由附件齿轮箱驱动的永磁交流发电机再充电。可再充电电池的尺寸可以设定成允许其位于金属壳体中，例如位于风扇壳体或飞行器本身中，并且通过低载流电缆连接。
在一些实施例中，存储的气动能量也可用于在发动机关闭之后为一个或多个其他系统供电，例如冷却系统。这种冷却可以例如在关闭时管理热量回流，即，它使热敏系统周围的冷却介质循环，以防止它们经历过多的发动机热回放温度。
在一些实施例中，气动能量存储系统包括空气罐、气动马达、附件齿轮箱和微控制器。
空气罐由燃气涡轮发动机的压缩机提供的引气加压，在发动机运转时供应所述引气。如上所述，在某些实施例中，引气从高压压缩机供应。
在一些实施例中，不是驱动专用气动马达，而是可以将空气罐中存储的气动能量供应到空气涡轮启动器(ATS)以曲柄转动相关转子，例如高压转子。这减少了对附件齿轮箱上的专用气动马达的需求。
步骤(b)中提到的转子是高压转子。低压转子是将低压涡轮连接到低压压缩机的转子。中压转子(如果有的话)是将中压涡轮(如果有的话)连接到中压压缩机(如果有的话)的转子。高压转子是将高压涡轮连接到高压压缩机的转子。高压转子由于其在发动机中的位置和功能而易于转子弯曲。当高压转子很长时，例如为了容纳许多压缩机级，问题更加严重。在发动机包括附件齿轮箱的某些实施例中，高压转子与附件齿轮箱接合。发动机可以配置成使得附件齿轮箱能够在关闭时旋转高压转子。
在发动机关闭之后使用存储的气动能量以使发动机的高压转子以一定的速度旋转并且持续减少转子弯曲的持续时间。合适的速度和持续时间将至少部分地取决于所涉及的发动机。合适的速度和持续时间还可以至少部分地取决于刚刚采取的飞行的性质，即高压转子的膨胀将部分取决于其在飞行期间暴露的温度、飞行的持续时间和/或飞行的速度。
为了节省能量，高压转子可以间歇地旋转，例如使用合适的可变工作循环。
在燃气涡轮发动机关闭后不久，转子弯曲可能发展，因此通常建议在发动机关闭后不久使用本发明的方法，例如在发动机被关闭的5分钟内，例如在2分钟内。理想地，在发动机关闭后立即采用本发明的方法。
在一些实施例中，高压转子以0.1rpm至20rpm、例如0.5rpm至15rpm的速度旋转1分钟至10小时，例如5分钟至8小时。这将允许发动机在关闭后随时重新启动。
在一些实施例中，高压转子以1rpm至10rpm的速度旋转，例如1rpm至5rpm，旋转1分钟至10小时，例如5分钟至8小时。这将允许发动机在关闭后随时重新启动。
在一些实施例中，高压转子以1rpm至10rpm的速度旋转，例如1rpm至5rpm，旋转10分钟至6小时，例如10分钟至4小时。这将允许发动机在关闭后随时重新启动。
在一些实施例中，高压转子在连续的/不间断的基础上连续地以上述速度和持续时间旋转所述持续时间。
在一些实施例中，高压转子以0.1rpm至20rpm，例如0.5rpm至15rpm的速度连续旋转1分钟至10小时，例如5分钟至8小时。这将允许发动机在关闭后随时重新启动。
在一些实施例中，高压转子在该持续时间内，在上述速度和持续时间内不连续地旋转，即在不连续/间歇的基础上持续旋转。
例如，代替以0.1 rpm至20 rpm的速度旋转高压转子2分钟至10小时的连续期间，高压转子以0.1 rpm至20 rpm的速度旋转2分钟到4小时的两段时间，相隔5分钟到10分钟的时间段。旋转的速度、旋转持续时间和旋转之间的时间即停留时间的长度可以由本领域技术人员适当地确定，以减少转子弯曲。间歇地旋转高压转子意味着气动储能系统仅需要间歇地提供能量。这可以延长气动储能系统可以运行的时间。
在一些实施例中，高压转子以0.1rpm至20rpm的速度旋转，例如0.5rpm至15rpm，持续2分钟至1小时，例如3分钟至30分钟，然后不旋转2分钟到10分钟，例如3分钟到5分钟，并相应地循环，以便在关闭后随时重新启动发动机。
在一些实施例中，旋转速度和/或旋转持续时间和/或停留时间的长度在循环之间变化，以优化转子弯曲的减小。
在一些实施例中，高压转子以约180°/转旋转。以这种方式，存储的气动能量的最小量被用于最佳地校正转子弯曲，因为高压转子当旋转180゜时趋向于向上弯曲，转子将逐渐恢复到不弯的状态，即对准发动机旋转轴。最小化用于减少转子弯曲的存储的气动能量的量使得能够使用更小和更轻的罐来存储提供存储的气动能量的引气。减轻发动机重量可提高燃油消耗率(SFC)。
概括地说，本发明还提供一种燃气涡轮发动机，其在轴向流动中具有低压转子和高压转子，其中通过执行上述方法减小了发动机关闭后高压转子中的转子弯曲。
现在仅通过示例的方式描述某些实施例：
图1示出了具有主旋转轴9的燃气涡轮发动机10。发动机10包括进气口12和推进风扇23，推进风扇23产生两个气流A和B。燃气涡轮发动机10包括核心发动机11，其在轴向流A中具有低压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮机17、低压涡轮机19和核心排气喷嘴20。舱21围绕燃气涡轮发动机10并且在轴向流B中限定旁路管道22和旁路排气喷嘴18。风扇23经由轴26和行星齿轮箱30附接到低压涡轮机19并由低压涡轮机19驱动。
燃气涡轮发动机10以常规方式工作，其中核心气流A中的空气被低压压缩机14加速和压缩并被引导到高压压缩机15中，在那里进一步发生压缩。从高压压缩机15排出的压缩空气被引导到燃烧设备16中，在那里它与燃料混合并且混合物被燃烧。然后，所产生的热燃烧产物膨胀，从而在通过喷嘴20排出之前驱动高压和低压涡轮机17、19，以提供一些推进推力。高压涡轮机17通过合适的互连轴驱动高压压缩机15。风扇23通常提供大部分推进推力。行星齿轮箱30是减速齿轮箱。
用于齿轮式风扇燃气涡轮发动机10的已知机械装置如图2所示。低压涡轮机19驱动轴26，轴26联接到行星齿轮装置30的太阳轮或太阳齿轮28。太阳齿轮28的径向向外并且以传统方式与其相互啮合的是多个行星齿轮32，它们通过行星齿轮架34连接在一起。行星齿轮架34约束行星齿轮32以同步方式围绕太阳齿轮28进动，同时使每个行星齿轮32绕其自身轴线旋转。行星齿轮架34经由连杆36联接到风扇23，以驱动其围绕发动机轴线9的旋转。行星齿轮32的径向向外并且与其相互啮合的是环状或环形齿轮38，其经由连杆40联接到固定支撑结构24。
行星齿轮箱30是行星式的，因为行星齿轮架34绕太阳齿轮28旋转并且通过连杆36联接到输出轴。在其他应用中，齿轮箱30可以是差速齿轮箱，其中环形齿轮38也以相反的方向旋转并且通过连杆40联接到不同的输出轴。
行星齿轮箱30必须由油或其他流体润滑。然而，通过在行星齿轮箱30的操作期间运行，油变热。此外，油可能积聚来自行星齿轮箱30的部件的微粒碎屑，这可能导致卡住或其他问题。因此，需要从行星齿轮箱30有效地喷射油，以允许通过喷洒新鲜的冷油来更换油。油的喷射，特别是在返回到供应新鲜油的储器之前被收集用于清洁时，被称为油清除。
行星齿轮箱的典型布置如图3所示。太阳齿轮28、行星齿轮32和环形齿轮38中的每一个包括在其周边的齿以与其他齿轮相互啮合。然而，为清楚起见，图3中仅示出了齿的示例性部分。示出了四个行星齿轮32，但是对于本领域技术人员显而易见的是，可以在要求保护的发明的范围内提供更多或更少的行星齿轮32。行星齿轮箱30的实际应用通常包括至少三个行星齿轮32。
另外地或替代地，齿轮箱可驱动额外和/或替代的组件（例如中压压缩机和/或增压压缩机、螺旋桨(航空或水力的)或发电机）。另外地或替代地，这种发动机可具有替代数量的压缩机和/或涡轮和/或替代数量的互连轴。
图4是燃气涡轮发动机的转子的截面侧视图，该转子经历转子弯曲。所示的转子45相对于支撑转子的轴承46和发动机的主旋转轴线9的变形。
图5描绘了适用于本公开的方法的气动能量存储系统的一个实施例。气动能量存储系统50包括安装在燃气涡轮发动机的发动机核心52上的空气罐51。引气由发动机核心52内的高压压缩机(未示出)通过管道53提供。单向阀54控制引入空气罐51的引气流。空气罐51具有减压阀55，其用于防止空气罐51超过其安全操作压力。作为指导，水肺潜水罐可以在高达约25MPa(3,625psia)的压力下填充，即远高于空气罐51中的引气的合适压力，其例如高达7MPa(1,015psia)，更特别是约5.5MPa(800psia)。
来自空气罐51的加压空气经由管61提供给气动马达60。气动马达60经由附件齿轮箱63附接到发动机风扇壳体62。提供电磁阀64以控制从管61进入气动马达60的引气流。电磁阀64由微控制器65操作，微控制器65由可再充电电池66供电。可再充电电池66由安装在附件齿轮箱63上的永磁交流发电机(PMA)67充电。空气罐51可以设置有连接到微控制器65的压力传感器(未示出)。该压力传感器可用于监测存储在空气罐51中的空气的压力，使得微控制器65可以充分利用所存储的能量，即通过使用适合于存储的能量的安排。压力传感器还可用于检测和报告系统的故障，例如空气罐、阀门或管道中的空气泄漏。
在使用中，来自压缩机(例如高压压缩机)的引气在发动机运转(例如在起飞期间以最大功率)运行时经由单向阀54供应到空气罐51中。在一些实施例中，引气来自高压压缩机的出口，例如高达7MPa(1,015psia)，更特别是约5.5MPa(800psia)。在飞机着陆并且发动机已经关闭之后，电池供电的微控制器65操作电磁阀64以将来自空气罐51的空气经由管道61安排到安装在附件齿轮箱63的驱动垫(未示出)上的气动马达60。附件齿轮箱63使转子旋转一段时间并且以低速旋转，该低速足以防止转子弯曲或至少最小化任何弯曲的程度和/或减少任何弯曲所需的时间以消散到重启发动机是安全的水平。附件齿轮箱63可以周期性地使转子低速旋转，例如大约1rpm，以防止过度的转子弯曲。
当发动机运转时，可充电电池66由附属齿轮箱63上的永磁交流发电机67充电。使用合适的装置确定和监测存储在电池中的能量，例如参考充电和放电循环期间的电压和电流。
在图5所示的布置中，气动马达60安装在附件齿轮箱63上，然而，气动马达50可以替代地设置为独立单元，或者可以集成到安装在附件齿轮箱63上的附件之一中。
气动马达可设置有离合器(未示出)，该离合器自动地使气动马达与附件齿轮箱63脱离，以防止气动马达在发动机运转时以过高的速度旋转。离合器可以是楔块式离合器或类似的离合器装置。
通过测量空气罐的压力可以精确地计算存储的气动能量。
应当理解，本公开不限于上述实施例，并且在不脱离本文描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则特征中的任何一个可以单独使用或与任何其它特征组合使用，且本公开扩展到且包含本文描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (14)

1. 一种减少燃气涡轮发动机的高压转子中的转子弯曲的方法，所述燃气涡轮发动机在轴向流动中具有低压转子和高压转子，所述方法包括以下步骤：
(a) 在发动机运转时储存来自所述燃气涡轮发动机的引气，以提供储存的气动能量；和
(b) 在发动机关闭后使用储存的气动能量使所述高压转子以一定的速度旋转并持续减少转子弯曲的持续时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃气涡轮发动机包括在轴向流动中的低压压缩机，可选地中压压缩机，和高压压缩机，并且引气由所述高压压缩机提供。
3.根据权利要求1所述的方法，其中存储的气动能量是压缩空气的形式。
4.根据权利要求3所述的方法，其中存储的气动能量由气动能量存储系统提供，所述气动能量存储系统包括空气罐、气动马达、附件齿轮箱和微控制器。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述气动能量存储系统由可再充电电池供电，该可再充电电池由附件齿轮箱驱动的永磁交流发电机再充电。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述高压转子以0.1rpm至20rpm的速度旋转1分钟至10小时。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述高压转子连续旋转所述持续时间。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述高压转子在所述持续时间内不连续地旋转。
9.根据权利要求8的方法，其中所述高压转子以约180°/转旋转。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述高压转子以0.5rpm至15rpm的速度旋转5分钟至8小时。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述高压转子连续旋转所述持续时间。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述高压转子在所述持续时间内不连续地旋转。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述高压转子以约180°/转旋转。
14.一种燃气涡轮发动机，其在轴向流动中具有低压转子和高压转子，其中通过执行权利要求1中所述的方法减小了发动机关闭后高压转子中的转子弯曲。
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