CN110872955A - 涡轮发动机中的可变喷嘴及其相关方法 - Google Patents

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CN110872955A CN201910820653.7A CN201910820653A CN110872955A CN 110872955 A CN110872955 A CN 110872955A CN 201910820653 A CN201910820653 A CN 201910820653A CN 110872955 A CN110872955 A CN 110872955A
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Abstract

本发明提供了一种具有可变喷嘴组件的涡轮发动机(10)，该可变喷嘴组件包括：分段轴(30)，该分段轴(30)在包括在分段轴(30)内的区段之间转移扭矩。分段轴(30)可以包括第一区段(31)和第二区段(32)。分段轴(30)的第一区段(31)可以包括：径向延伸跨过在内部平台(28)与外部平台(29)之间形成的环带(25)的翼片(23)；从翼片(23)的外端延伸的外杆(39)；以及从翼片(23)的内端延伸的内杆(38)。第一连接器和第二连接器(41、42)可以分别将第一区段(31)连接到内部平台(28)和外部平台(29)。第三连接器(43)可以将第一区段(31)连接到第二区段(32)。第一连接器和第二连接器(41、42)可以分别包括第一球面轴承和第二球面轴承。第三连接器(43)可以包括第一万向接头。

Description

涡轮发动机中的可变喷嘴及其相关方法
背景技术
本文所公开的主题涉及具有可变几何形状流量部件的涡轮发动机，并且更具体地但非排他地，涉及具有可变定子叶片或喷嘴的涡轮发动机。
为了改善性能，涡轮发动机可以包括一排或多排可变定子叶片或喷嘴(“可变喷嘴”)，其被配置成围绕其纵向轴线旋转以便改变流路几何形状。此类可变喷嘴通常允许通过以下方式在更宽的可操作范围内增强效率：经由旋转喷嘴翼片相对于工作流体流取向的角度来控制工作流体通过工作流体流路的流动。可变喷嘴的旋转通常通过将驱动臂附接到每个喷嘴，并且然后将杠杆接合到相对于涡轮壳体基本上同心设置的同步环来实现。当同步环通过致动器旋转时，杠杆臂对应地旋转，由此致使每个喷嘴围绕其纵向轴线旋转。
由于在一定范围的零件负载和环境状况下的改进输出和效率，向涡轮发动机的喷嘴提供可变几何形状能力仍然是感兴趣的领域。然而，现有系统具有各种缺点，包括例如与用于将必要扭矩从驱动臂转移到喷嘴翼片的组件相关的耐久性、泄漏、可施工性和安装问题。因此，仍然需要在该技术领域中的进一步发展。
发明内容
因此，本申请描述了具有可变喷嘴组件的涡轮发动机，该可变喷嘴组件包括：具有翼片的可变喷嘴，该翼片径向延伸跨过在内部平台与外部平台之间形成的环带；以及分段轴，该分段轴在其内包括的区段之间转移扭矩。分段轴可以包括第一区段和第二区段。分段轴的第一区段可以包括：可变喷嘴的翼片；从翼片的外端延伸的外杆；以及从翼片的内端延伸的内杆。第一连接器和第二连接器可以分别将第一区段连接到内部平台和外部平台。第三连接器可以将第一区段连接到第二区段。第一连接器和第二连接器可以分别包括第一球面轴承和第二球面轴承。第三连接器可以包括第一万向接头。
附图说明
通过仔细研究下面结合附图对本发明的示例性实施方案的更详细描述，将更全面地理解和领会本发明的这些和其他特征，其中：
图1是根据本发明的方面或者其中可以使用本发明的示例性气体涡轮发动机的示意性剖视表示；
图2是图1的气体涡轮发动机的压缩机部分的剖视图；
图3是图1的气体涡轮发动机的涡轮部分的剖视图；
图4是包括根据本申请的示例性可变喷嘴组件的工作流体流路的剖视图；
图5是可与图4的可变喷嘴组件一起使用的示例性连接器和其他部件的剖视图；
图6是可与图4的可变喷嘴组件一起使用的示例性连接器和其他部件的剖视图；
图7是可与图4的可变喷嘴组件一起使用的示例性连接器和其他部件的剖视图；
图8是根据本发明的示例性实施方案的可变喷嘴子组件的视图；
图9示出了可以包括在构造根据本发明的实施方案的可变喷嘴的方法中的示例性步骤；
图10示出了可以包括在构造根据本发明的实施方案的可变喷嘴的方法中的示例性步骤；
图11示出了可以包括在构造根据本发明的实施方案的可变喷嘴的方法中的示例性步骤；
图12示出了可以包括在构造根据本发明的实施方案的可变喷嘴的方法中的示例性步骤；
图13示出了可以包括在构造根据本发明的实施方案的可变喷嘴的方法中的示例性步骤；
图14示出了可以包括在构造根据本发明的实施方案的可变喷嘴的方法中的示例性步骤；
图15示出了可以包括在构造根据本发明的实施方案的可变喷嘴的方法中的示例性步骤；
图16示出了可以包括在构造根据本发明的实施方案的可变喷嘴的方法中的示例性步骤；
图17示出了可以包括在构造根据本发明的实施方案的可变喷嘴的方法中的示例性步骤；并且
图18示出了可以包括在构造根据本发明的实施方案的可变喷嘴的方法中的示例性步骤。
具体实施方式
本申请的各方面和优点将在以下描述中阐述，或者可以从该描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来了解。现在将详细参考本发明的当前实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。该详细描述使用数字标号来指代附图中的特征。可以使用附图和描述中的相同或类似标号来指代本发明的实施方案的相同或类似部件。将会知道，每个示例是通过解释本发明的方式提供的，而不是对本发明的限制。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或实质的情况下，可以对本发明进行修改和变型。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可以在另一个实施方案上使用，以产生又一个实施方案。本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变型。应当理解，除非另有说明，否则本文提及的范围和限制包括位于规定限度内的所有子范围，包括限度本身。附加地，已经选择了某些术语来描述本发明及其部件子系统和零件。在可能的范围内，这些术语是基于技术领域常用的术语选择的。仍然，应当理解，此类术语通常受到不同的解释。例如，在本文中可引用为单个部件的内容可在别处被引用为由多个部件组成，或者在本文中可引用为包括多个部件的内容可在别处被引用为单个部件。因此，在理解本发明的范围时，不仅应当关注所使用的特定术语，而且应当关注所附的描述和上下文，以及所引用的部件的结构、配置、功能和/或使用，包括该术语与几个附图相关的方式，以及当然还有在所附权利要求中的术语的使用。
关于特定类型的涡轮发动机呈现以下示例。然而，应当理解，本申请的技术可以适用于其他类别的涡轮发动机，但不限于此，如相关技术领域的普通技术人员将理解的。因此，除非另有说明，否则本文中术语“涡轮发动机”的使用旨在是广泛的并且不限制所要求保护的发明与不同类型的涡轮发动机(包括各种类型的燃烧涡轮发动机或气体涡轮发动机和蒸汽涡轮发动机)的使用。
鉴于涡轮发动机如何操作的性质，几个术语可能在描述其功能的某些方面时证明特别有用。例如，术语“下游”和“上游”在本文中用于指示指定导管或流路内的相对于运动通过其的流体的流动的方向或“流动方向”的位置。因此，术语“下游”是指流体流过指定导管的方向，而“上游”是指与其相反的方向。这些术语应被解释为引用在给定正常或预期操作下通过导管的流动方向。
附加地，鉴于涡轮发动机的配置，特别是围绕公共轴或中心轴的部件的布置，可有规律地使用描述相对于轴线的位置的术语。在这方面，应当理解，术语“径向”是指垂直于轴线的运动或位置。与此相关，可能要求描述距中心轴线的相对距离。在此类情况下，例如，如果第一部件比第二部件更靠近中心轴线，则第一部件将被描述为第二部件的“径向向内”、“内部”或“内侧”。另一方面，如果第一部件比第二部件更远离中心轴线，则第一部件将被描述为第二部件的“径向向外”、“外部”或“外侧”。如本文所用，术语“轴向”是指平行于轴线的运动或位置，而术语“周向”是指围绕轴线的运动或位置。除非另有说明或通过上下文清楚地表明，否则这些术语应当被解释为涉及由延伸穿过其中的轴限定的涡轮的中心轴线，即使这些术语描述或要求保护其中起作用的非整体部件(诸如转子叶片或喷嘴)的属性。最后，术语“转子叶片”是指在操作期间围绕涡轮发动机的中心轴线旋转的叶片，而术语“定子叶片”或“喷嘴”是指保持静止的叶片。
在现在参考附图的背景下，图1至图3示出了根据本发明或可在其内使用本发明的方面的示例性气体涡轮发动机。本发明可以不限于这种类型的使用。如本领域普通技术人员将认识到的，本发明可以用于气体涡轮(诸如用于发电和飞机的发动机)和/或蒸汽涡轮发动机，以及其他类型的旋转发动机。图1是气体涡轮发动机10的示意图。一般来讲，气体涡轮发动机通过从压缩空气流中的燃料燃烧所产生的加压热气流中提取能量来操作。如图1所示，气体涡轮发动机10可以被配置有通过公共轴或转子机械地联接到下游涡轮部分或涡轮12的轴流式压缩机11，以及定位在压缩机11与涡轮12之间的燃烧器13。如图1所示，气体涡轮发动机可以围绕共同中心轴线19形成。
图2示出了可用于图1的气体涡轮发动机的示例性多级轴流式压缩机11的视图。如图所示，压缩机11可以具有多个级，每个级包括一排压缩机转子叶片14和一排压缩机定子叶片或喷嘴15。因此，第一级可以包括围绕中心轴旋转的一排压缩机转子叶片14，接着是在操作期间保持静止的一排压缩机喷嘴15。图3示出了可用于图1的气体涡轮发动机的示例性涡轮部分或涡轮12的局部视图。涡轮12也可以包括多个级。示出了三个示例性级，但可以存在更多或更少的级。每个级可以包括在操作期间保持静止的多个涡轮定子叶片或喷嘴17，接着是在操作期间围绕轴旋转的多个涡轮斗或转子叶片16。涡轮喷嘴17通常沿周向彼此间隔开并且围绕旋转轴线固定到外壳体。涡轮转子叶片16可安装在涡轮叶轮或转子盘(未示出)上以围绕中心轴线旋转。应当理解，涡轮喷嘴17和涡轮转子叶片16位于通过涡轮12的热气体路径或工作流体流路中。工作流体流路内的燃烧气体或工作流体的流动方向由箭头指示。
在气体涡轮发动机10的操作的一个示例中，轴流式压缩机11内的压缩机转子叶片14的旋转可以压缩空气流。在燃烧器13中，当压缩空气与燃料混合并点燃时，可以释放能量。然后将所得的来自燃烧器13的热气体或工作流体的流导向涡轮转子叶片16，这诱导涡轮转子叶片16围绕轴旋转。以这种方式，工作流体流的能量被转换成旋转叶片的机械能，并且在给定转子叶片与轴之间的连接的情况下，转换成旋转轴的机械能。然后可使用轴的机械能来驱动压缩机转子叶片14的旋转，使得产生必要的压缩空气供应，并且还例如驱动发电机以产生电力。
图4示出了示例性可变喷嘴组件20，其可以结合到涡轮发动机中(诸如例如气体涡轮发动机10)。在该示例中，可变喷嘴组件20是涡轮喷嘴组件。然而，可变喷嘴组件20可以结合到压缩机中。将会知道，虽然本说明书将集中于描述单个可变喷嘴组件20，但多个此类可变喷嘴组件通常彼此机械附接并围绕中心轴线19环形设置以形成完整的喷嘴排。可变喷嘴组件20通常包括可变喷嘴21，该可变喷嘴使翼片23在两个或更多个操作位置之间旋转以改变通过穿过发动机限定的工作流体流路的流动区域。以这种方式，可以可控制地修改流路特性，如上所述，其可以用于在更大范围的零件负载和环境状况下改善输出和效率。如下面将进一步讨论的，可变喷嘴组件20可以包括可变喷嘴21与固定喷嘴17的联接。因此，如图所示，该排固定喷嘴17可以在该排可变喷嘴21的前面或上游。如进一步所示，一排转子叶片16可以定位到联接排的固定喷嘴17和可变喷嘴20的每一侧。
一般来讲，根据本申请的公开内容，可变喷嘴组件20可包括可变喷嘴21，其中翼片23径向延伸跨过工作流体流路或环带25。环带25通常由本文将称为“平台”的结构限定。因此，如本文所用，环带25限定在分别对应于可变喷嘴21和固定喷嘴17的一对下游的内部平台和外部平台(或“下游内部平台28a”和“下游外部平台29a”)与一对上游的上游内部平台和外部平台(或“上游内部平台28b”和“上游外部平台29b”)之间。限定环带25的内边界的所描绘的内部平台28可以被称为对应于可变喷嘴21的下游内部平台28a，以及对应于固定喷嘴17的上游内部平台28b。同样地，限定环带25的外边界的所描绘的外部平台29可以被称为对应于可变喷嘴21的下游外部平台29a，以及对应于固定喷嘴17的上游外部平台29b。上游内部平台28b可以经由沿邻接侧壁形成的刚性连接件(诸如通过机械紧固件，例如螺栓)来连接到下游内部平台28a。最后，外部平台29a、29b可以由结构壳体(“壳体26”)支撑，该结构壳体围绕涡轮形成并包封涡轮。例如，如图所示，外部平台29a、29b可以由壳体26经由周向接合的连接器支撑，其中外部平台29a、29b上的配合表面与形成在壳体26中的对应配合表面互锁。
如将看到的，可变喷嘴21的翼片23可以相对于内部平台28a和外部平台29a旋转，其中该旋转围绕翼片23的纵向轴线，该纵向轴线通常是径向定向的轴线，例如垂直于由中心轴19限定的发动机中心线。可变喷嘴21的翼片23可以被描述为具有内端和外端，其分别相对于内部平台28a和外部平台29a限定。
根据本申请的公开内容，可变喷嘴组件20包括分段轴30，如将看到的，该分段轴被配置成在包含在其内的区段之间转移扭矩。将会知道，该扭矩在输入装置(诸如所示的杠杆或驱动臂37)与可变喷嘴21的翼片23之间转移以便使翼片23围绕其纵向轴线旋转。以这种方式，翼片23相对于工作流体的流动方向的角位置被有利地改变以适应操作状况。如下面更详细描述的，分段轴30可以包括若干区段，包括例如第一区段31、第二区段32和第三区段33。
根据本申请的公开内容，分段轴30的第一区段31包括可变喷嘴21的翼片23和形成在翼片23的相对纵向端部处的杆。具体地，内杆38可以从翼片23的内端延伸，并且外杆39可以从翼片23的外端延伸。内杆38和外杆39可以与可变喷嘴21的翼片23一体地形成。相对于翼片23的中心主体，内杆38和外杆39在本文中可以被描述为具有远侧端部和近侧端部。
根据本申请的公开内容，分段轴30的第二区段32可以包括刚性轴或棒，其从它与第一区段31的端部形成的连接件处沿外侧方向延伸。第二区段32可以在内端和外端之间延伸，该内端和外端也可以分别称为第一纵向端部和第二纵向端部。如图所示，第二区段32的第一纵向端部可以连接到第一区段31的外杆39的远侧端部。
根据本申请的公开内容，分段轴30的第三区段33从与第二区段32形成的连接件处沿外侧方向延续。与第二区段32一样，第三区段33可以被描述为在内端和外端之间延伸，该内端和外端也可以分别称为第一纵向端部和第二纵向端部。如图所示，第三区段33的第一纵向端部可以连接到第二区段32的第二纵向端部。如进一步所示，在其第一纵向端部和第二纵向端部之间，第三区段33可以延伸通过穿过涡轮的壳体26形成的开口(下面称为“壳体开口95”)。附加地，第三区段33的第二纵向端部可以包括带有驱动臂37的连接件，该驱动臂递送通过分段轴30转移的扭矩以用于旋转可变喷嘴21的翼片23。
现在还将参考图5至图7进行描述，可变喷嘴组件20可以具有多个连接器，该多个连接器包括一种或多种类型的接头和轴承，其将分段轴30的区段彼此连接以及将分段轴30连接到周围结构(诸如内部平台28a和外部平台29a以及壳体26)。已经发现这些连接器与分段轴30一起以几种方式改善与可变喷嘴组件相关的某些功能和性能标准，包括例如组件的耐久性、可施工性、安装、可维护性、减少的输出可变性、以及在重载下避免旋转结合。如下面更详细地提供的，此类连接器可以包括：第一连接器41；第二连接器42；第三连接器43；第四连接器44；以及第五连接器45。如图所示，第一连接器41和第二连接器42分别将第一区段31连接到内部平台28和外部平台29，而第三连接器43将第一区段31连接到第二区段32。沿着分段轴30在外侧方向上继续，第四连接器44将第二区段32连接到第三区段33，并且最后第五连接器45将第三区段33连接到壳体26。
根据本申请的公开内容，第一连接器41可以将第一区段31连接到内部平台28。根据示例性实施方案，第一连接器41可以包括球面轴承，如图5中更详细地示出。第一连接器41可以被进一步配置成使得在接合时，第一连接器41：允许第一区段31相对于内部平台28的径向运动；并且允许第一区段31相对于内部平台28的旋转运动。
更具体地，如图所示，第一连接器41的球面轴承可以包括接收在对应设置尺寸的圆柱形开口52内的球形部分51。第一连接器41的球形部分51可以形成在内杆38的远侧端部上，而第一连接器41的圆柱形开口52可以形成在内部平台28内。将会知道，由于圆柱形开口52内的球形部分51的形状，可以允许两个部件之间的某些类型和范围的相对运动，其可用于适应由热或机械操作负载引起的相对运动。例如，球形部分51可以沿径向向外或向内方向运动或相对于圆柱形开口52倾斜。已经发现，当与本文公开的一个或多个其他连接器联接时，所描述的第一连接器41的配置和功能允许本发明的可变喷嘴21在置于操作负载下时避免结合，使得可以使翼片23继续旋转。如进一步所示，内杆38的近侧端部可以包括板48，该板可旋转地接合形成在内部平台28上的对应成形的凹陷部53。
根据本申请的公开内容，第二连接器42可以将第一区段31连接到外部平台29。根据示例性实施方案，第二连接器42可以包括球面轴承，如图6中更详细地示出。第二连接器42可以被配置成使得在接合时，第二连接器42：防止第一区段31相对于外部平台29的径向运动；并且允许第一区段31相对于外部平台29的旋转运动。
更具体地，如图所示，第二连接器42可以包括球形部分55，该球形部分由对应成形的球形开口56围绕。第二连接器42的球形部分55可以形成在外杆39上，而第二连接器42的球形开口56可以形成在外部平台29内。如下面将更详细讨论的，球形开口56可以由有助于组装的分段杯环81和锁紧螺母85布置形成。将会知道，由于球形开口56内的球形部分55的形状，因此可以允许两个部件之间的某些类型和范围的相对运动，这可以用于适应由操作负载引起的相对运动。例如，虽然球形部分55被径向限制，但它可以相对于球形开口56倾斜。已经发现，当与本文公开的其他连接器中的一个或多个联接时，所描述的第二连接器42的配置和功能允许本发明的可变喷嘴21在置于操作负载下时避免结合，使得可以使翼片23继续旋转。如进一步所示，外杆39的近侧端部可以包括板49，该板可旋转地接合形成在外部平台29上的对应成形的凹陷部57。
作为替代实施方案，第一连接器41和第二连接器42的连接类型基本上相反，使得：a)以上针对第二连接器42描述的连接类型(其中球形部分由限制相对径向运动的对应成形的球形开口56围绕)用于将第一区段31的内杆38连接到内部平台28；以及b)以上针对第一连接器42描述的连接类型(其中球形部分接收在允许相对径向运动的对应设置尺寸的圆柱形开口内)用于将第一区段31连接到外部平台29。因此，示例性实施方案包括第一连接器41和第二连接器42中的球面轴承中的一个被径向限制，而第一连接器41和第二连接器42中的球面轴承中的另一个允许相对径向运动。
根据本申请的公开内容，第三连接器43可以将第一区段31连接到第二区段32。根据示例性实施方案，第三连接器43可以被配置为万向接头，如图7中更详细地示出的。第三连接器43的万向接头可以被配置成允许相对运动改变第一区段31和第二区段32的纵向轴线之间形成的角度，同时仍然在第一区段31和第二区段32之间转移必要扭矩。第三连接器43可以被配置成使得在接合时，第三连接器43：允许第一区段31相对于第二区段32的径向运动；并且防止第一区段31相对于第二区段32的旋转运动。
更具体地，如图所示，第三连接器43可以包括开口61，该开口接收对应成形的可插入部分62。第三连接器43的开口61可以形成在外杆39的远侧端部中，而可插入部分62可以形成在第二区段32的内部或第一纵向端部上。将会知道，鉴于可插入部分62和开口61的形状，可以允许两个部件之间的某些类型和范围的相对运动，这可以用于适应由操作负载引起的相对运动。例如，由于可插入部分62的弯曲表面接触限定在开口61内的平坦表面，可插入部分62可以相对于开口61倾斜。此外，可插入部分62在开口61内不是径向限制的。已经发现，当与本文公开的其他连接器中的一个或多个联接时，所描述的第三连接器43的配置和功能允许本发明的可变喷嘴21在置于操作负载下时避免结合，使得可以使翼片23继续旋转。
根据本申请的公开内容，第四连接器44可以将第二区段32的外部或第二纵向端部连接到第三区段33的内部或第一纵向端部。根据示例性实施方案，第四连接器44可以被配置为万向接头，如图7中更详细地示出的。第四连接器44的万向接头可以被配置成允许相对运动改变第二区段32和第三区段33的纵向轴线之间形成的角度，同时仍然在第二区段32和第三区段33之间转移扭矩。在这种情况下，万向接头可以包括销63或用于限制相对径向运动的其他部件。因此，第四连接器44可以被配置成使得在接合时，第四连接器44：防止第二区段32相对于第三区段33的径向运动；并且防止第二区段32相对于第三区段33的旋转运动。
更具体地，如图所示，第四连接器44可以包括开口64，该开口接收对应成形的可插入部分65。第四连接器44的开口64可以形成在第三区段33的内部或第一纵向端部中，而可插入部分65可以形成在第二区段32的外部或第二纵向端部上。将会知道，鉴于可插入部分65和开口64的形状，可以允许两个部件之间的某些类型和范围的相对运动，这可以用于适应由操作负载引起的相对运动。例如，由于可插入部分65的弯曲表面接触限定在开口64内的平坦表面，可插入部分65可以相对于开口64倾斜。已经发现，当与本文公开的其他连接器中的一个或多个联接时，所描述的第四连接器44的配置和功能允许本发明的可变喷嘴21在置于操作负载下时避免结合，使得可以使翼片23继续旋转。
根据本申请的公开内容，第五连接器45可以将第三区段33连接到涡轮的壳体26。更具体地，如图7中更详细地示出的，第五连接器45可以被配置为圆柱形轴承，其允许第三区段33相对于涡轮的壳体26的旋转运动。例如，第三区段33的内圆筒可以被配置成在固定到壳体26的静止的圆筒内旋转。已经发现，当与本文公开的其他连接器中的一个或多个联接时，所描述的第五连接器45的配置和功能允许本发明的可变喷嘴21在置于操作负载下时避免结合，使得可以使翼片23继续旋转。
还如图5至图7内描绘的，可变喷嘴组件20可以包括用于防止或减小工作流体的泄漏的一个或多个密封件。如图所示，这些例如可包括碟形密封件73、环形密封件75和隔膜密封件97。将会知道，泄漏减轻是可变喷嘴设计中的重要考虑因素。因为可变喷嘴需要各种轴承和开口(例如，通过平台和壳体)来起作用，所以成功的设计通常是有助于有效密封的设计，其可包括与密封结构、安装和维护相关的方面。如下面将结合组装可变喷嘴的方法更详细地讨论的，本申请公开了进一步实现这些性能目标的一个或多个密封件和相关部件。
现在转向图8至图18，呈现了用于在涡轮发动机内构造可变喷嘴组件的示例性方法。如将看到的，方法可以包括以下步骤：构造可变喷嘴子组件，然后将可变喷嘴子组件附接到涡轮发动机的壳体；并且然后经由穿过涡轮发动机的壳体形成的壳体开口连接分段轴的区段。图8示出了可根据示例性方法构造的示例性可变喷嘴子组件70。一般来讲，可变喷嘴子组件70包括：固定喷嘴17，该固定喷嘴具有在上游内部平台29b和外部平台28b之间延伸的翼片；分段轴30的第一区段31，该第一区段包括：可变喷嘴的翼片23；从翼片23的内端延伸的内杆38，该内杆包括球形部分51；以及从翼片23的外端延伸的外杆39，该外杆包括球形部分55；下游内部平台28a；以及下游外部平台29a。根据优选实施方案，上游内部平台28b和外部平台29b可以与固定喷嘴17的翼片一体地形成。另外，内杆38和外杆39可以与可变喷嘴20的翼片23一体地形成。
根据示例性实施方案，组装可变喷嘴子组件70的步骤可以包括若干中间步骤，如现在将参考图9至图16进行讨论。
如图9所示，构造可变喷嘴子组件70的示例性初始步骤可以包括将下游内部平台28a附接到上游内部平台28b。如所指示的，这可以经由螺栓连接两个部件的对准侧壁来完成。也可以使用其他类型的常规机械紧固件。
如图10和图11所描绘的，构造可变喷嘴子组件70的下一步骤可以包括通过穿过下游外部平台29a形成的外杆开口72插入外杆39，其中外杆39的插入导致外杆39的球形部分55从下游外部平台29a的外侧突出。如图10所指示的，在将外杆39插入外杆开口72中之前，可以将一个或多个密封件加载到外杆39上。将会知道，以这种方式，本申请的方法有助于在可变喷嘴子组件70的构造期间密封工作流体流路的外边界。根据优选实施方案，一个或多个密封件可以包括碟形密封件73和/或环形密封件75，其在外杆39插入外杆开口72中之前通过将每者拧紧到外杆39上而加载。
如图12和图13所示，构造可变喷嘴子组件70的下一个步骤可以包括通过围绕外杆39的突出球形部分55加载轴承而将第一区段31连接到下游外部平台29a。将会知道，该步骤有助于第二连接器42的组装，这在上面已经被更详细地讨论。如所指示的，轴承的加载可以包括：将分段杯环81放置到对应成形的凹陷部83中，该凹陷部围绕下游外部平台29a的外侧上的外杆开口72的圆周形成；将锁紧螺母85加载到外杆39上；以及抵靠分段杯环81并围绕外杆39的球形部分55紧固锁紧螺母85。如图所示，分段杯环81可以分成两半。邻接的分段杯环81和锁紧螺母85可以被配置成一旦锁紧螺母85被紧固，就形成围绕外杆39的球形部分55的球形开口56(在上文中相对于图6参考)。以这种方式，可以在下游外部平台29a与第一区段31之间形成连接件(例如，上面引用的“第二连接器42”)，其可以防止两个部件之间的相对径向运动而允许相对旋转运动和倾斜，如上面更详细地讨论的。
如图14所示，构造可变喷嘴子组件70的下一个步骤可以包括通过穿过下游内部平台28a形成的内杆开口90插入内杆38，同时还使下游外部平台29a的侧壁与上游外部平台29b的侧壁对准。内杆38的插入可以导致内杆38的球形部分从下游内部平台28a的内侧突出。将会知道，内杆开口90可以相对于内杆38是尺寸过大的，以便适应内杆38与下游内部平台28a之间的充分相对运动，这允许侧壁的插入和对准。如将看到的，两个部件(即内杆38和下游内部平台28a)之间的这种“缝隙”可以经由在该位置加载轴承而被移除，如下面关于图16所讨论的。
如图15所描绘，在插入内杆开口90内的内杆38和侧壁正确对准的情况下，构造可变喷嘴子组件70的下一个步骤可以包括机械地固定下游外部平台29a和上游外部平台29b的侧壁。如图所示，这可以包括使用被配置成彼此对应的第一导轨和第二导轨，其中第一导轨和第二导轨分别设置在下游外部平台29a和上游外部平台29b上。虽然也可以使用其他类型的机械紧固件，但根据优选实施方案，可以使用C形夹91来有效地实现侧壁的机械固定。如图所示，C形夹91可以包括细长的槽，该槽在安装时将第一导轨和第二导轨彼此刚性地夹紧，由此限制下游外部平台29a和上游外部平台29b之间的任何相对轴向运动。
如图16所示，构造可变喷嘴子组件70的下一个步骤可以包括进一步将第一区段31连接到下游内部平台28a。如上所述，这可以通过取消内杆38与周围下游内部平台28a之间存在的形成内杆开口90的“缝隙”或空隙来完成，该“缝隙”或空隙是有助于图14的插入/对准步骤所需的。根据优选实施方案，第一区段31可以通过围绕内杆38的突出球形部分51加载轴承来进一步连接到下游内部平台28a。将会知道，该步骤有助于第一连接器41的组装，这在上面更详细地讨论。如所指示的，在这种情况下，轴承的加载可以包括将衬套杯94固定到下游内部平台28a，使得衬套杯94：驻留在内杆开口90内；并且围绕内杆38的球形部分51。以这种方式，可以在下游内部平台28a与第一区段31之间形成连接件(例如，上面引用的“第一连接器41”)，其可以防止两个部件之间的相对轴向运动而允许相对径向运动、旋转运动和倾斜，如上面更详细地讨论的。
还如图16所指示的，在衬套杯94固定在内部平台28a内之前，可以将一个或多个密封件加载到内杆38上。将会知道，以这种方式，本申请的方法有助于在可变喷嘴子组件70的构造期间密封工作流体流路的内边界。根据优选实施方案，一个或多个密封件可以包括隔膜密封件97，该隔膜密封件在衬套杯94固定在内部平台28a内之前被捕获到内杆38的突出部分上。衬套杯94抵靠下游内部平台28a的固定可以将隔膜密封件97保持在期望位置。
将会知道，与图9至图16相关联的先前步骤有助于可变喷嘴子组件的构造。如图所示，可变喷嘴子组件包括两个固定喷嘴和两个可变喷嘴，但可能的实施方案包括每个喷嘴类型中有一个或每个喷嘴类型中有两个以上的配置。如进一步所示，可变喷嘴子组件可以包括用于密封可变喷嘴周围的工作流体流路的密封件。所公开的可变喷嘴子组件的优点之一是它是可以被运输以用于远程定位的涡轮发动机内的有效安装的稳固组件。现在将讨论这种有效安装的一个示例。
现在参考图17和图18，所构造的可变喷嘴子组件可以安装在涡轮发动机(诸如气体涡轮发动机)内。根据优选实施方案，如图17所描绘的，将可变喷嘴子组件70附接到涡轮发动机的壳体26的步骤可以包括周向接合连接器，其中下游外部平台29a和上游外部平台29b上的一个或多个配合表面与形成在壳体26中的一个或多个对应配合表面互锁。也可以使用其他类型的连接器。
如图18所示，一旦接合在壳体26内，可变喷嘴子组件70可以根据壳体开口95(即，穿过壳体26形成的开口)周向对准。这样做是为了有助于通过此类壳体开口95连接分段轴30的区段。根据优选实施方案，第二区段32可以通过壳体开口95中的一个插入以用于与第一区段31连接。这种连接件(其在上面作为“第三连接器43”更详细地讨论)可以由连接第二区段32的第一纵向端部和第一区段31的外杆39的远侧端部的第一万向接头形成。还参考图7，第一万向接头可以包括开口61，该开口接收对应成形的可插入部分62。如上所讨论，第一万向接头的开口61可以形成在外杆39的远侧端部中，而可插入部分62形成在第二区段32的第一纵向端部上。第一万向接头的性质有助于组装，因为接头旨在允许第一区段和第二区段之间的相对径向运动，在将第二区段32的可插入部分插入第一区段31的对应开口内时，可方便地形成连接件。
如上已经讨论的，可变喷嘴组件70的分段轴30还可以包括第三区段33。如图18所示，为了有助于连接到第一区段31，当第二区段32通过壳体26的壳体开口95拧紧时，第二区段32可能已经连接到第三区段33。第二区段32与第三区段33的连接可以包括接合第二万向接头，该第二万向接头将第二区段32的第二纵向端部连接到第三区段33的第一纵向端部。该连接件(其关于图7在上面作为“第四连接器44”更详细地讨论)可以包括开口64，该开口接收对应成形的可插入部分65。第二万向接头的开口64可以形成在第三区段33的第一纵向端部中，而第二万向接头的可插入部分65可以形成在第二区段32的第二纵向端部上。
本方法还可以包括接合第三区段33与涡轮发动机的壳体之间的连接件的步骤。该连接件(其关于图7在上面作为“第五连接器45”更详细地讨论)可以包括圆柱形轴承，其允许第三区段33相对于涡轮发动机的壳体26的旋转运动。本方法还可以包括将分段轴30连接到扭矩输入件。例如，如图18所示，第三区段33的第二纵向端部可以连接到驱动臂37。如已经描述的，驱动臂37可以被配置成递送通过分段轴30转移的扭矩以用于旋转可变喷嘴20的翼片。
如本领域普通技术人员将理解的，可以进一步选择性地应用以上关于若干示例性实施方案描述的许多变化的特征和配置，以形成本发明的其他可能的实施方案。为了简洁起见并考虑到本领域普通技术人员的能力，未详细地提供或讨论每个可能的迭代，但由下面的若干权利要求或以其他方式涵盖的所有组合和可能实施方案旨在为本申请的一部分。此外，根据本发明的若干示例性实施方案的以上描述，本领域技术人员将认识到改善、变化和修改。本领域技术范围内的此类改善、变化和修改也旨在由所附权利要求覆盖。此外，应当显而易见的是，前述内容仅涉及本申请的所述实施方案，并且在不脱离由以下权利要求及其等同物限定的本申请的实质和范围的情况下，可以在本文中进行许多改变和修改。

Claims (10)

1.一种具有可变喷嘴组件(20)的涡轮发动机(10)，所述可变喷嘴组件(20)包括：
可变喷嘴(21)，所述可变喷嘴(21)具有分段轴(30)，所述分段轴(30)在包括在分段轴(30)内的区段之间转移扭矩，所述分段轴(30)包括第一区段(31)和第二区段(32)；
其中所述分段轴(30)的所述第一区段(31)包括：
翼片(23)，所述翼片(23)径向延伸跨过在内部平台(28)与外部平台(29)之间形成的环带(25)；
外杆(39)，所述外杆(39)从限定在所述外部平台(29)的所述翼片(23)的所述外端延伸；和
内杆(28)，所述内杆(28)从限定在所述内部平台(28)所述翼片(23)的所述内端延伸；
其中第一连接器(41)将所述第一区段(31)连接到所述内部平台(28)，第二连接器(42)将所述第一区段(31)连接到外部平台(29)；并且第三连接器(43)将所述第一区段(31)连接到所述第二区段(32)；
其中所述第一连接器(41)包括第一球面轴承(51、52)，并且所述第二连接器(42)包括第二球面轴承(55、56)；并且其中所述第三连接器(43)包括第一万向接头。
2.一种涡轮发动机(10)，所述涡轮发动机(10)具有可变喷嘴组件(20)，所述可变喷嘴组件(20)包括：
固定喷嘴(17)，所述固定喷嘴(17)定位在可变喷嘴(21)的上游，其中所述固定喷嘴(17)包括径向延伸跨过在上游内部平台(29b)与上游外部平台(28b)之间形成的环带的翼片；和
分段轴(30)，所述分段轴(30)在包括在分段轴(30)内的区段之间转移扭矩，所述分段轴(30)包括第一区段(31)和第二区段(32)；
其中所述分段轴(30)的所述第一区段(31)包括：
所述可变喷嘴的翼片(23)，所述翼片(23)在下游内部平台(28a)与下游外部平台(29a)之间延伸；
外杆(39)，所述外杆(39)从限定在所述下游外部平台(29a)的所述翼片(23)的外端延伸；和
内杆(38)，所述内杆(38)从限定在所述下游内部平台(28a)的所述翼片(23)的内端延伸；
其中第一连接器(41)将所述第一区段(31)连接到所述下游内部平台(28a)，并且第二连接器(42)将所述第一区段(31)连接到所述下游外部平台(29a)，以及第三连接器(43)将所述第一区段(31)连接到所述第二区段(32)；并且
其中所述第一连接器(41)包括第一球面轴承(51、52)，所述第二连接器(42)包括第二球面轴承(55、56)，并且所述第三连接器(43)包括第一万向接头。
3.根据权利要求2所述的涡轮发动机(10)，其中所述上游内部平台和所述下游内部平台(29b、28b)与所述固定喷嘴(17)的所述翼片一体地形成；
其中所述内杆和所述外杆(38、29)与所述可变喷嘴(21)的所述翼片(23)一体地形成；
其中所述上游内部平台(28b)经由沿邻接侧壁形成的刚性连接件来连接到所述下游内部平台(28a)；并且
其中所述上游外部平台和所述下游外部平台(29b、29a)由所述涡轮(12)的壳体(26)支撑。
4.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机(10)，其中所述第一连接器(41)被配置成使得在接合时，所述第一连接器(41)：
允许所述第一区段(31)相对于所述内部平台(28)的径向运动；以及
允许所述第一区段(31)相对于所述内部平台(28)的旋转运动；
其中所述第二连接器(42)被配置成使得在接合时，所述第二连接器(42)：
防止所述第一区段(31)相对于所述外部平台(29)的径向运动；以及
允许所述第一区段(31)相对于所述外部平台(29)的旋转运动；并且
其中所述第三连接器(43)被配置成使得在接合时，所述第三连接器(43)：
允许所述第一区段(31)相对于所述第二区段(32)的径向运动；以及
防止所述第一区段(31)相对于所述第二区段(32)的旋转运动。
5.根据权利要求4所述的涡轮发动机(10)，其中所述第一连接器(41)包括球形部分(51)，所述球形部分(51)接收在对应设置尺寸的圆柱形开口(52)内；
其中所述第一连接器(41)的所述球形部分(51)形成在所述内杆(38)的远侧端部上；并且所述第一连接器(41)的所述圆柱形开口(52)形成在所述内部平台(28)内；并且
其中所述内杆(38)的近侧端部包括板(48)，所述板(48)可旋转地接合形成在所述内部平台(28)上的对应成形的凹陷部(53)。
6.根据权利要求4所述的涡轮发动机(10)，其中所述第二连接器(42)包括球形部分(55)，所述球形部分(55)由对应成形的球形开口(56)围绕；
其中所述第二连接器(42)的所述球形部分(55)形成在所述外杆(39)上；并且所述第二连接器(42)的所述球形开口(56)形成在所述外部平台(29)内；并且
其中所述外杆(39)的近侧端部包括板(49)，所述板(49)可旋转地接合形成在所述外部平台(29)上的对应成形的凹陷部(57)。
7.根据权利要求4所述的涡轮发动机，其中所述第三连接器(43)包括开口(61)，所述开口(61)接收对应成形的可插入部分(62)；
其中所述第三连接器(43)的所述开口(61)形成在所述外杆(39)的远侧端部中；并且所述第三连接器(43)的所述可插入部分(62)形成在所述第二区段(32)的第一纵向端部上；并且
其中所述第三连接器(43)被配置成允许相对运动改变所述第一区段和所述第二区段(31、32)的纵向轴线之间形成的角度，同时仍然在所述第一区段和所述第二区段(31、32)之间转移扭矩。
8.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机(10)，其中所述可变喷嘴组件(20)的所述分段轴(30)还包括第三区段(33)；
其中第四连接器(44)将所述第二区段(32)的第二纵向端部连接到所述第三区段(33)的第一纵向端部；并且
其中所述第四连接器(44)包括第二万向接头，所述第二万向接头包括形成在所述第三区段(33)的第一纵向端部中的开口(64)和形成在所述第二区段(32)的第二纵向端部上的可插入部分(65)，并且按开口(64)对应成形；
其中所述第四连接器(44)被配置成使得在接合时，所述第四连接器(44)：
防止所述第二区段相对于所述第三区段的径向运动；以及
防止所述第二区段相对于所述第三区段的旋转运动。
9.根据权利要求8所述的涡轮发动机(10)，其中所述外部平台(29)由所述涡轮(12)的壳体(36)支撑；
其中：
从所述第一纵向端部起，所述第三区段(33)延伸通过穿过所述涡轮(12)的所述壳体(26)形成的壳体开口(95)朝向所述第三区段(33)的第二纵向端部；
所述第三区段(33)的所述第二纵向端部包括带有驱动臂(37)的连接件，所述驱动臂递送通过所述分段轴(30)转移的扭矩以用于旋转所述翼片(23)。
10.根据权利要求9所述的涡轮发动机(10)，其中第五连接器(45)将所述第三区段(33)连接到所述涡轮(12)的所述壳体(26)；并且
其中所述第五连接器(45)包括允许所述第三区段(33)相对于所述涡轮(12)的所述壳体(26)的旋转运动的圆柱形轴承。
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