CN114109615A - 具有喷嘴保持机构的空气涡轮启动器 - Google Patents

Abstract

一种空气涡轮启动器，其具有壳体，该壳体限定具有主进口和主出口的内部，以限定从主进口到主出口的主气流路径。喷嘴位于内部中并且具有周向间隔开的轮叶。护罩也位于内部中并与轮叶的至少一部分外接。保持机构约束喷嘴的轴向移动。

Description

具有喷嘴保持机构的空气涡轮启动器

技术领域

本公开一般涉及一种空气涡轮启动器，更具体地，涉及一种用于空气涡轮启动器中的涡轮的保持机构。

背景技术

涡轮发动机，例如燃气涡轮发动机，使用与涡轮发动机的转子机械联接的空气涡轮启动器定期启动。空气涡轮启动器通常通过变速箱或其它变速器组件安装到发动机上。变速器将动力从空气涡轮启动器传递到发动机以辅助启动发动机。空气启动涡轮包括旋转驱动变速箱的空气驱动涡轮。高压空气源使空气流经涡轮以影响涡轮的旋转，涡轮驱动变速箱，变速箱转而在启动顺序期间旋转涡轮发动机的转子。在运行期间，高压空气在涡轮上施加轴向载荷以及影响涡轮的旋转。

发明内容

本公开的方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本公开的实践来学习。

在一个方面，本公开涉及一种空气启动器，该空气启动器包括壳体，该壳体限定具有主进口和主出口的内部，以限定从主进口到主出口的主气流路径。喷嘴位于内部中并具有周向隔开的轮叶。位于内部中并与轮叶的至少一部分外接。涡轮位于内部中，能够绕旋转轴线旋转，并且具有周向间隔开的叶片。物理干涉在喷嘴和护罩之间或在护罩和壳体之间的至少一个，其中，通过物理干涉，喷嘴在沿主气流路径的下游移动中被轴向约束。

在另一方面，本发明涉及包括一种组件，该组件包括壳体，该壳体限定具有主进口和主出口的内部，以限定从主进口到主出口的主气流路径。喷嘴位于内部中并具有周向间隔开的轮叶。护罩位于内部中并与轮叶的至少一部分外接。物理干涉在喷嘴和护罩之间或护罩和壳体之间的至少一个，其中通过物理干涉，喷嘴在沿主气流路径的下游移动中被轴向约束。

参考以下描述和所附权利要求，本公开的这些和其他特征、方面以及优点将变得更好地理解。并入本说明书并构成本说明书一部分的附图图示了本公开的各个方面，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。

附图说明

附图中：

图1是具有空气涡轮启动器的涡轮发动机的示意图。

图2是包括本公开的几个方面的空气涡轮启动器的截面图。

图3是示出空气涡轮启动器的喷嘴和护罩的分解图。

图4A是图3处于组装状态的喷嘴和护罩的部分的放大透视图。

图4B是沿图2的线IV截取的壳体内的喷嘴和护罩的放大截面图。

图4C示出沿图2的线IV截取的壳体内的喷嘴和护罩的另一变型的放大截面图。

图5是图1的运载工具内部的涡轮发动机和启动器的示意图。

具体实施方式

描述的本公开的方面涉及一种空气涡轮启动器，其可用于启动涡轮发动机。这些方面可以是单独的或与涡轮发动机结合的空气涡轮启动器。空气涡轮启动器包括可旋转涡轮上游的喷嘴，喷嘴将进入的空气流引导到可旋转涡轮。本公开的一个方面涉及约束位于空气涡轮启动器的可旋转涡轮上游的喷嘴的移动。被供应以使涡轮旋转的加压空气的相对高压可在其通过喷嘴时向喷嘴施加载荷以影响涡轮的旋转。喷嘴的载荷可以足以导致喷嘴的一部分抵接旋转涡轮的一部分，这可能过早地磨损零件。一个这样的载荷示例是喷嘴的轴向载荷。

当承受压力载荷时防止喷嘴轴向移动的现有解决方案是将喷嘴和周围壳体(诸如周围护罩)铸造成单个部件。铸件限制了材料的类型，并根据用于形成铸件的材料的性质而需要最小厚度。铸件还可以限制喷嘴的几何形状，尤其是形成喷嘴的轮叶的形状和布置。

本公开描述了制作空气涡轮启动器使得喷嘴在其移动(尤其是轴向移动)中被适当约束的解决方案，而不需要将喷嘴与周围壳体(尤其是护罩)铸造成单个部件。

为了说明的目的，本公开将描述关于涡轮发动机的启动器。例如，本公开可以在其他运载工具或发动机中具有适用性，并且可以用于在工业、商业以及住宅应用中提供益处。

如本文所使用的，术语“上游”指与流体流动方向相反的方向，并且术语“下游”指与流体流动方向相同的方向。“前”或“向前”是指某物的前面，“后”或“向后”是指某物的后面。例如，当用于流体流动时，前/向前意味着上游，后/向后意味着下游。

另外，如本文所使用的，术语“径向”或“径向地”指远离共同中心的方向。例如，在涡轮发动机的总体上下文中，径向是指沿着在发动机的中心纵轴线和发动机外周之间延伸的射线的方向。此外，如本文所使用的，术语元素“组”或一“组”元素可以是任意数量的元素，包括仅一个。

所有方向性引用(例如，径向、轴向、近端、远端、上、下、向上、向下、左、右、侧、前、后、顶、底、上方、下方、竖直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、向前、向后等)仅用于识别目的以帮助读者理解本公开，并且不产生限制，尤其是关于本文描述的本公开的方面的位置、定向或使用。除非另有说明，否则连接参考(例如，附接、联接、固定、紧固、连接以及接合)将被广义地理解，并且可以包括元件集合之间的中间构件和元件之间的相对移动。因此，连接引用不一定推断两个元素直接连接并且以固定关系彼此连接。示例性附图仅用于说明的目的，并且在附图中反映的尺寸、位置、顺序以及相对尺寸可以变化。

参照图1，空气涡轮启动器(ATS)10联接至辅助变速箱(AGB)12，两者示意性地示出为安装至涡轮发动机14(诸如燃气涡轮发动机)。涡轮发动机14限定如图所示的轴向方向15。涡轮发动机14包括具有向高压压缩区域18供给空气的风扇16的进气口。带有风扇16的进气口和高压压缩区域18统称为燃烧上游的涡轮发动机14的“冷区段”或涡轮区段。高压压缩区域18为燃烧室20提供高压空气。在燃烧室20中，高压空气与燃料混合并燃烧。在从涡轮发动机14排出之前，热和加压的燃烧气体通过高压涡轮区域22和低压涡轮区域24。随着燃烧气体流经高压涡轮区域22和低压涡轮区域24，从通过涡轮发动机14的气体流中提取旋转能量。轴可以将高压涡轮区域22连接到高压压缩区域18，以为压缩机构提供动力。低压涡轮可以通过轴联接到进气口的风扇16，以为风扇16提供动力。

AGB 12通过机械动力输出装置26在高压涡轮区域22或低压涡轮区域24处联接到涡轮发动机14。机械动力输出装置26包括用于将AGB 12机械联接到涡轮发动机14的多个齿轮和多个部件。ATS 10可以安装在包含风扇16的进气区域的外侧或者安装在靠近高压压缩区域18的核心的外侧。

现在参考图2，示出了空气涡轮启动器10的横截面。为了清楚起见，轴向方向15图示为通过ATS 10的中心。10包括启动器壳体30，该启动器壳体30限定具有主进口32、主出口34的内部28。流路36在进口32和出口34之间延伸，用于使流经其中的气流连通。在一个非限制性示例中，气体为空气，并且从地面操作的气源车(air cart)、辅助动力单元，或从已运行的发动机的交叉排放启动供应该气体。

涡轮区段38位于启动器壳体30内。涡轮区段38包括喷嘴42、护罩44和具有周向间隔开的叶片40的涡轮46。涡轮46的周向间隔开的叶片40可设置在流路36内，以从沿着流路36的气流中可旋转地提取机械动力。可以利用涡轮轴58来管理所提取的机械动力的传递。

喷嘴42包括中心毂48和一组周向间隔开的轮叶50。轮叶50可以为翼型件的形式，叶片40也可以是翼型件的形式。喷嘴42和护罩44可以制成利用热配合组装在一起的两个单独的部件，这可以消除将喷嘴和护罩作为一个部件铸造的传统方法。喷嘴42和护罩44是两个单独的部件的好处在于，其可以允许喷嘴42、护罩44以及壳体30由相同或不同的材料制成。这种材料的示例可以包括轻金属(诸如铝)、不锈钢、铁或钛。该材料还可以包括但不限于具有较薄后缘厚度的高强度材料的增材制造或压铸，这提供了结构和气动性能优势。此外，虽然示出了单个涡轮46，但是可以设想，可以设置有多个涡轮46以在ATS 10内形成多级。

变速箱区段51在涡轮区段38的下游并且包括安装在启动器壳体30内的变速箱52。齿轮系54可以设置在变速箱52内并且与涡轮46驱动地联接。在所示示例中，齿轮系54是包括环形齿轮56、行星齿轮以及太阳齿轮的行星齿轮系统。应当理解的是，齿轮系54可以包括任何合适的齿轮组件，包括但不限于小齿轮组件等。涡轮轴58联接到齿轮系54并且由一对涡轮轴承60可旋转地支撑。

现参考图3，以分解图示出ATS 10的喷嘴42和护罩44，以更好地示出两个单独的部件。为了清楚起见，轴向方向15图示为通过喷嘴42和护罩44的中心。护罩44主要呈具有喷嘴边缘64和壳体边缘66的环的形状。护罩44可以包括通向喷嘴边缘64的多个槽68。多个轮叶50围绕毂48周向间隔开。轮叶50可在轮叶50的远端或尖端处包括至少一个径向突起部62。突起部62与对应的槽68配对。当空气启动器被组装时，突起部62被容纳在多个槽68中的对应一个槽中。

突起部62容纳在多个槽68内的好处是在突起部62和槽68之间产生物理干涉。这种物理干涉限制了喷嘴和护罩之间的相对轴向移动。物理干涉还限制喷嘴42和护罩44的相对旋转移动。因此，假定护罩44基本上被固定以抵抗轴向移动和/或旋转移动，则喷嘴相应地被固定。因此，在操作期间，当高压空气流经喷嘴42时，来自高压空气的作用在喷嘴上的载荷由于突起部62和槽68提供的物理干涉而不会导致喷嘴轴向移动或旋转。利用这种物理干涉结构，喷嘴42和护罩44可以与过去不同地单独制造。通过单独制造这些部件，然后将这些部件连接在一起，制造这些部件的成本低得多，尤其是因为这些部件过去是单个铸件，这是复杂且相对昂贵的。两件式结构的另一个好处是喷嘴42和护罩44可以由不同的材料制成。又一个好处是，这些部件的组装现在是一个简单的减少或增加组装(drop in or build upassembly)。

参照图4A，示出了ATS 10的喷嘴42的一部分和护罩44被组装，以更好地示出突起部62和槽68的操作状态。在组装和/或操作状态下，突起部62容纳在槽68中，并且喷嘴42物理地联接到护罩44，产生第一物理干涉70。在其他变型中，护罩44可具有类似于突起部62的元件，轮叶50可具有类似于槽68的互补元件。在这两种变型中，当突起部62陷入槽68中时，喷嘴42能够有效地“抓握”护罩44，从而产生第一物理干涉70。在另一变型中，轮叶50可缺少突起部62，所述护罩44可缺少槽68。因此，第一物理干涉70可以包括喷嘴42与护罩44的接触和/或壳体30、喷嘴42和/或护罩44之间的接触。

在槽68中接收突起部62无需是完美的。在突起部62和槽68之间可以存在一些斜坡或容差，其本身可以表现为在突起部62和槽68的至少一部分之间的空间。这种空间的一个示例是间隙72。间隙72可以补偿突起部62和/或槽68相对于彼此的热膨胀或收缩，尤其是当喷嘴42和护罩44由具有不同热膨胀速率的不同材料制成时。突起部62的热膨胀或收缩可以包括在高进口空气压力期间突起部62和槽68之间的过盈配合，也称为压配合、摩擦配合、热配合等。

图4B示出沿图2的线IV截取的壳体30内的喷嘴42和护罩44的放大截面图。壳体30可包括容纳喷嘴42的一部分的座部74。座部74容纳组装的喷嘴42和护罩44的一部分。座部74限制喷嘴42和护罩44的轴向上游移动。座部74还限制喷嘴42和护罩44的径向移动。壳体可以包括位于喷嘴42与座部74之间和/或护罩44与座部74之间的径向间隙75。径向间隙75提供了喷嘴42、护罩44以及壳体之间的容差变化和/或热膨胀空间。

径向间隙75还可以允许喷嘴42和/或护罩44通过热配合联接至壳体30的座部74。热配合可以包括进入压缩区域18并增加喷嘴42和护罩44上的载荷的高压空气。增加的载荷可导致在喷嘴42、护罩44以及壳体30之间发生摩擦，这可增加压缩区域18内的温度。温度的变化可允许喷嘴42和护罩44膨胀或收缩，限制壳体30内的径向间隙75。

壳体30还可以包括涡轮衬套76。涡轮衬套76可以与壳体30的部分78集成，或，与壳体30的一部分78外接，从而形成壳体衬套80。壳体30还可以包括轴向间隙或壳体间隙82。壳体间隙82在护罩44的壳体边缘66和壳体衬套80之间。在高压时，喷嘴42和护罩44可能变得不能将来自空气进口的载荷保持在高压压缩区域18内。响应于喷嘴42和护罩44变得不能保持载荷，喷嘴42和护罩44可以轴向移动到壳体间隙82中。喷嘴42和护罩44的轴向移动可以径向对准或与壳体衬套80接触，从而消除壳体间隙82并在ATS(10)内产生第二物理干涉84。第二物理干涉84可限制护罩44和喷嘴42与涡轮46的叶片40接触。除了涡轮衬套76之外的结构可以设置在壳体30中以产生第二物理干涉84。

图4C示出沿图2的线IV截取的壳体30内的喷嘴42和护罩44的另一变型的放大截面图。护罩44还可以与衬套76集成，或与衬套76外接，从而形成护罩衬套86。护罩衬套86可以包括第一端88和第二端90。第一端88可以联接至喷嘴42和壳体30。第一端88可以包括第一物理接口70。壳体间隙82可以位于护罩衬套86的第二端90和壳体30之间。响应于喷嘴42和护罩44变得不能保持载荷，喷嘴42和护罩44可以轴向移动到壳体间隙82中。喷嘴42和护罩44的轴向移动可与壳体30接触，从而消除壳体间隙82并在ATS(10)内产生第二物理干涉84。第二物理干涉84可限制喷嘴42和护罩衬套86与涡轮46的叶片40接触。

图5是根据图1的涡轮发动机和ATS 10的示意图，其中涡轮发动机14可以在运载工具或结构100中。作为非限制性示例，运载工具或结构100可以是陆地上、海上或空中的任何运载工具。此外，运载工具或结构100可以是，但不限于船舶动力装置、风力涡轮或小型动力装置。进一步考虑，涡轮发动机可以是使用带有ATS 10的涡轮，或运载工具或结构100所需的发电机的任何发动机。

与本文讨论的本公开相关的一些优点可以包括，但不限于，通过无需喷嘴的轮叶和主气流进口之间的高度配合来消除喷嘴的高应力和变形的原因。另一个优点是可以使用广泛的材料选择来形成喷嘴、护罩以及主气流进口，因为无需将铸造成一个部件。消除对铸造的需要的优点可以包括减小厚度和高材料强度。此外，本公开通过允许喷嘴维持高压以在可靠的低成本解决方案中获得更好的性能来减少部件故障。

除了上述附图中所示的那些之外，本公开还设想了许多其他可能的配置。在尚未描述的程度上，各个方面的不同特征和结构可与期望的其他特征和结构结合使用。不能在所有方面说明一个特征并不意味着它不能被解释，而是为了描述的简洁而被解释。因此，无论新的方面是否被明确描述，不同方面的各种特征均可根据需要被结合和匹配以形成新的方面。此处描述的特征的组合或排列由本公开覆盖。

本发明的其它方面由以下条项的主题提供：

一种空气启动器，包括：壳体，壳体限定具有主进口和主出口的内部，以限定从主进口到主出口的主气流路径；喷嘴，喷嘴位于内部中且具有周向间隔开的轮叶；护罩，护罩位于内部中且与轮叶的至少一部分外接；涡轮，涡轮位于内部中，能够绕旋转轴线旋转，并且具有周向间隔开的叶片；物理干涉，物理干涉在喷嘴和护罩之间或在护罩和壳体之间的至少一个；并且，其中，通过物理干涉，喷嘴在沿主气流路径的下游移动中被轴向约束。

任何前述条项的空气启动器，其中，物理干涉包括在喷嘴和护罩之间的第一物理干涉以及在护罩和壳体之间的第二物理干涉。

任何前述条项的空气启动器，其中，第一物理干涉包括在轮叶或护罩中的至少一个上的突起部和在轮叶或护罩中的另一个上的接收突起部的槽。

任何前述条项的空气启动器，其中，突起部在轮叶上，并且槽在护罩中。

任何前述条项的空气启动器，还包括涡轮衬套，涡轮衬套与壳体的至少一部分外接并且具有与护罩的一部分径向对准的部分，以形成第二物理干涉。

任何前述条项的空气启动器，其中，壳体包括限定主进口的进口壳体和限定主出口的涡轮壳体，并且涡轮衬套为涡轮壳体的一部分。

任何前述条项的空气启动器，其中，进口壳体包括接收喷嘴的至少一部分的座部。

任何前述条项的空气启动器，其中，喷嘴被座部径向约束，而不被座部轴向约束。

任何前述条项的空气启动器，其中，在喷嘴和座部之间或在护罩和座部之间的至少一个设置有径向间隙。

任何前述条项的空气启动器，其中，在护罩和涡轮衬套之间设置有轴向间隙。

一种组件，包括：壳体，壳体限定具有主进口和主出口的内部，以限定从主进口到主出口的主气流路径；喷嘴，喷嘴位于内部中且具有周向间隔开的轮叶；护罩，护罩位于内部中且与轮叶的至少一部分外接；物理干涉，物理干涉在喷嘴和护罩之间或在护罩和壳体之间的至少一个；并且，其中，通过物理干涉，喷嘴在沿主气流路径的下游移动中被轴向约束。

任何前述条项的组件，其中，物理干涉包括在喷嘴和护罩之间的第一物理干涉以及在护罩和壳体之间的第二物理干涉。

任何前述条项的组件，其中，第一物理干涉包括在轮叶或护罩中的至少一个上的突起部和在轮叶或护罩中的另一个上的接收突起部的槽。

任何前述条项的组件，其中，突起部在轮叶上，并且槽在护罩中。

任何前述条项的组件，还包括衬套，衬套具有与护罩的一部分径向对准的部分，以形成第二物理干涉。

任何前述条项的组件，其中，壳体包括限定主进口的进口壳体和限定主出口的出口壳体，并且衬套是出口壳体的一部分。

任何前述条项的组件，其中，进口壳体包括容纳喷嘴的至少一部分的座部。

任何前述条项的组件，其中，喷嘴被座部径向约束，而不被座部轴向约束。

任何前述条项的组件，其中，在喷嘴和座部之间或在护罩和座部之间的至少一个设置有径向间隙。

任何前述条项的组件，在护罩和衬套之间设置有轴向间隙。

该书面描述使用示例来描述这里描述的本公开的方面，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本公开的方面，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的方面的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果其具有与权利要求书的文字语言不存在差异的结构元件，或者如果其包括与权利要求书的文字语言具有不显著差异的等效结构元件，则这样的其他示例旨在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种空气启动器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体限定具有主进口和主出口的内部，以限定从所述主进口到所述主出口的主气流路径；

喷嘴，所述喷嘴位于所述内部中并具有周向间隔开的轮叶；

护罩，所述护罩位于所述内部中并环绕所述轮叶的至少一部分；

涡轮，所述涡轮位于所述内部中，能够绕旋转轴线旋转，并且具有周向间隔开的叶片；

物理干涉，所述物理干涉在所述喷嘴和所述护罩之间或所述物理干涉在所述护罩和所述壳体之间中的至少一个；并且

其中，通过所述物理干涉，所述喷嘴在沿所述主气流路径的下游移动中被轴向约束。

2.根据权利要求1所述的空气启动器，其特征在于，所述物理干涉包括在所述喷嘴与所述护罩之间的第一物理干涉和在所述护罩与所述壳体之间的第二物理干涉。

3.根据权利要求2所述的空气启动器，其特征在于，所述第一物理干涉包括在所述轮叶或所述护罩中的至少一个上的突起部和在所述轮叶或所述护罩中的另一个上的接收所述突起部的槽。

4.根据权利要求3所述的空气启动器，其特征在于，所述突起部在所述轮叶上，并且所述槽在所述护罩中。

5.根据权利要求3所述的空气启动器，其特征在于，还包括涡轮衬套，所述涡轮衬套环绕所述壳体的至少一部分并且具有与所述护罩的一部分径向对准的部分，以形成所述第二物理干涉。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的空气启动器，其特征在于，所述壳体包括限定所述主进口的进口壳体和限定所述主出口的涡轮壳体，并且所述涡轮衬套为所述涡轮壳体的一部分。

7.根据权利要求6所述的空气启动器，其特征在于，所述进口壳体包括接收所述喷嘴的至少一部分的座部。

8.根据权利要求7所述的空气启动器，其特征在于，所述喷嘴被所述座部径向约束，而不被所述座部轴向约束。

9.根据权利要求8所述的空气启动器，其特征在于，在所述喷嘴和所述座部之间设置有径向间隙或在所述护罩和所述座部之间设置有径向间隙中的至少一个。

10.一种组件，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体限定具有主进口和主出口的内部，以限定从所述主进口到所述主出口的主气流路径；

喷嘴，所述喷嘴位于所述内部中并具有周向间隔开的轮叶；

护罩，所述护罩位于所述内部中并环绕所述轮叶的至少一部分；

物理干涉，所述物理干涉在所述喷嘴和所述护罩之间或所述物理干涉所述护罩和所述壳体之间中的至少一个；并且

其中，通过所述物理干涉，所述喷嘴在沿所述主气流路径的下游移动中被轴向约束。

Images