CN114278440A - 涡轮发动机及冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种操作涡轮发动机的方法，所述方法包括关闭涡轮发动机使得涡轮发动机的转速降低；以及在以下中的一者时致动涡轮发动机的起动电动机：涡轮发动机的转速降低时或涡轮发动机收到完全停止命令之后的预设时间时，使得余热从涡轮发动机中排出。

Description

涡轮发动机及冷却方法
本申请是2017年04月11日所提出的申请号为201780031933.9、发明名称为“涡轮发动机及冷却方法”的发明专利申请的分案申请。
背景技术
本公开内容总体上涉及涡轮发动机，并且更具体地，涉及减轻涡轮发动机中热转子弓弯(thermal rotorbow)的形成的系统和方法。
诸如涡扇发动机的涡轮发动机经历若干不同的操作阶段，包括、但不限于启动至空转速度、预热、加速至较高功率和速度以便起飞、爬升、以平稳的速度航行、稳态、减速至较低的速度和功率以便下降、着陆和滑行、关机以及冷却。根据涡轮发动机附接于其中的飞行器的用途，涡轮发动机一天可以在不同的运行阶段之间循环若干次。例如，商用客机通常在两次飞行之间乘客离开飞行器时关闭其发动机。正因为如此，余热保留在飞行器的发动机中，这能够导致被已知为热转子弓弯的现象。热转子弓弯通常由涡轮发动机的旋转部件和固定部件中的变形限定。涡轮发动机的部件中的变形能够在发动机启动期间在涡轮发动机的旋转部件与固定部件之间导致与接触有关的损坏，由此降低了涡轮发动机的使用寿命、性能和可操作性。
在发动机关闭之后以及允许发动机完全冷却之前有时热转子弓弯尤其显著。而且，许多已知的涡轮发动机不能在启动期间自然地减轻热转子弓弯，因为现代商用涡扇的设计转向具有更高的旁通比和更大的长度-直径比的方向、以及发动机转子与定子之间更紧的间隙。
发明内容
在一个方面中，提供了一种操作涡轮发动机的方法。上述方法包括关闭涡轮发动机使得涡轮发动机的转速降低；以及在以下中的一者时致动涡轮发动机的起动电动机(startermotor)：涡轮发动机的转速降低时或涡轮发动机收到完全停止命令之后的预设时间时，使得余热从涡轮发动机中排出。
在另一个方面中，提供了一种涡轮发动机。涡轮发动机包括起动电动机以及与起动电动机连通地联接的(coupled in communication with the starter motor)全权数字发动机控制(FADEC)系统。FADEC系统构造为关闭涡轮发动机，使得涡轮发动机的转速降低；以及在以下中的一者时致动起动电动机：涡轮发动机的转速降低时或涡轮发动机收到完全停止命令之后的预设时间时，使得余热从涡轮发动机中排出。
在另外一个方面中，提供了一种计算机可读介质，计算机可读介质具有在其上被具体化为用于操作涡轮发动机的计算机可执行指令。当由至少一个处理器执行时，计算机可执行指令使处理器关闭涡轮发动机使得涡轮发动机的转速降低；以及在以下中的一者时致动涡轮发动机的起动电动机：涡轮发动机的转速降低时或涡轮发动机收到完全停止命令之后的预设时间时，使得余热从涡轮发动机中排出。
附图说明
当参考附图阅读下述详细说明时，本公开内容的这些及其他特征、方面和优点将得到更好地理解，其中附图中自始至终相同的符号表示相同的部件，其中：
图1是示例性涡轮发动机的示意图示；以及
图2是图示了操作图1所示的涡轮发动机的示例性方法的逻辑流程图。
除非另外指出，否则本文中提供的附图意在图示本公开内容的实施例的特征。这些特征被认为能够应用于包括本公开内容的一个或多个实施例的多种系统中。正因为如此，附图并非意在包括本领域普通技术人员所知的用于实践本文所述的实施例所需的全部常规特征。
具体实施方式
在下面的说明书和权利要求书中，将引用多个术语，这些术语应当被限定为具有以下意思。
除非上下文另有明确说明，否则，单数形式的“一个”、“一种”和“该/所述”包括复数参照物。
“可选”或“可选地”意指随后描述的事件或情况可以发生或可以不发生，并且这种描述包括事件发生的实例以及事件不发生的实例。
如贯穿说明书和权利要求书所使用的，近似语言可应用于修饰可允许改变而不导致与其相关的基本功能的改变的任何定量表示。相应地，由术语例如“约”、“近似”、以及“基本上”修饰的值并不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精确度。在这里以及贯穿说明书和权利要求书，范围限制可以结合并且/或者互换。除非上下文或语言另有说明，否则这种范围被确定且包括包含于其中的所有子范围。
本文中使用的术语“轴向”和“轴向地”指代基本上平行于涡轮发动机的中心线延伸的方向和取向。而且，术语“径向”和“径向地”指代基本上垂直于涡轮发动机的中心线延伸的方向和取向。此外，本文使用的术语“周向”和“周向地”指代绕涡轮发动机的中心线弯曲地延伸的方向和取向。
本文使用的术语“处理器”和“计算机”、以及相关术语、例如“处理装置”、“计算装置”和“控制器”并非仅限于在本领域中被称为计算机的那些集成电路，而是广义地指代单片机、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)和特殊应用集成电路、以及其他可编程电路，并且这些术语在本文中可以互换使用。在本文所述的实施例中，存储器可包括、但不限于诸如随机存取存储器(RAM)的计算机可读介质、诸如闪存的计算机可读的非易失性介质。可替代地，也可以使用软盘、光盘—只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字化通用磁盘(DVD)。同样，在本文所述的实施例中，另外的输入通道可以是、但不限于诸如鼠标和键盘的与操作人员界面相关联的计算机外围设备。可替代地，也可以使用其他计算机外围设备，可以包括例如、但不限于扫描仪。此外，在示例性实施例中，另外的输出通道可以包括、但不限于操作人员界面监视器。
此外，本文使用的术语“软件”和“固件”是可以互换的，并且包括存储于存储器中以便由个人计算机、工作站、客户和服务器执行的任何计算机程序。
本文使用的术语“非临时性计算机可读介质”意在代表以用于信息短期和长期存储的任何技术方法(例如，计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块、或任何设备中的其他数据)实现的任何有形的基于计算机的装置。因此，本文所述的方法可被编码成在有形的、非临时性的、计算机可读介质(包括、但不限于存储设备和/或记忆设备)中被具体化的可执行指令。这种指令在由处理器执行时使处理器完成本文所述方法的至少一部分。而且，本文使用的术语“非临时性的计算机可读介质”包括全部有形的、计算机可读介质，包括、但不限于，非临时性计算机存储设备，非临时性计算机存储设备包括、但不限于，易失性介质和非易失性介质以及可移动介质和不可移动介质，诸如固件、物理和虚拟存储器、CD-ROM、DVD、和诸如网络或互联网的任何其他数字源、以及尚待开发的数字装置，唯一的例外是临时性的传播信号。
本公开内容的实施例涉及用于减轻涡轮发动机中热转子弓弯的形成的系统和方法。更具体地，本文所述的系统和方法在关机之后将涡轮发动机内的余热从涡轮发动机中排出以减少其中的热失衡，由此部分地或完全地抑制热转子弓弯的形成。通过在关机之后选择性地运行涡轮发动机的起动电动机，涡轮发动机内的余热从涡轮发动机中排出。起动电动机在不借助燃烧的情况下使涡扇发动机的转子组件旋转，使得涡轮发动机能够以更快且更有效的方式冷却。正因为如此，本文所述的系统和方法提供了自动的飞行后减轻操作程序，上述操作程序减少了热转子弓弯的发生。而且，尽管是在涡扇发动机的背景下进行说明，应当理解，本文所述的系统和方法也能够应用于涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机以及需要减轻热转子弓弯的任意其他涡轮发动机。
图1是诸如涡扇发动机的示例性涡轮发动机10的示意性图示。涡轮发动机10包括风扇组件12、低压或增压压缩机组件14、高压压缩机组件16和燃烧室组件18。风扇组件12、增压压缩机组件14、高压压缩机组件16和燃烧室组件18流体(flow)连通地联接。涡轮发动机10还包括低压涡轮机22和与燃烧室组件18流体连通地联接的高压涡轮机20。风扇组件12包括风扇桨叶24的阵列，风扇桨叶24自转子轮盘26径向向外地延伸。低压涡轮机22经第一传动轴28联接至风扇组件12和增压压缩机组件14，并且高压涡轮机20经第二传动轴30联接至高压压缩机组件16。涡轮发动机10具有进气口32和排气口34。涡轮发动机10进一步包括中心线36，风扇组件12、增压压缩机组件14、高压压缩机组件16以及涡轮机20和22绕中心线36旋转。
运行时，经进气口32进入涡轮发动机10的空气被引导穿过风扇组件12流向增压压缩机组件14。压缩空气从增压压缩机组件14向高压压缩机组件16排放。高度压缩的空气从高压压缩机组件16中被引向燃烧室组件18，与燃料混合，并且混合物在燃烧室组件18内燃烧。由燃烧室组件18产生的高温燃烧气体被引向涡轮机20和22。燃烧气体随后从涡轮发动机10中经由排气口34排放。
涡轮发动机10还包括起动电动机38和联接至涡轮发动机10的转子组件的起动轴40。更具体地，在一个实施例中，起动轴40联接至第二传动轴30，并且起动电动机38在其启动期间经由起动轴40将电动机驱动动力(motoring power)提供给涡轮发动机10。如图1所示，辅助动力单元(APU)42经由气动管线44(pneumatic line)与起动电动机38流体连通地联接。APU 42选择性地将空气流引向起动电动机38以有利于致动起动电动机38。而且，沿气动管线44联接的起动阀46能够选择性地操作成控制被引向起动电动机38的空气流。在替代性实施例中，例如，起动电动机38从除APU 42以外的气动动力源(pneumatic powersource)接收气流，气动动力源诸如、但不限于已经起动的涡轮发动机或搭载在地面车上的静压箱。此外，起动电动机38可由除气动气流外的动力源致动，诸如电力。
在示例性实施例中，涡轮发动机10进一步包括机载计算装置，诸如全权数字发动机控制(FADEC)系统48。如将在下文更加详细地说明的那样，FADEC系统48与涡轮发动机10的一个或多个子系统或部件有线连通或无线连通地联接以控制其运行。在一个实施例中，FADEC系统48也与起动阀46连通地联接。在替代性实施例中，涡轮发动机10的子系统或部件由搭载在其中附接有涡轮发动机10的飞行器(未示出)上的计算装置控制。
图2是图示了对涡轮发动机10(图1所示)进行冷却的示例性方法的逻辑流程图。更具体地，FADEC系统48(图1所示)根据至少图2所示的逻辑操作涡轮发动机10以确定是否实施关机后热转子弓弯的减轻。如上所述，例如，在第一传动轴28和第二传动轴30(分别在图1中示出)中形成热转子弓弯能够在涡轮发动机10的关机之后并在涡轮发动机10已经完全冷却之前发生。基于多种因素来确定热转子弓弯的存在、以及是否在发动机关机之后执行关机后减轻操作程序，这一点将在下文更加详细地说明。
例如，在典型的关机操作程序期间，FADEC系统48关闭涡轮发动机10。在一个实施例中，FADEC系统48在收到完全停止的命令之后切断流向燃烧室组件18(图1所示)的燃料流，使得涡轮发动机10的转速降低。FADEC系统48然后基于使系统和方法能够如本文所述那样作用的任何适合的反馈确定是否致动起动电动机38使得余热从涡轮发动机10中排出。例如，FADEC系统48基于涡轮发动机10的运行时间和/或涡轮发动机10内的温度确定是否致动起动电动机38。而且，在一个实施例中，涡轮发动机10的振动反馈用于确定在发动机关机之后多长时间用电动机驱动(motor)涡轮发动机10。
起动电动机38在发动机关机和重启之间的任意时刻被致动，并且不需要在发动机关机之后立即致动起动电动机38。在一个实施例中，在涡轮发动机10的转速降低时和/或涡轮发动机10收到完全停止命令之后的预设时间时致动起动电动机38。预设时间被选择成确保在致动起动电动机38之前热转子弓弯尚未完全形成。例如，起动电动机38能够在涡轮发动机10收到完全停止命令之后立即(即，预设时间等于0秒)被致动，或者能够在发动机关机与用电动机驱动之间预设时间已经过去之后(即，预设时间长于0秒)被致动。当涡轮发动机10收到完全停止命令并且在发动机关机与潜在的用电动机驱动时刻之间时间已经过去时，起动电动机38运行使得转子速度小于共振转速。本文使用的“共振转速”指代在存在诸如热转子弓弯的转子失衡的情况下引起高动态振动或移位的涡轮发动机的单个转速或一系列转速。而且，起动电动机38能够致动持续在发动机关机与重启之间的一个或多个用电动机驱动的周期，以减少对起动电动机38的不必要的磨损。此外，在每个用电动机驱动的周期之后转子能够沿不同的座置取向(resting orientations)定位以减少单个取向上的转子弓弯的形成。
如上所述，FADEC系统48接收关于涡轮发动机10的运行时间的反馈，并且如果涡轮发动机10的运行时间长于预定阈值则致动起动电动机38。涡轮发动机10的运行时间越长，涡轮发动机10已经达到将导致在发动机关机时形成热转子弓弯的稳态操作速度和温度的可能性越大。而且，附加地或可替代地，FADEC系统48接收关于关机后涡轮发动机10内的温度的反馈，并且如果所述温度高于预定阈值则致动起动电动机38。涡轮发动机10内的温度越高，将在涡轮发动机10中形成能够形成热转子弓弯的热梯度的可能性越大。如果涡轮发动机10的运行时间短于预定阈值并且涡轮发动机10内的温度低于预定阈值，则不实施关机后减轻操作程序并且逻辑结束。可替代地，每当涡轮发动机10在地面上关闭时，起动电动机38就用电动机驱动(motor)涡轮发动机10。在替代性实施例中，FADEC系统48还接收振动响应反馈并且起动电动机38以一速度驱动涡轮发动机10使得振动响应小于预定阈值。
在一个实施例中，另外的逻辑包含于FADEC系统48中以确定何时实施关机后减轻操作程序，即使运行时间或温度中任一者大于各自的预定阈值。更具体地，FADEC系统48确定附接有涡轮发动机10的飞行器的飞行状态，并仅在飞行器不在飞行的情况下致动起动电动机38。包含另外的逻辑以确保如果在飞行器飞行时发生故障的话起动电动机38不被错误地致动。如果在飞行中，涡轮发动机10内的余热将会被自然地排出并且不实施关机后减轻操作程序。正因为如此，如果飞行器不在飞行，那么FADEC系统48致动起动电动机38，并且如果飞行器在飞行，那么逻辑结束。
在示例性实施例中，如果确定了实施关机后热转子弓弯的减轻，那么FADEC系统48控制涡轮发动机10和相关联的起动部件(即，起动电动机38、APU 42以及起动阀46)的运行。例如，APU 42引导空气流穿过起动阀46以便将气动动力提供给起动电动机38，并且FADEC系统48选择性地调节起动阀46的位置以控制被引向起动电动机38的空气流。可替代地，例如，起动电动机38从诸如、但不限于已经起动的涡轮发动机或搭载在地面车上的静压箱的、除APU 42外的气动动力源接收气流。此外，起动电动机38可由诸如电力的、除气动气流外的动力源致动。
FADEC系统48还确定起动电动机38一旦被致动将运行多久以确保涡轮发动机10内的余热从涡轮发动机10中排出。在一个实施例中，FADEC系统48使起动电动机38运行持续至少预设的电动机驱动时间，其中，预设的电动机驱动时间被选择为从涡轮发动机10中排出足够量的余热。此外，FADEC系统48关闭起动电动机38使得起动电动机38运行的时间量等于或小于预定持续时间。预定持续时间被选择为减少对起动电动机38的不必要的磨损。
在一些实施例中，FADEC系统48接收关于涡轮发动机10的运行时间的反馈，并且基于涡轮发动机10的运行时间确定运行起动电动机38的时间量。例如，涡轮发动机10的运行时间越长，运行起动电动机38的时间越长以从涡轮发动机10中排出足够的余热。而且，在一个实施例中，FADEC系统48接收关于涡轮发动机10内的温度的反馈，并且运行起动电动机38直到所述温度降低至第二预定阈值以下。
本文所述的系统和方法的示例性技术效果包括以下中的至少一者：(a)从涡轮发动机中排出余热以降低形成热转子弓弯的可能性；(b)减少由于热转子弓弯所造成的涡轮发动机的旋转部件与固定部件之间的与接触有关的磨损；以及(c)减少涡轮发动机的启动时间。
上文详细地说明了涡轮发动机和相关部件的示例性实施例。所述系统不限于本文所述的特定实施例，相反，系统的部件和/或方法的步骤可与本文所述的其他部件和/或步骤独立并单独地使用。例如，本文所述的部件的构型也可与其他过程结合使用，并且不限于以仅本文所述的涡轮发动机和相关方法来实践。相反，能够结合需要改进涡轮发动机性能的许多应用来实施并利用示例性实施例。
尽管本公开内容的各个实施例的特定特征可能在一些附图中示出而没有在其他附图中示出，这仅是为了方便。根据本公开内容的实施例的原理，一幅附图的任意特征可与任意其他附图的任意特征结合而被引用并且/或者要求保护。
一些实施例涉及一个或多个电子装置或计算装置的使用。这些装置通常包括处理器或控制器，诸如通用型中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、单片机、精简指令集计算机(RISC)处理器、特殊应用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、和/或能够执行本文所述功能的任意其他电路或处理器。本文所述的方法可被编码成在计算机可读介质(包括、但不限于存储设备和/或记忆设备)中被具体化的可执行指令。这种指令在由处理器执行时使处理器完成本文所述方法的至少一部分。上述示例仅是示例性的，并且因而并非意在以任何方式限制术语处理器的定义和/或意义。
本书面说明使用示例来公开包括最佳模式的实施例，也使用示例来使本领域任何技术人员都能够实践本公开内容的实施例，包括制作并使用任何装置或系统并执行任何所包含的方法。本文说明的实施例的可授予专利权的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或如果它们包括与权利要求的字面语言具有非实质性差异的等效结构元件，这些其他示例意在落入权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种减轻涡轮发动机的转子组件中的热转子弓弯的方法，其特征在于，所述方法包括：
执行多个用电动机驱动的周期，所述多个用电动机驱动的周期中的每一个用电动机驱动的周期包括：
接收在关机后状态下的涡轮发动机内的温度的反馈；
当所述温度高于预定阈值时，致动起动电动机；
运行所述起动电动机持续电动机驱动时间以从所述涡轮发动机排出一些余热；以及
在所述电动机驱动时间之后关闭所述起动电动机。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述电动机驱动时间包括预定持续时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，运行所述起动电动机持续所述电动机驱动时间包括运行所述起动电动机直到所述温度降低至第二预定阈值以下。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：
接收所述涡轮发动机的运行时间的反馈；以及
如果所述涡轮发动机的所述运行时间长于预定运行时间阈值，则执行所述多个用电动机驱动的周期。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，致动所述起动电动机包括：
在对应于所述关机后状态的完全停止命令之后的预设时间时，致动所述起动电动机。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，其中，所述预设时间允许一些热转子弓弯在致动所述起动电动机之前形成。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：
当所述温度低于所述预定阈值时，允许一些热转子弓弯形成。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：
确定所述起动电动机一旦被致动将运行多长时间以确保所述涡轮发动机内的余热被排出。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，包括：
确定所述电动机驱动时间，所述电动机驱动时间被选择为从所述涡轮发动机排出一些余热。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，包括：
确定预定持续时间；和
在所述电动机驱动时间之后关闭所述起动电动机，其中，所述电动机驱动时间小于或等于所述预定持续时间，并且其中，所述预定持续时间被选择为减少对所述起动电动机的不必要的磨损。
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