[發明專利]用于燃氣渦輪發動機的調制混合可變面積渦輪噴嘴

有效

• 申請號: 201710124054.2
• 申請日: 2017-03-03
• 公開（公告）號: CN107152314B
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發明（設計）人: D.T.本特利;C.R.約翰遜;B.F.鮑威爾
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F01D9/04
• 分類號: F01D9/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 嚴志軍;李強

本發明涉及可變面積渦輪噴嘴。所述可變面積渦輪噴嘴包含第一靜葉區段、與所述第一靜葉區段設置在一起的第二靜葉區段以及與所述第一靜葉區段和所述第二靜葉區段設置在一起的后緣區段。所述靜葉還包含用于相對于所述第一靜葉區段樞轉所述第二靜葉區段的第一致動系統和用于相對于所述第一靜葉區段和所述第二靜葉區段樞轉后緣的第二致動系統。

技術領域

本主題大體上涉及燃氣渦輪發動機，且更具體地涉及用于燃氣渦輪發動機的調制混合可變面積渦輪機噴嘴(modulated hybrid variable area turbine nozzles)。

背景技術

燃氣渦輪發動機以串行流順序大體上包含壓縮機區段、燃燒區段、渦輪區段和排氣區段。在操作中，空氣進入壓縮機區段的入口，其中一個或多個軸向或離心式壓縮機逐漸壓縮空氣，直到其到達燃燒區段。燃料與壓縮空氣混合并在燃燒區段內燃燒以提供燃燒氣體。燃燒氣體從燃燒區段經過限定在渦輪區段內的熱氣體路徑，然后經由排氣段從渦輪區段排出。

在特定配置中，渦輪區段以串行流順序包含高壓(HP)渦輪和低壓(LP)渦輪。HP渦輪和LP渦輪各自包含各種可旋轉渦輪機部件(例如渦輪機轉子葉片(rotor blade)，轉子盤和保持器)以及各種固定渦輪機部件(例如定子靜葉(vane)或噴嘴，渦輪機護罩和發動機框架)。可旋轉和固定的渦輪機部件至少部分地限定通過渦輪區段的熱氣體路徑。當燃燒氣體流過熱氣體路徑時，能量從燃燒氣體傳遞到可旋轉和固定的渦輪機部件。

考慮到在其中操作的嚴重的溫度和高壓負載環境，典型渦輪噴嘴(例如高壓和低壓渦輪噴嘴)具有固定的靜葉配置和其間的固定的噴嘴喉部區域。相鄰噴嘴靜葉之間的喉部面積必須精確地保持以使發動機的性能最大化，然而熱環境需要將渦輪噴嘴制造在周向段中，以減少操作期間的熱應力。因此，噴嘴區段需要適當的段間密封以減少不期望的流量泄漏，這會進一步使渦輪噴嘴設計復雜化。

正在開發可變循環發動機，用于在亞音速和超音速飛行條件下最大化性能和效率。盡管期望通過調節喉部面積來獲得通過渦輪噴嘴的可變流量，但是鑒于噴嘴的嚴重操作環境，先前的嘗試被證明是不切實際的。例如，通常通過將每個靜葉安裝在徑向主軸上并且使用環形協調環來共同地旋轉每排壓縮機靜葉，以提供壓縮機定子靜葉中的可變性，該環形協調環附接相應的杠桿臂，而相應的杠桿臂與每個主軸連接。以這種方式，通過需要適當的轂和尖端間隙以允許靜葉樞轉，整個壓縮機靜葉圍繞徑向軸線旋轉或樞轉。

將可變壓縮機配置應用于渦輪噴嘴，在機械實施以及空氣動力學性能方面都具有顯著的缺點。浸入來自燃燒器的熱燃燒氣體中的渦輪噴嘴的嚴重溫度環境通常需要對各個靜葉進行適當的冷卻，其具有通過各種部件的相應的大溫差梯度。可樞轉的噴嘴靜葉增加設計難度，并且還導致需要對轂和尖端間隙進行適當的密封，因為燃燒氣體通過其中的任何泄漏對發動機性能和效率產生不利影響，這否定了所引入的變化的有效性。

此外，噴嘴靜葉在操作期間經受來自燃燒氣體的實質上的氣動力學負載，并且鑒于靜葉的翼型配置，實質的負載不平衡是由于各個靜葉的旋轉中心(center-of-rotation)偏離空氣動力的壓力中心(center-of-pressure)導致的。這種不平衡向上驅動所需要的驅動扭矩負載，并將整個噴嘴靜葉的彎曲載荷增加到不可接受的水平。

考慮到噴嘴區段之間的增加的自由度，這種可調節的噴嘴靜葉必然減少噴嘴區段的結構完整性和耐用性。并且，各個噴嘴靜葉的角度樞轉直接對應于與其連接的致動桿臂的角度樞轉，這使得難以實現有效可變循環操作所需要的喉部面積的相對小的變化。

因此，期望具有可變面積渦輪噴嘴，其具有改進的構造和致動，以改善燃氣渦輪發動機在操作期間的耐用性和性能。

發明內容

本發明的方面和優勢將在下文的描述中加以闡明，或者與所描述有所不同，或通過實施本發明來知悉。