[发明专利]用于被动控制燃气涡轮发动机中的间隙的系统和方法

说明书

技术领域

本发明所公开的主题涉及用于燃气涡轮发动机的间隙控制系统，更具体地涉及用于控制涡轮发动机的静止护罩表面和相邻的旋转组件之间的操作间隙的系统和方法。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括容纳在静态组件内的旋转组件。旋转组件通常包括多组压缩机叶片(即，翼型)和涡轮机叶片。压缩机叶片对进入空气进行压缩，涡轮机叶片通常在增加热量之后从空气获取能量。静态组件围绕旋转组件并帮助限定发动机的流动路径。通常，静态组件包括一系列护罩分段，护罩分段提供内表面以与相邻的旋转组件的叶片的外表面(即，尖端)合作。涡轮发动机的效率至少部分地取决于护罩表面和相邻的旋转叶片之间的间隙或空隙。如果间隙过大，则发动机流动的相应过大部分将流动经过间隙而不是与旋转的叶片相互作用，这导致发动机效率降低。如果间隙过小，则这些组件的旋转和静止的构件之间会产生干涉(interference)，这导致对一个或多个合作表面的损坏。

如本发明所使用的，术语“轴向”表示燃气涡轮发动机的中心轴线的方向，即，涡轮机械围绕该中心轴线旋转。术语“径向”表示与中心轴线基本垂直的方向，术语“周向”表示不与中心轴线相交但是位于一个或多个径向平面上的一组位置和方向。

这些装置中复杂的间隙问题是众所周知的事实，即，涡轮发动机的转子组件和静态组件之间的间隙通常随着在发动机操作期间合作构件所经受的发动机操作条件(例如，加速度、减速度)、或其他改变的热或离心力条件而改变。用于这些组件的间隙控制机构有时称作主动或被动间隙控制系统，并且为了在发动机操作期间保持所选择的间隙条件，间隙控制机构包括机械系统或基于材料的热膨胀和收缩特性的系统。这些系统通常需要以空气为代价而使用大量的空气以进行加热或冷却，否则这种空气将用于发动机操作循环中。

相应地，本领域技术人员寻求用于控制涡轮发动机的静止护罩表面和相邻的旋转组件之间的操作间隙的改进装置。

发明内容

根据本发明的一个方面，用于被动控制燃气涡轮发动机中的间隙的系统包括静态组件，静态组件布置成周向围绕发动机转子组件并且在转子组件的尖端与静态组件的与尖端相邻的内表面之间限定间隙。静态组件包括间隙控制构件，间隙控制构件限定内表面、暴露于发动机工作流体并包括形状记忆材料，形状记忆材料经选择和预先处理以响应于发动机工作流体的温度而以预先选择的方式变形。

进一步的，所述至少一个间隙控制构件包括可磨涂层。

进一步的，所述形状记忆材料包括合金。

进一步的，所述合金包括钌。

进一步的，所述合金包括铌。

进一步的，所述合金包括钽。

根据本发明的另一方面，用于被动控制燃气涡轮发动机中的间隙的系统包括转子组件，转子组件具有多个翼型叶片，每个叶片具有尖端。转子组件由静态组件围绕，静态组件包括围绕转子组件在周向上布置的多个护罩分段，每个护罩分段具有与尖端相邻的内表面，护罩分段的内表面和翼型叶片的尖端在尖端和内表面之间限定径向间隙。每个翼型叶片包括形成尖端的间隙控制构件，间隙控制构件包括形状记忆材料，形状记忆材料经选择和预先处理以响应于发动机工作流体的温度而以预先选择的方式变形。

进一步的，所述间隙控制构件包括可磨涂层。

进一步的，所述翼型叶片是轴流压缩机叶片。

进一步的，所述翼型叶片是轴流涡轮机叶片。

进一步的，所述翼型叶片是离心压缩机叶片。

进一步的，所述翼型叶片是径流涡轮机叶片。

根据本发明的另一方面，用于被动控制燃气涡轮发动机中的间隙的方法包括组装涡轮发动机，以在涡轮发动机的静止护罩表面和涡轮发动机的相邻转子组件之间限定初始组的构造间隙。在发动机操作条件的整个范围内操作组装的涡轮发动机，在一个或多个所述发动机操作条件下观察操作间隙。形成(formulate)和构造间隙控制构件，间隙控制构件包括形状记忆材料，形状记忆材料经选择和预先处理以响应于发动机工作流体的温度而以预先选择的方式变形。利用间隙控制构件重新组装发动机，以在静止护罩表面和相邻转子组件之间限定改进组的构造间隙。

进一步的，所述方法还包括：随后在发动机操作条件的整个范围内操作组装的涡轮发动机，并且在一个或多个发动机操作条件下观察改进的操作间隙。

进一步的，所述方法还包括：形成和构造附加间隙控制构件，所述附加间隙控制构件包括经选择和预先处理以响应于所述发动机工作流体的温度而以预先选择的方式变形的形状记忆材料。

进一步的，所述间隙控制构件包括可磨涂层。