[发明专利]用于燃气涡轮发动机的调制混合可变面积涡轮喷嘴

说明书

本发明涉及可变面积涡轮喷嘴。所述可变面积涡轮喷嘴包含第一静叶区段、与所述第一静叶区段设置在一起的第二静叶区段以及与所述第一静叶区段和所述第二静叶区段设置在一起的后缘区段。所述静叶还包含用于相对于所述第一静叶区段枢转所述第二静叶区段的第一致动系统和用于相对于所述第一静叶区段和所述第二静叶区段枢转后缘的第二致动系统。

技术领域

本主题大体上涉及燃气涡轮发动机，且更具体地涉及用于燃气涡轮发动机的调制混合可变面积涡轮机喷嘴(modulated hybrid variable area turbine nozzles)。

背景技术

燃气涡轮发动机以串行流顺序大体上包含压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中，空气进入压缩机区段的入口，其中一个或多个轴向或离心式压缩机逐渐压缩空气，直到其到达燃烧区段。燃料与压缩空气混合并在燃烧区段内燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段经过限定在涡轮区段内的热气体路径，然后经由排气段从涡轮区段排出。

在特定配置中，涡轮区段以串行流顺序包含高压(HP)涡轮和低压(LP)涡轮。HP涡轮和LP涡轮各自包含各种可旋转涡轮机部件(例如涡轮机转子叶片(rotor blade)，转子盘和保持器)以及各种固定涡轮机部件(例如定子静叶(vane)或喷嘴，涡轮机护罩和发动机框架)。可旋转和固定的涡轮机部件至少部分地限定通过涡轮区段的热气体路径。当燃烧气体流过热气体路径时，能量从燃烧气体传递到可旋转和固定的涡轮机部件。

考虑到在其中操作的严重的温度和高压负载环境，典型涡轮喷嘴(例如高压和低压涡轮喷嘴)具有固定的静叶配置和其间的固定的喷嘴喉部区域。相邻喷嘴静叶之间的喉部面积必须精确地保持以使发动机的性能最大化，然而热环境需要将涡轮喷嘴制造在周向段中，以减少操作期间的热应力。因此，喷嘴区段需要适当的段间密封以减少不期望的流量泄漏，这会进一步使涡轮喷嘴设计复杂化。

正在开发可变循环发动机，用于在亚音速和超音速飞行条件下最大化性能和效率。尽管期望通过调节喉部面积来获得通过涡轮喷嘴的可变流量，但是鉴于喷嘴的严重操作环境，先前的尝试被证明是不切实际的。例如，通常通过将每个静叶安装在径向主轴上并且使用环形协调环来共同地旋转每排压缩机静叶，以提供压缩机定子静叶中的可变性，该环形协调环附接相应的杠杆臂，而相应的杠杆臂与每个主轴连接。以这种方式，通过需要适当的毂和尖端间隙以允许静叶枢转，整个压缩机静叶围绕径向轴线旋转或枢转。

将可变压缩机配置应用于涡轮喷嘴，在机械实施以及空气动力学性能方面都具有显著的缺点。浸入来自燃烧器的热燃烧气体中的涡轮喷嘴的严重温度环境通常需要对各个静叶进行适当的冷却，其具有通过各种部件的相应的大温差梯度。可枢转的喷嘴静叶增加设计难度，并且还导致需要对毂和尖端间隙进行适当的密封，因为燃烧气体通过其中的任何泄漏对发动机性能和效率产生不利影响，这否定了所引入的变化的有效性。

此外，喷嘴静叶在操作期间经受来自燃烧气体的实质上的气动力学负载，并且鉴于静叶的翼型配置，实质的负载不平衡是由于各个静叶的旋转中心(center-of-rotation)偏离空气动力的压力中心(center-of-pressure)导致的。这种不平衡向上驱动所需要的驱动扭矩负载，并将整个喷嘴静叶的弯曲载荷增加到不可接受的水平。

考虑到喷嘴区段之间的增加的自由度，这种可调节的喷嘴静叶必然减少喷嘴区段的结构完整性和耐用性。并且，各个喷嘴静叶的角度枢转直接对应于与其连接的致动杆臂的角度枢转，这使得难以实现有效可变循环操作所需要的喉部面积的相对小的变化。

因此，期望具有可变面积涡轮喷嘴，其具有改进的构造和致动，以改善燃气涡轮发动机在操作期间的耐用性和性能。

发明内容

本发明的方面和优势将在下文的描述中加以阐明，或者与所描述有所不同，或通过实施本发明来知悉。