用于减轻涡轮机中的转子弓的方法和系统与流程

用于减轻涡轮机中的转子弓的方法和系统
1.优先权信息
2.本技术要求于2020年11月13日提交的意大利专利申请号102020000027293的优先权。
技术领域
3.本主题大体涉及涡轮机弓形(bowed)转子减轻系统和方法。


背景技术：

4.在涡轮机发动机关闭之后，热空气上升到发动机的顶部，从而不均匀地冷却转子轴。转子轴的不均匀冷却导致轴的顶部比底部长，从而产生称为弓形转子的情况。弓形转子会导致转子叶片不希望地接触密封件和定子表面，从而导致叶片和/或周围表面的损坏。在随后的发动机启动期间，弓形转子还可能导致高振动水平，这可能导致叶片和静态表面损坏、轴承系统损坏以及发动机的其他损坏。
5.用于减少或减轻转子轴中的转子弓(bow)的已知系统和方法可能涉及转子冷却的等待周期或增加发动机重量和/或磨损的复杂系统之间的折衷。
6.因此，需要用于减轻转子弓的改进系统和方法。


技术实现要素：

7.本发明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，或者可以通过本发明的实践获知。
8.本公开的方面涉及一种用于减轻涡轮机中的转子弓的方法。该方法包括在第一时间段内旋转转子；在第二时间段内中断转子的旋转；以及在整个时间段内迭代在第一时间段内的转子的旋转和在第二时间段内的中断转子的旋转。
9.在各种实施例中，在第一时间段内旋转转子包括在第一时间段内部分地旋转转子。在一个实施例中，在第一时间段内旋转转子是针对在第一时间段内的180度+/-25度。在另一个实施例中，部分地旋转转子是针对限定大约30秒的第一时间段。
10.在各种实施例中，该方法还包括向转子提供动力以引起转子的部分旋转。在一个实施例中，动力等于或小于与在非主动润滑条件期间施加在转子处的期望最大扭矩相对应的阈值。在另一个实施例中，阈值在第一时间段内为50磅力或更小。在又一些实施例中，向转子提供动力包括间歇地向转子提供动力，以在第一时间段内引起转子的部分旋转。在一个实施例中，在第一时间段内以脉冲方式向转子提供动力。
11.在各种实施例中，迭代转子的旋转进一步包括：在第一频率上迭代在第一时间段内的转子的旋转和在第二时间段内的中断转子的旋转；以及在第二频率上迭代在第一时间段内的转子的旋转和在改变的第二时间段内的中断转子的旋转，改变的第二时间段不同于第一频率上的第二时间段。在各种实施例中，第一频率和第二频率之间的第二时间段的变化包括在第二频率上增加第二时间段。在一个实施例中，在第二频率上增加第二时间段对
应于转子处的热释放速率随时间的变化。
12.在一个实施例中，在大约1/10小时和大约1/5小时之间的第二时间段内中断转子的旋转。
13.在另一个实施例中，整个时间段在4小时至12小时之间。
14.在又一实施例中，整个时间段对应于转子组件处的阈值温度，其中转子的间歇旋转迭代地持续，直到转子组件达到或低于阈值温度。
15.本公开的另一方面涉及一种涡轮机，该涡轮机包括：轴，该轴驱动地连接压缩机和涡轮，其中轴、压缩机和涡轮一起限定转子组件；转动系统，该转动系统被构造为提供动力以旋转转子组件；以及控制器，该控制器被构造为进行操作。该操作包括：经由转动系统在第一时间段内旋转转子组件；在第二时间段内中断转子的旋转；以及在整个时间段内迭代在第一时间段内的转子组件的旋转和在第二时间段内的中断转子的旋转。
16.在各种实施例中，操作还包括经由转动系统向转子组件提供动力以引起转子组件的部分旋转。在一个实施例中，向转子组件提供动力包括经由转动系统向转子组件间歇地提供动力，以在第一时间段内引起转子组件的部分旋转。
17.在一个实施例中，迭代转子的旋转还包括：在第一频率上迭代在第一时间段内的转子组件的旋转和在第二时间段内的中断转子组件的旋转；以及在第二频率上迭代在第一时间段内的转子组件的旋转和在改变的第二时间段内的中断转子组件的旋转，改变的第二时间段不同于第一频率上的第二时间段。
18.在另一个实施例中，在第一时间段内旋转转子组件是针对在第一时间段内的180度+/-25度。
19.参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图说明了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
20.在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：
21.图1是概述用于减轻涡轮机处的转子弓的方法的示例性步骤的流程图；
22.图2是描绘根据图1中概述的方法的方面的转子组件的间歇旋转的图表；和
23.图3是涡轮机的示例性实施例的示意图，该涡轮机包括被构造为执行图1中概述的方法的实施例的控制系统。
24.在本说明书和附图中重复使用的附图标记旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
25.现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。提供每个示例是为了解释本发明，而不是限制本发明。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以产生又一实施例。
因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变化。
26.如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以将一个部件与另一部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
27.术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。
28.本文所述的近似值可以包括基于本领域中使用的一个或多个测量装置的裕度，例如但不限于测量装置或传感器的满量程测量范围的百分比。或者，本文所述的近似值可包括大于上限值的上限值的10％或小于下限值的下限值的10％的裕度。
29.本文提供了用于减轻转子弓的改进系统和方法。本文示出和描述的系统和方法包括转子以一定频率并在一段时间内间歇转动，以改进冷却和/或降低转子上的热梯度。本文提供的实施例改进了包括在一段时间内的连续转子转动的已知系统和方法。由于润滑系统在发动机关闭后通常是不活动的或被动的，因此转子的连续转动可能在齿轮系统没有直接润滑和/或没有流体动力油膜形成的情况下发生。此外，转动转子通常可包括在齿轮系统处的齿轮上的高接触压力。因此，转子的连续转动会加速齿轮系统的磨损和劣化。
30.相比之下，本文提供的用于转子的间歇转动以减轻转子弓的系统和方法包括在第一时间段内进行转子的部分旋转(即，小于一圈)，然后在第二时间段内中断转子的旋转。该系统和方法在一定频率上迭代第一时间段内的部分旋转和第二时间段内的中断旋转。在一个实施例中，该频率包括：第一频率，其限定第一时间段和第二时间段；以及第二频率，其限定第一时间段(例如，第一时间段在第一频率和第二频率中相等)和改变的第二时间段(例如第三时间段)，该改变的第二时间段在第二频率处不同于在第一频率处(即，旋转中断的时间段在第一频率和第二频率处不同)。该方法和系统包括在整个时间段内的部分旋转和中断的迭代。
31.例如通过最小化齿轮系统的齿轮上的高接触压力的时间量，或者进一步通过最小化在齿轮系统没有主动润滑的情况下齿轮系统的齿轮上的高接触压力的时间量，转子的间歇部分旋转和不旋转减轻了齿轮系统处的磨损和劣化。
32.现在参考附图，图1是概述用于减轻涡轮机处的转子弓的方法(在下文中称为“方法1000”)的示例性步骤的流程图。方法1000通常可以在涡轮机(包括具有空气涡轮启动器、发电机或其他转子转动系统的涡轮机)上实施。图2提供了描绘方法1000的示意性实施方式的示例性图表200。尽管可以关于关于图3提供的涡轮机的示例性示意实施例来讨论方法1000，但是应当理解，方法1000可以在包括转子转动系统的其他构造的涡轮机处实施。
33.参考图1和图2中描绘的示例性图表200，方法1000包括在1010处，在第一时间段内旋转转子；在1020处，在第二时间段内中断转子的旋转；以及在1030处，在整个时间段内迭代在第一时间段内的转子的旋转和在第二时间段内的中断转子的旋转。
34.在各种实施例中，方法1000在1010处包括在第一时间段内的转子的部分旋转。在一个实施例中，方法1000在1010处包括对于第一时间段将转子旋转180度+/-25度。在另一个实施例中，方法1000在1010处包括在大约30秒内的转子的部分旋转。在又一个实施例中，转子的部分旋转在大约30秒的第一时间段内以大约每分钟1转的速率进行。
35.在仍然各种实施例中，例如图2的图表200中大体描绘的，在步骤1020处在第二时间段内中断转子的旋转是对于限定大约1/10小时或更大的第二时间段。在一个实施例中，
第二时间段在大约1/10小时和大约1/5小时之间。
36.在还有的各种实施例中，方法1000在1030处包括在限定大约8小时的整个时间段内迭代在1010处和1020处的步骤。在一个实施例中，方法1000在1030处限定4小时至12小时之间的整个时间段。在另一个实施例中，方法1000在1030处限定6小时至10小时之间的整个时间段。
37.在另一个实施例中，方法1000还包括在1005处向转子提供动力以引起转子的部分旋转。在一个实施例中，提供动力不大于对应于在非润滑、被动润滑或其他非主动润滑条件期间施加在转子处的期望最大扭矩的阈值。在一实施例中，阈值扭矩为50磅力或更小。在另一个实施例中，对于第一时间段，阈值扭矩为50磅力或更小，例如关于方法1000在1010处所提供的。
38.在又一个实施例中，在1005处向转子提供动力被间歇地提供给转子，以在1010处在第一时间段内引起转子的部分和不稳定旋转。因此，方法1000在1005处可以包括在步骤1010处向转子提供动力以引起部分旋转，其中旋转在第一时间段内被脉冲化。
39.在各种实施例中，方法1000还包括在1032处在第一频率上迭代在第一时间段内的转子的旋转和在第二时间段内的中断转子的旋转，以及在1034处在第二频率上迭代在第一时间段内的转子的旋转和在与第二时间段不同的改变的第二时间段(例如，第三时间段)内的中断转子的旋转。在各种实施例中，方法1000还包括在整个时间段内在多个频率上进一步迭代旋转和中断。
40.仍然参考方法1000，在1030、1032和1034处转子的旋转被中断(即转子处于静止)的时间段的变化包括在每次后续迭代增加第二时间段。在每次后续迭代第二时间段的增加可对应于转子处的热释放速率随时间的变化。例如，随着转子在整个时间段内冷却并且随着转子的每次部分旋转，每次后续旋转之间的时间量(即，第二时间段)可对应于从转子释放的热能随着时间减少而增加。改变(例如增加)转子的每次后续旋转之间的时间段(即，第二时间段)通过限制旋转量和转子旋转的时间量来减少不希望的齿轮和齿轮系统磨损和劣化，无需主动润滑齿轮系统。
41.现在参考图3，可以结合本发明的各种实施例的本文称为“发动机10”的示例性涡轮机10的示意局部横截面侧视图。发动机10的各种实施例可限定涡轮风扇发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气燃气涡轮发动机，包括船舶和工业发动机和辅助动力单元，或蒸汽涡轮发动机，或包括压缩机组件的其他设备。如图3所示，发动机10具有延伸通过其中的纵向或轴向中心线轴线12，以供参考。轴向方向a与供参考的轴向中心线轴线12同向地延伸。发动机10还限定上游端99和下游端98以供参考。通常，发动机10可包括风扇组件14和设置在风扇组件14下游的核心发动机16。
42.核心发动机16可大体包括基本上管状的外壳18，其限定到核心流动路径70的核心入口20。外壳18包围或至少部分地形成核心发动机16。外壳18以串行流动关系包围或至少部分地形成：压缩机组件21，其具有增压器或低压(lp)压缩机22、高压(hp)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段31，其包括高压(hp)涡轮28、低压(lp)涡轮30；以及喷射排气喷嘴区段32。高压(hp)转子轴34将hp涡轮28驱动地连接到hp压缩机24。低压(lp)转子轴36将lp涡轮30驱动地连接到lp压缩机22。lp转子轴36还可以连接到风扇组件14的风扇轴38。在特定实施例中，lp转子轴36可以经由减速齿轮40例如以间接驱动或齿轮驱动构造连接到风扇轴38。
43.如图3所示，风扇组件14包括多个风扇叶片42，多个风扇叶片42联接到风扇轴38并从风扇轴38径向向外延伸。环形风扇壳体或机舱44周向地围绕风扇组件14和/或核心发动机16的至少一部分。本领域普通技术人员应当理解，机舱44可以被构造为由多个周向间隔开的出口导向轮叶或支柱46相对于核心发动机16被支撑。此外，机舱44的至少一部分可以在核心发动机16的外部分上延伸，以在其间限定旁通气流通道48。
44.应当理解，轴34、36，压缩机22、24和涡轮28、30的组合限定发动机10的转子组件。例如，hp轴34、hp压缩机24和hp涡轮28可以限定发动机10的hp转子组件。类似地，lp轴36、lp压缩机22和lp涡轮30的组合可以限定发动机10的lp转子组件。发动机10的各种实施例还可以包括风扇轴38和风扇叶片42作为lp转子组件。在其他实施例中，发动机10可以进一步限定风扇转子组件，该风扇转子组件经由风扇轴38和减速齿轮40至少部分地与lp线轴机械地分离。更进一步的实施例可以进一步限定一个或多个中间转子组件，该一个或多个中间转子组件由中压压缩机、中压轴以及设置在lp转子组件和hp转子组件之间的中压涡轮(相对于串行空气动力学流动布置)限定。
45.发动机10还包括转动系统110，该转动系统110被构造成向一个或多个转子组件提供动力以引起旋转。在各种实施例中，转动系统110被构造为向转子组件提供动力以引起旋转，例如提供初始气流以启动发动机10。在另一个实施例中，转动系统110被构造为根据图1中概述的并且关于图2以图表方式描绘的方法1000间歇地转动转子组件。在各种实施例中，转动系统110包括空气涡轮启动器，该空气涡轮启动器被构造为向转子组件提供流体力以引起旋转。在其他实施例中，转动系统110可包括齿轮系统、诸如发电机的电机、构造成引起转子组件旋转的液压或气动系统，或可以引起转子组件间歇旋转的其他适当系统。尽管方法1000可特别提供hp转子组件的间歇旋转，但在各种实施例中，方法1000可用于提供lp转子组件或中间转子组件的间歇旋转。
46.在发动机10的操作期间，由箭头74示意性示出的空气流进入由风扇壳或机舱44限定的发动机10的入口76。由箭头80示意性示出的一部分空气通过至少部分地经由壳体18限定的核心入口20进入核心发动机16处的流动路径70。空气流80在流过压缩机22、24的连续级时被逐渐压缩，例如由箭头82示意性地示出。压缩空气82进入燃烧区段26并与液体或气体燃料混合并被点燃，以产生燃烧气体86。燃烧气体86在从喷射排气喷嘴区段32排出之前释放能量以驱动hp转子组件和lp转子组件的旋转。来自燃烧气体86的能量释放进一步驱动风扇组件14(包括风扇叶片42)的旋转。一部分空气74绕过核心发动机16并流过旁通气流通道48，例如由箭头78示意性示出。
47.现在参考图3，发动机10还可以包括被构造为执行方法1000的步骤的控制器210。在各种实施例中，控制器210通常可以对应于任何合适的基于处理器的装置，包括一个或多个计算装置。例如，图3示出了可以包括在控制器210内的合适部件的一个实施例。如图3所示，控制器210可以包括处理器212和相关联的存储器214，其被构造为进行各种计算机实施的功能。在各种实施例中，控制器210可以被构造为操作发动机10，例如以间歇地旋转包括hp轴34、hp压缩机24和hp涡轮28的转子组件，或者附加地或替代地，包括lp轴36、lp压缩机22和lp涡轮30的转子组件，例如关于方法1000提供的。在又一实施例中，控制器210可被构造为操作发动机10以间歇地旋转包括一个或多个中间转子组件的转子组件。
48.在各种实施例中，控制器210可被构造成将控制信号218发送到转动系统110，以便
根据关于图1提供的并且关于图2以图形方式描绘的方法1000引起转子组件的间歇转动。
49.如本文所用，术语“处理器”不仅指本领域中称为被包括在计算机中的集成电路，还指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(plc)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)和其他可编程电路。此外，存储器214通常可以包括存储器元件，包括但不限于计算机可读介质(例如随机存取存储器(ram))、计算机可读非易失性介质(例如闪存)、光盘-只读存储器(cd-rom)、磁光盘(mod)、数字多功能盘(dvd)和/或其他合适的存储器元件或其组合。在各种实施例中，控制器210可以限定全权限数字发动机控制器(fadec)、螺旋桨控制单元(pcu)、发动机控制单元(ecu)或电子发动机控制(eec)中的一个或多个。
50.如图所示，控制器210可以包括存储在存储器214中的控制逻辑216。控制逻辑216可包括指令，该指令在由一个或多个处理器212执行时使一个或多个处理器212进行操作，例如关于图1-2概述的并且关于发动机10进一步描述的用于操作压缩机组件的方法1000的步骤。在各种实施例中，存储器214可以存储图形200或基于其的对应图表、表格、函数、查找等，例如关于方法1000所描述的。
51.此外，如图3所示，控制器210还可以包括通信接口模块230。在各种实施例中，通信接口模块230可以包括用于发送和接收数据的相关联电子电路。因此，控制器210的通信接口模块230可用于从发动机10处的一个或多个传感器接收数据，例如但不限于压缩机组件21处的转速、加速或减速速率，或加速或减速速率的变化，或转子组件处的空气/表面温度，例如压缩机出口温度或燃烧室温度。在各种实施例中，转子组件间歇旋转的整个时间段基于转子组件处或附近的阈值温度。在一个实施例中，转子组件的间歇旋转迭代地持续，直到转子组件等于或低于阈值温度。
52.此外，通信接口模块230还可用于与发动机10的任何其他合适的部件通信，例如以从齿轮系统100和/或转动系统110接收数据或发送命令或者接收数据或发送命令到齿轮系统100和/或转动系统110，诸如以启用或禁用转子的旋转，或命令转子的速度、频率、模式、脉动等，例如关于方法1000所描述的。
53.应当理解，通信接口模块230可以是合适的有线和/或无线通信接口的任何组合，并且因此可以经由有线和/或无线连接通信地联接到发动机10的一个或多个部件。因此，控制器210可以在发动机10、发动机10所附接的设备(例如，飞行器)或与发动机10通信的基于地面、空中或卫星的设备(例如，分布式网络)处获得、确定、存储、生成、传输或操作方法1000的任何一个或多个步骤。
54.该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本发明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。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。
55.本发明的进一步方面通过以下条项的主题提供：
56.1.一种用于减轻涡轮机中的转子弓的方法，所述方法包括：在第一时间段内旋转转子；在第二时间段内中断所述转子的旋转；以及在整个时间段内迭代在所述第一时间段内的所述转子的旋转和在所述第二时间段内的中断所述转子的旋转。
57.2.根据任何在前条项所述的方法，其中在所述第一时间段内旋转所述转子包括在
所述第一时间段内部分地旋转所述转子。
58.3.根据任何在前条项所述的方法，其中在所述第一时间段内旋转所述转子是针对在所述第一时间段内的180度+/-25度。
59.4.根据任何在前条项所述的方法，其中部分地旋转所述转子是针对限定大约30秒的所述第一时间段。
60.5.根据任何在前条项所述的方法，进一步包括：向所述转子提供动力以引起所述转子的部分旋转。
61.6.根据任何在前条项所述的方法，其中所述动力等于或小于与在非主动润滑条件期间施加在所述转子处的期望最大扭矩相对应的阈值。
62.7.根据任何在前条项所述的方法，其中所述阈值在所述第一时间段内为50磅力或更小。
63.8.根据任何在前条项所述的方法，其中向所述转子提供所述动力包括间歇地向所述转子提供所述动力，以引起所述第一时间段内的所述转子的部分旋转。
64.9.根据任何在前条项所述的方法，其中在所述第一时间段内以脉冲方式向所述转子提供所述动力。
65.10.根据任何在前条项所述的方法，其中迭代所述转子的旋转进一步包括：在第一频率上迭代在所述第一时间段内的所述转子的旋转和在所述第二时间段内的中断所述转子的旋转；以及在第二频率上迭代在所述第一时间段内的所述转子的旋转和在改变的第二时间段内的中断所述转子的旋转，所述改变的第二时间段不同于所述第一频率上的所述第二时间段。
66.11.根据任何在前条项所述的方法，其中所述第一频率和所述第二频率之间的所述第二时间段的变化包括在所述第二频率上增加所述第二时间段。
67.12.根据任何在前条项所述的方法，其中在所述第二频率上增加所述第二时间段对应于所述转子处的热释放速率随时间的变化。
68.13.根据任何在前条项所述的方法，其中在大约1/10小时和大约1/5小时之间的所述第二时间段内中断所述转子的旋转。
69.14.根据任何在前条项所述的方法，其中所述整个时间段在4小时至12小时之间。
70.15.根据任何在前条项所述的方法，其中所述整个时间段对应于所述转子组件处的阈值温度，其中所述转子的间歇旋转迭代地持续，直到所述转子组件达到或低于所述阈值温度。
71.16.一种涡轮机，所述涡轮机包括：轴，所述轴驱动地连接压缩机和涡轮，其中所述轴、所述压缩机和所述涡轮一起限定转子组件；转动系统，所述转动系统被构造为提供动力以旋转所述转子组件；以及控制器，所述控制器被构造为进行操作，所述操作包括；经由所述转动系统在第一时间段内旋转所述转子组件；在第二时间段内中断所述转子的旋转；以及在整个时间段内迭代在所述第一时间段内的所述转子组件的旋转和在所述第二时间段内的中断所述转子的旋转。
72.17.根据任何在前条项所述的涡轮机，所述操作进一步包括：经由所述转动系统向所述转子组件提供动力以引起所述转子组件的部分旋转。
73.18.根据任何在前条项所述的涡轮机，其中向所述转子组件提供所述动力包括经
由所述转动系统向所述转子组件间歇地提供所述动力，以引起所述第一时间段内的所述转子组件的部分旋转。
74.19.根据任何在前条项所述的涡轮机，其中迭代所述转子的旋转进一步包括：在第一频率上迭代在所述第一时间段内的所述转子组件的旋转和在所述第二时间段内的中断所述转子组件的旋转；以及在第二频率上迭代在所述第一时间段内的所述转子组件的旋转和在改变的第二时间段内的中断所述转子组件的旋转，所述改变的第二时间段不同于所述第一频率上的所述第二时间段。
75.20.根据任何在前条项所述的涡轮机，其中在所述第一时间段内旋转所述转子组件是针对在所述第一时间段内的180度+/-25度。