专利名称：用于操作燃气轮机发动机的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种燃气轮机发动机，尤其涉及一种用于操作燃气轮机发动机的方法和装置。
背景技术：
至少一些已知的燃气轮机发动机包括核心发动机，该核心发动机具有沿流动方向串联配置的风扇组件、高压压缩机，对进入到发动机中的气流进行压缩、燃烧器，对空气与燃料混合的混合物进行燃烧、低压和高压旋转组件，每个旋转组件都包括从退出燃烧器的气流中获取旋转能量的多个马达叶片。
燃烧气体从核心发动机经由排气组件而被排放出去。更具体的说，在至少一些已知的涡轮风扇发动机中，核心排气喷嘴径向地从同心的风扇排气喷嘴内侧排放核心废气，该风扇排气喷嘴排出风扇排放气体来产生冲力。典型地，在高功率工作过程中运转发动机时，例如在起飞过程中运转发动机时，废气流都具有最大速度值。在这样的工作过程中，像这样的高速流动会相互作用并且周围的气流经过发动机，可能会沿着飞机的起飞路径而产生相当大的噪音。
为了便于降低喷气噪音，至少一些已知的涡轮发动机排气组件包括多个V形件喷嘴，该V形件喷嘴增强对核心的混合且给废气流设置旁路。尽管该V形件喷嘴在起飞条件下确实提供了降低噪音的收益，但因为该喷嘴是在所有的飞行条件下都保持定位于流动路径上的机械装置，这些装置在非起飞的运转条件下可能反而会影响发动机性能。特别是，在航行条件下，V形件喷嘴可能反而会增加发动机的单位燃料消耗(SFC)。
发明内容
在一方面，本发明提供了一种组装燃气轮机发动机的方法。该方法包括将环形排气导管联接到该燃气轮机发动机上，将V形件致动系统联接到环形排气导管上，这样，可选择地操作该V形件致动系统以便对多个V形件重新定位，从而调节环形排气导管的会聚度。
在另一方面，本发明提供了一种操作燃气轮机发动机的方法，该燃气轮机包括环形排气导管和与该环形排气导管相连的多个V形件。该方法包括将V形件致动系统联接到该环形排气导管上，其中，该V形件致动系统的至少一部分由形状记忆合金制成，所述形状记忆合金具有记忆的致动构形，这样，多个V形件在发动机工作过程中定向为第一构形，而通过有源或无源地加热该形状记忆合金以使多个V形件进行重新构形以便从第一结构变为致动结构。
在又一方面中，本发明提供了一种燃气轮机发动机。该燃气轮机包括环形排气导管，其用于从所述燃气轮机的后端排放废气；多个圆周上相邻的V形件，该V形件从所述导管后端延伸；以及V形件致动系统，其与所述环形排气导管相连，所述V形件致动系统的一部分由形状记忆合金材料制成。
图1是燃气轮机的示意图；图2是示例性喷嘴的侧视图，该喷嘴可与图1所示的燃气轮机一同使用；图3是示例性V形件致动系统的透视图，该V形件致动系统可与图2所示的喷嘴一同使用；图4是示例性V形件致动系统的透视图，该V形件致动系统可与图2所示的喷嘴一同使用；以及图5是示例性V形件致动系统的透视图，该V形件致动系统可与图2所示的喷嘴一同使用。
具体实施例方式
图1是涡轮风扇式的航空用燃气轮机发动机10的透视图，该燃气轮机10使用例如外挂架14以便与的飞机12的机翼相连。该发动机10包括核心发动机排气喷嘴16与风扇排气喷嘴18，这两个部件分别排放燃烧废气20并且加压的风扇废气22。发动机10还包括风扇24，该风扇24具有至少一排马达叶片，该马达叶片安装在发动机10的前端处位于相对应的风扇吊舱的内部。风扇24由核心发动机26驱动，该核心发动机26沿着轴线或中心线28同轴地安装在风扇吊舱的内部。核心发动机26包括(未示出的)高压涡轮，该高压涡轮与(未示出的)压缩机相连，该高压涡轮从燃烧气体中获取能量来驱动该压缩机。(未示出的)低压涡轮设置在高压涡轮的下游并通过(未示出的)轴与风扇24相连，该轴通过从燃烧气体中获取额外的能量来进行旋转，该燃烧气体作为燃烧废气20从核心发动机排气喷嘴16排放。
环形中心体30径向地在内侧与核心发动机排气喷嘴16隔开并且沿向下游的向后方向会聚。核心发动机排气喷嘴16与风扇排气喷嘴18各自包括环形排气导管32。在该示例性实施例中，每个环形排气导管32是整体式的或大致成一体的环，该环围绕中心轴线28同轴地定位。在该示例性实施例中，发动机10包括内部塞式喷嘴、长导管混合流体喷嘴、以及会聚/发散(C/D)的可变区域喷嘴中的至少一个，但发动机10的结构不限于此。多个周向上的相邻V形件34径向地从环形排气导管32的后端延伸，优选的是，与环形排气导管32成一体且共同延伸的结构。
在工作过程中，为了从发动机10产生推力，风扇排放流通过风扇排气喷嘴18被排放，且燃烧气体从发动机10经由核心发动机排气喷嘴16进行排放。在一实施例中，发动机10以相对较高的旁通比进行运转，该旁通比表现出旁通绕过发动机10且通过风扇排气喷嘴18进行排放的风扇空气量。在一示例性实施例中，发动机10可在低旁通比的条件下运转。
图2是示例性喷嘴50的侧视图，该示例性喷嘴50为第一操作结构时可与燃气轮机10(示于图1)一同使用。图3是喷嘴50在第二操作结构时的侧视图。喷嘴50基本上与(图1所示的)核心发动机排气喷嘴16及风扇排气喷嘴18相类似，并且喷嘴系统50中的与核心发动机排气喷嘴16及风扇排气喷嘴18中的部件相同的部件在图2和图3中使用与图1中相同的附图标记来表示。因此在一个实施例中，喷嘴50是核心发动机排气喷嘴。在另一实施例中，喷嘴50是风扇喷嘴。
喷嘴50包括多个周向或侧向相邻的V形件52，该V形件52整体地设置在环形排气导管32的后端54上。每个V形件52具有几何形状56。在该示例性实施例中，每个V形件52具有基本上呈三角形状且包括基部58，该基部58与环形排气导管32固定地联接或整体地连接。每个V形件52还包括轴向对置的顶点60以及一对在周向上或侧向上对置的后沿62或沿下游向后方向从基部58向每一相应的顶点60发散的侧边。每个V形件52还包括径向外表面63，以及对置的径向内表面64，该内表面64由后沿62与基部58来限定边界。
相邻V形件52的后沿62在周向或侧向上将基部58与顶点60隔开，以限定相应的槽或切口65，该槽或切口65沿侧面轴向地发散，且设置成与环形排气导管32的内侧在流体上流通，以便径向地对气流进行导向。在该示例性实施例中，槽65也是三角形且与三角形V形件52互补，并且从槽基部66沿轴向向后向V形件顶点60发散，该槽基部66在周向上与V形件基部58共同延伸。
在一示例性实施例中，每个V形件外表面63设置成与中心轴线28大致平行，以便形成发散的如图2所示的排气喷嘴。再者，如图3所示，每个V形件外表面63可以重新定位，以便调整该环形排气导管的会聚度。因此，重新定位每个V形件52有利于提高混合效果，同时提供从空气动力学角度来说平滑且无破裂的轮廓，从而使空气动力效率与性能的损失最小化。
图4是示例性的V形件致动系统70的透视图，该V形件致动系统70可以与喷嘴50(示于图2和图3)一起使用。V形件致动系统70包括致动器或形状记忆合金带72，该形状记忆合金带72与环形排气导管32相连。在该示例性实施例中，致动器72定位在V形件52的前方，并在周向上围绕环形排气导管32的外周边缘76。
在该示例性实施例中，单个致动器72由形状记忆合金74制成，该形状记忆合金74具有可记忆的有活性的结构。形状记忆合金74用于重新定位V形件52并且增加或减少环形排气导管32的会聚度。这里所用的形状记忆合金限定成可形成为任意所需形状的材料。
多种金属材料可以显示出形状-记忆性质。由于该金属合金经历可逆的结晶相的转变，因此这些形状-记忆能力显现出来，该结晶相的转变是指在温度和/或外部压力变化时从一个结晶状态转变为另一个结晶状态。特别是，镍与钛的合金显示出了在周围温度下可承受高能的结晶相变化的性质，由此使其具有形状-记忆特性。这些形状-记忆合金材料如果在冷却时塑性变形，则会在加热时回复其原始的无变形的形状。这些高能相变特性使得由这些合金制成的物件可被广泛应用于多种用途。例如，SMA(形状记忆合金)的形状“练习”通过以下方法实现将该SMA(形状记忆合金)保持在其所需形状，然后进行加热并保持在高温下。当冷却时，该SMA会保持在所需形状。当该SAM在低温下机械变形时，该SMA会在随后的加热中回复到其“练习形状”。由具有形状-记忆特性的合金制成的物件可在低温下从其原始构形变形，并且但该物件会“记住”其原始形状，并且在加热时回到原始形状。
更详细的说，并且在该示例性实施例中，例如，在具有形状-记忆性质的镍-钛合金中，该合金随着温度的变化而经历可逆的从奥氏体状态到马氏体状态的结晶相转变。该转变通常称为热塑性马氏体相变。该镍钛合金的在奥氏体与马氏体之间的该可逆的结晶相转变在两个的不同的温度范围内产生，这是该特殊合金的特征。在该合金冷却时，其达到一温度Ms，在该温度该马氏体相开始形成，并且在一仍然低温的温度Mf完成该转变。在被再次加热时，其达到一温度As，在该温度奥氏体开始再次形成，并且在温度Af完成回到奥氏体的转变。在该马氏体状态，该合金可以容易地变形。当足够的热量作用在该变形的合金上时，其回复到该马氏体状态，并回到其原始结构。因此，在该示例性实施例中，致动器72由例如以下材料制成镍钛、镍钛-铂、钛钌、镍钛铜、铜锌铝、镍钛铁、铜铝镍钛锰、钛镍钯、钛镍铂、镍钛钯、以及钛镍铪，但致动器72不限于以上材料。在该示例性实施例中，用于该风扇V形件的低温V形件由镍-钛合金形成，并且用于该核心发动机V形件的高温V形件由镍-钛-铂合金形成。
在工作过程中，V形件致动系统70可在至少一个有源及无源模式下进行操作。在该有源模式中，电流被输入到致动器72即形状记忆合金74中，这样，致动器72围绕环形排气导管32的外周边缘76缩紧。缩紧致动器72会引起形状记忆合金带72从第一长度77变为第二长度88进行重新构形，该第二长度比第一长度77要短，因此会引起多个V形件52朝着中心轴线28而向内偏转(示于图3)。更详细的说，形状记忆合金带72围绕外周边缘76缩紧，这样，喷嘴50的会聚度增加。当致动器72断电时，多个V形件52从中心轴线28向外偏转，这样，多个V形件52与环形排气导管32的外周边缘76基本平行，由此降低喷嘴50的会聚度(示于图4)。
在该无源模式中，热量输入致动器72即形状记忆合金74中，这样，致动器72围绕环形排气导管32的外周边缘76缩紧。在该示例性实施例中，例如在起飞或着陆过程中从发动机10供给热量。更详细的说，在不同于起飞的其它工作过程中，发动机废气流经过V形件52，但不会引起致动器72的致动，这是因为该废气的温度没有足够大到可致动形状记忆合金74。在起飞过程中，具有增高的温度的发动机废气流经过V形件52并且致动形状记忆合金74，从而引起排气喷嘴50的会聚度的增加。在飞机处于航行条件下时，废气流的温度被降低，导致V形件52向远离中心轴线28的方向偏转，这样喷嘴50的会聚度被降低。
图5是示例性V形件致动系统80的透视图，该V形件致动系统80可以与喷嘴50(示于图2及图3)一起使用。V形件致动系统80包括多个致动器82，该多个致动器82与环形排气导管32相连。在该示例性实施例中，每个致动器82包括安装部84与指状件86，该指状件86与安装部84相连，且沿着各V形件52的外表面63延伸。在该示例性实施例中，多个指状件86定位成沿着各V形件52的外表面63且在周向上围绕环形排气导管32的外周边缘76。
在该示例性实施例中，指状件86由形状记忆合金74制成，该形状记忆合金74具有可记忆的致动构形。在该示例性实施例中，形状记忆合金74被致动以便重新定位V形件52并且由此增加或减少环形排气导管32的会聚度。这里所用的形状记忆合金限定成可形成为任意所需形状的材料，与前述说明相同。因此，在该示例性实施例中，指状件86由例如以下材料制成镍钛、钛钌、镍钛铜、铜锌铝、铜铝镍、镍钛铁、铜铝镍钛锰、钛镍钯、钛镍铂、镍钛钯、以及钛镍铪，但指状件86不限于以上材料。
在工作过程中，V形件致动系统80可在至少一个有源及无源模式下进行操作。在该有源模式中，电流输入到每个指状件86即形状记忆合金74中，这样，多个指状件86围绕环形排气导管32的外周边缘76缩紧。缩紧指状件86会引起多个V形件52朝着中心轴线28向内偏转(示于图3)。因此，致动指状件86使喷嘴50的会聚度增加。当指状件86断电时，多个V形件52从中心轴线28向外偏转，这样，多个V形件52与环形排气导管32的外周边缘76基本平行，所以降低喷嘴50的会聚度(示于图5)。
在无源模式中，热量输入指状件86即形状记忆合金74。在该示例性实施例中，例如在起飞或着陆过程中从发动机供给热量。更详细的说，在不同于起飞的其它工作过程中，发动机废气流经过V形件52，但不会引起指状件86的致动，这是因为该废气的温度没有足够大到可致动形状记忆合金74。在起飞过程中，具有增高的温度的发动机废气流经过V形件52并且致动形状记忆合金74，从而引起排气喷嘴50的会聚度的增加(示于图3)。在飞机处于航行条件下时，废气流的温度降低，导致V形件52向远离中心轴线28的方向偏转，这样喷嘴50的会聚度降低(示于图5)。
在另一示例性实施例中，喷嘴50包括多个在周向或侧向上相邻的V形件52，该多个V形件52一体设置在环形排气导管32的后端54。每个V形件52具有几何形状56。在该示例性实施例中，每个V形件52具有大致三角形状且由形状记忆合金材料制成。另外，如上所述，该形状记忆合金V形件可以在有源或无源模式下运转。因此，由形状记忆合金材料制成每个V形件有利于降低用于制造喷嘴50的部件的数量并且降低制造喷嘴所需的时间。
以上所述的喷嘴排气系统包括多个V形件，该V形件可以使用形状记忆合金来重新定位，从而在起飞过程中增加排气喷嘴的会聚度或者在航行条件下降低排气喷嘴的会聚度。该形状记忆合金通过使用供给到形状记忆合金的电流或者发动机废气热量而可选择性地进行操作。因此，该形状记忆合金仅在需要的情况下，例如在起飞过程中对该排气喷嘴V形件进行重新构形，而在不需要的情况下，例如在航行条形下则使该排气喷嘴V形件保持流线型。因此，这里所述的该喷嘴系统有利于降低起飞或着陆时的噪音，并且降低或消除发动机性能在航行条件下的损失。
以上详细地说明了噪音抑制系统及排气组件的示例性实施例。该排气组件不限于以上所述的特殊实施例，而且，每个组件的部件可以独立且分离地用作这里所述的其它部件。例如，每个噪音抑制部件也可以与其它排气组件组合使用。
尽管本发明已经根据多个特殊实施例加以说明，但本领域技术人员应当理解，本发明在不脱离权利要求的精神和范围的情况下可变型。
部件表10 涡轮发动机12 飞机14 外挂架16 核心发动机排气导管18 风扇排气导管20 燃烧废气22 风扇废气24 风扇26 核心发动机28 中心轴线30 环形中心体32 环形排气导管34 V形件50 喷嘴52 V形件54 后端56 形状58 基部60 顶点62 后沿63 第一表面64 第二表面65 槽66 槽基部70 致动系统72 致动器74 形状记忆合金76 外周边缘77 第一长度78 第二长度80 致动系统82 致动器84 安装部86 指状件
权利要求
1.一种燃气轮机发动机(10)，其包括包括后端(54)的环形排气导管(32)，所述环形排气导管用于从所述燃气轮机发动机的后端排放废气；多个周向上相邻的V形件(52)，该V形件从所述导管后端延伸；以及V形件致动系统(70、80)，该V形件致动系统与所述环形排气导管相连以便控制所述多个V形件的相对运动，所述V形件致动系统的一部分由形状记忆合金材料制成。
2.如权利要求1所述的燃气轮机发动机(10)，其特征在于，所述环形排气导管(32)包括核心发动机排气导管(16)和风扇排气导管(18)中的至少一个。
3.如权利要求1所述的燃气轮机发动机(10)，其特征在于，所述V形件致动系统(70)包括形状记忆合金带(72)，该形状记忆合金带(72)与所述环形排气导管(32)的外周边缘(76)相连。
4.如权利要求1所述的燃气轮机发动机(10)，其特征在于，所述V形件致动系统(80)包括多个致动器(82)，每个所述致动器包括安装部(84)和与所述安装部相连的至少一个指状件(86)，所述至少一个指状件的每一个与所述环形排气导管(32)的外表面(63)相连，以便使得所述至少一个指状件中的每一个沿着所述各个V形件(52)的外表面延伸。
5.如权利要求4所述的燃气轮机发动机(10)，其特征在于，所述至少一个指状件(86)由形状记忆合金材料制成。
6.如权利要求1所述的燃气轮机发动机(10)，其特征在于，所述V形件致动系统(70、80)的至少一部分包括镍钛合金以及镍钌合金中的至少一种。
7.如权利要求1所述的燃气轮机发动机(10)，其特征在于，所述形状记忆合金可以由马氏体状态向奥氏体状态转变，并且所述致动器(70、80)可在工作温度下由初始构形恢复到记忆的构形，由此使得该形状记忆合金转变为奥氏体状态。
8.如权利要求1所述的燃气轮机发动机(10)，其特征在于，所述形状记忆合金如此构形成在被致动时，朝向燃气涡轮中心轴线(28)径向向内地重新定位所述多个V形件(52)。
9.一种燃气轮机发动机(10)，其包括包括后端(54)的环形排气导管(32)，所述环形排气导管用于从所述燃气轮机的后端排放废气；以及多个周向上相邻的V形件(52)，该V形件从所述导管后端延伸，所述多个周向上相邻的V形件由形状记忆合金材料制成。
10.如权利要求9所述的燃气轮机发动机(10)，其特征在于，所述环形排气导管(32)包括核心发动机排气导管和风扇排气导管中的至少一个。
全文摘要
一种组装燃气轮机(10)的方法，其包括将环形排气导管(32)联接到该燃气轮机上，将多个V形件(52)联接到该环形排气导管上，以及将V形件致动系统(70、80)联接到该环形排气导管上，这样，可选择地操作V形件致动系统来对多个V形件重新定位，从而调节该环形排气导管的会聚度。
文档编号F02K1/46GK1644904SQ20051000429
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月20日 优先权日2004年1月20日
发明者S·R·高达, K·S·厄尔利, S·马滕斯 申请人:通用电气公司