双金属热机械致动器的制作方法

本发明涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及涡轮发动机内的双金属热机械致动器。

相关技术的描述

在工业燃气涡轮发动机中，产生热压缩气体。热气流通过涡轮机并膨胀以产生用于驱动发电机以进行发电的机械功。涡轮机通常包括多级定子叶片和转子轮叶，以将来自热气流的能量转换成驱动发动机的转子轴的机械能。涡轮机入口温度受涡轮机部件的材料性能和冷却能力的限制。

燃烧系统接收来自压缩机的空气并通过与燃料混合并燃烧混合物将空气提升至高能量水平，在这之后燃烧室的产物通过涡轮机膨胀。

燃气涡轮机变得越来越大、越来越有效且越来越坚固。正在生产大的叶片和轮叶，特别是在发动机系统的热部分中生产大的叶片和轮叶。这些构型具有局限性，因为随着气体路径直径增大以及气体路径温度升高，叶片需要更强的稳固性。

涡轮机叶片例如由联接至转子盘的根部部分和从联接至根部部分的平台向外延伸的翼型件形成。叶片通常包括前缘、后缘以及与根部部分相反的尖端。在固定壳体与涡轮机的气体路径中的旋转叶片之间形成有间隔。该间隔允许尖端泄漏流。尖端泄漏流减少了由涡轮机叶片产生的扭矩量。常规的燃烧室包括过渡件、轮叶和密封件。压缩机叶片也存在间隔或间隙区域。这些仅是关于效率方面关注间隙的几个示例。

燃气涡轮发动机的总效率取决于在固定部分与移动部分之间以及在两个移动部分之间的一些临界间隙的最小值。燃气涡轮机制造成具有“冷建几何形状(coldbuiltgeometry)”间隙，这些“冷建几何形状”间隙被选择成足够大以适应由于机械变形和热变形引起的任何将来变化。这意味着在使用之前以操作条件确定几何形状和最终间隙，并且通过涡轮发动机的操作来设定几何形状和最终间隙。在工作循环期间，机械变形和热变形以不同的方式影响不同的间隙。因此，某些间隙在基础载荷条件(“热运行几何形状(hotrunninggeometry)”)下大于其可实现的最小值，并且这就是总发动机效率较低的原因。在任何时间点，间隙越大，总效率越低。目前，以如上所述的被动方式控制间隙。“冷建”间隙确定了在给定操作条件下没有调节能力的“热运行”间隙。遍及燃气涡轮发动机组件的间隙影响涡轮发动机的总效率。

技术实现要素：

在本发明的一个方面中，一种双金属热机械致动器包括：多层双金属结构，该多层双金属结构包括多个双金属结构，其中，每个双金属结构包括一对金属、即结构金属和驱动金属，该一对金属沿着结合的接合面结合在一起，并且该一对金属形成一个层，其中，每对金属之间存在滑动接合面，其中，多层双金属结构具有带有至少一个拱的形状，多层双金属结构具有位于多层双金属结构的长度的相反端部上的第一端部和第二端部、内边缘和内半径、外边缘和外半径；以及第一枢转头和第二枢转头，第一枢转头连接至多层双金属结构的第一端部，第二枢转头连接至多层双金属结构的第二端部，其中，每个枢转头包括大致位于每个枢转头的中央的通孔，其中，多层双金属结构随着温度变化膨胀和收缩。

在本发明的另一方面中，一种用于调节间隙距离的方法，包括：

将双金属热机械致动器定位在固定部件与被移动部件之间，双金属热机械致动器包括：多层双金属结构，该多层双金属结构包括多个双金属结构，其中，每个双金属结构包括一对金属、即结构金属和驱动金属，该一对金属沿着结合的接合面结合在一起，并且一对金属形成一个层，其中，每对金属之间存在滑动接合面，其中，多层双金属结构具有带有至少一个拱的形状，多层双金属结构具有第一端部和第二端部、内边缘和内半径、外边缘和外半径；以及第一枢转头和第二枢转头，第一枢转头连接至多层双金属结构的第一端部，第二枢转头连接至多层双金属结构的第二端部，其中，每个枢转头包括大致位于每个枢转头的中央的通孔，其中，多层双金属结构随着温度变化膨胀和收缩；

将第一枢转头或第二枢转头安装至被移动部件，其中，枢转头通过枢转头的通孔安装至被移动部件；以及

提高/降低双金属热机械致动器周围的局部温度，其中，双金属热机械致动器基于温度变化的方向膨胀或收缩，其中，双金属热机械致动器的膨胀或收缩使被移动部件沿着一个轴线移动，从而使两个部件之间的间隔闭合。

参照以下附图、描述和权利要求，本发明的这些及其他特征、方面和优点将变得更好理解。

附图说明

借助于附图更详细地示出了本发明。附图示出了优选构型，并且不限制本发明的范围。

图1是本发明的示例性实施方式的双金属热机械致动器的侧视图。

图2是以本发明的示例性实施方式的在不同温度下的双金属热机械致动器的简化线框示出的侧视图。

图3是本发明的示例性实施方式的双金属热机械致动器的立体图。

图4是本发明的示例性实施方式的双金属热机械致动器的侧视图，为清楚起见仅示出了最内层和最外层。

图5是本发明的示例性实施方式的环形部段承载件和双金属热机械致动器的立体图。

图6是本发明的示例性实施方式的环形部段承载件轨道和双金属热机械致动器的侧视图。

图7是本发明的示例性实施方式中的轮叶中的多个双金属热机械致动器的立体图。

图8是用于本发明的示例性实施方式中的双金属热机械致动器的涡轮机轮叶迷宫式密封件应用的侧视图。

图9是本发明的示例性实施方式中的具有加热/冷却元件的双金属热机械致动器的侧视图。

具体实施方式

在优选实施方式的以下详细描述中，参照形成详细描述的一部分的附图，并且在附图中以说明而非限制的方式示出了可以实践本发明的特定实施方式。应当理解的是，可以利用其他实施方式，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下做出改变。

概括地，本发明的实施方式提供了一种双金属热机械致动器，该双金属热机械致动器包括多层双金属结构，该多层双金属结构包括多个双金属结构。每个双金属结构包括一对金属、即结构金属和驱动金属，该一对金属沿着结合的接合面结合在一起，并且该一对金属形成一个层。每对金属之间存在滑动接合面。多层双金属结构具有带有至少一个拱的形状。多层双金属结构包括第一端部和第二端部、内边缘和内半径、外边缘和外半径。第一枢转头连接至多层双金属结构的第一端部，并且第二枢转头连接至多层双金属结构的第二端部。每个枢转头包括大致位于中央的通孔。多层双金属结构随着温度变化膨胀和收缩。

燃气涡轮发动机可以包括压缩机部分、燃烧器和涡轮机部分。压缩机部分使用过渡区域、轮叶和密封件来压缩环境空气。燃烧器将压缩空气与燃料结合并点燃混合物，从而产生包含形成工作流体的热气体的燃烧产物。工作流体行进至涡轮机部分。在涡轮机部分内存在周向交替的成排的轮叶和叶片，叶片联接至转子。成排的轮叶和叶片中的每对轮叶和叶片形成涡轮机部分中的一级。涡轮机部分包括容纳轮叶、叶片和转子的固定涡轮机壳体。

没有被叶片转动的任何泄漏流或空气动力学损失是功提取损失，因此降低了燃气涡轮发动机效率。一个值得关注的领域是在静止部分与移动部分之间以及在两个移动部分之间的流。通过固定部分与移动部分之间的间隙的损失流促使降低级效率和功率。当通过尖端间隙区域的流与主流相结合并且两个流具有不同的速度时，发生额外的混合损失。

期望通过提供一种下述致动器来减少基于静止部分与移动部分之间的“热运行几何形状”间隙的损失：该致动器降低了流上升并通过间隙区域的可能性并且增大了流停留在叶片和轮叶通道内的可能性。本发明的实施方式提供了一种用于压缩机和涡轮机叶片或轮叶的可以允许减少损失的双金属热机械致动器。下面关于燃气涡轮发动机内的部件对示例进行了描述，然而，可以在能够通过温差测量运动的各种其他应用中使用双金属热机械致动器。

双金属是包括结合在一起形成金属片材板或条的两种类型的金属的金属结构。两种金属的热膨胀系数(cte)是不同的，使得当使条暴露于温度变化时该条弯折，因为具有较小cte的金属变得相对较短。

双金属应用主要用于适合在电路中工作的小型、非常轻的结构。为了在宏观机械结构中比如典型燃气涡轮机环境中使用双金属作为致动器，必须开发若干新特征，如下所述。本发明的实施方式提供了一种用于适应通过运行开始温度变化的系统的间隙变化从而使损失最小的发明技术。

参照图1至图9，示出了双金属热机械致动器(btma)10。btma10包括多个双金属结构12。每个双金属结构12均包括形成条的结构金属14和驱动金属16。如上所述，结构金属14和驱动金属16具有不同的cte。驱动金属16是迫使btma10移动的金属。结构金属14条和驱动金属16条成对地结合在一起，得到每个双金属结构12的结合的接合面18。多个双金属结构12分层地安置，并且每个双金属结构12之间具有滑动接合面20，以产生多层双金属结构(mlbs)22。mlbs22包括与每个双金属结构12的端部相互关联的第一端部24和第二端部26。

mlbs22可以制造成具有至少一个弯折部或拱的形状。多个双金属结构12的弯折或拱形的形状仅由每个双金属结构12内的结构金属14和驱动金属16的性质限制。因此，mlbs22还包括内边缘40和内半径42以及外边缘44和外半径46。作为致动器的应用要求每个条成一定角度，而不是标准的平坦/直的条或板。拱形结构可能由于温度变化膨胀和/或收缩。拱形结构有效长度的相对膨胀远大于初始直线结构的相对膨胀。双金属结构12的数量能够基于应用的要求而变化。例如，根据所要求的总强度、间隙间隔的距离或其他操作特征变化。

图1还示出了分别连接至mlbs22的第一端部24和第二端部26的第一枢转头28和第二枢转头34。第一枢转头28和第二枢转头34两者都包括通孔30。然后，第一枢转头28、第二枢转头34或者第一枢转头28与第二枢转头34可以安装至移动部件或被移动部件48。下面进一步描述各种应用示例。

图2示出了冷形状与冷有效高度以及热形状与热有效高度。图2通过简化线框示出，以更清楚地示出所描述的细节。具有较低cte的金属被示出为位于双金属结构的外边缘上，而具有较高cte的金属被示出为位于双金属结构的内边缘上。图2示出了该构型中的双金属结构12，然而，在其他实施方式中，较低cte金属的位置和较高cte金属的位置基于应用的要求切换。一个示例是，如果在使用时温度降低，那么双金属结构12将收缩。btma10包括有第一枢转头28和第二枢转头34的好处是安装有每个枢转头的部件48可以仅沿着一个轴线在竖向方向上移动。如可以在图2中在右侧的热形状图上观察到的，每个枢转头可以随着mlbs22膨胀而旋转，从而允许移动部件48仅沿该移动部件48意图移动的方向移动。在没有第一枢转头28和第二枢转头34的情况下，如果移动部件48被直接附接，则mlbs22的力将迫使运动部件48旋转离开位置。

在某些实施方式中，mlbs22使每个实施方式能够被制造成所需的强度。对于不同半径相对位移是不同的。如图2和图4中观察到的，处于冷状态的mlbs22的半径和mlbs22的半径的从冷有效长度至热有效长度的相对膨胀是不同的。每个层或双金属结构12的厚度定比例成使得每个层或每个双金属结构12的厚度的相对膨胀将随着半径的增大而减小。以这一方式，形成在每个枢转头与mlbs22之间的连接角度在膨胀期间可以不改变。以这一方式，可以使mlbs22与每个枢转头之间的残余应力最小。为清楚起见，图3示出了双金属结构12的极外配对和极内配对的厚度差异。如所示出的，由于配对半径增大，极内配对在配对上具有不同的厚度。厚度的变化可以使mlbs22中的应变和每个双金属结构12层与每个枢转头28、34之间的应变最小。在某些实施方式中，多个双金属结构12中的每个双金属结构可以具有与mlbs22中的其他双金属结构12的驱动金属和结构金属不同的驱动金属16和结构金属14。

用于燃气涡轮发动机环境的致动器应当具有要求稳固结构的一定强度。增大一个双金属结构的厚度不是一种选择，因为相对变形的范围随着厚度增大而迅速减小。btma10包括用于能够根据任何机械要求定比例的多层双金属结构22的多个双金属结构12。

可以基于所需的服务需求在各种情况中使用双金属热机械致动器10。作为btma10的一部分的mlbs22应当足够强以向所连接的部件48提供驱动力。

这里将列出若干示例，然而，这不是双金属热机械致动器的详尽应用列表。btma10可以安装至燃气涡轮机框架和控制流动通道的有效面积的被移动部件48。图5和图6示出了环形部段承载件50中的双金属热机械致动器10。涡轮机中的叶片的尖端与环形部段50之间的间隔是涡轮机效率的重要驱动因素。如图所示，叶片(未示出)将位于环形部段50下方，并且气体流f在两个部件之间。btma10的膨胀可以使环形部段50向下朝向叶片移动，从而使两个部件48之间的间隔闭合。

在应用中可以存在多个双金属热机械致动器10。这种情况的示例可以是如图7所示的压缩机轮叶56中的btma10。两个btma10可以并行工作并且定位成靠近轮叶56的上部部分64。在该实施方式中，轮叶56的上部部分64是配装到下部部分66中的单独部分，并且可以通过竖向方向的滑动槽68定位。由于槽68，上部部分64可以仅沿竖向方向移动。可以通过两个btma10连接下部部分66和上部部分64。轮叶56可以在基础载荷下被加热。每个btma10均可以使尖端间隙扩大和闭合。在关闭时，btma10可以冷却并收缩，从而使轮叶56再次缩短以避免“挤压”。该过程可以是可逆的并且可以由通过轮叶56的适当冷却流来控制。

图8示出了双金属热机械致动器10的另一应用。该应用是具有双金属热机械致动器10的涡轮机轮叶迷宫式密封件54。可以通过btma10使所示的迷宫式密封件54的底部部分60随温度变化沿径向方向反向移动。迷宫式密封件54的顶部部分62可以连接至涡轮机轮叶52的底部部分60。适当分段的密封件54允许通过btma10使底部部分60沿径向方向反向移动距离d。

btma10可以由局部温度控制，并且btma10可以设计成提供可能在任何特定位置处需要的精确热膨胀或收缩。存在温度由冷却流确定并且冷却质量流量由固定的横截面和孔口确定的位置。可以使用btma10根据冷却流温度来控制冷却流通道的有效横截面积。在这些情况下，btma10可以用作温度致动阀。以这一方式，可以应用两级控制。首先，可以用btma10控制冷却空气质量流，并且然后产生的局部温度可以对控制间隙的第二btma10进行控制。以这一方式，间隙可以在工作循环期间具有根据时间的更精细的控制。

在某些情况下，局部温度可能不适于控制btma10，因为作为时间的函数的范围或温度是不合适的。btma10的实施方式可以包括可提供独立于局部气体温度或局部金属温度的控制温度的加热/冷却元件32。加热/冷却元件32可以是加热/冷却盘管等但不限于加热/冷却盘管等。加热/冷却元件32可能在本质上是电的。

btma10的实施方式构建成具有基于操作条件尽可能多地变形并且精确地变形的能力。btma10必须足够强以承受操作条件，比如在燃气涡轮发动机内的操作条件。btma10还必须足够强以能够通过膨胀使被移动部件48移动。由于拱和多个双金属结构12，多层双金属结构22允许更强的总体结构。另外，具有第一枢转头28与第二枢转头34允许mlbs在没有固定连接至被移动部件的附加压力的情况下膨胀。此外，因为通过第一枢转头28和第二枢转头34将mlbs与被移动部件48隔开，所以部件48不会变形，这是由于存在围绕每个枢转头的旋转而非成角度的运动。

多层双金属结构22可以在至少一个位置处弯折或拱起，比如以半圆形的形状、具有多个弯曲部的形状比如“s”形或类似形状、沿多个方向弯折的形状等弯折或拱起。只要多层双金属结构22允许双金属热机械致动器10在处于温度变化的空间中时的膨胀和收缩，并且多层双金属结构22最初在至少一个部分中弯折或拱起，双金属热机械致动器10就可以按预期运作。

虽然已经详细描述了特定实施方式，但是本领域中普通技术人员将理解的是，可以根据本公开的总体教示开发对那些细节的各种修改和替代。因此，所公开的特定布置结构仅意味着是说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求及其任何和全部等同物的全部范围给出。