主动HPC间隙控制的制作方法

本公开内容的领域大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及用于使用压缩机壳的主动冷却来控制各种飞行阶段下的压缩机间隙的方法及系统。

背景技术：

燃气涡轮发动机典型地包括多个压缩机级，以压缩引入的空气流以用于输送至燃烧器。转子叶片和压缩机壳在各种操作阶段(诸如地面操作、起飞和巡航)期间经受一定范围的温度，导致这些压缩机构件的热膨胀或收缩。典型地，压缩机级的构件设计成以最小转子末梢间隙和级间密封间隙操作以在起飞期间提高推力产生。然而，在巡航条件期间，压缩机级的操作温度低于起飞时，导致由于压缩机构件的热收缩引起的较大间隙。较大的转子末梢和级间密封间隙降低燃气涡轮发动机在巡航条件下的操作效率。在不影响起飞条件下的燃气涡轮发动机的操作的情况下，巡航条件下的转子叶片和级间密封间隙的减小可在巡航条件期间提高燃气涡轮发动机的燃料效率而对起飞条件下的推力产生有最小影响。

技术实现要素：

在一个实施例中，一种燃气涡轮发动机间隙控制系统包括从冷却空气入口端口延伸至冷却空气出口端口的冷却空气通路。冷却空气入口端口和出口端口形成在压缩机的压缩机壳的外表面内且在该外表面上沿轴向间隔开。冷却空气通路从冷却空气入口端口沿径向向内延伸至凸缘接头、压缩机壳环的径向外表面和连接器壳的径向外表面中的至少一者。冷却空气通路还沿连接器壳和压缩机壳环的径向外表面向后延伸。冷却空气通路还沿径向向外延伸至冷却空气出口端口。将冷却空气选择性地供应至冷却空气通路控制压缩机的转子叶片的转子末梢与压缩机壳环的内表面之间的转子末梢间隙且还控制压缩机的转子转轴与内带之间的级间密封间隙。转子叶片从附接至转子转轴的转子叶片平台的内流路表面朝压缩机壳环的内表面沿径向向外延伸且终止于接近内表面的转子末梢处。多个定子导叶中的每一个从外带的径向内表面沿径向向内延伸且终止于内带处。外带构造成在与相邻外带轴向接触的情况下沿径向联接至压缩机壳环。凸缘接头构造成联接压缩机壳环和连接器壳。压缩机壳环包括沿径向向外延伸的凸缘部分，其构造成连接至轴向地邻近凸缘部分的连接器壳的沿径向向外延伸的安装凸缘。

在另一个实施例中，一种选择性地冷却燃气涡轮发动机的压缩机的方法包括从冷却空气的多个可选择的源中的一个接收冷却空气流，以及将冷却空气流沿压缩机的压缩机壳内的冷却空气通路导送。冷却空气通路邻近凸缘接头、连接器壳的径向外表面和压缩机壳环的径向外表面中的至少一者。

在额外的实施例中，一种燃气涡轮发动机包括压缩机，其包括压缩机壳。压缩机壳包括联接到至少一个轴向相邻的压缩机壳环的至少一个连接器壳。燃气涡轮发动机还包括构造成选择性地冷却压缩机壳的燃气涡轮发动机间隙控制系统。燃气涡轮发动机间隙控制系统包括冷却空气的至少一个源，其可操作地联接到至少一个阀以从至少一个源中的一个提供冷却空气。该至少一个阀可操作地联接至形成在压缩机壳的外表面内的冷却空气通路的冷却空气入口端口。冷却空气通路从冷却空气入口端口延伸穿过邻近凸缘接头、压缩机壳环的径向外表面和连接器壳的径向外表面中的至少一者的通路，且还延伸至形成在压缩机壳的外表面中的冷却空气出口端口。来自该至少一个源中的一个的冷却空气在至少一个阀中的一者打开时引导穿过空气通路，从而冷却压缩机壳。

在另一个额外的实施例中，一种燃气涡轮发动机间隙控制系统包括从冷却空气入口端口延伸至冷却空气出口端口的冷却空气通路。冷却空气入口端口和出口端口形成在压缩机的压缩机壳的外表面内且也在压缩机壳的外表面上沿轴向间隔开。冷却空气通路从冷却空气入口端口沿径向向内延伸至凸缘接头、压缩机壳环的径向外表面和连接器壳的径向外表面中的至少一者。冷却空气通路还沿连接器壳和压缩机壳环的径向外表面向后延伸。冷却空气通路还沿径向向外延伸至冷却空气出口端口。将冷却空气选择性地供应至冷却空气通路控制压缩机的转子叶片的转子末梢与压缩机壳环的内表面之间的转子末梢间隙且还控制压缩机的转子转轴与内带之间的级间密封间隙。

技术方案1.一种燃气涡轮发动机间隙控制系统，包括：

从冷却空气入口端口延伸至冷却空气出口端口的冷却空气通路，所述冷却空气入口端口和出口端口形成在压缩机的压缩机壳的外表面内且在所述外表面上沿轴向间隔开，所述冷却空气通路从所述冷却空气入口端口沿径向向内延伸至凸缘接头、压缩机壳环的径向外表面和连接器壳的径向外表面中的至少一者，所述冷却空气通路还沿所述连接器壳和所述压缩机壳环的所述径向外表面向后延伸，所述冷却空气通路还沿径向向外延伸至所述冷却空气出口端口，其中将冷却空气选择性地供应至所述冷却空气通路控制所述压缩机的转子叶片的转子末梢与所述压缩机壳环的内表面之间的转子末梢间隙且还控制所述压缩机的转子转轴与内带之间的级间密封间隙，其中：

所述转子叶片从附接至所述转子转轴的转子叶片平台的内流路表面朝所述压缩机壳环的内表面沿径向向外延伸且终止于接近所述内表面的所述转子末梢处；

多个定子导叶中的每一个从外带的径向内表面沿径向向内延伸且终止于内带处；

所述外带构造成在与相邻的外带轴向接触的情况下沿径向联接至所述压缩机壳环；以及

所述凸缘接头构造成联接所述压缩机壳环和所述连接器壳，所述压缩机壳环包括沿径向向外延伸的凸缘部分，所述凸缘部分构造成联接至轴向地邻近所述凸缘部分的所述连接器壳的沿径向向外延伸的安装凸缘。

技术方案2.根据技术方案1所述的系统，其中，所述冷却空气通路还包括在所述凸缘接头上游的分支，所述分支包括在所述凸缘部分和所述安装凸缘的相应面之间延伸且通过所述相应面中的一者中的孔口离开的第一部分。

技术方案3.根据技术方案2所述的系统，其中，所述分支还包括向后延伸至所述压缩机壳的环带的第二部分。

技术方案4.根据技术方案3所述的系统，其中，所述冷却空气通路还包括定位在所述分支与所述冷却空气出口端口之间的导流板，所述导流板构造成将来自所述第一部分和所述第二部分的冷却空气导送至所述冷却空气出口端口。

技术方案5.根据技术方案4所述的系统，其中，所述冷却空气通路还包括位于所述分支与所述导流板之间的歧管，以使所述第一部分和所述第二部分在进入所述导流板之前再会合。

技术方案6.根据技术方案1所述的系统，其中，所述系统还包括可通信地联接至空气流阀的控制器，所述控制器构造成：

选择和打开所述空气流阀以允许所述冷却空气流过所述冷却空气通路来冷却所述压缩机壳；以及

关闭所述空气流阀以终止对所述压缩机壳的冷却。

技术方案7.根据技术方案6所述的系统，其中，所述系统还包括联接至所述空气流阀的所述冷却空气的源，所述源可选自所述燃气涡轮发动机的风扇组件、所述燃气涡轮发动机的增压器压缩机以及来自所述燃气涡轮发动机的第二压缩机级的发动机内部放气，且其中所述空气流阀选自可操作地联接至所述风扇组件的第一阀、可操作地联接至所述增压器的第二阀以及可操作地联接至所述第二压缩机级的第三阀。

技术方案8.根据技术方案6所述的系统，其中，所述控制器构造成在所述燃气涡轮发动机的第一巡航操作条件期间选择和打开所述空气流阀，所述控制器构造成在所述燃气涡轮发动机的多个第二操作条件中的一者期间关闭所述空气流阀，所述第二操作条件包括地面操作条件、起飞操作条件、爆发操作条件，以及由所述控制器检测到的错误条件。

技术方案9.根据技术方案6所述的系统，其中，所述系统还包括与相应的空气流源流连通地联接的多个空气流阀，且其中所述控制器构造成选择和打开所述多个空气流阀中的一个以允许来自相应空气流源的空气流过所述冷却空气通路来冷却所述压缩机壳以及关闭所述多个空气流阀中的所述一个来终止对所述压缩机壳的冷却。

技术方案10.根据技术方案6所述的系统，其中，所述空气流阀为调节阀。

技术方案11.一种燃气涡轮发动机，包括：

包括压缩机壳的压缩机，所述压缩机壳包括联接到至少一个轴向相邻的压缩机壳环的至少一个连接器壳；以及

构造成选择性地冷却所述压缩机壳的燃气涡轮发动机间隙控制系统，所述燃气涡轮发动机间隙控制系统包括：

冷却空气的至少一个源，其可操作地联接到至少一个阀以提供来自所述至少一个源中的一个的冷却空气；

所述至少一个阀，其可操作地联接至形成在所述压缩机壳的外表面内的冷却空气通路的冷却空气入口端口；以及

所述冷却空气通路，其从所述冷却空气入口端口延伸穿过邻近凸缘接头、所述压缩机壳环的径向外表面和所述连接器壳的径向外表面中的至少一者的通路，且还延伸至形成在所述压缩机壳的所述外表面中的冷却空气出口端口；

其中来自所述至少一个源中的一个的冷却空气在所述至少一个阀中的一个打开时引导穿过所述冷却空气通路，从而冷却所述压缩机壳。

技术方案12.根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃气涡轮发动机还包括控制器以便：

根据包括所述燃气涡轮发动机在巡航条件下操作的阀打开状态选择和打开所述一个阀；以及

根据选自以下的阀关闭状态关闭所述一个阀以终止对所述压缩机壳的冷却：所述燃气涡轮发动机在地面条件下操作，所述燃气涡轮发动机在起飞条件下操作，所述燃气涡轮发动机在地面条件下操作，所述燃气涡轮发动机在爆发条件下操作，所述控制器检测到错误条件，以及它们的任何组合。

技术方案13.根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述至少一个源选自来自所述燃气涡轮发动机的风扇组件的风扇冷却空气、来自所述燃气涡轮发动机的增压器的增压器空气、来自所述燃气涡轮发动机的第二压缩机级的发动机内部放气，以及它们的任何组合。

技术方案14.一种燃气涡轮发动机间隙控制系统，包括：从冷却空气入口端口延伸至冷却空气出口端口的冷却空气通路，所述冷却空气入口端口和出口端口形成在压缩机的压缩机壳的外表面内且在所述外表面上沿轴向间隔开，所述冷却空气通路从所述冷却空气入口端口沿径向向内延伸至凸缘接头、压缩机壳环的径向外表面和连接器壳的径向外表面中的至少一者，所述冷却空气通路还沿所述连接器壳和所述压缩机壳环的所述径向外表面向后延伸，所述冷却空气通路还沿径向向外延伸至所述冷却空气出口端口，其中将冷却空气选择性地供应至所述冷却空气通路控制所述压缩机的转子叶片的转子末梢与所述压缩机壳环的内表面之间的转子末梢间隙且还控制所述压缩机的转子转轴与内带之间的级间密封间隙。

实施方案1.一种燃气涡轮发动机间隙控制系统，包括：

从冷却空气入口端口延伸至冷却空气出口端口的冷却空气通路，所述冷却空气入口端口和出口端口形成在压缩机的压缩机壳的外表面内且在所述外表面上沿轴向间隔开，所述冷却空气通路从所述冷却空气入口端口沿径向向内延伸至凸缘接头、压缩机壳环的径向外表面和连接器壳的径向外表面中的至少一者，所述冷却空气通路还沿所述连接器壳和所述压缩机壳环的所述径向外表面向后延伸，所述冷却空气通路还沿径向向外延伸至所述冷却空气出口端口，其中将冷却空气选择性地供应至所述冷却空气通路控制所述压缩机的转子叶片的转子末梢与所述压缩机壳环的内表面之间的转子末梢间隙且还控制所述压缩机的转子转轴与内带之间的级间密封间隙，其中：

所述转子叶片从附接至所述转子转轴的转子叶片平台的内流路表面朝所述压缩机壳环的内表面沿径向向外延伸且终止于接近所述内表面的所述转子末梢处；

多个定子导叶中的每一个从外带的径向内表面沿径向向内延伸且终止于内带处；

所述外带构造成在与相邻的外带轴向接触的情况下沿径向联接至所述压缩机壳环；以及

所述凸缘接头构造成联接所述压缩机壳环和所述连接器壳，所述压缩机壳环包括沿径向向外延伸的凸缘部分，所述凸缘部分构造成联接至轴向地邻近所述凸缘部分的所述连接器壳的沿径向向外延伸的安装凸缘。

实施方案2.根据实施方案1所述的系统，其中，所述冷却空气通路还包括在所述凸缘接头上游的分支，所述分支包括在所述凸缘部分和所述安装凸缘的相应面之间延伸且通过所述相应面中的一者中的孔口离开的所述冷却空气通路的第一部分。

实施方案3.根据实施方案2所述的系统，其中，所述分支还包括向后延伸至所述压缩机壳的环带的所述冷却空气通路的第二部分。

实施方案4.根据实施方案3所述的系统，其中，所述冷却空气通路还包括定位在所述分支与所述冷却空气出口端口之间的导流板，所述导流板构造成将来自所述第一部分和所述第二部分的冷却空气导送至所述冷却空气出口端口。

实施方案5.根据实施方案4所述的系统，其中，所述冷却空气通路还包括位于所述分支与所述导流板之间的歧管，以使所述第一部分和所述第二部分在进入所述导流板之前再会合。

实施方案6.根据实施方案1所述的系统，其中，所述系统还包括可通信地联接至空气流阀的控制器，所述控制器构造成：

选择和打开所述空气流阀以允许所述冷却空气流过所述冷却空气通路来冷却所述压缩机壳；以及

关闭所述空气流阀以终止对所述压缩机壳的冷却。

实施方案7.根据实施方案6所述的系统，其中，所述系统还包括联接至所述空气流阀的所述冷却空气的源，所述源可选自所述燃气涡轮发动机的风扇组件、所述燃气涡轮发动机的增压器压缩机以及来自所述燃气涡轮发动机的第二压缩机级的发动机内部放气，且其中所述空气流阀选自可操作地联接至所述风扇组件的第一阀、可操作地联接至所述增压器的第二阀以及可操作地联接至所述第二压缩机级的第三阀。

实施方案8.根据实施方案6所述的系统，其中，所述控制器构造成在所述燃气涡轮发动机的第一巡航操作条件期间选择和打开所述空气流阀，所述控制器构造成在所述燃气涡轮发动机的多个第二操作条件中的一者期间关闭所述空气流阀，所述第二操作条件包括地面操作条件、起飞操作条件、爆发操作条件，以及由所述控制器检测到的错误条件。

实施方案9.根据实施方案6所述的系统，其中，所述系统还包括与相应的空气流源流连通地联接的多个空气流阀，且其中所述控制器构造成选择和打开所述多个空气流阀中的一个以允许来自相应空气流源的空气流过所述冷却空气通路来冷却所述压缩机壳以及关闭所述多个空气流阀中的所述一个来终止对所述压缩机壳的冷却。

实施方案10.根据实施方案6所述的系统，其中，所述空气流阀为调节阀。

实施方案11.一种选择性地冷却燃气涡轮发动机的压缩机的方法，所述方法包括：

接收来自冷却空气的多个可选择的源中的一个的冷却空气流；以及

将所述冷却空气流沿所述压缩机的压缩机壳内的冷却空气通路导送，所述冷却空气通路邻近凸缘接头、连接器壳的径向外表面和压缩机壳环的径向外表面中的至少一者。

实施方案12.根据实施方案11所述的方法，其中，所述方法还包括：

将所述冷却空气流朝所述凸缘接头沿径向向内引导，所述凸缘接头构造成联接所述压缩机壳环的沿径向向外延伸的凸缘部分以及轴向地邻近所述凸缘部分的所述连接器壳的沿径向向外延伸的安装凸缘；

使所述凸缘接头上游的冷却空气流分成第一部分和第二部分；

将所述第一部分在所述凸缘部分和所述凸缘接头的安装凸缘的相应面之间引导且穿过所述相应面中的一个中的孔口；

将所述第二部分沿所述连接器壳和所述压缩机壳环的径向外表面向后引导；以及

使所述第一部分和第二部分在所述压缩机壳环和所述连接器壳附近的环带中会合。

实施方案13.根据实施方案11所述的方法，其中，所述方法还包括：

使用所述冷却空气通路中的分支将所述冷却空气流分成第一部分和第二部分；

将所述第一部分在基本上垂直于所述旋转轴线的第一方向上沿从所述压缩机壳的外表面朝所述连接器壳和所述压缩机壳环的第一流路引导；以及

将所述第二部分沿着沿所述连接器壳和所述压缩机壳环的径向外表面的第二流路引导。

实施方案14.根据实施方案13所述的方法，其中，所述方法还包括将所述冷却空气流的第一部分和第二部分引导至形成在所述压缩机壳的外表面中的出口，其使用所述分支与所述出口之间的可操作地联接至所述冷却空气通路的导流板。

实施方案15.根据实施方案11所述的方法，其中，所述方法还包括通过打开至少一个阀中的一个来开始冷却空气流，所述至少一个阀中的每一个可操作地联接在所述至少一个源中的一个与所述冷却空气通路之间。

实施方案16.根据实施方案11所述的方法，其中，所述至少一个源选自来自所述燃气涡轮发动机的风扇组件的风扇冷却空气、来自所述燃气涡轮发动机的增压器的增压器空气、来自所述燃气涡轮发动机的第二压缩机级的发动机内部放气，以及它们的任何组合。

实施方案17.根据实施方案15所述的方法，其中，所述方法还包括：

根据包括所述燃气涡轮发动机在巡航条件下操作的阀打开状态使用控制器选择和打开所述一个阀；以及

根据选自以下的阀关闭状态使用所述控制器关闭所述一个阀来终止对所述压缩机壳的冷却：所述燃气涡轮发动机在地面条件下操作，所述燃气涡轮发动机在起飞条件下操作，所述燃气涡轮发动机在地面条件下操作，所述燃气涡轮发动机在爆发条件下操作，所述控制器检测到错误条件，以及它们的任何组合。

实施方案18.一种燃气涡轮发动机，包括：

包括压缩机壳的压缩机，所述压缩机壳包括联接到至少一个轴向相邻的压缩机壳环的至少一个连接器壳；以及

构造成选择性地冷却所述压缩机壳的燃气涡轮发动机间隙控制系统，所述燃气涡轮发动机间隙控制系统包括：

冷却空气的至少一个源，其可操作地联接到至少一个阀以提供来自所述至少一个源中的一个的冷却空气；

所述至少一个阀，其可操作地联接至形成在所述压缩机壳的外表面内的冷却空气通路的冷却空气入口；以及

所述冷却空气通路，其从所述冷却空气入口端口延伸穿过邻近凸缘接头、所述压缩机壳环的径向外表面和所述连接器壳的径向外表面中的至少一者的通路，且还延伸至形成在所述压缩机壳的所述外表面中的冷却空气出口端口；

其中来自所述至少一个源中的一个的冷却空气在所述至少一个阀中的一个打开时引导穿过所述冷却空气通路，从而冷却所述压缩机壳。

实施方案19.根据实施方案18所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃气涡轮发动机还包括控制器以便：

根据包括所述燃气涡轮发动机在巡航条件下操作的阀打开状态选择和打开所述一个阀；以及

根据选自以下的阀关闭状态关闭所述一个阀以终止对所述压缩机壳的冷却：所述燃气涡轮发动机在地面条件下操作，所述燃气涡轮发动机在起飞条件下操作，所述燃气涡轮发动机在地面条件下操作，所述燃气涡轮发动机在爆发条件下操作，所述控制器检测到错误条件，以及它们的任何组合。

实施方案20.根据实施方案18所述的燃气涡轮发动机，其中，所述至少一个源选自来自所述燃气涡轮发动机的风扇组件的风扇冷却空气、来自所述燃气涡轮发动机的增压器的增压器空气、来自所述燃气涡轮发动机的第二压缩机级的发动机内部放气，以及它们的任何组合。

实施方案21.一种燃气涡轮发动机间隙控制系统，包括：从冷却空气入口端口延伸至冷却空气出口端口的冷却空气通路，所述冷却空气入口端口和出口端口形成在压缩机的压缩机壳的外表面内且在所述外表面上沿轴向间隔开，所述冷却空气通路从所述冷却空气入口端口沿径向向内延伸至凸缘接头、压缩机壳环的径向外表面和连接器壳的径向外表面中的至少一者，所述冷却空气通路还沿所述连接器壳和所述压缩机壳环的所述径向外表面向后延伸，所述冷却空气通路还沿径向向外延伸至所述冷却空气出口端口，其中将冷却空气选择性地供应至所述冷却空气通路控制所述压缩机的转子叶片的转子末梢与所述压缩机壳环的内表面之间的转子末梢间隙且还控制所述压缩机的转子转轴与内带之间的级间密封间隙。

附图说明

在参照附图阅读以下详细描述时，本公开内容的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的标号表示贯穿附图相似的部分，在附图中：

图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7示出了本文所述的系统和方法的示例性实施例。

图1为燃气涡轮发动机的示意图；

图2为燃气涡轮发动机的压缩机的若干压缩机级的截面图；

图3为用于燃气涡轮发动机的燃气涡轮发动机间隙控制系统的示意图；

图4为压缩机和燃气涡轮发动机间隙控制系统的截面视图；

图5为转子叶片末梢关于压缩机内的压缩机壳环的径向内表面的间隙的截面视图；

图6为压缩机的级间密封组件的截面视图；以及

图7为导叶组件的截面视图，没有级间密封件，但具有导叶组件关于压缩机内的转子转轴的间隙。

尽管各种实施例的特定特征可在一些图中示出且未在其它图中示出，但这仅是为了方便。附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合参照和/或要求保护。

除非另外指出，本文提供的附图意在示出本公开内容的实施例的特征。这些特征认作是适用于包括本公开内容的一个或多个实施例的多种系统。因此，附图不意在包括用于本文公开的实施例的实施所需的本领域的普通技术人员已知的所有常规特征。

零件清单

10燃气涡轮发动机

12风扇组件

14高压压缩机

16燃烧器

18高压涡轮

20低压涡轮

22增压器压缩机

24风扇叶片阵列

28进气侧

30排气侧

32空气流

33旁通空气流

38连接器壳的径向外表面

39压缩机壳环和壳环组件的径向外表面

40压缩机

41压缩机壳环

42转子组件

44定子导叶组件

45压缩机壳的外支撑结构

46压缩机流路

49本体

50转子叶片

52定子部件

53旋转部件

54转子转轴

57旋转轴线

58转子叶片平台

59管道

60转子末梢

61管道壁

62转子叶片平台的内流路表面

63管道壁的外表面

64级间密封组件

65级间密封组件的内表面

66定子内带

67转子转轴齿

68定子外带

69级间间隙

70定子导叶

72导叶组件的上游安装凸缘

74导叶组件的下游安装凸缘

76外带的本体

78外带的径向内表面

80压缩机壳

81没有附接的凸缘接头的壳环构造

82连接器壳

86凸缘接头

88螺栓

90螺母

92压缩机壳环的径向内表面

93压缩机壳环的凸缘部分中的开口

94钩组件

95上游安装凸缘

96下游安装凸缘

97连接器壳的实心连接器本体

98连接器壳的凸缘中的沿周向间隔开的开口

99压缩机壳环的凸缘部分

100燃气涡轮发动机间隙控制系统

114冷却空气源

120上游压缩机级

122至少一个阀

124冷却空气入口端口

126壳的外表面

128第一阀

130第二阀

132第三阀

134转子末梢间隙

136冷却空气出口端口

200冷却空气通路

201空气流

202分支

204第一部分

205第二部分

208导流板

210歧管

300控制器

500压缩机

502第一压缩机级

504第二压缩机级

506第一转子

508第二转子

510第一转子末梢间隙

512第二转子末梢间隙

514压缩机壳

516出口端口

517出口支撑结构

518旋转轴线

520入口端口

521导叶组件的外表面

522管道

523导叶组件

524第一凸缘

525压缩机壳环的外表面

526第三压缩机级

527压缩机壳环

528第三凸缘

600控制系统

602冷却空气

604冷却空气入口端口

606引入的空气流

608分支

610空气流的第一部分

612空气流的第二部分

614流出空气

615歧管

616导流板

618冷却空气出口

620空隙。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求中，将对多个用语进行参照，它们应当限定为具有以下意义。

单数形式"一个"、"一种"和"该"包括复数参照，除非上下文清楚地另外指出。

"可选"或"可选地"意思是随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且描述包括事件发生的情况以及其不发生的情况。

如本文贯穿说明书和权利要求使用的近似语言可用于修饰可允许在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下改变的任何数量表达。因此，由诸如"大约"、"大概"和"大致"的一个或多个用语修饰的值不限于指定的准确值。在至少一些情况中，近似语言可对应于用于测量值的器具的精度。这里以及贯穿说明书和权利要求，范围限制可组合和/或互换，此范围被识别且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。

以下详细描述通过举例而不通过限制示出了本公开内容的实施例。构想出的是，本公开内容具有用于冷却本体的静止部件的方法和系统的一般应用，本体包括静止部件和围绕旋转轴线在形成于静止部件内的管道内旋转的旋转部件。在一个示例性实施例中，本体为燃气涡轮发动机，静止部件为燃气涡轮发动机的压缩机的压缩机壳，且旋转部件为转子，其围绕旋转轴线在形成于压缩机壳内的管道内旋转。尽管按照该示例性实施例描述了冷却本体的静止部件的燃气涡轮发动机间隙控制系统和方法的各种实施例，但应理解的是，燃气涡轮发动机间隙控制系统和方法适合于冷却如本文限定的任何本体的静止部件而无限制性。

本文所述的燃气涡轮发动机间隙控制系统的实施例将冷却空气引导穿过形成在燃气涡轮发动机的压缩机的至少一个压缩机壳内的冷却空气通路。燃气涡轮发动机间隙控制系统包括冷却空气的至少一个源，其可操作地联接到至少一个对应的阀来将来自所述至少一个源中的一者的冷却空气选择性地提供至形成在压缩机壳内的冷却空气通路。本文所述的燃气涡轮发动机间隙控制系统构造成将冷却空气引导穿过压缩机壳的冷却空气通路，从而在打开至少一个对应的阀中的一个阀时选择性地冷却压缩机壳。选择性地冷却压缩机壳允许对压缩机的相邻元件之间的至少两个间隙的控制：转子叶片的转子末梢与相邻压缩机壳环的内表面之间的转子末梢间隙，以及导叶组件的内带与压缩机的转子转轴之间的级间密封间隙。

本文所述的燃气涡轮发动机间隙控制系统提供了优于燃气涡轮发动机的压缩机的冷却构件的已知方法的优点。更特别地，燃气涡轮发动机间隙控制系统允许在燃气涡轮发动机在巡航条件下操作时对压缩机壳的选择性冷却。在使用中，当燃气涡轮发动机在若干条件(包括但不限于地面滑行、起飞和骤增条件)下操作时，燃气涡轮发动机间隙控制系统可停用，从而允许压缩机壳膨胀来适应转子叶片的热和弹性伸长，以及压缩机的转子转轴/盘的增长，导致适合于在最大限制的间隙条件下的操作的压缩机间隙。在燃气涡轮发动机在巡航条件下操作时，燃气涡轮发动机间隙控制系统可启动以选择性地冷却压缩机壳，引起压缩机壳收缩。压缩机壳的收缩减小压缩机转子叶片末梢间隙和级间密封间隙，或对于没有级间密封的压缩机设计关于转子转轴的导叶末梢间隙，从而提高操作燃气涡轮发动机的效率且减少燃气涡轮发动机的总体燃料使用。

图1为包括风扇组件12、高压压缩机14和燃烧器16的燃气涡轮发动机10的示意图。发动机10也包括高压涡轮18、低压涡轮20和增压器22。风扇组件12包括从转子盘26沿径向向外延伸的风扇叶片24的阵列。发动机10具有进气侧28和排气侧30。

在操作中，空气流过风扇组件12，且压缩空气供应至高压压缩机14。高度压缩的空气输送至燃烧器16。来自燃烧器16的空气流32驱动涡轮18和20，且涡轮20驱动风扇组件12。在各种实施例中，压缩机14可包括一个或多个压缩机级(未示出)。

图2为燃气涡轮发动机10的压缩机40的一部分的截面图。在图2中所示的示例性实施例中，压缩机40为高压压缩机。压缩机40包括多个转子组件42、多个定子导叶组件44，以及联接在一起以限定穿过压缩机40的流路46的压缩机壳80。特别地，压缩机40包括多个级，且各个级均包括转子组件42和定子导叶组件44。各个定子导叶组件44在相邻成排的转子叶片50之间相间错杂。在该布置中，压缩机流路46包括多个相间错杂的定子导叶70和转子叶片50。压缩机级构造成与运动或工作流体(诸如空气)协作，使得运动流体在随后的级中压缩。

在示例性实施例中，各个转子组件42均包括多个转子叶片50，其中一个在图5中示出。更特别地，各个转子叶片50均在转子叶片平台58与转子末梢60之间从转子转轴54沿径向向外延伸。各个转子叶片50的各个转子末梢60刚好在压缩机壳环41的径向内表面92的内侧终止，导致了本文中限定为转子末梢60与相邻压缩机壳环41的径向内表面92之间的分离距离的转子末梢间隙134。

参看图2和图6，各个定子导叶组件44均包括内带66、外带68和定子导叶70。定子导叶70从外带68的径向内表面78沿径向向内延伸至内带66。各个外带68均包括上游安装凸缘72、下游安装凸缘74，以及在其间延伸的带本体76。如图2中所示，外带安装凸缘72和74联接至压缩机壳80的相邻压缩机壳环41的对应的钩组件94。外带68(见图6)的径向内表面78连同压缩机壳环41(见图5)的对应径向内表面92在运动流体从级到级压缩时形成限制流路46的管道壁61。定子导叶组件44(见图6)的内带66和叶片平台58(见图5)的内流路表面62在运动流体从级到级压缩时一起限定径向内表面引导流路46的至少一部分。

参看图7，在另一个实施例中，各个定子导叶组件44均包括外带68和定子导叶70，但可不包括图6中所示的级间密封组件64。在该实施例中，定子导叶70从外带68的径向内表面78沿径向向内延伸，且终止于转子转轴54附近，形成定子导叶70与转子转轴69之间的级间间隙69。在该实施例中，级间间隙69限定为定子70与转子转轴54之间的分离距离。

再参看图2，压缩机壳80包括由多个凸缘接头86联接在一起的多个压缩机壳环41和连接器壳82。在示例性实施例中，各个凸缘接头86均包括带螺纹的螺栓88和螺母90，它们联接在一起以形成控制块(controllingmass)，其将相邻的压缩机壳环41和连接器壳82装固在一起。图2中也示出了没有附接的凸缘接头但也形成控制块的壳环组件81。

再参看图2和图5，连接器壳82为环形的且在相邻的压缩机壳环41之间沿轴向延伸。各个连接器壳82均包括上游安装凸缘95、下游安装凸缘96，以及在其间延伸的实心连接器本体97。各个安装凸缘95和96均包括尺寸确定成接纳穿过其间的紧固组件螺栓88的多个沿周向间隔开的开口98。开口98与形成在压缩机壳环41的凸缘部分99内的对应的沿周向间隔开的开口93对准。螺栓88通过对准的开口93和98插入，且利用螺母90装固来形成将相邻压缩机壳环41和连接器壳82联接在一起的凸缘接头86。

再参看图5，压缩机壳环41的径向内表面92定向成相对于压缩机壳环41的凸缘部分99成角度，以允许流路46内的空气压缩，且压缩机壳环41的径向内表面92与转子末梢60之间的分离被称为转子末梢间隙134。在示例性实施例中，压缩机壳环41形成有至少一个钩组件94，以用于将各个压缩机壳环41联接至相应定子导叶组件44的外带68的对应上游安装凸缘72或下游安装凸缘74(见图2和图6)。因此，各个钩组件94尺寸确定成将对应的外带安装凸缘72或74接纳在其中。

参看图6，在一个实施例中，级间密封组件64附接至定子导叶组件44的内带66，形成转子转轴齿67附近的可磨损的内表面65。内表面65和从转子转轴54沿径向向内突出的转子转轴齿67形成连续的压缩机级之间的级间密封。当转子转轴齿67在发动机操作期间摩擦内表面65时，内表面65的磨损形成级间间隙69，本文中限定为内表面65与转子转轴54的相邻转子转轴齿67之间的分离距离。

再参看图2，燃气涡轮发动机间隙控制系统100的压缩机40还包括限制压缩机壳环41和定子导叶组件44的压缩机壳80的外支撑结构45。在各种实施例中，一个或多个连接器壳82、压缩机壳环41和/或凸缘接头86与压缩机壳80的外支撑结构45的一个或多个元件联接。在压缩机40组装时，各个定子导叶组件44均联接至相邻的压缩机壳环41，使得在运动流体从级到级压缩时，限制流路46的管道壁61由压缩机壳环41的径向内表面92和外带68的径向内表面78限定。另外，流路46的径向内流路边界由定子导叶组件44(见图6)的内带66与组装的压缩机40的叶片平台58(见图5)的内流路表面62限定。此外，在压缩机40组装时，各个连接器壳82从各个相应的定子导叶组件44的外带68沿径向向外定位。

图3为示例性实施例中的燃气涡轮发动机间隙控制系统100的示意图。在该示例性实施例中，燃气涡轮发动机间隙控制系统100构造成冷却本体49的静止部件52，本体49还包括旋转部件53。旋转部件53围绕旋转轴线57在穿过静止部件52形成的管道59内旋转。在图3中所示的示例性实施例中，本体49为燃气涡轮发动机10的压缩机14，静止部件52为限制管道59的压缩机壳80，且旋转部件53为压缩机14的转子组件42，其包括转子转轴54和转子叶片50。

燃气涡轮发动机间隙控制系统100包括至少一个冷却空气源114。特征为比压缩机壳80更冷的温度的任何空气源都可用作冷却空气源114而无限制性。在一些实施例中，冷却空气源114为来自位于压缩机壳80与燃气涡轮发动机10的进气侧28之间的发动机元件中的一个的放出空气。不限于任何特定理论，位于更接近排气侧30附近的燃烧器16的发动机元件相比位于更接近进气侧28的发动机元件典型地包含更热的空气流32。适合的冷却空气源114的非限制性示例包括来自风扇组件12的风扇冷却空气、来自增压器22的增压器空气、来自上游压缩机级120的发动机内部放气，以及它们的任何组合。

各个冷却空气源114均可操作地联接至对应的阀122。此外，各个阀122可操作地联接至形成在压缩机壳80的外表面126中的相应冷却空气入口端口124。在各种方面，各个冷却空气源114均可操作地联接至单个阀122，以允许选择用于冷却压缩机壳80的单个冷却空气源114，如本文在下文更详细论述的那样。如图3中所示，在示例性实施例中，风扇组件12可操作地联接至第一阀128，增压器22可操作地联接至第二阀130，且上游压缩机级120可操作地联接至第三阀132。

在一个实施例中，一个或多个阀122为与燃气涡轮发动机10的其它系统和装置相关联的现有的阀。在该实施例中，现有的阀可更改来与压缩机壳80的冷却空气入口端口124可操作地联接。在使用中，现有的阀打开来启动燃气涡轮发动机的间隙控制系统100，且启动与现有的阀相关联的燃气涡轮发动机10的其它系统和装置。与现有的阀相关联的其它系统和装置的非限制性示例包括对燃气涡轮发动机10的其它元件(诸如涡轮叶片或齿轮箱)的冷却。

燃气涡轮发动机间隙控制系统100还包括冷却空气通路200，以在一个阀122打开时，将冷却空气从一个冷却空气源114引导穿过压缩机壳80。如本文使用的"选择性地冷却"压缩机壳80是指仅冷却压缩机壳80，特别是限定穿过压缩机壳80的管道59的压缩机壳80的那些部分。选择性地冷却压缩机壳80引起压缩机壳80的热收缩以及压缩机壳80内的管道59的直径的相关联的减小。

不限于任何特定理论，在燃气涡轮发动机10的操作的某些阶段(包括但不限于在一定高度处巡航)期间，进入进气侧28的空气流32为工作流体，其在压缩时升高管道59内的温度和压力，引起压缩机元件的元件的热膨胀。由于压缩机壳80经受由至少一个热源的加热，包括但不限于从穿过压缩机14的空气流32以及在管道59外流动的抽出空气(未示出)的热对流和传导，故限定穿过压缩机壳80的管道59的管道壁61的压缩机壳80的那些部分并未热膨胀或收缩至与转子叶片50和/或转子转轴54相同的程度。因此，在没有通过燃气涡轮发动机间隙控制系统100的额外冷却的情况下，本文中限定为转子末梢60与压缩机壳环41的径向内表面92的分离的转子末梢间隙134(见图5)增大。另外，转子转轴54与附接至定子导叶70的相邻级间密封组件64之间的级间间隙69(见图6)在没有通过燃气涡轮发动机间隙控制系统100的额外冷却的情况下增大。不限于任何特定理论，增大的转子末梢间隙134和增大的级间间隙69与发动机效率的降低相关联。使用燃气涡轮发动机间隙控制系统100冷却压缩机壳80引起形成管道壁61的压缩机元件的热收缩。结果，管道59的直径减小，引起转子末梢间隙134和压缩机14的级间间隙69的减小。

在图3中所示的该示例性实施例中，在一个阀122打开时，冷却空气通路200将来自一个冷却空气源114的冷却空气引导穿过冷却空气入口端口124与形成在压缩机壳80的外表面126上的冷却空气出口端口136之间的压缩机壳80。具体而言，冷却空气通路200朝管道壁61的外表面63引导冷却空气。构成管道壁61的压缩机14的非限制性元件包括凸缘接头86、压缩机壳环41和壳环组件81的径向外表面39，或连接器壳82的径向外表面38(见图2)。外表面38和39的冷却允许管道壁61的热收缩，以及管道59的直径的相关联的减小，以及转子末梢间隙134和级间间隙69的减小。在各种实施例中，冷却空气通路200大体上将来自压缩机壳80的外表面126处的冷却空气入口端口124的冷却空气朝凸缘接头86、压缩机壳环41的径向外表面39和连接器壳82的径向外表面38(见图2)中的至少一者沿径向向内引导。另外，冷却空气通路200大体上将冷却空气朝压缩机壳80的外表面126处的冷却空气出口端口136沿径向向外引导。冷却空气出口端口136与冷却空气入口端口124沿轴向间隔开。

在一些实施例中，冷却空气通路200可经由至少一个分支202使空气流201分成至少第一部分204和第二部分205。在该实施例中，第一部分204和第二部分205围绕凸缘接头86(见图2)引导。第一部分204在基本上垂直于旋转轴线57的方向上从外表面126沿凸缘接头86且朝限定管道壁61的外带68(见图2)的径向外表面沿径向向内引导。第二部分205在沿管道壁61的外表面63的第二方向上向后引导。在各种实施例中，冷却空气的第一部分204冷却压缩机壳80的区域，诸如包括限定转子末梢间隙134(见图5)的径向内表面92的压缩机壳环41。在各种其它实施例中，沿管道壁61的外表面63引导的冷却空气的第二部分205冷却限定级间间隙69的压缩机壳80和外带68的区域。如本文先前所述，通过冷却空气的第一部分204和第二部分205对管道壁61的组合冷却减小了转子末梢间隙134和级间间隙69。

在一些实施例中，冷却空气通路200还可使用可操作地联接至分支202与冷却空气出口端口136之间的冷却空气通路200的导流板208来将冷却空气的第一部分204和第二部分205引导至形成在压缩机壳80的外表面126中的冷却空气出口端口136。冷却空气然后远离压缩机壳80引导，以经由通过冷却流体的对流来将热量从传导壁61和压缩机壳80的其它元件传递。作为非限制性示例，离开冷却空气出口端口136的冷却流体排入旁通空气流33(见图1)中。在一些实施例中，冷却空气通路200还可包括位于至少一个分支202与导流板208之间的歧管210，以在将空气流引导到导流板208中之前使冷却空气的第一部分204和第二部分205再会合。

再参看图3，燃气涡轮发动机间隙控制系统100还包括控制器300，以选择和打开其中一个阀122来启动燃气涡轮发动机间隙控制系统100，且按需要允许压缩机壳80的选择性冷却。控制器300也关闭其中一个阀122来停用燃气涡轮发动机间隙控制系统100，且按需要终止压缩机壳80的选择性冷却。在一个实施例中，根据由控制器300评估的阀打开状态，控制器300选择和打开一个阀128、130、132。在该实施例中，控制器300在由控制器300确定燃气涡轮发动机10的状态为阀打开状态时打开阀128、130、132中的一个。在各种方面，阀打开状态是其中压缩机壳80的冷却是有利的至少一种可能的状态，如本文先前所述的那样。适合的阀打开状态的非限制性示例包括在巡航条件下操作的燃气涡轮发动机10。如本文使用的巡航条件限定为操作环境，其特征为进入燃气涡轮发动机10的进气侧28的相对低压和低温的空气流32，以及足以保持巡航空速和高度的相对较低的推力要求。在各种实施例中，当控制器300确定燃气涡轮发动机10的状态为阀打开状态时，控制器选择和打开其中一个阀122来启动燃气涡轮发动机间隙控制系统100。

在另一个实施例中，控制器300根据由控制器300评估的阀关闭状态来关闭其中一个阀122。在该另一个实施例中，控制器300在由控制器300确定燃气涡轮发动机10的状态为阀关闭状态时关闭一个阀128、130、132。在各种方面，阀关闭状态为其中没有压缩机壳80的选择性冷却的燃气涡轮发动机10的操作是有利的至少一种可能的状态，如本文先前所述的那样。适合的阀关闭状态的非限制性示例包括燃气涡轮发动机10在地面条件下操作、燃气涡轮发动机10在起飞条件下操作、燃气涡轮发动机10在骤增条件下操作、控制器300检测到错误条件，以及它们的任何组合。如本文使用的地面条件限定为与滑行和飞行前的待机相关联的操作环境，且特征为空气流32在海平面温度和压力下进入进气侧28，以及相对较低的推力要求，具有偶尔爆发来便于从停止位置开始滑行。如本文使用的起飞条件限定为与滑行和起飞前待机相关联的操作环境，且特征为空气流32在海平面温度和压力下进入进气侧28，以及与加速到起飞速度和爬升到巡航高度和偶尔爆发来便于从停止位置开始滑行相关联的高推力要求。如本文使用的骤增条件限定为与关于与飞行活动关联来调整空速的命令的推力骤增相关联的操作环境，包括但不限于巡航飞行期间调整空速、接近着陆期间调整下降角，以及触地和着陆滑跑之后的发动机高速运转。在各种实施例中，当控制器300确定燃气涡轮发动机10的状态为阀关闭状态时，控制器关闭阀128、130、132中的一个来停用燃气涡轮发动机间隙控制系统100。

图4为另一个示例性实施例中的带有燃气涡轮发动机间隙控制系统600的燃气涡轮发动机10的压缩机500的截面视图。压缩机500包括至少一个压缩机级，其包括但不限于第一压缩机级502和第二压缩机级504。第一压缩机级502包括第一转子506和相关联的第一转子末梢间隙510，且第二压缩机级504包括第二转子508和相关联的第二转子末梢间隙512。压缩机500还包括形成在转子转轴54与附接至定子导叶70的内末梢的相邻级间密封组件64(见图6)之间的级间密封件(未示出)。

燃气涡轮发动机间隙控制系统600在图4中以其中空气流穿过压缩机壳514的启动状态示出。系统100包括冷却空气入口端口604，其接收来自冷却空气源(未示出)的冷却空气602。冷却空气602从压缩机壳514的外支撑结构517的入口端口520作为引入的空气流606向下游引导至分支608，在该处，引入的空气流606分成在垂直于旋转轴线518的第一方向上行进的第一部分610，以及在基本上沿轴向通路的第二方向上行进的第二部分612，从而冷却导叶组件523的外表面521以及限定形成在压缩机壳514内的管道522的一部分的压缩机壳环527的外表面525。空气流606的第一部分610可穿过用于将第一压缩机级502连接至第三压缩机级526的第三凸缘528和第一凸缘524之间形成的空隙620。引入的空气流606的第二部分612可穿过通过压缩机壳514的一个或多个结构元件形成的一个或多个通路(未示出)，结构元件包括但不限于凸缘、横梁、纵梁和压缩机壳514的任何其它适合的元件。

引入的空气流606的第一部分610和第二部分612进入歧管615，其将第一部分610和第二部分612重聚成进入导流板616的单一引出的空气流614。导流板616将引出的空气614往回朝形成在压缩机壳514的外支撑结构517的出口端口516内的冷却空气出口618引导。

如本文在上文所述，燃气涡轮发动机间隙控制系统的各种实施例引导冷却空气穿过燃气涡轮发动机的多级压缩机。在一个实施例中，燃气涡轮发动机间隙控制系统引导冷却空气穿过与多级压缩机的单个压缩机级相关联的压缩机壳。在其它实施例中，燃气涡轮发动机间隙控制系统引导冷却空气穿过与多级压缩机的至少两个压缩机级相关联的压缩机壳。在这些其它实施例中的一些中，燃气涡轮发动机间隙控制系统可引导冷却空气穿过与串联的至少两个压缩机级相关联的压缩机壳，特征在于冷却空气经由形成在压缩机壳的外表面中的单个开口进入压缩机壳，以及冷却空气经由形成在压缩机壳的外表面中的单个出口离开压缩机壳。在这些其它实施例中的另一部分中，燃气涡轮发动机间隙控制系统可引导冷却空气穿过与并联的至少两个压缩机级相关联的压缩机壳，特征在于冷却空气的两个或多个部分中的各个部分经由形成在压缩机壳的外表面中的单独的开口进入压缩机壳。各个开口将冷却空气引导至一个压缩机节段。压缩机的多个级的并联冷却还特征在于冷却空气的各个部分经由形成在压缩机的外表面中的单独的出口流出压缩机壳。在还有其它实施例中，压缩机的多个级使用如上文所述的串联和并联冷却的组合来冷却。在各种额外实施例中，燃气涡轮发动机间隙控制系统可用于冷却任何数目的压缩机级而无限制性。

燃气涡轮发动机间隙控制系统的示例性实施例在上文中详细描述。燃气涡轮发动机间隙控制系统以及操作此系统和装置的方法不限于本文所述的特定实施例，而相反，系统的构件和/或方法的步骤可独立地且与本文所述的其它构件和/或步骤分开使用。例如，方法也可与其它需要选择性冷却的系统组合，且不限于仅利用如本文所述的系统和方法来实施。相反，示例性实施例可结合当前构造成接纳和接受燃气涡轮发动机间隙控制系统的许多其它机械应用实施和使用。

上文详细描述了用于选择性地冷却燃气涡轮发动机的压缩机壳的示例性方法及设备。所说明的设备不限于本文所述的特定实施例，而相反，各个构件可独立地且与本文所述的其它构件分开使用。各个系统构件也可与其它系统构件组合使用。

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