用于减轻转子弓弯的方法和系统与流程

本公开内容的领域一般地涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及用于减少有弓弯的转子在燃气涡轮发动机启动期间的影响并增加抵抗阿尔福德(alford)涡动力的转子动力稳定性的方法和系统。

燃气涡轮机发动机在关机之后保留有一定的热量。这种热在关机之后随着时间的过去而慢慢消散。在这消散期，热趋向于在发动机中上升，优选地对内部发动机部件的上部部分进行加热。由上升的热引起的温度梯度导致转子发生弓弯。例如，在转子的上半部处于比转子的下半部更高的温度的情况下，转子将因转子的上半部和下半部的差异膨胀而趋向于发生弓弯。在发动机的后续启动期间，弓弯能够导致转子失衡并导致相关联的振动。通常，允许发动机在启动期间空转一段时间以使转子周围的温度变得均等，这使的转子弓弯得以减轻。然而，燃气涡轮发动机有时在空转转速下或低于空转转速下经历对转子弓弯的共振振动响应。

在以高转矩状态运行期间，燃气涡轮机能够经历因转子叶片上的切向空气动力作用力而导致的被称为阿尔福德涡动的现象。阿尔福德涡动是转子动力学(rotordynamics)领域众所周知的现象。在转子轴没有足够的阻尼的情况下，转子轴能够以涡动运动的形式振动，这种振动可能根据若干参数而变得强烈。减轻阿尔福德涡动的常用方法是添加对转子主要发动机支承轴承的阻尼。在一些实例中，在轴承处设置阻尼并不足以防止阿尔福德涡动。

技术实现要素：

在一个方面中，用于可旋转机械的阻尼系统包括一个或多个阻尼级。可旋转机械包括转子，转子包括第一被支承端部、第二被支承端部、以及在第一被支承端部与第二被支承端部之间延伸的可旋转主体。可旋转机械还包括至少部分地包围转子的壳体。壳体包括多个径向向内延伸的轮叶。所述多个轮叶中的每个轮叶均包括径向外部根部、径向内部末端、以及在径向外部根部与径向内部末端之间延伸的静止的主体。所述一个或多个阻尼级包括支承地联接于壳体与所述多个轮叶的一个或多个根部之间的阻尼器；以及固定地联接至所述多个轮叶的一个或多个末端并且构造为承靠可旋转主体的空气轴承，其中，阻尼级构造为经空气轴承和轮叶从可旋转主体接收振动力并使所接收到的力经阻尼器着陆于壳体。

在另一个方面中，对可旋转构件中的振动进行阻尼的方法包括使用第一轴承和第二轴承支承可旋转构件的重量，第一轴承可旋转地联接至可旋转构件的第一端部，第二轴承联接至可旋转构件的第二端部。上述方法还包括使用无负重、非接触型空气轴承装置从第一端部与第二端部之间的可旋转构件接收振动负载；以及将所接收到的振动负载经阻尼器传递至至少部分地包围可旋转构件的壳体。

在另外一个方面中，一种涡扇发动机包括核心发动机和一个或多个阻尼级，核心发动机包括多级压缩机，多级压缩机包括可旋转构件，可旋转构件由壳体至少部分地包围，所述一个或多个阻尼级在可旋转构件与壳体之间径向地延伸。所述一个或多个阻尼级包括静止的轮叶、阻尼器、以及空气轴承，所述静止的轮叶包括第一端部和第二端部并在可旋转构件与壳体之间径向地延伸，阻尼器联接至壳体和第一端部，空气轴承固定地联接第二端部并构造为承靠可旋转主体。空气轴承构造为从可旋转主体接收振动力并将所接收到的力经轮叶传递至阻尼器。

附图说明

当参考附图阅读下述详细描述时，本公开内容的这些及其他特征、方面和优点将得到更好地理解，其中在附图自始至终相同的符号表示相同的部件，其中：

图1是飞行器的透视图。

图2是图1所示的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。

图3是图2所示的阻尼系统的一部分的示意性侧视平面图。

图4是图2所示的转子和图2所示的阻尼系统的一个阻尼级的示意性侧视图。

除非明确指出，否则本文中提供的附图意在说明本公开内容的实施例的特征。这些特征被认为能够应用于包括本公开内容的一个或多个实施例的多种系统中。同样，附图并非意在包括本领域普通技术人员所知的用于实践本文公开的实施例所需的所有常规特征。

具体实施方式

在下面的说明书和权利要求书中，将引用多个术语，这些术语应当被限定为具有以下意思。

除非上下文另有明确说明，否则，单数形式的“一个”、“一种”和“该/所述”包括多个指示物。

“可选”或“可选地”意指随后描述的事件或情况可以发生或可以不发生，并且这种描述包括事件发生的实例以及事件不发生的实例。

如贯穿说明书和权利要求书所使用的，近似语言可应用于修饰可允许改变而不导致与其相关的基本功能的改变的任何定量表示。相应地，由术语例如“约”、“近似”、以及“基本上”修饰的值并不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精确度。在这里以及贯穿说明书和权利要求书，范围限制可以结合并且/或者互换，除非上下文另有明确说明，否则这种范围被确定为包括包含于其中的所有子范围。

本文中描述的用于可旋转机械的阻尼系统的实施例提供了用于减轻、例如、燃气涡轮发动机中的转子的弓弯的影响的成本有效的方法。而且，阻尼系统有利于减少在运行期间可能发展的阿尔福德涡动(alfordwhirl)的模式影响。阻尼系统可以包括沿可旋转机械的纵向轴线轴向地间隔开的一个或多个阻尼级。通常，可旋转机械包括转子，转子包括第一被支承端部、第二被支承端部、以及在第一被支承端部和第二被支承端部之间延伸的可旋转主体。第一被支承端部和第二被支承端部可以各自联接至相应的轴承，轴承可具体化为滚动元件式轴承、滑动式轴承、由另一轴支承的差动轴承等。可旋转机械还包括至少部分地包围转子的壳体。壳体包括多个径向向内延伸的轮叶，其中，多个轮叶中的每个轮叶均包括径向外部根部、径向内部末端、以及在其之间延伸的静止主体。上述一个或多个阻尼级包括在多个轮叶的一个或多个根部与壳体之间支承地联接的阻尼器、固定地联接至多个轮叶的一个或多个末端并且构造为承靠可旋转主体的空气轴承，其中，阻尼级构造为经空气轴承和轮叶从转子接收振动力并使所接收到的力经阻尼器着陆于(groundto)壳体。可旋转主体可以包括绕可旋转主体周向地间隔开的多个叶片级以及沿可旋转主体轴向地间隔开的多个级。可选地，阻尼器联接至多个轮叶中定位于第一被支承端部和第二被支承端部的近似中间位置处的一个轮叶的根部。在不同实施例中，阻尼系统包括位于第一被支承端部与第二被支承端部之间的、沿可旋转主体轴向地间隔开的多个阻尼级。在一些实施例中，可旋转构件包括多个级，每个级均包括从壳体径向向内延伸的轮叶列以及从可旋转构件径向向外延伸的叶片列，多个级中的轮叶列和叶片列相对于彼此轴向地间隔开。在其他实施例中，阻尼器包括集成挤压油膜阻尼器和集成丝网阻尼器中至少一者。

可旋转构件中的振动阻尼方法包括使用可旋转地联接至可旋转构件的第一端部的第一轴承和联接至可旋转构件的第二端部的第二轴承支承可旋转构件的重量，使用无负重、非接触型空气轴承装置从第一端部和第二端部之间的可旋转构件接收振动负载，以及将所接收到的振动负载经阻尼器传递至至少部分地包围可旋转构件的壳体。上述方法还可以包括将空气轴承装置定位于第一轴承和第二轴承之间的近似中间位置。上述方法也可以包括将所接收到的振动负载经集成挤压油膜阻尼器和集成丝网阻尼器中至少一者传递至至少部分地包围可旋转构件的壳体。上述方法也可包括将所接收到的振动负载经联接至阻尼器的定子轮叶传递至壳体。上述方法也可包括将空气轴承定位于靠近可旋转构件运行时的可旋转构件的振动响应的波腹处。上述方法也可包括使用无负重、非接触型空气轴承装置从第一端部与第二端部之间的可旋转构件接收振动负载，包括使用沿可旋转构件轴向地间隔开的多个无负重、非接触型空气轴承装置从第一端部与第二端部之间的可旋转构件接收振动负载。

涡扇发动机包括核心发动机，核心发动机包括多级压缩机，多级压缩机包括由壳体至少部分地包围的可旋转构件，一个或多个阻尼级在可旋转构件与壳体之间径向地延伸。上述一个或多个阻尼级包括静止的轮叶，静止的轮叶包括第一端部和第二端部并且在可旋转构件与壳体之间径向地延伸。上述一个或多个阻尼级还包括联接至壳体和第一端部的阻尼器以及固定地联接第二端部并构造为承靠可旋转主体的空气轴承。空气轴承构造为从可旋转主体接收振动力并将所接收到的力经轮叶传递至阻尼器。

图1是飞行器100的透视图。在示例实施例中，飞行器100包括机身102，机身102包括前端104、尾部106、以及在前端104与尾部106之间延伸的中空的、长形主体108。飞行器100还包括沿横向方向112远离机身102延伸的翼部110。翼部110包括沿飞行器100在正常飞行期间的运动方向116的前部的前缘114以及在翼部110的相反边缘上的后部的后缘118。飞行器100还包括构造为用以驱动有叶片的可旋转构件122或风扇以产生推力的至少一个发动机120。在不同实施例中，发动机120可以具体化为涡轮喷气、涡扇、涡轮螺旋桨构型中的燃气涡轮发动机或也可具体化为具有开放的螺旋桨或风扇构型的电动马达。发动机120也可构造为燃气涡轮发动机/混合式电动马达。发动机120、例如以接近尾部106处的后推式构型(未示出)、联接至翼部110和机身102中至少一者。

图2是发动机120的示意性横截面图。在示例实施例中，燃气涡轮发动机120具体化为高涵道涡扇喷气式发动机。如图1所示，涡扇发动机120限定了轴向方向a(平行于设置为用于参照的纵向轴线202延伸)以及径向方向r。总体上，涡扇发动机120包括风扇部段204和设置于风扇部段204下游的核心涡轮发动机206。

在示例实施例中，核心涡轮发动机206包括限定了环形入口220的近似呈管状的外部壳体208。外部壳体208以串行流的关系包围压缩机部段、燃烧部段226、涡轮机部段以及喷射排气喷嘴部段232，其中，压缩机部段包括增压器或低压(lp)压缩机222和高压(hp)压缩机224，涡轮机部段包括高压(hp)涡轮机228和低压(lp)涡轮机230。高压(hp)轴或管轴(spool)234将hp涡轮机228驱动地连接至hp压缩机224，从而形成高压转子223。低压(lp)轴或管轴236将lp涡轮机230驱动地连接至lp压缩机222。压缩机部段、燃烧部段226、涡轮机部段、以及喷嘴部段232一起限定了核心空气流动路径237。在不同实施例中，hp压缩机224包括阻尼系统225，阻尼系统225包括一个或多个阻尼级227，上述一个或多个阻尼级227包括多个径向向内延伸的轮叶229。

在示例实施例中，风扇部段204包括变距风扇238，变距风扇238具有以分隔开的关系联接至圆盘242的多个风扇叶片240。风扇叶片240自圆盘242径向向外地延伸。由于风扇叶片240可操作地联接至构造为用以改变风扇叶片240的节距的适当的变距机构(pcm)244，每个风扇叶片240均能够相对于圆盘242绕节距轴p旋转。在其他实施例中，变距机构(pcm)244构造为整体地共同改变风扇叶片240的节距。风扇叶片240、圆盘242、以及变距机构244能够通过穿过动力齿轮箱246的lp轴236一起绕纵向轴线202旋转。动力齿轮箱246包括多个齿轮，用于将风扇238相对于lp轴236的旋转速度调节到更有效的旋转风扇速度。

圆盘242由可旋转的前部毂部248覆盖，可旋转的前部毂部248空气动力学地成形，以促进空气流穿过多个风扇叶片240。此外，风扇部段204包括周向地包围风扇238和/或核心涡轮发动机206的至少一部分的环形风扇壳体或外部发动机舱250。在示例实施例中，发动机舱250构造为由多个周向间隔开的出口导向轮叶252相对于核心涡轮发动机206而支承。而且，发动机舱250的下游部段254可以在核心涡轮发动机206的外部部分之上延伸以便在其之间限定旁路空气流通道256。

在涡扇发动机120的运行期间，一定体积的空气(avolumeofair)258穿过发动机舱250和/或风扇部段204的相关联的入口260进入涡扇发动机120。随着一定体积的空气258横穿风扇叶片240时，该体积的空气258的第一部分262被指引或引导至旁路空气流通道256内并且该体积的空气258的第二部分264被指引或引导至核心空气流动路径237内，或者更具体地被指引或引导至lp压缩机222内。第一部分262和第二部分264之间的比率通常被称为旁通比。第二部分264的压力之后随第二部分264被引导穿过高压(hp)压缩机224并进入燃烧部段226而增加，在燃烧部段226处，第二部分264与燃料混合并被燃烧以提供燃烧气体266。

燃烧气体266被引导穿过hp涡轮机228，在hp涡轮机228处，来自燃烧气体266的热能和/或动能的一部分经由联接至内部壳体278的hp涡轮机定子轮叶268的连续级以及联接至hp轴或管轴234的hp涡轮机转子叶片270的连续级(sequentialstage)而被提取(extracted)，因而使hp轴或管轴234旋转，这之后驱动hp压缩机224的旋转。燃烧气体266之后被引导穿过lp涡轮机230，在lp涡轮机230处，来自燃烧气体266的热能和动能的另一部分经由联接至内部壳体278的lp涡轮机定子轮叶272的连续级以及联接至lp轴或管轴236的lp涡轮机转子叶片274的连续级而被提取，这驱动lp轴或管轴236和lp压缩机222的旋转以及/或者风扇238的旋转。

燃烧气体266随后被引导穿过核心涡轮发动机206的喷射排气喷嘴部段232以提供推进推力。同时，第一部分262的压力随第一部分262被引导穿过旁路空气流通道256、在从涡扇发动机120的风扇喷嘴排气部段276被排出之前而显著增加，进而也提供推进推力。hp涡轮机228、lp涡轮机230、以及喷射排气喷嘴部段232至少部分地限定用于引导燃烧气体266穿过核心涡轮发动机206的热气路径。

在运行期间，当燃气涡轮机在较高的速度或功率设置下运行时，切向的阿尔福德(alford)力增加。如果发动机结构、轴承、或轴承阻尼器未提供足够的阻尼，发动机可能经历正向涡动状态，从而导致过量的振动并且可能导致发动机喘振和/或对发动机的损坏。

图3是阻尼系统225(图2所示)的一部分302的示意性侧视平面图。在示例实施例中，阻尼系统225包括一个或多个阻尼级227，阻尼级227包括多个径向向内延伸的轮叶229。轮叶229联接于空气轴承装置304与阻尼装置或阻尼器306之间。在一些实施例中，阻尼器306具体化为集成挤压油膜式阻尼器。在其他实施例中，阻尼器306具体化为集成丝网式阻尼器。集成丝网阻尼器306可由诸如钢、铬镍铁合金、铝、铜、钽、铂、聚丙烯、尼龙、聚乙烯等的多种材料形成。集成丝网阻尼器306的密度和尺寸能够被调整为满足特定设计应用。阻尼器306固定地联接至内部壳体278并经轮叶229的根部307为各个轮叶229提供支承。在不同实施例中，每个轮叶229均包括联接至轮叶229的末端309的空气轴承装置304，空气轴承装置304构造为在空气轴承装置304的径向内部面310与高压转子223的径向外部表面312之间生成由空气或其他流体的膜308。在其他实施例中，多个轮叶229可周向地集合成(gangedcircumferentiallyinto)多个区段。每个区段又可以使用共同的空气轴承装置304。以区段的形式设置轮叶229使轮叶部件的结构上的刚度和强度更大。

在运行期间，由于转子223在上次关机操作期间的不均匀的冷却，转子223可能具有弓弯。当在另一运行周期中启动发动机120时，弓弯可能在诸如接近地面空转速度(groundidlespeed)的低发动机转速期间导致处于共振的频率范围中的振动。例如，振动可能是低于空转速度、接近空转速度、以及高于空转速度的频率范围中的共振。通常，转子223中的弓弯能够通过使发动机120在相对较低的空转速度下运行一段时间而减轻。然而，如果转子223的共振频率低至空转速度，转子223将在发动机120被操作以减轻弓弯时过度地振动。为了允许这种操作，阻尼级227吸收通过使转子223在地面空转速度下运行以便减轻转子弓弯而产生的振动能量中的至少一部分。

此外，阻尼级227减少了在启动之前使马达发动机120通风(air)所需的时间量，这是通过减少此模式下振动响应的振幅而实现的，这有利于防止密封和/或转子对定子的摩擦。

图4是阻尼系统225(图2所示)的转子223和一个阻尼级227的示意性侧视图。在示例实施例中，转子223包括各自联接至相应的发动机轴承406和408的第一被支承端部402和第二被支承端部404。转子223中的弓弯410的特征在于转子223自转子223的正常旋转中心线的位移，转子223的正常旋转中心线通常与纵向轴线202重合。弓弯量由距离412表征(respectiveof)。在一些实施例中，阻尼级227定位于第一被支承端部402和第二被支承端部404的近似中间位置处。在其他实施例中，多个阻尼级227在第一被支承端部402与第二被支承端部404之间沿转子223轴向地间隔开。在除第一被支承端部402处和第二被支承端部404处以外的多个其他位置处可定位有附加的轴承。例如，轴234、236可在任意数量的位置处进行支承。

在运行期间，在一个实施例中，发动机轴承406、408支承、例如、转子轴234。在另一实施例中，发动机轴承406、408支承、例如、转子轴236。油膜围绕发动机轴承406、408流动以对发动机轴承406、408进行润滑和冷却。如上所述，当在较高的速度或功率设置下运行燃气涡轮机时，切向阿尔福德(alford)力增加。当转子速度增加至下述点时，即，使转子上的切向阿尔福德(alford)力变大到足够克服由转子支承部和/或发动机120的静态结构提供的阻尼时，可能发生转子不稳定。如果发动机结构、轴承、或轴承阻尼器未提供足够的阻尼，发动机可能经历正向涡动状态，从而导致过量的振动并且可能导致发动机喘振和/或对发动机的损坏。如果在系统内存在足够的阻尼，例如，由阻尼系统225提供足够的阻尼，那么轴234或236能够返回其正常位置并恢复稳定。

尽管关于高压压缩机224进行了说明，阻尼系统225可被用在发动机120的其他具有叶片的部件上，例如但不限于、增压器或低压(lp)压缩机222、高压(hp)涡轮机228、以及低压(lp)涡轮机230。

本公开内容的多个实施例的特定特征可能在一些附图中示出而没有在其他附图中示出，这仅是为了方便。根据本公开内容的原理，一幅附图中的任意特征可与任意其他附图中的任意特征结合而被引用并且/或者被要求保护。

本书面说明使用示例来公开包括最佳模式的实施例，也使用示例来使本领域任何技术人员都能够实践实施例，包括制作并使用任何装置或系统并执行任何所包含的方法。本公开内容的可授予专利权的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或如果他们包括与权利要求的字面语言具有非实质性差异的等同结构元件，这些其他示例意在落入权利要求的范围内。