间隙控制装置的制作方法
本申请大体上涉及燃气涡轮发动机，更具体地，本申请涉及用于燃气涡轮发动机和相应装置的间隙控制系统。
背景技术：
叶片尖端间隙的优化可以带来更好的发动机性能和效率。传统上，发动机的旋转和固定涡轮机械部件之间的间隙已通过主动间隙控制(acc,activeclearancecontrol)系统进行调整。举例来说，某些传统的acc系统输送热控制空气,比如为，例如风扇旁路空气,以冲击凸缘，使得壳体和护罩的径向位置可以相对于旋转涡轮叶片的尖端进行调整。与壳体材料的热膨胀系数结合的热控制空气的较低温度使得壳体的直径减小，由此在叶片尖端和护罩之间提供更紧密的间隙。
传统acc系统的一个问题是，这种系统需要复杂的阀、面板和导管，以用于将从壳体的外部抽取的热控制空气引导至凸缘。这些部件增加了发动机的重量。另外，当抽取热控制空气时，发动机效率周期会受到损失。举例来说，当从涡扇发动机的旁路管道抽取空气时，抽取的空气不再可用于有用功，或者在该实施例中，抽取的空气不再可用于提供推力。此外，传统acc系统试图控制壳体相对于发动机的转子的直径。在这种情况下，这种传统的acc系统必须考虑到大的热质量以及与这种热质量的热膨胀和收缩相关的响应时间。因此，传统的acc系统在进行调整以考虑热质量之前通常允许经过延迟时间。在该延迟时间期间，发动机的性能和效率没有得到优化。
因此，用于发动机和相应的装置的解决一个或多个所提出的挑战的改进的间隙控制系统将是合乎需要的。
技术实现要素：
本申请的示例性方面涉及用于发动机和相应的装置的间隙控制系统，其包括用于控制发动机的旋转部件和固定部件之间的间隙的特征。本发明的各方面和优势将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。
在一个示例性方面中，本申请涉及用于发动机的间隙控制装置，间隙控制装置限定轴向方向、径向方向和周向方向。间隙控制装置包括吊架部分。间隙控制装置还包括护罩部分。间隙控制装置还包括柔性构件，柔性构件将吊架部分与护罩部分机械连接并且限定用于接收流体的致动室。护罩部分可响应于致动室内的压力变化而沿着径向方向移动。
在另一个示例性方面中，本申请涉及限定轴向方向、径向方向和周向方向的燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括处于串流关系并且一起至少部分地限定核心空气流动路径的压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段，燃烧区段限定扩散腔和燃烧室，扩散腔位于燃烧室的上游。燃气涡轮发动机还包括间隙控制装置。间隙控制装置包括吊架部分和护罩部分。间隙控制装置还包括柔性构件，柔性构件将吊架部分与护罩部分机械连接并且限定与扩散腔流体连通的致动室，其中，护罩部分可响应于致动室内的压力变化而沿着径向方向移动。
在另一个示例性方面中，本申请涉及一种用于调节燃气涡轮发动机的叶片尖端间隙的方法，燃气涡轮发动机限定轴向方向、径向方向和周向方向。燃气涡轮发动机包括可围绕轴向方向旋转的多个叶片以及围绕周向方向布置并且沿着径向方向与叶片间隔开的间隙控制装置。每个间隙控制装置具有吊架部分、护罩部分和将吊架部分与护罩部分机械连接的柔性构件，柔性构件限定致动室。该方法还包括操作燃气涡轮发动机。该方法还包括对柔性构件的致动室加压，使得护罩部分沿着径向方向发生位移。
技术方案1一种用于发动机的间隙控制装置，所述间隙控制装置限定轴向方向、径向方向和周向方向，所述间隙控制装置包括：吊架部分；护罩部分；以及柔性构件，所述柔性构件将所述吊架部分与所述护罩部分机械连接并且限定用于接收流体的致动室；其中，所述护罩部分可响应于所述致动室内的压力变化而沿着所述径向方向移动。
技术方案2根据技术方案1所述的间隙控制装置，其中，所述吊架部分、所述护罩部分以及所述柔性构件由整体件形成。
技术方案3根据技术方案1所述的间隙控制装置，其中，所述柔性构件是在所述吊架部分和所述护罩部分之间延伸的波纹管弹簧，并且所述波纹管弹簧沿着所述径向方向波动。
技术方案4根据技术方案1所述的间隙控制装置，其中，所述吊架部分包括：前壁；后壁；以及在所述前壁和所述后壁之间延伸的顶壁，所述顶壁限定与所述致动室流体连通的供给开口。
技术方案5根据技术方案1所述的间隙控制装置，其中，所述吊架部分包括具有前表面和后表面的前壁，所述前壁限定穿过其中的多个开口，所述后表面至少部分地限定冷却气室，并且，所述柔性构件包括在其间限定冷却通道的内壁和外壁，所述冷却通道与所述冷却气室流体连通，以及，所述护罩部分还包括限定冷却腔的护罩节段，所述冷却腔与所述冷却通道流体连通。
技术方案6根据技术方案5所述的间隙控制装置，其中，所述护罩节段包括具有内表面和与所述内表面相对的外表面的内壁，所述内壁至少部分地限定所述冷却腔，并且，所述内壁限定穿过其中延伸的多个冷却孔，所述冷却孔中的至少一个包括由所述内壁的所述外表面限定的外部开口和由所述内壁的所述内表面限定的内部开口，以及其中，所述内部开口与所述外部开口沿着所述轴向方向间隔开。
技术方案7根据技术方案1所述的间隙控制装置，其中，所述间隙控制装置进一步包括：轴向连接带，所述轴向连接带将所述护罩部分与所述吊架部分机械连接，所述轴向连接带具有沿着所述轴向方向延伸的轴向构件。
技术方案8根据技术方案1所述的间隙控制装置，其中，所述间隙控制装置沿着所述轴向方向在前端和后端之间、沿着所述周向方向在第一端和第二端之间以及沿着所述径向方向在顶端和底端之间延伸，所述间隙控制装置进一步限定径向中心线，并且，所述柔性构件包括第一柔性构件和第二柔性构件，以及，所述护罩部分包括：位于所述第一端和所述径向中心线之间的第一护罩节段；和位于所述第二端和所述径向中心线之间的第二护罩节段；其中，所述第一柔性构件将所述第一护罩节段与所述吊架部分机械连接，并且所述第二柔性构件将所述第二护罩节段与所述吊架部分机械连接。
技术方案9根据技术方案8所述的间隙控制装置，其中，所述第一柔性构件限定第一致动室，所述第二柔性构件限定第二致动室，并且，所述吊架部分还包括：限定过渡通道的连接盖，所述过渡通道提供在所述第一致动室和所述第二致动室之间的流体连通。
技术方案10根据技术方案8所述的间隙控制装置，其中，所述第一柔性构件限定第一致动室，所述第二柔性构件限定第二致动室，并且，所述吊架部分还包括：前壁；后壁；在所述前壁和所述后壁之间延伸的顶壁；以及中跨支撑件，所述中跨支撑件在沿着所述轴向方向和所述径向方向的平面中延伸并且具有在所述周向方向上的厚度，所述中跨支撑件从所述吊架部分的所述顶壁和所述前壁延伸并且位于所述第一柔性构件和所述第二柔性构件之间。
技术方案11根据技术方案1所述的间隙控制装置，其中，所述护罩部分包括沿着所述周向方向在第一端和第二端之间延伸的第一护罩节段，并且，所述柔性构件是在所述吊架部分和所述护罩部分之间延伸的波纹管弹簧，所述波纹管弹簧包括：前部分；沿着所述轴向方向与所述前部分间隔开的后部分；第一部分，所述第一部分靠近所述第一护罩节段的所述第一端将所述前部分与所述后部分连接；以及第二部分，所述第二部分靠近所述第一护罩节段的所述第二端将所述前部分与所述后部分连接；其中，每个部分沿着所述径向方向波动。
技术方案12根据技术方案11所述的间隙控制装置，其中，当所述前部分和所述后部分沿着所述径向方向波动时，所述前部分和所述后部分沿着所述轴向方向摆动，以及其中，当所述第一部分和所述第二部分沿着所述径向方向波动时，所述第一部分和所述第二部分沿着所述周向方向摆动。
技术方案13根据技术方案11所述的间隙控制装置，其中，每个部分包括在其间限定冷却通道的内壁和外壁，并且，由所述前部分限定的所述冷却通道和由所述后部分限定的所述冷却通道经由沿着所述轴向方向延伸并由桥限定的桥接通路流体连通。
技术方案14根据技术方案11所述的间隙控制装置，其中，所述致动室是无出口室。
技术方案15根据技术方案11所述的间隙控制装置，其中，所述护罩部分包括限定与所述致动室流体连通的放气通路的护罩节段，所述放气通路构造成选择性地允许所述致动室内的流体排出。
技术方案16一种燃气涡轮发动机，其限定轴向方向、径向方向和周向方向，所述燃气涡轮发动机包括：处于串流关系并且一起至少部分地限定核心空气流动路径的压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段，所述燃烧区段限定扩散腔和燃烧室，所述扩散腔位于所述燃烧室的上游；间隙控制装置，包括：吊架部分；护罩部分；以及柔性构件，所述柔性构件将所述吊架部分与所述护罩部分机械连接并且限定与所述扩散腔流体连通的致动室，其中，所述护罩部分可响应于所述致动室内的压力变化而沿着所述径向方向移动。
技术方案17根据技术方案16所述的燃气涡轮发动机，其中，所述吊架部分限定供给开口，所述供给开口提供所述致动室和所述扩散腔之间的流体连通，并且，所述燃气涡轮发动机还包括：控制阀，所述控制阀与所述供给开口流体连通，以用于选择性地允许一定量的流体进入所述间隙控制装置的所述致动室。
技术方案18根据技术方案16所述的燃气涡轮发动机，其中，所述柔性构件是沿着所述径向方向在所述吊架部分和所述护罩部分之间延伸的波纹管弹簧，并且，所述波纹管弹簧沿着所述径向方向波动。
技术方案19根据技术方案16所述的燃气涡轮发动机，其中，所述间隙控制装置沿着所述轴向方向在前端和后端之间、沿着所述周向方向在第一端和第二端之间以及沿着所述径向方向在顶端和底端之间延伸，所述间隙控制装置进一步限定径向中心线，并且，所述柔性构件包括第一柔性构件和第二柔性构件，以及，所述护罩部分包括：相对于所述径向中心线朝向所述第一端定位的第一护罩节段；以及相对于所述径向中心线朝向所述第二端定位的第二护罩节段；其中，所述第一护罩节段和所述第二护罩节段各自沿着所述周向方向在第一端和第二端之间延伸并且各自具有位于所述第一端处的第一侧壁和位于所述第二端处的第二侧壁，所述护罩节段中的每一个的所述第一侧壁限定第一狭缝部分，所述护罩节段中的每一个的所述第二侧壁限定第二狭缝部分，所述第一护罩节段的所述第二狭缝部分和所述第二护罩节段的所述第一狭缝部分形成狭缝，以及其中，所述间隙控制装置进一步包括：压印到所述狭缝内的花键密封件，以用于在所述燃气涡轮发动机的操作期间沿着所述径向方向密封所述第一护罩节段和所述第二护罩节段。
技术方案20一种用于调节燃气涡轮发动机的叶片尖端间隙的方法，所述燃气涡轮发动机限定轴向方向、径向方向和周向方向，所述燃气涡轮发动机包括能够围绕所述轴向方向旋转的多个叶片和围绕所述周向方向布置并且沿着所述径向方向与所述叶片间隔开的间隙控制装置，每个间隙控制装置具有吊架部分、护罩部分和将所述吊架部分与所述护罩部分机械连接的柔性构件，所述柔性构件限定致动室，所述方法包括：操作所述燃气涡轮发动机；以及对所述柔性构件的所述致动室加压，使得所述护罩部分沿着所述径向方向移动。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其他特征、方面及优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且连同所述描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书中参考附图针对所属领域的普通技术人员阐述了本发明的完整和能够实现的公开内容，包括其最佳模式，在附图中：
图1是根据本申请的各种实施例的示例性燃气涡轮发动机的横截面示意图；
图2是图1所示的燃气涡轮发动机的压缩机区段、燃烧区段和高压涡轮区段的侧视横截面图；
图3是根据本申请的各个实施例的示例性间隙控制装置的立体图；
图4是图3的示例性间隙控制装置的俯视图；
图5是在图4的线5-5上截取的示例性间隙控制装置的立体横截面图；
图6是在图4的线6-6上截取的示例性间隙控制装置的立体横截面图；
图7是在图4的线7-7上截取的示例性间隙控制装置的立体横截面图；以及
图8是根据本申请的各个实施例的示例性流程图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的当前实施例，其中的一个或多个实施例示于附图中。详细描述中使用数字和字母标示来指代图中的特征。图中和描述中使用相同或类似的标记来指代本发明的相同或类似部分。如本说明书中所使用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一个部件与另一部件，且并不在于表示个别部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”指代相对于流体路径中的流体流动的相对流动方向。举例来说，“上游”指代流体流出的流动方向，而“下游”指代流体流向的流动方向。“hp”表示高压，“lp”表示低压。
此外，如本说明书中所使用，术语“轴向”或“轴向地”指代沿着发动机的纵向轴线的尺寸。与“轴向”或“轴向地”结合使用的术语“前”指代朝向发动机入口的方向，或指代与另一部件相比相对更靠近发动机入口的部件。与“轴向”或“轴向地”结合使用的术语“后”指代朝向发动机喷嘴的方向，或指代与另一部件相比相对更靠近发动机喷嘴的部件。术语“径向”或“径向地”指代在发动机的中心纵向轴线(或中心线)和外部发动机周向之间延伸的尺寸。径向向内是朝向纵向轴线，径向向外是远离纵向轴线。
每个实施例是以解释本发明而非限制本发明的方式提供的。实际上，对于所属领域的技术人员来说显而易见的是，可在不脱离本发明的范围或精神的情况下在本发明中进行修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的部分的特征可用在另一实施例上以产生又一实施例。因此，希望本发明涵盖此类属于所附权利要求书和其等效物的范围内的修改和变化。虽然出于说明目的将大体上在加入涡扇喷气发动机的涡轮护罩的上下文中描述本发明的示例性实施例，但是所属领域的普通技术人员将容易理解，本发明的实施例可以应用于加入任何涡轮机械的任何涡轮，并且不限于燃气涡扇喷气发动机，除非在权利要求书中具体叙述。
本申请的示例性方面涉及间隙控制系统和因此的装置，间隙控制系统和因此的装置包括用于控制发动机的旋转部件和固定部件之间的间隙的特征。特别地，在一个示例性方面中，本申请涉及主动间隙控制系统，其具有利用流体来对由间隙控制装置限定的致动室加压的间隙控制装置。致动室的加压使得致动室在改变发动机的固定部件和旋转部件之间的间隙的方向上膨胀。还提供了用于操作燃气涡轮发动机的示例性方法。
现在参考附图，图1是根据本申请的示例性实施例的燃气涡轮发动机100的横截面示意图。更具体地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机100是构造成比如在翼下配置或尾部安装配置中被安装到飞行器的航空高旁路涡扇喷气发动机。如图1所示，燃气涡轮发动机100限定轴向方向a1(平行于提供用于参考的纵向中心线102或与纵向中心线102同轴地延伸)、径向方向r1和周向方向c1(即，围绕轴向方向a1延伸的方向；图1中未示出)。一般来说，燃气涡轮发动机100包括风扇区段104和布置在风扇区段104下游的核心涡轮发动机106。
所示出的示例性核心涡轮发动机106通常包括限定环形入口110的大体上呈管状的外壳体108。外壳体108以串流关系包覆：压缩机区段112，其包括第一增压器或lp压缩机114和第二hp压缩机116；燃烧区段118；涡轮区段120，其包括第一hp涡轮122和第二lp涡轮124；以及喷气排气喷嘴区段126。hp轴或转轴128将hp涡轮122传动地连接到hp压缩机116。lp轴或转轴130将lp涡轮124传动地连接到lp压缩机114。压缩机区段、燃烧区段118、涡轮区段和喷气排气喷嘴区段126一起限定通过核心涡轮发动机106的核心空气流动路径132。
仍参考图1的实施例，风扇区段104包括变距风扇134，其具有以周向地间隔开的方式联接到圆盘138的多个风扇叶片136。如所示出的，风扇叶片136大体上沿着径向方向r从圆盘138向外延伸。每个风扇叶片136可借助于风扇叶片136围绕间距轴线p相对于圆盘138旋转，风扇叶片136可操作地联接到合适的致动构件140，致动构件140构造成例如联合地共同改变风扇叶片136的间距。风扇叶片136、圆盘138和致动构件140可通过跨越动力齿轮箱142的lp轴130围绕纵向中心线102一起旋转。动力齿轮箱142包括多个齿轮，以用于将lp轴130的旋转速度逐步降低到更高效的旋转风扇速度。
仍参考图1的示例性实施例，圆盘138由可旋转的旋转器144覆盖，旋转器144具有空气动力学轮廓以促进气流通过多个风扇叶片136。另外，示例性风扇区段104包括环形风扇壳体或外部舱体146，其周向地包围风扇134和/或核心涡轮发动机106的至少一部分。此外，对于所示出的实施例，舱体146相对于核心涡轮发动机106由多个周向地间隔开的出口导叶148支撑。此外，舱体146的下游区段150在核心涡轮发动机106的外部部分上方延伸，以便在其间限定旁路气流通道152。
在燃气涡轮发动机100的操作期间，一定体积的空气154通过舱体146的相关联入口156和/或风扇区段104进入燃气涡轮发动机100。当所述体积的空气154横穿风扇叶片136时，如由箭头158指示的空气的第一部分被引导或传送到旁路气流通道152中，且如由箭头160指示的空气的第二部分被引导或传送到lp压缩机114中。在空气的第二部分160被传送穿过hp压缩机116并进入燃烧区段118时，空气的第二部分160的压力然后增加。
仍然参考图1，来自压缩机区段的压缩的空气的第二部分160与燃料混合并且在燃烧区段118内燃烧以提供燃烧气体162。燃烧气体162被从燃烧区段118沿着热气路径174传送通过hp涡轮122，在hp涡轮122处经由联接到外壳体108的hp涡轮定子轮叶164和联接到hp轴或转轴128的hp涡轮转子叶片166的顺序级抽取来自燃烧气体162的热能和/或动能的一部分，因此使得hp轴或转轴128旋转，由此支持hp压缩机116的操作。燃烧气体162然后被传送通过lp涡轮124，在lp涡轮124处经由联接到外壳体108的lp涡轮定子轮叶168和联接到lp轴或转轴130的lp涡轮转子叶片170的顺序级抽取来自燃烧气体162的热能和动能的第二部分，因此使得lp轴或转轴130旋转，由此支持lp压缩机114的操作和/或风扇134的旋转。
燃烧气体162随后被传送通过核心涡轮发动机106的喷气排气喷嘴区段126以提供推进力。同时，当空气的第一部分158在从燃气涡轮发动机100的风扇喷嘴排气区段172排出之前被传送通过旁路气流通道152时，空气的第一部分158的压力大体上增加，从而也提供推进力。hp涡轮122、lp涡轮124和喷气排气喷嘴区段126至少部分地限定热气体路径174，以用于将燃烧气体162传送通过核心涡轮发动机106。
将理解的是，图1中仅以举例方式描绘了示例性燃气涡轮发动机100，并且在其他示例性实施例中，燃气涡轮发动机100可以具有任何其他合适的配置。此外或可替代地，本发明的各方面可以与比如为涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机等等任何其他合适的航空燃气涡轮发动机一起使用。此外，本发明的各方面可以进一步与比如为发电燃气涡轮发动机的任何其他陆基燃气涡轮发动机或比如为船用燃气涡轮发动机的任何航改燃气涡轮发动机一起使用。
图2提供了图1的核心涡轮发动机106的压缩机区段112、燃烧区段118和涡轮区段120的侧视横截面图。更具体地，示出hp压缩机116的后端、燃烧区段118和hp涡轮122的前端。如图2所示，对于该示例性实施例，压缩空气176通过位于hp压缩机116的后端或出口处的扩散器178排出hp压缩机116并且排放到燃烧区段118中。扩散器178限定压缩空气176流过的扩散腔179。一旦压缩空气176被排放到燃烧区段118中，压缩空气176或p3空气就会流入燃烧区段118的各个腔室内，如下所述。
核心涡轮发动机106的燃烧区段118由径向内燃烧器壳体180和径向外燃烧器壳体182环形地包围。径向内燃烧器壳体180和径向外燃烧器壳体182两者均大体上沿着轴向方向a1延伸并且以环形环围绕燃烧器组件184。内燃烧器壳体180和外燃烧器壳体182在位于燃烧区段118的前端处的环形扩散器178处连接在一起。
进一步如图2所示，燃烧器组件184大体包括大体上沿着轴向方向a1在后端188和前端190之间延伸的内衬套186以及同样大体上沿着轴向方向a1在后端194和前端196之间延伸的外衬套192。内衬套186和外衬套192一起至少部分地在其间限定燃烧室198。内衬套186和外衬套192各自联接到环形圆顶或与环形圆顶一体地形成。更具体地，环形圆顶包括与内衬套186的前端190一体地形成的内圆顶部分200和大体上与外衬套192的前端196一起形成的外圆顶部分202。此外，内圆顶部分200和外圆顶部分202可各自一体地形成(或替代地可由以任何合适的方式联接的多个组件形成)且可各自沿着周向方向c1延伸以限定环形形状。然而，应该理解的是，在其他实施例中，燃烧器组件184可以不包括内圆顶部分200和/或外圆顶部分202；可包括联接至相应的内衬套186和外衬套192的独立地形成的内圆顶部分200和/或外圆顶部分202；或者可以具有任何其他合适的配置。
仍然参考图2，燃烧器组合件184进一步包括沿着周向方向c1间隔开并且至少部分地定位于环形圆顶内的多个燃料空气混合器204。更具体地，多个燃料空气混合器204沿着径向方向r1至少部分地设置在外圆顶部分202和内圆顶部分200之间。来自燃气涡轮发动机100的压缩机区段112的压缩空气176(p3空气)流入或流过燃料空气混合器204，在燃料空气混合器204处压缩空气176与燃料混合并被点燃以在燃烧室198内产生燃烧气体162。内圆顶部分200和外圆顶部分202构造成辅助将此压缩空气流176从压缩机区段112提供到燃料空气混合器204内或通过燃料空气混合器204。
如上文所描述，燃烧气体162从燃烧室198流动到燃气涡轮发动机100的涡轮区段120中并且通过燃气涡轮发动机100的涡轮区段120，其中经由hp涡轮122和lp涡轮124内的涡轮定子轮叶和涡轮转子叶片的顺序级抽取来自燃烧气体162的热能和/或动能的一部分(图1)。更具体地，如图2所示，来自燃烧室198的燃烧气体162流入紧邻燃烧室198的下游定位的hp涡轮122内，在hp涡轮122处经由hp涡轮定子轮叶164和hp涡轮转子叶片166抽取来自燃烧气体162的热能和/或动能，然后以类似的方式进入lp涡轮内。
如图2所示，并非从扩散器178排出的所有压缩空气176流入或直接流过燃料空气混合器204并进入燃烧室198内。实际上，压缩空气176的一部分被排放到围绕燃烧器组件184的气室206内。气室206大体上环形地限定在燃烧器壳体180、182和衬套186、192之间。外燃烧器壳体182和外衬套192限定大体上布置在燃烧室198的径向外侧的外气室208。内燃烧器壳体180和内衬套186限定大体上布置在燃烧室198的径向内侧的内气室210。随着压缩空气176被扩散器178扩散，压缩空气176的一部分径向向外地流入外气室208内，并且压缩空气176的一部分径向向内地流入内气室210内。
流入外气室208内的压缩空气176的一部分大体上沿着轴向方向a1流动到涡轮区段120。具体地，压缩空气176的一部分通过外气室208从hp涡轮122的定子轮叶164和转子叶片166径向向外地流动。外气室208也可以延伸至lp涡轮124(图1)。外气室208内的压缩空气176具有压力p3。流过hp涡轮122的热气路径174的燃烧气体162具有压力p4。一般地，在燃气涡轮发动机100的操作期间，外气室208内的压力p3大于hp涡轮122的热气路径174内的压力p4。然而，在一些情况下，当燃气涡轮发动机100未运转时或者当燃气涡轮发动机100经历失速时，p3可以不大于p4。
如图2进一步示出的，对于该实施例，燃气涡轮发动机100的hp涡轮122包括共同地形成间隙控制系统300的一个或多个间隙控制装置310。应该注意的是，间隙控制装置310可以附加地或可替代地以类似的方式用于lp压缩机114、hp压缩机116和/或lp涡轮124中。因此，本说明书中所公开的间隙控制装置310不限于用于hp涡轮122中，而是可以用于燃气涡轮发动机100的任何合适的区段中。
仍然参考图2，间隙控制装置310围绕hp涡轮转子叶片166的环形阵列形成环形环。更具体地，对于该实施例，间隙控制装置310形成围绕hp涡轮122的第一级212的涡轮转子叶片166的环形阵列布置的环形环并且形成围绕hp涡轮122的第二级214的涡轮转子叶片166的环形阵列设置的环形环。一般地，每个间隙控制装置310包括与转子叶片166的叶片尖端216径向间隔开的护罩部分。这样，在间隙控制装置310的护罩部分和转子叶片166的叶片尖端216之间限定间隙或叶片尖端间隙cl。具有压力p3的高压压缩空气176可以流过外气室208并且围绕间隙控制装置310流动，并且如本说明书中将进一步描述的，压缩空气176的一部分可以流入间隙控制装置310中的一个或多个的致动腔内，使得间隙控制装置310可以控制叶片尖端间隙cl(即，间隙控制装置310的固定护罩部分和旋转涡轮叶片166之间的径向间距)。
发动机性能至少部分地取决于涡轮叶片尖端和间隙控制装置310的护罩部分之间的叶片尖端间隙cl。一般地，叶片尖端和护罩部分之间的间隙越紧密(即，间隙越闭合)，燃气涡轮发动机100可以运行得越有效。因此，最小化叶片尖端间隙cl有利于最佳的发动机性能和效率。然而，使叶片尖端间隙cl最小化的挑战在于，发动机的叶片和转子以与周向地包围叶片和转子的壳体不同的速率膨胀和收缩。
更具体地，涡轮叶片尖端和周围护罩部分之间的叶片尖端间隙cl可能受两种主要类型的负载影响：动力引起的发动机负载和飞行负载。动力引起的发动机负载大体上包括离心力、热、内部压力和推力负载。飞行负载大体上包括惯性、空气动力学和陀螺仪负载。离心力和热发动机负载造成叶片尖端间隙cl的最大径向变化。关于离心力负载，涡轮发动机的转子叶片可根据其转速机械地膨胀或收缩。一般地，转子的转速越快，涡轮叶片的机械膨胀越大，并且因此转子叶片进一步径向向外地延伸。相反地，转子的转速越慢，其所经受的机械膨胀越小，因此叶片进一步从发动机的纵向中心线径向向内地延伸。关于热负载，当发动机在操作期间加热或冷却时，转子和壳体以不同的速率热膨胀和/或收缩。即，转子相对较大且较重，因此其热质量以比相对较薄和较轻的壳体慢得多的速率加热和冷却。因此，壳体的热质量比转子加热和冷却得快得多。因此，当飞行器的发动机执行各种功率水平变化时，转子和壳体以不同的速率收缩和膨胀。意味着，它们有时不热匹配。这导致叶片尖端间隙cl的变化，并且在一些情况下，涡轮机械部件可能彼此接触或摩擦，引起摩擦事件。摩擦事件可能导致较差的发动机性能和效率，可能降低涡轮叶片和间隙控制装置的护罩部分的有效使用寿命，并可能使发动机的排气温度裕度恶化。因此，理想地，叶片尖端间隙cl被设定为使叶片尖端和护罩之间的间隙最小，而涡轮机械部件不需要经受摩擦事件。
现在参考图3至图7，将描述示例性间隙控制装置310。具体地，图3提供示例性间隙控制装置310的立体图。图4提供其俯视图。图5提供在图4的线5-5上截取的立体横截面图。图6提供其在图4的线6-6上截取的立体横截面图。图7提供其在图4的线7-7上截取的立体横截面图。在一些示例性实施例中，间隙控制装置310定位在压缩机区段112和涡轮区段120中的至少一个中并且至少部分地限定核心空气流动路径132(图2)。以举例方式，间隙控制装置310可以围绕图2的所示实施例的燃气涡轮发动机100的hp涡轮122的转子叶片166布置。在其他示例性实施例中，间隙控制装置310可以定位在燃气涡轮发动机100内的其他部分或位置中。
如图3所示，间隙控制装置310限定轴向方向a1、径向方向r1和周向方向c1。就此而言，间隙控制装置310由与燃气涡轮发动机100相同的定向系统限定。间隙控制装置310沿着轴向方向a1在前端312和后端314之间、沿着周向方向c1在第一端316和第二端318之间以及沿着径向方向r1在径向外部部分或顶端320和径向向内或底端322之间延伸。另外，间隙控制装置310限定沿着径向方向r1延伸的径向中心线rc(图6)。
一般地，对于如图3所示的该示例性实施例，间隙控制装置310包括吊架部分330、护罩部分380和柔性构件470。护罩部分380机械连接到吊架部分330。具体地，护罩部分380通过柔性构件470机械连接到吊架部分330。在一些示例性实施例中，柔性构件470可以直接与护罩部分380连接并且可以直接与吊架部分330连接。在其他示例性实施例中，柔性构件470可以间接地与护罩部分380连接并且可以间接地与吊架部分330连接。这样，柔性构件470可以直接或间接地与护罩部分380连接，并且柔性构件470可以直接或间接地与吊架部分470连接。将依次讨论吊架部分330、护罩部分380和柔性构件470。
大体地参考图3和图5，吊架部分330包括前壁332，前壁332具有前表面334(图3)和与前表面334相对的后表面336(图5)。吊架部分330还包括后壁338，后壁338具有前表面340(图3)和与前表面340相对的后表面342(图5)。后壁338沿着轴向方向a1与前壁332间隔开。前壁332和后壁338两者均大体上在沿着径向方向r1和周向方向c1的平面中延伸，并且各自具有沿着轴向方向a1的厚度。顶壁344在前壁332和后壁338之间延伸并且连接前壁332和后壁338。顶壁344在沿着轴向方向a1和周向方向c1的平面中延伸。顶壁344具有沿着径向方向r1(图5)的厚度。顶壁344具有内表面346和与内表面346相对的外表面348。吊架部分330还包括第一侧壁350，第一侧壁350连接前壁332、顶壁344和靠近间隙控制装置310的第一端316的后壁338(图3)。此外，吊架部分330还包括连接前壁332、顶壁344和靠近间隙控制装置310的第二端318的后壁338的第二侧壁352(图6)。第一侧壁350和第二侧壁352在沿着轴向方向a1和径向方向r1的平面中延伸并且各自具有沿着周向方向c1的厚度。
另外，参考图3，前壁332和顶壁344限定靠近间隙控制装置310的前端312的前吊架354。前吊架354大体上沿着周向方向c1延伸。后壁338和顶壁344限定靠近间隙控制装置310的后端314的后吊架356。后吊架356同样沿着周向方向c1延伸。如图3所示，后吊架356沿着轴向方向a1与前吊架354间隔开。前吊架354和后吊架356将间隙控制装置310联接到核心涡轮发动机106的壳体或某个其他合适的结构(图2)。
如图3所示，前壁332包括从前壁332的前表面334在轴向方向a1上突出并且沿着周向方向c1延伸吊架部分330的周向长度的周向带358。具体地，周向带358从前壁332的前表面334在沿着轴向方向a1的向前方向上突出。周向带358承受来自间隙控制装置310的轴向负载并且沿着间隙控制装置310周向地传递轴向力。
如图3至图5进一步所示，前壁332包括防尘罩360。更具体地，防尘罩360从前壁332的前表面334在沿着轴向方向a1的向前方向上突出并且沿着径向方向r1和周向方向c1延伸。防尘罩360限定用于接收穿过其中的流体的多个开口362。如图5中更具体地所示，穿过防尘罩360的开口362的流体流入由前壁332的后表面336的部分366限定的冷却气室364。
如进一步在图4和图5中所示，吊架部分330的顶壁344限定穿过其中延伸的供给开口368。对于该实施例，供给开口368是圆形开口。然而，在其他示例性实施例中，供给开口368可以是任何合适的形状。供给开口368与扩散腔179流体连通，使得从扩散腔179排出的具有压力p3的压缩空气176的一部分可以沿着外气室208流动并且最终径向向内地流入间隙控制装置310。如下面更全面地说明的，供给开口368还与由柔性构件470限定的致动室流体连通。这样，供给开口368提供了扩散腔179和间隙控制装置310的致动室之间的流体连通。
护罩部分380定位在涡轮转子叶片166的叶片尖端216的径向外部并且至少部分地限定核心空气流动路径132(图2)。护罩部分380包括一个或多个护罩节段。具体地，如图5和图6所示，对于该示例性实施例，护罩部分380包括关于径向中心线rc朝向间隙控制装置310的第一端316定位的第一护罩节段382和关于径向中心线rc朝向间隙控制装置310的第二端318定位的第二护罩节段384。以此方式，对于该实施例，吊架部分330沿着周向方向c1延伸两个护罩节段(即，第一护罩节段382和第二护罩节段384)的长度。在一些示例性实施例中，吊架部分330可沿着周向方向c1延伸一个护罩节段的长度。在其他示例性实施例中，吊架部分330可沿着周向方向c1延伸多于两个护罩节段的长度。换句话说，吊架部分330可沿着周向方向c1延伸任意数量的护罩节段的长度。
每个护罩节段382、384沿着径向方向r1在径向外部部分或顶端386和径向向内部分或底端388之间延伸(图5)。每个护罩节段382、384包括靠近其各自的顶端386定位的外壁390和靠近其各自的底端388定位的内壁392(图5)。每个护罩节段的内壁392具有外表面394和与外表面394相对的内表面396(图5)。同样地，每个护罩节段382、384的外壁390具有外表面398和与外表面398相对的内表面400(图5)。此外，每个护罩节段382、384沿着轴向方向a1在前端402和后端404之间延伸。每个护罩节段382、384包括靠近其各自的前端402定位的前壁406(图3)和靠近其各自的后端404定位的后壁408(图5)。另外，每个护罩节段382、384沿着周向方向c1在第一端410和第二端412之间延伸。每个护罩节段382、384包括靠近其各自的第一端410定位的第一侧壁414和靠近其各自的第二端412定位的第二侧壁416(图6)。
如图5和图6所示，每个护罩节段382、384限定冷却腔420。具体地，每个护罩节段的冷却腔420沿着轴向方向a1在前壁406和后壁408之间(图5)、沿着径向方向r1在外壁390和内壁392之间(图5)以及沿着周向方向c1(图6)限定。在一些示例性实施例中，冷却腔420基本上在特定护罩节段的第一端410和第二端412之间延伸(图6)。这样，护罩区段的更大周向长度可被冷却。如图5进一步所示，每个护罩节段382、384的内壁392限定穿过其中延伸的多个冷却孔422。冷却孔422中的每一个包括由内壁392的外表面394限定的外部开口424和由内壁392的内表面396限定的内部开口426。内部开口426沿着轴向方向a1与外部开口424间隔开。更具体地，内部开口426沿着轴向方向a1定位在外部开口424的后方。这样，当冷却空气从冷却腔420通过冷却孔422流向核心空气流动路径132(图2)时，由冷却孔422的轴向定向提供的另外的表面区域可以更有效地冷却护罩节段的内壁392。在可替代的示例性实施例中，冷却孔422可以由沿着径向方向r1的内壁392限定，而不沿着轴向方向a1过渡。
如图6所示，间隙控制装置310可以包括一个或多个细长梁或轴向连接带430。对于该实施例，第一护罩节段382包括靠近其第一端410定位的轴向连接带430和靠近其第二端412定位的另一个轴向连接带430，在该实施例中，第二端412靠近径向中心线rc。类似地，第二护罩节段384包括靠近其第一端410定位的轴向连接带430(其对于该实施例靠近径向中心线rc)，以及靠近其第二端412定位的另一个轴向连接带430。因此，每个护罩节段382、384在其各自的第一端410和第二端412处包括轴向连接带。
对于图6所示的实施例，每个轴向连接带430包括轴向构件432和连接构件434。轴向构件432沿着轴向方向a1延伸并且将吊架部分330与连接构件434连接。连接构件434大体上沿着径向方向r1延伸并且将轴向构件432连接到护罩节段之一。更具体地，对于该实施例，连接构件434将轴向构件432与护罩节段之一的外壁390的外表面398连接。这样，轴向连接带430将护罩部分380与吊架部分330机械连接。另外，对于该实施例，每个轴向连接带430由当沿着径向方向r1致动或移动护罩节段之一时允许轴向连接带430偏转的材料形成。以此方式，轴向连接带430不会限制护罩节段382、384在径向方向r1上移动。在一些可替代的示例性实施例中，轴向连接带430包括将吊架部分330与护罩节段之一直接连接的轴向构件432。
在燃气涡轮发动机100的操作期间，在吊架部分330的前壁332的前表面334(图3)和吊架部分330的后壁338的后表面342(图5)之间存在压差。具体地，对着前壁332的空气压力p3大于对着后壁338的空气压力。该压差在吊架部分330的前壁332上引起显著的轴向力。为了抵消这种轴向力，一个或多个轴向连接带430沿着轴向方向a1向间隙控制装置310提供刚度，并且在力传播通过轴向连接带430时使力衰减。以此方式，轴向连接带430抵抗施加在间隙控制装置310的前壁332上的轴向力。
如图6进一步所示，间隙控制装置310包括中跨支撑件440。中跨支撑件440在沿着轴向方向a1和径向方向r1的平面中延伸并且具有在周向方向c1上的厚度。中跨支撑件440从前壁332延伸到吊架部分330的后壁338并且可以形成顶壁344的一部分。对于该实施例，中跨支撑件440沿着径向中心线rc定位(或者在第一柔性构件和第二柔性构件之间将其各自的第一护罩节段382和第二护罩节段384与吊架部分330机械连接)。
当吊架部分330的前壁332承受轴向负载时，中跨支撑件440辅助周向带358(图3)和轴向连接带430抵消这些轴向力，使得间隙控制装置310在这种轴向负载下不会失效。轴向负载的至少一部分从周向带358传递到中跨支撑件440。中跨支撑件440在其穿过其中传递时使轴向力衰减。
如图4所示，对于该实施例，间隙控制装置310包括控制阀450。间隙控制系统300的每个间隙控制装置310可以包括相应的控制阀450。控制阀450与扩散腔179(经由图2所示的外气室208)流体连通并且还与供给开口368流体连通。控制阀450选择性地允许一定量的流体进入由间隙控制装置310的柔性构件470限定的致动室内，并且因此控制致动室476内的压力变化。举例来说，根据间隙控制装置310的涡轮叶片166和护罩部分380之间的期望的间隙，控制阀450可被致动至打开位置以允许流体流入间隙控制装置310或者可被致动到闭合位置以防止流体流入间隙控制装置310。更具体地，根据期望的间隙，控制阀450可被致动到完全打开位置或完全打开位置和闭合位置之间的打开位置，或者控制阀450可被致动到闭合位置以防止流体流入间隙控制装置310的致动室内。控制阀450可以与供给开口368一体地定位，或者可以利用在其间延伸的导管远程地定位，使得阀和开口流体连通。致动室476内的压力变化还可以通过开口368的几何形状、通过护罩中的放气通路(例如通路418)、吊架或柔性构件等等来进行控制。
如图4进一步所示，对于该实施例，间隙控制装置310的控制阀450与发动机控制器452通信连接。对于该实施例，发动机控制器452是具有全权限数字电子控制(fadec)能力的电子发动机控制器。在可替代的示例性实施例中，控制阀450可以与其他合适的计算装置通信地联接。发动机控制器452可以向间隙控制系统300的一个或多个控制阀450发送一个或多个信号，以根据期望的叶片尖端间隙cl来致动控制阀450。发动机控制器452还可以与各种传感器通信连接，传感器各自可以向发动机控制器452发送指示当前叶片尖端间隙cl的一个或多个信号或可被用于优化叶片尖端间隙cl的其他有用信息。发动机控制器452可以包括用于执行这些任务的任何合适的硬件和/或软件。作为实施例，发动机控制器452可以包括一个或多个处理器以及一个或多个存储器装置。一个或多个存储器装置可以存储数据和指令。当指令由一个或多个处理器执行时，处理器执行操作，比如为，例如基于燃气涡轮发动机100的当前操作条件来确定最佳叶片尖端间隙cl。
现在参考图6，护罩部分380限定多个狭缝462。特别地，第一护罩节段382在其第一端410处限定第一狭缝部分464并且在其第二端412处限定第二狭缝部分466。第二护罩节段384在其第一端410处限定第一狭缝部分464，并且在其第二端412处限定第二狭缝部分466。如图6所示，第一护罩节段382的第二狭缝部分466和第二护罩节段384的第一狭缝部分464限定狭缝462。花键密封件460位于狭缝462内。花键密封件460密封间隙控制装置310并且防止燃烧气体162从核心空气流动路径132径向地泄漏。当相邻的间隙控制装置310被定位就位以形成护罩环(即，围绕纵向中心线102布置的环形环)时，一个相邻的间隙控制装置310可以被定位成使得其第二狭缝部分和第一护罩节段382的第一狭缝部分464限定狭缝。另外，一个相邻的间隙控制装置310可以定位成使得其第一狭缝部分和第二护罩节段384的第二狭缝部分466限定狭缝。该相同的模式可以延续环形布置的护罩环的整体，使得环沿着径向方向r1被完全地密封。
如图5和图6所示，间隙控制装置310包括一个或多个柔性构件。对于该实施例，间隙控制装置310包括第一柔性构件472和第二柔性构件474。第一柔性构件472将吊架部分330与第一护罩节段382机械连接。第一柔性构件472沿着径向方向r1在吊架部分330的顶壁344的内表面346和第一护罩节段382的外壁390之间延伸。此外，第一柔性构件472沿着周向方向c1在靠近第一护罩节段382的第一端410的位置和靠近第一护罩节段382的第二端412的位置之间延伸。第一柔性构件472沿着轴向方向a1在靠近第一护罩节段382的前端402的位置和靠近第一护罩节段382的后端404的位置之间延伸。
第一柔性构件472限定第一致动室478。第一致动室478与供给开口368流体连通，供给开口368又与压力源流体连通，压力源对于该实施例而言是扩散腔179，其允许具有压力p3的压缩空气176以前面提到的方式(即，通过如图2所示的外气室208)流动到间隙控制装置310。当具有压力p3的压缩空气176通过供给开口368进入间隙控制装置310并且进入第一致动室478时，p3空气对第一致动室478加压。这使得第一柔性构件472沿着径向方向r1膨胀。第一柔性构件472的膨胀在第一护罩节段382上施加力。该力使得第一护罩节段382沿着径向方向r1运动。这样，可以调节旋转涡轮叶片166和第一护罩节段382之间的叶片尖端间隙cl。
第二柔性构件474将吊架部分330与第二护罩节段384机械连接。第二柔性构件474沿着径向方向r1在吊架部分330的顶壁344的内表面346和第二护罩节段384的外壁390之间延伸。另外，第二柔性构件474沿着周向方向c1在靠近第二护罩节段384的第一端410的位置和靠近第二护罩节段384的第二端412的位置之间延伸。第二柔性构件474沿着轴向方向a1在靠近第二护罩节段384的前端402的位置和靠近第二护罩节段384的后端404的位置之间延伸。
第二柔性构件限定第二致动室480。第二致动室480经由由连接盖370限定的过渡通道372与供给开口368流体连通。当具有压力p3的压缩空气176进入第一致动室478并流入第二致动室480内时，p3空气对第二致动室480加压。这使得第二柔性构件474沿着径向方向r1膨胀。第二柔性构件474的膨胀在第二护罩节段384上施加力，这使得第二护罩节段384沿着径向方向r1运动。这样，可以调节旋转涡轮叶片166和第二护罩节段384之间的叶片尖端间隙cl。第一致动室478和第二致动室480共同地形成致动室476。在一些实施例中，致动室476以无出口室(deadheadchamber)配置构造。换句话说，致动室476不包括用于允许流体流出致动室476的出口。举例来说，在一些实施例中，第一致动室478可以在第一致动室478的无出口区段479处是无出口的，如图5所示。无出口区段479示出为部分地由第一柔性构件472并且部分地由第一护罩节段382的外壁390的外表面398限定。第二致动室480可以以与第一致动室478类似的方式在第二致动室480的无出口区段479处是无出口的。
在可替代的示例性实施例中，致动室476可以共同地由任何数量的致动室形成。举例来说，在间隙控制装置310仅包括将吊架部分与护罩部分机械连接的单个柔性构件的情况下，致动室可以是由单个柔性构件限定的单个室。作为另一实施例，在间隙控制装置310包括将三个相应的护罩节段机械连接到吊架部分的三个柔性构件的情况下，致动室476可以由通过每个柔性构件限定的室共同地形成(假设它们彼此流体连通)。
现在参考图4和图6，吊架部分330的顶壁344包括连接盖370。如具体地在图6中所示，连接盖370沿着径向方向r1从吊架部分330的顶壁344的外表面348突出。连接盖370沿着轴向方向a1和周向方向c1延伸。连接盖370限定过渡通道372，过渡通道372提供由第一柔性构件472限定的第一致动室478和由第二柔性构件474限定的第二致动室480之间的流体连通。这样，连接盖370沿着周向方向c1延伸用于过渡通道372的足够的距离，以提供第一致动室478和第二致动室480之间的流体连通。当第一致动室478和第二致动室480流体连通时，具有压力p3的压缩空气176可以从第一致动室478连续地流入第二致动室480。因此，对于该实施例，间隙控制装置310仅需要包括单个径向加压点(即，仅一个供给开口368是必要的)以允许压缩空气176进入间隙控制装置310并且填充到第一致动室478和第二致动室480内。这样，进入间隙控制装置310内的穿透点的数量被最小化。
如进一步在图5和图6中所示，对于该示例性实施例，第一柔性构件472和第二柔性构件474各自为波纹管弹簧。因此，对于该实施例，第一柔性构件472是第一波纹管弹簧482，第二柔性构件474是第二波纹管弹簧484(图6)。每个波纹管弹簧482、484包括前部分486(图5)、后部分488(图5)、第一部分490(图6)和第二部分492(图6)。第一波纹管弹簧482的部分486、488、490、492各自沿着径向方向r1在吊架部分330的顶壁344的内表面346和第一护罩节段382的外壁390之间延伸。以类似的方式，第二波纹管弹簧484的每个部分486、488、490、492沿着径向方向r1在吊架部分330的顶壁344的内表面346和第二护罩节段384的外壁390之间延伸。对于该实施例，第一波纹管弹簧482的前部分486、后部分488、第一部分490和第二部分492限定第一致动室478，第二波纹管弹簧484的前部分486、后部分488、第一部分490和第二部分492限定第二致动室480。
第一波纹管弹簧482的前部分486沿着周向方向c1靠近第一护罩节段382的前端402延伸(图5)，第二波纹管弹簧484的前部分486同样沿着周向方向c1靠近第二护罩节段384的前端402延伸。第一波纹管弹簧482的后部分488沿着周向方向c1靠近第一护罩节段382的后端404延伸(图5)，第二波纹管弹簧484的后部分488沿着周向方向c1靠近第二护罩节段384的后端404延伸。第一波纹管弹簧482的后部分488沿着轴向方向a1定位在第一波纹管弹簧482的前部分486的后面并与之间隔开。同样地，第二波纹管弹簧484的后部分488沿着轴向方向a1定位在第二波纹管弹簧484的前部分486的后面并与之间隔开。
如图6所示，第一波纹管弹簧482的第一部分490沿着轴向方向a1靠近第一护罩节段382的第一端410延伸，第二波纹管弹簧484的第一部分490沿着轴向方向a1靠近第二护罩节段384的第一端410延伸。第一波纹管弹簧482和第二波纹管弹簧484中的每一个的第一部分490靠近其相应的护罩节段382、384的第一端410连接其相应的前部分486和后部分488。
如图6进一步所示，第一波纹管弹簧482的第二部分492沿着轴向方向a1靠近第一护罩节段382的第二端412延伸，第二波纹管弹簧484的第二部分492沿着轴向方向a1靠近第二护罩节段384的第二端412延伸。第一波纹管弹簧482和第二波纹管弹簧484中的每一个的第二部分492靠近其相应的护罩节段382、384的第二端412连接其相应的前部分486和后部分488。第一波纹管弹簧482的第二部分492沿着周向方向c1与第一波纹管弹簧482的第一部分490间隔开。同样地，第二波纹管弹簧484的第二部分492沿着周向方向c1与第二波纹管弹簧484的第一部分490间隔开。
如图5和图6所示，每个波纹管弹簧482、484沿着径向方向r1波动。更具体地，对于该实施例，第一波纹管弹簧482和第二波纹管弹簧484的每个部分486、488、490、492沿着径向方向r1波动。进一步更具体地，如图5所示，当前部分486和后部分488沿着径向方向r1波动时，第一波纹管弹簧482和第二波纹管弹簧484的前部分486和后部分488沿着轴向方向a1从前向后摆动(或反之亦然)。换言之，波动的前部分486和后部分488的周期τ沿着径向方向r1延伸(即，前部分486和后部分488沿着径向方向r1波动)，前部分486和后部分488的波动区段的振幅a沿着轴向方向a1延伸(即，前部分486和后部分488沿着轴向方向a1从前向后摆动(或反之亦然))。
如具体地在图6中所示，当第一部分490和第二部分492沿着径向方向r1波动时，第一波纹管弹簧482和第二波纹管弹簧484的第一部分490和第二部分492从朝向第一端316的位置摆动至朝向间隙控制装置310的第二端318的位置(或反之亦然)。换句话说，波动的第一部分490和第二部分492的周期τ沿着径向方向r1延伸(即，第一部分490和第二部分492沿着径向方向r1波动)，波动区段的振幅a沿着周向方向c1延伸(即，第一部分490和第二部分492沿着周向方向c1从朝向第一端316的位置摆动至朝向间隙控制装置310的第二端318的位置(或反之亦然))。
如图7所示，第一部分490在过渡部分494处与第一波纹管弹簧482的前部分486连接。类似地，第一部分490在另一过渡部分494处与第一波纹管弹簧482的后部分488连接。尽管未在图7中示出，但是可以理解的是，第一波纹管弹簧482的第二部分492以与关于第一波纹管弹簧482的第一部分490所示相似的方式在相应的过渡部分494处与第一波纹管弹簧482的前部分486和后部分488连接。此外，过渡部分494以与上面对于第一波纹管弹簧482所描述的类似的方式将前部分486与第一部分490和第二部分492连接以及将后部分488与第二波纹管弹簧484的第一部分490和第二部分492连接。如上所述，在第一波纹管弹簧482和第二波纹管弹簧484的过渡部分494处，每个波纹管弹簧482、484沿着径向方向r1波动。然而，波纹管弹簧482、484沿着轴向方向a1至少部分地从前向后摆动(或反之亦然)，并且沿着周向方向c1至少部分地从朝向第一端316的位置摆动至朝向间隙控制装置310的第二端318的位置(或反之亦然)。
在一些示例性实施例中，第一波纹管弹簧482或第二波纹管弹簧484中的一个(或两者)可以包括沿着径向方向r1波动的单个部分或比图5和图6的实施例中所示更多的部分。举例来说，波纹管弹簧482、484中的一个(或两者)可以包括沿着轴向方向a1定位在前部分486和后部分488之间的中间部分。中间部分可以沿着周向方向c1在靠近第一端410的位置和靠近护罩节段之一的第二端412的位置之间延伸。中间部分可以以与上文关于前部分486和后部分488所描述的类似的方式沿着径向方向r1波动。通过增加中间部分，中间部分定位其中的致动室可被分隔成前致动室和后致动室。前致动室和后致动室可以彼此流体连通，并且更具体地，彼此串流地流体连通。
作为另一实施例，第一波纹管弹簧482或第二波纹管弹簧484中的一个(或两者)可以包括沿着周向方向c1定位在第一部分490和第二部分492之间的轴向部分。轴向部分可以沿着轴向方向a1在护罩节段之一的前端402和后端404之间延伸。轴向部分可以以上面关于第一部分490和第二部分492所描述的类似的方式沿着径向方向r1波动。通过增加轴向部分，轴向部分定位其中的致动室可以被分隔成第一室和第二室。第一室和第二室可以彼此流体连通，并且更具体地，彼此串流地流体连通。
如进一步在图5和图6中所示，第一波纹管弹簧482和第二波纹管弹簧484的每个部分486、488、490、492包括内壁496和外壁498。第一波纹管弹簧482的每个部分486、488、490、492的内壁496至少部分地限定第一致动室478，第二波纹管弹簧484的每个部分486、488、490、492的内壁496至少部分地限定第二致动室480。第一波纹管弹簧482和第二波纹管弹簧484中的每一个的每个部分486、488、490、492的外壁498从其各自的第一致动室478和第二致动室480面向外。每个部分486、488、490、492的内壁496和外壁498限定冷却通道500。如具体地在图5中所示，冷却通道500与冷却气室364流体连通。这样，当压缩空气176流过防尘罩360并收集在冷却气室364中时，冷却气室364内的空气(本说明书中表示为冷却空气502)可沿着冷却通道500前进以冷却第一柔性构件472和第二柔性构件474并且最终冷却第一护罩节段382和第二护罩节段384。
如图5和图6所示，冷却通道500以与第一波纹管弹簧482和第二波纹管弹簧484的部分486、488、490、492类似的方式沿着径向方向r1波动。冷却通道500可以延伸穿过前部分486，围绕第一部分490和第二部分492两者缠绕，然后可以继续穿过其中限定冷却通道的波纹管弹簧的后部分488。这样，冷却通道500可冷却其中限定冷却通道的波纹管弹簧的前部分486、第一部分490、第二部分492和后部分488。
此外，对于该实施例，桥504沿着轴向方向a1在第一波纹管弹簧482的前部分486和后部分488之间延伸并且限定桥接通路506。桥接通路506提供由前部分486限定的冷却通道500的一部分和由第一波纹管弹簧482的后部分488限定的冷却通道500的一部分之间的流体连通。桥接通路506可以以更流线的方式向后部分488提供冷却空气502。因此，可以更有效地冷却后部分488。
当冷却空气502沿着径向方向r1大体上径向向内地沿着冷却通道500流动时，冷却空气502到达限定出口通道510的出口端口508。出口通道510提供冷却通道500和由第一护罩节段382限定的冷却腔420之间的流体连通。这样，出口通道510允许冷却空气502从冷却通道500流向冷却腔420。一旦在冷却腔420中，冷却空气502可以如上所述地通过冷却孔422排出冷却腔420。
尽管未在图5中示出，限定出口通道的出口端口同样可以提供第二柔性构件474的冷却通道和由第二护罩节段384限定的冷却腔之间的流体连通。另外，在一些示例性实施例中，间隙控制装置310可以包括任何合适数量的出口端口。
现在参考图2、图5和图6，将描述间隙控制装置310控制旋转涡轮叶片和护罩部分380之间的间隙的方式。如图2所示，压缩空气176的一部分从扩散腔179流出并向下游流入外气室208。当从扩散腔179排出时，压缩空气176具有压力p3。对于该实施例，压缩空气176沿着轴向方向a1大体上向后流过燃烧区段118并流入涡轮区段120内。压缩空气176到达位于hp涡轮机122的第一级212的涡轮叶片166的径向外部的间隙控制装置310。具有压力p3的压缩空气176的至少一部分进入位于hp涡轮机122的第一级212的涡轮叶片166的径向外部的间隙控制装置310。此外，压缩空气176的一部分能够沿着轴向方向a1继续向后，到达位于第二级214的涡轮叶片166的径向外部的间隙控制装置310。以类似的方式，具有压力p3的压缩空气176的至少一部分进入位于hp涡轮机122的第二级214的涡轮叶片166的径向外部的间隙控制装置310。在一些实施例中，压缩空气176的一部分可以继续经过hp涡轮机122并且可以沿着轴向方向a1流动到位于lp涡轮机124的对应的涡轮叶片166的径向外部的一个或多个间隙控制装置310。
此外，在一些示例性实施例中，为了控制流体流入间隙控制装置310内，其相应的间隙控制装置310的控制阀450可以选择性地允许一定量的流体流入间隙控制装置310的致动室476内。举例来说，根据间隙控制装置310的涡轮叶片166和护罩部分380之间的期望的间隙，控制阀450可被致动至打开位置以允许流体流入间隙控制装置310内。当获得期望的间隙时，控制阀450可被致动到关闭位置以防止流体流入间隙控制装置310的致动室476内。间隙控制系统300的发动机控制器452可以向控制阀450发送表示打开或关闭控制阀450的指令的一个或多个信号。
如上所述，具有压力p3的压缩空气176的一部分流入间隙控制系统300的一个或多个间隙控制装置310内。图5和图6描绘了压缩空气176流入间隙控制装置310内的示例性方式。如图所示，具有压力p3的压缩空气176的一部分通过供给开口368进入间隙控制装置310。对于该实施例，p3空气首先流入由第一柔性构件472限定的第一致动室478内。如特别地在图5中所示，p3空气的至少一部分沿着径向方向r1向内流过第一致动室478。当p3空气贯穿流动时，p3空气对第一致动室478加压。当p3空气对第一致动室478加压时，经加压的流体使得第一柔性构件472沿着径向方向r1膨胀。即，第一柔性构件472沿着径向方向r1的长度增加。第一柔性构件472的膨胀在第一护罩节段382上施加力，使得第一护罩节段382沿着径向方向r1朝向纵向中心线102径向向内地移动。这样，叶片顶端间隙cl可被调节到更紧密或更闭合的位置。因此，当期望紧缩或关闭叶片尖端间隙cl时，第一致动室478内的压力增加(即，通过添加具有压力p3的额外的压缩空气176)。当第一致动室478内的压力增加时，第二致动室480内的压力同样增加，这使得第二护罩节段384沿着径向方向r1朝向纵向中心线102径向向内地移动。
相比而言，当期望将叶片尖端间隙cl设置得更加开放(即，增加涡轮叶片尖端216和护罩部分380之间的距离)时，第一致动室478内的压力降低。这可以通过任何合适的方式实现。在一些示例性实施例中，例如，第一护罩节段382或第一柔性构件472可限定与第一致动室478流体连通的放气通路418，以用于将一定量的压缩空气176排出第一致动室478，使得第一致动室478内的压力可以降低。当期望增加或保持致动室476内的压力时，阀或塞可以阻止流体流从致动室476通过放气通路418流出。在其他示例性实施例中，控制阀450可以选择性地允许致动室476内的空气的一部分排出回到外气室208内。以此方式，致动室476内的压力可以减小。
当第一致动室478内的压力减小时，第一柔性构件472沿着径向方向r1的长度收缩(即，柔性构件470缩回到松弛状态)。当第一柔性构件472收缩时，第一护罩节段382沿着径向方向r1径向向外地运动远离纵向中心线102。这样，叶片尖端间隙cl可被调整至更开放的位置。当燃气涡轮发动机100所联接的飞行器正在执行阶梯爬升操作或在起飞期间时，可能需要开放式叶片尖端间隙。
具体地如图6所示，对于该实施例，在具有压力p3的压缩空气176通过由吊架部分330的顶壁344限定的供给开口368进入之后，具有压力p3的压缩空气176的一部分在沿着周向方向c1的方向上流动并且流入由连接盖370限定的过渡通道372内。如前所述，过渡通道372提供第一致动室478和第二致动室480之间的流体连通。因此，压缩空气176可以从第一致动室478流到第二致动室480。一旦压缩空气176流入由第二柔性构件474限定的第二致动室480内，压缩空气176就对第二致动室480加压。以类似于第一护罩节段382的方式，第二护罩节段384可根据第二致动室480内的流体的加压沿着径向方向r1运动。即，根据第二致动室480内的压力，第二柔性构件474沿着径向方向r1移位(即，膨胀或收缩)，使得与其联接的第二护罩节段384也沿着径向方向r1移动。这样，可以控制叶片尖端间隙cl。
值得注意的是，通过利用具有压力p3的压缩空气176对第一致动室478和第二致动室480加压来调节第一护罩节段382和第二护罩节段384(即，护罩部分380)的径向位移，对从冷却源(即，涡扇发动机的旁路管道)排出的热控制空气以便控制叶片尖端间隙cl的需要被消除或减少。因此，更多的气流可用于有用功，比如为，例如用于提供推力。此外，寄生放气不会对发动机效率周期产生负面影响。另外，用于将这种热控制空气抽取并输送到燃气涡轮发动机100的一个或多个区段的常规acc系统的阀、面板和管道系统被消除或减少。因此，可以减轻发动机的重量。此外，由于不需要考虑延伸穿过罩的外部管道，所以围绕涡轮区段布置的罩包装可以得到改进。另外，因为间隙控制系统300的间隙控制装置310不需要考虑大的热质量来控制叶片尖端间隙cl，所以叶片尖端间隙cl可以在没有预定滞后时间的情况下进行调节。事实上，在一些示例性实施例中，第一护罩节段382和第二护罩节段384沿着径向方向r1的调节几乎可以瞬间发生。这样，可以实现更紧密的间隙，从而实现燃料燃烧优势并最终提高发动机效率和性能。
现在参照图2至图6，将描述间隙控制装置310被冷却的方式。沿着轴向方向a1流过外气室208的压缩空气176初始地到达吊架部分330的前壁332(图2)。压缩空气176的一部分流过由沿着吊架部分330的前壁332定位的防尘罩360限定的多个开口362(图3)。空气然后流入由前壁332的后表面336的部分366限定的冷却气室364(图5)内。流过防尘罩360的压缩空气176的一部分或冷却空气502收集在冷却气室364中，然后沿着限定在第一柔性构件472的内壁496和外壁498之间的冷却通道500前进。
冷却空气502通过大体上沿着径向方向r1径向向内地流动开始，并且更具体地，冷却空气502沿着由第一柔性构件472的前部分486限定的波动的冷却通道500大体上径向向内地流动。当冷却空气502沿着冷却通道500流动时，冷却空气502的一部分流过由桥504限定的桥接通路506。如上所述，桥接通路506提供第一柔性构件472的前部分486和后部分488之间的流体连通。在冷却空气502的一部分流过桥接通路506之后，该部分冷却空气502在由第一柔性构件472的后部分488限定的冷却通道500中流动。
另外，由第一柔性构件472和第二柔性构件482的前部分486、后部分488、第一部分490和第二部分492限定的冷却通道500彼此流体连通，并且因此冷却空气502流入第一柔性构件472和第二柔性构件482的各个部分486、488、490、492的每个通道内。这允许冷却空气502冷却第一柔性构件472和第二柔性构件482的每个部分486、488、490、492。
当冷却空气502朝向护罩部分380径向向内地流动时，冷却空气502的一部分流过由出口端口508限定的出口通道510。冷却空气502然后流入冷却腔420内，以冷却其中限定冷却腔420的护罩节段的各个壁。此后，冷却空气502流过由相应的第一护罩节段382和第二护罩节段384的内壁392限定的冷却孔422。具体地，冷却空气502流过每个冷却孔422的外部开口424，大体上沿着轴向方向a1向后流动，然后通过冷却孔422的内部开口426排出，并且进入核心空气流动路径132，以用于冷却核心涡轮发动机106的旋转部件以及降低排气温度。
本说明书中所描述的间隙控制装置310的示例性实施例可以使用任何合适的工艺来制造或形成。然而，根据本申请主题的若干方面，间隙控制装置310可以使用例如3d打印工艺等的增材制造工艺形成。使用此类工艺可以允许将间隙控制装置310一体地形成为单个整体部件，或形成为任何合适数量的子部件。对于该示例性实施例，例如，吊架部分330、护罩部分380和柔性构件470由单个整体件形成。
具体地，制造过程可以允许间隙控制装置310一体地形成并且包括使用现有制造方法时不可能的各种特征。举例来说，本说明书中所描述的增材制造方法使得能够制造使用先前制造方法时不可能的具有多个特征、配置、厚度、材料、密度、流体通路、柔性构件、花键密封件和安装结构的间隙控制装置。本说明书中描述了这些创新特征中的一些。
如本说明书中所使用，术语“增材制造”或“增材制造技艺或工艺”大体上指代制造工艺，其中连续的材料层被提供在彼此上以逐层“堆积”出三维部件。连续的层通常熔合在一起以形成可以具有各种一体式子部件的整体部件。尽管在本说明书中将增材制造技术描述为通常在竖直方向上通过逐点、逐层构建对象来实现复杂对象的制造，但其他制造方法是可能的并且在本申请主题的范围内。举例来说，尽管本说明书的讨论涉及添加材料以形成连续层，但所属领域的技术人员将了解，本说明书公开的方法和结构可以用任何增材制造技艺或制造技术来实施。举例来说，本申请的实施例可以使用增层工艺(layer-additiveprocess)、减层工艺(layer-subtractiveprocess)或混合工艺。
根据本申请的合适的增材制造技艺包括例如熔融沉积成型(fdm)、选择性激光烧结(sls)、比如通过喷墨和激光喷射的3d打印、光刻(sla)、直接选择性激光烧结(dsls)、电子束烧结(ebs)、电子束熔化(ebm)、激光工程化净成形(lens)、激光净成形制造(lnsm)、直接金属沉积(dmd)、数字光处理(dlp)、直接选择性激光熔化(dslm)、选择性激光熔化(slm)、直接金属激光熔化(dmlm)或其它已知工艺。
本说明书中所描述的增材制造工艺可以用于使用任何合适材料形成部件。举例来说，所述材料可以是塑料、金属、混凝土、陶瓷、聚合物、环氧树脂、感光聚合物树脂，或可以是固体、液体、粉末、片材、线材或任何其他合适形式的任何其他合适材料。更具体地说，根据本申请主题的示例性实施例，本说明书中所描述的增材制造部件可以部分地、整体地或以某一材料组合形成，所述材料包括但不限于纯金属、陶瓷、镍合金、铬合金、钛、钛合金、镁、镁合金、铝、铝合金和镍或钴基超合金(例如，可以从特种金属公司(specialmetalscorporation)以名称
另外，所属领域的技术人员将理解，可以使用各种材料和用于粘合这些材料的方法，并且将其视为在本申请的范围内。如本说明书中所使用，对“熔合”的提及可以指用于产生上述材料中的任何一个的结合层的任何合适工艺。举例来说，如果对象是由聚合物制成，则熔合可以指在聚合材料之间产生热固性结合。如果对象是环氧树脂，则结合可以通过交联过程来形成。如果材料是陶瓷，则结合可以通过烧结过程来形成。如果材料是粉末金属，则结合可以通过熔融或烧结过程来形成。所属领域的技术人员将了解，熔合材料通过增材制造来制造部件的其他方法是可能的，并且可以用那些方法来实践当前公开的主题。
此外，本说明书中所公开的增材制造工艺允许单个部件由多种材料形成。因此，本说明书中所描述的部件可以由上述材料和/或未明确列出的其他合适材料的任何合适混合物形成。举例来说，部件可以包括使用不同材料、工艺和/或在不同增材制造机器上形成的多个层、片段或部分。以此方式，可以构造具有不同材料和材料特性以满足任何特定应用的需求的部件。另外，尽管本说明书中所描述的部件完全由增材制造工艺构造，但应了解，在替代实施例中，这些部件的全部或一部分可以经由铸造、机械加工和/或任何其他合适的制造工艺形成。实际上，可以使用材料与制造方法的任何合适组合来形成这些部件。
现将描述示例性增材制造工艺。增材制造工艺使用部件的三维(3d)信息，例如三维计算机模型，来制造部件。因此，部件的三维设计模型可以在制造之前限定。就此而言，可以扫描部件的模型或原型以确定部件的三维信息。作为另一实施例，可以使用合适的计算机辅助设计(cad)程序来构造部件的模型以限定部件的三维设计模型。
设计模型可以包括部件的整体配置(包括部件的外表面和内表面两者)的3d数字坐标。举例来说，设计模型可以限定主体、表面、和/或诸如开口、支承结构等之类的内部通路。在一个示例性实施例中，三维设计模型例如沿着部件的中心(例如，竖直)轴线或任何其他合适的轴线被转换成多个切片或片段。对于切片的预定高度，每一切片可以限定部件的薄横截面。多个连续的横截面切片共同形成3d部件。接着逐切片或逐层地“堆积”所述部件，直到完成。
以此方式，可以使用增材工艺来制造本说明书中所描述的部件，或更具体地说，例如通过使用激光能量或热来熔合或聚合塑料或者通过烧结或熔融金属粉末来连续地形成每一层。举例来说，特定类型的增材制造工艺可以使用能量束，例如电子束或例如激光束等电磁辐射，以烧结或熔融粉末材料。可以使用任何合适的激光和激光参数，包括关于功率、激光束光斑大小和扫描速度的考虑。建造材料可以通过经选择以增强强度、耐久性和使用寿命，特别是在高温下的任何合适粉末或材料形成。
每一连续层可以例如在约10μm和200μm之间，但根据替代实施例，厚度可以基于任何数目的参数来选择，并且可以是任何合适的大小。因此，利用上文所描述的增材形成方法，本说明书中所描述的部件可以具有与增材形成过程期间使用的相关联粉末层的一个厚度，例如10μm，一样薄的横截面。
此外，利用增材工艺，部件的表面光洁度和特征可以取决于应用而视需要加以变化。举例来说，特别是在与部件表面相对应的横截面层的外周中，可以通过在增材工艺期间选择适当的激光扫描参数(例如，激光功率、扫描速度、激光焦点尺寸等)来调节表面光洁度(例如，使其更光滑或更粗糙)。举例来说，可以通过增大激光扫描速度或减小所形成的熔池的大小来实现更粗糙的光洁度，并且可以通过减小激光扫描速度或增大所形成的熔池的大小来实现更光滑的光洁度。还可以改变扫描图案和/或激光功率，以改变所选区域的表面光洁度。
值得注意的是，在一些示例性实施例中，由于制造限制，本说明书中所描述的部件的若干特征在先前是不可能的。然而，本发明人已经有利地利用增材制造技艺中的当前进展来大体上根据本申请来开发此类部件的示例性实施例。尽管本申请不限于大体使用增材制造来形成这些部件，但增材制造确实提供了多种制造优点，包括制造的容易性、降低的成本、更高的准确度，等。
就此而言，利用增材制造方法，甚至多零件部件也可以形成为连续金属或陶瓷的单件，并且因此与先前设计相比可以包括更少的子部件和/或接头。这些多零件部件通过增材制造的一体形成可以有利地改进整个组装过程。举例来说，一体形成减少了必须组装的单独零件的数目，因此减少了相关联时间和总组装成本。此外，可以有利地减少存在的例如泄漏、单独零件之间的接头质量以及总体性能的问题。
而且，上文中所描述的增材制造方法实现本说明书中所描述的部件的复杂和精密得多的形状和轮廓。举例来说，这种部件可以包括具有一体安装特征的独特的流体通路和薄增材制造层。此外，增材制造工艺使得能够制造具有不同材料的单个部件，从而使得部件的不同部分可以展现出不同的性能特性。制造工艺的连续增材特性使得能够构造这些新颖特征。因此，本说明书中所述描述的部件可以展现对叶片尖端间隙cl的改进的控制。
图8描绘了根据本申请的示例性实施例的用于调整燃气涡轮发动机(比如为，例如本说明书中所描绘和描述的示例性燃气涡轮发动机100)的叶片尖端间隙的示例性方法600的流程图。方法600中的一些或全部可以由本说明书中所公开的间隙控制装置310来实现。
在步骤602处，示例性方法600包括操作燃气涡轮发动机。当燃气涡轮发动机100操作时，压缩机区段112逐渐压缩已经通过核心涡轮发动机106的环形入口110进入的空气154(图1)。此后，压缩空气176被排放到燃烧区段118内，在燃烧区段118处，具有压力p3的压缩空气176的至少一部分流入燃烧区段118的外气室208内。压缩空气176沿着轴向方向a1流动到涡轮区段120。
在步骤604处，示例性方法600包括对柔性构件的致动室加压，使得护罩部分沿着径向方向移动。当压缩空气176到达气体控制装置310之一时，空气的一部分通过供给开口368进入间隙控制装置310。进入间隙控制装置310的空气具有压力p3。经加压的气流填充到通过柔性构件470发现的致动室476内。在这样做时，经加压的空气使得柔性构件470沿着径向方向r1膨胀。当柔性构件470在护罩部分380上施加力时，这又使得护罩部分380沿着径向方向r1移位。因此，通过对由柔性构件470限定的致动室476加压，护罩部分380可沿着径向方向r1移位。
本书面描述使用实施例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使得所属领域的技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其他实施例。如果此类其他实施例包括并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求书的范围内。
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