可变轮叶设备的制作方法

可变轮叶设备
1.关于联邦政府资助的研究和开发的声明
2.本发明是在美国政府的支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
3.本发明总体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及用于致动这种发动机的可变硬件的方法和设备。


背景技术：

4.燃气涡轮发动机包括用于对进气加压的压缩机，该进气然后流向下游燃烧器和一个或多个涡轮。典型的压缩机包括一系列级，每个级包括一排静止定子轮叶和一排旋转压缩机叶片。
5.在一些燃气涡轮发动机中，定子轮叶的一级或多级被可变地致动——称为可变定子轮叶(vsv)。vsv是静止或静态(即非旋转)翼型件。每个级都设有多个翼型件的环形阵列，例如25-50个翼型件。翼型件是“可变的”，因为它们的内侧端和外侧端是枢转的，并且它们可以围绕大致径向轴线旋转以改变它们的交错角。改变这个角度的原因是为了节流通过发动机的气流和/或优化通过翼型件的气流角度。这有助于让发动机在不同的操作条件下高效操作(例如，低速操作与高功率操作)。
6.通常，在现有技术中，每个vsv在其外侧端具有耳轴，该耳轴穿过定子壳体并联接到杆。每一级翼型件的所有杆通常都连接到环绕发动机壳体的协调环。vsv使用衬套组件保持到定子壳体。
7.围绕发动机中心线轴线顺时针或逆时针旋转该环将导致所有连接的vsv一致地打开或关闭。协调环最终由致动器操作，例如液压、气动或电动致动器。致动器和协调环之间的各种类型的机械连接是已知的。


技术实现要素：

8.根据本文所述技术的一个方面，一种可变轮叶设备，包括：壳体，所述壳体包括两个或更多个间隔开的壳体枢轴；曲柄，所述曲柄可枢转地连接至每一个壳体枢轴，每一个所述曲柄具有输入臂和输出臂；主杆，所述主杆包括在杆枢轴处彼此可枢转地连接的两个或更多个段；并且其中每一个所述曲柄的所述输入臂可枢转地连接到一个所述杆枢轴。
9.根据本文所述技术的另一方面，一种燃气涡轮发动机，包括：涡轮机械核心，所述涡轮机械核心包括处于串联流动关系的压缩机、燃烧器和涡轮；所述核心包括壳体，所述壳体包括两个或更多个间隔开的壳体枢轴；曲柄，所述曲柄可枢转地连接到每一个壳体枢轴，每一个所述曲柄具有输入臂和输出臂；主杆，所述主杆包括在杆枢轴处彼此可枢转地连接的两个或更多个段；并且其中每一个所述曲柄的所述输入臂可枢转地连接到一个所述杆枢轴。
附图说明
10.本发明可以通过参考以下结合附图的描述得到最好的理解，其中：
11.图1是结合有可变轮叶设备的燃气涡轮发动机的横截面示意图；
12.图2是图1的发动机的单可变轮叶组件的示意性局部视图；
13.图3是结合现有技术可变轮叶设备的燃气涡轮发动机壳体的一部分的示意性平面图；
14.图4是结合有根据本发明一方面的示例性可变轮叶设备的燃气涡轮发动机壳体的一部分的示意性平面图；
15.图5是图4的一部分的放大图；
16.图6是示出了替代的曲柄(bellcrank)的燃气涡轮发动机壳体的一部分的示意性平面图；
17.图7是示出了另一种替代的曲柄的燃气涡轮发动机壳体的一部分的示意性平面图；和
18.图8是示出了另一种替代的曲柄的燃气涡轮发动机壳体的一部分的示意性平面图。
具体实施方式
19.参考附图，其中相同的附图标记在各个视图中表示相同的元件，图1描绘了示例性燃气涡轮发动机10。虽然所示示例是高旁通涡轮风扇发动机，但本发明的原理也适用于其他类型的发动机，例如低旁通涡轮风扇发动机、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、非管道式风扇发动机或开式转子发动机等，以及具有任意数量的压缩机-涡轮线轴的涡轮发动机。或者，本文所述的可变轮叶设备可结合在另一种类型的涡轮机械中，例如由外部原动机驱动的风扇、泵或压缩机。发动机10具有纵向中心线或轴线11。发动机10的操作可以全部或部分地由在12处示意性地示出的电子发动机控制器控制。这种电子发动机控制器12的一个示例是全权限数字发动机控制(“fadec”)。
20.注意，如本文所用，术语“轴向”和“纵向”均指平行于中心线轴线11的方向，而“径向”指垂直于轴向方向的方向，而“切向
””
或“周向”是指与轴向方向和径向方向相互垂直的方向。如本文所用，术语“向前”或“前”是指在通过或围绕部件的气流中相对上游的位置，而术语“向后”或“后”是指在通过或围绕部件的气流中相对下游的位置。该流动的方向由图1中的箭头“fl”表示。这些方向性术语仅用于描述方便，并不要求由此描述的结构的特定取向。
21.发动机10具有以串联流动关系布置的风扇14、增压器16、高压压缩机或“hpc”18、燃烧器20、高压涡轮或“hpt”22和低压涡轮或“lpt”24。风扇14、增压器16和lpt 24共同限定了发动机的低压系统或低压线轴。hpc 18、燃烧器20和hpt 22共同限定了发动机10的高压线轴，也称为“核心”或“核心发动机”。
22.在操作中，离开hpc 18的加压空气在燃烧器20中与燃料混合并被点燃，从而产生燃烧气体。hpt 22从这些气体中提取一些功，hpt 22通过外轴26驱动hpc 18。然后燃烧气体流入lpt 24，lpt 24通过内轴28驱动风扇14和增压器16。如本文所用，当燃料被供应到燃烧器20并在燃烧器20中燃烧时，发动机10被认为是“操作的”，并且产生的燃烧气体正在驱动
至少核心的旋转。
23.hpc 18包括多级旋转叶片和静止轮叶(定子轮叶)，它们都被压缩机壳体或壳体30包围。hpc 18可以结合可变轮叶组件，在32处示意性地示出。
24.图2示出了固定到诸如压缩机壳体30的壳体的可变轮叶组件32。应当理解，可变轮叶组件32可以作为可变定子轮叶并入hpc 18中，或者可以用于提供发动机10中的任何其他静止翼型件的可变致动。这种可变翼型件的示例包括可变入口轮叶、可变出口轮叶和可变涡轮喷嘴。可变轮叶组件32包括围绕中心线11排列的多个周向隔开的可变定子轮叶34(仅示出了一个轮叶34)。每个轮叶34包括具有前缘、下游后缘以及在其间延伸的压力侧和吸力侧的常规翼型件36。
25.每个轮叶34还包括径向外耳轴38，该耳轴38从翼型件36的末端或外侧范围同轴且一体地向外延伸，用于将轮叶34枢转地安装在形成于壳体30中的对应安装凸台40中。耳轴衬套42设置在外耳轴38和安装凸台40之间以减少它们之间的摩擦和磨损。在图2所示的示例性实施例中，每个轮叶34还包括安装在密封环46中的径向内耳轴44，尽管可以使用其他布置。
26.一体形成的安装杆48从外耳轴38的外远端径向向外延伸。安装杆48具有螺纹部分和形成在其上的底座部分。杆臂50在其一端放置在安装杆48上，用于与其底座部分接合。螺母52拧到安装杆48的螺纹部分上以将杆臂50固定到其上，从而将杆臂50的旋转运动传递到轮叶34。致动销54设置在杆臂50的另一端并且被接收在环形致动或协调环56中的互补孔中，环形致动或协调环56控制杆臂50的位置。应当理解，协调环56围绕压缩机壳体30的外部延伸。每个轮叶34的杆臂50连接到协调环56，从而可以通过协调环56围绕中心线11的旋转来一致地调整轮叶34的取向。
27.图3示出了现有技术的可变轮叶设备58，其包括安装到压缩机壳体30的若干定子轮叶组件32。定子轮叶组件32与发动机的不同级相关联(发动机的不同级分别标记为第一级60、第二级62和第三级64)，不一定对应于hpc 18的任何特定级。第一级60的协调环56枢转地连接到第一曲柄68的输出臂66，该输出臂66在第一壳体枢轴70处枢转地连接到压缩机壳体30。任何曲柄到它们各自的协调环的枢转连接可以是间接的，例如通过如图所示的连杆67，该连杆67具有枢转连接到输出臂66的第一端和枢转连接到协调环56的第二端。这种连杆67提供柔顺性，使得定子轮叶组件32和曲柄可以不受约束地移动，即使输出臂66的长度与杆臂50的长度不同。第一曲柄68的输入臂72在第一杆枢轴76处可枢转地连接到刚性主杆74。
28.第二级62的协调环56可枢转地连接到第二曲柄78的输出臂66，输出臂66在第二壳体枢轴80处可枢转地连接到压缩机壳体30。第二曲柄78的输入臂72在第二杆枢轴82处可枢转地连接到主杆74。
29.最后，第三级64的协调环56可枢转地连接到第三曲柄84的输出臂66，输出臂66在第三壳体枢轴86处可枢转地连接到压缩机壳体30。第三曲柄84的输入臂72在第三杆枢轴87处枢转地连接到主杆74。
30.主杆74连接到致动器88(示意性地示出)，致动器88可操作以选择性地沿标记为“x”的方向平移主杆74，该方向可以平行于发动机中心线11(图1)。用于操作致动器88的动力源(未示出)可以是机械的、液压的、气动的或电动的。致动器88的控制可以通过诸如控制
器12的传统方式进行。
31.主杆74的平移导致第一曲柄68、第二曲柄78和第三曲柄84围绕它们各自的壳体枢轴70、80和86旋转。这继而导致输出臂66移动它们各自的协调环56，从而在标记为“y”的方向上产生移动，该方向大体垂直于x方向。
32.沿y方向的位移与沿x方向的位移之比(本文称为“输出比”)由输出臂66(标记为lo)和输入臂72(标记为li)的相对长度控制。
33.通常，为了机械兼容性和避免机构中的束缚，输入臂72中的每一个共享共同的长度。因此，如果希望改变y方向位移，这在现有技术中仅通过改变输出臂66的长度来实现。这会使实施某些输出比变得不切实际或不可能。例如，如果lo/li比值小于1，则输出臂66远端处的枢轴必须移动得更靠近对应的壳体枢轴。然而，输出臂66可以有多短是有限制的，因为如果它太短，最终将在枢转硬件和/或协调环56与外壳枢轴之间产生机械干扰。
34.这种布置可以通过结合分段的主杆来改进。图4示出了示例性可变轮叶设备158，其包括布置在压缩机壳体30中的若干定子轮叶组件32。定子轮叶组件32与发动机的不同级相关联(发动机的不同级分别标记为第一级60、第二级62和第三级64)，不一定对应于hpc 18的任何特定级。
35.完整的可变轮叶设备158包括主杆174，该主杆174包括彼此枢转地连接的两个或更多个段。在图4所示的示例中，主杆174包括从第一杆枢轴176延伸到第二杆枢轴182的第一段173，以及从第二杆枢轴182延伸到第三杆枢轴186的第二段175。第一段173和第二段175可以围绕第二杆枢轴182相对于彼此自由地枢转。
36.第一级60的协调环56可枢转地连接到第一曲柄68的输出臂66，该输出臂66在第一壳体枢轴70处可枢转地连接到压缩机壳体30。任何曲柄与它们各自的协调环的枢转连接可以是间接的，例如通过如图所示的连杆67，该连杆具有可枢转地连接到输出臂66的第一端和可枢转地连接到协调环56的第二端。这种连杆67提供柔顺性，使得定子轮叶组件32和曲柄可以不受约束地移动，即使输出臂66的长度与杆臂50的长度不同。第一曲柄68的输入臂72在第一杆枢轴176处可枢转地连接到主杆174。
37.第二级62的协调环56可枢转地连接到第二曲柄78的输出臂66，输出臂66在第二壳体枢轴80处可枢转地连接到压缩机壳体30。第二曲柄78的输入臂72在第二杆枢轴182处可枢转地连接到主杆174。
38.最后，第三级64的协调环56可枢转地连接到第三曲柄84的输出臂66，输出臂66在第三壳体枢轴86处可枢转地连接到压缩机壳体30。第三曲柄84的输入臂72在第三杆枢轴186处可枢转地连接到主杆174。
39.分段的主杆174连接到致动器88(示意性地示出)，致动器88可操作以选择性地将主杆174沿标记为“x”的方向平移，如上所述。在所示示例中，主杆174通过联接器段171联接到致动器88，联接器段171枢转地连接到第一杆枢轴176。
40.主杆174沿x方向的平移导致第一曲柄68、第二曲柄78和第三曲柄84围绕它们各自的壳体枢轴旋转。这继而导致输出臂66在标记为“y”的方向上移动相应的协调环56，该方向大体垂直于x方向。
41.如上所述，在y方向上的移动与在x方向上的移动的比率(输出比)由输出臂66(标记为lo)与输入臂72(标记为li)的相对长度控制。输出比可以表示为lo/li。应当理解，输出
臂66的端部不以纯线性方式移动，而是扫出以对应的壳体枢轴为中心的弧线。然而，在y方向上的位移是令人感兴趣的。
42.因此，如果希望改变y方向位移，这可以通过改变曲柄68、78或84的输入臂与输出臂的相对长度来实现。与现有技术构造相比，这可以以额外的灵活性完成，因为输入臂72或输出臂66的长度可以改变。
43.联接到分段的主杆174的每个可变轮叶设备32可以具有单独的、任意的输出比lo/li。在图4所示的示例中，第一曲柄68的输出比lo/li约为1:1，第二曲柄78的输出比lo/li约为0.5:1，第三曲柄84的输出比约为2:1。
44.分段的主杆174的使用允许通过输入臂长度与输出臂长度的不同组合来实现给定的比率。例如，从1:1输出比的标称基线开始，0.5:1的输出比可以通过将输出臂66的长度减半或通过将输入臂72的长度加倍来实现。
45.分段的主杆174的使用允许实现小于1的输出比，这使用现有技术构造可能是非常不切实际或不可能的。
46.例如，图5示出了具有大约0.5比1的输出比lo/li的第二曲柄78，该输出比通过根据需要增加输入臂72的长度同时将输出臂66的长度保持在避免束缚、干扰或组装困难所必需的最小值来实现。
47.在上述示例中，曲柄的输入臂和输出臂基本上彼此垂直(即，它们的夹角基本上为90度)。应注意，曲柄臂的角度关系可以变化以适合特定应用。可能的例子如图6-8所示。图6示出了具有与输入臂72成一直线并设置在壳体枢轴70的相对侧上的输出臂66的曲柄68。这可以被描述为具有180度的夹角θ。也可以将其描述为输入臂72和输出臂76彼此串联。图7示出了具有与输入臂72成斜角设置的输出臂66的曲柄68。本例中的夹角θ约为135度。图8示出了具有与输入臂72成一直线并且设置在壳体枢轴70的同一侧的输出臂66的曲柄68。这可以被描述为具有0度的夹角。不管曲柄臂的相对取向如何，使用分段的主杆的原理同样适用。还应注意，在描述曲柄时，术语“臂”不一定需要图中作为示例所示的相对较长、较窄的元件。实际上，由空间分隔的本体中的任何两个枢轴点都将有效地限定“臂”。例如，在图6和8所示的实施例中，曲柄68可以构成具有多个间隔开的枢轴点的单个杆状或梁状元件。类似地，功能性“臂”可以通过在其中提供多个间隔开的枢轴点来限定为其他任意形状，例如凸轮、圆形、多边形等。
48.本文所述的设备具有优于现有技术的优点。通过将主杆分成段，可以调整曲柄输入长度以允许所需的输出，而无需使用不可能的输出长度或超出尺寸限制的输出长度。
49.前面已经描述了可变轮叶设备。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤，可以以任何组合进行组合，除了其中至少一些这样的特征和/或步骤是互斥的组合。
50.除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征都可以被用于相同、等同或相似目的的替代特征代替。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是通用系列的等效或相似特征的一个示例。
51.本发明不限于前述实施例的细节。本发明延伸到本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合。
52.本发明的进一步方面由以下编号条项的主题提供：
53.1.一种可变轮叶设备，包括：壳体，所述壳体包括两个或更多个间隔开的壳体枢轴；曲柄，所述曲柄可枢转地连接至每一个壳体枢轴，每一个所述曲柄具有输入臂和输出臂；主杆，所述主杆包括在杆枢轴处彼此可枢转地连接的两个或更多个段；并且其中每一个所述曲柄的所述输入臂可枢转地连接到一个所述杆枢轴。
54.2.根据任何前述条项所述的设备，其中每一个所述曲柄的输出比定义为其输出臂的长度除以其输入臂的长度，并且两个或更多个所述曲柄的所述输出比彼此不同。
55.3.根据任何前述条项所述的设备，其中每一个所述曲柄的输出比定义为其输出臂的长度除以其输入臂的长度，并且至少一个所述曲柄的所述输出比小于1。
56.4.根据任何前述条项所述的设备，其中每一个所述曲柄的输出比定义为其输出臂的长度除以其输入臂的长度，并且至少一个所述曲柄的所述输出比约为0.5。
57.5.根据任何前述条项所述的设备，其中：每一个所述曲柄的输出比定义为其输出臂的长度除以其输入臂的长度；至少一个所述曲柄的所述输出比小于1；并且至少一个所述曲柄的所述输出比大于1。
58.6.根据任何前述条项所述的设备，进一步包括连接到所述主杆的致动器。
59.7.根据任何前述条项所述的设备，其中：所述壳体包括多个可变轮叶组件，每一个所述可变轮叶组件包括轮叶的环形阵列并具有从其延伸的杆臂，所述轮叶的环形阵列可枢转地安装在所述壳体中；每一个可变轮叶组件包括环绕所述壳体并可枢转地连接到对应可变轮叶组件的每一个所述杆臂的协调环；并且每一个所述曲柄的所述输出臂可枢转地连接到一个所述协调环。
60.8.根据任何前述条项所述的设备，其中至少一个所述曲柄的所述输入臂和所述输出臂彼此成一直线。
61.9.根据任何前述条项所述的设备，其中至少一个所述曲柄的所述输入臂和所述输出臂彼此成斜角设置。
62.10.根据任何前述条项所述的设备，其中至少一个所述曲柄的所述输入臂和所述输出臂彼此成90度角设置。
63.11.一种燃气涡轮发动机，包括：涡轮机械核心，所述涡轮机械核心包括处于串联流动关系的压缩机、燃烧器和涡轮；所述核心包括壳体，所述壳体包括两个或更多个间隔开的壳体枢轴；曲柄，所述曲柄可枢转地连接到每一个壳体枢轴，每一个所述曲柄具有输入臂和输出臂；主杆，所述主杆包括在杆枢轴处彼此可枢转地连接的两个或更多个段；并且其中每一个所述曲柄的所述输入臂可枢转地连接到一个所述杆枢轴。
64.12.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中，每一个所述曲柄的输出比定义为其输出臂的长度除以其输入臂的长度，并且两个或更多个所述曲柄的所述输出比彼此不同。
65.13.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中每一个所述曲柄的输出比定义为其输出臂的长度除以其输入臂的长度，并且至少一个所述曲柄的所述输出比小于1。
66.14.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中每一个所述曲柄的输出比定义为其输出臂的长度除以其输入臂的长度，并且至少一个所述曲柄的所述输出比约为0.5。
67.15.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中：每一个所述曲柄的输出比定
义为其输出臂的长度除以其输入臂的长度；至少一个所述曲柄的所述输出比小于1；并且至少一个所述曲柄的所述输出比大于1。
68.16.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括连接到所述主杆的致动器。
69.17.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中：所述壳体包括多个可变轮叶组件，每一个所述可变轮叶组件包括轮叶的环形阵列并具有从其延伸的杆臂，所述轮叶的环形阵列可枢转地安装在所述壳体中；每一个可变轮叶组件包括环绕所述壳体并可枢转地连接到对应可变轮叶组件的每一个所述杆臂的协调环；并且每一个所述曲柄的所述输出臂可枢转地连接到一个所述协调环。
70.18.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中，至少一个所述曲柄的所述输入臂和所述输出臂彼此成一直线。
71.19.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中，至少一个所述曲柄的所述输入臂和所述输出臂彼此成斜角设置。
72.20.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中，至少一个所述曲柄的所述输入臂和所述输出臂彼此成90度角设置。