專利名稱：燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪機(jī)箱體加強(qiáng)件的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉參引本申請(qǐng)要求2004年5月17日申請(qǐng)的題為“用于燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的改進(jìn)的葉梢間隙的方法和系統(tǒng)”的美國臨時(shí)申請(qǐng)60/571,701號(hào)的優(yōu)先權(quán)。
由L.James Cardarella、John Usherwood和Andres Del Campo同時(shí)申請(qǐng)題為“用于燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的改進(jìn)的葉梢間隙的方法和系統(tǒng)”非臨時(shí)美國申請(qǐng)，其中，John Usherwood和Andres Del Campo的份額已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給加利福尼亞公司Carlton Forge Works。
背景技術(shù)：
隨著燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，箱體內(nèi)部中的葉梢間隙已經(jīng)成為極具挑戰(zhàn)性的問題。從六十年代末，葉片梢部及級(jí)間密封在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中已經(jīng)扮演了越來越重要的角色。這是因?yàn)椋饕捎谛D(zhuǎn)以及靜止結(jié)構(gòu)上的熱負(fù)載和機(jī)械負(fù)載中的變化造成葉片梢部與周圍箱體之間的間隙會(huì)有所不同。在當(dāng)今最大的陸地及航空渦輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上，高壓渦輪機(jī)箱體(“HPTC”)以及低壓渦輪機(jī)箱體(“LPTC”)具有極大的直徑，使得它們很容易就過度延伸而變的不圓，從而惡化葉梢間隙問題。
在HPTC及LPTC兩者中減小的間隙會(huì)顯著降低燃料消耗率(“SFC”)、壓縮機(jī)失速裕度及發(fā)動(dòng)機(jī)效能，并增加航空發(fā)動(dòng)機(jī)的有效載荷和任續(xù)航能力。增加的間隙控制可極大地改善用于陸地發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命以及用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的在空時(shí)間(“TOW”)。排氣溫度(“EGT”)裕度劣化是導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)不能繼續(xù)使用的主要原因。聯(lián)邦航空局(“FAA”)對(duì)每個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)都認(rèn)定有特定EGT極限。EGT用來表示HPTC的運(yùn)行狀態(tài)如何。具體而言，EGT用于評(píng)估HPTC內(nèi)的輪盤溫度。當(dāng)組件劣化且葉片梢部與箱體的內(nèi)部上的密封件之間的間隙增加時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)需要更高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)(由此變的更熱)以產(chǎn)生相同的推力。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到其EGT極限——即高壓渦輪機(jī)輪盤達(dá)到其溫度上限的標(biāo)志，則發(fā)動(dòng)機(jī)必須被拆下進(jìn)行維護(hù)。當(dāng)今大型商用燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的重要大修的維護(hù)成本很容易便會(huì)超過一百萬美元。


圖1示出了通常燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)的示意性視圖；圖2示出了通常燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪機(jī)箱體的示意性截面視圖；圖3示出了本申請(qǐng)實(shí)施例中的裝配有強(qiáng)化環(huán)的圖2的低壓渦輪機(jī)箱體的示意性截面視圖；圖4示出了圖3的低壓渦輪機(jī)箱體的截面A的示意性截面視圖，示出了將要被放置的在本申請(qǐng)的實(shí)施例中的強(qiáng)化環(huán)。
圖5示出了低壓渦輪機(jī)箱體的示意性截面視圖，示出了將要被放置的在本申請(qǐng)的另一實(shí)施例中的強(qiáng)化環(huán)。
圖6示出了低壓渦輪機(jī)箱體的示意性截面視圖，示出了被放置的在本申請(qǐng)的另一實(shí)施例中的強(qiáng)化環(huán)。
圖7示出了低壓渦輪機(jī)箱體的示意性截面視圖，示出了被放置的在本申請(qǐng)的另一實(shí)施例中的強(qiáng)化環(huán)。
圖8示出了在本發(fā)明的實(shí)施例中的在負(fù)載下間隙的改進(jìn)。
圖9A、9B及9C示出了在本申請(qǐng)另一實(shí)施例中具有強(qiáng)化環(huán)的低壓渦輪機(jī)箱體的示意性截面視圖，該強(qiáng)化環(huán)通過液壓螺母定位在低壓渦輪機(jī)箱體上并通過鎖緊螺母固定。
圖10示出了在本申請(qǐng)的另一實(shí)施例中具有強(qiáng)化環(huán)的低壓渦輪機(jī)箱體的示意性視圖，該強(qiáng)化環(huán)通過液壓、電、或其他方式致動(dòng)。
圖11示出了具有強(qiáng)化環(huán)的低壓渦輪機(jī)的示意性橫截面視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)參照附圖，其中相似的參考標(biāo)號(hào)及名稱指其結(jié)構(gòu)上和/或功能上相似的元件。圖1示出了通常的燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)的示意性視圖?，F(xiàn)參照?qǐng)D1，燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)100具有在風(fēng)扇框架104中用于吸氣的風(fēng)扇102。高壓壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子106與其附裝的葉片及定子迫使空氣進(jìn)入燃燒室108，由此增加了入口空氣的壓力及溫度。高壓渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子110與其附裝的葉片及定子容納在高壓渦輪機(jī)箱體112內(nèi)。低壓渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子114與其附裝的葉片及定子容納在低壓渦輪機(jī)箱體116中。渦輪機(jī)從燃燒室108產(chǎn)生的高壓高速氣體獲取能量，并將其傳遞至低壓渦輪機(jī)軸118。
圖2示出了通常的燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪機(jī)箱體的示意性截面視圖?，F(xiàn)參照?qǐng)D2，中心線202穿過低壓渦輪機(jī)箱體204(以橫截面示出)的中心。轉(zhuǎn)子206(以橫截面示出)具有附裝至其的葉片208，并繞沿著中心線202的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解通常低壓渦輪機(jī)箱體204內(nèi)可容納更多葉片及定子。為了簡化僅示出一個(gè)葉片208。
迷宮式密封件可按照應(yīng)用而改變。有時(shí)，迷宮式密封件布置在葉片梢部，有時(shí)，如圖2所示布置在箱體的內(nèi)徑上。迷宮式密封件210(以截面示出)排列于低壓渦輪機(jī)箱體204的內(nèi)徑，形成圍繞各個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片208的遮蔽物，從而限制從葉片208的梢部溢出的空氣。迷宮式密封件210的形狀被設(shè)計(jì)為在各個(gè)葉片208的梢部與相應(yīng)迷宮式密封件210之間產(chǎn)生空氣湍流?？諝馔牧髌鹌琳系淖饔靡宰柚箍諝饫@過葉片208的梢部漏出。可理解的是，完成類似功能的密封件通常以其他名稱命名。界定為葉片208的梢部與迷宮式密封件210之間的間距的葉梢間隙212會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)而改變。由于在這些部件上的負(fù)載的數(shù)量和熱膨脹所導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)的靜態(tài)及旋轉(zhuǎn)組件兩者的位移及變形會(huì)導(dǎo)致葉梢間隙212之后的機(jī)構(gòu)發(fā)生改變。由于會(huì)產(chǎn)生不均勻徑向位移的在靜止或旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上的不均勻加載(離心、熱、內(nèi)壓)而導(dǎo)致軸對(duì)稱間隙的改變。離心及熱負(fù)載會(huì)導(dǎo)致葉梢間隙212的最大徑向變化。
用于迷宮式密封件210的磨損機(jī)理可大體分為三個(gè)主要類別摩擦(葉片侵入(blade incursion))、熱疲勞以及腐蝕。選擇在高壓及低壓渦輪機(jī)箱體兩者中的發(fā)動(dòng)機(jī)建立間隙以限制葉片磨損量。研究顯示，在高壓及低壓渦輪機(jī)箱體中的改善的葉梢間隙可大大降低壽命周期成本(“LCC”)。
當(dāng)冷卻的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)在各個(gè)迷宮式密封件210與葉片208的梢部之間存在一定量的葉梢間隙212。由于轉(zhuǎn)子206上的離心負(fù)載以及葉片208的迅速增溫的原因，隨著為了起飛而增大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，葉梢間隙212迅速減小，由此導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)部件徑向向外增長。同時(shí)，由于受熱的原因，低壓渦輪機(jī)箱體204低速膨脹。該現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生最小的葉梢間隙212“收縮點(diǎn)(pinch point)”。在收縮點(diǎn)之后，隨著低壓渦輪機(jī)箱體204由于受熱而膨脹，葉梢間隙212增加。在低壓渦輪機(jī)箱體204膨脹之后不久，轉(zhuǎn)子206(由于其質(zhì)量的原因以低于低壓渦輪機(jī)箱體204的較低速率)立即開始升溫且葉梢間隙212變窄。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)接近巡航狀態(tài)，低壓渦輪機(jī)箱體204及轉(zhuǎn)子206達(dá)到熱平衡且葉梢間隙212保持相對(duì)恒定。
在巡航狀態(tài)期間縮窄的葉梢間隙212會(huì)帶來極大的優(yōu)勢。這樣通?？色@得在SFC的最大降低(最長的飛行軌跡部分)。另一方面，通常需要避免摩擦。通常在起飛時(shí)保持最小的間隙以確保產(chǎn)生推力同時(shí)保持EGT位于其制定的極限之下。因此，維持最小葉梢間隙212同時(shí)避免在整個(gè)飛行過程中的摩擦成為很多控制系統(tǒng)試圖達(dá)成的目標(biāo)。
基本上，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度在決定工作葉梢間隙212上扮演非常重要的角色。葉梢間隙212直接影響燃?xì)鉁u輪機(jī)性能、效率、以及壽命。較緊的葉梢間隙212可減少繞過葉片208的梢部的空氣泄漏。這可增大渦輪機(jī)效率并使得發(fā)動(dòng)機(jī)以較少燃料燃燒及較低的轉(zhuǎn)子入口溫度而達(dá)到性能及推力目標(biāo)。因?yàn)闇u輪機(jī)以較低的溫度運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)完成相同的操作，故熱區(qū)域部件可具有延長的循環(huán)壽命。熱區(qū)域部件延長的循環(huán)壽命通過增長大修之間的時(shí)間而增大發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命(TOW)。
發(fā)動(dòng)機(jī)SFC及EGT基本上直接關(guān)聯(lián)于HPTC葉梢間隙。一項(xiàng)研究顯示，HPTC葉梢間隙每增加0.001英寸，SFC增加約0.1％同時(shí)EGT增加1攝氏度。因此，相信HPTC葉梢間隙減小0.010英寸會(huì)大體使得SFC減小1％而EGT減小10攝氏度。由于工作速度及溫度高于大型商用發(fā)動(dòng)機(jī)，軍用發(fā)動(dòng)機(jī)中HPTC葉梢間隙通常會(huì)對(duì)SFC及EGT產(chǎn)生更大的影響。這種程度的改進(jìn)會(huì)大大節(jié)省每年高達(dá)數(shù)億美元的年度燃料成本及發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)成本。
減少的燃料消耗還可降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體排放。最近的評(píng)估顯示，僅美國單獨(dú)每年就有764百萬架次的飛行(每人2.85次航空飛行)。商業(yè)飛機(jī)所使用的能量在過去三十年已經(jīng)幾乎增加了一倍。增加的燃料消耗占交通運(yùn)輸領(lǐng)域總的二氧化碳(CO2)的排放量的13％?，F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)排放由超過71％的CO2連同約28％的水(H2O)以及0.3％的二氧化氮(NO2)連同少量的一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)等構(gòu)成。航空運(yùn)輸占全世界CO2產(chǎn)生量的2.5％(600百萬噸)。除了上述之外，主要用于發(fā)電的來自陸路發(fā)動(dòng)機(jī)的排放也增加了總的排放量。很明顯，對(duì)燃料燃燒的減少可極大地降低航空及陸路發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。
當(dāng)今的較大商用發(fā)動(dòng)機(jī)具有差異極大的循環(huán)壽命(定義大修之間的時(shí)間)，通常在3000至10000次循環(huán)的范圍內(nèi)。循環(huán)壽命主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)要保持正EGT裕量多長時(shí)間。新的發(fā)動(dòng)機(jī)或剛剛大修后的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在具有一定的隨著時(shí)間而增大的冷建立葉梢間隙情況下被裝運(yùn)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作間隙的增大，通常，發(fā)動(dòng)機(jī)需要更高載荷(更熱)地運(yùn)轉(zhuǎn)以產(chǎn)生相同操作，因此效率較低。由于熱疲勞，對(duì)工作溫度特別是起飛EGT的增加會(huì)進(jìn)一步加速熱區(qū)域部件的劣化。公認(rèn)的是，通過維持較緊的葉梢間隙來保持發(fā)動(dòng)機(jī)起飛EGT裕量可大大增加發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)壽命。由于大修成本較高，在較長的時(shí)間上這樣也可極大地節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)成本。
之前的對(duì)葉梢間隙管理的嘗試大體可分為兩類控制方案，即主動(dòng)間隙控制(“ACC”)及被動(dòng)間隙控制(“PCC”)。PCC定義為在一個(gè)工作點(diǎn)(即最苛刻的瞬變狀態(tài)，例如，起飛、重新爆燃、機(jī)動(dòng)飛行等)設(shè)定希望的間隙的任何系統(tǒng)。另一方面，ACC定義為允許在多于一個(gè)工作點(diǎn)獨(dú)立地設(shè)定希望的葉梢間隙的任何系統(tǒng)。PCC系統(tǒng)的問題在于系統(tǒng)必須提供的最小間隙(收縮點(diǎn))常常會(huì)在飛行的較長平穩(wěn)階段(即，巡航)期間留下所不希望的較大的間隙。
通常的PCC系統(tǒng)包括在整個(gè)飛行軌跡越來越好的匹配轉(zhuǎn)子與定子，使用可磨除件以限制葉片梢部磨損，使用強(qiáng)化材料及匹配技術(shù)以限制或產(chǎn)生靜態(tài)部件的變形而以在極端條件下維持或改善遮蓋物圓度等。發(fā)動(dòng)機(jī)制造商在七十年代后期及八十年代早期開始利用熱ACC系統(tǒng)。這些系統(tǒng)利用風(fēng)扇來冷卻HPTC的支撐凸緣，減小箱體及遮蓋物的直徑，并因此在巡航狀態(tài)期間減小葉梢間隙。
公認(rèn)所有上述方法都具有相應(yīng)的嚴(yán)重問題。一些方法非常昂貴、而其他的方法則效果欠佳(尤其是在可獲得最大利益的巡航期間)，或因?yàn)槿狈Ξ?dāng)今的高溫致動(dòng)器性能而需要通過箱體致動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致二次密封問題并增大了重量及機(jī)械復(fù)雜度。
圖3示出了本說明書的一實(shí)施例中的配備有加強(qiáng)環(huán)的圖2的低壓渦輪機(jī)箱體的示意性截面視圖。圖11示出了本說明書的一實(shí)施例中的配備有加強(qiáng)環(huán)的圖2的低壓渦輪機(jī)箱體的示意性橫截面視圖。參照?qǐng)D3及圖11，對(duì)于包括航空、海上及陸路發(fā)動(dòng)機(jī)的各種不同應(yīng)用而言，本說明書中的一個(gè)或更多特征可被應(yīng)用至現(xiàn)有的燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，或可被結(jié)合至新型燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及制造中。本說明書中的特征可應(yīng)用至HPTC以及LPTC，且相關(guān)于LPTC的描述及附圖也可等同地適用于HPTC而不僅限于LPTC。
如下所述可具有數(shù)種不同幾何結(jié)構(gòu)的槽口302通常通過機(jī)加工而沿周向加工在低壓渦輪機(jī)箱體204的外徑中以與迷宮式密封件210的一處或更多處位置相符合。除了加工在對(duì)應(yīng)于迷宮式密封件210的一處或更多外位置的位置之外，槽口還可被周向地加工在對(duì)應(yīng)于“熱點(diǎn)(hot spot)”(在發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)，通過計(jì)算機(jī)建模、通過監(jiān)控表面溫度或通過對(duì)裂縫的目測而在低壓渦輪機(jī)箱體204中確定的)的位置中。對(duì)于現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)，通常需要移除低壓渦輪機(jī)箱體204以修理因這些“熱點(diǎn)”而導(dǎo)致的裂縫。在修理結(jié)束后，然后可利用機(jī)加工通過焊接修復(fù)形成槽。然后，外部環(huán)會(huì)收縮而干涉配合在槽中。可理解的是，取決于具體的應(yīng)用，強(qiáng)化環(huán)可布置在渦輪機(jī)箱體的其他位置。還可理解的是，取決于具體應(yīng)用，可以改變規(guī)格、尺寸、形狀、材料及間隙。
在一實(shí)施例中，強(qiáng)化環(huán)304(在圖3中以橫截面示出)收縮干涉配合在各個(gè)槽口302中，使得強(qiáng)化環(huán)304環(huán)繞周向槽口302，如圖11所示。因?yàn)榈蛪簻u輪機(jī)箱體204呈圓錐形，各個(gè)強(qiáng)化環(huán)304可具有不同直徑。在各種情況下，各強(qiáng)化環(huán)304的內(nèi)徑都可略小于其對(duì)應(yīng)槽口302的外徑。從具有最大直徑的強(qiáng)化環(huán)304開始，對(duì)各個(gè)強(qiáng)化環(huán)304進(jìn)行加熱。加熱使得各強(qiáng)化環(huán)304膨脹，使得內(nèi)徑增大至大于其對(duì)應(yīng)槽口302的外徑的直徑。一旦定位在槽口302中，便允許冷卻強(qiáng)化環(huán)304，其收縮并干涉配合在其對(duì)應(yīng)槽口302中。
圖4示出了圖3的低壓渦輪機(jī)箱體的截面A的示意性截面視圖，示出了將要放置在本說明書的一實(shí)施例中的強(qiáng)化環(huán)?，F(xiàn)參照?qǐng)D4，在一個(gè)實(shí)施例中，槽口302周向地加工有相對(duì)于低壓渦輪機(jī)箱體的錐形的反向錐形部。該錐形部的角度402會(huì)依情況的不同而變化，范圍從用于圓柱形箱體的略大于0度至取決于圓錐形的具體幾何結(jié)構(gòu)的合適角度。對(duì)于強(qiáng)化環(huán)304，可在其內(nèi)徑上進(jìn)行周向加工以與相同的錐形匹配。盡管強(qiáng)化環(huán)304收縮而干涉配合在低壓渦輪機(jī)箱體204上，但該錐形部可增加進(jìn)一步的安全性而使得強(qiáng)化環(huán)304不會(huì)軸向地在低壓渦輪機(jī)箱體204上滑落。如果將槽口302加工為扁平形而沒有錐形部，在某些應(yīng)用中可能會(huì)增大滑落的可能性。當(dāng)已經(jīng)加熱強(qiáng)化環(huán)304使其膨脹時(shí)，會(huì)提高環(huán)間隙404，使得強(qiáng)化環(huán)304如圖所示抵靠槽口302的跟部406定位。隨著強(qiáng)化環(huán)304的冷卻，其在直徑上收縮并使其周向地放置在槽口302中。在環(huán)境溫度下，因?yàn)橄噍^于槽口302的外表面直徑，強(qiáng)化環(huán)304的內(nèi)表面直徑較小，故收縮可產(chǎn)生干涉配合結(jié)果，同時(shí)通過強(qiáng)化環(huán)304向低壓渦輪機(jī)箱體204施加徑向壓縮周向力，而通過低壓渦輪機(jī)箱體204向強(qiáng)化環(huán)304施加張緊周向力。如圖11的箭頭示意性所示，在一個(gè)實(shí)施例中，徑向壓力可集中在由中心線202限定的旋轉(zhuǎn)軸線上。在一個(gè)實(shí)施例中，徑向壓縮力繞槽口302及低壓渦輪機(jī)箱體204的整個(gè)周向連續(xù)地施加而沒有間斷。
在一個(gè)示例中，低壓渦輪機(jī)箱體204在葉片208及迷宮式密封件210布置的位置處的外徑可以為五十英寸。在一個(gè)示例中，強(qiáng)化環(huán)304可制成通過鑄造或機(jī)加工成為封閉環(huán)形的實(shí)心的、整體式或單件式的、連續(xù)或無縫的構(gòu)件。在另一實(shí)施例中，可使用開放的環(huán)形構(gòu)件并將其兩端焊接接合在一起而例如形成封閉環(huán)形來制成強(qiáng)化環(huán)304。低壓渦輪機(jī)箱體204由諸如鉻鎳鐵合金718的鎳基超耐熱不銹鋼通過類似制造強(qiáng)化環(huán)304的鑄造工藝而制成。超耐熱不銹鋼鉻鎳鐵合金718是高強(qiáng)度、多元合金，其在具有高表面穩(wěn)定性的同時(shí)可承受高溫以及極強(qiáng)的機(jī)械應(yīng)力，并通常用于燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。可理解的是，取決于具體應(yīng)用，強(qiáng)化環(huán)及渦輪機(jī)箱體可由各種材料制成。將強(qiáng)化環(huán)304加熱至計(jì)算溫度會(huì)使得強(qiáng)化環(huán)304膨脹，由此當(dāng)?shù)蛪簻u輪機(jī)箱體204處于約70華氏度的環(huán)境空氣溫度下時(shí)可產(chǎn)生合適的環(huán)間隙404?；蛘?，可通過液氮或其他方式將低壓渦輪機(jī)箱體204冷卻至計(jì)算溫度以使得低壓渦輪機(jī)箱體204在直徑上收縮，由此當(dāng)強(qiáng)化環(huán)304處于約70華氏度的環(huán)境空氣溫度下時(shí)可產(chǎn)生合適的環(huán)間隙404?；蛘撸赏ㄟ^冷卻低壓渦輪機(jī)箱體204及加熱強(qiáng)化環(huán)304的結(jié)合體(分別至不同的計(jì)算溫度)來實(shí)現(xiàn)合適的環(huán)間隙404。在制成強(qiáng)化環(huán)304的材料的應(yīng)力限極限內(nèi)，根據(jù)具體應(yīng)用的需要，增大或減小強(qiáng)化環(huán)304的內(nèi)徑會(huì)生成或大或小的徑向壓縮周向力及張緊應(yīng)力。
此外，可在第一方向上(諸如徑向)進(jìn)行對(duì)低壓渦輪機(jī)箱體204的機(jī)加工，而可在與第一方向或多或少垂直的第二方向上(諸如軸向)進(jìn)行強(qiáng)化環(huán)304的機(jī)加工。因?yàn)闄C(jī)加工在機(jī)加工表面上留下螺旋、或記錄的連續(xù)槽，故在每個(gè)表面上的槽彼此以交叉線的形式排列，從而增大了兩個(gè)表面之間的摩擦力，并降低了強(qiáng)化環(huán)304在槽口302內(nèi)運(yùn)動(dòng)(包括軸向或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))的可能性。在例如可由鎳基超耐熱不銹鋼制成的強(qiáng)化環(huán)304上的多個(gè)槽可以比在通常由鈦制成的低壓渦輪機(jī)箱體204的槽口302上的多個(gè)槽、或在可能由鋼或鋁制成的其他低壓渦輪機(jī)箱體中的多個(gè)槽更堅(jiān)硬。鎳基超耐熱不銹鋼槽可凹陷入或在較軟的鈦、鋼、或鋁槽中形成凹部?；蛘?，強(qiáng)化環(huán)304可在一個(gè)或更多位置處簡單地點(diǎn)焊至槽口302，或螺栓緊固至一個(gè)或更多固定至槽口302的凸緣，以防止強(qiáng)化環(huán)304相對(duì)于槽口302的旋轉(zhuǎn)或其他運(yùn)動(dòng)。在此情況下，不需要在橫向方向上的機(jī)加工。
因此，通過以上述方式定位強(qiáng)化環(huán)304，可改進(jìn)在某些應(yīng)用中、特別是在某些應(yīng)用中的發(fā)動(dòng)機(jī)巡航工作期間的葉梢間隙212。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)員可設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)，使其具有比不存在上述強(qiáng)化環(huán)的情況對(duì)給定發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)適合的葉梢間隙時(shí)更小的葉梢間隙?？衫斫獾氖?，取決于具體的應(yīng)用，可以單獨(dú)或結(jié)合利用其他或不同的好處、優(yōu)點(diǎn)、改進(jìn)或其他特征。在一個(gè)應(yīng)用中，通過強(qiáng)化環(huán)304施加的徑向壓縮周向力(在圖11中由箭頭表示)可防止低壓渦輪機(jī)箱體204象沒有強(qiáng)化環(huán)情況時(shí)受熱膨脹得那樣多。在一個(gè)方面中，強(qiáng)化環(huán)304起用于低壓渦輪機(jī)箱體204的束帶的作用，以防止膨脹或變的不圓，并加強(qiáng)低壓渦輪機(jī)箱體204。強(qiáng)化環(huán)304可由與低壓渦輪機(jī)箱體204相同的材料制成；或者，可由具有較低熱膨脹系數(shù)的不同材料制成，在溫度上升的情況下，這增加了所施加的徑向壓縮周向力，超過相同材料的強(qiáng)化環(huán)的情況下所施加的徑向壓縮周向力。壓力可足夠大以在渦輪機(jī)箱體中形成凹部，諸如在槽口302中形成凹部。
在許多發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，主要通過對(duì)流將熱量從低壓渦輪機(jī)箱體204的外表面耗散。將強(qiáng)化環(huán)304加至低壓渦輪機(jī)箱體204的另一個(gè)可獲得的優(yōu)點(diǎn)是，因?yàn)閺?qiáng)化環(huán)304可起冷卻散熱片的作用，故可將熱量以更快的速率耗散，由此在低壓渦輪機(jī)箱體204中產(chǎn)生更低的工作溫度。上述冷卻方式還有助于實(shí)現(xiàn)更少的膨脹及更小的葉梢間隙212。而且，強(qiáng)化環(huán)304有助于維持低壓渦輪機(jī)箱體204的圓度。而且，可以理解的是，取決于具體應(yīng)用，可以單獨(dú)或結(jié)合利用其他或不同好處、優(yōu)點(diǎn)、改進(jìn)或其他特征。
圖5示出了低壓渦輪機(jī)箱體的示意性截面視圖，示出了在本說明書的另一實(shí)施例中將要被放置的強(qiáng)化環(huán)。現(xiàn)參考圖5，在一個(gè)實(shí)施例中，槽口502呈人字形形狀周向地機(jī)加工。角度508可隨應(yīng)用而改變。在強(qiáng)化環(huán)504的內(nèi)徑上進(jìn)行周向機(jī)加工以匹配上述相同的人字形形狀。盡管強(qiáng)化環(huán)504收縮而干涉配合在低壓渦輪機(jī)箱體204上，但人字形形狀可增加進(jìn)一步安全性以防止強(qiáng)化環(huán)304從低壓渦輪機(jī)箱體204滑落。當(dāng)強(qiáng)化環(huán)504受熱膨脹時(shí)，加大了環(huán)間隙404，使得強(qiáng)化環(huán)504將如圖所示抵靠槽口502的跟部506定位。隨著強(qiáng)化環(huán)504冷卻，其在直徑上收縮并使其自身周向地坐放入槽口502。在環(huán)境溫度下，因?yàn)閺?qiáng)化環(huán)504的內(nèi)徑比槽口502的外徑小，故收縮形成干涉配合，同時(shí)通過強(qiáng)化環(huán)504向低壓渦輪機(jī)箱體204施加徑向壓縮周向力，并通過低壓渦輪機(jī)箱體204向強(qiáng)化環(huán)504施加周向張緊力。
圖6示出了低壓渦輪機(jī)箱體的截面的示意性截面視圖，其示出了在本說明書的另一實(shí)施例中已放置的強(qiáng)化環(huán)?，F(xiàn)參照?qǐng)D6，對(duì)于航空應(yīng)用，會(huì)對(duì)向發(fā)動(dòng)機(jī)增加重量有所顧慮，將強(qiáng)化環(huán)604制成當(dāng)如圖6所示放置時(shí)具有與低壓渦輪機(jī)箱體204的外表面大體平齊的輪廓。如圖4所示，具有反向錐形部的槽口302被機(jī)加工至低壓渦輪機(jī)箱體204中。此外，為了達(dá)到徑向壓力及周向張緊應(yīng)力要求，基于將被設(shè)計(jì)或?qū)⒈桓闹频陌l(fā)動(dòng)機(jī)，槽口302可被機(jī)加工的更深和/或更寬，且強(qiáng)化環(huán)604可加深并/或加寬。
圖7示出了低壓渦輪機(jī)箱體的截面的示意性截面視圖，其示出了在本說明書的另一實(shí)施例中已放置的強(qiáng)化環(huán)。參照?qǐng)D7，對(duì)于航空應(yīng)用，會(huì)對(duì)向發(fā)動(dòng)機(jī)增加重量有所顧慮，將強(qiáng)化環(huán)704制成當(dāng)如圖6所示放置時(shí)具有與低壓渦輪機(jī)箱體204的外表面大體平齊的輪廓。如圖5所示，具有人字形形狀的槽口502被機(jī)加工至低壓渦輪機(jī)箱體204中。此外，為了達(dá)到徑向壓力及周向張緊應(yīng)力要求，基于將被設(shè)計(jì)或?qū)⒈桓闹频陌l(fā)動(dòng)機(jī)，槽口502可被機(jī)加工的更深和/或更寬，且強(qiáng)化環(huán)704可加深并/或加寬。除了航空或飛行應(yīng)用，可理解的是，也可在陸路及海上應(yīng)用中利用齊平實(shí)施例及其他實(shí)施例。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可理解，除了如圖4-7所示用于槽口及強(qiáng)化環(huán)的反向錐形部及人字形形狀設(shè)計(jì)，還可以利用其他設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)相同或相似或不同的目的。例如，槽口可具有一個(gè)或更多脊及溝、角或起伏，其將與在強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)表面上的一個(gè)或更多脊及溝、角或起伏匹配?；蛘?，槽口及強(qiáng)化環(huán)可具有反向人字形形狀。在其他實(shí)施例中，可不使用槽口?？梢詷?gòu)思出各種類似的其他形狀而不脫離本說明書的范圍。
圖8示出了在本說明書的一實(shí)施例中在負(fù)載下對(duì)葉梢間隙的改進(jìn)?，F(xiàn)參照?qǐng)D8，圖4所示的強(qiáng)化環(huán)304已經(jīng)收縮而干涉配合在低壓渦輪機(jī)箱體204上，且發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)處于負(fù)載狀態(tài)，例如在巡航工作期間。以實(shí)線示出處于在沒有強(qiáng)化環(huán)304的情況下的位置中的迷宮式密封件210以及具有內(nèi)表面802及外表面804的低壓渦輪機(jī)箱體204。低壓渦輪機(jī)箱體204將在直徑上膨脹，而迷宮式密封件210將移離葉片208，從而加大至更寬的葉梢間隙212。但是，因?yàn)橥ㄟ^強(qiáng)化環(huán)304而作用在低壓渦輪機(jī)箱體204上的徑向壓力的原因，迷宮式密封件210處于以虛線示出的位置210′，而強(qiáng)化環(huán)304以及低壓渦輪機(jī)箱體204的內(nèi)表面802及外表面804處于以虛線示出的位置304′、802′及804′，因此減小了葉梢間隙212′。
因此，在本說明書的一個(gè)方面中，在LPTC及HPTC中通常因受熱而產(chǎn)生的膨脹的量被減小，因此可改進(jìn)葉梢間隙。如上所述，由于在HPTC及LPTC中升高的溫度的原因，增加的葉梢間隙會(huì)加速低循環(huán)疲勞及腐蝕效應(yīng)，進(jìn)而劣化EGT裕量及發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。總而言之，對(duì)于大型燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，相信葉梢間隙減小0.010英寸的量級(jí)會(huì)使得SFC減小1％而EGT減小10攝氏度。相信對(duì)葉梢間隙這種量級(jí)的改進(jìn)每年可節(jié)省燃料及維護(hù)成本超過數(shù)億美元。減小的燃料燃燒還可降低飛機(jī)排放(當(dāng)前其占美國運(yùn)輸領(lǐng)域的總的CO2排放量的13％)。在另一方面，在巡航狀態(tài)下葉梢間隙可被減小以對(duì)SFC及EGT裕量產(chǎn)生顯著影響并改進(jìn)渦輪機(jī)效率。此外，在某些實(shí)施例中由于強(qiáng)化環(huán)導(dǎo)致的HPTC及LPTC的增大的外表面面積可增強(qiáng)冷卻效果并產(chǎn)生較低的內(nèi)部溫度，這可增長發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)壽命。在另一方面，可通過對(duì)葉梢間隙的改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效負(fù)載的增大。可以在每次起飛及降落中運(yùn)輸更大重量的貨物。進(jìn)一步可理解的是，本說明書的特征可容易地替換昂貴的被動(dòng)間隙控制選項(xiàng)?？衫斫獾氖牵瑢?duì)不圓度、葉梢間隙、SFC、EGT或污染排放中一個(gè)或多個(gè)的減小可通過利用這里描述的一個(gè)或多個(gè)特征來實(shí)現(xiàn)。例如，由具有比渦輪機(jī)箱體材料低的熱膨脹系數(shù)的材料來制成強(qiáng)化環(huán)可便于實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)這些或其他方面的降低。類似的，可理解的是，可通過以相同材料制成渦輪機(jī)箱體及強(qiáng)化環(huán)來實(shí)現(xiàn)一個(gè)多個(gè)這些減小或其他優(yōu)點(diǎn)。
圖9A、9B、及9C示出了在本申請(qǐng)的另一實(shí)施例中的低壓渦輪機(jī)箱體的示意性截面視圖，該低壓渦輪機(jī)箱體具有通過液壓螺母定位在其上并通過鎖緊螺母固定的強(qiáng)化環(huán)。現(xiàn)參照?qǐng)D9A，強(qiáng)化環(huán)904被成型為在沒有壓力的情況下配合在葉片208及迷宮式密封件210的附近的位置，或之前確定的“熱點(diǎn)”，并被布置該位置處。然后，將液壓螺母902螺旋安裝至低壓渦輪機(jī)箱體204。液壓螺母902具有與強(qiáng)化環(huán)904配合的活塞906。
在圖9B中，活塞906已從液壓螺母902延伸出，朝向低壓渦輪機(jī)箱體204的較大直徑端推動(dòng)強(qiáng)化環(huán)904，由此相對(duì)于葉片208及迷宮式密封件210將強(qiáng)化環(huán)904定位在最佳位置，并產(chǎn)生干涉配合。計(jì)算活塞906從液壓螺母902延伸出的量以通過強(qiáng)化環(huán)904產(chǎn)生希望的壓縮周向力。
在圖9C中，已經(jīng)移除了液壓螺母902，而鎖緊螺母908已螺旋附裝在其位于低壓渦輪機(jī)箱體204上的位置處。鎖緊螺母908的保持件910與強(qiáng)化環(huán)904接合，由此將強(qiáng)化環(huán)904固定在位?；跍u輪機(jī)設(shè)計(jì)，根據(jù)需要重復(fù)該過程多次。本實(shí)施例會(huì)增加額外重量，進(jìn)而最可能最適用于不是那么顧慮重量的陸路應(yīng)用中。
圖10示出了在本申請(qǐng)的另一實(shí)施例中具有強(qiáng)化環(huán)的低壓渦輪機(jī)箱體的示意性視圖，該強(qiáng)化環(huán)通過液壓、電、或其他方式致動(dòng)?，F(xiàn)參照?qǐng)D10，低壓渦輪機(jī)箱體1000具有定位在預(yù)定位置以與葉片/迷宮式密封件及/或“熱點(diǎn)”相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)化C形環(huán)1004。在本實(shí)施例中，強(qiáng)化C形環(huán)1004并未收縮干涉配合在低壓渦輪機(jī)箱體1000上。用于每個(gè)強(qiáng)化C形環(huán)1004的槽口仍可機(jī)加工在低壓渦輪機(jī)箱體1000中，但是該強(qiáng)化環(huán)為C形環(huán)而非連續(xù)環(huán)。強(qiáng)化C形環(huán)1004的每個(gè)端部都連接至致動(dòng)器裝置1002，當(dāng)其被致動(dòng)時(shí)，其將強(qiáng)化C形環(huán)1004的各個(gè)端部拉到一起，在低壓渦輪機(jī)箱體1000上施加包括徑向壓力的壓力。各個(gè)強(qiáng)化C形環(huán)1004的內(nèi)表面或槽口表面或兩者都可涂敷有Teflon或其他一些潤滑基質(zhì)以便于在緊固時(shí)滑動(dòng)。
每個(gè)致動(dòng)器裝置1002都通過電氣/電子聯(lián)接1006而連接至控制器1008?？刂破?008從定位在各強(qiáng)化C形環(huán)1004附近的多個(gè)溫度傳感器(未示出)接收溫度讀數(shù)。還可以從EGT溫度讀數(shù)推導(dǎo)出LPTC溫度并利用這些讀數(shù)作為向控制器1008的反饋。隨著在低壓渦輪機(jī)箱體1000上監(jiān)測的溫度的升高，控制器1008處理溫度數(shù)據(jù)并確定需要通過各個(gè)致動(dòng)器裝置1002將各個(gè)強(qiáng)化C形環(huán)1004的各個(gè)端部拉近多大的程度以在低壓渦輪機(jī)箱體1000上施加合適的壓縮周向力，從而例如提供諸如維持最佳葉梢間隙或平衡“熱點(diǎn)”等適當(dāng)?shù)挠欣帯?br> 在一個(gè)替代實(shí)施例中，替代C形環(huán)，可通過致動(dòng)器裝置1002將鏈狀多個(gè)分段環(huán)連接在一起。在另一實(shí)施例中，強(qiáng)化環(huán)可由諸如Kevlar的非金屬材料條制成。Kevlar的內(nèi)表面或槽口表面或兩者都可涂敷有Teflon或其他一些潤滑基質(zhì)以便于在緊固時(shí)滑動(dòng)。
已經(jīng)描述了各種特征，將被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的是，不脫離本說明書的范圍，可提出各種不同的實(shí)施例及應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括利用強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)周表面環(huán)繞燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)箱體的外周表面；以及利用環(huán)繞所述渦輪機(jī)箱體的所述強(qiáng)化環(huán)沿所述內(nèi)周表面的周長向所述渦輪機(jī)箱體的所述外周表面施加徑向壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中施加所述徑向壓力的步驟包括將所述強(qiáng)化環(huán)內(nèi)周表面收縮干涉配合至所述渦輪機(jī)箱體的外周表面。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中施加所述徑向壓力的步驟包括將所述強(qiáng)化環(huán)內(nèi)周表面放置在一槽口中，該槽口由所述渦輪機(jī)箱體的外周表面限定且成形為確保所述強(qiáng)化環(huán)不會(huì)在相對(duì)于所述渦輪機(jī)箱體的縱向方向上移位。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述渦輪機(jī)箱體包圍適于繞旋轉(zhuǎn)軸線在該渦輪機(jī)箱體內(nèi)旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)，其中所述徑向壓力指向位于所述旋轉(zhuǎn)軸線上的中心。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述渦輪機(jī)箱體具有環(huán)繞所述渦輪機(jī)的渦輪機(jī)葉片梢部的密封件，且其中所述徑向壓力的施加將所述密封件與所述葉片梢部之間的間隙限制在一預(yù)定范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述渦輪機(jī)箱體由第一材料形成，且其中所述強(qiáng)化環(huán)由不同于所述渦輪機(jī)箱體的第一材料的第二材料制成，所述第二材料具有低于所述渦輪機(jī)的第一材料的熱膨脹系數(shù)。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中隨著所述渦輪機(jī)箱體的溫度的升高，施加至所述渦輪機(jī)箱體的外周表面的所述徑向壓力沿所述強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)周表面的周向長度在所述外周表面中形成凹部。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括重新設(shè)計(jì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)以與不存在所述徑向壓力施加情況時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉梢間隙相比，減小葉梢間隙。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的施加徑向壓力使得能夠在所述發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間降低以下至少其中一個(gè)方面a)渦輪機(jī)箱體不圓度；b)燃料消耗率；c)所述渦輪機(jī)箱體的內(nèi)表面與所述渦輪機(jī)的葉片梢部之間的間隙；d)排氣溫度；e)排氣污染。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用第二強(qiáng)化環(huán)的第二內(nèi)周表面環(huán)繞所述燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)箱體的第二外周表面；并利用環(huán)繞所述渦輪機(jī)箱體的所述第二強(qiáng)化環(huán)沿所述第二內(nèi)周表面的周向長度向所述渦輪機(jī)箱體的第二外周表面施加徑向壓力。
11.一種操作燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，包括繞旋轉(zhuǎn)軸線在渦輪機(jī)箱體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪機(jī)；并利用環(huán)繞所述渦輪機(jī)箱體的強(qiáng)化環(huán)來向所述渦輪機(jī)箱體的外周表面施加徑向壓力，所述徑向壓力沿所述強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)周表面的周向長度施加并指向位于所述旋轉(zhuǎn)軸線上的中心。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述渦輪機(jī)箱體具有環(huán)繞所述渦輪機(jī)的渦輪機(jī)葉片梢部的密封件，其中當(dāng)所述渦輪機(jī)在所述渦輪機(jī)箱體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所述徑向壓力的施加將所述密封件與所述葉片梢部之間的間隙限制在一預(yù)定范圍內(nèi)。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括利用所述強(qiáng)化環(huán)從所述渦輪機(jī)箱體散熱。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括重新設(shè)計(jì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)以與不存在所述徑向壓力施加情況時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉梢間隙相比，減小葉梢間隙。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述的施加徑向壓力使得能夠在所述發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間降低以下至少其中一個(gè)方面a)渦輪機(jī)箱體不圓度；b)燃料消耗率；c)所述渦輪機(jī)箱體的內(nèi)表面與所述渦輪機(jī)的葉片梢部之間的間隙；d)排氣溫度；e)排氣污染。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述渦輪機(jī)箱體由第一材料形成，且其中所述強(qiáng)化環(huán)由不同于所述渦輪機(jī)箱體的第一材料的第二材料制成，所述第二材料具有低于所述渦輪機(jī)的第一材料的熱膨脹系數(shù)。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括通過所述第二強(qiáng)化環(huán)環(huán)繞所述渦輪機(jī)箱體向所述渦輪機(jī)箱體的第二外周表面施加徑向壓力，所述徑向壓力沿所述第二強(qiáng)化環(huán)的第二內(nèi)周表面的周向長度施加并指向位于所述旋轉(zhuǎn)軸線上的中心。
18.一種燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，包括具有外周表面的渦輪機(jī)箱體；適于在所述渦輪機(jī)箱體內(nèi)繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)；以及具有內(nèi)周表面的強(qiáng)化環(huán)，其適于沿所述內(nèi)周表面的周向長度施加徑向壓力至所述渦輪機(jī)箱體的外周表面。
19.如權(quán)利要求18所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述強(qiáng)化環(huán)通過收縮干涉配合被緊固至所述渦輪機(jī)箱體，這使得所述強(qiáng)化環(huán)向所述渦輪機(jī)箱體的外周表面施加所述徑向壓力。
20.如權(quán)利要求18所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述渦輪機(jī)箱體的外周表面限定了適于接收所述強(qiáng)化環(huán)而確保所述強(qiáng)化環(huán)不會(huì)相對(duì)于所述渦輪機(jī)箱體在縱向方向上移位的槽口。
21.如權(quán)利要求18所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述徑向壓力指向所述旋轉(zhuǎn)軸線上的中心。
22.如權(quán)利要求21所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述渦輪機(jī)具有渦輪機(jī)葉片，每個(gè)渦輪機(jī)葉片在其遠(yuǎn)端具有梢部，且其中所述渦輪機(jī)箱體具有內(nèi)周表面，該內(nèi)周表面具有環(huán)繞所述渦輪機(jī)的渦輪機(jī)葉片梢部的密封件，且其中通過所述強(qiáng)化環(huán)施加的所述徑向壓力將所述密封件與所述葉片梢部之間的間隙限制在一預(yù)定范圍內(nèi)。
23.如權(quán)利要求21所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述渦輪機(jī)箱體的外周表面限定了適于接收所述強(qiáng)化環(huán)而確保所述強(qiáng)化環(huán)不會(huì)相對(duì)于所述渦輪機(jī)箱體在縱向方向上移位的槽口，且其中所述槽口處于對(duì)應(yīng)于所述渦輪機(jī)箱體的內(nèi)表面上的所述密封件的位置。
24.如權(quán)利要求18所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述渦輪機(jī)箱體由第一材料形成，且其中所述強(qiáng)化環(huán)由不同于所述渦輪機(jī)箱體的第一材料的第二材料形成，所述第二材料具有低于所述渦輪機(jī)箱體的第一材料的膨脹系數(shù)。
25.如權(quán)利要求22所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中重新設(shè)計(jì)所述發(fā)動(dòng)機(jī)以與不存在所述徑向壓力施加情況時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉梢間隙相比，減小葉梢間隙。
26.如權(quán)利要求22所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述強(qiáng)化環(huán)使得能夠在所述發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間降低以下至少其中一個(gè)方面a)渦輪機(jī)箱體不圓度；b)燃料消耗率；c)所述渦輪機(jī)箱體的內(nèi)表面與所述渦輪機(jī)的葉片梢部之間的間隙；d)排氣溫度；e)排氣污染。
27.如權(quán)利要求18所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述渦輪機(jī)箱體具有第二外周表面，且其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)還包括具有第二內(nèi)周表面的第二強(qiáng)化環(huán)，其適于沿所述第二內(nèi)周表面的周向長度向所述渦輪機(jī)箱體的第二外周表面施加徑向壓力。
28.一種方法，包括(a)在燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)箱體的外表面中于預(yù)定位置沿周向機(jī)加工至少一個(gè)槽口；并(b)通過收縮干涉配合將強(qiáng)化環(huán)放置在各個(gè)所述至少一個(gè)槽口中；其中所述強(qiáng)化環(huán)向所述渦輪機(jī)箱體施加壓縮周向力。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述放置步驟還包括加熱所述強(qiáng)化環(huán)以使得所述強(qiáng)化環(huán)的第一內(nèi)徑增大至第二內(nèi)徑，該第二內(nèi)徑大于處于環(huán)境溫度下的所述至少一個(gè)槽口的外徑；將所述強(qiáng)化環(huán)定位在所述至少一個(gè)槽口內(nèi)；并允許所述強(qiáng)化環(huán)冷卻至所述環(huán)境溫度，使得所述強(qiáng)化環(huán)從所述第二內(nèi)徑朝向所述第一內(nèi)徑減小，但被所述至少一個(gè)槽口的外徑限制，由此達(dá)到所述收縮干涉配合。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述放置步驟還包括冷卻所述渦輪機(jī)箱體以使得所述至少一個(gè)槽口的第一外徑減小至第二外徑，該第二外徑小于處于環(huán)境溫度下的所述強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)徑；將所述強(qiáng)化環(huán)定位在所述至少一個(gè)槽口中；并允許所述渦輪機(jī)箱體升溫至所述環(huán)境溫度，使得所述至少一個(gè)槽口從所述第二外徑朝向所述第一外徑增大，但被所述強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)徑限制，由此達(dá)到所述收縮干涉配合。
31.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述放置步驟還包括加熱所述強(qiáng)化環(huán)以使得所述強(qiáng)化環(huán)的第一內(nèi)徑增大至第二內(nèi)徑；冷卻所述渦輪機(jī)箱體以使得所述至少一個(gè)槽口的第一外徑減小至第二外徑，該第二外徑小于所述強(qiáng)化環(huán)的第二直徑；將所述強(qiáng)化環(huán)定位在所述至少一個(gè)槽口內(nèi)；允許所述強(qiáng)化環(huán)冷卻至所述環(huán)境溫度；并允許所述渦輪機(jī)箱體升溫至所述環(huán)境溫度；其中所述強(qiáng)化環(huán)從所述第二內(nèi)徑朝向所述第一內(nèi)徑減小，且所述至少一個(gè)槽口從所述第二外徑朝向所述第一外徑增大，由此達(dá)到所述收縮干涉配合。
32.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述機(jī)加工步驟還包括在對(duì)應(yīng)于所述渦輪機(jī)箱體的內(nèi)表面上的迷宮式密封件的位置、于所述渦輪機(jī)箱體的外表面中沿周向機(jī)加工所述至少一個(gè)槽口。
33.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述機(jī)加工步驟還包括在對(duì)應(yīng)于所述渦輪機(jī)箱體的熱點(diǎn)的位置、于所述渦輪機(jī)箱體的外表面中沿周向機(jī)加工所述至少一個(gè)槽口。
34.如權(quán)利要求28所述的方法，還包括機(jī)加工所述強(qiáng)化環(huán)至預(yù)定形狀以與所述至少一個(gè)槽口的形狀相匹配。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述槽口的機(jī)加工步驟包括在所述渦輪機(jī)箱體的外表面中于所述預(yù)定位置沿周向機(jī)加工所述至少一個(gè)槽口使其呈反向錐形部；且其中所述強(qiáng)化環(huán)的機(jī)加工步驟包括在內(nèi)徑上機(jī)加工所述強(qiáng)化環(huán)以匹配所述至少一個(gè)槽口的反向錐形部。
36.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述槽口的機(jī)加工步驟包括在所述渦輪機(jī)箱體的外表面中于所述預(yù)定位置沿周向機(jī)加工所述至少一個(gè)槽口使其呈人字形形狀；且其中所述強(qiáng)化環(huán)的機(jī)加工步驟包括在內(nèi)徑上機(jī)加工所述強(qiáng)化環(huán)以匹配所述至少一個(gè)槽口的人字形形狀。
37.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述強(qiáng)化環(huán)的機(jī)加工步驟包括機(jī)加工所述強(qiáng)化環(huán)的頂表面使得當(dāng)所述強(qiáng)化環(huán)被放置在所述至少一個(gè)槽口中時(shí)所述強(qiáng)化環(huán)的頂表面與所述渦輪機(jī)箱體的外表面齊平。
38.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述強(qiáng)化環(huán)的機(jī)加工步驟包括由鎳基超耐熱不銹鋼機(jī)加工出所述強(qiáng)化環(huán)。
39.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述強(qiáng)化環(huán)的機(jī)加工步驟包括以與所述渦輪機(jī)箱體的材料不同的材料來機(jī)加工所述強(qiáng)化環(huán)，所述強(qiáng)化環(huán)的材料具有低于所述渦輪機(jī)箱體的材料的膨脹系數(shù)。
40.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述槽口的機(jī)加工步驟包括在第一方向上在所述渦輪機(jī)箱體的所述外表面中機(jī)加工出所述至少一個(gè)槽口，其中多個(gè)槽形成在所述外表面上并在所述第一方向上對(duì)準(zhǔn)；且其中所述強(qiáng)化環(huán)的機(jī)加工包括在第二方向上機(jī)加工所述強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)表面，其中多個(gè)槽形成在所述內(nèi)表面上并在所述第二方向上對(duì)準(zhǔn)；其中當(dāng)所述至少一個(gè)槽口的外表面及所述強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)表面被放置在一起時(shí)，在所述至少一個(gè)槽口的外表面上的多個(gè)槽與在所述強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)表面上的多個(gè)槽彼此以交叉線形式排列，增大了所述至少一個(gè)槽口與所述強(qiáng)化環(huán)之間的摩擦力，并降低了所述強(qiáng)化環(huán)在所述至少一個(gè)槽口內(nèi)旋轉(zhuǎn)的可能性。
41.一種用于燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)備，所述設(shè)備包括具有外表面的渦輪機(jī)箱體，其限定了至少一個(gè)槽口，該至少一個(gè)槽口在預(yù)定位置處沿周向機(jī)加工在所述燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)箱體的外表面中；及強(qiáng)化環(huán)，其通過收縮干涉配合而放置在各個(gè)所述至少一個(gè)槽口中；其中所述強(qiáng)化環(huán)向所述渦輪機(jī)箱體施加周向壓力。
42.如權(quán)利要求41所述的設(shè)備，還包括用于加熱所述強(qiáng)化環(huán)的裝置，其使得所述強(qiáng)化環(huán)的第一內(nèi)徑增大至第二內(nèi)徑，該第二內(nèi)徑大于處于環(huán)境溫度下的所述至少一個(gè)槽口的外徑，其中在所述強(qiáng)化環(huán)定位在所述至少一個(gè)槽口中之后，允許所述強(qiáng)化環(huán)冷卻至所述環(huán)境溫度，使得所述強(qiáng)化環(huán)從所述第二內(nèi)徑朝向所述第一內(nèi)徑減小，但由所述至少一個(gè)槽口的外徑限制，達(dá)到所述收縮干涉配合。
43.如權(quán)利要求41所述的設(shè)備，還包括用于冷卻所述渦輪機(jī)箱體的裝置，其使得所述至少一個(gè)槽口的第一外徑減小至第二外徑，該第二外徑小于處于環(huán)境溫度下的所述強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)徑，其中在所述強(qiáng)化環(huán)定位在所述至少一個(gè)槽口中之后，允許所述渦輪機(jī)箱體被加熱至所述環(huán)境溫度，使得所述至少一個(gè)槽口從所述第二外徑朝向所述第一外徑增大，但由所述強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)徑限制，達(dá)到所述收縮干涉配合。
44.如權(quán)利要求41所述的設(shè)備，還包括用于加熱所述強(qiáng)化環(huán)的裝置，其使得所述強(qiáng)化環(huán)的第一內(nèi)徑增大至第二內(nèi)徑；以及用于冷卻所述渦輪機(jī)箱體的裝置，其使得所述至少一個(gè)槽口的第一外徑減小至第二外徑，該第二外徑小于所述強(qiáng)化環(huán)的第二內(nèi)徑，其中在所述強(qiáng)化環(huán)定位在所述至少一個(gè)槽口中之后，允許所述強(qiáng)化環(huán)冷卻至所述環(huán)境溫度，并允許所述渦輪機(jī)箱體加熱至所述環(huán)境溫度，使得所述強(qiáng)化環(huán)從所述第二內(nèi)徑朝向所述第一內(nèi)徑減小，并使得所述至少一個(gè)槽口從所述第二外徑朝向所述第一外徑增大，達(dá)到所述收縮干涉配合。
45.如權(quán)利要求41所述的設(shè)備，其中用于在所述渦輪機(jī)箱體的外表面中沿周向機(jī)加工所述至少一個(gè)槽口的所述預(yù)定位置處于與所述渦輪機(jī)箱體的內(nèi)表面上的迷宮式密封件相對(duì)應(yīng)的位置。
46.如權(quán)利要求41所述的設(shè)備，其中用于在所述渦輪機(jī)箱體的外表面中沿周向機(jī)加工所述至少一個(gè)槽口的所述預(yù)定位置處于與所述渦輪機(jī)箱體的熱點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置。
47.如權(quán)利要求41所述的設(shè)備，其中所述強(qiáng)化環(huán)還具有機(jī)加工成與所述至少一個(gè)槽口的形狀相匹配的預(yù)定形狀。
48.如權(quán)利要求41所述的設(shè)備，其中所述槽口具有機(jī)加工在所述至少一個(gè)槽口中的反向錐形部；且，所述強(qiáng)化環(huán)具有機(jī)加工在所述強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)徑上的相匹配的反向錐形部。
49.如權(quán)利要求41所述的設(shè)備，還包括機(jī)加工在所述至少一個(gè)槽口中的人字形形狀；以及機(jī)加工在所述強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)徑上的相匹配的人字形形狀。
50.如權(quán)利要求41所述的設(shè)備，其中所述強(qiáng)化環(huán)還包括所述強(qiáng)化環(huán)的頂表面被機(jī)加工為使得當(dāng)所述強(qiáng)化環(huán)被放置在所述至少一個(gè)槽口中時(shí)，所述強(qiáng)化環(huán)的頂表面與所述渦輪機(jī)箱體的外表面齊平。
51.如權(quán)利要求41所述的設(shè)備，其中由鎳基超耐熱不銹鋼機(jī)加工出所述強(qiáng)化環(huán)。
52.如權(quán)利要求41所述的設(shè)備，其中以與所述渦輪機(jī)箱體的材料不同的材料來機(jī)加工所述強(qiáng)化環(huán)，所述強(qiáng)化環(huán)的材料具有低于所述渦輪機(jī)箱體的材料的熱膨脹系數(shù)。
53.如權(quán)利要求41所述的設(shè)備，其中所述渦輪機(jī)箱體的至少一個(gè)槽口具有機(jī)加工外表面，其在所述至少一個(gè)槽口的機(jī)加工外表面上限定了沿第一方向?qū)?zhǔn)的多個(gè)槽；且所述強(qiáng)化環(huán)具有機(jī)加工內(nèi)表面，其在所述強(qiáng)化環(huán)的機(jī)加工內(nèi)表面上限定了沿第二方向上對(duì)準(zhǔn)的多個(gè)槽；當(dāng)所述至少一個(gè)槽口的外表面與在所述強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)表面彼此干涉收縮配合在一起時(shí)，在所述至少一個(gè)槽口的外表面上的多個(gè)槽與在所述強(qiáng)化環(huán)的內(nèi)表面上的多個(gè)槽彼此以交叉線形式排列，增大了所述至少一個(gè)槽口與所述強(qiáng)化環(huán)之間的摩擦力，并降低了所述強(qiáng)化環(huán)在所述至少一個(gè)槽口內(nèi)旋轉(zhuǎn)的可能性。
54.一種方法，包括(a)在燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)箱體的外表面中于預(yù)定位置沿周向機(jī)加工至少一個(gè)槽口；(b)將強(qiáng)化環(huán)放置在各個(gè)所述至少一個(gè)槽口內(nèi)，所述強(qiáng)化環(huán)具有第一端部及第二端部；(c)將所述強(qiáng)化環(huán)的第一端部與第二端部連接至致動(dòng)器；并(d)致動(dòng)所述致動(dòng)器以將所述強(qiáng)化環(huán)的所述第一及第二端部拉在一起；其中所述強(qiáng)化環(huán)向所述渦輪機(jī)箱體施加周向壓力。
55.如權(quán)利要求54所述的方法，其中所述機(jī)加工步驟還包括在對(duì)應(yīng)于所述渦輪機(jī)箱體的內(nèi)表面上的迷宮式密封件的位置、于所述渦輪機(jī)箱體的外表面中沿周向機(jī)加工所述至少一個(gè)槽口。
56.如權(quán)利要求54所述的方法，其中所述機(jī)加工步驟還包括在對(duì)應(yīng)于所述渦輪機(jī)箱體的熱點(diǎn)的位置、于所述渦輪機(jī)箱體的外表面中沿周向機(jī)加工所述至少一個(gè)槽口。
57.如權(quán)利要求54所述的方法，還包括機(jī)加工所述強(qiáng)化環(huán)至預(yù)定形狀以與所述至少一個(gè)槽口的形狀相匹配。
58.如權(quán)利要求54所述的方法，還包括由鎳基超耐熱不銹鋼機(jī)加工出所述強(qiáng)化環(huán)。
59.如權(quán)利要求54所述的方法，還包括以與所述渦輪機(jī)箱體的材料不同的材料來機(jī)加工所述強(qiáng)化環(huán)，所述強(qiáng)化環(huán)的材料具有低于所述渦輪機(jī)箱體的材料的熱膨脹系數(shù)。
60.如權(quán)利要求54所述的方法，還包括將控制器通過電連接而連接至所述致動(dòng)器；從布置在所述強(qiáng)化環(huán)附近的多個(gè)溫度傳感器接收多個(gè)溫度讀數(shù)到所述控制器中；并通過所述控制器處理所述多個(gè)溫度讀數(shù)以確定要通過所述致動(dòng)器將所述強(qiáng)化環(huán)的第一及第二端部拉到一起多大程度來在所述渦輪機(jī)箱體上施加預(yù)定的周向壓力。
61.如權(quán)利要求54所述的方法，其中所述強(qiáng)化環(huán)是C形環(huán)、類似多個(gè)分段環(huán)的鏈或非金屬材料條。
62.一種用于燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)備，所述設(shè)備包括渦輪機(jī)箱體，其具有外表面，該外表面限定了至少一個(gè)槽口，該至少一個(gè)槽口在預(yù)定位置處沿周向機(jī)加工到所述燃?xì)鉁u輪機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)箱體的外表面中；放置在各個(gè)所述至少一個(gè)槽口中的強(qiáng)化環(huán)，所述強(qiáng)化環(huán)具有第一端部及第二端部；以及致動(dòng)器，其中所述第一及第二端部被連接至所述致動(dòng)器，且當(dāng)被致動(dòng)時(shí)所述致動(dòng)器適于將所述第一及第二端部拉在一起；其中所述強(qiáng)化環(huán)向所述渦輪機(jī)箱體施加周向壓力。
63.如權(quán)利要求62所述的設(shè)備，其中所述渦輪機(jī)箱體具有內(nèi)表面及在所述內(nèi)表面上的迷宮式密封件，且用于在所述渦輪機(jī)箱體的所述外表面中沿周向機(jī)加工所述至少一個(gè)槽口的所述預(yù)定位置位于與所述渦輪機(jī)箱體的內(nèi)表面上的所述迷宮式密封件相對(duì)應(yīng)的位置。
64.如權(quán)利要求62所述的設(shè)備，其中所述渦輪機(jī)箱體具有熱點(diǎn)，且其中用于在所述渦輪機(jī)箱體的外表面中沿周向機(jī)加工所述至少一個(gè)槽口的所述預(yù)定位置位于與所述渦輪機(jī)箱體的熱點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置。
65.如權(quán)利要求62所述的設(shè)備，其中所述強(qiáng)化環(huán)還具有與所述至少一個(gè)槽口的形狀匹配的預(yù)定形狀。
66.如權(quán)利要求62所述的設(shè)備，其中由鎳基超耐熱不銹鋼機(jī)加工出所述強(qiáng)化環(huán)。
67.如權(quán)利要求62所述的設(shè)備，其中以與所述渦輪機(jī)箱體的材料不同的材料來機(jī)加工所述強(qiáng)化環(huán)，所述強(qiáng)化環(huán)的材料具有低于所述渦輪機(jī)箱體的材料的熱膨脹系數(shù)。
68.如權(quán)利要求62所述的設(shè)備，還包括通過電連接而連接至所述致動(dòng)器的控制器；以及布置在所述強(qiáng)化環(huán)附近的多個(gè)溫度傳感器，其中所述控制器適于從所述多個(gè)溫度傳感器接收多個(gè)溫度讀數(shù)；其中所述控制器適于處理所述多個(gè)溫度讀數(shù)以確定要通過所述致動(dòng)器要將所述強(qiáng)化環(huán)的第一及第二端部拉到一起多大程度來在所述渦輪機(jī)箱體上施加預(yù)定的周向壓力。
69.如權(quán)利要求62所述的設(shè)備，其中所述強(qiáng)化環(huán)是C形環(huán)、類似多個(gè)分段環(huán)的鏈或非金屬材料條。
全文摘要
在一個(gè)實(shí)施例中，在低壓或高壓渦輪機(jī)箱體(204)的外表面上機(jī)加工形成周向槽口(302)。槽口例如可與用于葉片(208)的密封件(210)的內(nèi)部位置或與已經(jīng)確定的“熱點(diǎn)”對(duì)應(yīng)。通過在環(huán)與箱體之間引入溫差，強(qiáng)化環(huán)(304)可被收縮而干涉配合在各槽口(302)中。由各個(gè)環(huán)施加的徑向壓縮周向力可防止低壓或高壓渦輪機(jī)箱體象未設(shè)有強(qiáng)化環(huán)時(shí)那樣膨脹。在一些應(yīng)用中，強(qiáng)化環(huán)可改進(jìn)葉梢間隙或平衡“熱點(diǎn)”，強(qiáng)化箱體，改善箱體冷卻或提供其他優(yōu)點(diǎn)，這取決于具體應(yīng)用。在一個(gè)實(shí)施例中，可以省去槽口。在替選實(shí)施方式中，可通過液壓、電氣、或其他方式來將C形環(huán)或多段環(huán)耦合在一起，并通過控制器致動(dòng)以施加可調(diào)節(jié)的徑向壓縮周向力。還描述并要求保護(hù)其他實(shí)施例。
文檔編號(hào)F01D11/20GK1989316SQ200580015745
公開日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2005年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月17日
發(fā)明者小L·詹姆士·卡爾達(dá)雷拉 申請(qǐng)人:小L·詹姆士·卡爾達(dá)雷拉