啟動燃氣渦輪發動機的方法
【專利摘要】一種啟動具有至少包括安裝在軸(14)上的壓縮機(16)和渦輪(18)的轉子(12)的燃氣渦輪發動機(10)的方法，其中殼(24)包繞轉子(12)。
【專利說明】
啟動燃氣渦輪發動機的方法
【背景技術】
[0001 ]渦輪發動機，且特別是燃氣或燃燒渦輪發動機，是從經過發動機流到大量渦輪葉片上的燃燒氣體流獲得能量的旋轉發動機。燃氣渦輪發動機包括由壓縮機區段、燃燒區段和渦輪區段形成的核心。壓縮機區段和渦輪區段包括安裝到共同的傳動軸上且共同稱為轉子的壓縮機葉片和渦輪葉片，轉子由殼包繞。在一些燃氣渦輪發動機中，存在多個轉子，諸如低壓轉子和高壓轉子，其中傳動軸是同軸的。
[0002]燃氣渦輪發動機用于陸地和海上運轉和發電，但最常用于航空應用，諸如用于飛行器，包括直升機。在飛行器中，燃氣渦輪發動機主要用于推進飛行器，以及發電。在陸地應用中，渦輪發動機主要用于發電。
[0003]用于飛行器的燃氣渦輪發動機設計成在大約2000°C的高溫下操作，以最大化發動機效率，因此某些發動機構件的冷卻可為所需的。典型地，冷卻通過將大約900°C的較冷空氣從高和/或低壓壓縮機導送至需要冷卻的發動機構件來實現。
[0004]當渦輪發動機在此高溫下操作之后關閉時，發動機核心和轉子的頂部的熱分層將由于上升的熱而變得比底部更熱。分層常常可導致轉子的頂部與底部之間的500°C的差異，這導致轉子的頂部與底部之間的不對稱的熱膨脹。在此溫差下，轉子的頂部熱膨脹較大的徑向量，促使稱為彎曲轉子(bowed-rotor)狀態的情況。彎曲轉子狀態可發生在發動機關閉的10分鐘內，且可持續高達8小時。
[0005]不對稱的熱膨脹使質量中心向上移動且與軸的旋轉軸線失準，導致轉子轉動時的失衡狀態。該向上移動還減小了葉片末梢與殼之間的空隙。當轉子又旋轉時，引起的失衡將在旋轉期間引起振動。振動將增大轉子偏轉，尤其是在經過振動模式(諸如轉子的旋轉自然頻率)時。振動可加速正常開裂和疲勞，導致較早且更頻繁的維護。它們還可加速密封件和類似結構上的磨損和開裂。
[0006]熱膨脹可足夠大，使得當轉子的上部旋轉至包繞的發動機殼的下部時，其可接觸并未沿徑向膨脹與發動機殼的上部一樣多的殼的下部。在帶有彎曲轉子狀態的轉子的旋轉期間與發動機殼的反復接觸或摩擦可引起零件斷開，且因此可引起對發動機的外來物體破壞。
[0007]彎曲轉子現象的現有解決方案針對一旦彎曲發生就防止和緩解。最常見的當前解決方案在于在期望啟動發動機時利用啟動機使發動機旋轉延長周期，直到彎曲消失。這可花費幾分鐘，且具有若干非期望的效果。首先，可能存在由穿過飛行器結構承載的轉子振動引起的不舒適的較大客艙噪音。其次，由于使發動機啟動機旋轉所需的大功率下的較長時間，故消耗了飛行器輔助動力單元壽命。第三，增加啟動時間引起機場擁擠，因為飛行器必須在發動機啟動期間仍在滑行道中，阻擋了其它飛行器的移動。第四，如果發動機轉子具有啟動順序的速度范圍中的自然頻率，則上文所述的破壞可發生。這些問題的先前的解決方案提出了在大約Irpm的低速下外部旋轉轉子，直到彎曲轉子現象消失，這常常超過半個小時，這是在飛行器的操作中的不可接受的停機時間，尤其是商業航班。
[0008]典型地，在關閉渦輪發動機后，轉子將通過外部電源(諸如氣動驅動或電動機)在大約Irpm的低速下旋轉以防止彎曲轉子。此預防動作需要附加步驟來使發動機停機，這可能被地勤人員忘記。作為備選，渦輪發動機將不會停機，這消耗相對顯著量的燃料。彎曲轉子現象可快到在停機的10分鐘內發生。因此，即使地勤人員采取措施緩慢旋轉發動機，他們也不可足夠快地起作用。
[0009]—旦彎曲轉子狀態存在，則其可自然地持續直至8小時，這是飛行器的非期望長的未操作時間。因此，給定彎曲轉子狀態出現所需相對短時間而其自然平息需要相對長時間，重要的是防止或解決飛行器的正常操作中的彎曲轉子現象。否則，一旦彎曲轉子現象發生，則最常見的當前解決方案在于使帶有啟動機的發動機旋轉延長周期，直到彎曲消失。這可花費幾分鐘，且具有若干非期望的效果。首先，可能存在由穿過飛行器結構承載的轉子振動引起的不舒適的較大客艙噪音。其次，由于使發動機啟動機旋轉所需的大功率下的較長時間，故消耗了飛行器輔助動力單元壽命。第三，增加啟動時間引起機場擁擠，因為飛行器必須在發動機啟動期間仍在滑行道中，阻擋了其它飛行器的移動。第四，如果發動機轉子具有啟動順序的速度范圍中的自然頻率，則上文所述的破壞可發生。這些問題的先前解決方案提出了在大約Irpm的低速下外部旋轉轉子，直到彎曲轉子現象消失，這常常超過半個小時，這是飛行器的操作中的不可接受的停機時間，尤其是商業航班。

【發明內容】

[0010]—種啟動具有至少包括安裝在軸上的壓縮機和渦輪的轉子的燃氣渦輪發動機的方法，其中殼包繞轉子。該方法包括加速階段、加速期間的彎曲轉子冷卻階段、和燃燒階段。彎曲轉子冷卻階段包括其中轉子的轉速保持低于彎曲轉子閾值速度直到滿足非彎曲狀態的時間，其中強制穿過燃氣渦輪發動機的空氣冷卻轉子。燃燒階段在彎曲轉子冷卻階段之后和在其達到燃燒速度后發生，其中燃料供應至啟動的燃氣渦輪發動機。
[0011]本發明的第一技術方案提供了一種啟動具有至少包括安裝在軸上的壓縮機和渦輪的轉子的燃氣渦輪發動機的方法，其中殼包繞轉子，方法包括:加速階段，其中轉子的轉速朝燃燒速度增大以迫使空氣穿過發動機;在加速階段期間的彎曲轉子冷卻階段，其中轉子的轉速保持低于彎曲轉子閾值速度，直到滿足非彎曲轉子狀態，其中強制穿過燃氣渦輪發動機的空氣冷卻轉子；以及在彎曲轉子冷卻階段之后和在達到燃燒速度后的燃燒階段，其中燃料供應至燃氣渦輪發動機且點火啟動。
[0012]本發明的第二技術方案是在第一技術方案中，還包括在燃燒階段之后的空轉階段，其中轉子的轉速加速至空轉速度。
[0013]本發明的第三技術方案是在第一技術方案中，加速階段包括外部旋轉轉子。
[0014]本發明的第四技術方案是在第三技術方案中，外部旋轉轉子包括使用可操作地聯接至轉子的轉動電機系統。
[0015]本發明的第五技術方案是在第一技術方案中，彎曲轉子閾值速度包括非接觸速度，低于該非接觸速度則彎曲轉子不接觸殼。
[0016]本發明的第六技術方案是在第五技術方案中，非接觸速度小于渦輪發動機的自然頻率。
[0017]本發明的第七技術方案是在第一技術方案中，非彎曲轉子狀態包括將轉子的轉速保持在低于彎曲轉子閾值速度達預定時間。
[0018]本發明的第八技術方案是在第七技術方案中，預定時間小于90秒。
[0019]本發明的第九技術方案是在第八技術方案中，將轉子的轉速保持低于閾值速度包括將轉子的轉速保持在基本恒速下。
[0020]本發明的第十技術方案是在第九技術方案中，恒速小于渦輪發動機的自然頻率。
[0021]本發明的第十一技術方案是在第一技術方案中，還包括彎曲轉子冷卻階段期間的保持階段，其中轉子的轉速保持在低于閾值速度的基本恒速下，以保持轉子的轉速低于閾值速度。
[0022]本發明的第十二技術方案是在第十一技術方案中，恒速小于渦輪發動機的自然頻率。
[0023]本發明的第十三技術方案是在第一技術方案中，非彎曲轉子狀態包括轉子的旋轉失衡。
[0024]本發明的第十四技術方案是在第十三技術方案中，還包括感測轉子的旋轉失衡且確定旋轉失衡小于旋轉失衡閾值以滿足非彎曲轉子狀態。
[0025]本發明的第十五技術方案提供了一種啟動具有至少包括安裝在軸上的壓縮機和渦輪的轉子的燃氣渦輪發動機的方法，其中殼包繞轉子，方法包括:加速階段，其中轉子的轉速朝燃燒速度增大以迫使空氣穿過發動機;在加速階段期間的彎曲轉子冷卻階段，其中轉子的轉速保持低于非接觸速度，低于該非接觸速度則彎曲轉子不接觸殼，其中強制穿過燃氣渦輪發動機的空氣冷卻轉子；以及在彎曲轉子冷卻階段之后和在達到燃燒速度后的燃燒階段，其中燃料供應至燃氣渦輪發動機且點火啟動。
[0026]本發明的第十六技術方案是在第十五技術方案中，轉子的轉速保持低于非接觸速度達預定時間。
[0027]本發明的第十七技術方案提供了一種啟動具有至少包括安裝在軸上的壓縮機和渦輪的轉子的燃氣渦輪發動機的方法，其中殼包繞轉子，方法包括:加速階段，其中轉子的轉速朝燃燒速度增大以迫使空氣穿過發動機;在加速階段期間的的燃燒階段，其中燃料供應至燃氣渦輪發動機且點火啟動;在加速階段期間的彎曲轉子狀態監測階段，其中針對彎曲轉子狀態監測轉子；以及在加速階段期間的彎曲轉子冷卻階段，其中在存在彎曲轉子狀態后，轉子的轉速保持低于非接觸速度，低于該非接觸速度則彎曲轉子不接觸殼，以迫使穿過燃氣渦輪發動機的空氣冷卻轉子。
[0028]本發明的第十八技術方案是在第十七技術方案中，轉子的轉速保持低于非接觸速度達預定時間。
[0029]本發明的第十九技術方案是在第十八技術方案中，保持轉子的轉速低于非接觸速度包括將所述轉子的轉速保持在基本恒速下。
[0030]本發明的第二十技術方案是在第十九技術方案中，還包括燃燒階段之后的空轉階段，其中轉子的轉速從燃燒速度加速至空轉速度。
【附圖說明】
[0031 ]圖1為用于飛行器的燃氣渦輪發動機的示意性截面視圖。
[0032]圖2為沒有本發明的正常啟動順序的圖表。
[0033]圖3為正常啟動順序的流程圖。
[0034]圖4為根據本發明的第一實施例的帶有彎曲轉子的啟動順序的圖表。
[0035]零件列表 10發動機
12風扇區段 14壓縮機區段 16燃燒區段 18渦輪區段 20排氣區段 22發動機核心 24殼
26低壓壓縮機 28高壓壓縮機 30高壓渦輪 32低壓渦輪 34第一傳動軸 36第二傳動軸 37旋轉軸線 38風扇 40風扇葉片 42上區段 44下區段 46機艙
50轉動電機系統 100正常啟動順序 102第一加速階段 104燃燒速度 106加速階段 108空轉速度
110飛行機組人員開始啟動
112 FADEC開始自動啟動順序
114 FADEC評估轉動電機系統狀態
116 SAV開啟
118 FADEC監測轉子振動
120點火和燃料啟動
122子模式
200啟動順序
202保持階段。
【具體實施方式】
[0036]圖1示出了用于飛行器的燃氣渦輪發動機10。渦輪發動機10以軸流次序包括風扇區段12、壓縮機區段14、燃燒區段16、渦輪區段18和排氣區段20。壓縮機區段14、燃燒區段16和渦輪區段18共同地限定由殼24包繞的發動機核心22。壓縮機區段包括低壓壓縮機26和高壓壓縮機28。渦輪區段包括高壓渦輪30和低壓渦輪32。第一傳動軸34連接高壓壓縮機28和高壓渦輪30的旋轉元件，大體上是葉片。第二傳動軸同軸地延伸穿過第一傳動軸，且連接低壓壓縮機26和低壓渦輪32的旋轉元件。風扇區段12包括風扇38，風扇38還包括聯接到第二傳動軸36上的風扇葉片40。機艙46可包繞風扇葉片40的一部分。
[0037]共同地，壓縮機區段14和渦輪區段18的旋轉元件連同連接軸稱為轉子R。在一些渦輪發動機中，壓縮機區段14和渦輪區段18僅具有由一個旋轉軸連接的單個壓縮機和渦輪，其將限定發動機轉子。在所示實例中，渦輪發動機10具有低壓和高壓的兩個壓縮機和渦輪，其連同第一傳動軸和第二傳動軸限定轉子R。可存在任何數目的壓縮機和渦輪組合，它們不限制本發明。
[0038]轉動電機系統50設在殼24上，且可操作地聯接到轉子R上。渦輪發動機外的旋轉源可聯接到轉動電機系統50上，以開始轉子的旋轉。此旋轉源的公知實例為渦輪空氣啟動機(未示出)，其并非與本發明密切相關。
[0039]如上文更詳細所述，當渦輪發動機10在以正常操作運行之后停機時，由于熱從殼24的下區段44朝殼24的上區段42自然地上升，故熱在發動機核心22中分層，導致上區段42變得比下區段44更熱。對應地，轉子的上區段Ru將在徑向距離中熱膨脹大于下區段R1的量，導致轉子R的上區段Ru和下區段Ri關于軸34，36的旋轉軸線37的非對稱徑向膨脹。由分層產生的溫差引起的該非對稱徑向膨脹在本行業中稱為彎曲轉子。該問題在于非對稱膨脹引起轉子的質量中心遠離軸34，36的旋轉軸線37沿徑向向上移動，這導致旋轉失衡。
[0040]在特定發動機實例中，由彎曲轉子引起的失衡狀態將引起低于500RPM的振動和/或在發動機10加速時經歷臨界速度。如果存在接近啟動系統能夠產生的最大轉子速度的振動模式(諸如自然頻率)，則某些渦輪發動機10更易受彎曲轉子狀態。對于以上實例，渦輪發動機10的峰值振動模式可處于3500RPM，且最大啟動轉子速度可為4250RPM。由于峰值模式低于最大轉子速度，故如果彎曲轉子狀態存在，在渦輪發動機10通過3500RPM下的峰值模式加速時，高振動和摩擦將發生。
[0041]在渦輪發動機10的正常啟動順序下，帶有彎曲轉子狀態的渦輪發動機10可經歷與彎曲轉子狀態相關聯的振動。這參照圖2最佳看到，其中是渦輪發動機10的正常啟動順序100，圖2代表啟動期間隨時間變化的轉子速度。典型的啟動順序100以第一加速階段102開始，其中轉子R的轉速由外部功率增大，直到其達到燃燒速度104，這是發動機產生用于燃燒的充分壓縮的情況。在達到燃燒速度104后，燃料提供至渦輪發動機，且點火系統開啟以點燃燃料。在第一加速階段102結束的開始燃燒之后，轉子R的轉速在使用發動機生成的動力替代外部動力的第二加速階段106期間增大至空轉速度108。第二加速階段106典型地具有較大的加速率，因為由渦輪發動機生成的動力大于第一加速階段期間由外部功率生成的動力。
[0042]參看圖3，為了實際地實施啟動順序100，在發動機啟動時，飛行機組人員開始在110處使用飛行器的飛行管理系統來開始啟動順序，其將權限轉交給全權數字發動機控制(下文稱為"FADEC")，其在112處執行自動啟動順序。FADEC在114處評估轉動電機50狀態，且在116處開啟啟動機空氣閥("SAV")(在使用渦輪空氣啟動機時)，以供應啟動空氣且開始第一加速階段102。在第一加速階段102期間，FADEC在轉子在118處將速度增大至燃燒速度104時監測一定時間段內的轉子R的振動。一旦燃燒速度104發生且感測到振動低到足以加速至空轉速度108，則在120處開始點火和燃料供應。在該點，FADEC將開始第二加速階段106，且轉子將在108處加速至空轉速度。在到達空轉速度108之后，渦輪發動機然后繼續在空轉階段中在空轉速度108下運轉。如果監測的振動過大(這可表示彎曲轉子狀態)，則SAV將關閉且旋轉將停止，這是很不期望的。
[0043]本發明消除了在此情況下關閉渦輪發動機的需要，且在彎曲轉子狀態存在時采用校正動作。大體上，本發明在啟動順序期間利用了經由渦輪發動機吸入的空氣，以快速冷卻轉子R且在啟動期間減輕彎曲轉子狀態。這在啟動順序期間通過將彎曲轉子冷卻階段的子模式122加至啟動順序來實現，其中轉子在預定彎曲轉子速度閾值以下旋轉，防止了對轉子的破壞，直到滿足非彎曲轉子狀態。非彎曲轉子狀態可為足以確保經由渦輪發動機吸入的空氣提供足夠的冷卻來為了安全操作充分緩解彎曲轉子狀態的預定旋轉時間，或其可為發動機參數，諸如轉子的溫度或轉子的失衡。
[0044]圖4示出了彎曲轉子冷卻階段子模式的一個實施例，其中經由渦輪發動機吸入的空氣用于冷卻轉子且減輕彎曲轉子狀態。圖4的啟動順序200通過將保持階段202形式的彎曲轉子冷卻階段加至圖3的啟動順序的第一加速階段102來執行本發明。在此意義上，除添加保持階段202之外，啟動順序200類似于啟動順序100。因此，啟動順序100的之前的描述適用于啟動順序200。簡言之，將描述僅關于附加保持階段202的方面。
[0045]在第一加速階段102期間，如果FADEC確定表現彎曲轉子狀態的失衡，則FADEC開始保持階段202形式的彎曲轉子冷卻階段，而不是使渦輪發動機停機，冷卻階段包括暫時中止轉子R的加速度且使轉子R在基本恒速下旋轉，直到彎曲轉子狀態減輕，諸如通過滿足非彎曲轉子狀態，諸如非彎曲轉子閾值。在減輕彎曲轉子狀態后，第一加速階段102繼續，且啟動順序200以與啟動順序100相同的方式完成。
[0046]若干非彎曲轉子閾值可用于確定彎曲轉子狀態的緩解。一個非彎曲轉子閾值在于操作保持階段202達預定時間，這可為由測試確定的時間，其對于在保持速度下旋轉的特定轉子R足以充分冷卻來消除彎曲轉子狀態。另一個非彎曲轉子閾值為在保持階段期間感測轉子失衡的FADEC。在轉子冷卻時，轉子內的膨脹不一致消失，這減少了由FADEC感測到的失衡的量。一旦失衡量降低到給定渦輪發動機的可接受的閾值以下，則FADEC將終止保持階段202且恢復第一加速階段102。當失衡量大體上關于給定速度下的振動的大小時，FADEC可使用運動傳感器輸入，其表示確定失衡程度的振動。另一非彎曲轉子閾值為監測轉子的一個或更多個部分的溫度。當溫度在彼此的預定范圍內或低于絕對閾值時，FADEC可確定彎曲轉子狀態緩解且恢復第一加速階段102。溫度可由接收轉子、殼和/或殼內部的一個或更多個部分的溫度傳感器輸入的FADEC確定。前述非彎曲轉子閾值可單獨地使用或以任何組合使用。其它非彎曲轉子閾值也可單獨使用或與上文所述的那些組合使用。
[0047]應當注意的是，盡管僅示出了一個保持階段202，但可構想出可使用多個保持階段202。如果在第一保持階段202完成之后且第一加速階段正完成時，FADEC確定表現彎曲轉子狀態的失衡，則可進入另一個保持階段202。可增加如需要那樣多的保持階段。這將導致第一加速階段的階梯狀輪廓，其中階梯的上升為第一加速階段102的一部分，且運行為保持階段202，其中保持階段202將可能但不一定具有連續增大的轉速。
[0048]盡管保持階段202示為在第一加速階段102期間，但將注意的是，保持階段202可應用于啟動順序200的任何階段，包括第二加速階段106。保持階段202示為在第一加速階段102，這是轉子速度可能低于彎曲轉子閾值速度的階段，其中其不利于渦輪發動機使帶有彎曲轉子狀態的轉子旋轉。然而，取決于渦輪發動機，彎曲轉子閾值速度可在第二加速階段106期間發生。彎曲轉子閾值速度取決于轉子的振動模式和/或轉子R與包繞的殼24之間的空隙。在大多數情況下，由于振動與歸因于彎曲轉子狀態的當前失衡相關聯，故彎曲轉子閾值速度為低于轉子R將接觸殼24的一部分所處的速度的速度。
[0049]還應當注意的是，盡管彎曲轉子冷卻階段示為具有恒速的保持階段202，但這不一定是此情況。例如，彎曲轉子冷卻階段可僅使用比第一加速階段102慢得多的加速率。保持階段202期間的目標在于向轉子R提供足夠的時間來充分地冷卻，以在轉子R的轉速達到對應失衡的彎曲轉子閾值速度之前消除彎曲轉子狀態。當彎曲轉子狀態緩解時，對應的彎曲轉子閾值速度將必須增大，因為轉子R在其冷卻時連續地縮小，導致了可歸因于彎曲轉子狀態的轉子R的失衡的連續減少。
[0050]彎曲轉子冷卻階段還可為加速步驟和加速步驟的組合，其中加速繼續，直到FADEC確定非期望的失衡，且然后轉子略微減速。在經過預定時間且/或滿足另一非彎曲狀態閾值之后，轉子R將再次加速，直到遇到不可接受的失衡。加速/減速將繼續，直到緩解失衡。
[0051]本書面描述使用了實例來公開包括最佳模式的本發明，且使本領域的任何技術人員能夠實施本發明，包括制作和使用任何裝置或系統，且執行任何并入的方法。本發明的專利范圍由權利要求限定，且可包括本領域的技術人員想到的其它實例。如果這些其它實例具有并非不同于權利要求的書面語言的結構元件，或如果這些其它實例包括與權利要求的書面語言無實質差別的等同結構元件，則這些其它實例將在權利要求的范圍內。
【主權項】
1.一種啟動具有至少包括安裝在軸(14)上的壓縮機(16)和渦輪(18)的轉子(12)的燃氣渦輪發動機(1)的方法，其中殼(20)包繞所述轉子(12)，所述方法包括: 加速階段(106)，其中所述轉子(12)的轉速朝燃燒速度(104)增大以迫使空氣穿過所述發動機(10); 在所述加速階段(106)期間的彎曲轉子冷卻階段，其中所述轉子(12)的轉速保持低于彎曲轉子閾值速度，直到滿足非彎曲轉子狀態，其中強制穿過所述燃氣渦輪發動機(10)的所述空氣冷卻所述轉子(12);以及 在所述彎曲轉子冷卻階段之后和在達到所述燃燒速度(104)后的燃燒階段，其中燃料供應至所述燃氣渦輪發動機(1)且點火(120)啟動。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在所述燃燒階段之后的空轉階段，其中所述轉子(12)的轉速加速至空轉速度。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述加速階段包括外部旋轉所述轉子(⑵。4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，外部旋轉所述轉子(12)包括使用可操作地聯接至所述轉子(12)的轉動電機系統(50)。5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述彎曲轉子閾值速度包括非接觸速度，低于該非接觸速度則彎曲轉子不接觸所述殼(24)。6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述非接觸速度小于所述渦輪發動機(10)的自然頻率。7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述非彎曲轉子狀態包括將所述轉子(12)的轉速保持在低于所述彎曲轉子閾值速度達預定時間。8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述預定時間小于90秒。9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，將所述轉子(12)的轉速保持低于所述閾值速度包括將所述轉子(12)的轉速保持在基本恒速下。10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述恒速小于所述渦輪發動機(10)的自然頻率。
【文檔編號】F02C9/00GK105863848SQ201610058357
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月28日
【發明人】S.A.羅斯, M.E.林斯, J.D.賈雷特三世
【申請人】通用電氣公司