用于燃氣渦輪發動機的調制混合可變面積渦輪噴嘴的制作方法

本主題大體上涉及燃氣渦輪發動機，且更具體地涉及用于燃氣渦輪發動機的調制混合可變面積渦輪機噴嘴(modulatedhybridvariableareaturbinenozzles)。

背景技術：

燃氣渦輪發動機以串行流順序大體上包含壓縮機區段、燃燒區段、渦輪區段和排氣區段。在操作中，空氣進入壓縮機區段的入口，其中一個或多個軸向或離心式壓縮機逐漸壓縮空氣，直到其到達燃燒區段。燃料與壓縮空氣混合并在燃燒區段內燃燒以提供燃燒氣體。燃燒氣體從燃燒區段經過限定在渦輪區段內的熱氣體路徑，然后經由排氣段從渦輪區段排出。

在特定配置中，渦輪區段以串行流順序包含高壓(hp)渦輪和低壓(lp)渦輪。hp渦輪和lp渦輪各自包含各種可旋轉渦輪機部件(例如渦輪機轉子葉片(rotorblade)，轉子盤和保持器)以及各種固定渦輪機部件(例如定子靜葉(vane)或噴嘴，渦輪機護罩和發動機框架)。可旋轉和固定的渦輪機部件至少部分地限定通過渦輪區段的熱氣體路徑。當燃燒氣體流過熱氣體路徑時，能量從燃燒氣體傳遞到可旋轉和固定的渦輪機部件。

考慮到在其中操作的嚴重的溫度和高壓負載環境，典型渦輪噴嘴(例如高壓和低壓渦輪噴嘴)具有固定的靜葉配置和其間的固定的噴嘴喉部區域。相鄰噴嘴靜葉之間的喉部面積必須精確地保持以使發動機的性能最大化，然而熱環境需要將渦輪噴嘴制造在周向段中，以減少操作期間的熱應力。因此，噴嘴區段需要適當的段間密封以減少不期望的流量泄漏，這會進一步使渦輪噴嘴設計復雜化。

正在開發可變循環發動機，用于在亞音速和超音速飛行條件下最大化性能和效率。盡管期望通過調節喉部面積來獲得通過渦輪噴嘴的可變流量，但是鑒于噴嘴的嚴重操作環境，先前的嘗試被證明是不切實際的。例如，通常通過將每個靜葉安裝在徑向主軸上并且使用環形協調環來共同地旋轉每排壓縮機靜葉，以提供壓縮機定子靜葉中的可變性，該環形協調環附接相應的杠桿臂，而相應的杠桿臂與每個主軸連接。以這種方式，通過需要適當的轂和尖端間隙以允許靜葉樞轉，整個壓縮機靜葉圍繞徑向軸線旋轉或樞轉。

將可變壓縮機配置應用于渦輪噴嘴，在機械實施以及空氣動力學性能方面都具有顯著的缺點。浸入來自燃燒器的熱燃燒氣體中的渦輪噴嘴的嚴重溫度環境通常需要對各個靜葉進行適當的冷卻，其具有通過各種部件的相應的大溫差梯度。可樞轉的噴嘴靜葉增加設計難度，并且還導致需要對轂和尖端間隙進行適當的密封，因為燃燒氣體通過其中的任何泄漏對發動機性能和效率產生不利影響，這否定了所引入的變化的有效性。

此外，噴嘴靜葉在操作期間經受來自燃燒氣體的實質上的氣動力學負載，并且鑒于靜葉的翼型配置，實質的負載不平衡是由于各個靜葉的旋轉中心(center-of-rotation)偏離空氣動力的壓力中心(center-of-pressure)導致的。這種不平衡向上驅動所需要的驅動扭矩負載，并將整個噴嘴靜葉的彎曲載荷增加到不可接受的水平。

考慮到噴嘴區段之間的增加的自由度，這種可調節的噴嘴靜葉必然減少噴嘴區段的結構完整性和耐用性。并且，各個噴嘴靜葉的角度樞轉直接對應于與其連接的致動桿臂的角度樞轉，這使得難以實現有效可變循環操作所需要的喉部面積的相對小的變化。

因此，期望具有可變面積渦輪噴嘴，其具有改進的構造和致動，以改善燃氣渦輪發動機在操作期間的耐用性和性能。

技術實現要素：

本發明的方面和優勢將在下文的描述中加以闡明，或者與所描述有所不同，或通過實施本發明來知悉。

一方面，本發明涉及具有可變面積渦輪噴嘴和控制器的可變面積渦輪噴嘴系統。可變面積渦輪噴嘴包含至少一個噴嘴區段，該噴嘴區段具有外部和內部間隔帶以及在帶之間延伸并且彼此間隔開以限定用于引導燃燒氣體穿過其中的、具有最小流動面積的喉部的多個靜葉。每個靜葉還包含固定地連接到帶的第一靜葉區段和與第一靜葉區段設置在一起的第二靜葉區段。此外，每個靜葉還包含用于使第二靜葉區段相對于第一靜葉區段樞轉以便改變喉部面積的第一致動系統。此外，噴嘴靜葉子集(asubsetofthevanes)還包含配置有第一靜葉區段和第二靜葉區段的后緣區段，用于相對于第一靜葉區段和第二靜葉區段樞轉后緣的第二致動系統。因此，配置控制器以控制第一致動系統和第二致動系統。

另一方面，本發明涉及可變面積渦輪噴嘴區段。噴嘴區段包含外部和內部間隔帶，以及彼此間隔開以限定用于引導燃燒氣體穿過其中的、具有最小流動面積的喉部的多個靜葉。每個靜葉包含在帶間延伸并且固定地與其連接的第一靜葉區段和與第一靜葉區段設置在一起的第二靜葉區段。每個靜葉還包含用于使第二靜葉區段相對于第一靜葉區段樞轉以便改變喉部面積的第一致動系統。此外，靜葉子集還包含配置有第一靜葉區段和第二靜葉區段的后緣區，用于相對于第一靜葉區段和第二靜葉區段樞轉后緣的第二致動系統。應了解，可變面積渦輪噴嘴區段可進一步包含如本文所述的任何附加特征。

再另一方面，本發明涉及可變面積渦輪噴嘴，例如用于燃氣渦輪發動機。所述可變面積渦輪噴嘴包含固定的第一靜葉區段、與第一靜葉區段設置在一起的、旋轉的第二靜葉區段以及與第一靜葉區段和第二靜葉區段配置在一起的后緣區段。噴嘴還包含用于使第二靜葉段相對于第一靜葉區段樞轉的第一致動系統和用于使后緣相對于第一靜葉區段和第二靜葉區段樞轉的第二致動系統。應了解，可變面積渦輪噴嘴可進一步包含如本文所述的任何附加特征。

技術方案1：可變面積渦輪噴嘴系統，包括：

可變面積渦輪噴嘴，其包括至少一個噴嘴區段，所述噴嘴區段包括：

外部和內部間隔帶，

多個靜葉，其彼此間隔開以限定用于引導燃燒氣體穿過其中的、具有最小流動面積的喉部，每個靜葉包括：

第一靜葉區段，其在所述帶之間延伸并固定地連接到所述帶，

第二靜葉區段，其與第一靜葉區段設置在一起，以及

第一致動系統，其用于使所述第二靜葉區段相對于所述第一靜葉區段樞轉，以改變所述喉部面積；

其中，所述靜葉的子集還包括：

與所述第一靜葉區段和第二靜葉區段配置的后緣區段，以及

第二致動系統，其用于相對于所述第一靜葉區段和第二靜葉區段樞轉所述后緣，以及

控制器，其配置用于控制所述第一致動系統和第二致動系統。

技術方案2：根據技術方案1所述的噴嘴系統，其中，具有后緣區段的靜葉以預定的交替、周向的構造而安裝到所述帶，所述靜葉沒有后緣區段。

技術方案3：根據技術方案1所述的噴嘴系統，其中，所述控制器配置為單獨地控制所述第一致動系統和第二致動系統。

技術方案4：根據技術方案1所述的噴嘴系統，其中，所述控制器配置為基于預定計劃一起控制所述第一致動系統和第二致動系統。

技術方案5：根據技術方案1所述的噴嘴系統，其中，所述控制器進一步配置為根據預定溫度范圍來控制所述第一致動系統和第二致動系統。

技術方案6：根據技術方案1所述的噴嘴系統，其中，所述第一致動系統包括兩個鉸鏈接頭和兩個致動接頭，所述兩個鉸鏈接頭和兩個致動接頭與所述第一靜葉區段和第二靜葉區段的對應對連接在一起。

技術方案7：根據技術方案6所述的噴嘴系統，其中，所述致動接頭設置為鄰近所述喉部。

技術方案8：根據技術方案6所述的噴嘴系統，其中，所述第一致動系統進一步包括：

鉸鏈管，其在其一端固定地連接到所述第二靜葉區段中的對應各個，以與所述第一靜葉區段的互補底座限定鉸鏈間隙；

鉸鏈銷，其延伸穿過所述帶和所述鉸鏈管中的對應各個，以將所述第二靜葉區段安裝到所述第一靜葉區段，用于樞轉運動；以及

對應的凸輪軸，其延伸穿過每個靜葉的兩個致動接頭，所述凸輪軸可旋轉以圍繞所述鉸鏈接頭樞轉所述第二靜葉區段。

技術方案9：根據技術方案8所述的噴嘴系統，其中，所述第二致動系統設置成鄰近所述鉸鏈接頭中的至少一個。

技術方案10：根據技術方案1所述的噴嘴系統，其中，所述第二致動系統包括：

鉸鏈管，其在其一端固定地連接到所述第一靜葉區段和第二靜葉區段中的對應各個；以及

鉸鏈銷，其延伸穿過所述帶和所述鉸鏈管中的對應各個，以將所述后緣區段安裝到所述第一靜葉區段和第二靜葉區段，用于樞轉運動。

技術方案11：可變面積渦輪噴嘴區段，包括：

外部和內部間隔帶；

多個靜葉，其彼此間隔開以限定用于引導燃燒氣體穿過其中的、具有最小流動面積的喉部，每個靜葉包括：

第一靜葉區段，其在所述帶之間延伸并固定地連接到所述帶，

第二靜葉區段，其與第一靜葉區段設置在一起，以及

第一致動系統，其用于使所述第二靜葉區段相對于所述第一靜葉區段樞轉，以改變所述喉部面積，

其中所述靜葉的子集還包括：

后緣區段，其與第一靜葉區段和第二靜葉區段一起配置，以及

第二致動系統，其用于相對于所述第一靜葉區段和第二靜葉區段樞轉所述后緣。

技術方案12：根據技術方案11所述的噴嘴區段，其中，具有后緣部分的靜葉以預定的交替、周向的構造而安裝到所述帶，所述靜葉沒有后緣區段。

技術方案13：根據技術方案11所述的噴嘴區段，其中所述第一致動系統進一步包括：

鉸鏈管，其在其一端固定地連接到所述第二靜葉區段中的對應各個，以與所述第一靜葉區段的互補底座限定鉸鏈間隙；

鉸鏈銷，其延伸穿過所述帶和所述鉸鏈管中的對應各個，以將所述第二靜葉區段安裝到所述第一靜葉區段，用于樞轉運動；以及

對應的凸輪軸，其延伸穿過每個靜葉的兩個致動接頭，所述凸輪軸可旋轉以圍繞所述兩個鉸鏈接頭樞轉所述第二靜葉區段。

技術方案14：根據技術方案13所述的噴嘴區段，其中，所述第二致動系統設置成鄰近所述鉸鏈接頭中的至少一個。

技術方案15：根據技術方案11所述的噴嘴區段，其中，所述第二致動系統包括：

鉸鏈管，其在其一端固定地連接到所述第一靜葉區段和第二靜葉區段中的對應各個；以及

鉸鏈銷，其延伸穿過所述帶和所述鉸鏈管中的對應各個，以將所述后緣區段安裝到所述第一靜葉區段和第二靜葉區段，用于樞轉運動。

技術方案16：可變面積渦輪噴嘴，包括：

固定的第一靜葉區段；

可旋轉的第二靜葉區段，其與所述第一靜葉區段設置以限定相應靜葉；

可旋轉的后緣區段，其與所述第一靜葉區段和第二靜葉區段配置；

第一致動系統，用于相對于所述第一靜葉區段樞轉第二靜葉區段；以及

第二致動系統，用于相對于所述第一靜葉區段和第二靜葉區段樞轉所述后緣。

技術方案17：根據技術方案16所述的可變面積渦輪噴嘴，其中，所述第一致動系統包含兩個鉸鏈接頭和兩個致動接頭，所述兩個鉸鏈接頭和兩個致動接頭一起接合所述第一靜葉區段和第二靜葉區段的對應對。

技術方案18：根據技術方案17所述的可變面積渦輪噴嘴，其中，所述第一致動系統進一步包括：

鉸鏈管，其在其一端固定地連接到所述第二靜葉區段中的對應各個，以與所述第一靜葉區段的互補底座限定鉸鏈間隙；

鉸鏈銷，其延伸穿過所述帶和所述鉸鏈管中的對應各個，以將所述第二靜葉區段安裝到所述第一靜葉區段，用于樞轉運動；以及

對應的凸輪軸，其延伸穿過每個靜葉的兩個致動接頭，所述凸輪軸可旋轉以圍繞所述兩個鉸鏈接頭樞轉所述第二靜葉區段。

技術方案19：根據技術方案16所述的可變面積渦輪噴嘴，其中，所述第二致動系統設置成鄰近所述鉸鏈接頭中的至少一個。

技術方案20：根據技術方案16所述的可變面積渦輪噴嘴，其中，所述第二致動系統包括：

鉸鏈管，其在其一端固定地連接到所述第一靜葉區段和第二靜葉區段中的對應各個，以及

鉸鏈銷，其延伸穿過所述帶和所述鉸鏈管中的對應各個，以將所述后緣區段安裝到所述第一靜葉區段和第二靜葉區段，用于樞轉運動。

參考以下具體說明和所附權利要求書可以更深入地了解本發明的這些以及其他特點、方面和優點。附圖并入本說明書并構成本說明書的一部分，所述附圖圖示了本發明的各實施例，并與具體說明一起解釋本發明的原理。

附圖說明

本說明書參考附圖，針對所屬領域一般技術人員，完整且可實現地詳細公開了本發明，包含其最佳模式，其中：

圖1所示為根據本發明的燃氣渦輪發動機的一個實施例的示意性橫截面圖；

圖2所示為根據本發明的示例性實施例的具有可變面積噴嘴區段的示例性燃氣渦輪發動機渦輪噴嘴的一部分的部分分解等軸測視圖；

圖3所示為圖2所示的示例性噴嘴區段之一的頂部截面圖，并大體上沿線3-3截取，以示出用于在其間實現可變面積喉部的兩個鄰接的噴嘴靜葉；

圖4所示為圖2所示的可變面積渦輪噴嘴靜葉之一的部分截面正視圖，并大體沿線4-4截取；

圖5所示為圖2所示的示例性可變面積渦輪噴嘴靜葉之一的放大截面圖；

圖6所示為形成在如圖5所示的、標記為6的圓內噴嘴靜葉的固定區段和可動區段之間的鉸鏈間隙的放大截面圖；

圖7所示為圖2所示的示例性可變面積渦輪噴嘴靜葉之另一個的放大截面圖；且

圖8所示為根據本發明可包含在控制器內的各種部件的實施例的方塊圖。

具體實施方式

現在將詳細闡述本發明的各實施例，附圖中所示為本發明實施例的一個或多個示例。每個實施例是通過本發明的解釋而提供的，而不是對本發明的限制。事實上，對于所屬領域的技術人員來說將顯而易見的是，可以在不脫離本發明的范圍或精神的情況下對本發明做出各種修改和變化。例如，作為一個實施例的一部分進行說明或描述的特征可與其他實施例使用，從而得到另一個實施例。因此，本發明應涵蓋在所附權利要求書及其等效物的范圍內的此類修改和變化。

本專利申請文件所用的術語“第一”、“第二”以及“第三”可以互換使用以區分不同部件，并且這些術語并不旨在表示各個部件的位置或重要性。

術語“上游”和“下游”是指相對于流體通路中的流體流動的相對方向。例如，“上游”是指流體流自方向，以及“下游”是指流體流向方向。

1997年8月28日提交的名稱為“variableareaturbinenozzle”的美國專利號5,931,636描述具有多個周向鄰接的噴嘴區段的可變面積渦輪噴嘴，其全部內容通過引用并入本文。

大體上，本發明涉及可變面積渦輪噴嘴和相應的控制器。可變面積渦輪噴嘴包含至少一個噴嘴區段，該噴嘴區段具有外部和內部間隔帶以及彼此間隔開以限定用于引導燃燒氣體穿過其中的、具有最小流動面積的喉部的多個靜葉。每個靜葉至少包含在帶間延伸并且固定地與其接合的第一靜葉區段和與第一靜葉區段設置在一起的第二靜葉區段。靜葉還包含用于使第二靜葉區段相對于第一靜葉區段樞轉以便改變喉部面積的第一致動系統。此外，靜葉子集還包含配置有第一靜葉區段和第二靜葉區段的后緣區段以及用于相對于第一靜葉區段和第二靜葉區段樞轉后緣的第二致動系統。因此，控制器被配置用于單獨地或一起控制第一致動系統和第二致動系統。

本發明提供現有技術中不存在的各種優點。例如，可以通過使用兩個單獨的致動系統來調節和定制渦輪機流動面積變化。因此，本發明最小化渦輪機流動面積中的中等和大變化期間對渦輪機效率的懲罰(penalty)。

現在參考附圖，圖1所示為根據本發明的燃氣渦輪發動機10(高旁通型)的實施例的示意性橫截面圖。更具體地，燃氣渦輪發動機10可包含航空發動機，例如飛機、直升機或類似物。如圖所示，燃氣渦輪發動機10具有用于參考目的的穿過其的軸向縱向中心線軸線12。此外，如圖所示，燃氣渦輪發動機10較佳地包含通常由參考號14標識的核心燃氣渦輪發動機和位于其上游的風扇部分16。核心發動機14通常包含限定環形入口20的管狀外殼18。外殼18進一步圍繞并支撐增壓器22，用于將進入核心發動機14的空氣的壓力升高到第一壓力水平。高壓多級軸流式壓縮機24接收來自增壓器22的加壓空氣，并進一步增加空氣的壓力。壓縮機24包含旋轉葉片和固定靜葉，其具有引導和壓縮渦輪發動機10內的空氣的功能。加壓空氣流到燃燒器26，此處燃料被噴射到加壓空氣流中并被點燃以升高加壓空氣的溫度和能量水平。高能燃燒產物從燃燒器26流到第一(高壓)渦輪機28，其用于通過第一(高壓)驅動軸30驅動高壓壓縮機24，然后到第二(低壓)渦輪機32，其用于通過與第一驅動軸30同軸的第二(低壓)驅動軸34驅動增壓器22和風扇部分16。此外，如圖所示，第一渦輪機28和第二渦輪機32各自具有多個旋轉葉片和固定靜葉43。在驅動每個渦輪機28和渦輪機32之后，燃燒產物通過排氣噴嘴36離開核心發動機14，以提供發動機10的噴射推進推力的至少一部分。

風扇部分16包含由環形風扇殼體40包圍的可旋轉的軸流風扇轉子38。應理解，風扇殼體40由從核心發動機14通過多個大致上徑向延伸的、周向間隔出口導葉42支撐。以這種方式，風扇殼體40圍繞風扇轉子38和風扇轉子葉片44。風扇殼體40的下游部分46在核心發動機14的外部上方延伸以限定提供附加的噴射推進推力的次級或旁路氣流導管48。

從流動觀點來看，應理解，由箭頭50表示的初始氣流通過由風扇殼體40形成的入口52進入燃氣渦輪發動機10。氣流穿過風扇葉片44并分裂成移動通過導管48的第一空氣流(由箭頭54表示)和進入增壓器22的第二空氣流(由箭頭56表示)。

第二壓縮空氣流56的壓力增加并且進入高壓壓縮機24，如箭頭58所示。在與燃料混合并在燃燒器26中燃燒之后，燃燒產物60離開燃燒器26并流過第一渦輪機28。燃燒產物60然后流過第二渦輪機32并離開排氣噴嘴36以提供用于燃氣渦輪發動機10的推力的至少一部分。

仍參考圖1，燃燒器26包含與縱向中心線軸線12同軸的環形燃燒室62，以及入口64和出口66。如上所述，燃燒器26從高壓壓縮機排放出口69接收加壓空氣的環形流。該壓縮機排放空氣的一部分流入混合器(未示出)。燃料從一個或多個燃料噴嘴80噴射以與空氣混合并形成燃料-空氣混合物以提供給燃燒室62用于燃燒。燃料-空氣混合物的點燃通過適當的點火器實現，并且所產生的燃燒氣體60沿軸向方向流向并進入環形的第一級渦輪噴嘴72。渦輪噴嘴72由環形流動通道限定，該環形流動通道包含多個徑向延伸的、周向間隔的噴嘴靜葉74，其使氣體轉向，使得它們成角度地流動并沖擊到第一渦輪機28的第一級渦輪機葉片上。如圖1所示，第一渦輪28較佳地經由第一驅動軸30旋轉高壓壓縮機24，而低壓渦輪32較佳地經由第二驅動軸34驅動增壓器22和風扇轉子38。

現參考圖2，環形可變面積渦輪噴嘴100的一部分配置為高壓渦輪噴嘴，例如，用于如圖1所示的第一渦輪機28。如圖所示，將噴嘴100配置成用于提供可變面積以選擇性地控制燃燒氣體112從燃燒器26到高壓渦輪機28的轉子葉片的流動。可變面積渦輪噴嘴100也可稱為受控面積渦輪噴嘴(catn)。

考慮到渦輪噴嘴100的嚴重的溫度環境以及由此所適應的實質上的空氣動力和熱負荷，噴嘴100被配置成多個周向鄰接的噴嘴區段114，其共同形成圍繞發動機10中心線軸線12的完整的環形圈(圖1)。此外，每個噴嘴區段114包含彼此徑向間隔的弓形外帶116和弓形內帶118。周向相鄰的帶限定分裂線120，其使相鄰的噴嘴區段114彼此熱解耦(uncouple)，并且需要使用例如花鍵密封件在其之間的常規密封。

此外，如圖所示，每個噴嘴區段114較佳地包含在外部帶116和內部帶118之間徑向或縱向延伸的、多個周向間隔的第一或固定靜葉區段122，所述第一或固定靜葉段固定地或一體地連接到其上。在圖2所示的實施例中，例如，兩個第一靜葉區段122連接到共同的外帶116和內帶118，并且提供剛性結構組件以用于在操作期間適應熱和空氣動力學負載，同時提供用于精確地實現如下所述的優選流動面積的固定參考。對于靜葉的一部分，多個可樞轉或第二靜葉區段124周向地鄰接第一靜葉區段122的對應的區段，以與其一起限定對應的兩段式靜葉，如圖3和圖5更具體地所示。在該示例性實施例中，每個第一靜葉區段122在空氣動力學上被常規地配置用于限定在前緣122b和后緣122c之間延伸的凹形或壓力側壁122a。

相應地，每個第二靜葉區段124在空氣動力學上被配置成限定在第一或前端124b和沿著靜葉的弦軸間隔的第二或后端124c之間延伸的凸形或吸入側壁124a的一部分。例如，如圖3所示(尤其是指右側噴嘴)，第二端124c僅在前緣122b和后緣122c之間延伸部分弦，第二靜葉區段124的側壁124a僅限定靜葉吸入側的一部分。靜葉吸入側的剩余部分由從后緣122c延伸的第一靜葉區段122的相應吸入側壁122d限定。

以這種方式，在前緣122b和后緣122c之間的兩個第一靜葉區段122整體地固定地連接到外帶116和內帶118，以產生四件式剛性箱結構，第二靜葉區段124適當地、樞轉地附接到該四件式剛性箱結構上。這種盒結構為每個噴嘴區段114提供結構剛性，而在其中沒有任何不期望的分裂線。分裂線120以其它常規方式單獨安裝在相鄰的噴嘴區段114之間，用于適應操作期間的不同的熱生長。第一靜葉區段122的安裝設置還提供沿著前緣122b和后緣122c之間的整個壓力側壁122a的固有密封，以防止燃燒氣體通過各個靜葉不期望的橫向流動。

在一些附加實施例中，如圖3和圖7所示，靜葉還可有具有多于兩個區段的多段式配置。更具體地，如圖所示，靜葉可包含第一靜葉段區122、第二靜葉區段124和至少第三或后緣段區125。因此，在某些實施例中，靜葉子集可具有兩段式配置(圖3，右靜葉)，而靜葉的另一子集可具有三段式或更多配置，其具有至少附加的后緣區段125(圖3，左靜葉)，其配置有第一靜葉區段122和第二靜葉區段124。另外，如圖3所示，具有后緣區段125(左靜葉)的靜葉可以以具有靜葉而沒有后緣區段(右靜葉)的交替周向配置的方式而安裝到帶116和帶118。因此，應了解，可使用任何適當的安裝模式，以使得至少兩個不同的可變面積渦輪噴嘴幾何形狀以預定模式周向設置。

此外，如圖3所示，靜葉彼此周向地間隔開以限定用于引導燃燒氣體的、具有最小流動面積的相應喉部126，燃燒氣體接著由渦輪機轉子葉片接收，進而以常規方式從其中提取能量。每個喉部126由一個靜葉的后緣122c和相鄰靜葉的吸入側壁124a上的相應位置之間的最小距離限定。

參考圖3-4和圖7，每個靜葉還包含第一致動系統128，用于使每個第二靜葉區段124相對于其協作的第一靜葉區段122樞轉，以選擇性地改變幾個靜葉之間的各個喉部面積126。由于第一靜葉區段122和帶116及帶118提供剛性結構，第二靜葉區段124可相對簡單地被安裝到其上，以用于樞轉運動而提供受控的可變面積能力。然而，必須安裝各個第二靜葉區段124以在操作期間適應實質上的熱和空氣動力學負載，而沒有不期望的變形，這可能不利地影響它們的運動，并且不會不利地影響喉部區域126的精確控制。另外，如圖3和圖7示，具有附加后緣區段125的靜葉子集還可包含用于使后緣區段125相對于第一靜葉區段122和第二靜葉區段124樞轉的第二致動系統138。

在一個實施例中，如圖2-3、圖5和圖7所示，第一致動系統128可含兩個鉸鏈接頭和兩個致動接頭，其將第一靜葉區段122和第二靜葉區段124的對應的對連接在一起。更具體地，如圖2和圖3所示，第一致動系統128較佳地包含相應的鉸鏈管128a，其在后端124c處內側上與第二靜葉段區124的對應一個一體地或固定地連接，并且限定具有在第一靜葉段122中一體形成的互補鉸鏈座122e的徑向或縱向鉸鏈間隙130a。相應的細長鉸鏈銷128b徑向延伸穿過外帶116和內帶118中的相應孔以及鉸鏈管128a中的對應一個，以將每個第二靜葉段區124樞轉地安裝到對應的第一靜葉區段122，以擺門(swingingdoor)的方式用于相對于其的樞轉運動。對應的致動凸輪軸128c徑向地延伸穿過外帶116和內帶118中的相應的孔，并且可操作地連接到第二靜葉區段124中對應一個，以樞轉地調節第二靜葉區段而改變喉道面積126。

凸輪軸128c可采取各種配置以與相應的第二靜葉區段124的內部協作以用于其樞轉。例如，尤其如圖4所示，每個第二靜葉區段124較佳地包含一體地或固定地連接到其內部的一對縱向或徑向間隔凸輪凸耳(lug)128d。如圖3更清楚地所示，每個凸耳128d包含橢圓形槽128e。

相應地，凸輪軸128c包含徑向偏置的圓柱形凸輪或凸角，其以緊密的側向配合方式延伸穿過兩個凸耳槽128e，以使第二靜葉區段124在膨脹位置和收縮位置之間樞轉，以便當凸輪軸128c旋轉時相應地減少和增加喉部126的流動面積。例如，圖3所示為樞轉到最大擴張或打開位置的第二靜葉區段124，其進而最小化或關閉喉部126的流動面積。如圖5所示，第二靜葉區段124樞轉到其收縮或關閉位置以最大化或打開喉部126的流動面積。

圖2和圖4所示為凸輪軸128c的一個實施例。如圖所示，凸輪軸128c的中間部分限定與凸耳128d接合的圓柱形凸輪凸角(lobe)，凸輪軸128c的外端和內端具有終止于具有徑向偏移量a的襯套的適當的輕推部件(jogs)。襯套接合互補孔在外帶和內帶中用于圍繞徑向旋轉軸線旋轉，其中凸輪的中心線軸線偏離半徑a。凸輪軸128c的外端適當連接到常規桿128f，進而以類似于常規壓縮機定子靜葉靜葉的致動方式加入到環形協調環128g。適當的致動器(未示出)使協調環128g圍繞發動機的中心線軸線旋轉，進而使旋轉對應的凸輪軸128c的杠桿128f旋轉。如圖3和圖4所示的凸輪軸128c的偏移a引起相對的第一靜葉區段122和第二靜葉區段124之間的橫向相對運動，以實現其間的相對膨脹和收縮。

參考圖3，凸輪軸128c可通過其最大橫向位移從第一靜葉區段122旋轉，以將第二靜葉區段124定位在其最大擴展位置，以修改最小喉部面積。此外，如圖所示，凸耳橢圓形槽128e具有平行的平坦側壁，其限定其間的最小長度的短軸，并且半圓形相對側壁在其間限定最大長度的長軸。短軸被較佳地配備在大致上平行于相鄰喉部126的平面，其中長軸基本上平行于位于最大膨脹位置處在第一靜葉區段122的前緣122b和后緣122c之間延伸的弦線。在圖3所示的最大膨脹位置，凸輪軸128c可順時針旋轉整個90°，例如，用于收縮第二靜葉區段124。

該設置的顯著益處是由凸輪軸128c提供的機械優點，以及與其非常精細的角度調整功能。例如，凸輪軸在第二靜葉區段124的膨脹和收縮位置之間的90°旋轉可對應于第二靜葉區段124繞鉸鏈銷128b的僅約9°的旋轉。在從最大膨脹位置的初始行程中，可以獲得第二靜葉區段124的大致小于0.5°的旋轉，其中凸輪軸128c的旋轉高達大約20°，相應的減少比率大于大約40倍。在行程的相對端，當第二靜葉區段124處于其對應于凸輪軸的90°旋轉的完全收縮位置時，實現對應于減速比十次的第二靜葉區段124的總共約9°的旋轉。

因此，在第二靜葉區段124的最大膨脹位置附近可獲得喉部126的流動面積的非常精細的微調，以相應精確地調節發動機10的可變循環。當第二靜葉區段124也處于其最大收縮位置時，也提供適當的微調。

為了易于組裝和拆卸，選擇橢圓形槽128e的尺寸以補償凸輪軸128c的輪廓，使得凸輪軸128c可容易地徑向向內插入穿過外帶16和兩個凸耳128d并插入內帶118。凸輪軸128c的內襯套較佳地小于外襯套，以讓其易于組裝。為了拆卸，凸輪軸128c可簡單地沿相反的徑向向外方向縮回。相應地，相對簡單的鉸鏈銷128b類似地簡單地徑向向內插入穿過外帶16和鉸鏈管128a并進入內帶118。這種配置允許組裝和拆卸這三個部件，用于在維護停機期間保養或更換其中的任何一個部件。

參考圖3和圖7，第二致動系統138可設置在鄰近第一致動系統128的鉸鏈接頭(例如鉸鏈銷128b)中的至少一個。此外，可將第二致動系統138類似地配置為具有第一致動系統128的任何部件。例如，在一個實施例中，第二致動系統138可包含鉸鏈管138a，該鉸鏈管138a在其一端處固定地連接到第一靜葉區段122、第二靜葉區段124和后緣區段125，并且具有延伸穿過帶116和帶118的鉸鏈銷138b，以及鉸鏈管138a中的對應各個將后緣區段125安裝到第一靜葉區段122和第二靜葉區段124，用于其樞轉運動。在附加的實施例中，第二致動系統138可包含被配置成相對于第一靜葉區段122和第二靜葉區段124以移動后緣區段125的任何適當的致動器。

由于如本文所述的噴嘴段114在操作期間將熱燃燒氣體引導通過其中，所以可使用任何常規冷卻技術(包含例如薄膜和沖擊冷卻)來適當地冷卻靜葉區段122、124和125。在靜葉冷卻中，一部分加壓空氣132(圖4)適當地從壓縮機(未示出)抽出并且引導到噴嘴區段114。噴嘴區段122、124和125的側壁可是適當的雙壁結構，用于在其間引導加壓空氣132以產生其適當的冷卻。

此外，如圖4所示，凸輪軸128c的頂部襯套可包含穿過其的孔，加壓空氣132的一部分可通過該孔被引導到中空分段靜葉內部以用于其內部冷卻。空氣132的壓力大致上大于燃燒氣體112的壓力，該壓差可用于將第二靜葉區段124自展開(self-deploy)到其最大膨脹位置。凸輪軸128c限制第二靜葉區段124抵抗壓差力的展開(deployment)，直到凸輪軸128c旋轉。凸輪軸128c的旋轉允許第二靜葉區段124從第一靜葉區段122向外樞轉，且如果需要其抵抗在操作期間發生的任何固有的摩擦抑制力，凸輪軸128c還提供機械力以用于致動。

由于靜葉區段122、124和125是相對薄壁的構件，所以它們在操作期間經受不同的熱和壓力負載。因此，圖4中所示的兩個凸耳128d較佳地在第二靜葉區段124的相對的轂和尖端處徑向間隔開，以最大化它們之間的距離，并且最大化第二靜葉區段124在其轂和尖端處的反作用約束。由于第二靜葉區段124限定各個靜葉的吸入側的部分，所以它們在操作期間在空氣動力學上是高負載的，并且通過對應的凸耳128d限制在轂和尖端處的向外偏轉，進而將負載傳遞到凸輪軸128c。因此，本發明的靜葉設置增強流動面積控制，而不過度約束可能引起過度熱應力的吸入側壁。

相應地，鉸鏈銷128b(圖2和圖4)較佳地在其最大直徑外端和內端之間具有減少的直徑中心部。以這種方式，圖4所示的鉸鏈管128a僅被約束在鉸鏈銷128b外部和內部處。這再次限制第二靜葉區段24在其轂和尖端處抵抗施加在其上的實質上的壓力負載的向外偏轉。鉸鏈銷128b的減少的中心部分減少由于操作期間的壓力和熱變形而與鉸鏈管128a摩擦束縛(binding)的可能性。以這種方式，每個第二靜葉區段124在四個點處連接到其互補的第一靜葉區段122，僅在其對應于凸耳和凸輪接頭以及鉸鏈管和銷接頭的轂和尖端處。

如圖3所示，凸耳128d被較佳地配備在鄰近喉部126的第二靜葉區段124上，因為空間允許由于熱或壓力負載而實現最小差動位移(minimumdifferentialdisplacement)的節點(nodalpoint)。由于第二靜葉區段124僅被有效地安裝在四個反應點處，所以這些區段由于熱梯度和壓差而經受變形和位移。這種位移可不利地影響喉部126處的流動面積的精度。通過將凸耳128d和相應的凸輪軸128c緊密地鄰近喉部126放置，將產生很少或沒有相對位移的節點，相反地，遠離喉部26進行相對位移。并且，凸耳128d也被較佳地配備靠近靜葉的壓力中心p，以減少彎曲變形。因此，在操作期間可更精確地保持喉部126的面積。

仍參考圖3，鄰近鉸鏈間隙130a的吸入側壁應當相對共同延伸，以保持空氣動力學平滑的輪廓，以使噴嘴靜葉空氣動力效率最大化。然而，當第二靜葉區段124樞轉到如圖5所示最大收縮位置時，鉸鏈間隙130a在吸入側壁處必然增加，其經歷與第二靜葉區段124的最大角度行程對應的小彎曲或扭結(kink)，在示例性實施例中該最大角度行程為大約9°。為了當第二靜葉區段124設置在最大收縮位置時改善空氣動力學性能(圖5和圖6)，在鉸鏈間隙130a處的第一靜葉區段122和第二靜葉區段124包含適當的倒角134以減少在鉸鏈間隙130a處的臺階不連續性，用于減少在收縮位置中的第二靜葉區段124的空氣動力學流動中斷。倒角134相對于吸入側壁的標稱表面具有小的銳角b，在示例性實施例中，該角度b為大約4.5°，或者是最大角度行程的一半。

如上面參考圖4所示,提供適當的裝置用于將加壓空氣132引導到由互補的靜葉區段122、124和125限定的各個靜葉中以用于其冷卻。因此，還可能需要一個或多個密封件136a、136b和136c用于密封靜葉的各個面積。例如，如圖2所示，在第二靜葉區段124與外帶116和內帶118之間提供密封件136b。更具體地，如圖所示，花鍵密封件的示例性形式中的適當的端部密封件136b可被安裝在轂和第二靜葉區段124的尖端中的相應凹部中，用于接合外帶116和內帶118的互補表面以實現它們之間的密封。此外，如圖5所示，密封件136a被安裝在第一靜葉區段122處，以在第二靜葉區段124的樞轉行程時將加壓空氣限制在靜葉內部。例如，如圖5所示，適當的線密封件136a被較佳地配備在互補的半圓形座中，以在第二靜葉區段124的后端處沿鉸鏈管128a徑向密封鉸鏈間隙130a，并在其前端密封類似的間隙。此外，如圖所示，第二靜葉區段124的前端124b可在前緣122b處與第一靜葉區段122的互補部分內部重疊，以用于適應相對于其的、所需要的膨脹和收縮行程。在這樣的實施例中，相應的線密封件136a可設置在任何適當的位置，用于密封在前緣處的第一靜葉區段122和第二靜葉區段124之間的重疊接頭。此外，如圖7所示，密封件136c可被提供在第二致動系統138的鉸鏈間隙處，以在后緣區段125樞轉行進時將加壓空氣限制在靜葉內部。

現參考圖8，靜葉的第一致動系統128和第二致動系統138可由控制器140控制。更具體地，在一個實施例中，可將控制器140配置為單獨地或分開地控制第一致動系統128和第二致動系統138。或者，可將控制器140配置成一起控制第一致動系統128和第二致動系統138(例如，基于預定計劃)。在進一步的實施例中，控制器140可進一步配置為具有控制第一致動系統128和第二致動系統138的預定的溫度范圍(例如，燃燒氣體112)的功能。因此，如圖8所示，根據本發明顯示可被包含在控制器140中的適當部件的一個實施例的框圖。如圖所示，控制器140可包含一個或多個處理器142以及相關存儲裝置144，這兩部分經配置以執行多種計算機實施的功能(例如，執行本專利中公開的方法、步驟、計算等以及存儲相關數據)。此外，控制器140還可包含通信模塊146，以便于控制器140與第一致動系統128和第二致動系統138之間的通信。此外，通信模塊146可包含傳感器接口148(例如，一個或多個模數轉換器)，以允許從一個或多個傳感器(例如溫度傳感器)傳送的信號被處理器142轉換成可被理解和處理的信號。應理解，這樣的傳感器可使用任何適當的手段通信耦合到通信模塊146。例如，傳感器可經由有線連接耦合到傳感器接口148。然而，在其他實施例中，傳感器可經由無線連接(例如通過使用本領域已知的任何適當的無線通信協議)耦合到傳感器接口148。因此，可將處理器142配置為從傳感器接收一個或多個信號。

本說明書所用術語“處理器”不僅是指包含在計算機中的所屬領域中所謂的集成電路，還指控制器、微控制器、微計算機、可編程邏輯控制器(plc)、專用集成電路以及其他可編程電路。此外，存儲裝置144通常可包含存儲組件，所述存儲組件包含，但不限于，計算機可讀媒體(例如，隨機存取存儲器(ram))、計算機可讀非易失性媒體(例如，閃存)、云儲存、軟盤、只讀光盤(cd-rom)、磁光盤(mod)、數字多功能光盤(dvd)、和/或其他適當的存儲組件。通常可將這樣的存儲器器件144配置為存儲適當的計算機可讀指令，當由處理器142實現時，其配置控制器140以執行燃氣渦輪發動機10的各種功能。

本說明書使用了各種實例來揭示本發明，包含最佳模式，同時也讓所屬領域的任何技術人員能夠實施本發明，包含制造并使用任何裝置或系統并實施所涵蓋的任何方法。本發明的可專利性范圍由權利要求書界定，可能包含所屬領域的一般技術人員想出的其他實例。如果此類其他示例所包含的結構組件與權利要求書的書面語言無不同，或者如果其包含與權利要求書的書面語言無實質不同的等效結構組件，則此類其他示例應被確定為在權利要求書的范圍內。