集成致動器、燃氣渦輪發動機以及相應的操作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]本文中所描述的實施例通常涉及冷卻系統，更具體地，涉及用于結合設備，例如，燃氣渦輪發動機的冷卻系統的集成致動器閥。
[0002]燃氣渦輪發動機，諸如飛機渦輪發動機，原則上可能包括發動機核芯，發動機核芯具有軸流式壓縮機、燃料噴射器、燃燒器、軸流式渦輪以及后向式燃氣出口。可能存在多級壓縮機和多級渦輪。在渦輪發動機運轉時，空氣被抽吸至發動機中且被壓縮機壓縮，并且，由燃料噴射器將燃料加到壓縮空氣。在燃燒器中點燃燃料和壓縮空氣的混合物。由此產生的熱氣燃燒物流過渦輪，通過燃氣出口而自發動機的后部離開，其中，該渦輪的轉動驅動壓縮機。更復雜的版本的燃氣渦輪發動機使用由發動機核芯驅動的大直徑渦輪風扇來增大通過風扇導管的空氣的質量流量。
[0003]在某些發動機功率設置的期間，在發動機核芯的各種室和位置，諸如渦輪和核芯發動機室，可能要求冷卻空氣。調制渦輪冷卻(MTC)系統使用將必要時允許冷卻空氣進入渦輪中的閥打開和關閉的致動器來使渦輪冷卻。核芯室冷卻(CCC)系統使用分配冷卻空氣的附加致動器及閥來使核芯下整流罩發動機室冷卻。MTC系統和CCC系統各自具有其特有的致動器及相關聯的構件，這些特有的致動器及相關聯的構件增加燃氣渦輪發動機的重量、復雜性以及成本。
[0004]于是，需要減輕重量、降低成本并簡化燃氣渦輪發動機的復雜性的經簡化的集成致動器。
【發明內容】
[0005]在一個方面，提供集成致動器。集成致動器包括致動器體和聯接至致動器體的延伸桿。延伸桿包括活塞閥，配置用于在活塞閥完全開放的第一運轉模式下的第一位置與活塞閥不及完全開放的第二運轉模式下的第二位置之間的選擇性移動。集成致動器還包括流動體，該流動體聯接至致動器體，以致于流動體容納活塞閥和聯接至延伸桿的調制裝置。調制裝置在第一運轉模式下配置成完全開放，并且，在第二運轉模式下配置成不及完全開放。
[0006]在另一個方面，提供燃氣渦輪發動機。燃氣渦輪發動機包括渦輪和核芯室。渦輪聯接至渦輪冷卻系統，而核芯室聯接至核芯室冷卻系統。燃氣渦輪發動機還包括集成致動器，該集成致動器聯接至渦輪冷卻系統和核芯室冷卻系統。集成致動器包括致動器體和聯接至致動器體的延伸桿。延伸桿包括活塞閥，并且，配置用于在活塞閥完全開放的第一運轉模式下的第一位置與活塞閥不及完全開放的第二運轉模式下的第二位置之間的選擇性移動。集成致動器還包括流動體，該流動體聯接至致動器體，以致于流動體容納活塞閥和聯接至延伸桿的調制裝置。調制裝置在第一運轉模式下配置成完全開放，并且，在第二運轉模式下配置成不及完全開放。
[0007]在又一方面，提供用于操作集成致動器的方法。方法包括提供集成致動器，該集成致動器包括致動器體和聯接至致動器體的延伸桿。延伸桿包括活塞閥。集成致動器還包括聯接至延伸桿的流動體，其中，流動體容納活塞閥。集成致動器還包括聯接至延伸桿的調制裝置。操作的方法包括在第一運轉模式下使延伸桿延伸至第一位置。在第一位置，活塞閥和調制裝置完全開放。當在第二運轉模式下使延伸桿縮回至第二位置時，活塞閥和調制裝置不及完全開放。
【附圖說明】
[0008]圖1是說明示范性的集成致動器的燃氣渦輪發動機的部分地截面的示意側視圖； 圖2是第一運轉模式期間的示范性的集成致動器的示意側視圖；
圖3是第二運轉模式期間的示范性的集成致動器的示意側視圖；
圖4是沿著圖2和圖3中的線A-A截取的集成致動器的橫截面圖；
圖5是第一運轉模式期間的備選的集成致動器的示意側視圖；
圖6是第二運轉模式期間的備選的集成致動器的示意側視圖；
圖7是沿著圖5和圖6中的線B-B截取的集成致動器的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0009]圖1是說明示范性的集成致動器100的燃氣渦輪發動機10的部分地截面的示意側視圖。根據本公開，發動機10包括核芯室冷卻(CCC)系統12和調制渦輪冷卻(MTC)系統13。示范性的燃氣渦輪發動機10還自前向后按照順序流動的關系包括風扇28、增壓器或低壓壓縮機14、高壓壓縮機16、燃燒器18、高壓渦輪20以及低壓渦輪22，所有的這些器件，不包括風扇28，都位于燃氣渦輪發動機10的核芯室15內。高壓渦輪20和低壓渦輪22兩者都包括多級(未示出)，每級都包括轉子盤(未示出)和從轉子盤向外徑向地延伸的多個周向地隔開的轉子葉片(未示出)。高壓渦輪20利用第一轉子軸24來驅動性地連接至高壓壓縮機16，低壓渦輪22利用第二轉子軸26來驅動性地連接至低壓壓縮機14，第二轉子軸26圍繞發動機10的縱向中心線軸線同軸地安置于軸24內。發動機10用于通過軸延伸部分32來驅動風扇28。
[0010]通過來自燃燒器18、渦輪20以及渦輪22的輻射和燃燒來對核芯室15加熱，燃燒器18、渦輪20以及渦輪22全都在非常高的溫度下運轉。利用CCC系統12來使核芯室15冷卻，以使發動機10免于過熱。CCC系統12包括風扇排放入口 30、可變旁通閥34、空氣導管36、集成致動器100以及冷卻歧管38。集成致動器100安裝于核芯室15的外表面45。CCC系統12從至少風扇排放入口 30接收空氣，空氣通過空氣導管36而進入集成致動器100中。CCC系統12可以從其他來源，諸如旁通閥34接收空氣。在第一運轉模式102期間，集成致動器100完全開放，以給冷卻歧管38分配空氣，從而使燃氣渦輪發動機10的核芯構件冷卻。來自歧管38的空氣典型地越過核芯室15而排放，通過后排氣孔35而退出。在第二運轉模式104下，集成致動器不及完全開放，給CCC系統12分配較少的冷卻空氣。在下文中更詳細地描述運轉模式102和運轉模式104以及集成致動器100的運轉。
[0011]MTC系統13包括壓縮機14與渦輪20之間的管道(未示出)和周向地圍繞渦輪20的另一個管道(未示出)。MTC系統13還包括集成致動器100，集成致動器100聯接至自渦輪20起向外徑向地定位的調制裝置，諸如致動閥40。在發動機10運轉期間，渦輪20，包括相關聯的轉子盤和轉子葉片，在非常高的溫度下運轉并要求直接冷卻。MTC系統13是一個用來將冷卻空氣引導至渦輪20，包括轉子盤和轉子葉片中，必要時使用集成致動器100來調制致動閥40以控制冷卻空氣進入渦輪20中的流量的系統。具體地，在第一運轉模式102期間，集成致動器100配置成將閥40完全開放，從而與當在不要求來自MTC系統13的冷卻空氣的情況下，集成致動器100將閥40至少部分地關閉以限制被引導至渦輪20的冷卻空氣的量時的第二運轉模式104期間相比，允許更大的質量流量的冷卻空氣進入渦輪20中。在下文中更詳細地描述運轉模式102和運轉模式104以及集成致動器100的運轉。
[0012]在示范性的實施例中，燃氣渦輪發動機10在各種運轉模式下運轉。例如，發動機10能夠在相應地與相對地較高的功率設置和相對地較低的功率設置，諸如起飛和巡航相對應的第一運轉模式102和第二運轉模式104下運轉。與在巡航運轉，第二運轉模式104的期間生成的在低功率設置下輸出的相對地較小的量的推進功率相比，在起飛和滑行，第一運轉模式102的期間，發動機10對生成在高功率設置下輸出的相對地較大的推進功率有效。
[0013]由于燃氣的溫度在起飛期間比在巡航期間顯著地更高，因而在第一運轉模式102期間，冷卻空氣典型地由CCC系統12提供給下整流罩核芯室15，并且，由MTC系統13提供給渦輪20及其相關聯的構件，以便降低在燃燒器18和渦輪20內生成的溫度。在第一運轉模式102期間，集成致動器100配置成完全開放，從而將冷卻空氣通過CCC系統12而引導至核芯室15，并且，將閥40完全開放，以允許MTC系統13使渦輪20冷卻。
[0014]然而，在發動機10產生較小的推進功率且燃氣的溫度較低的情況下，如在巡航飛行期間的第二運轉模式104下，核芯室15和渦輪20不要求像在第一運轉模式102期間那么多的冷卻空氣。在第二運轉模式104期間，集成致動器100配置成不及完全開放，以允許至少有限的量的冷卻空氣到達CCC系統12，并且，將閥40至少部分地關閉，以致于MTC系統13在第二運轉模式104期間給渦輪20提供較少的冷卻空氣。
[0015]集成致動器100的運轉受電輸出信號控制，由電控制單元(ECU) 44基于燃氣渦輪發動機10的功率設置而根據限定第一運轉模式102和第二運轉模式104的預定的控制進程來生成該電輸出信號。在第一運轉模式102期間，諸如在滑行和起飛期間，ECU 44控制集成致動器100的運轉，以便允許CCC系統12將冷卻空氣引導至核芯室15，并且，允許MTC系統13將閥40完全開放，以將冷卻空氣引導至渦輪20。在第二運轉模式104期間，諸如在巡航飛行期間，E⑶44進一步控制集成致動器100的運轉，以便限制由CCC系統12引導至核芯室15的冷卻空氣的量，并且，將閥40至少部分地關閉，以限制由MTC系統13引導至渦輪20的冷卻空氣的量。CCC系統12和MTC系統13在相同的進程下運轉，以致于在核芯室15或渦輪20要求冷卻時，如由ECU 44根據控制進程而確定的，將集成致動器100接合，以允許冷卻空氣到達核芯室15和渦輪20兩者。
[0016]圖2是第一運轉模式102期間的示范性的集成致動器100的示意側視圖。圖3是第二運轉模式104期間的示范性的集成致動器100的示意側視圖。圖4是沿著圖2和圖3中的線A-A截取的集成致動器的橫截面圖。在示范性的實施例中，集成致動器100在形狀上為圓柱形，包括致動器體106和從致動