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    提供燃氣渦輪發動機(18)、寬頻阻尼系統(20)及製作寬頻阻尼燃氣渦輪發動機之方法。在一實施例中，該燃氣渦輪發動機(18)包含一發動機殼(38)、安裝在該發動機殼(38)內以圍繞一旋轉軸旋轉之一轉子總成(66)及設置在該轉子總成(66)與該發動機殼(38)之間之一寬頻阻尼系統(20)。該寬頻阻尼系統(20)包含圍繞旋轉軸按角度隔開之一第一組三參數軸向阻尼器(60、61、62)及圍繞該旋轉軸按角度隔開且與該第一組三參數軸向阻尼器(60、61、62)平行耦合之一第二組三參數軸向阻尼器(63、64、65)。該第一組三參數軸向阻尼器(60、61、62)及該第二組三參數軸向阻尼器(63、64、65)經調諧以在該燃氣渦輪發動機(18)運作期間在不同旋轉頻率下提供峰值阻尼以增大該寬頻阻尼系統(20)之阻尼頻寬。
    公开号:TW201319381A
    申请号:TW101130710
    申请日:2012-08-23
    公开日:2013-05-16
    发明作者:Timothy Hindle；Steven Hadden；Torey Davis
    申请人:Honeywell Int Inc；
    IPC主号:F01D25-00
    专利说明:
    具有寬頻阻尼系統之燃氣渦輪發動機及其製作方法
    本發明大致係關於振動阻尼系統且更特定言之關於寬頻阻尼系統、包含寬頻阻尼系統之燃氣渦輪發動機及製作寬頻阻尼燃氣渦輪發動機之方法。
    現代燃氣渦輪發動機通常配備相對複雜的轉子總成，該轉子總成包含支撐許多壓縮機、空氣渦輪及(在渦輪風扇發動機之情況下)相對較大進氣風扇之多個同軸、齒輪連接軸。在轉子總成高速旋轉期間，源自轉子不平衡、軸承缺陷、失穩力及類似因素之振動可能傳遞穿過轉子軸承、傳遞至發動機殼及最終傳遞至飛機機身。當在實體及/或聲音上可察覺時，傳遞至飛機機身的轉子發射之振動會降低乘客舒適度。轉子發射之振動亦可能縮短發動機組件(諸如轉子軸承)之運作壽命並劣化發動機效能之各種量度，諸如推力輸出及燃料效率。轉子發射之振動在轉子臨界模態期間達到其等最高振幅；即當轉子總成之旋轉頻率引致歸因於舉例而言，轉子總成轉軸之撓曲或彎曲(稱作「臨界彎曲模態」)或轉子軸承偏心(稱作「剛體臨界模態」)之明顯離軸運動。常見多轉軸燃氣渦輪發動機之轉子總成展現跨燃氣渦輪發動機之運作範圍分佈之五個或更多臨界模態。
    被稱作壓膜阻尼器(「SFD」)之主動液壓裝置可圍繞一個或多個轉子軸承設置以助於減小傳遞至發動機殼及飛機機身之轉子發射之振動之量級。但是SFD在數個方面受限。SFD之特徵為非線性阻尼曲線且因此能夠僅在相對較窄頻率範圍內提供最佳化振動衰減。因此，雖然SFD可經調諧以在單個、目標轉子臨界模態下提供峰值阻尼，但是SFD通常在其他運作頻率下及透過其他轉子臨界模態提供非最佳阻尼。此外，由於轉子臨界模態隨改變之轉子不平衡而變化，故SFD可能在燃氣渦輪發動機之運作壽命內在衰減振動下效率逐漸變低。作為又一限制，SFD之剛度及阻尼曲線固有地關聯且無法獨立調諧。因此，可能難以在不減小其剛度及這樣一來犧牲一定程度之轉子中心線控制之情況下使SFD之阻尼特性最佳化。中心線控制不良降低SFD抵抗靜載條件(例如，重力垂度)之能力且通常需要在燃氣渦輪發動機內提供較大葉尖間隙，其降低發動機總效率。
    因此需要提供包含具有如從發動機之轉子總成之運作頻率範圍內取得之較大阻尼頻寬之寬頻阻尼系統之燃氣渦輪發動機以透過多臨界模態更有效地衰減從轉子總成發射之振動。理想地，此一寬頻阻尼系統之實施例可具有大致線性阻尼曲線以允許遍及寬範圍頻率及負載條件之高阻尼，同時亦具有大致線性及可獨立調諧剛度曲線以改良轉子中心線控制。亦可能需要提供可結合其他類型之渦輪機械(諸如渦輪增壓器)使用之此一寬頻阻尼系統。最後，可能需要提供製作寬頻阻尼燃氣渦輪發動機之方法之實施例。可從結合附圖及上述先前技術描述之後續實施方式及申請專利範圍中瞭解本發明之實施例之其他所要特徵及特性。
    提供燃氣渦輪發動機之實施例。在一實施例中，燃氣渦輪發動機包含發動機殼、安裝在發動機殼內以圍繞旋轉軸旋轉之轉子總成及設置在轉子總成與發動機殼之間之寬頻阻尼系統。寬頻阻尼系統包含圍繞旋轉軸按角度隔開之第一組三參數軸向阻尼器及圍繞旋轉軸按角度隔開且與第一組三參數軸向阻尼器平行耦合之第二組三參數軸向阻尼器。調諧第一組三參數軸向阻尼器及第二組三參數軸向阻尼器以在不同旋轉頻率下提供峰值阻尼，以在燃氣渦輪發動機運作期間增大寬頻阻尼系統之阻尼頻寬。
    進一步提供寬頻阻尼系統之實施例以在包含外殼及經組態以在外殼內圍繞旋轉軸旋轉之轉子總成之渦輪機內使用。在一實施例中，寬頻阻尼系統包含圍繞旋轉軸按角度隔開且定位在轉子總成與外殼之間之第一組三參數軸向阻尼器及圍繞旋轉軸按角度隔開且定位在轉子總成與外殼之間之第二組三參數軸向阻尼器。第一組三參數軸向阻尼器及第二組三參數軸向阻尼器穿插以形成在外殼內支撐轉子總成之多點支架。第一組三參數軸向阻尼器及第二組三參數軸向阻尼器經調諧以在轉子總成之運作頻率範圍內之不同頻率下提供峰值阻尼。
    進一步提供製作寬頻阻尼燃氣渦輪發動機之方法之實施例。在一實施例中，方法包含下列步驟：提供轉子總成及發動機殼；在燃氣渦輪發動機之運作範圍內識別轉子總成之複數個轉子臨界模態；調諧第一組三參數軸向阻尼器及第二組三參數軸向阻尼器以在分佈在涵蓋複數個轉子臨界模態之目標頻率範圍內之不同頻率下提供峰值阻尼；及在轉子總成與發動機殼之間平行安裝第一組三參數軸向阻尼器及第二組三參數軸向阻尼器。
    下文將結合下列圖式描述本發明之至少一實例，其中相同參考數字表示相同元件。
    下列實施方式本質上僅為例示性且不旨在限制本發明或本發明之應用及使用。此外，不旨在受限於上文先前技術或下文實施方式中提出的任何理論。
    圖1係包含寬頻阻尼系統20且根據本發明之例示性實施例繪示之寬頻阻尼燃氣渦輪發動機(GTE)18之簡化截面圖。舉例而言，GTE 18在圖1中繪示為包含進氣區段22、壓縮機區段24、燃燒區段26、渦輪區段28及排氣區段30之雙轉軸渦輪風扇發動機。進氣區段22包含安裝在引擎機艙總成34中之進氣風扇32。在所繪示之實例中，壓縮機區段24包含單個壓縮機36，該壓縮機36可旋轉地設置在安裝在引擎機艙總成34內之發動機殼38內。渦輪區段28包含在發動機殼38內可旋轉地串流設置之高壓(HP)渦輪40及低壓(LP)渦輪42。壓縮機36及HP渦輪40安裝至HP軸或轉軸44之相對末端且進氣風扇32及LP渦輪42安裝至LP軸或轉軸46之相對末端。LP輪軸46及HP輪軸44同軸；即，LP輪軸46延伸穿過透過HP轉軸44提供之縱向通道。發動機殼38及引擎機艙總成34分別終止在混合噴嘴48及推進噴嘴50中。混合噴嘴48與中心體52協作以形成排氣混合器54，該排氣混合器54在GTE 18運作期間從渦輪區段28接收之熱燃燒氣流與較冷的旁通空氣流混合。雖然為簡潔起見未在圖1中繪示，但是在不同位置上圍繞HP轉軸44及LP輪軸46設置複數個轉子軸承總成以在發動機殼38內促進轉軸44及46之高速旋轉。轉子軸承總成通常呈現圍繞HP轉軸44及LP輪軸46之各末端設置之滾動元件軸承之形式。
    如圖1所示及如本文所述，寬頻阻尼GTE 18僅舉例而言提供。易瞭解本發明之實施例同樣適用於各種其他類型之燃氣渦輪發動機，包含但不限於其他類型之渦輪風扇、渦輪螺旋槳、渦輪軸及渦輪噴氣發動機以及其他類型之渦輪機械。此外，GTE 18之特定結構不可避免地將在不同實施例間變化。舉例而言，在特定實施例中，GTE 18可包含暴露的進氣風扇(稱作「開放式轉子組態」)或可以不包含進氣風扇。在其他實施例中，GTE 18可採用離心壓縮機或葉輪補充或替代軸向壓縮機。在其他實施例中，GTE 18可包含單個轉軸或三個轉軸連同不同數量之壓縮機及渦輪。雖然下文主要描述為部署在飛機上，但是GTE 18絕不限於部署在任何特定平臺上且亦可部署在其他類型之交通工具(例如，船隻及地面車輛，諸如坦克)上；包含在輔助電力單元內；或包含在工業發電機內。
    在GTE 18運作期間，空氣被吸入進氣區段22中並藉由進氣風扇32加速。加速空氣之一部分被引導穿過旁通流通道56，該旁通流通道56提供在引擎機艙總成34與發動機殼38之間並在發動機殼38上方及圍繞發動機殼38引導此空氣流。從進氣風扇32排出之空氣之其餘部分被引導至壓縮機區段36中並藉由壓縮機36壓縮以提高核心空氣流之溫度及壓力。熱壓縮空氣流被供應至燃燒區段26，其中空氣與燃料混合並利用包含在區段26內之一個或多個燃燒器58燃燒。燃燒氣體快速膨脹並流動穿過渦輪區段28以旋轉HP渦輪40及LP渦輪42。渦輪40及42之旋轉分別驅動轉軸44及46之旋轉，其接著驅動壓縮機36及進氣風扇32之旋轉。在流動穿過渦輪區段28後，燃燒氣流隨後被引導至排氣區段30中，其中混合器54將燃燒氣流與接收自旁通流通道56之較冷旁通空氣混合。最後，燃燒氣流透過推進噴嘴50從GTE 18中排出以產生正推力。
    歸因於轉子不平衡、軸承缺陷、失穩力及類似因素，振動在轉軸44及46旋轉期間產生並傳遞穿過未繪示之轉子軸承總成、穿過發動機殼38並最終傳遞至飛機機身。振動傳遞至機身會降低乘客舒適度；減損發動機效能；並限制轉子軸承總成及其他發動機組件之運作壽命。與習知軸承支撐阻尼器(諸如壓膜阻尼器)相比，寬頻阻尼系統20減小轉子系統之振動量級以及在寬頻寬內從轉子總成傳遞至發動機殼38之振動力。這樣一來，寬頻阻尼系統20能夠在GTE 18運作期間透過跨轉子總成之頻率範圍分佈之多個轉子臨界模態提供高效振動衰減。作為另一優點，寬頻阻尼系統20提供高度線性及可獨立調諧之剛度曲線。因此，寬頻阻尼系統20可經調諧以提供相對較高靜態及動態剛度以改良轉子中心線控制並藉此改良GTE 18之總效率。下文結合圖2至圖5更全面地描述寬頻阻尼系統20能夠在相對較寬頻寬內阻尼振動之方式。雖然下文結合燃氣渦輪發動機描述，但是強調寬頻阻尼系統20之實施例可結合其他類型之渦輪機械(包含舉例而言渦輪增壓器)使用。
    圖2係繪示寬頻阻尼系統20內所包含之複數個三參數軸向阻尼器60至65之示意圖。如本文中所出現，術語「軸向阻尼器」指的是具有至少單個自由度之阻尼器或隔振器且在至少一軸向方向上提供阻尼，但是絕不排除軸向阻尼器60至65可能具有多個自由度之可能性。如沿著從轉子軸承總成66延伸至GTE 18(圖1)之安裝介面之干擾傳遞路徑所見，軸向阻尼器60至65動力耦合在發動機殼38與轉子軸承總成66之間。轉子軸承總成66支撐可旋轉軸或轉軸，該可旋轉軸或轉軸係為提供完整但非限制性實例之目的而在圖2中標注為LP輪軸46。在圖2所示之簡化示意圖中，轉子軸承總成66一般繪示為僅由球軸承組成；但是應瞭解轉子軸承總成66可包含任意數量及類型之轉子軸承，包含其他類型之滾動元件軸承(例如，滾柱軸承)及支撐或另外耦合至轉子軸承或諸轉子軸承之任意數量之額外結構元件。
    軸向阻尼器60至65圍繞轉子軸承總成66之旋轉軸及更一般而言，包含LP輪軸46之轉子總成之旋轉軸以圓周配置或隔開。在較佳實施例中，軸向阻尼器60至65呈現長形支柱之形式或包含長形支柱，該長形支柱以徑向輻條組態從轉子軸承總成66向外徑向延伸。軸向阻尼器60至65共同在大致正交於轉子總成之旋轉軸及發動機中心線(Z軸)之平面(X-Y平面)內提供兩個自由度之阻尼。換言之，軸向阻尼器60至65共同沿著分別與部署GTE 18(圖1)之主飛機之偏航軸及俯仰軸大致平行之垂直軸及側向軸提供阻尼。
    如下文詳細所述，寬頻阻尼系統20包含至少四個軸向阻尼器，該至少四個軸向阻尼器被分為各包含至少兩個軸向阻尼器之兩個單獨調諧之群組或組。在所繪示之實例中，寬頻阻尼系統20包含六個阻尼器60至65，該等阻尼器圍繞轉子軸承總成66對稱配置使得阻尼器60至65按大約60度之均勻間隔分隔開。有利地，此一對稱間隔提供支撐轉子軸承總成66及LP轉軸46之高度穩定的多點支架。但是，在其他實施例中，軸向阻尼器60至65可圍繞轉子軸承總成66不對稱地配置以在不同徑向方向上為寬頻阻尼系統20賦予不同剛度及阻尼性質。舉例而言，軸向阻尼器60至65可圍繞轉子軸承總成66不對稱地配置以提供更好地適應已知轉子動力問題之各向異性剛度；例如，以對抗歸因於GTE 18之重量之静載並藉此防止重力垂度以及更好地適應在飛機著陸期間可能在向下方向上發生之高量級衝擊力。除不對稱間隔以外或作為不對稱間隔之替代，阻尼器60至65可具有個別地調諧以提供此等各向異性性質之剛度及阻尼性質。
    根據定義，各三參數軸向阻尼器包含三個機械構件：(i)第一彈簧構件(主彈簧)，其耦合在轉軸46與發動機殼38之間；(ii)第二彈簧構件(調諧彈簧)，其耦合在與調諧彈簧平行之轉軸46與發動機殼38之間；及(iii)阻尼構件，其耦合在與主彈簧平行且與調諧彈簧串聯之轉軸46與發動機殼38之間。主彈簧及調諧彈簧分別具有KA及KB之彈簧率。阻尼器具有CA之阻尼常數。有利地，在給定頻率範圍內，與無阻尼裝置及雙參數裝置相比，三參數裝置可經調諧以提供較好的阻尼特性(即，較低的總傳遞率)。傳遞率可藉由下列等式表達： 其中T(ω)係傳遞率，Xinput(ω)係輸入運動且Xoutput(ω)係輸出運動。在寬頻阻尼系統20之情況中，具體言之，如圖2中箭頭68所示，輸入運動係轉子軸承總成66之徑向位移；且如圖2中箭頭70所示，輸出運動係發動機殼38之徑向位移。
    圖3係繪示與雙參數阻尼器(曲線74)及無阻尼裝置(曲線76)相比之三參數軸向阻尼器(曲線72)之阻尼特性之傳遞率曲線圖。如圖4中78所示，無阻尼裝置(曲線76)在共振頻率下提供相對較高峰值增益，所述共振頻率在所繪示之實例中適度低於10赫茲(Hz)。比較起來，雙參數裝置(曲線74)在臨限頻率下提供低得多的峰值增益，但是在臨限頻率被超過之後增益非所要地隨頻率增大而逐漸減小(稱作「下降率」)。在所繪示之實例中，雙參數裝置(曲線74)之下降率為大約-20分貝/十倍頻(「dB/十倍頻」)。最後，三參數裝置(曲線72)提供大致等效於雙參數裝置(曲線74)所達成之低峰值增益並進一步提供大約-40 dB/十倍頻之相對急劇下降率。如圖3中藉由由曲線72及74限制之區域80量化，三參數裝置(曲線72)因此在較高頻率下提供低得多的傳遞率。
    阻尼器60至65被分為兩個群組或組：第一組三參數軸向阻尼器60至62及第二組三參數軸向阻尼器63至65。軸向阻尼器組經調諧使得軸向阻尼器60至62與軸向阻尼器63至65相比在不同頻率下提供峰值阻尼；例如，在較佳實施例中，軸向阻尼器60至62之峰值阻尼頻率及軸向阻尼器63至65之峰值阻尼頻率相差至少大約10倍。這可藉由參考圖4更全面地瞭解，圖4係繪示平行耦合且經不等調諧以在小於100 Hz之頻率下及在大於1000 Hz之頻率下提供峰值阻尼之一對三參數軸向阻尼器之例示性阻尼曲線對平行耦合且經相等調諧以在介於100 Hz與1000 Hz之間之單個頻率下提供峰值阻尼之一對三參數軸向阻尼器之例示性阻尼曲線之頻率(水平軸)對相(垂直軸)之曲線圖。針對此實例，假設需要維持阻尼高於涵蓋複數個轉子臨界模態C1至C5之目標頻率範圍(圖4中藉由雙向箭頭84標注)之最小阻尼臨限(圖4中藉由水平線82標注)。目標頻率範圍可與轉子總成之運作頻率範圍對應或取而代之可僅涵蓋其一部分。如圖4中可見，經相等調諧之阻尼器(虛線)之阻尼曲線在目標頻率範圍的中點附近達到峰值，但在任一方向上快速遞減。經相等調諧之阻尼器因此在臨界模態C3處提供異常及不必要地高的阻尼及在鄰近臨界模態C2及C4處提供可接受之阻尼，但是在外圍臨界模態C1及C5處提供相對較差阻尼。比較起來，經不等調諧之阻尼器提供在整個目標頻率範圍內超過最小阻尼臨限並涵蓋所有轉子臨界模態C1至C5之阻尼。
    可以提供上述峰值阻尼差之任意方式選擇阻尼器60至65之參數。在許多實施例中，如包含在阻尼器組63至65內之阻尼器之各者，阻尼器組60至62內所包含之阻尼器之各者將調諧為具有大致相等之參數。換言之，第一組三參數軸向阻尼器60至62內之各阻尼器可調諧為具有大約等於KA1之主彈簧率、大約等於KB1之調諧彈簧率及大致等於CA1之阻尼常數。類似地，第二組三參數軸向阻尼器內所包含之各阻尼器可調諧為具有大約等於KA2之主彈簧率、大約等於KB2之調諧彈簧率及大致等於CA2之阻尼常數。為了提供上述峰值阻尼差，KA1、KB1及CA1之至少一者將分別相對於KA2、KB2及CA2變化。概言之，KB1及CA1通常分別將與KB2及CA2相差達至少10%。在特定實施例中，KB1將超過KB2達兩倍或更多倍。同時，CA1通常將遠小於CA2；例如，在特定實施例中，CA2可超過CA1達至少10倍。在此等實施例中，KA1及KA2可大致相同。舉例而言，相對於圖4所示之例示性曲線圖，經相等調諧之阻尼器(虛線)具有大約17.5E6 N/m之主彈簧率(KA)、大約87.5E6 N/m之調諧彈簧率(KB)及大約17.5E3 N/(m/s)之阻尼係數(CA)。相比之下，該對經不等調諧之阻尼器(實線)中之第一阻尼器具有大約17.5E6 N/m之KA1值、大約17.5E6 N/m之KB1值及大約3.5E3 N/(m/s)之CA1係數；而第二經不等調諧之阻尼器具有大約17.5E6 N/m之KA2率、大約43.8E6 N/m之KB2率及大約87.5E3 N/(m/s)之CA2係數。
    有利地，上述類型之三參數裝置實現硬度及阻尼曲線之單獨或獨立調諧。寬頻阻尼系統20之軸向阻尼器因此可經調諧以在轉子總成之運作頻率範圍內提供相對較高靜態及動態剛度。進一步繪示此點，圖5係繪示上文結合圖4所述之經相等調諧之阻尼器(虛線)及經不等調諧之阻尼器(實線)之例示性剛度曲線之頻率(水平軸)對剛度(垂直軸)之曲線圖。如上述情況，雙向箭頭84識別例示性目標頻率範圍，該範圍可涵蓋轉子總成之整個運作頻率範圍或僅涵蓋其一部分。所要最小動態剛度臨限進一步在圖5中藉由垂直線86標注。與經相等調諧之阻尼器之剛度曲線(虛線)相比，經不等調諧之阻尼器之剛度曲線(實線)在目標頻率範圍之更大部分內超過所要動態剛度臨限。經不等調諧之阻尼器因此提供經改良之剛度曲線，該剛度曲線在運作頻率範圍內實現更好的轉子總成中心線控制，其接著導致發動機效率的總體提高。圖5之經相等調諧之系統及經不等調諧之系統兩者提供相同靜態剛度，因此產生準靜態或低頻輸入之相同中心線運動。
    軸向阻尼器60至65(圖2)可以任何方式實施並可包含提供上述三參數功能性之任意數量之結構元件。圖6係穿透寬頻阻尼燃氣渦輪發動機18(圖1及圖2)之一部份取得且繪示軸向阻尼器60(及因此軸向阻尼器61至65)在結構上可實施之一種方式之截面圖。除軸向阻尼器60外，所繪示之GTE 18之部份包含HP渦輪40內所包含之第一旋轉葉片90、包含在LP渦輪42內之第二旋轉葉片92、定位在HP渦輪40與LP渦輪42之間之固定葉片94及轉子軸承總成66。轉子軸承總成66包含第一轉子軸承96、第二轉子軸承98及靜止軸承外殼構件100(例如，錐形壁)。軸向阻尼器60包含：主阻尼單元102，其安裝至發動機殼38之外部；及長形支柱104，其外徑向末端透過提供在發動機殼38中之徑向開口106附接至主阻尼單元102。支柱104從主阻尼單元102向內徑向延伸，穿過固定葉片94，且延伸至軸承外殼構件100。支柱104之內徑向末端利用例如複數個螺栓108或其他此等緊固件附裝至軸承外殼構件100。
    主阻尼單元102包含具有第一徑向順應撓曲部112及第二徑向順應撓曲部114之阻尼器外殼110。撓曲部114經由徑向調整裝置116附裝至支柱104之外端，且撓曲部112藉由徑向延伸件118固定地耦合至支柱104之外端。明顯地，徑向調整裝置116使支柱104之徑向位置及因此轉子軸承總成66之徑向位置可在GTE 18(圖1)裝配之後微調以提供中心線調整；即轉子總成轉軸之精確居中。經由此結構配置，撓曲部112及114各機械耦合在支柱104與阻尼器外殼110之間，或更一般而言，轉子軸承總成66與發動機殼38之間。撓曲部112與外殼110之內部協作以在主阻尼單元102內界定液壓腔室120，該液壓腔室120充滿矽油或其他適當阻尼流體。液壓腔室120經由流體導管或通道124流體耦合至波紋管122。液壓腔室120、波紋管122及導管124連同其中所含之阻尼流體共同形成阻尼裝置126。在主阻尼單元102運作期間，液壓腔室120之幾何外形隨撓曲部112之撓曲而改變且液壓流體根據需要在液壓腔室120與波紋管122之間流動以適應此等幾何改變。因此當阻尼流體在液壓腔室120與波紋管122之間交流時藉由黏滯損失而提供阻尼。波紋管122發揮供應預載壓力至系統之功能以及充當熱補償裝置以適應阻尼流體之體積變化。在其他實施例中，波紋管122可由剛性阻尼流體腔室替代，在此情況中，阻尼裝置126可包含流體耦合至液壓腔室120之獨立熱補償裝置(例如，彈簧加載活塞)。阻尼裝置126可進一步配備填充端口128以允許液壓腔室120之裝配後填充。
    在軸向阻尼器60運作期間，從轉子總成發射之振動傳遞穿過轉子軸承總成66、穿過徑向設置之支柱104且傳遞至主阻尼單元102。主阻尼單元102充當提供兩個振動傳遞路徑至發動機殼38之三參數裝置。第一振動傳遞路徑從支柱104延伸穿過撓曲部114並延伸至阻尼器外殼110且因此延伸至發動機殼38。沿著此路徑行進之振動有效地圍繞撓曲部112及液壓腔室120分流。沿著此路徑傳遞之振動藉由撓曲部114之撓曲而衰減，該撓曲部114充當主彈簧且完全或主要決定主彈簧率KA。第二振動傳遞路徑從支柱104延伸穿過撓曲部112、穿過液壓腔室120並延伸至阻尼器外殼110。沿著此路徑傳遞之振動因此藉由充當調諧彈簧之撓曲部112之撓曲及藉由阻尼裝置126內之阻尼流體之相應位移兩者而衰減。撓曲部112係總KA參數之小貢獻因素且此外係參數KB之部分，因為KB係藉由大致由撓曲部110及112及波紋管122形成之密封腔室之順應決定。最後，阻尼裝置126完全或主要決定阻尼常數CA。
    上文結合圖6描述之軸向阻尼器60之結構實施方案僅經由非限制性實例提供。在其他實施例中，軸向阻尼器60至65(圖2)可呈現其他形式。明顯地，通常適合用作軸向阻尼器60至65之三參數軸向阻尼器在商業上結合部署在衛星及其他太空船上之精確隔離系統使用。三參數軸向阻尼器或隔振器之實例係由目前總部位於新澤西州Morristown的Honeywell,Inc.開發及銷售之D-STRUT®隔離器。此等可購得之隔振器通常封裝為長形支柱，該長形支柱可圍繞轉子總成圓周定位為輻條型配置，各支柱附裝在軸承總成與發動機殼之間。特定言之，對於圖6所示之例示性實施例，各三參數支柱可以與支柱104相同之方式定位在GTE 18內，藉此免除對殼安裝阻尼單元，諸如主阻尼單元102之需要。
    上文因此已提供燃氣渦輪發動機之實施例，其包含具有如從發動機之轉子總成之頻率範圍內取得之較大阻尼頻寬之寬頻阻尼系統，以透過多個臨界模態更有效地衰減從轉子總成發射之振動。上述寬頻阻尼系統提供大致線性阻尼曲線以允許遍及寬範圍頻率及負載條件(振幅)之高阻尼，同時亦提供大致線性及可獨立調諧剛度曲線以改良轉子中心線控制。雖然上文主要結合燃氣渦輪發動機描述，但是應瞭解寬頻阻尼系統之實施例亦非常適合結合其他類型之渦輪機械(包含渦輪增壓器)使用。在此等實施例中，寬頻阻尼系統可包含第一組三參數軸向阻尼器及第二組三參數軸向阻尼器，如沿著振動傳遞路徑所見，該第一組三參數軸向阻尼器及該第二組三參數軸向阻尼器圍繞渦輪機之轉子總成之旋轉軸按角度隔開且定位在轉子總成與渦輪機之靜止外殼之間。
    上文亦已提供製作寬頻阻尼燃氣渦輪發動機諸如GTE 18(圖1)之方法之實施例。在一實施例中，該方法包含下列步驟：提供轉子總成及發動機殼(例如，圖1、圖2及圖6所示之發動機殼38)；在燃氣渦輪發動機之運作範圍內識別轉子總成之複數個轉子臨界模態；如圖4圖示，調諧第一組三參數軸向阻尼器及第二組三參數軸向阻尼器(例如，圖5所示之阻尼器60至65)以在分佈在涵蓋複數個轉子臨界模態之目標頻率範圍內之不同頻率下提供峰值阻尼；及在轉子總成與發動機殼之間平行安裝第一組三參數軸向阻尼器及第二組三參數軸向阻尼器。如圖2大致所示，在安裝期間，第一組三參數軸向阻尼器及第二組三參數軸向阻尼器可按預定間隔圍繞轉子總成圓周間隔使得第一組三參數軸向阻尼器穿插有第二組三參數軸向阻尼器。
    雖然已在上文實施方式中提出至少一個例示性實施例，但是應瞭解存在大量變化。亦應瞭解例示性實施例或諸例示性實施例僅為實例且不旨在以任何方式限制本發明之範圍、適用性或組態。而是，上文實施方式將為熟習此項技術者提供實施本發明之例示性實施例之便捷指導。應瞭解可對例示性實施例中所述之元件之功能及配置作出各種變化而不脫離如隨附申請專利範圍所規定之本發明之範圍。
    18‧‧‧寬頻阻尼燃氣渦輪發動機
    20‧‧‧寬頻阻尼系統
    22‧‧‧進氣區段
    24‧‧‧壓縮機區段
    26‧‧‧燃燒區段
    28‧‧‧渦輪區段
    30‧‧‧排氣區段
    32‧‧‧進氣風扇
    34‧‧‧引擎機艙總成
    36‧‧‧壓縮機
    38‧‧‧發動機殼
    40‧‧‧高壓(HP)渦輪
    42‧‧‧低壓(LP)渦輪
    44‧‧‧HP輪軸
    46‧‧‧LP輪軸
    48‧‧‧混合噴嘴
    50‧‧‧推進噴嘴
    52‧‧‧中心體
    54‧‧‧排氣混合器
    56‧‧‧旁通流通道
    58‧‧‧燃燒器
    60‧‧‧三參數軸向阻尼器
    61‧‧‧三參數軸向阻尼器
    62‧‧‧三參數軸向阻尼器
    63‧‧‧三參數軸向阻尼器
    64‧‧‧三參數軸向阻尼器
    65‧‧‧三參數軸向阻尼器
    66‧‧‧轉子軸承總成
    68‧‧‧徑向位移
    70‧‧‧徑向位移
    72‧‧‧曲線
    74‧‧‧曲線
    76‧‧‧曲線
    78‧‧‧峰值增益
    80‧‧‧區域
    82‧‧‧最小阻尼臨限
    84‧‧‧目標頻率範圍
    86‧‧‧最小動態剛度臨限
    90‧‧‧第一旋轉葉片
    92‧‧‧第二旋轉葉片
    94‧‧‧固定葉片
    96‧‧‧第一轉子軸承
    98‧‧‧第二轉子軸承
    100‧‧‧靜止軸承外殼構件
    102‧‧‧主阻尼單元
    104‧‧‧長形支柱
    106‧‧‧徑向開口
    108‧‧‧螺栓
    110‧‧‧阻尼器外殼
    112‧‧‧第一徑向順應彎曲
    114‧‧‧第二徑向順應彎曲
    116‧‧‧徑向調整裝置
    118‧‧‧徑向延伸件
    120‧‧‧液壓腔室
    122‧‧‧波紋管
    124‧‧‧導管
    126‧‧‧阻尼裝置
    128‧‧‧填充端口
    CA1‧‧‧阻尼常數
    CA2‧‧‧阻尼常數
    KA1‧‧‧主彈簧率
    KA2‧‧‧主彈簧率
    KB1‧‧‧調諧彈簧率
    KB2‧‧‧調諧彈簧率
    圖1係包含寬頻阻尼系統且根據本發明之例示性實施例繪示之燃氣渦輪發動機之簡化截面圖；圖2係繪示圖1所示之寬頻阻尼系統內所包含之複數個三參數軸向阻尼器之示意圖；圖3係繪示與雙參數阻尼器及無阻尼裝置之傳遞率曲線相比之三參數軸向阻尼器之例示性傳遞率曲線之頻率(水平軸)對增益(垂直軸)之傳遞率曲線圖；圖4係繪示平行耦合且具有變化之調諧(實線)之兩個三參數軸向阻尼器之例示性阻尼曲線及平行耦合且具有相等調諧(虛線)之兩個三參數軸向阻尼器之例示性阻尼曲線之頻率(水平軸)對相(垂直軸)之曲線圖；圖5係繪示平行耦合且具有變化調諧(實線)之兩個三參數軸向阻尼器之例示性剛度曲線及平行耦合且具有相等調諧(虛線)之兩個三參數軸向阻尼器之例示性阻尼曲線之頻率(水平軸)對剛度(垂直軸)之曲線圖；及圖6係穿透圖1所示之燃氣渦輪發動機之一部分取得且繪示包含在圖1及圖2所示之寬頻阻尼系統內之三參數軸向阻尼器之一在結構上可實施之例示性方式之截面圖。
    18‧‧‧寬頻阻尼燃氣渦輪發動機
    20‧‧‧寬頻阻尼系統
    22‧‧‧進氣區段
    24‧‧‧壓縮機區段
    26‧‧‧燃燒機區段
    28‧‧‧渦輪區段
    30‧‧‧排氣區段
    32‧‧‧進氣風扇
    34‧‧‧引擎機艙總成
    36‧‧‧壓縮機
    38‧‧‧發動機殼
    40‧‧‧高壓(HP)渦輪
    42‧‧‧低壓(LP)渦輪
    44‧‧‧HP輪軸
    46‧‧‧LP輪軸
    48‧‧‧混合噴嘴
    50‧‧‧推進噴嘴
    52‧‧‧中心體
    54‧‧‧排氣混合器
    56‧‧‧旁通流通道
    58‧‧‧燃燒器
    60‧‧‧三參數軸向阻尼器
    64‧‧‧三參數軸向阻尼器
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] 一種燃氣渦輪發動機(18)，其包括：一發動機殼(38)；一轉子總成(66)，其安裝在該發動機殼(38)內以圍繞一旋轉軸旋轉；及一寬頻阻尼系統(20)，其設置在該轉子總成(66)與該發動機殼(38)之間，該寬頻阻尼系統(20)包括：一第一組三參數軸向阻尼器(60、61、62)，其等圍繞該旋轉軸按角度隔開；及一第二組三參數軸向阻尼器(63、64、65)，其等圍繞該旋轉軸按角度隔開並與該第一組三參數軸向阻尼器(60、61、62)平行耦合，該第一組三參數軸向阻尼器(60、61、62)及該第二組三參數軸向阻尼器(63、64、65)在該燃氣渦輪發動機(18)運作期間經調諧以在不同旋轉頻率下提供峰值阻尼以增大該寬頻阻尼系統(20)之阻尼頻寬。
    [2] 如請求項1之燃氣渦輪發動機(18)，其中該第一組三參數軸向阻尼器(60、61、62)穿插有該第二組三參數軸向阻尼器(63、64、65)。
    [3] 如請求項1之燃氣渦輪發動機(18)，其中該第一組三參數軸向阻尼器(60、61、62)及該第二組三參數軸向阻尼器(63、64、65)在實質上正交於該旋轉軸之一平面內提供兩個自由度之阻尼。
    [4] 如請求項1之燃氣渦輪發動機(18)，其中該轉子總成(66)具有一第一臨界模態，其中該第一組三參數軸向阻尼器(60、61、62)經調諧在低於該第一臨界模態發生之頻率之一頻率下提供峰值阻尼且其中該第二組三參數軸向阻尼器(63、64、65)經調諧以在大於在該第一臨界模態發生之頻率之一頻率下提供峰值阻尼。
    [5] 如請求項1之燃氣渦輪發動機(18)，其中：該第一組三參數軸向阻尼器(60、61、62)內之各軸向阻尼器(60)具有大約等於KA1之一主彈簧率、大約等於KB1之一調諧彈簧率及大致等於CA1之一阻尼常數；及包含在該第二組三參數軸向阻尼器(63、64、65)內之各軸向阻尼器(60)具有大約等於KA2之一主彈簧率、大約等於KB2之一調諧彈簧率及大約等於CA2之一阻尼常數。
    [6] 如請求項5之燃氣渦輪發動機(18)，其中：KB1及CA1分別與KB2及CA2相差達至少10%；KB1大於KB2；及CA1小於CA2。
    [7] 如請求項1之燃氣渦輪發動機(18)，其進一步包括支撐該轉子總成(66)及由該寬頻阻尼系統(20)限定之一轉子軸承總成(66)，且其中該第一組三參數軸向阻尼器(60、61、62)及該第二組三參數軸向阻尼器(63、64、65)包括從該轉子軸承總成(66)向外徑向延伸之一長形支柱(104)。
    [8] 如請求項7之燃氣渦輪發動機(18)，其中各長形支柱(104)包括：一徑向內端，其固定地耦合至該轉子軸承總成(66)；及一徑向外端，其固定地耦合至該發動機殼(38)。
    [9] 一種製作一寬頻阻尼燃氣渦輪發動機(18)之方法，其包括：提供一轉子總成(66)及一發動機殼(38)；在該燃氣渦輪發動機(18)之運作範圍內識別該轉子總成(66)之複數個轉子臨界模態；調諧第一組三參數軸向阻尼器(60、61、62)及第二組三參數軸向阻尼器(63、64、65)以在分佈遍及涵蓋該複數個轉子臨界模態之一目標頻率範圍內之不同頻率下提供峰值阻尼；及在該轉子總成(66)與該發動機殼(38)之間平行安裝該第一組三參數軸向阻尼器(60、61、62)及該第二組三參數軸向阻尼器(63、64、65)。
    [10] 如請求項9之方法，其中該調諧步驟包括：調諧該第一組三參數軸向阻尼器(60、61、62)以具有小於一第一發動機臨界模態之一峰值阻尼頻率；及調諧該第二組三參數軸向阻尼器(63、64、65)以具有小於一第一發動機臨界模態之一峰值阻尼頻率。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    US13/219,287|US8992161B2|2011-08-26|2011-08-26|Gas turbine engines including broadband damping systems and methods for producing the same|
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