CN101595311A - 用于降低压缩流体速度的扩压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于降低压缩气体速度的扩压器，其包括环，该环在围绕它的周向位置处被分为多个弧形部分，完整的环由这些部分组装成。该环限定一个或多个通道，通道的横截面在流体行进通过扩压器的方向增加。相邻部分之间的接口的构造方式是阻止这相邻部分之间的相对移动。接口可以构造成具有沿扩压器的轴向长度的一系列互锁锯齿。在一种优选实施方式中，有两个弧形部分包括两个接口，锯齿的峰部和谷部布置成相对于扩压器的纵轴线成角度。当该角度在两个接口处相对时，就很好地避免相邻部分之间的相对移动。

Description

用于降低压缩流体速度的扩压器
技术领域
本发明涉及降低压缩流体速度的扩压器。
背景技术
使用扩压器是为了在将燃气轮机发动机的压缩流体(通常是空气)提供给燃烧室之前调节该压缩流体，该压缩流体在燃烧室中与燃料混合，得到的混合物用于驱动该涡轮机。
图1中以简化形式显示了带有扩压器的典型燃气轮机发动机。该图取自于2003年2月4日授权的且转让给Allison Advanced DevelopmentCompany的美国专利No.6,513,330。
图1中作为附图标记10示出的发动机是用于航空器的涡扇发动机，其包括风扇部分12、压缩机部分14、燃烧室部分16和涡轮机部分18。压缩机部分14包括转子20，该转子已经联接一系列压缩机叶片22。转子20紧固至轴24，轴24在发动机内旋转。多个压缩机导叶26设置邻近叶片22，用作将气态流体流引导通过压缩机部分。在压缩机部分的下游端处是多个压缩机出口导叶26’，用于将流体流引导到环形扩压器28中。如上面所提及的，扩压器调节流体并将该流体排到燃烧室部分中，用于后续的燃烧。
通常，扩压器可以制成两个半部，这两个半部装配在一起形成环。因此，该两个半部是圆弧。当装配扩压器时，下半部附接到发动机下部，再装配转子，然后将扩压器的上半部装到下半部上，其处于转子的上方，最后将发动机的上部装到发动机的下部上，并固定到其上，这也将两个扩压器半部夹持在一起。虽然这听起来像是相对简单的过程，但是在实践中，在装配转子且附接发动机的上部的同时保持扩压器的两个半部彼此恰当对齐所遇到的困难使装配过程变得复杂。此时，扩压器的两个半部之间的任何相对移动可能导致扩压器半部永久不对齐，后果是降低扩压器的性能。
发明内容
本发明试图减轻已知扩压器装置的上述缺陷。
根据本发明的第一方面，提供一种用于降低压缩流体速度的扩压器，其包括环装置，该环装置在围绕该装置的周向位置处被划分成多个弧形部分，这些弧形部分组装在一起形成该环装置，其中：环装置限定一个或多个通道，相邻弧形部分之间的接口构造成阻止相邻部分之间的相对移动。
接口有益地由相邻弧形部分的锯齿配合表面形成。这些锯齿可以构造成与扩压器的纵轴线形成角度。
可以有两个相邻的弧形部分提供设置在纵轴线相应侧上的两对配合表面，一对配合表面中的锯齿的峰部和谷部相对于纵轴线的角度α与另一对配合表面中的锯齿的峰部和谷部相对于所述纵轴线的角度α相对。两个接口和纵轴线可以位于同一平面上。锯齿可以是三角形。
这些对配合表面中的角度α优选位于30°-60°的范围内，更优选为约45°。
锯齿的齿距角β优选位于30°-60°的范围内，更优选为约45°。
可以有两个相邻的弧形部分提供设置在纵轴线相应侧上的两对配合表面，在这些对配合表面中的锯齿的峰部和谷部相对于纵轴线具有角度α＝90°，锯齿在扩压器的平面中形成角度γ。
这些对配合表面中的角度γ优选位于30°-60°的范围内，更优选为约45°。
扩压器可以限定径向外通道和径向内通道。
环装置可以包括径向外环和径向内环，径向外环和径向内环在它们之间限定径向外通道，径向外环和径向内环借助于第一导叶保持间隔分开的关系。
径向内通道可以部分由径向内环限定，径向内通道径向地处在径向内环的内部。
设置的第二导叶可以自径向内环径向向内悬置。
扩压器可以仅限定一个通道。
环装置可以包括径向外环和径向内环，径向外环和径向内环在它们之间限定这一个通道，径向外环和径向内环借助于导叶保持间隔分开的关系。
所述弧形部分中的一个或每个有益地包括一个或多个突起或凹部，用于与压缩机壳体中的相应凹部或突起的接合。
本发明的第二方面提供一种制造上述扩压器的方法，包括步骤：提供完整的环装置；和通过在大致纵向方向腐蚀环装置而将环装置划分成所述弧形部分，所述腐蚀同时形成相邻弧形部分之间的接口的所述构造。
划分步骤可以在环装置的大致整个纵向范围上形成所述构造。可选地，划分步骤可以在环装置的纵向范围中的一个部分或多个部分上形成所述构造。
划分步骤有益地将接口构造为配合的锯齿或鸟嘴装置。
划分步骤可以采用电火花线切割加工方法。
附图说明
现在将借助于附图仅仅以示例的方式描述根据本发明的扩压器的实施方式，在附图中：
图1是已知燃气轮机发动机的截面图；
图2(a)和2(b)是包含根据本发明的扩压器的实施方式的燃气轮机的截面图；
图3(a)是根据本发明的扩压器的实施方式的透视图，图3(b)示出了安装在相关发动机部分中的相同扩压器；
图4是安装到高压插件上的图3(a)和3(b)的扩压器的详细透视图；
图5是安装到高压插件上的图3(a)和3(b)的扩压器的截面简化图；
图6(a)和6(b)是图3(a)和3(b)的扩压器的两个透视图；
图7(a)和7(b)分别是根据本发明的扩压器的优选实施方式的俯视和侧视图，其图示了形成扩压器的弧形部分同时构造弧形部分之间的接口的方法；
图8是扩压器的优选实施方式的下半部的俯视图；
图9是根据本发明的扩压器的第二实施方式的端视图；
图10图示了构造根据本发明的扩压器的相邻弧形部分之间的接口的另一方法；和
图11示出了构造根据本发明的扩压器的相邻弧形部分之间的接口的非优选方法。
具体实施方式
根据本发明第一实施方式的扩压器定位在如图2(a)和2(b)所示的压缩机中，在这些附图中以附图标记30示出。扩压器30设置在压缩机出口室中，从而接收离开压缩机的压缩空气。扩压器是分离式扩压器(splitdiffuser)，在图2(b)中可以更清楚地看到，图2(b)是图2(a)的插件区域的放大图。因此，扩压器包括外环32和内环34。外环附接至后部压缩机定子壳体36，而内环经由一系列导叶(在图2中未示出)附接至外环。
在图3(a)和3(b)中更清楚地示出了该分离式扩压器装置。在图3(a)中，可以看出两个环32和34由一系列周向间隔分开的导叶38彼此隔开。继而，第二系列导叶40自内环34的内表面悬置。在发动机的已组装状态中，这些导叶40压着密封构件42(见图2(b))。因此，扩压器被牢固地保持在压缩机定子壳体36和密封构件42之间，从而提供稳定而坚固的结构。
图3(b)示出了装配到高压插件构件44上的扩压器30，其形成后部压缩机定子壳体36(也参见图2(b))的一部分。该插件构件类似于扩压器，是分为两个半部。在图3(b)中显示插件构件44在上游方向，而在图4中，它下半部显示在下游方向。图5是处于组装状态的插件的一部分和扩压器的截面图，并显示扩压器如何与设置在插件中的凹口47接合。为此，突耳49设置在扩压器中，处于扩压器的径向外端部处。图5也示出了外环和内环32、34和两组导叶38、40。
扩压器30、插件构件44和密封构件42均形成两个半部，以容纳转子。扩压器的两个半部是外环下半部32a和内环下半部34a以及外环上半部32b和内环上半部34b。如已知装置那样，制备包括插件44的后部压缩机定子壳体36的下半部；密封构件42的下半部被引入后部压缩机定子壳体36/插件44的下半部；扩压器30的下半部与插件44的下半部接合；装配转子；密封构件42的上半部装配到密封构件42的下半部上；扩压器30的上半部装配到扩压器30的下半部上，后部压缩机定子壳体36/插件44的上半部被装配到后部压缩机定子壳体36/插件44的下半部上。当然，最后提到的操作包括将扩压器上半部的突耳49装配到插件44上半部的凹口47上。
在扩压器的两个半部之间的接口处设置有阻止这两个半部相对于彼此移动的装置。在本发明的优选实施例中，径向和轴向方向的所有移动都被阻止。这通过在外环32和内环34的上半部和下半部的配合表面上设置一系列锯齿46得以实现。
这些锯齿可以具有多种形式。优选形式是一系列三角形齿，如图6(a)和6(b)所示。在所示示例中，这些齿是沿着相对于扩压器的轴向方向的45°角度被切割。完成此的常规方法是使用电火花线切割技术。该技术包括沿箭头48所示的轴向方向(或以相反方向)拉线通过外环和内环，该线经过处于内、外环的上半部和下半部之间的接口处。在图7(a)的俯视图和图7(b)的侧视图中更清楚地看到这一点。在图7(a)中，线50被带到外环和内环之一的一个边缘52，大致以向前方向同时以三角形方式(见箭头48)移动，如图7(b)所示。线50相对于扩压器的纵轴线倾斜角度α。当使用电火花加工(EDM)时，通常需要在一次操作中串联地切割外环和内环。可选切割技术(例如，激光或喷水)可以允许外环和内环的单独切割。
在优选实施例中，在其它接口处重复进行该过程，但是角度α处于相对的方向-即，相对于纵轴线的镜像。该构造在图8中示出，在该图中俯视可看到图7(b)所示的峰部56和谷部58。该图还示出了外环和内环32、34。由于线牵拉方法同样地作用于每个接口的上半部和下半部，因而确保每个半部的三角形构造将是相同的，从而在上半部和下半部之间有完美的配合。另外，由于在两个接口处的切割方向彼此相对，因此当上半部和下半部彼此配合时，在径向(x)方向或轴向(y)方向都不可能有移动。这意味着在将后部压缩机壳体的上半部组装到其下半部上期间，扩压器的两个半部将不会相对于彼此移动，从而将不会损害扩压器的预期性能。
应当记住的一点是，在实践中，导叶38、40的平坦表面的取向可以不是完全轴向的。另外，类似地，通过扩压器的流体流可以不是完全轴向的，却还可以具有切向分量。因而，可能有小的切向力作用到扩压器上，导致扩压器在插件构件44的凹口47内沿周向方向移动。阻止这种移动可以通过例如将销或螺栓引至沿扩压器的周边的至少一个点处，其将扩压器紧固到插件。这种销或螺栓可以设置在凹口47内且布置成与突耳49中的对应凹部或阴螺纹接合，或者可选地突耳49和凹口47可以定形为阻碍这种周向移动。在这种情况下，凹口47可以设置有小突起，该小突起与突耳49中的相应凹部接合，反之亦然。
关于角度α的值，不需要为45°，而可以小于或大于45°。然而，相对于轴向方向48的非常大的角度(接近90°)将增加在径向方向可能产生一些相对移动的风险，而相对于轴向方向48的非常小的角度(接近0°)将增加在轴向方向可能产生一些相对移动的风险。但这仍然允许宽范围的角度α。工作范围可以是例如30°-60°，但是这取决于扩压器的形状或张开程度。宽的张开可能至少限制该范围的上限，尤其是在内环和外环必须串联地成型的情况下，如DEM方法中的那样。
关于齿的齿距角(图7(b)所示的角度β)，再次地，其为约45°是有益的，但是可以占据与角度α类似的范围。深的角度将给予更大的保护，阻止一个扩压器半部相对于另一半部的滑移，该滑移是由于一个半部相对于另一半部的提升而引起的，但是代价是可能必须设置更多数量的齿，这将增加制造成本。另一方面，虽然制造浅的角度β将减少所需要的齿数，但是这对阻止一个扩压器半部相对于另一半部的无意提升以及由此引起的轴向和/或径向相对移动只能给予较弱的保护。关于阻止轴向或径向滑移的其它因素是齿相对于电火花加工线的厚度的相对尺寸以及这些部件的制造公差。优选的是，齿相对于线直径是大的。然后这将影响可以沿扩压器半部之间的接口容纳的齿数。
在本发明的第二实施例中，齿以角度α＝90°切割，并且在扩压器平面中还以角度γ切割。这在图9(再次示出了环32、34)中示出，其中，切割沿扩压器的纵轴线看相对于径向方向60以相对方向进行。α＝90°的布置防止了相对轴向移动，而角度γ阻止了扩压器上半部和下半部的相对径向移动，由于角度γ，如果在两个接口之一处不必同时相对于下半部提升上半部，则至少不会发生这种相对移动。
应当注意的是，图7和8的布置也默认包括存在角度γ，因为角度α＜90°且β＞90°的事实。在图9的案例中，差异在于，由于角度α＝90°，角度γ正常是不存在，因而必须特意引入。
如果移动限制在轴向和径向两个方向中的一个，那么可以获得防止相对移动的一些措施。因此，在接口处沿径向方向直接切割齿的情况(其使得角度α(见图7(a))是90°且角度γ(见图9)是0°)将阻止轴向移动，而不是径向移动。另一方面，角度α是0°的情况将阻止径向移动，而不是轴向移动。这后者的情况对应于在扩压器中不形成齿而是榫舌-凹槽类型构造，在该榫舌-凹槽构造中，凹槽是轴向地沿着扩压器上半部和下半部中的一个上的每个接口制成，互锁突起是轴向地沿着扩压器上半部和下半部中的另一个上的每个接口制成。
刚才所描述的凹槽突起布置也可以基于根据本发明的扩压器的第三实施方式制成。在该实施方式中，齿由沿两个半部之一中的接口的一系列圆形凹槽取代，而另一半部设置有与圆形凹槽配合的相应系列突起。这有时称为“鸟嘴”构造，其中凹槽形成“鸟嘴”。在图10中示出这种“鸟嘴”构造，在这里，凹槽显示作为零件70，突起作为零件72。在此，与第一和第二实施例类似的电火花线切割方法可能具有缺陷，因为所示凹槽和突起的圆形形式导致在轴向方向形成一定量的间隙。这显然允许两个扩压器半部的一些相对轴向移动，这是不期望的。但是，一种可能的技术是单独地产生凹槽和突起。实际上，在一个操作中采用电火花线切割方法在一个扩压器半部中制作凹槽是可行的，然后将合适尺寸的突起附接至另一半部。在此情况下，所使用的线应当稍大于第一和第二实施例中所使用的线，因为这允许制成较大的突起，从而允许在制造突起时实现更大的尺寸精确性。
一般来说，接口可以使用任何类型的互锁形状，只要结果是非常有限的相对移动即可。在图11中示出了在使用EDM来成型两个扩压器半部时可能不是特别合适的形状。在该情况下，沿接口以大致轴向方向牵拉EDM线50，从而在扩压器的两个半部中形成一系列城堡形部件。当两个半部配合在一起时，在轴向方向产生相当量的间隙δ。该情况是存在于图10的布置中的间隙的更极端情况，该布置使用EDM技术在两个扩压器半部中设置轮廓。然而，在分开制造扩压器的两个半部时，城堡形状是更可行的。在那种情况下，可以采用常规加工方法来产生城堡形部件的阳性半部和阴性半部，阳性半部宽度被增加以消除间隙δ。可选地，间隔器可以装配在阳性半部和阴性半部之间，从而减小间隙。然而，这具有如下缺陷：增加了扩压器的部件数量和复杂性，同时也导致这些部分之间发生不希望的相对移动的风险。
虽然假设在采用EDM来制造两个扩压器半部的情况下图11的城堡形状和图10的鸟嘴形状(程度稍低)是不合适的，但是不是在所有情况下都是如此。因此，在使用非常薄的线且齿/突起相对于线的直径很大时，产生的间隙δ可能非常小，因此是可接受的。
到此为止已经描述的扩压器是分离式扩压器。然而，在本发明范围内可以采用其它形式。一种这样的替代构造是省去内导叶40组。仍然会有用于流体流经扩压器的两个通道：由内环34和外环32限定的外通道和由内环34和发动机的密封构件42限定的内通道。另外的替代方案不用内叶片40，增加外导叶38的径向长度，使得内环34够着密封构件42。这将产生通过扩压器的单个通道。实际上，甚至可以一起省去密封构件，依赖于内环来限定单个通道。可选地，在导叶40的自由端处可以形成等同于密封构件的部件，然后就无需单独的密封构件42。另外的替代方案是省去内环34和内导叶40，增加外导叶38的径向长度，使得外导叶38够着密封构件42。在这些不同的替代构造中，本发明的基本性质仍然相同，即，在扩压器上半部和下半部之间的接口处设置防止这些半部之间的相对移动的装置。
虽然已经从将扩压器分成两个半圆形半部的方面对本发明进行了描述，但是本发明并不限制于此。因而，扩压器可以分成三个或更多弧形部分，这些弧形部分彼此接合形成环。在此情况下，齿或其它装置将设置在这些部分之间的每个接口处。在采用对角布置的情况下，如图8和9所示，需要将扩压器划分成偶数个部分。
本发明的各个视图示出了沿扩压器的整个轴向长度形成的锯齿。这对于本发明并不是必需的，因为通过只沿轴向长度的一部分设置锯齿就可以实现足够的移动阻止功能。例如，锯齿可以设置在扩压器的每端(即，上游端和下游端)、或设置在一端和中间、或仅仅设置在中间。然而，通过沿轴向长度的至少两个位置优选在每端处设置锯齿，将获得防止扩压器的部分的相对移动的更大安全性。另外，甚至可以发现，在两个或更多位置处只需要单个互锁锯齿而不是多个锯齿。
当采用图8和9所示的实施方式时，使两个接口处的角度α和γ相等且相对是有利的。然而，可以使用不相等的角度值。
从制造角度来说，使扩压器的各个弧形部分尺寸相等通常是有利的。然而，本发明包括使用不同尺寸的弧形部分(即具有不同弧长)情形。另外，弧形部分可以在其两个端部处具有不同的弧长。在这种情况下，相邻的这样的弧形部分之间的接口将位于与扩压器的纵轴线不平行的直线上。结果是，这意味着在电火花线切割工艺中，线行进通过环的方向将不在大致纵向方向上。
上文描述了在燃气轮机发动机组装期间扩压器的两个半部的相对移动问题的容易实现的解决方案。该解决方案包括在两个半部之间的接口处设置用于限制这种移动的装置(例如，锯齿)。另外，通过使锯齿在扩压器平面中相对于扩压器纵轴线成角度或相对于扩压器的径向方向成角度并使该角度在两个接口处相对，可以实现防止相对移动的提高的安全性。该解决方案的主要益处在于不需要单独的固定装置来将扩压器的两个半部彼此紧固。这避免使用例如在实践中难以使用的螺栓。

Claims (26)

1.一种用于降低压缩流体速度的扩压器，包括环装置，该环装置在围绕该环装置的多个周向位置处被分成多个弧形部分，这多个弧形部分组装在一起形成所述环装置，其中：
所述环装置限定一个或多个通道，以及
相邻弧形部分之间的接口构造成阻止该相邻部分的相对移动。
2.根据权利要求1所述的扩压器，其特征在于：所述接口由相邻弧形部分的锯齿配合表面形成。
3.根据权利要求2所述的扩压器，其特征在于：所述锯齿构造成与扩压器的纵轴线成角度。
4.根据权利要求3所述的扩压器，其特征在于：有两个相邻的弧形部分提供两对配合表面，这两对配合表面设置在所述纵轴线的相应侧上，一对配合表面中的锯齿的峰部和谷部相对于所述纵轴线的角度α与另一对配合表面中的锯齿的峰部和谷部相对于所述纵轴线的角度α相对。
5.根据权利要求4所述的扩压器，其特征在于：两个接口和所述纵轴线位于同一平面上。
6.根据权利要求2-5任一项所述的扩压器，其特征在于：锯齿是三角形。
7.根据从属于权利要求4或5时的权利要求6所述的扩压器，其特征在于：所述对配合表面中的角度α位于30°-60°的范围内。
8.根据权利要求7所述的扩压器，其特征在于：所述对配合表面中的角度α约为45°。
9.根据权利要求7或8所述的扩压器，其特征在于：所述锯齿的齿距角β位于30°-60°的范围内。
10.根据权利要求9所述的扩压器，其特征在于：所述锯齿的齿距角β约为45°。
11.根据权利要求3所述的扩压器，其特征在于：有两个相邻的弧形部分提供两对配合表面，这两对配合表面设置在所述纵轴线的相应侧上，这两对配合表面中的锯齿的峰部和谷部相对于所述纵轴线对着α＝90°的角度，所述锯齿在扩压器的平面中形成角度γ。
12.根据权利要求11所述的扩压器，其特征在于：所述对配合表面中的角度γ位于30°-60°的范围内。
13.根据权利要求12所述的扩压器，其特征在于：所述对配合表面中的角度γ约为45°。
14.根据前述权利要求中任一项所述的扩压器，其特征在于：所述扩压器限定径向外通道和径向内通道。
15.根据权利要求14所述的扩压器，其特征在于：所述环装置包括径向外环和径向内环，该径向外环和径向内环在它们之间限定所述径向外通道，该径向外环和径向内环借助于第一导叶保持间隔分开的关系。
16.根据权利要求15所述的扩压器，其特征在于：所述径向内通道部分由径向内环限定，该径向内通道径向地位于径向内环的内部。
17.根据权利要求16所述的扩压器，其特征在于：设置的第二导叶自径向内环径向向内悬置。
18.根据权利要求1-13的任一项所述的扩压器，其特征在于：所述扩压器仅限定一个通道。
19.根据权利要求18所述的扩压器，其特征在于：所述环装置包括径向外环和径向内环，该径向外环和径向内环在它们之间限定所述一个通道，该径向外环和径向内环借助于导叶保持间隔分开的关系。
20.根据前述权利要求任一项所述的扩压器，其特征在于：所述弧形部分中的一个或每一个包括一个或多个突起或凹部，用于与压缩机壳体中的相应凹部或突起的接合。
21.一种制造如权利要求1所述的扩压器的方法，包括步骤：
提供完整的环装置；和
通过在总体纵向方向腐蚀环装置而将该环装置划分成所述弧形部分，所述腐蚀同时形成相邻弧形部分之间的接口的所述构造。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：所述划分步骤在环装置的大致整个纵向范围上形成所述构造。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：所述划分步骤在环装置的纵向范围的一个部分或多个部分上形成所述构造。
24.根据权利要求22或权利要求23所述的方法，其特征在于：所述划分步骤将所述接口构造成配合的锯齿。
25.根据权利要求22或权利要求23所述的方法，其特征在于：所述划分步骤将相邻弧形部分之间的接口构造为鸟嘴装置。
26.根据权利要求21-25任一项所述的方法，其特征在于：所述划分步骤采用电火花线切割方法。
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