CN102076973B - 涡轮机压缩机 - Google Patents

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Abstract

涡轮机压缩机包括变距叶片，变距叶片带有翼型，所述翼型经由大体圆状外形的安装圆盘(17)连接到枢轴(18)上，所述枢轴在外壳(14)对应孔口内被引导旋转，叶片的安装圆盘带有至少一个孔口(60)，用于从压缩气流中引气，当叶片在第一位置时，该孔口(60)用来与外壳内形成的空气流动孔眼(62)相通，而当叶片在第二位置时，这些孔口被外壳封闭，这样，引气流量取决于叶片的螺距角。

Description

涡轮机压缩机
技术领域
本发明涉及诸如涡轮喷气发动机或飞机涡轮螺旋桨发动机之类涡轮机压缩机，所述压缩机包括至少一个由变距叶片形成的定子级。 
背景技术
这种类型压缩机的定子级包括一环形排的变距定子叶片，这些叶片安装在压缩机的外壳上。每个叶片由翼型组成，该翼型在其径向外端通过呈大体圆状外形的安装圆盘连接到径向圆柱形枢轴上，该枢轴确定了叶片的旋转轴线，并在外壳对应孔口内被引导旋转。一般来讲，每个叶片翼型的径向内端带有第二圆柱形枢轴，该枢轴沿叶片的旋转轴线延伸，并在压缩机内壳的孔口内被引导旋转。每个叶片外枢轴的径向外端按已知方式通过联杆连接到控制环上，撞杆或类似装置带动控制环绕外壳转动。控制环的转动动作通过联杆传输到叶片的外枢轴上使得叶片绕其轴线转动。 
涡轮机内定子叶片的角螺距可使压缩机的几何形状适应其工作点，特别是，可优化该涡轮机的效能和抽吸幅度，降低不同飞行形态下的燃油消耗。 
每个叶片都在第一“打开”或“完全打开”位置和第二“闭合”或“几乎闭合”位置之间围绕其轴线转动，在“打开”或“完全打开”位置时，每个叶片与涡轮机纵轴大体平行延伸，而在“闭合”或“几乎闭合”位置时，叶片相对于涡轮机的轴线倾斜，从而减小了通过叶片级的空气流动截面。当叶片处于打开位置时，流过压缩机的空气流量最大，而在叶片处于闭合位置时，流过压缩机的空气流量最小(在给定运转速度时)。叶片可以采用在这两个极限位置之间的中间位置，以便适合在压缩机内循环的空气流量的变化。 
当涡轮机低速运转或空转时，变距叶片则置于闭合位置，而当涡轮机以全油门方式运转时(例如，起飞)，叶片则置于打开位置。 
在低速时，即使定子叶片处于闭合位置，压缩机管道内的空气流动方向和叶片翼型之间的入射角会达到很高值，引起空气分离，从而进一步降低了通过叶片级的空气流动截面。这些分离区主要位于径向内端和外端处，当流体在叶片上的入射角降到较小值时，这些分离区会消失。 
人们已知，凭藉叶片环境下的外壳或内壳上形成的孔口，通过在所述区内引气便可限制定子叶片级联中的这种分离。然而，这种引气的几何形状一般是不变的，尽管引气对压缩机给定运转速度有利，但若总是这样的话，包括在那些不需要引气的工况时，则会影响发动机的性能(因为降低了压缩机的效率，进而降低了消耗率)。此外，固定引气几何形状则限制了对压缩机抽吸幅度的优化能力。 
发明内容
本发明的具体目标是采用简单、有效而且成本不高的方式来解决上述缺陷。
为此，本发明提出了一种涡轮机压缩机，包括环形机壳和至少一个定子级，所述定子级由一环形排的变距叶片构成，每个叶片包括翼型，翼型的至少一端经由大体圆状外形的安装圆盘连接到径向延伸圆柱形枢轴上，所述圆柱形枢轴在外壳对应孔口内被导向旋转，每个叶片可在闭合位置和打开位置之间围绕由叶片枢轴所形成的轴线旋转，所述压缩机的特征在于，至少一些叶片的安装圆盘均带有可将空气引入到压缩机管道内的孔口，当叶片在闭合位置时，这些孔口与外壳内形成的空气流动孔眼相通，而当叶片在打开位置时，这些孔口被外壳封闭，于是，引气流量取决于叶片的螺距角。 
有利的是，叶片可在打开位置和闭合位置之间移动，当叶片在闭合位置或在中间位置时，叶片安装圆盘的孔口与外壳的孔眼相通，而在叶片处于打开位置时，这些孔口由外壳封闭。
在后一种情况下，当叶片在打开位置时，叶片安装圆盘的孔口由外壳封闭，这样，就不会引出空气。因此，在叶片处于打开位置时的高速运转情况下，涡轮机的效率不会受引气影响。当叶片处于闭合位置或中间位置时，叶片安装圆盘的孔口与外壳上形成的孔眼相通，于是，产生可供引出流体用的横截面，该横截面会随着螺距角而变化，使得在压缩机管道内流动的空气流量的一小部分被引出，目的是减少上述空气分离，从而改善了涡轮机低速或中速运转性能。 
换句话说，定子叶片的角螺距可以调节进入压缩机管道内的引气流量，全油门运转时该流量为零，可以避免恶化和降低发动机消耗率，并在低速时具有确定的值，从而降低了叶片上的空气分离。引气的最大流量可以-例如-是在压缩机管道内流动的空气流量的5％以下。这个流量的变化为取决于叶片的螺距角，当叶片处于中间位置时，这个流量则会达到平均值。 
空气的引出可以在每个叶片的外安装圆盘或内安装圆盘上进行，或者甚至可以在两个圆盘上同时进行。只在每个叶片的其中一个安装圆盘上进行引气可以避免在几乎所有径向尺寸上的该叶片翼型上出现空气分离。 
叶片安装圆盘的孔口呈大体圆形、三角形、椭圆形、矩形，或梯形。安装圆盘上的孔口在安装圆盘外围处可以是缺口。壳体上的孔眼同样也都呈大体圆形、三角形、椭圆形、矩形，或梯形。 
有利的是，叶片的安装圆盘的孔口在这些叶片翼型吸力面处开口于压缩机的管道。这是因为正是在叶片翼型吸力面处，压缩机管道内流动的气流才会受到降低压力现象，这种现象会促使分离区的形成。 
安装圆盘上孔口直径或横向尺寸大于壳体上孔眼的直径或横向尺寸，这样，引气流量就具体取决于壳体上孔眼的直径或横向尺寸。或者，安装圆盘上孔口直径或横向尺寸小于壳体上孔眼直径或横向尺寸。优选地，用来标定引气流量的衬垫安装在外壳的孔眼内或安装圆盘的孔口内。 
本发明还提供了一种涡轮机，诸如涡轮喷气发动机，飞机涡轮螺旋桨发动机，直升机涡轮发动机，工业机器，或者使用带有变距叶片的压缩机(包括离心压缩机)的任何其它机器，其特征在于，这种涡轮机包括了上述类型的压缩机。 
最后，本发明涉及用于上述压缩机的变距叶片，其特征在于，它包括在一端经由大体圆状外形的安装圆盘连接到圆柱形枢轴上的翼型，所述枢轴构成了叶片的旋转轴线，所述安装圆盘带有至少一个与叶片旋转轴线大体平行延伸的孔口，该孔口在翼型处打开，即在该翼型的吸力面附近。 
附图说明
通过阅读如下以非限定性示例给出的说明并参考附图，可以更清楚地理解本发明，本发明的更多细节、特性和优点会更清楚地显现出来，附图如下： 
图1为现有技术的涡轮机压缩机变距叶片级轴向剖面局部半视图； 
图2为图1所示叶片级的局部示意图(俯视图)，示出了叶片的闭合或几乎闭合位置； 
图3为对应于图2的示意图，示出了叶片的打开或完全打开位置； 
图4和图5为根据本发明的涡轮机压缩机变距叶片级的局部示意图(俯视图)，并分别示出了该级叶片的闭合和打开位置； 
图6到图8为根据本发明的变距叶片级另一种实施例的局部示意图(俯视图)，并示出了该级叶片的三种特别位置； 
图9和图10为变距叶片其它几种实施例示意图(俯视图)。 
具体实施方式
首先参照图1，该图示出了高压涡轮机压缩机变距叶片10的定子级，这些叶片10绕涡轮机纵轴有规律地分布，并大体径向地在压缩机内壳12和外壳14之间延伸。 
每个叶片10包括翼型16，翼型通过第一安装圆盘17在径向外端连接到径向圆柱形枢轴18上，并通过第二安装圆盘19在径向内端连接到径向圆柱形枢轴20上，内枢轴20和外枢轴18形成了叶片的旋转轴线22。 
外圆柱形枢轴18嵌入在外壳14的圆柱形空心轴24内，并在所述空心轴内通过圆柱形环26引导旋转。内圆柱形枢轴20嵌入在内壳12的圆柱形机壳内，在所述机壳内通过圆柱形衬套28引导旋转。 
每个叶片10的翼型16带有压力面30和吸力面32，压力面和吸力面在上游通过前缘34相互连接，在下游通过后缘36相互连接，用于在压缩机管道内流动的气体38(图1至图3)。内安装圆盘19和外安装圆盘17均为大体圆形的外形，它们均分别容纳在内壳12和外壳14内互补形状的各凹槽内。 
叶片10在该管道的闭合或几乎闭合位置(如图2所示)之间和打开或完全打开位置(如图3所示)之间围绕其轴线22旋转。 
在图2所示闭合位置时，叶片翼型16相对于涡轮机的纵轴A倾斜，它们彼此之间在管道内形成空气流动的最小截面(箭头50)。在涡轮机低速运行或空转时，叶片10被置于该位置，此时，在压缩机内流动的空气流量最小。 
在图3所示打开位置时，叶片翼型16的延伸大体上平行于涡轮机的轴线A，这样，翼型之间空气流动截面最大(箭头52)。当涡轮机在全油门运行时，叶片10被置于这个位置，此时，在压缩机内流动的空气流量最大。 
然而，在闭合位置时，由于在翼型上空气流动呈较大入射角，可以观察到安装圆盘17和19之间翼型16上的空气分离，当叶片10接近其标称工作条件时，这种空气分离会消失。 
本发明旨在通过在叶片10翼型径向内端和/或外端引气来消除这种问题。在叶片处于闭合位置时，这种引气流量最大，而当叶片在完全打开位置时，这种引气流量为零，这样就不会对涡轮机高速运行时的性能造成不利影响。为此，引气流量取决于叶片10的螺距角。 
根据本发明，这种引气经由压缩机级至少一些叶片的内安装圆盘和/或外安装圆盘上的孔口来进行，这些孔口与压缩机对应机壳内的孔眼或孔穴相通，以便排放所引出的空气。 
当内安装圆盘19带有这种引气孔口时，在内壳12内形成供引出空气流过的 孔眼或空穴，而当外圆盘17带有这种孔口时，在外壳14内形成用来排出所引出空气的孔眼或空穴。 
为了清晰起见，下面介绍的本发明的示例性实施例只与叶片外安装圆盘17内形成的引气孔口相关，这些孔口与外壳14内的对应孔眼或空穴相通。然而，这些示例性实施例也适用于叶片的内安装圆盘19和内壳12。 
在图4和图5的实施例中，叶片10与图1到图3的叶片不同，区别是外安装圆盘17均带有一个贯通缺口60。该缺口60从安装盘的圆形边缘向叶片的旋转轴线22延伸。该缺口呈大体三角形，其底部与安装圆盘17的圆形边缘大约相切，而其相对的顶点为弯曲形状，且位于叶片外枢轴18的附近。每个缺口60的两个侧边缘通过带有圆形顶点的角部连接到安装圆盘的圆形周边上。 
缺口60围绕轴线形成50°到80°左右的角度。它大体径向地穿过安装圆盘，并在叶片翼型16吸力面32处的安装圆盘17内表面上打开，因为吸力面处空气压力稍微降低。 
在压缩机外壳14内，靠近容纳叶片外枢轴18的空心轴24附近，形成大体圆形的孔眼62。壳体上孔眼62数量可与叶片10数量相同，也可以是叶片数量的整数倍数。 
在图4和图5示例性实施例中，外壳上的孔眼62靠近每个空心轴24。当叶片处于闭合位置(图4)时，壳体上的孔眼62就与缺口60对齐，并与后者相通，这样，压缩机内流动的一部分空气就被引出，并被导向外壳的外部(此时，空气流量最大，正如代表壳体孔眼的完全黑色圆圈62所示)。这部分空气可以收集在环形岐管(图中未示)，该管绕外壳延伸，而该外壳上的孔眼62则开口于该岐管内。 
当叶片10处于打开位置(图5)时，安装圆盘内缺口60的径向外端不再与外壳上的孔眼62相通，于是，没有空气以这种方式被引出到压缩机的管道内。在这个位置时，安装圆盘内的缺口由外壳14封闭，而壳体的孔眼62则被安装圆盘17所封闭。 
缺口60和壳体上对应孔眼62之间的空气流动截面越大，所引出的空气流量就越大。当缺口60与壳体上的孔眼62径向对准时(图4)，所引出的空气流量最大，该流量取决于壳体上孔眼的截面，在这个情况下，该截面小于缺口的截面。引气流量的精确标定从而在这个情况下可以通过控制加工到壳体内的孔眼62的截面而实现。 
在由绕涡轮机纵轴有规律分布的100个叶片而形成的级的具体情况下，引出的空气总流量表示-例如-在压缩机内循环的空气流量的5％。通过每个孔眼62而引出的空气流量代表了压缩机内空气流量的0.05％。 
叶片10可以采用一个或几个如图4和图5所示的中间位置，此时，引出的空气流量取决于安装圆盘缺口60和外壳孔眼62之间空气流动截面。 
在图6到图8所示另一种实施例中，叶片的安装圆盘17由用来引气的大体环形通孔组成。在这种情况下，这些通孔的直径大于壳体上孔眼的直径。这些通孔64呈大体径向方向，并开口于叶片外安装圆盘的径向内端面上，在这些叶片翼型吸力面处32。 
图6示出了叶片10的打开位置，在这个位置时，安装圆盘上的孔口64不对正，外壳14上的孔眼62不相通。此时，引出的空气流量为零。图7示出了叶片的中间位置，在这个情况下，引出的空气流量为给定值，且在图8中，叶片处于闭合位置，此时，用来引气并由安装圆盘上孔口64横截面和外壳上孔眼横截面吻合而形成的流动截面最大。 
安装圆盘上的缺口60和孔口64以及外壳上的孔眼62都可以呈现任何所需形式，例如，方形、三角形、梯形、长方形、椭圆形、圆形等等。 
在图9所示情况下，叶片外安装圆盘17孔口66为大体三角形，而在图10所示情况下，安装圆盘17孔口为长方形。在叶片围绕其轴线旋转时，安装圆盘上孔口或缺口和外壳上孔眼的这些不同形式都可以使得引出的空气流量以线性或非线性方式变化。 
叶片的安装圆盘17，19包括多个用来引出空气的孔口。此外，在叶片处于闭 合位置时，每个这样的孔口都能与外壳上的多个孔眼或空穴相通。安装圆盘上的孔口或缺口以及外壳上的孔眼都可以呈大体径向，或者甚至稍微倾斜方向。圆柱形衬垫(图中未示)可以容纳在外壳的孔眼中，目的是精确标定引气流量。 

Claims (12)

1.一种涡轮机压缩机，包括环形外壳(14)和至少一个由环形排变距叶片(10)构成的定子级，每个叶片带有翼型(16)，所述翼型(16)在至少一端经由大体圆状外形的安装圆盘(17)连接到径向圆柱形枢轴(18)上，所述枢轴在外壳(14)对应孔口内被引导旋转，可以在闭合位置和打开位置之间围绕由叶片的枢轴所确定的轴线旋转每个叶片；其特征在于，至少一些叶片的安装圆盘均带有向压缩机管道内引气的孔口(60，64，66，68)，当叶片在闭合位置时，这些孔口(60，64，66，68)用来与外壳内形成的空气流动孔眼(62)相通，而当叶片在打开位置时，这些孔口被外壳封闭，这样，引气流量取决于叶片的螺距角。
2.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，叶片(10)可在打开位置和闭合位置之间移动，当叶片在闭合位置或在中间位置时，叶片安装圆盘的孔口(60，64，66，68)与外壳(14)的孔眼(62)相通，而当叶片处于打开位置时，孔口(60，64，66，68)则由外壳(14)封闭。
3.根据权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于，孔口在叶片的径向外安装圆盘(17)上形成，并与围绕叶片的外壳(14)上的孔眼相通。
4.根据权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于，孔口在叶片的径向内安装盘(19)上形成，并与叶片围绕的内壳(12)中的孔眼相通。
5.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，叶片安装圆盘的孔口(64，66，68)均呈大体圆形、三角形、椭圆形、矩形，或梯形。
6.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，叶片安装圆盘上的孔口是位于安装圆盘外围上的缺口(60)。
7.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，壳体上的孔眼(62)均呈大体圆形、三角形、椭圆形、矩形，或梯形。
8.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，叶片安装圆盘上的孔口(60，64，66，68)开口于这些叶片翼型(16)吸力面(32)处压缩机的管道内。
9.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，叶片安装圆盘上每个孔口(60，64，66，68)的直径或横向尺寸都大于壳体上孔眼(62)的直径或横向尺寸。
10.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，用来标定引气流量的衬垫安装在壳体的孔眼(62)或安装圆盘的孔口(60，64，66，68)内。
11.一种涡轮机，其包括飞机涡轮螺旋桨发动机、直升机涡轮发动机，其特征在于，这种涡轮机包括根据前面任一权利要求所述的压缩机。
12.一种变距叶片，其用于根据权利要求1到10中任一项所述的压缩机，其特征在于，所述叶片包括翼型(16)，该翼型在至少一端经由大体圆状外形的安装圆盘(17)连接到圆柱形枢轴(18)上，所述枢轴确定了叶片的旋转轴线(22)，所述安装圆盘带有至少一个孔口(60，64，66，68)，所述孔口与叶片旋转轴线大体平行延伸并在该翼型的吸力面(32)附近的翼型处打开。
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