CN102265039B - 具有优化腔体的压缩机外壳 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮发动机的压缩机，其包括壳体(4)、至少一个压缩机级以及腔体(5)，所述压缩机级包括固定叶片叶轮(2)和移动叶片叶轮(1)，所述移动叶片叶轮(1)设置在所述固定叶片叶轮(2)的下游，腔体(5)在所述壳体中形成并与所述移动叶片(1)的直通路径相对，所述腔体(5)的轴向长度为L2，并且相对于所述移动叶片(1)的上游偏移，由此产生长度为L1的叠加，其特征在于：所述L1和L2的长度分别为轴线Cax长的35％至50％和轴线Cax长的80％至90％，该轴线Cax在叶片(1)的外端测量出，并且腔体(5)互不相通。

Description

具有优化腔体的压缩机外壳
技术领域
本发明的领域是螺旋桨的领域，尤其是用于推进组件(涡轮喷气发动机或者涡轮螺旋桨发动机，亦即下述说明书中所述的涡轮发动机)的轴向或者轴向-离心压缩机的领域，以及更具体地是高负载高压的压缩机的领域。
背景技术
航空涡轮发动机主要由下列部件组成：一个或者多个压缩机，其中，空气被吸入进气口后被压缩；燃烧室，注入的燃料在其内燃烧；及涡轮，其中，燃烧后的气体释放压力来驱动压缩机并最后驱动喷射装置。航空压缩机由在一个壳体内部旋转移动的鳍片或者叶片组成，这个壳体保证了相对于发动机的外部具有一个密封的气流通道。据了解，压缩机的移动叶片末端和形成气流通道内壁的壳体之间存在着间隙，该间隙会削弱涡轮发动机的引擎的效率。此外，该间隙会显著地改变和削弱压缩机的运转，导致出现一种“喘振”现象，该种现象由气流从叶片表面分离所致。从同时取得很好的压缩机的气动效率和一个针对喘振现象提供充足的容限的方面来说，对叶片尖端的空气流的控制构成了一个基本问题。
一个用于限制位于叶片末端和壳体之间寄生气流影响的完备方法，在于挖出的腔室设置在叶片的直通通路区域的机壳壁上。所述腔体被布置在叶片对面或者在发动机的上游方向沿轴向偏移，从而将循环到叶片和壳体之间的间隙之中的空气，重新注入到位于所提及的与叶片相平行或者叶片上游的气流通道中。腔体的若干形状已经被提出，如美国专利5,137,419(US 5,137,419)所描述的，其指明了两个连续腔体之间的壳体固体部分的宽度与腔体宽度之比的最佳值。在美国专利6,935,833(US 6,935,833)中阐述了另外一种方法，但是其具有复杂的形状和具有特定构件的缺陷，使其很难制造并且因此不适合设计上的工业应用。不过，很明显依然可以做出其他关于对所述腔体的设置和形状的改进。
美国文档5762470(US 5762470)公开了一种带有环形腔体的壳体，该环形腔体经由一系列槽与气流通道连接，详细描述了槽和腔体的最佳几何尺寸；其没有描述腔体相对于叶片的相对位置。它还公开了一种环形腔3，放置在气流通道之后并且通过一个槽形格栅3B密封，其目的是允许在圆周方向上的耗散损失。这种配置在叶片区域经由与所述槽相邻的槽5存在寄生回灌风险的缺陷，，这就损害了性能。
最后，德国文档210330084(DE 210330084)和WO 03/072949公开了一种环形腔体，其包括沿气流通道方向延伸的一个连串的固定叶片。
发明内容
本发明的目的是为了纠正这些弊端，提供一种具有腔体的压缩机的壳体，来改善空气动力学的性能。
为此，本发明的主题提供了一种用于涡轮发动机的压缩机，其包括壳体、至少一个压缩机级以及在壳体中挖出的腔体。所述压缩机级包括固定叶片叶轮和移动叶片叶轮。所述移动叶片叶轮设置在所述固定叶片叶轮的下游，所述腔体与所述移动叶片的直通路径相对，所述腔体的轴向长度为L2，并且相对于所述移动叶片的上游偏移，由此产生长度为L1的叠加，其特征在于：所述L1和L2的长度分别为轴线Cax长的35％至50％之间和轴线Cax长的80％至90％之间，该轴线Cax在所述移动叶片的外端测量出，其中，所述腔体互不相通。
这种结构使空气很好地吸入到腔体内以及提供一个很好的回灌点，该回灌点尽可能远离所述移动叶片间隙的上游。此外，所述腔体互不相通，消除了任何的圆周循环，并且因此消除所述叶片区域寄生回灌的风险，所述寄生回灌来自于相邻的腔体并且对压缩机的性能产生不利的影响。该回灌在尽可能远离所述叶片间隙的上游的点处唯一地实施。
优选地，腔体的上游端在腔体对称面上与所述腔体上游的部分壳体形成角度该角度用于气体回灌并等于90°±5°。这样就可能避免在腔体内的内部再循环，这种再循环会降低压缩机的效率。
根据这些优选特征：
壳体圆周上的腔体数目是相对于相应的叶轮移动叶片的数目的2至4倍。
在壳体挖出的腔体具有一个沿叶片转动方向的倾角，该倾角相对于与气流通道相切的平面呈45°至60°。
所述腔体均匀分布在所述壳体的圆周上。
所述腔体呈非均匀分布在所述壳体的圆周上，特别是设置在每一个两个半壳的末端，所述两个半壳构成该壳体。
所述壳体包括与所述移动叶片叶轮相对的气流通道的局部后置区域。
所述气流通道的后置区域的上游端位于腔体上游端区域。
所述气流通道的后置区域的下游端位于移动叶片的后缘区域，或位于移动叶片后缘的稍下游位置。
所述腔体直接成型于所述壳体上，或者成形于固定在所述壳体的附加部件上。
本发明还涉及一种涡轮发动机，所述涡轮发动机包括具有上述所公开特征其中至少之一的压缩机。
附图说明
参考附图，通过纯示意性、非限定性例子所提供的下面多个本发明实施例的详细解释说明，本发明将更加容易地被理解，其中的进一步目标、细节、特点和优点将会更清晰展现出来，其中：
图1为根据本发明具体实施方式的压缩机级的纵剖面示意图，其中，壳体具有腔体；
图2为发动机压缩机的壳体腔体的沿轴线方向视图；
图3为根据本发明具体实施方式的压缩机壳体腔体的截面图；
图4为根据本发明具体实施方式的压缩机壳体腔体的对称面的截面图；
图5为根据本发明具体实施方式的压缩机级的纵剖面示意图，其中，壳体在气流通道中具有局部后置区域，腔体为从壳体挖出的空腔结构。
具体实施方式
参考图1，所示的压缩机级包括定子叶片或者固定叶片2，其设置在转子叶片或者移动叶片1的上游，该移动叶片1固定在轮轴3上，或者根据已知技术作为单件叶盘或者整体叶盘直接固定在所述轮轴3上。固定叶片被固定在压缩机壳体4的适当位置上，壳体4环绕着移动叶片1，并存留预定的间隙。在壳体4区域内移动叶片具有一个轴线长度Cax，该长度根据移动叶片的前缘的最外点到后缘的最外点之间的轴向测量出。
所述壳体4被挖出多个腔体5，该腔体5均匀地分布在壳体4的圆周上，并且与移动叶片1的直通通路相对。腔体在其剖面上具有大致为带有圆角的矩形形状，其延伸长度为L2。腔体5相对移动叶片1的前缘，沿发动机上游方向偏移。叶片1与腔体5之间的重叠长度为L1，其小于L2。这种结构使得穿过叶片和壳体之间间隙的空气进行再循环成为可能。该间隙实际上成为一个剧烈湍流区，其将会恶化不同层级气流的配置并且削弱了压缩机的性能。或者，在极端情况下，会产生一种称之为“喘振”或者“失速”的现象，其包括压缩率的直线下降和通过压缩机的气流的倒转，该气流的倒转会使其从压缩机的上游离开。通过定位这些腔体，所述寄生气体被吸入并且重新注入到叶片上游的气流通道内。L2减L1的长度，即腔体超过对应的叶片前缘长度，受限于移动叶片叶轮1和固定叶片叶轮2之间存在的空间。
参考图2，所示的一系列腔体5沿壳体4的圆周向排列。相对于发动机的纵向方向，这些腔体的轴线稍微倾斜。这些腔体的数量远远多于所述叶片1的数量，该叶片1形成了压缩机级的移动叶轮。腔体的数量，在实践中，为移动叶片1数量的2至4倍。这些腔体的分布，如图2所示，呈均匀分布；另外一个版本，图中未示，该分布可以是不均匀的，这样能削弱由所述腔体引起的在叶片组件上的气动激励，特别地，该腔体位于每一个两半壳的末端，该两半壳构成所述壳体。
参考图3和图4，示出了在壳体4上挖出的优选的腔体5形状。
在横截面上，如图4所示，所述腔体5在其外端具有由半圆周相连接的两个平行侧面。在叶片的旋转方向，相对于与气流通道相切平面相垂直的方向，可迫使壳体4处于倾斜方向。理想情况可获得一个最大倾角，但是其受限于壳体生产的原因；实际中，相对于与气流通道相切平面的倾角α在45°至60°之间。所述腔体5的深度由所需的空气动力学特性所限定，同时也要考虑到生产的限制。
如图3所示，沿着其对称面的剖面，腔体5大约为矩形形状，其上游位置的短边与壳体相交并与壳体曲线成角度该壳体曲线产生于腔体对称面的剖面并且其位于腔体上游；该角度处于90°区域。下游的腔体部分具有一个大致圆形形状。
图5展示了一个具有气流通道6的局部后置区的壳体4的情况，该气流通道6位于所述移动叶片1区域内，该后置区为通称的“沟道”。如图所示，所述后置区域逐渐减小并逐渐被发动机下游所取代。这种类型的壳体也依然能够容纳上述披露的类型的腔体5。在这种情况下，所述气流通道6的局部后置区域起始于腔体5的上游端区域或腔体5下游端区域，终止于移动叶片1的后缘的区域，或者终止于移动叶片1的后缘的稍下游区域。
本发明涉及腔体5几何特性的优化及其相对移动叶片1的定位。通过对壳体与叶片之间的间隙内的流量控制和移动叶片叶轮1上游的回灌控制，对压缩机的操作性能提供了一个非常明显的改进(从效能和喘振边界方面)。对于高负载压缩机情况，这种改进尤为重要，该压缩机具有三维形状叶片(前掠叶片)和减少的级间距离，该减少的级间距离是为了限制压缩机的总体长度。
腔体5的下游形状被优化，以改进对流体上游的引导，其中流体在腔体5的下游处被引入；腔体5的上游形状被优化，以确保尽可能在靠近径向(使流体)回灌到气流通道中。对它的长度进行了优化，以提供在尽可能远离叶片上游的点处的流体回灌。
这些最佳特征包括：
L1的长度为轴线Cax长度的35％至50％。这种重叠可以限制效率受损，当重叠增加时，效率受损将大大减少，同时还能保证正确的流体吸入。
L2的长度为线Cax长度的80％至90％。受轴向体积限制而保持这种长度，可以保证叶片组件和回灌的最佳吸入位置，该位置尽可能远离前沿的上游，这可以解释成减少的局部干扰。
回灌角度等于90°±5°。分析表明，当角度大于该值时，腔体5会形成一个空气动力学阻塞区，这将会导致效率的损失；当角度小于该值时，腔体5内会出现反旋转二次涡流，其会降低循环效率。
在腔体的圆弧下游端，其半径大致等于腔体深度外的半径。
因此，本发明的效率可从对叶片轴向重叠的限制与以优化角度在叶片上游的回灌相结合得出。这些组件在压缩机稳定运行情况，或当遇到了强烈的空气动力学作用情况，以及在压缩机的标准作业线和稳定极限(喘振线)之间的方面，提高了压缩机的效率。结果，由L1偏移产生的局部效率损失通过控制空气的再循环得到的增益来补偿。
在压缩机效率方面，上述公开的腔体5的组合和所述气流通道6的局部后置区域进一步提高了压缩机的性能。
腔体还可有进一步的变化，例如，与清理沉淀有关的腔体，以允许有限强度的叶片/壳体接触。所述腔体可以直接加工在壳体内，或者通过加表面技术将腔体定位在固定于壳体上的指定附加部件上。
最后，该技术适用于任何类型的压缩机，无论其为轴流式或者离心式，或者设计用于涡轮喷气发动机或者涡轮螺旋桨发动机。
尽管利用具体实施例对本发明进行了描述，很明显，它不是限定性的实施例，它包括上述公开技术及其结合的所有等同技术，其所提供的内容均在本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种用于涡轮发动机的压缩机，其包括壳体(4)、至少一个压缩机级和在所述壳体中挖出的腔体(5)；所述压缩机级包括固定叶片叶轮(2)和移动叶片叶轮(1)；所述移动叶片叶轮(1)设置在所述固定叶片叶轮(2)的下游；所述腔体(5)与所述移动叶片(1)的直通路径相对；所述腔体(5)的轴向长度为L2，并且相对于所述移动叶片(1)往上游偏移，由此产生长度为L1的叠加；其特征在于：所述L1和L2的长度分别为轴线Cax长的35％至50％和轴线Cax长的80％至90％，该轴线Cax在所述移动叶片(1)的外端测量出，并且所述腔体(5)互不相通。
2.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于：所述腔体(5)的上游端在腔体(5)对称面上与所述腔体上游的部分壳体形成角度，该角度用于气体回灌并等于90°±5°。
3.根据权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于：所述腔体(5)的下游端具有圆弧轮廓，其半径与所述腔体(5)的深度大致相等。
4.根据权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于：位于壳体(4)圆周面上的腔体(5)的数量是相对于相应叶轮的移动叶片(1)的数量的2至4倍。
5.根据权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于：在壳体中挖出腔体(5)，该腔体(5)具有一个沿叶片转动方向的倾角，该倾角相对于与气流通道相切的平面气流通道呈45°至60°。
6.根据权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于：所述腔体(5)均匀分布在所述壳体的圆周上。
7.根据权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于：所述腔体(5)呈非均匀分布在所述壳体的圆周上。
8.根据权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于：所述壳体(4)包括与所述移动叶片叶轮相对的气流通道(6)局部后置区域。
9.根据权利要求8所述的压缩机，其特征在于：所述气流通道(6)后置区域的上游端位于所述腔体(5)上游端区域。
10.根据权利要求8所述的压缩机，其特征在于：所述气流通道(6)后置区域的下游末端位于移动叶片(1)的后缘区域，或位于移动叶片(1)的后缘的稍下游位置。
11.根据权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于：腔体(5)直接成型于壳体(4)上。
12.根据权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于：腔体(5)在固定于所述壳体(4)上的附加部件中形成。
13.一种涡轮发动机，包括上述权利要求其中之一所述的压缩机。
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