CN102308060A - 用于涡轮机的散流器-喷嘴组件 - Google Patents

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Abstract

一种散流器-喷嘴组件，安装在涡轮机中压缩机的出口处，该组件包括喷嘴(18)，该喷嘴具有两个大致圆柱形的壁，一径向内壁(26)和一径向外壁(28)，所述径向内壁和径向外壁通过径向叶片(30)连接在一起，所述喷嘴的壁向下游延伸过径向叶片(30)，它们之间的径向间距从叶片(30)向下游沿变化，其方式为大致与叶片(30)对齐时最小，在叶片(30)之间最大。

Description

用于涡轮机的散流器-喷嘴组件
技术领域
本发明涉及一种用于将空气进给到涡轮机中环形燃烧室的散流器-喷嘴组件，所述涡轮机例如为飞机的涡轮螺旋桨发动机，或涡轮喷气发动机，或直升机引擎。
背景技术
在传统实施例中，涡轮机具有环形燃烧室，该燃烧室由设置在其上游的高压压缩机供给空气。该压缩机的出口连经一轴向或径向散流器，该散流器与一喷嘴相连，该喷嘴在通往燃烧室的入口包括大致径向的叶片，其自身安装在由一外壳外部限定的环形壳体中。燃料经由喷射器传递到室的环形端壁，所述喷射器有规律地间隔开，并由所述外壳承载。
燃烧室的性能很大程度取决于喷射器系统的性能，所述喷射器系统使燃料雾化，即以细小液滴的形式将其散开，从而通过形成再循环区域而稳定燃料的燃烧。燃料雾化由喷射器系统中较大压差的空气损失来促进，而控制再循环区域由均匀供应到喷射器系统的空气来加强。
这些标准在压缩机出口包含轴向型散流器-喷嘴组件或离心型散流器-喷嘴组件，即径向散流器和环形喷嘴时不易满足。
在喷嘴的出口，可以观察到，叶片下游基本与叶片成一直线的马赫数比叶片之间的低很多。喷嘴出口的空气流因此具有周边不均匀的马赫数，从而导致与对应于均匀流的马赫数不同的有效马赫数。这在供应喷射器时产生较大的压差损失，并在由该系统进给时产生扭曲，从而造成影响燃烧稳定性的风险。
为了使喷嘴出口处空气速度中的周边不均匀的冲击最小，已知的是，控制作为空气流方位角函数的喷嘴叶片后缘与喷射器系统的上游端部之间的距离。
本发明申请人名下的申请FR 08/01063提出一种喷嘴叶片下游的外展部分，以减小平均马赫数，并减小燃烧室入口处空气流的马赫数的周边不均匀性。
然而，这些已知方式并未得到解决喷嘴叶片尾流中马赫数较小问题的满意方案。
发明内容
本发明的具体目的是提供一种解决此问题的方案，其简单、廉价并有效。
为此，本发明提供一种散流器-喷嘴组件，安装在涡轮机中压缩机的出口，该组件包括喷嘴，该喷嘴具有两个大致圆柱形的壁，一径向内壁和一径向外壁，所述径向内壁和径向外壁通过径向叶片连接在一起，该组件的特征在于，所述喷嘴的壁向下游延伸过径向叶片，它们之间的径向间距从叶片向下游沿圆周不同，其方式为大致与叶片对齐时最小，在叶片之间最大。
最小化向下游对齐叶片的喷嘴的内壁和外壁之间的径向间距用于对比叶片之间经过的空气流而加速叶片尾流中的局部空气流。与叶片对齐的空气速度对照叶片之间的空气速度之间的差异于是减小，从而减小在喷嘴出口处空气速度的周向不均匀性。流入喷射器系统的空气流因而更加均匀，可实现再循环区域的良好控制，以确保稳定的燃烧，并减小供应到喷射器系统的压差损失。
此供给喷射器系统的均匀性的改进可减小喷嘴叶片与喷射器系统之间的距离，从而减轻涡轮机的重量。
根据本发明的另一特征，从叶片向下游到喷嘴下游壁下游端的径向间距沿周向变化，从而减小在喷嘴出口处空气流速度的周向不均匀性。
喷嘴的壁可随着从叶片向下游而背离，从而减小平均马赫数，因而进一步减小供给喷射器系统的空气流的不均匀性。
根据本发明的另一特征，所述喷嘴的至少一个壁从叶片向下游成波形或成钝锯齿形。
在本发明的一个变例中，所述喷嘴的两个壁可从叶片向下游成波形或成钝锯齿形。
所述喷嘴的壁的下游部分的波形可相对于延伸叶片的径向平面为对称的或不对称的。
当所述壁不对称时，该波形可围绕压缩机的轴线螺旋形延伸，其螺旋角对应于旋转的剩余角或对应于在喷嘴叶片出口处空气流的离开夹角。当叶片出口处的空气流具有与喷嘴叶片的壁的夹角时，所述螺旋角可对应于该空气流的离开夹角，同时喷嘴下游壁之间的径向间距在此方向为最小值。
在示例中，喷嘴壁下游部分的波形为正弦曲线、钝锯齿形、圆弧形式或V形形式。
所述喷嘴下游壁的波形可相同，或两壁的波形为相同类型，或两壁的波形为不同类型。
该喷嘴可以是一单件，或其可通过焊接或机械硬焊制成。
本发明还提供一种涡轮机，例如涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机或直升机引擎，其特征在于，它包括上述类型的散流器-喷嘴组件。
附图说明
在阅读以下作为非限定性例子的实施例的说明后，本发明将得到更好的理解，本发明其他的细节、优点和特征将呈现。该说明参照附图，其中：
图1是在现有技术涡轮机中离心散流器-喷嘴组件和燃烧室在轴向截面中的半剖视图；
图2是本发明第一实施例中散流器-喷嘴组件的立体图；
图3-13是本发明不同实施例的立体图或端视图。
具体实施方式
首先参照图1，其显示涡轮机的一部分，例如飞机的涡轮螺旋桨发动机，或涡轮喷气发动机，或直升机引擎，其沿穿过涡轮机气体流动方向从上游至下游包括：离心压缩机级10的出口；弯成L形的散流器-喷嘴组件12；和环形燃烧室14。
该散流器-喷嘴组件12包括一大致径向的上游环形部分16，该部分形成散流器，该散流器在其外边缘连接到形成喷嘴18的截头圆锥形或圆柱形下游环形部分。
该散流器16具有上游环形壁20和下游环形壁22，所述壁是平行的，并围绕涡轮机的旋转轴24径向延伸。
所述喷嘴包括两个大致平行的截头圆锥形的壁，内壁26和外壁28，所述壁向下游会聚，并由多个大致径向的叶片20连接在一起，所述叶片围绕涡轮机的轴线24均匀分布。
散流器16的入口与高压压缩机的最后级10的出口径向对正，喷嘴18的出口将空气进给到一环形壳体32，该环形壳体由外壳34在外侧限定，并包含燃烧室14。该室14大致为环形，并包括两个同轴壁36和38，所述同轴壁36和38形成一个在另一个内的俩旋转表面。
所述室的外壁38在其下游端包括一径向外环形法兰40，以紧固到外壳34的环形法兰42上。室14的内壁36在其下游端包括径向内环形法兰44，用于紧固到支撑散流器-喷嘴组件12的下游环形腹板48的下游端的环形法兰46。该腹板48的上游端与散流器16的下游环形壁22相连。
室14的环形端壁包括用于安装喷射器装置50的孔，喷射器装置50用于将空气和燃油的混合物喷入室14中，空气来自散流器-喷嘴组件12，燃油由紧固到外壳34上，并围绕涡轮机的轴线24均匀分布的喷射器52传递。
每个喷射器52均包括管54，管54从外壳34向内延伸，并与喷射头56相连，喷射头56向下游延伸进喷射器系统50中。
离开喷嘴的空气流由于叶片30的尾流中马赫数降低而造成速度沿圆周具有不均匀性。这些不均匀性在从叶片向下游的尾流中产生局部压差损失，它们使喷射器系统无法均匀得到供给，给燃烧稳定性造成障碍。
本发明通过叶片30下游的喷嘴18的内、外下游壁使得从喷嘴18的叶片30向下游的空气流能够均匀，所述壁沿径向分开，其方式为间距沿周向不同，以使与叶片30基本对正时最小，在叶片30之间时最大。此径向间隔从叶片的后缘到喷嘴内、外下游壁的下游端沿周向不同。
如图2中所示，内壁26和外壁28从叶片30向下游分别延伸到内下游壁58和外下游壁60。外下游壁60设有圆弓形的波形，所述波形的凹侧面对涡轮机的轴线。喷嘴18的内下游壁58向内倾斜，并相对于所述喷嘴18的外下游壁60背离。
外下游壁60中的圆弧数量等于喷嘴18中径向叶片30的数量。所述圆弧的形成方式为每个圆弧的中间部分位于叶片之间的中途，而其圆周端部在叶片30下游与叶片30对正。以此方式，内下游壁58和外下游壁60之间的径向间距在叶片30下游，即在叶片的尾流中与叶片30对正时最小，而在叶片30之间时处于最大值。
而且，外下游壁60中波形的波幅从叶片30的后缘到喷嘴18的出口增加。
在图3所示的另一实施例中，喷嘴18的内下游壁64包括圆弓形波形，外下游壁66相对于喷嘴18的内下游壁64径向向外背离。为了保证在叶片30下游与叶片30对正的最小径向间距，该圆弧波形的凹侧面对径向外侧。
图4和5显示本发明两个其他实施例，其中喷嘴18的内、外下游壁具有相同类型的圆弧波形。图4的实施例对应于将图2中喷嘴18的外下游壁60与图3中喷嘴18的内下游壁64相结合。在图5中，内下游壁74和外下游壁76的波形的凹侧分别面对径向内侧和径向外侧。每个圆弧的中间部分位于叶片30下游与叶片30对正处，而每个圆弧的端部位于叶片30之间的中途，以保证叶片30的尾流中喷嘴18的下游壁74和76之间的最小径向间距。
图6至8显示本发明的其他可能实施例。在图6中，喷嘴18的内下游壁78和外下游壁80为正弦曲线。在图7中，喷嘴18的下游壁82、84成钝锯齿形，在图8中，下游壁86、88由相互连接的连续V形所形成。
在图5至8的实施例中，喷嘴18的内、外下游壁围绕一旋转表面对称，该旋转表面位于这些喷嘴下游壁之间的中途。
然而，如图9中所示，也可使喷嘴18的内下游壁90和外下游壁92不相互对称。如所示，内下游壁90和外下游壁92都包括凹侧向内的圆弧波形。为了确保内下游壁90和外下游壁92之间的径向间距在叶片30下游与叶片30对正时最小，喷嘴的内下游壁90相对于喷嘴18的外下游壁92成角度偏移，该角度等于一个圆弧的角度范围的一半。因此，内下游壁90的圆弧的端部在叶片30之间的中途，外下游壁92的圆弧的端部与在叶片30下游与叶片30对正。
通过使喷嘴18内、外下游壁之间的径向间距变化，叶片30尾流中的空气流被加速以补偿它们由于叶片的存在而造成的速度损失。向喷射器系统的空气的供应因而均匀化，从而确保燃油被良好雾化，有利于稳定燃烧，并限制污染物排放。
在上述实施例中，喷嘴的波形或钝锯齿形内、外下游壁关于向下游延伸叶片或在叶片之间中途经过的径向平面对称。
在某些情况下，离开喷嘴的空气流包括一旋转部件，使得空气沿与涡轮机轴线成一角度的方向流动。可通过制造波形或钝锯齿形下游壁而更好地引导离开喷嘴的空气流，所述下游壁相对于向下游延伸叶片的径向平面不对称(图10至12)。图10显示喷嘴的波形的内下游壁94和外下游壁96，所述壁相对于上述径向平面不对称。在图11的变例中，内、外下游壁94、96的波形由相互连接的连续不对称的V形形成。每个V形部分由第一分支在V形顶部连接到比第一分支短的第二分支所形成。各V形部分的端部在一位于喷嘴叶片下游与喷嘴叶片对正的区域内相连，在内、外下游壁中的各V形部分的顶部分别沿径向向内和向外。
这些结构用来使喷嘴的内、外下游壁之间的径向间距尽可能的局部化，以使它们不位于喷嘴下游部分中叶片间距的中间，而是它们相对于所述中间位置沿周向偏置，其中在位于叶片下游与叶片对正时径向间距最小。
在图12的变化实施例中，喷嘴下游壁的波形或钝锯齿形98、100围绕压缩机的轴线成螺旋形延伸，具有对应于喷嘴18的叶片30出口处的旋转残余角的螺旋角。
当离开叶片的空气流与喷嘴叶片的壁分离时，该螺旋角可对应于该空气流的分离夹角，喷嘴的下游壁之间的径向间距在此方向最小。
本发明的众多变化是可能的，特别是可结合相同类型的内、外下游壁，即如图中所示的钝锯齿形、圆弧形、V形或正弦曲线形，或者可结合不同类型的内、外下游壁，例如外下游壁102具有锯齿，以及内下游壁104具有圆弧(图13)。
在图2和3的实施例中，不具有波形的外下游壁60或内下游壁64可分别延伸喷嘴18的内上游壁62或外上游壁68，而不相对它们倾斜。
所述内、外下游壁可与喷嘴18的内、外上游壁整体形成，或它们可焊接或机械硬焊到所述上游壁上。
在本发明散流器-喷嘴组件的一具体实施例中，喷嘴18下游壁的长度可为50毫米。
尽管参照离心式散流器-喷嘴组件给出以上描述，本发明还可用于其中散流器为轴向的并布置在同样轴向布置的最后压缩级的出口处的散流器-喷嘴组件。
可以进行喷嘴叶片出口处空气流的计算或三维测量，特别是为了适应喷嘴的内、外下游壁的三维形状，以及它们在空气流叶片下游的定位。
在特定的实施例中，例如图5至13中所示的那些实施例，喷嘴内、外下游壁之间的径向间距从叶片下游到喷嘴下游壁的下游端恒定不便，而在位于两个连续叶片之间的部分中，到喷嘴下游壁的下游端径向间距逐渐增加。

Claims (11)

1.一种散流器-喷嘴组件(12)，安装在涡轮机中压缩机的出口处，该组件包括喷嘴(18)，该喷嘴具有两个大致圆柱形的壁，一径向内壁(26)和一径向外壁(28)，所述径向内壁和径向外壁通过径向叶片(30)连接在一起，其特征在于，所述喷嘴的壁向下游延伸过径向叶片(30)，它们之间的径向间距从叶片(30)向下游沿圆周变化，其方式为大致与叶片(30)对齐时最小，在叶片(30)之间最大。
2.根据权利要求1所述的散流器-喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴(58，60)的壁随着从叶片(30)向下游而背离。
3.根据权利要求1或2所述的散流器-喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴的至少一个壁从叶片(30)向下游成波形(60)或成钝锯齿形(84，82)。
4.根据权利要求1，2或3所述的散流器-喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴的两个壁从叶片(30)向下游成波形(60，64，74，76)或成钝锯齿形(82，84)。
5.根据权利要求3或4所述的散流器-喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴(18)的壁的下游部分的波形相对于延伸叶片(30)的径向平面是对称的。
6.根据权利要求3或4所述的散流器-喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴(18)的壁的下游部分的波形相对于延伸叶片(30)的径向平面是不对称的。
7.根据权利要求6所述的散流器-喷嘴组件，其特征在于，所述波形围绕压缩机的轴线螺旋形延伸，其螺旋角对应于旋转的剩余角或对应于在喷嘴叶片出口处空气流的分离夹角。
8.根据权利要求3-7中任何一项所述的散流器-喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴(18)壁下游部分的波形为正弦曲线形、钝锯齿形、圆弧形式或V形形式。
9.根据权利要求3-8中任何一项所述的散流器-喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴下游壁的波形是相同的(60，64)，或两壁的波形为相同类型，或两壁的波形为不同类型。
10.根据前述权利要求中任何一项所述的散流器-喷嘴组件，其特征在于，该喷嘴是一单件，或其通过焊接或机械硬焊组装。
11.一种涡轮机，例如涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机或直升机引擎，其特征在于，它包括根据权利要求1-10中任何一项所述的散流器-喷嘴组件。
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