CN102536893B - 空气循环机压缩机转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气循环机（ACM）的压缩机转子，其包括多个叶片，每个叶片包括根部、尖端、第一表面和第二表面。所述第一和第二表面被限定成根据期望因数标定尺度的表M-1和表M-2或者表S1和表S-2中任一者中所列的一组X坐标、Y坐标和Z坐标。所述X坐标是沿切向方向，所述Y坐标是沿轴向方向，并且所述Z坐标是沿径向方向。

Description

空气循环机压缩机转子

技术领域

本公开内容大体涉及用于空气循环机的转子。

背景技术

空气循环机可以包括被安装在轴上共同旋转的离心压缩机和离心涡轮。离心压缩机进一步压缩被部分压缩的空气，例如从燃气涡轮发动机的压缩机接收的排出空气。压缩空气在返回离心涡轮之前被排放到下游热交换器或用于其它用途。压缩空气在涡轮中膨胀从而驱动压缩机。从涡轮输出的空气可以被用作运载工具的空气供应，该运载工具例如飞行器的机舱。

发明内容

公开的用于空气循环机（ACM）的压缩机转子包括多个叶片，每个叶片包括根部、尖端、第一表面和第二表面。第一和第二表面被限定成被缩放所需因数的表M-1和表M-2或者表S1和表S-2中的任一者中的一组X坐标、Y坐标和Z坐标。X坐标是沿切向方向，Y坐标是沿轴向方向，并且Z坐标是沿径向方向。

多个叶片包括多个主要叶片和被置于主要叶片之间的多个分流叶片。主要叶片和分流叶片限定通过公开的ACM的压缩机段的相应多个空气通路的一部分。

从下述说明和附图能够最佳地理解这里公开的这些和其他特征，下面是附图的简要说明。

附图说明

图1是示例性空气循环机的示意图。

图2是示例性压缩机转子的正面立体图。

图3是示例性压缩机转子的背面立体图。

图4是用于示例性压缩机转子的叶片的截面图。

图5是示例性压缩机转子的平面图。

图6是示例性压缩机转子的横截面图。

具体实施方式

图1示出了被结合到运载工具的空气供应系统22中的示例性空气循环机20（“ACM”），该运载工具例如飞行器、直升机或地面交通工具。ACM 20包括通常围绕主轴30设置的压缩机段24、涡轮段26和风扇段28，该主轴30包括系杆。压缩机段24包括压缩机转子32，涡轮段26包括涡轮转子34，并且风扇段28包括风扇转子36。压缩机转子32、涡轮转子34和风扇转子36被固定在主轴30上以便绕轴线A共同旋转。

示例性压缩机段24包括限定了压缩机气流路径的一部分的压缩机转子32、扩散器38和压缩机壳体40。扩散器38限定进入ACM 20内通向压缩机转子32的入口42。扩散器38还限定背离压缩机转子32的外周46径向延伸的径向流动通路44。

参考图2和图3且继续参考图1，压缩机转子32包括多个主要叶片48和相应的多个分流叶片50。分流叶片50被置于主要叶片48之间并且没有延伸主要叶片48的全部长度。叶片48、50从成型表面52延伸，该成型表面52从压缩机转子32的中心附近的轴向平行部分54过渡到在压缩机转子32的外周46处横于轴线A的横向表面56。

进入的气流最初遇到压缩机转子32的轴向部分54附近的多个主要叶片48并且被引导通过被限定在多个主要叶片48和多个分流叶片50之间的通路从而到达外周46。在压缩机转子32的外周46处，气流被进一步径向向外引导通过被限定在扩散器38内的通路44。

压缩机转子32包括不暴露于气流的背面58并且包括基本横于旋转轴线A的表面。导向凸起60从压缩机转子32的背面58轴向延伸并且被接收在密封轴62的孔内（如图1所示）。涡轮转子34也被固定到密封轴62以使得涡轮转子34和压缩机转子32作为单个单元旋转。附接到主轴30的一端的紧固构件64将压缩机转子32固定就位。

主要叶片48和分流叶片50包括根部66、尖端68、前缘70、后缘72、左表面74和右表面76，其均被成型为提供通过压缩机段24的所需气流。主要叶片48和分流叶片50从成型毂表面52延伸，该成型毂表面52被限定在主要叶片48和分流叶片50之间。成型毂表面52与主要叶片48和分流叶片50的表面一同通过利用计算流体动力学（CFD）分析软件来限定，并且被修整成针对特定ACM性能参数提供性能需求。

每个主要叶片48和每个分流叶片50的左和右表面74、76的构造在各种尺寸参数方面是变化的，所述尺寸参数例如曲率、厚度、扭曲、从根部到尖端的锥度、距前缘的半径、距后缘的半径、以及前缘和后缘从根部到尖端的笔直度。此外，示例性压缩机转子32可以被直接放大或缩小以便满足不同的ACM性能需求。

参考图4、图5和图6，多个主要和分流叶片48、50中的每个叶片包括被成形为提供从前缘70到后缘72的连续轮廓的左表面74和右表面76。在这个公开的示例性实施例中，观察包括主要和分流叶片48、50的压缩机转子32的前部（图5）来确定左和右。

主要和分流叶片48、50中每个叶片的形状可以由沿各表面边界的一组点来限定，这组点例如在本示例中是笛卡尔坐标。

因为难以使用文字描述来全面地记录各叶片表面的三维尺寸轮廓，所以针对表M1和表M2中的左和右叶片表面提供一个非限制性尺寸实施例。

表M1和表M2以各叶片表面的X、Y和Z的笛卡尔坐标系示出。笛卡尔坐标系具有相互正交的X、Y和Z轴线，其中Z轴线相对于旋转轴线A大致沿径向方向延伸并且与基准B相关。相对于Z提供用于确定各径向位置处的叶片表面的X和Y坐标值，其中公开的表中的Z坐标值代表基准B处等于一（1）的无量纲值。也就是说，在表中所公开的无量纲值Z被提供作为相对于基准B的比率。应该理解，可以替代地或额外地使用各种参考基准。

通过沿径向方向（即相对于基准B沿Z方向）定义在选定位置处的X和Y坐标值，确定了叶片48、50的左和右表面。通过使用平滑连续弧连接X和Y值，限定了相关联的径向距离Z处的各外形表面。因而通过连接相邻表面外形来确定径向距离Z之间各径向位置处的表面外形。虽然以所公开的方式来定向X、Y和Z轴线，不过应该意识到X、Y和Z轴线可以具有任意取向，只要轴线相对于彼此正交且一条轴线沿叶片的高度延伸即可。

表中的值以英寸为单位并且呈现了针对无涂覆翼型在大气环境、非运转或非热态情况下的实际翼型外形，下文将描述带涂层情况。

            表M1                                                                      表M2                 。

此外，在表S1和表S2中分别提供了分流叶片的第一和第二表面48、50中各表面的轮廓。

            表S1                                                                       表S2                    。

各主要和分流叶片的尖端轮廓对应于扩散器38的相应表面（图1）以便限定通过压缩机段24的气流通路的一部分。相对于毂成型表面52来限定主要和分流叶片48、50二者的尖端表面68的轮廓。在一种非限制性尺寸实施例中，通过成对的轴向尺寸K和径向尺寸J来限定各主要和分流叶片48、50的尖端表面轮廓。

在一种非限制性尺寸实施例中，通过一组成对的轴向尺寸M和径向尺寸L来限定毂成型表面52。从压缩机转子32的背面58如基准表面E所示（图6）限定轴向尺寸K和M。以轴向尺寸K和径向尺寸J来公开尖端外形。以相应表中的轴向尺寸M和径向尺寸L公开了毂外形。J和L尺寸相对于旋转轴线A沿大体径向方向被限定并且与基准B相关。用于确定表中相关联的轴向坐标K和M处的相应尖端和毂外形的J和L坐标值被提供作为相对于基准B的比率。也就是说，表中的J和L坐标值代表基准B处等于一（1）的无量纲值。应该理解，可以替代地或额外地使用各种参考基准。表中的值以英寸为单位，并且呈现了针对无涂覆翼型在大气环境、非运转或非热态情况下的实际叶片外形，下文将描述带涂层情况。在非限制性尺寸实施例中，在表T-1中定义了限定尖端表面68轮廓的成对尺寸K和J的集合。

表T-1           。

此外，在这种非限制性尺寸实施例中，在表H-1中定义了限定毂成型表面52的成对尺寸M和L的集合。

表H-1         。

通过表T-1和表H-1中定义的所公开的尺寸实施例，从前缘70到后缘72限定了成型尖端表面68和毂表面52。限定的尺寸能够被直接放大或缩小从而针对ACM 20的特定需求来修整压缩机转子构造且同时保持落入所公开尺寸实施例的范围和构想内。

随着工作期间叶片升温，施加的应力以及叶片所感生的温度会不可避免地导致翼型形状的某些变形，并且因而表中的坐标值会存在一些改变或移位。虽然不可能测量工作时表中坐标值的变化，但是已经确定了表中坐标值加上使用中的变形能够实现有效、安全且平缓的运转。

应该意识到，表中坐标值几何上可以被放大或缩小以便被引入其他类似的机械设计。因此，可以想到，通过使得表中各坐标值乘以或除以预定常数n，可以获得所列出的表中坐标值的换算版本。应该意识到，表中坐标值可以被看做n等于1情况下的换算外形，并且通过将n分别调整成大于或小于1的值来获得更大或更小尺寸的部件。

表中的值是计算机生成的并且被显示到小数点后四位。不过，考虑到制造约束，适用于部件制造的实际值被看作是确定所要求外形的值。例如，存在外形中必须考虑到的典型制造容差。因而，表中坐标值是针对名义部件的。因此，将意识到，加或减典型制造容差适用于表中坐标值并且具有基本根据这些值而定的外形的部件包括这样的容差。例如，大约+-0.030英寸（0.76mm）的制造容差应该被认为落入部件的设计限制内。因此，部件的机械和空气动力学性能不会受到制造缺陷和容差的损害，在不同实施例中，部件可以大于或小于所公开的表中列出的值。如本领域技术人员意识到的，制造容差可以被确定成与所公开的表中列出的理想部件外形点相关地实现所制造部件的所需平均和标准偏差。

此外，根据表中的值且落入上述容差范围内，部件还可以被涂覆以便在部件被制造之后抵抗腐蚀和氧化。因而，除了表中坐标值的制造容差之外，还额外地要考虑到涂层厚度。可以想到，在本发明的可替代实施例中可以使用更大或更小的涂层厚度值。因而，除了制造容差之外，还需要修改表中坐标值以便考虑到可能的涂层厚度。可以想到，在本发明的可替代实施例中可以使用更大或更小的涂层厚度值。

参考图1，在公开的ACM 20中组装压缩机转子32包括将涡轮转子34、风扇转子36安装到主轴30。示例性涡轮转子34包括被接收到密封轴62的一端内的导向凸起部分78。压缩机转子32被附接到主轴30，以使得导向凸起60被接收在密封轴62的第二端内，该第二端与固定涡轮转子34的侧面相对。紧固件64被附接到主轴30并且保持压缩机转子32就位。之后，扩散器38被固定到ACM壳体部分80。扩散器38的一部分包括成型表面82，该成型表面82在具有一定间隙的情况下遵循压缩机转子32的尖端表面68以提供旋转。示例性扩散器38限定通向压缩机转子32的入口42和由压缩机壳体40限定的进入压缩机出口通路82的径向延伸出口通路44。压缩机出口通路82至少部分地由附接到且密封到扩散器38的压缩机壳体40限定。

虽然已经公开了示例性实施例，不过本领域的普通技术人员将意识到某些变型会落入本公开内容的范围内。为此，应该研究所附权利要求来确定本发明的范围和内容。

Claims (22)

1.空气循环机的压缩机转子，包括：

毂，其包括从其延伸的多个叶片，所述多个叶片中的每一个包括根部、尖端、第一和第二表面，其中所述第一和第二表面中的每个被限定成被缩放所需因数的表M1和表M2或者表S1和表S2中任一者中所列的一组X坐标、Y坐标和Z坐标，所述X坐标是沿切向方向，所述Y坐标是沿轴向方向，并且所述Z坐标是沿径向方向，

表M1限定为：

表M2限定为：

表S1限定为：

表S2限定为：

其中，B代表基准。

2.根据权利要求1所述的压缩机转子，其中所述多个叶片包括由被缩放至所需因数的表T-1中所限定的一组点限定的尖端轮廓，该组点具有成对的距参考表面的轴向坐标K和距所述压缩机转子的中心线的径向坐标J，

表T-1限定为：

其中，B代表基准。

3.根据权利要求1所述的压缩机转子，其中所述多个叶片之间的表面包括毂轮廓，该毂轮廓被限定成缩放至所需因数的表H-1中所限定的一组点，该组点具有成对的距参考表面的轴向坐标M和距所述压缩机转子的中心线的径向坐标L，

表H-1限定为：

其中，B代表基准。

4.根据权利要求1所述的压缩机转子，其中所述多个叶片包括多个主要叶片和被置于所述多个主要叶片之间的相应多个分流叶片，所述多个主要叶片由表M1和表M2中列出的X坐标、Y坐标和Z坐标限定，所述多个分流叶片由表S1和表S2中列出的X坐标、Y坐标和Z坐标限定。

5.根据权利要求1所述的压缩机转子，其中所述多个叶片中的每个均包括在所述第一和第二表面之间的基本均一的宽度。

6.根据权利要求1所述的压缩机转子，其中由所述表所限定的每个所述表面均按制造容差来调整。

7.根据权利要求6所述的压缩机转子，其中所述制造容差是+/-0.030英寸（0.76mm）。

8.空气循环机的压缩机转子，包括：

毂，其包括从其延伸的多个叶片，所述多个叶片中的每一个包括根部、尖端、第一表面和第二表面，其中尖端轮廓由被缩放至所需因数的表T-1中所限定的一组点限定，该组点具有成对的距参考表面的轴向坐标K和距压缩机转子的中心线的径向坐标J，

表T-1限定为：

其中，B代表基准。

9.根据权利要求8所述的压缩机转子，其中被置于所述多个叶片之间的毂表面由缩放至所需因数的表H-1中所限定的一组点来限定，该组点具有成对的距参考表面的轴向坐标M和距压缩机转子的中心线的径向坐标L，

表H-1限定为：

其中，B代表基准。

10.根据权利要求8所述的压缩机转子，其中所述多个叶片包括多个主要叶片和被置于所述多个主要叶片之间的相应多个分流叶片，所述多个主要叶片由表M1和表M2中列出的X坐标、Y坐标和Z坐标限定，所述多个分流叶片由表S1和表S2中列出的X坐标、Y坐标和Z坐标限定，

表M1限定为：

表M2限定为：

表S1限定为：

表S2限定为：

其中，B代表基准。

11.根据权利要求8所述的压缩机转子，其中由所述表所限定的每个所述表面均按制造容差来调整。

12.空气循环机，包括：

主轴，其具有安装成绕轴线旋转的风扇、涡轮转子和压缩机转子；

支持所述主轴旋转的壳体；以及

接近所述压缩机转子安装以用于引导来自压缩机转子的气流的压缩机扩散器，其中所述压缩机转子包括从其延伸的多个叶片，所述多个叶片中的每一个包括根部、尖端、第一和第二表面，其中所述第一和第二表面中的每个被限定成缩放所需因数的表M1和表M2或者表S1和表S2中任一者中所列的一组X坐标、Y坐标和Z坐标，所述X坐标是沿切向方向，所述Y坐标是沿轴向方向，并且所述Z坐标是沿径向方向，

表M1限定为：

表M2限定为：

表S1限定为：

表S2限定为：

其中，B代表基准。

13.根据权利要求12所述的空气循环机，其中所述多个叶片包括多个主要叶片和被置于所述多个主要叶片之间的相应多个分流叶片，所述多个主要叶片由表M1和表M2中列出的一组X坐标、Y坐标和Z坐标限定，所述多个分流叶片由表S1和表S2中列出的X坐标、Y坐标和Z坐标限定。

14.根据权利要求12所述的空气循环机，其中尖端轮廓由被缩放至所需因数的表T-1中所限定的一组点限定，该组点具有成对的距参考表面的轴向坐标K和距压缩机转子的中心线的径向坐标J，

表T-1限定为：

其中，B代表基准。

15.根据权利要求14所述的空气循环机，其中所述尖端轮廓对应于所述压缩机扩散器的表面。

16.根据权利要求12所述的空气循环机，其中所述压缩机转子包括被置于所述多个叶片之间的毂表面，该毂表面由缩放至所需因数的表H-1中所限定的一组点限定，该组点具有成对的距参考表面的轴向坐标M和距压缩机转子的中心线的径向坐标L，

表H-1限定为：

其中，B代表基准。

17.根据权利要求12所述的空气循环机，其中每个所述表中所限定的每个所述表面均按制造容差来调整。

18.向空气循环机中安装压缩机转子的方法，该方法包括：

将绕轴线旋转的压缩机转子安装在扩散器附近从而限定压缩机气流路径的至少一部分，其中所述压缩机转子包括从其延伸的多个叶片，所述多个叶片中的每一个包括根部、尖端、第一和第二表面，其中所述第一和第二表面中的每个被限定成缩放所需因数的表M1和表M2或者表S1和表S2中任一者中所列的一组X坐标、Y坐标和Z坐标，所述X坐标是沿切向方向，所述Y坐标是沿轴向方向，并且所述Z坐标是沿径向方向，

表M1限定为：

表M2限定为：

表S1限定为：

表S2限定为：

其中，B代表基准。

19.根据权利要求18所述的安装压缩机转子的方法，其中所述多个叶片包括多个主要叶片和被置于所述多个主要叶片之间的相应多个分流叶片，所述多个主要叶片由表M1和表M2中列出的一组X坐标、Y坐标和Z坐标限定，所述多个分流叶片由表S1和表S2中列出的X坐标、Y坐标和Z坐标限定。

20.根据权利要求18所述的安装压缩机转子的方法，其中所述多个叶片的尖端轮廓由被缩放至所需因数的表T-1中所限定的一组点限定，该组点具有成对的距参考表面的轴向坐标K和距压缩机转子的中心线的径向坐标J，

表T-1限定为：

其中，B代表基准。

21.根据权利要求20所述的安装压缩机转子的方法，包括将所述尖端轮廓限定成对应于所述扩散器的成型表面。

22.根据权利要求18所述的安装压缩机转子的方法，包括按制造容差来调整每个所述表中所限定的每个表面。