CN102562172A - 空气循环机的涡轮转子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空气循环机的涡轮转子，其包括毂，毂具有从其延伸的多个涡轮叶片，所述多个涡轮叶片中的每一个由一组坐标限定。

Description

空气循环机的涡轮转子
技术领域
本公开内容涉及空气循环机，并且更具体地涉及用于空气循环机的涡轮转子。
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
根据本公开内容的示例性方面用于空气循环机的涡轮转子包括毂，该毂具有从其延伸的多个涡轮叶片，所述多个涡轮叶片中的每一个由缩放所需因数的表B-1和表B-2或者表S-1和表S-2中任一者中的一组X坐标、Y坐标和Z坐标所限定，X坐标是切向方向，Y坐标是轴向方向，并且Z坐标是径向方向。
根据本公开内容的示例性方面用于空气循环机的涡轮转子包括毂，该毂具有从其延伸的多个涡轮叶片，所述多个涡轮叶片中的每一个具有尖端轮廓，该尖端轮廓由被缩放所需因数的表C-1中的一组点所限定，该组点包括成对的距涡轮转子的中心线的轴向尺寸K和距参考表面的径向尺寸J。
根据本公开内容的示例性方面用于空气循环机的涡轮转子包括毂，该毂具有从其延伸的多个涡轮叶片，所述毂具有毂轮廓，该毂轮廓由被缩放所需因数的表C-1中的一组点所限定，该组点包括成对的距涡轮转子的中心线的轴向尺寸M和距参考表面的径向尺寸L。
根据本公开内容的示例性方面的空气循环机包括涡轮转子，该涡轮转子具有多个涡轮叶片，所述多个涡轮叶片中的每一个具有被缩放所需因数的表B-1和表B-2或者表S-1和表S-2中任一者中所限定的一组X坐标、Y坐标和Z坐标，X坐标是切向方向，Y坐标是轴向方向，并且Z坐标是径向方向。
根据本公开内容的示例性方面的在空气循环机中安装涡轮转子的方法包括在涡轮护罩内安装具有多个涡轮叶片的涡轮转子以便至少部分地限定涡轮流动路径，所述多个涡轮叶片中的每一个具有缩放所需因数的表B-1和表B-2或者表S-1和表S-2中任一者中所限定的一组X坐标、Y坐标和Z坐标，X坐标是切向方向，Y坐标是轴向方向，并且Z坐标是径向方向。
附图说明
从下文对于公开的非限制性实施例的详细说明，本领域的技术人员将显而易见到各种特征。详细说明的附图能够如下所述被简要描述：
图1示出了示例性空气循环机的示意性截面图；
图2示出了涡轮转子的立体图；
图3示出了涡轮转子的主视图；
图4是沿图3中线4-4截取的涡轮转子的截面图；以及
图5是沿图3中线4-4截取的涡轮转子的截面图。
具体实施方式
图1示意性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（例如系杆）设置的压缩机段24、涡轮段26和风扇段28。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。
涡轮段26通常包括被装纳在涡轮壳体段44内的涡轮转子34、涡轮护罩38和涡轮喷嘴40。涡轮段26轴向位于风扇段28和压缩机段24之间。涡轮护罩38轴向附接在涡轮喷嘴40的下游以便限定涡轮转子34的涡轮流动路径46。
参考图2所示的涡轮转子34的立体图、图3的主视图和图4的横截面图，涡轮转子34通常包括具有多个涡轮主要叶片52和多个涡轮分流叶片54的毂50。多个涡轮主要叶片52和多个涡轮分流叶片54围绕毂50等距且交替地隔开。涡轮喷嘴40的涡轮叶瓣56位于涡轮主要叶片52和涡轮分流叶片54的上游。
涡轮叶片52、54和涡轮叶瓣56可以使用计算流体动力学（CFD）分析软件来设计并且被优化成满足特定ACM的特定性能需求。每个涡轮叶片52、54包括左表面58和右表面60（图5）。涡轮叶片52、54的形状可以由沿其边界的一组点来限定，这组点例如是笛卡尔坐标。
参考图5，每个涡轮叶片52、54包括左表面58和右表面60（图5）。涡轮叶片52、54的形状可以由限定其边界的一组点来限定，这组点例如是笛卡尔坐标。因为难以对这里描述的各叶片52、54的三维表面形状进行适当的文字描述，所以针对主要叶片52表面使用表B-1、表B-2且针对分流叶片54表面使用表S-1、表S-2来提供了一种非限制性尺寸实施例的坐标。形状的特征可以彼此间不同，并且均可以被直接放大或缩小所需因数以便满足不同的需求。
表以翼型表面的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翼型表面的X和Y坐标值，其中这里公开的表中的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，可以可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，确定了翼型的左和右表面。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（surface profile）来确定径向距离Z之间各径向位置处的表面外形。虽然以上述方式来定向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。
Figure 865811DEST_PATH_IMAGE001
Figure 720634DEST_PATH_IMAGE002
参考图4，相对于毂50的毂轮廓限定各涡轮叶片52、54的尖端轮廓。尖端轮廓在具有偏移间隙（offset clearance）的情况下紧密匹配相邻涡轮护罩38以便提供所需转子性能。
这里通过成对的轴向尺寸K和径向尺寸J在尺寸上限定各涡轮叶片52、54的尖端轮廓。通过成对的轴向尺寸M和径向尺寸L在尺寸上限定毂50的毂轮廓。
在表C-1中提供成对的尺寸J、K和L、M以便沿其跨度限定各涡轮叶片52、54的尖端轮廓。形状的特征可以相互间不同，并且均可以被直接放大或缩小所需因数以便满足不同的需求。
在相应表中，以轴向尺寸K和径向尺寸J公开了尖端外形，并且以轴向尺寸M和径向尺寸L公开了毂外形。J和M坐标相对于旋转轴线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M坐标值被提供作为相对于基准B的比率。也就是说，这里表中的J和M坐标值代表基准B处等于一（1）的无量纲值。应该理解，可以可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翼型外形，下文将描述带涂层情况。
Figure 500371DEST_PATH_IMAGE003
随着工作期间上述翼型升温，施加的应力以及翼型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中。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作n等于1情况下的换算外形，并且分别通过将n调整成大于或小于1的值来获得更大或更小尺寸的部件。
表中坐标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，存在该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翼型的。因此，将意识到，加或减典型制造容差适用于这些表中坐标值并且具有基本根据这些值而定的外形的翼型包括这样的容差。例如，对于叶片表面通常大约+-0.030英寸的制造容差应该被认为落入翼型的设计限制内。因此，翼型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，翼型可以大于或小于上文列出的值。如本领域技术人员意识到的，制造容差可以被确定成与表中列出的理想翼型外形点相关地实现所制造翼型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，针对表中坐标值除了制造容差之外，还可能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。
应该理解贯穿几幅图，类似附图标记指代相应或类似元件。还应该理解虽然在所述实施例中公开了具体部件设置，不过从其可以获得其他设置。
虽然示出、描述并要求了具体步骤次序，不过应该理解，除非另外指出否则可以以任意顺序、单独地或组合地实现各步骤，并且这仍旧得自于本发明。
上述说明是示例性的而不是由其限制。虽然这里公开了各种非限制性实施例，不过本领域的技术人员将意识到根据上述教导的各种改进和改型将落入所附权利要求的范围内。因此，应该理解在所附权利要求范围内本发明可以实施成除特别描述之外的其他形式。为此，应该研究所附权利要求以确定实际范围和内容。

Claims (24)

1.空气循环机的涡轮转子，包括：
毂，该毂具有从其延伸的多个涡轮叶片，所述多个涡轮叶片中的每一个由被缩放所需因数的表B-1和表B-2或者被缩放所需因数的表S-1和表S-2中任一者中的一组X坐标、Y坐标和Z坐标所限定，所述X坐标是切向方向，所述Y坐标是轴向方向，并且所述Z坐标是径向方向。
2.根据权利要求1所述的涡轮转子，其中所述多个涡轮叶片具有由被缩放所需因数的表C-1中的一组点所限定的尖端轮廓，该组点包括成对的距所述涡轮转子的中心线的轴向尺寸K和距参考表面的径向尺寸J。
3.根据权利要求2所述的涡轮转子，其中所述毂具有毂轮廓，该毂轮廓由被缩放所需因数的表C-1中的一组点所限定，该组点包括成对的距所述涡轮转子的中心线的轴向尺寸M和距参考表面的径向尺寸L。
4.根据权利要求1所述的涡轮转子，其中所述毂具有毂轮廓，该毂轮廓由被缩放所需因数的表C-1中的一组点所限定，该组点包括成对的距所述涡轮转子的中心线的轴向尺寸M和距参考表面的径向尺寸L。
5.根据权利要求1所述的涡轮转子，其中每个所述表均按制造容差来调整。
6.根据权利要求5所述的涡轮转子，其中所述制造容差是大约+-0.03英寸（0.76mm）。
7.空气循环机的涡轮转子，包括：
毂，该毂具有从其延伸的多个涡轮叶片，所述多个涡轮叶片中的每一个具有尖端轮廓，该尖端轮廓由被缩放所需因数的表C-1中的一组点所限定，该组点包括成对的距所述涡轮转子的中心线的轴向尺寸K和距参考表面的径向尺寸J。
8.根据权利要求7所述的涡轮转子，其中所述多个涡轮叶片中的每一个由被缩放所需因数的表B-1和表B-2或者被缩放所需因数的表S-1和表S-2中任一者中的一组X坐标、Y坐标和Z坐标所限定，所述X坐标是切向方向，所述Y坐标是轴向方向，并且所述Z坐标是径向方向。
9.根据权利要求7所述的涡轮转子，其中所述毂具有毂轮廓，该毂轮廓由被缩放所需因数的表C-1中的一组点所限定，该组点包括成对的距所述涡轮转子的中心线的轴向尺寸M和距参考表面的径向尺寸L。
10.根据权利要求7所述的涡轮转子，其中每个所述表均按制造容差来调整。
11.空气循环机的涡轮转子，包括：
毂，该毂具有从其延伸的多个涡轮叶片，所述毂具有毂轮廓，该毂轮廓由被缩放所需因数的表C-1中的一组点所限定，该组点包括成对的距所述涡轮转子的中心线的轴向尺寸M和距参考表面的径向尺寸L。
12.根据权利要求11所述的涡轮转子，其中所述多个涡轮叶片具有由被缩放所需因数的表C-1中的一组点所限定的尖端轮廓，该组点包括成对的距所述涡轮转子的中心线的轴向尺寸K和距参考表面的径向尺寸J。
13.根据权利要求11所述的涡轮转子，其中所述多个涡轮叶片中的每一个由被缩放所需因数的表B-1和表B-2或者被缩放所需因数的表S-1和表S-2中任一者中的一组X坐标、Y坐标和Z坐标所限定，所述X坐标是切向方向，所述Y坐标是轴向方向，并且所述Z坐标是径向方向。
14.根据权利要求11所述的涡轮转子，其中每个所述表均按制造容差来调整。
15.空气循环机，包括：
涡轮转子，该涡轮转子具有多个涡轮叶片，所述多个涡轮叶片中的每一个具有被缩放所需因数的表B-1和表B-2或者被缩放所需因数的表S-1和表S-2中的任一者中所限定的一组X坐标、Y坐标和Z坐标，所述X坐标是切向方向，所述Y坐标是轴向方向，并且所述Z坐标是径向方向。
16.根据权利要求15所述的空气循环机，其中所述多个涡轮叶片具有由被缩放所需因数的表C-1中的一组点所限定的尖端轮廓，该组点包括成对的距所述涡轮转子的中心线的轴向尺寸K和距参考表面的径向尺寸J。
17.根据权利要求15所述的空气循环机，其中所述毂具有毂轮廓，该毂轮廓由被缩放所需因数的表C-1中的一组点所限定，该组点包括成对的距所述涡轮转子的中心线的轴向尺寸M和距参考表面的径向尺寸L。
18.根据权利要求15所述的空气循环机，其中所述涡轮转子在涡轮护罩内。
19.根据权利要求15所述的空气循环机，还包括在所述涡轮转子上游的涡轮喷嘴。
20.根据权利要求15所述的空气循环机，其中每个所述表均按制造容差来调整。
21.在空气循环机中安装涡轮转子的方法，包括：
在涡轮护罩内安装具有多个涡轮叶片的涡轮转子以便至少部分限定涡轮流动路径，所述多个涡轮叶片中的每一个具有被缩放所需因数的表B-1和表B-2或者被缩放所需因数的表S-1和表S-2中的任一者中所限定的一组X坐标、Y坐标和Z坐标，所述X坐标是切向方向，所述Y坐标是轴向方向，并且所述Z坐标是径向方向。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：
将所述涡轮转子安装在涡轮喷嘴的下游。
23.根据权利要求21所述的方法，还包括：
限定所述多个涡轮叶片以便具有由被缩放所需因数的表C-1中的一组点所限定的尖端轮廓，该组点包括成对的距所述涡轮转子的中心线的轴向尺寸K和距参考表面的径向尺寸J以便遵循所述涡轮护罩的轮廓。
24.根据权利要求21所述的方法，还包括：
按制造容差来调节每个所述表中的所述一组点所限定的壁内部表面。
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