CN103608593A

CN103608593A - 涡轮机组组件

Info

Publication number: CN103608593A
Application number: CN201280029443.2A
Authority: CN
Inventors: 阿格尼斯·帕斯蒂尔; 文森特·佩罗特; 基恩-克里斯托弗·杰拉德·罗杰·博尼费斯
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2032-06-11
Also published as: EP2721306B1; FR2976634B1; US9726197B2; JP6034860B2; EP2721306A1; WO2012172246A1; RU2014100895A; CA2837819C; CA2837819A1; RU2598970C2; JP2014517205A; CN103608593B; US20140286768A1; BR112013030931B1; BR112013030931A2; FR2976634A1

Abstract

本发明涉及涡轮机组领域，并且尤其涉及一种涡轮机组组件（100，200，300，400a，400b），其包括：具有在侧向上彼此偏移的多个叶片（105，205，304，404，405）的叶片装置（103，203，302，402，403）；以及，在每个叶片的至少一个端部的上游处侧向地且轴向地彼此偏移的一套几个涡流生成装置（115，215，315，415a，415b，415c）。

Description

涡轮机组组件

本发明涉及涡轮机组领域，尤其涉及一种涡轮机组组件，所述涡轮机组组件包括：翼型设备，所述翼型设备具有多个在侧向上彼此偏移的翼型；以及，涡流发生器装置，所述涡流发生器装置在与所述侧向垂直的轴向上布置在所述设备上游。

在本申请文件中所使用的术语“涡轮机组”指的是其中能量能够在流体流和至少一个翼型设备之间转移的任何机器，所述翼型设备诸如是，例如，压气机、泵、涡轮机或实际上它们中的至少两个的组合。这种涡轮机组可以具有多个级，每个级通常具有两个翼型设备，即，可移动叶片设备和固定导向叶片设备。每个翼型设备包括多个在侧向上彼此偏移的翼型。通常地，翼型绕着中心轴线径向地布置。因此，当一个这种翼型设备包括可移动叶片设备时，其形成转子，或者，当其包括导向叶片设备时，其形成定子。在这种定子中，每个叶片通常通过近端部或叶片根部被连接到内罩并且通过外端部或叶片尖端被连接到外罩。该内罩和外罩通常基本同轴，例如，如在公开号FR2896019的法国专利申请中所表示的。

每个翼型具有轮廓，所述轮廓具有吸力侧、压力侧、前缘和后缘并且在运行期间受到工作流体的流的影响。在以下描述中，术语“上游”和“下游”相对于工作流体的正常流动方向限定。在某些运行条件下，尤其在高压压气机中，可能发生该流与吸力侧分离。更特别地，在翼型根部处，可能发生三维分离，形成了“角涡流”。该角涡流通过在角中具有低动能的颗粒积累而生成，所述角在吸力侧和形成翼型的基底的内罩之间形成。其尤其导致压气机效率的极大损失。

为了减少这种角涡流，在国际专利申请WO2008/046389A1中提出方案，在翼型设备上游放置涡流发生器装置。在运行期间，这些装置所生成的涡流将能量传递到邻近于吸力侧的边界层的流，以便防止局部分离形成翼型角涡流。

然而，使用这种涡流发生器装置导致出现某些问题。首先，涡流发生器装置向工作流体流提供尽可能小的阻力以便最小化气动损失是优选的。其次，该装置应该优选地以这种方式局部地再引导流体流，以便引导其所生成的涡流朝向吸力侧。通常，这意味涡流发生器装置必须具有自己的翼型轮廓，所述翼型轮廓在其前缘处具有相对于流体的通常流动方向的小迎角，同时在其后缘处具有大的入射角。然而，制造包含通常是小尺寸的涡流发生器翼型装置的涡轮机组组件是困难且昂贵的。

本发明寻求通过提出涡轮机组组件来弥补这些缺陷，所述涡轮机组组件具有：翼型设备，所述翼型设备具有多个在侧向上彼此偏移的翼型；以及，涡流发生器装置，所述涡流发生器装置在垂直于所述侧向的轴向上，布置在所述翼型设备上游，以便在翼型的吸力侧处有效地减少局部分离，同时具有低的气动损失和易于制造。

在第一方面，在至少一个实施方式中，该目的通过下来事实而达到：涡轮机组组件包括每个翼型一个端部上游的一组的多个涡流发生器装置，在每组中的涡流发生器装置都侧向地且轴向地相互偏移。特别地，每组的至少三个涡流发生器装置可以包括至少三个这种装置。在该组中、每个翼型上游的各种涡流发生器装置之间的轴向偏移和切向偏移用作朝向翼型的吸力侧再引导该装置所生成的涡流，即使每个单独装置以相对于流体流的迎角被定向，所述迎角是小的，例如，位于5度至15度的范围内，以便最小化其所具有的阻力，并且，所述迎角的形状是简单的，以便使其更易于制造。

在第二个方面，至少一些涡流发生器装置包括至少一个鳍。特别地，鳍可以具有基本直的弦。这种鳍可以形成制造特别简单的涡流发生器装置。然而，还可以考虑做为鳍的可替代件或它们的组合的其他类型的涡流发生器装置。例如，至少一些涡流发生器装置可以包括至少一个凹口，所述凹口在用于翼型端部的支持件中形成。

在第三方面，在每组中的涡流发生器装置具有基本平行的定向，从而在限制气动损失的同时进一步简化涡流发生器装置的制造。

在第四方面，涡轮机组组件翼型设备的翼型绕着中心轴线径向地布置。因此，涡轮机组适合使可移动翼型设备绕着中心轴线旋转。然而，例如，利用以线性方式移动的翼型，原理上可以存在其他形式的涡轮机组。在径向设备中，每个翼型具有被称为“根部”的近端部和被称为“尖端”的远端部。在这种情况下，一组的多个涡流发生器装置可以定位在每个根部上游。因为角涡流更可能在根部处形成，所以，涡流发生器装置在该位置中更有用。然而，作为可替代方案或除了该配置外，一组的多个涡流发生器装置还可以位于翼型尖端上游。虽然角涡流不太可能在翼型尖端处形成，但是涡流发生器装置还可能用于消除在该位置处出现的这种现象。

在第五个方面，涡轮机组组件的翼型设备是出口导向叶片设备。在压气机中，特别在高压压气机中，角涡流更可能在出口导向叶片设备处形成。然而，作为可替代方案或除了这种出口导向叶片设备外，涡轮机组组件还可以包括可移动翼型设备，尤其是一套转子叶片，这种涡流发生器装置布置在可移动叶片设备上游，以便消除在该位置中角涡流的形成。

例如通过将涡流发生器装置的形状合并在用于通过铸造制造翼型设备的模具中，涡流发生器装置可以与翼型设备一体地形成，和/或通过在翼型设备的块上机械加工涡流发生器装置，它们可以与翼型设备一体地形成。然而，作为可替代的方案，它们可以单独地制造并被紧固在翼型的前面。在任何情况下，涡流发生器装置的高度可以特别是紧邻其下游的翼型高度的大约2%至8%之间。

本说明书也涉及具有本发明的至少一个涡轮机组组件的涡轮机组。这种涡轮机组可以是压气机、泵、涡轮机或实际上是它们中至少两个的组合，诸如例如，涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺桨发动机、涡轮泵和/或涡轮压气机。尤其地，在涡轮机组中，所述涡轮机组组件可以是压气机组件。然而，涡轮机组组件可以可替代地是泵组件或涡轮机组件。

通过阅读做为非限制性实施例而给出的五个实施方式的以下详细描述，可以很好地理解本发明并且更好地显示其优点。该说明参考附图，其中：

图1是现有技术压气机的纵向示意截面图；

图2是图1中受到角涡流作用的压气机的叶片的示意立体图；

图3是在第一实施方式中的压气机组件的区段的示意立体图；

图4是在曲面IV-IV上部分中图3的区段的示意扩展图；

图5是在线V-V上部分中图3和4的区段的纵向示意图；

图6是在第二实施方式中压气机组件的纵向示意截面图；

图7是在第三实施方式中压气机组件的纵向示意截面图；

图8是由第四实施方式中的涡轮定子和第五实施方式中的涡轮转子组成的涡轮级的纵向示意截面图。

图1表示旁路涡轮喷气发动机，更详细地，表示其高压压气机级1。该典型的现有技术压气机级1包括两个主要部分：“转子”叶片的旋转地可移动的翼型设备2；以及，“定子”导向叶片的固定翼型设备3。当都在转子2和定子3中时，叶片4和叶片5绕着中心轴线X径向地布置。因此，转子2的每个叶片4具有：近端部4a，所述近端部4a被称为叶片“根部”，所述叶片“根部”被固定到旋转轮毂6；以及，远端部4b，所述远端部4b被称为叶片“尖端”，所述叶片“尖端”邻近于压气机1的壳体的固定外罩7。类似地，定子3的每个叶片5具有：近端部5a，所述近端部5a也被称为叶片“根部”，所述叶片“根部”被固定到固定内罩8；以及，远端部5b，所述远端部5b被称为叶片“尖端”，所述叶片“尖端”被固定到外罩7。

在运行期间，绕着中心轴线X的转子2的叶片4的旋转驱动工作流体，通常地为气体或诸如空气的气体混合物，两者都轴向地平行于中心轴线X并且周向地在垂直于轴向的侧向上。从转子2向下游地，定子3的叶片5沿着轴向整流工作流体流，并且通过这么做将工作流体的大部分动压转换成静压。

与这种压气机级1有关的特别问题在图2中表示。当在叶片根部5b处、在定子3的叶片5的吸力侧5c上时，在吸力侧5c上和在内罩8上的边界层的汇流产生低能区域，所述低能区域可能导致被称为“角涡流”的分离9。该角涡流9对压气机1的气动性能有明显的不良影响。当在定子中3时，通过相对于定子3、从下游到上游流回到内罩8下的工作流体，该不良影响可能会进一步恶化，从而在转子2的轮毂6和内罩8之间产生泄漏流，该泄漏流干扰了定子3的叶片5直接上游的驱动流体的流动。然而，角涡流还可以在转子2的叶片4上形成，并且，当在转子2和定子3两者中时，它们都可以在根部处和在翼型的尖端处形成。

图3表示了第一实施方式，其中，压气机组件100包括一套导向叶片103，所述导向叶片103采用具有多个叶片105的定子的形式，所述叶片105绕着中心轴线X径向地布置并且在侧向上，即在周向上彼此偏移。该压气机组件100被设计成紧邻绕着中心轴线X旋转的转子（未示出）下游被定位，以便整流转子下游的工作流体的流，以使其在基本平行于中心轴线X并且垂直于侧向的轴向上流动。在该导向叶片设备103中，如在现有技术中的，每个叶片105具有被固定到内罩108的叶片根部105a和被固定到外罩107的叶片尖端105b。

为了至少部分地防止在吸力侧105c和内罩108之间的叶片根部105a处角涡流的形成，在该第一实施方式中的压气机组件100也包括每个叶片根部105a上游的一组的三个涡流发生器装置105，这些装置采用被固定到内罩108的直鳍的形式。因为这些鳍115在形状上是相对简单的，所以，即使与内罩108一体化，通过使用本领域的技术人员已知的制造方法，在制造它们期间也不存在有关的特别问题。特别地，它们可以与内罩108和导向叶片设备103的余下部分一体地模塑，并且，可以在铸造它们后可选地对它们进行精整，或者，它们可以单独地制造并且随后使用传统的方式紧固在内罩108上。

可替代地，还可以在内罩108的块中机械加工它们。通常地，它们的高度可以位于叶片105高度的大约2%至8%的范围内。如在图4和5中可以特别地看到的，这些鳍115彼此基本平行，并且它们具有迎角α，该迎角例如可以相对于定子103上游的工作流的流动方向E位于5°至15°之间的范围内，以便在每个翼115下游产生涡流，但不会存在针对该流的过度阻力。它们还具有相对于侧向的角β。在它们之间，每对相邻鳍115具有轴向偏移d_x和侧向偏移d_y。鳍115的对齐因此具有相对于侧向的角γ=arctan(d_x/d_y)，该角基本大于在所表示的实施方式中的角β。在每组中的鳍115的轴向偏移和侧向偏移导致每个鳍115所产生的涡流通过相互作用朝向叶片105的吸力侧105c被引导，以便更有效地防止出现可能导致角涡流的局部分离。每个鳍115所产生的涡流被直接下游的鳍115的涡流所加强，从而也稍微地改变了朝向其弦的轴线的方向的加强涡流的方向。虽然在所表示的实施方式中，轴向偏移d_x和侧向偏移d_y在每组中的第一和第二鳍115之间和也在第二和第三鳍115之间都是相同的，但是，还可以设想在叶片设备下游的涡流发生器装置的各行之间具有不同的偏移。

虽然在该第一实施方式中，涡流发生器装置被布置在内罩上，用于防止角涡流在叶片根部处形成的目的，但是，作为可替代方式或除了该布置外，还可以将类似装置定位在外罩上，以便防止在叶片尖端处角涡的形成。因此，在图6所表示的第二实施方式中，压气机组件200同样包括导向叶片设备203，所述导向叶片设备203采用具有多个叶片205的定子的形式，所述叶片205绕着中心轴线X径向地布置并且在侧向上，即在周向上彼此偏移。该压气机组件200同样地用于在绕着中心轴线X旋转的转子（未示出）的直接下游被定位，目的是朝向轴向整流转子下游的工作流体的流，所述轴向基本平行于中心轴线X并且垂直于侧向。在该导向叶片设备203中，如在第一实施方式中的，每个叶片205具有被固定到内罩208的叶片根部205a和被固定到外罩207的叶片尖端205b。然而，在该第二实施方式中，该组的三个涡流发生器装置215位于每个叶片尖端205a的上游。这些鳍215的形状、布置和运行另外地基本地与在第一实施方式中的鳍的类似，所具有的迎角相对小，例如，相对于流体流位于5度至15度的范围内，所具有的高度位于叶片305的高度的大约2%至8%的范围内，并且，在每对邻近鳍之间具有的轴向偏移和侧向偏移。在该实施方式中，鳍215可以特别地与外罩207和导向叶片设备203的余下部分一体地模塑，并且，可以在它们离开铸造车间时对它们进行完成精整，或者，它们可以单独地制造并且随后通过传统的方式紧固到外罩207。然而，做为可替代方式，还可以在外罩207的块中机械加工它们。

虽然这些第一和第二实施方式中的涡流发生器装置布置在导向叶片设备的直接上游，以便防止导向叶片设备中角涡流的形成，但是，作为可替代方式或除了这些布置外，还可以将类似装置定位在可移动叶片设备的上游。因此，在图7中所表示的第三实施方式中，压气机组件300包括可移动叶片设备302，所述可移动叶片设备302采用具有多个叶片304的转子的形式，所述叶片304绕着中心轴线X径向地布置并且在侧向上，即在周向上彼此偏移。压气机组件300被设计成绕着中心轴线X旋转，以便驱动工作流体，该流体的流随后借助构成固定定子（未示出）的导向叶片设备朝向轴向整流，所述轴向基本平行于中心轴线X并且垂直于侧向。在该旋转叶片设备302中，每个叶片304具有固定于轮毂306的叶片根部304a，叶片尖端304b，以及一组的三个涡流发生器装置315所述涡流发生器装置315位于每个叶片根部304a上游，以便至少部分地防止转子302中角涡流的形成。这些鳍315的形状、布置和运行另外地基本地与在上述实施方式中的鳍类似，所具有的迎角相对小，例如，相对于流体流位于5度至15度的范围内，所具有的高度是叶片305的高度的大约2%至8%之间，并且，所具有的轴向偏移和侧向偏移位于每对相邻鳍之间。通常地，可以在轮毂306的块中机械加工它们。然而，它们可以可替代地与轮毂306和转子302的余下部分一体地模塑，并且，可选择地，可以在它们离开铸造车间时对它们进行精整工序，或者，它们可以单独地制造并且随后通过传统的方式紧固在轮毂306上。

虽然在上述实施方式中，涡流发生器装置被布置在压气机组件上，但是还可以将相同的原理应用到其他涡轮机组组件，诸如例如应用到泵组件或应用到涡轮组件。因此，在图8中，可以看到涡轮级401具有第一涡轮组件400a，所述第一涡轮组件400a具有采用定子形式的固定导向叶片设备403；以及从其下游具有第二涡轮组件400b，所述第二涡轮组件400b具有采用转子形式的可移动叶片设备402。导向叶片设备403具有多个叶片405，所述叶片405绕着中心轴线X径向地布置并且在侧向上，即在周向上彼此偏移。在该导向叶片设备403中，如在第一实施方式中的，每个叶片405具有被固定到内罩408的叶片根部405a和被固定到外罩407的叶片尖端405b。为了至少部分地防止在吸力侧405c和内罩408之间的叶片根部405a处并且也在吸力侧405c和外罩407之间的叶片尖端405b处形成角涡流，在第四实施方式中的该第一涡轮组件400也包括：每个叶片根部405a上游的一组的三个涡流发生器装置415a，所述涡流发生器装置415a采用固定到内罩408的直鳍的形式；以及，每个叶片尖端405b上游的一组的三个涡流发生器装置415b，所述涡流发生器装置采用固定到外罩407的直鳍的形式。这两组的鳍415a和415b的形状、布置和运行另外地基本地与在第一和第二实施方式中的鳍类似，所具有的迎角相对小，例如，相对于流体流位于5度至15度的范围内，所具有的高度是叶片405高度的大约2%至8%之间，并且，在每对邻近的鳍之间具有轴向偏移和侧向偏移。可以同样地使用相同的生产方法制造它们。

位于导向叶片设备403下游的第二涡轮组件400b包括采用具有多个叶片404的转子形式的可移动叶片设备402，所述叶片404绕着中心轴线X径向地布置并且在侧向上彼此偏移。该第二涡轮组件400b在流体流的驱动下用于绕着中心轴线X旋转。在该可移动叶片设备402中，每个叶片404具有被固定到轮毂406的叶片根部404a和叶片尖端404b，三个涡流发生器装置415b的组位于每个叶片根部404a上游，以便至少部分地防止转子402中角涡流的形成。这些鳍415c的形状、布置和运行另外地基本地与在上述实施方式中的鳍类似，所具有的迎角相对小，例如，相对于流体流位于5度至15度的范围内，所具有的高度是叶片404高度的大约2%至8%之间，并且，在每对邻近的鳍之间具有轴向偏移和侧向偏移。可以同样地使用相同的生产方法制造鳍。

虽然在以上参考具体实施方式描述了本发明，但是清楚的是可以在这些实施方式上实施各种修正和改变，而不超出权利要求所限定的本发明的一般范围。特别地，所表示的各种实施方式的单个特征可以与附加实施方式结合。此外，虽然所表示的涡流发生器装置采用矩形鳍的形式，但是本领域的技术人员可以根据情况考虑使用其他形状，例如，三角形的鳍或在罩和/或轮毂中的凹口。因此，该说明书和附图应考虑为示意性的而非限制性的。

Claims

1.一种涡轮机组组件（100，200，300，400a，400b），包括：

翼型设备（103，203，302，402，403），所述翼型设备（103，203，302，402，403）具有多个在侧向上彼此偏移的翼型（105，205，304，404，405）；以及

涡流发生器装置（115，215，315，415a，415b，415c），所述涡流发生器装置（115，215，315，415a，415b，415c）在垂直于所述侧向的轴向上布置在所述设备（103，203，302，402，403）的上游；

涡轮机组组件（100，200，300，400a，400b）的特征在于：其在每个翼型的至少一个端部上游具有一组的多个涡流发生器装置（115，215，315，415a，415b，415c），每组的涡流发生器装置（115，215，315，415a，415b，415c）侧向地且轴向地相互偏移。

2.根据权利要求1所述的涡轮机组组件（100，200，300，400a，400b），其中：每组涡流发生器装置具有至少三个这样的装置（115，215，315，415a，415b，415c）。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮机组组件（100，200，300，400a，400b），其中：至少一些涡流发生器装置（115，215，315，415a，415b，415c）包括至少一个鳍。

4.根据权利要求3所述的涡轮机组组件（100，200，300，400a，400b），其中，鳍具有基本直的弦。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述的涡轮机组组件（100，200，300，400a，400b），其中：在每组中的涡流发生器装置（115，215，315，415a，415b，415c）是基本平行的。

6.根据任何前述权利要求所述的涡轮机组组件（100，200，300，400a，400b），其中：每个设备（103，203，302，402，403）的翼型（105，205，304，404，405）绕着中心轴线（X）径向地布置，每个翼型（105，205，304，404，405）具有被称为其根部的近端部（105a，205a，304a，404a，405a）和被称为其尖端的远端部（105b，205b，304b，404b，405b）。

7.根据权利要求6所述的涡轮机组组件（100，300，400a，400b），其中：包括多个涡流发生器装置（115，315，415a，415c）的组位于每个所述根部（105a，304a，404a，405a）上游。

8.根据权利要求1至7中任何一项所述的涡轮机组组件（100，200），其中：所述翼型设备（103，203）是整流出口导向叶片设备。

9.一种涡轮机组，其包括根据权利要求1至8中任何一项所述的至少一个涡轮机组组件（100，200，300，400a，400b）。

10.根据权利要求9所述的涡轮机组，其中：所述涡轮机组组件（100，200，300）是压气机组件。