CN103867237A - 轴向涡轮机的具有除冰装置的分流器鼻 - Google Patents

轴向涡轮机的具有除冰装置的分流器鼻 Download PDF

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Abstract

本发明涉及轴向涡轮机的具有除冰装置的分流器鼻。所述分流器鼻(122)设计成将进入涡轮机的环形流分成主流(118)和副流(120)，使其用于经受热力循环。所述鼻(122)包括具有至少部分地限定环形通道(140)的壁(142)的除冰装置。由涡轮机产生的热油流在所述环形通道(140)中循环。该油在其本身得到冷却的同时贯穿圆形鼻并去除所述圆形鼻的冰。所述壁(142)定位成以便形成所述分流器鼻(122)的前缘(144)。壁(142)是可通过胶接、焊接和凹进固定的诸如管道的开放或封闭带。本发明还涉及一种具有配有除冰装置的分流器鼻的多流涡轮机。

Description

轴向涡轮机的具有除冰装置的分流器鼻
技术领域
本发明涉及一种双流轴向涡轮机。具体地，本发明涉及双流轴向涡轮机的分流器鼻(splitter nose)，该鼻将输入气流分流成主流和副流。更准确地，本发明涉及为分流器鼻除冰。
背景技术
为了使喷气发动机的推力优化，所述喷气发动机具有多个环形气流。主流穿过压缩机和燃烧室，然后在涡轮中膨胀。副流绕过压缩机、燃烧室和涡轮，然后在喷气发动机的出口处重新加入主流。所述气流被位于压缩机上游的分流器鼻分开。所述分流器鼻的形状使得其能够分开进入涡轮机的气流，并限制其进入压缩机。由于位于进气风扇的叶片下游，所以所述分流器鼻暴露于外物的摄入。
进入涡轮机的空气在分流器鼻处为大气温度。这些温度在某一高度可下降至-50℃。在有湿气存在的情况下，可在该鼻上形成冰。在飞行期间，该冰可膨胀，并在压缩机定子叶片的顶端聚集成块。
这些块可改变该鼻的几何形状，并影响进入压缩机的空气的流动，这会降低性能。随着尺寸增大，这些块会变得特别重。其后，所述块可分离并被压缩机摄入，这会损坏转子和定子叶片。该摄入由于其不首先穿过进气风扇，所以特别有破坏性。
为了限制这样的冰的形成，分流器鼻配有去冰器。
专利US656176082公开了一种利用废气除去分流器鼻的冰的系统。鼻由外壁和外壳形成。所述外壳支撑一排环形的定子叶片。分流器鼻包括容纳外壳的上游边缘的圆形狭缝。制成狭缝界面，以便形成通过元件的厚度的轴向通道。这些通道允许废气循环，这具有加热分流器鼻的前缘的效果。因此很好地防止所述分流器鼻的冰的形成。然而，该解决方案需要复杂的机械操作。效率主要集中于通道，并取决于材料的热导率。如果热导率低，则难以选择另一材料，比方说更强更轻的材料。此外，该系统需要抛弃来自喷气发动机的一部分废气。
另一种已知的解决方案是使用需要被冷却的油来除冰。该油可以是发动机油或致动器油，所述油的温度的控制维持涡轮喷气发动机并保持其在最佳状况下操作。
专利EP2075194A1公开了一种用于在喷气发动机中冷却油的油气热交换器。热交换器包括布置在分流器鼻内的油路。回路可位于分流器鼻的内面上或位于其厚度中。该系统在冷却油的同时允许有效地去除鼻的冰。然而，该交换器实现起来结构复杂。当分流器鼻的上游端例如由于机械强度的原因而较厚时，所述交换器的效率在该处降低。
专利EP1942249A2公开了一种用于将热传递至涡轮机的系统。系统包括一组围绕涡轮机的分流器鼻的周边延伸的管道。在所述分流器鼻的周边上，管道被容纳在界定主流与副流的壁之间的环形空腔中。管道在机械上被保护。由于所述管道被压在限定副流的壁上，所以它们使得促进除霜的热传导成为可能。然而，管道的效率由于将它们分开的距离而在分流器鼻的前缘处降低。鼻的顶端大而重，因此具有高的热惯性。当系统必须以间断的方式操作时，其反应不太迅速。由于在管道附近的元件的厚度变化，所以可能一个部分是冷的，而同时另一部分是热的，或者至少处于远远高于除霜所需的温度。这样的系统的操作是不均一的。此外，管道(相对于机器的旋转轴线)主要位于鼻的上部或外部。在下部(或者内部)效率低，并且可能允许在定子的外壳上产生冰。
发明内容
技术问题
本发明旨在解决由现有技术提出的问题中的至少一个问题。本发明还旨在改善油除冰系统在分流器鼻的上游部分中的效率。本发明还旨在改善油除冰系统在第一定子级上游的效率。本发明还旨在减轻配有油除冰装置的分流器鼻。本发明还旨在减轻分流器鼻。
技术解决方案
本发明涉及一种轴向涡轮机的分流器鼻，所述分流器鼻设计成将进入涡轮机的环形流分成主流和副流，所述鼻包括：
-环形前缘；
-用于主流和副流的导壁，从所述前缘延伸；
-前缘除冰通道，沿着所述边缘环形地延伸，所述通道设计成引导流体；
其中，所述通道包括形成所述前缘的壁。
根据本发明的有利实施方式，流体包括空气、气体、油或它们中的至少两种的组合。
根据本发明的有利实施方式，除冰通道的横截面具有封闭轮廓，用于主流和副流的引导表面被固定至所述壁。
根据本发明的有利实施方式，封闭轮廓具有圆形或椭圆轮廓，椭圆的长轴相对于所述鼻的主流轴线在涡轮机的上游和中心倾斜，倾角优选地在5°与30°之间。
根据本发明的有利实施方式，除冰通道壁的横截面具有开放轮廓，所述开放轮廓形成环形空腔，所述环形空腔具有主流和副流的导壁中的至少一个，优选地具有副流的导壁。
根据本发明的有利实施方式，除冰通道壁具有变化的厚度，该厚度优选地在通道的上游部分减小。
根据本发明的有利实施方式，除冰通道壁凹入主流和副流导壁中的一个或至少一个，凹进处优选地沿着前缘的环形轮廓是间断的。
根据本发明的有利实施方式，除冰通道壁通过焊接或胶粘而固定至主流和副流的导壁中的至少一个。
根据本发明的有利实施方式，分流器鼻包括位于除冰通道壁与本体之间的中间部分，所述中间部分优选地包括绝缘材料。
根据本发明的有利实施方式，除冰通道壁的横截面的轮廓包括具有小于10.00mm的曲率半径的部分，该曲率半径优选地小于5.00mm，更优选地小于2.00mm，进一步优选地小于1.00mm，所述部分形成前缘的上游端。
根据本发明的有利实施方式，通道被分段，并包括至少两段，每一段大致穿过前缘的每个环形轮廓的中间，通道优选地包括六个通道段，每一段大致穿过所述轮廓的六分之一。
根据本发明的有利实施方式，副流的导壁形成所述鼻的回转体，主流导壁形成具有叶片的定子的外壳。
根据本发明的有利实施方式，本体包括前表面，除冰通道壁基本上覆盖所述表面。
根据本发明的有利实施方式，分流器鼻包括捆扎带，优选地是金属的，靠着除冰通道壁和主流及副流导壁。所述带的主轴优选地基本上在穿过机器的旋转轴线的径向平面中延伸。
根据本发明的有利实施方式，主流导壁的上游部分通过除冰通道壁而连接至副流导壁。
根据本发明的有利实施方式，鼻包括用于插入主流分离壁的上游边缘的环形槽，除冰通道壁位于所述槽上游。
除冰通道壁可包括金属材料、聚合材料或复合材料。
除冰通道壁优选地为单一的，更优选地由相同的材料制成。
本发明还涉及一种轴向涡轮机的压缩机，包括设计成将进入涡轮机的环形流分成主流和副流的分流器鼻，其中，分流器鼻是根据本发明的。
本发明还涉及一种包括继之以压缩机的进气风扇的轴向涡轮机，其中，压缩机是根据本发明的。
有利地，涡轮机包括低压压缩机和高压压缩机，除冰通道连接至来自涡轮机的热空气流，热空气优选地取自高压压缩机的出口。
根据本发明的一个替代例，除冰通道连接至涡轮机中的润滑油和／或冷却回路。
在特定的实施方式中，本发明可单独地或以任何技术可能的组合的方式包括以上公开的特性中的一个或多个特性。
要求保护的权益
本发明使得能够以最优的方式、尤其在分流器鼻的前缘处去除分流器鼻的冰。因为这样，能去除鼻的较大面积的冰。流体的热穿过厚度减小的材料，从而改善装置的热效率。该构造通过在分流器鼻的主流和副流分流器壁上提供均匀效率来改善分流器鼻除冰。
该分流器鼻构造简单。所述分流器鼻允许减轻重量和节省。与传统的鼻相比较，可去除材料的多个区域。此外，可使制造过程简化。
本发明采用涡轮机的油来回收热。传热流体可在具有减小的截面并具有肘弯的导管中流动。热空气是特定的流体，以允许其在小的截面中流动。油具有高的热容量，使得其能够在降低的温度工作，以便匹配某些材料的特性。
附图说明
图1示出根据本发明的轴向涡轮机。
图2示出图1中的涡轮机的低压压缩机。
图3示出根据本发明的第一实施方式的轴向涡轮机的分流器鼻。
图4示出根据本发明的第二实施方式的轴向涡轮机的分流器鼻。
图5示出根据本发明的第三实施方式的轴向涡轮机的分流器鼻。
图6示出根据本发明的第四实施方式的轴向涡轮机的分流器鼻。
图7示出根据本发明的第五实施方式的轴向涡轮机的分流器鼻。
图8示出根据本发明的第六实施方式的轴向涡轮机的分流器鼻。
具体实施方式
在以下的说明中，术语“内”或“外”和“内部”或“外部”指的是相对于涡轮机的旋转轴线的位置。
图1示出了一种轴向涡轮机。在该情况下，所述轴向涡轮机是双流涡轮喷气发动机；同等地，其可以是例如具有三个环形流的多流涡轮喷气发动机。涡轮喷气发动机2包括第一压缩级(所谓的低压压缩机)4、第二压缩级(所谓的高压压缩机)6、燃烧室8和一个或多个涡轮级10。在操作中，涡轮10的机械功率通过中心轴传递至转子12，并驱动两个压缩机4和6。减速机构可提高传递至压缩机的旋转速度。或者，不同的涡轮级可通过同心轴分别连接至压缩机级。所述同心轴包括与定子叶片排结合的多排转子叶片。转子围绕其旋转轴线14的旋转产生空气的流动，并将空气逐步压缩至燃烧室10的入口。
通常标识为风扇16的进气风扇耦联至转子12。所述进气风扇安装在锥形轮毂上，并产生进气气流，所述进气气流被分成主流18和副流20，所述主流18穿过上述涡轮机的各级，所述副流20沿着机器的长度穿过环形管路(部分示出)，然后在涡轮出口处重新加入主流。主流18和副流20是环形流，并被引导通过涡轮机的壳体。为此，该壳体具有可以是内部或外部的圆柱形壁或壳。
图2是诸如图1所示的轴向涡轮机2的低压压缩机4的剖视图。可以看到涡轮风扇18的一部分，还可看到主气流18与副气流20之间的分流器鼻22。转子12包括例如三排的多排转子叶片24。低压压缩机4包括例如四个的多个定子，每个定子均包含一排定子叶片26。定子与风扇16结合或者与一排转子叶片结合，用于使气流变直，以便将流的速度压力转变成压力。
分流器鼻22连接至压缩机定子的第一级的外圈28。所述压缩机定子具有暴露于冰的形成的内表面。该形成可生长至碰到上游定子的定子叶片26。外壳28具有结构性作用，可用于支撑可磨耗材料层30。
图3示出了根据本发明的第一实施方式的轴向涡轮机的分流器鼻22。
分流器鼻22在形状上是圆形的。所述分流器鼻22具有本体32。所述本体32具有回转形状。所述本体32包括同样为回转的外壁34，所述外壁34与副流20接触。所述外壁34经由位于其上游部的紧固装置而连接至定子的外壳28。所述外壁34的附接装置36可包括具有面向下游的轴向开口的环形槽。外壳28可包括用于固定的附加装置38，例如设计成与槽36匹配的圆柱形表面。外壳28还可在下游连接至外壁34。
为了防止冰的形成或以间断的方式使冰融化，分流器鼻22具有除冰装置。所述除冰装置包括通道40，传热流体(优选地为热空气)通过所述通道40循环。该热气体可来自涡轮机的压缩机中的一个。在高压压缩机处提取所述热气体提供更热的空气。在压缩机的输出处，温度可达到几百度(可能达到700℃)。该气体需要易于实现的放气回路。暖空气可以选择性地包括涡轮机废气。
在本发明的一个实施方式中，传热流体可以是涡轮机的油。该油可用于润滑或致动活塞。油可来自用于使其循环的储存器和泵。由于能够使流体被冷却，所以该油的使用是合理的。
通道40具有环形横截面，并且其外表面是环面的。所述通道40大致在分流器鼻22四周延伸。通道40可以分成扇区。所述通道40可由分别穿过分流器鼻22的一部分的多个通道组成。将它们结合使得完整的通道能够穿过所述分流器鼻22的整体。
可独立地供给每个扇区。所述扇区可使油的流动穿过所述扇区，然后通过本体32的管路排空所述扇区。管路可以是在外壳28与外壁34之间制成的孔。在传热流体穿过通道40之前和之后，网络(未示出)分配和排出所述传热流体。在热空气的情况下，能够通过在壁的内侧所制成的孔将热空气注入主流。
壁42安置成以便与进入涡轮机的流动接触，并形成将进入的流动分成主流和副流的前缘44。该位置意味着，由于尽可能靠近形成冰的区域地发送油，所以油被尽可能有效地使用。因此在不需要穿过大的材料厚度(会限制整体性能)的情况下进行热传导。
壁42包括可以是圆柱形或多边形的管道。圆形横截面使弯曲简化。所述管道可通过铜焊而焊接至分流器鼻22的本体32。所述管道还可以被胶接，这简化了其在损坏的情况下的替换。所述管道还包含可熔元件，这可在不损坏本体32的情况下吸收某些冲击损坏。在管道碰撞的情况下，由于其他扇区允许油循环并因此允许进行除冰，所以系统广泛地保持可操作状态。
图4示出了根据本发明的第二实施方式的分流器鼻。图4对于相同的或类似的元件具有与先前附图相同的编号方案，但编号增加100。特定的数字用于该实施方式特定的项。
分流器鼻122包括具有外壁134的回转体132。所述分流器鼻122具有除冰装置，所述除冰装置具有由壁142限定的通道140。通道140围着分流器鼻122行进。形成壁的横截面轮廓。壁142和通道140的横截面是圆形的。所述横截面可具有变平部分，以便形成凸轮形状或椭圆。椭圆或凸轮的长轴的上游端向内倾斜。该特征允许更精确地分离流动。
壁可具有变化的厚度，所述壁可在与流动接触的位置较薄，并且当与鼻的其余部分接触时较厚。该设计使得最大的热量能够传递至可形成冰的位置，并加强附接面积。应指出的是，增厚可使进行焊接简化。
壁142首先连接至外壁134，其次连接至外壳128。外壁134可利用焊料146直接附接至壁142。外壳128本身经由设置有附接装置138的支架148连接。所述支架148可焊接至壁142，并包括环形槽136。所述环形槽136设计成与外壳128的附接装置138匹配。
壁142从外壳128的内表面的区域径向延伸至外壁134的内表面。因此，直接防止冰在这些表面形成。壁142轴向地延伸横过合适的长度，这提高其热交换容量。因此很好地防止叶片126的冰的形成。
图5示出了根据本发明的第三实施方式的分流器鼻。图5对于相同的或类似的元件具有与先前附图相同的编号方案，但编号增加200。特定的数字用于该实施方式特定的项。
分流器鼻222包括具有外壁234的回转体232。所述分流器鼻222具有除冰装置，所述除冰装置具有由壁242限定的通道240。可利用焊料246来焊接壁242，以密封通道240。壁的轮廓可包括弯曲的和直的部分，这便于构成任何需要的几何形状。这些直的部分改善整体强度，而弯曲部分可通过变形专注于吸收冲击能量。
壁的轮廓可以是封闭的或者有利地是开放的。本体232具有大体上径向延伸的前表面250。所述前表面250有助于与壁242组合以界定通道240。该特征通过不具有两个壁的阵列(可分别提供另一个的功能)来节省重量。前表面250形成用于壁242的基本上平坦的支座，并包含面对潜在冲击的支撑表面。因此，壁242能够更好地承受这些冲击。所述壁242还提供机械屏蔽。
图6示出了根据本发明的第四实施方式的分流器鼻。图6对于相同的或类似的元件具有与先前附图相同的编号方案，但编号增加300。特定的数字用于该实施方式特定的项。
分流器鼻322包括具有外壁334的回转体332。所述分流器鼻322具有除冰装置，所述除冰装置具有由壁342限定的通道340。
本体332在上游具有环形槽352。该槽具有用于与另一部件匹配的截面。所述槽可具有圆形形状，并描述大于180°、优选地远大于180°的角度α。
在上游槽352内固定的是限定环形通道340的壁342。壁的轮廓可以是开放的，通道至少部分地由槽352的上游表面实现。上游环形槽352通过使其机械地凹进来使得壁342能够配合到鼻322中。该附接方法可以是间断的。
本发明的该实施方式消除了对诸如焊接或胶粘的其他附接装置的需求。因此，所述实施方式使装配和／或可能的替换操作简化。此外，所述实施方式为壁342和本体的相应材料提供更大的选择自由。避免了与不同类型的合金的可焊性相关的约束，还避免了由不同的膨胀所产生的约束。
图7示出了根据本发明的第五实施方式的分流器鼻。图7对于相同的或类似的元件具有与先前附图相同的编号方案，但编号增加400。特定的数字用于该实施方式特定的项。
分流器鼻422包括具有外壁434的回转体432。所述分流器鼻422具有除冰装置，所述除冰装置具有由例如管状壁的壁442限定的通道440。本体432在其上游面上具有圆形槽，壁442借助于例如由金属制成的紧固带454保持在所述圆形槽中。可使用圆形展开的两根与三十根之间的带454。
紧固带454可通过捆扎壁442来将所述壁442保持在槽中。所述紧固带454间断地布置。所述紧固带454轴向地布置，并形成与壁442匹配的u形或v形。所述紧固带454可通过胶粘和／或焊接固定至本体432，并可选择地固定至壁442。带具体地在前缘444处覆盖所述壁。然而，由于所述带薄并且窄，所以它们不降低除冰效果。所述带的厚度可在0.10mm与3.00mm之间。所述带的宽度可在5.mm与40.00mm之间。该附接方法避免与本体432和壁442之间的材料差异相关的固定问题。将带用于固定使替换所述壁简化。
图8示出了根据本发明的第六实施方式的分流器鼻。图8对于相同的或类似的元件具有与先前附图相同的编号方案，但编号增加500。特定的数字用于该实施方式特定的项。
分流器鼻522包括具有外壁534的回转体532。所述分流器鼻522具有除冰装置，所述除冰装置具有由可能为管状壁的壁542所限定的通道540。所述壁542可经由中间部分556连接至本体532。所述中间部分556可通过胶粘和／或焊接固定至本体532和壁542。
中间部分556可由绝缘材料制成，所述绝缘材料具有比壁542和／或本体532的材料低的热导率。所述中间件556可由复合材料制成，可选择地具有聚合物基体。所述中间件556还可由陶瓷制成。本发明的该特征允许热集中在前缘544，并减少导壁(528、534)中的热传导。这些材料不太易于膨胀，并提高除冰效率。
能够用根据本发明的第三实施方式的壁来实现除冰鼻，所述壁附接至根据本发明的第六实施方式的连接件，所述连接件具有根据本发明的第四实施方式的环形槽，所述壁位于所述槽中。还能够用根据本发明的第五实施方式的紧固带来改善所述壁的固定。流体可以是空气或油；应考虑提供密封装置。

Claims (15)

1.轴向涡轮机的分流器鼻(22、122、222、322、422、522)，设计成将进入涡轮机的环形流分成主流(18、118、218、318、418、518)和副流(20、120、220、320、420、520)，所述鼻包括：
环形前缘(44、144、244、344、444、544)；
用于所述主流和副流的导壁(28、34、128、134、228、234、328、334、428、434、528、534)，从所述前缘延伸；
前缘除冰通道(40、140、240、340、440、540)，沿着所述边缘环形地延伸，所述通道设计成引导流体；
其中，该通道包括形成所述前缘(44、144、244、344、444、544)的壁(42、142、242、342、442、542)。
2.根据权利要求1所述的分流器鼻(22、122、322、422、522)，其中，所述除冰通道(40、140、340、440、540)的所述壁(42、142、242、342、442、542)的横截面具有封闭轮廓，所述主流和副流的引导面被附接至所述壁。
3.根据权利要求2所述的分流器鼻(22、122、322、422、522)，其中，所述封闭轮廓具有圆形(40、340、440、540)或椭圆(140)轮廓，所述椭圆的长轴相对于所述鼻的主轴在所述涡轮机的上游和中心倾斜，倾角优选地在5°与30°之间。
4.根据权利要求1所述的分流器鼻(222)，其中，所述除冰通道(240)的所述壁(242)的横截面具有形成环形空腔的开放轮廓，所述环形空腔具有所述主流和副流的所述导壁(228、234)中的至少一个，优选地具有所述副流(220)的所述导壁(234)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的分流器鼻(22、122、322、422、522)，其中，所述除冰通道(40、140、340、440、540)的所述壁(42、142、242、342、442；542)具有变化的厚度，所述厚度优选地在所述通道的上游部分减小。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的分流器鼻(322)，其中，所述除冰通道(340)的所述壁(342)凹进所述主流和副流导壁中的一个或至少一个中，凹进处优选地沿着所述前缘(344)的所述环形轮廓是间断的。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的分流器鼻(522)，其中，所述分流器鼻(522)包括位于所述除冰通道(540)的所述壁(542)与所述本体(534)之间的中间部分(556)，优选地，所述中间部分(556)包括绝缘材料。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的分流器鼻(22、122、222、322、422、522)，其中，所述除冰通道(40、140、240、340、440、540)的所述壁(42、142、242、342、442、542)的横截面的轮廓包括具有小于10.00mm的曲率半径的部分，所述曲率半径优选地小于5.00mm，更优选地小于2.00mm，进一步优选地小于1.00mm，所述部分形成所述前缘(44、144、244、344、444、544)的上游端。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的分流器鼻(22、122、222、322、422、522)，其中，所述通道(40、140、240、340、440、540)被分段，并包括至少两段，每一段分别大致穿过所述前缘的所述环形轮廓的一半，所述通道优选地包括六段，每一段分别大致穿过所述轮廓的六分之一。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的分流器鼻(22、122、222、322、422、522)，其中，所述副流(20、120、220、320)的导壁(34、134、234、334、434、534)形成所述鼻的回转体(32、132、232、332、432、532)，所述主流的导壁(28、128、228、328、428、528)形成带有叶片的定子的外壁。
11.根据权利要求10所述的分流器鼻(422)，其中，所述分流器鼻(422)包括紧固带(454)，优选地由金属制成，所述紧固带(454)靠着所述除冰通道的所述壁和所述主流及副流的导壁。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的分流器鼻(122)，其中，所述主流(118)部分的导壁(128)的上游部分通过所述除冰通道(140)的所述壁(142)间接地连接至所述副流(120)的导壁(134)。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的分流器鼻(22、122、222、322、422、522)，其中，所述分流器鼻(22、122、222、322、422、522)包括环形槽(36、136、236、336、436、536)，用于插入所述主流(18、118、218、318、418、518)的分离壁(28、128、228、328、428、528)的上游边缘，所述除冰通道(40、140、240、340、440、540)位于所述槽的上游。
14.轴向涡轮机(2)的压缩机(4)，包括设计成将进入所述涡轮机的环形流分成主流(18)和副流(20)的分流器鼻(22)，其中，所述分流器鼻(22)是根据权利要求1至13中的任一项所述的分流器鼻。
15.轴向涡轮机(2)，包括进气风扇(16)，压缩机(4)设在所述进气风扇(16)之后，其中，所述压缩机(4)是根据权利要求14所述的压缩机。
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