CN103998725B

CN103998725B - 包括周向叶片的燃气涡轮发动机排气扩散器

Info

Publication number: CN103998725B
Application number: CN201280062309.2A
Authority: CN
Inventors: 约翰·A·奥罗萨; 帕维尔·马蒂斯
Original assignee: Siemens Energy Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: WO2013090144A3; WO2013090144A2; EP2791477A2; US20130152592A1; CN103998725A; US9032721B2

Abstract

一种限定在内边界与外边界之间的用于沿轴向方向引导流体流的流动通路。流动控制叶片支撑在内边界与外边界之间的径向位置。流体排出开口设置用于将压缩流体流从叶片的后缘排出，流体控制表面设置为与流体排出开口相邻并且在叶片的后缘沿轴向方向延伸。流体控制表面具有形成康达表面的弯曲的后缘。流体排出开口被选择性地提供有压缩流体用以沿着控制表面产生康达效应。康达效应具有径向方向上的分量，其作用为使流动路径中的流体流朝向内边界和外边界中的一者径向向内或者径向向外地转向。

Description

包括周向叶片的燃气涡轮发动机排气扩散器

关于联邦政府资助的研发的声明

本发明的研发部分地由美国能源部授予的合同No.DE-FC26-05NT42644支持。因此，美国政府可拥有本发明的一定权利。

技术领域

本发明总体上涉及一种涡轮发动机，更为具体地，涉及一种用于涡轮发动机的排气扩散器(exhaustdiffuser，排气扩压器)。

背景技术

参照图1，涡轮发动机10基本上包括压缩机部段12、燃烧器部段14、涡轮机部段16以及排气部段18。在操作中，压缩机部段12可引入环境空气并可压缩环境空气。来自压缩机部段12的压缩空气可进入燃烧器部段14中的一个或多个的燃烧器20。压缩空气可与燃料混合，空气-燃料混合物可在燃烧器20中燃烧以形成热的工作气体。热气体可按路线到达涡轮机部段16，在涡轮机部段16中热气体通过交替的成排的固定翼型件(airfoil)和旋转翼型件膨胀并且用以产生可驱动转子26的动力。离开涡轮机部段16的膨胀气体可以经由排气部段18从发动机10中排出。

排气部段18可构造为扩散器28，其可为在外壳体30与中央本体或轮毂32及尾部锥体34之间形成的扩展管。排气扩散器28可用以减小排气流的速度并且因此增大膨胀穿过涡轮机的最末级的排气气体的压力差。在一些现有的涡轮机排气部段中，已经通过沿流体流动方向逐渐地增大排气管的横截面面积从而使在其中流动的流体膨胀而实现排气扩散。

优选的是使排气扩散器的流体流中的扰动最小化；否则，可能会对扩散器28的性能有不利地影响。流体流中的这种扰动可能由于多种原因引起，包括例如边界层分离。如果流体流在扩散器壁(边界层)附近与壁分离，那么在扩散区域中存在损失并且总压力损失增大从而造成压力恢复减小。通常，扩散器中的扩展角度越大，发生流动分离的可能性越大。

一种用以使流动分离最小化的方法是提供具有相对长的轮毂的扩散器。长的轮毂可通过如下方式使性能最大化：将突降损失——轮毂/尾部锥体的下游端部处发生的流动损失——延迟到排放气体以较低的速度行进时的点，从而使流动中的尾部锥体的尾流的强度最小化。然而，长的轮毂具有可能使得发动机设计更复杂且更昂贵的缺点。例如，较长的轮毂通常需要两排支柱36——一排在轮毂32的上游区域，一排在轮毂32的下游区域，如图1中所示。这些支柱36可增加成本并且可能由于内流动路径部与外流动路径部之间的热量不匹配或者振动载荷而增加材料断裂的风险。此外，长的轮毂可提出例如可用空间有限的挑战。

另一用以使流动分离损失最小化的方法是为扩散器提供相对短的轮毂长度随后提供减小的扩展角度。该方法通过除了其他方面外仅需要单排的支柱而可使成本最小化。然而，由于在流动速度较高的扩散器的更上游处具有轮毂端(突然膨胀)而造成这种设计通常可导致高的突降损失，因此扩散器性能可能受损害。为了避免第二组支柱，相关联的尾部锥体通常较陡，造成在尾部锥体下游的流动中形成尾流，该尾流可在下游继续增大。

因此，存在对一种如下的排气扩散器的需要：其可实现长的轮毂设计的性能同时享有短的轮毂设计的降低的成本和风险。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种用于轴流式机器的流动通路。流动通路包括内边界和与内边界径向隔开的外边界使得在内边界与外边界之间限定用于沿轴向方向引导流体流的环形流动路径，并且包括压缩流体源。设置包括前缘和后缘的流动控制叶片。叶片支撑在内边界与外边界之间的径向位置。设置用于将压缩流体流从后缘排出的流体排出开口，设置与流体排出开口相邻并且在叶片的后缘沿轴向方向延伸的流体控制表面。流体控制表面具有形成康达表面的弯曲的后缘。流体排出开口选择性地设置有来自压缩流体源的压缩流体用以沿着控制表面产生康达效应，康达效应具有径向方向上的分量，此分量作用为使流动路径中的流体流朝向内边界和外边界中的一者径向向内或者径向向外转向。

本发明的其他方面可以包括：提供定位在流动通路的外部的压缩流体源，以及包括定位在叶片内的与压缩流体源流体连通的气室，以及将压缩流体流提供至流体排出开口。叶片可以在流动路径内周向地延伸，流体排出开口可以包括定位在叶片的径向向外面向的侧部上的第一流体排出开口，和定位在叶片的径向向内面向的侧部上的第二流体排出开口。第一流体排出开口和第二流体排出开口可以定位成与流体控制表面的相应的径向面向的侧部相邻。第一流体排出开口和第二流体排出开口可以定位成与气室流体连通用以将大部分的压缩流体流选择性地提供至第一流体排出开口和第二流体排出开口中的任一者。当大部分的压缩流体流被提供至第一流体排出开口时，沿着所述控制表面的康达效应可以作用为使流动路径中的流体流径向向内转向；当大部分的压缩流体流被提供至第二流体排出开口时，沿着所述控制表面的康达效应可以作用为使流动路径中的流体流径向向外转向。

流体控制表面可以包括相对的第一径向面向部分和第二径向面向部分，它们关于从叶片的前缘轴向延伸到叶片的后缘的平面可以为基本上对称的。

叶片可以被支撑在支柱结构上，支柱结构可以包括可与流动控制叶片相交的侧向相对的侧部。

流动控制叶片可以包括第一流动控制叶片并且径向位置可以包括第一径向位置，第二流动控制叶片可以在内边界与外边界之间定位在第一叶片径向外部的第二径向位置。外边界可以以预定的角度扩展，第一控制叶片和第二控制叶片中的至少一个可以限定在前缘与后缘之间的弦向轴线，弦向轴线沿基本上平行于预定角度的方向定向。

内边界可以包括尾部锥体，此尾部锥体具有朝向流动路径的中央轴线径向向内渐缩的锥形表面，流动控制叶片的后缘沿轴向方向与尾部锥体的至少一部分大致调准。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括燃气涡轮发动机中的排气扩散器的流动通路。流动通路包括由排气扩散器轮毂限定的内边界和由排气扩散器外壳限定的外边界。外边界以预定的角度径向向外扩展并且与内边界径向隔开使得在内边界与外边界之间限定用于沿轴向方向引导排放气体流的环形流动路径。另外，设置有压缩流体源。设置有多个支柱结构，每个支柱结构具有在外边界与内边界之间延伸的径向指向轴线。流动通路还包括一对径向相对且隔开的空气动力学表面，该一对空气动力学表面形成具有沿轴向方向延伸的弦向长度的流动控制叶片以及在弦向长度的相对的端部的前缘和后缘。流动控制叶片附接至支柱结构并且在支柱结构之间延伸。流动控制叶片限定定位在内边界与外边界之间的环并且接收来自压缩流体源的流体。第一流体排出槽和第二流体排出槽被设置用于将压缩流体从空气动力学表面的后缘排出，流体控制表面与流体排出槽相邻。控制表面延伸超过间隔开的空气动力学表面的后缘并且具有形成康达表面的与每个槽相邻的弯曲的后缘部分。流动控制槽选择性地设置有来自压缩流体源的压缩流体用以沿着控制表面产生康达效应，康达效应具有径向方向上的分量，此分量作用为使流动路径中的排放气体流朝向内边界和外边界中的一个径向向内或者径向向外转向。

压缩流体源可以定位在流动通路的外部，气室可以定位在叶片内且与压缩流体源流体连通并且将压缩流体流提供至流体排出槽，第一流体排出槽和第二流体排出槽可以定位成与气室流体连通以将至少大部分的压缩流体流选择性地提供至第一流体排出槽和第二流体排出槽中的一者。

可以在内边界与外边界之间设置多个流动控制叶片，这些流动控制叶片限定定位成相对于彼此径向隔开的多个环。每个流动控制叶片可以在叶片的相应的径向向外面向的侧部和径向向内面向的侧部上具有与压缩空气源流体连通的第一流体排出槽和第二流体排出槽，并且可以包括限定康达表面的与第一流体排出槽和第二流体排出槽中相应的一个相邻的流体控制表面。流动控制叶片中的第一个可以包括提供康达效应流用以朝向内边界径向向内吸引流体流的径向内部叶片，流体控制叶片中的第二个可以包括提供康达效应流用以朝向外边界吸引流体流的径向外部叶片。

内边界可以包括定位在扩散器轮毂的下游端的尾部锥体。尾部锥体可以具有朝向流动路径的中央轴线径向向内渐缩的锥形表面，流动控制叶片的后缘可以沿轴向方向与尾部锥体的至少一部分大致调准。

根据本发明的又一方面，提供了一种在涡轮发动机中排气扩散的方法，包括：提供具有涡轮机部段和排气扩散器部段的涡轮发动机，排气扩散器部段包括至少由轮毂结构限定的内边界，轮毂结构包括至少轮毂和尾部锥体，轮毂具有上游端和下游端，尾部锥体具有下游端和定位成与轮毂的下游端相邻的上游端，尾部锥体朝向扩散器的轴线径向向内渐缩，排气扩散器部段还包括与内边界径向隔开的外边界使得在内边界与外边界之间限定流动路径；将涡轮排放气体流供应至流动路径；并且将流体流从压缩流体源提供到定位在内边界与外边界之间的叶片，沿着康达表面以康达效应流动的流体流夹带一部分的排放气体流用以作用为使排放气体流朝向内边界和外边界中的至少一个偏流。

叶片可以包括第一流体排出槽和第二流体排出槽，并且此方法可以交替地：从第一流体排出槽和第二流体排出槽中的一个提供大部分的流体流用以引起在第一方向上沿着康达表面朝向内边界的流动；以及从第一流体排出槽和第二流体排出槽中的另一个提供大部分的流体流用以引起在第二方向上沿着康达表面朝向外边界的流动。

叶片可以包括与内边界相邻的第一叶片和在第一叶片径向外部的至少第二叶片。第二叶片可以定位成与外边界相邻并且可以接收来自压缩空气源的沿着另一康达表面流动的流体流，此方法可以同时进一步包括：

1)从第一叶片提供流动用以作用为使排放气体流朝向内边界径向向内偏流；以及

2)从第二叶片提供流动用以作用为使排放流朝向外边界径向向外偏流。

替代性地，经过康达表面的流体流可以被设置为使得第一叶片和第二叶片这两者处的排气流都在相同的径向方向上偏流。

附图说明

虽然说明书是以特别指出和清楚地要求保护本发明的权利要求书为结束的，但是应当相信的是，通过下面的描述并结合所绘附图将更好地理解本发明，在这些所绘附图中相似的附图标记指示相似的元件，并且其中：

图1是已知的涡轮发动机的局部截面的立体图；

图2是根据本发明的方面构造的涡轮发动机的排气扩散器部段的侧部截面图；

图3是沿着图2中的线3-3截取的排气扩散器部段的截面图；

图4是沿着图3中的线4-4截取的流动控制叶片的截面图；以及

图5是根据本发明的其他方面构造的涡轮发动机的排气扩散器部段的侧视截面图。

具体实施方式

在下面的优选的实施方式的详细描述中，参照形成此详细描述的一部分的附图进行说明，这些附图通过说明性而不是通过限制性的方式示出了本发明可以被实施的具体的优选实施方式。应当理解的是，可以利用其他实施方式并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下做出改变。

本发明的实施方式涉及可增大燃气涡轮发动机的功率和效率的排气扩散器系统。将结合各种可能的构型对本发明的方面进行解释，但是详细描述仅意于作为示例性的。在图2至图5中示出了本发明的方面，但是本发明并不限于所说明的结构或应用。

图2示出了根据本发明的方面构造的燃气涡轮发动机的排气扩散器系统40。排气扩散器40在发动机的涡轮机部段(未示出)的下游并且与其流体连通。排气扩散器40具有可接收从涡轮部段离开的排放流或排放气体44的入口42。排气扩散器40可包括内边界46或者轮毂结构和外边界48。外边界48与内边界46径向隔开使得在内边界46与外边界48之间限定流动路径50。流动路径50可为基本上环形的或者可具有任何其他适当的构型。

外边界48示出为包括扩散器外壳52，其具有限定流动路径50的外部边界48的内周表面54。扩散器外壳52可限定排气扩散器40的轴向长度(在图2中仅示出了一部分的轴向长度)。轴向长度可从扩散器外壳52的上游端53延伸到下游端55。

内边界46可由也称为轮毂58的中央本体限定。轮毂58可以为基本上圆柱形的并且可以包括上游端60和下游端62。术语“上游”和“下游”意于指的是这些部分相对于流体通过排气扩散器部段40的流动方向的大体位置。轮毂58可通过多个径向延伸的支柱结构59连接至扩散器外壳52，支柱结构59可以包括由支柱衬套(liner)包围的支柱，支柱结构可成排的沿周向对准地布置，如图3中可以看出的。

参照图2，内边界46还可以由尾部锥体64限定。尾部锥体64可具有上游端66和下游端68，其中，尾部锥体64的上游端66可以以任何适当的方式附接至轮毂58的下游端62。优选地，尾部锥体64以尽可能短的轴向距离从上游端66渐缩至下游端68。轮毂58和尾部锥体64可与扩散器外壳52大致同轴并且可共享共同的纵向轴线70，该纵向轴线70与流动路径50的中央轴线相对应。扩散器外壳52的内表面54定向成沿下游方向从纵向轴线70扩展，使得流动路径50的至少一部分为基本上圆锥形的。

参照图2和图4，根据本发明的方面，流动控制叶片72可以设置在内边界46与外边界48之间的径向位置。流动控制叶片72包括具有径向向外面向的表面74和径向向内面向的表面76的一对径向相对且隔开的空气动力学表面。空气动力学表面74、76在相对的前缘78与后缘80之间具有沿轴向方向延伸的弦向长度。应当可以注意的是，空气动力学表面74、76的后缘80包括相应的边缘80a、80b，所述边缘80a、80b彼此隔开用以在其之间限定流体排出开口82。

根据本发明的方面，流动控制叶片72可以附接至支柱结构59并且在支柱结构59之间延伸，其中，叶片72与支柱结构59的相对的侧向侧部相交。因此，流动控制叶片72可以限定位于内边界46与外边界48之间的环。此外，流动控制叶片72的前缘78与后缘80之间延伸的弦向轴线84可以以与扩散器外壳52的内表面54的扩展定向基本相匹配的角度定向，使得流动控制叶片72可以包括在流动路径50内的锥形叶片。

应当理解的是，虽然流动控制叶片72描述为被支撑在包括支柱结构59的径向结构上，但是本发明不必限于这种结构，也可以使用其他径向结构来在流动路径50内的期望的径向位置支撑流动控制叶片72。

如在图4中所看出的，限定流体控制表面88的流体控制本体86设置为与表面74的后缘80a、表面76的后缘80b相邻并且可以轴向延伸进入流体排出开口82。流体控制表面88包括第一径向向外面向的侧部88a和第二径向向内面向的侧部88b。后缘80a、80b和控制本体86的径向面向侧部88a、88b可以在它们之间限定相应的槽90a、90b。槽90a、90b包括在由相应的径向面向表面74、76限定的叶片72的相对的侧上的流体排出开口。更为具体地，槽90a、90b沿着径向面向侧部88a、88b形成用于产生康达效应的康达射流。

流体控制本体86的径向面向侧部88a、88b从叶片72的后缘开口82轴向向下游延伸并且限定叶片72的后缘部分，侧部88a、88b设置有用以指引沿着侧部88a、88b产生的康达效应流的曲率，如在下面进一步所述的。图4中示出的侧部88a、88b示出为在叶片72的后缘91汇聚至一点，然而，应当理解的是，后缘91可以设置有其他的构型，诸如在侧部88a、88b之间形成切成圆角的过渡部。叶片72的表面74、76和流体控制本体86的侧部88a、88b可以形成为关于具有沿轴向方向由叶片72的弦向轴线84限定的一定尺寸的平面基本上对称。

气室(plenum)92(图4)可以被限定在叶片72内用于接收来自压缩流体源的压缩流体，压缩流体源在图2中由94示意性表示并且定位在流动路径50的外部。压缩流体可以通过一个或多个供应管路96提供到气室92，供应管路96可以通过一个或多个支柱结构59延伸到叶片72。压缩流体源94可以提供诸如空气之类的气体流。压缩流体源94可以为任何的气体供应源，包括例如，来自涡轮发动机的压缩机部段的溢出空气，来自扩散器中更下游的燃烧气体，和/或涡轮发动机外部的单独的气体供应源。取决于预定的操作条件(诸如，通过阀98的控制，阀98可以由用于涡轮发动机的系统控制器100控制)可以改变从压缩流体源94通过供应管路96提供到气室92的压缩流体流或气体流的质量流，如在下面进一步描述的。

压缩流体流——即气体流——可以从气室92被指引到槽90a、90b，并且到达槽90a、90b的气体流可以被控制为使得槽90a、90b中的一个槽或另一个槽接收所有或大部分的气体流。对到达槽90a、90b的气体流的控制由相应的阀结构102a、102b示意性地描绘，阀结构102a、102b可以由控制器100控制成增加或者减小到达单个槽90a、90b的流动。根据本发明的方面，阀结构102a、102b可以被选择性地控制成将大部分的气体流交替地提供至槽90a或者槽90b，并且气体流作为康达喷射流G_C1、G_C2离开槽90a、90b。美国专利No.4,682,746中描述了用于在叶片的后缘提供受控的康达流的另外的构型，该专利整体通过参引的方式被引入。

替代性地且非限制地，可以通过提供流体控制本体86相对于表面74的后缘80a、表面76的后缘80b的运动来控制来自气室92的气体流。例如，控制本体86可以被支撑为沿径向方向运动(诸如通过控制本体86的枢转运动或径向平移)用以将流动控制表面88的侧部88a、88b定位到更靠近或者更远离相应的后缘80a、80b的位置。根据本发明的流动控制本体86可以相对于后缘80a、80b进行移动的方面，可以参照控制本体86相对于来自气室92的气体流的定向的任何枢转或者其他改变来形成流动控制本体86的侧部88a、88b的构型(诸如侧部88a、88b的曲率)，以维持沿着流动控制本体86的侧部88a、88b的康达效应流。

应当理解的是，本发明并不限于用于控制到达槽90a、90b的气体流的特定结构，这种控制可以设置在扩散器外壳52内，即，在叶片72的位置，或者可以设置在扩散器外壳52的外部。例如，扩散器外壳52外部的控制可以包括单独的供应管路(未示出)和用于每个槽90a、90b的相对应的气室，其中，到达单独的供应管路的气体流可以由定位在扩散器外壳52外部的阀结构或者其他装置来控制。

流动控制表面88的每个侧部88a、88b可以与相邻的槽90a、90b相协作以提供康达流。例如，径向外部槽90a可以提供来自气室92的气体流G_C1的大多数或者大部分，气体流G_C1包括与流动控制本体86的径向外侧部88a的上游部分基本上相切地并且以足以产生康达效应的速度离开槽90a的气体喷射。另外，产生康达效应的喷射流G_C1夹带流动经过径向向外面向表面74的排放气体44的至少一部分并且使该至少一部分气体加速，用以引起流动以围绕流动控制本体86的侧部88a的曲率的大致附着流的形式径向向内转向，如由图2中的流线44a所描绘的。如本文中所使用的，“康达效应”指的是由亨利康达在1930年观察到如下的效应：沿着弯曲或倾斜的表面切向流动的相对高速的喷射流体具有遵循沿着曲面或斜面的表面的倾向。

来自槽90a的喷射流G_C1和夹带的排放气体44作用为使排放气体流44转向，该转向朝向内边界46径向向内吸引排气流。叶片72可以定位为使得后缘91定位成沿轴向方向大致与尾部锥体64的至少一部分调准，并且可以被支撑为与支柱结构59的后缘部分相邻。具体地，叶片72优选地定位成在排放气体流从轮毂58到达尾部锥体64的下游端68时提供排放气体流的向内偏流，并增大在内边界46的流动速度。由到达内边界46的康达流提供的增大的流动速度可以作用为增大沿着轮毂58和尾部锥体64的流动强度，用于改进对尾部锥体64的下游端68处的尾流的密封。由此，沿循尾部锥体64的轮廓的改进的流动可以允许如下的扩散器设计：其在不产生明显的流动分离的情况下包括更急剧渐缩的尾部锥体64或者截头的尾部锥体64。另外，提高在轮毂58和尾部锥体64的流动强度可以促进允许增大扩展扩散器外壳52的角度的设计，以实现减小排气扩散器40的总长度。

根据本发明的另一方面，可以提供气室92到径向内部槽90b的附加的气体流，其中，可以如上文所述的将来自气室92的气体流的大多数或者大部分设置为离开径向外部槽90a用以提供康达效应，而可以将较少量的气体流提供到径向内部槽90b。到达槽90b较少的流动可以被提供例如用以促进排放气体44沿着径向向内面向的表面76向下游流动经过槽90b，例如用以防止排放气体44进入槽90b，并且优选地为足够低的流速用以不会对由径向外部槽90a提供的径向向内的康达流产生不利地影响。

此外，响应于进入排气扩散器40的排气流44的一些流动条件，径向内部槽90b可以被提供有来自气室92的气体流G_C2的大多数或者大部分，气体流G_C2包括与流动控制本体86的径向内侧部88b的上游部分基本上相切地并且以足以沿着流动控制本体86的径向向内面向侧部88b产生康达效应的速度离开槽90b的气体喷射。来自槽90b的喷射流G_C2夹带流动经过径向向内面向表面76的排放气体44的至少一部分并且使该至少一部分排放气体加速，用以使得该喷射流以围绕流动控制本体86的侧部88b的曲率的大致附着流的形式径向向外转向，如图2中由虚线流线44b所描绘的。在该情况中，较少量的气体流可以被提供至径向外部槽90a。到达槽90a的较少的流动可以被提供例如用以促进排放气体44沿着径向向外面向的表面74向下游流动经过槽90a，例如用以防止排放气体44进入槽90a，并且所述较少的流动优选地为足够低的流速用以不会对由径向内部槽90b提供的径向向外的康达流产生不利地影响。

可以根据影响排放气体44的流动曲线的各种条件来控制由叶片72的康达效应使排放气体流44朝向其偏流的具体径向方向以及由喷射流G_C1或G_C2提供的康达效应的强度。也就是说，除了促进排气扩散器40的有效设计之外，来自槽90a、90b的康达流可以用以优化流动特性或者补偿进入排气扩散器40的流动曲线中的非均匀性，诸如可能由环境入口条件的改变引起这种非均匀性。例如，对于例如在炎热天气时的较高的入口温度，轮毂58和尾部锥体64附近的排气流44可能较弱，可能期望的是增大通过径向外部槽90a的喷射流G_C1的强度来增大用于使排气流44朝向尾部锥体64偏流的康达效应。替代性地，对于例如在寒冷天气时的较低的入口温度，轮毂58和尾部锥体64附近的排气流44可能较强，可能期望的是通过如下方式来沿径向向外的方向提供康达效应：将来自气室92的气体流的大部分指引到径向内部槽90b，用以利用喷射流G_C2沿着流动控制本体86的径向内部侧88b产生用于使排气流44朝向扩散器外壳52径向向外偏流的康达效应。使排气流朝向扩散器外壳52偏流可操作成激发沿着扩散器外壳52的内周表面54的流动并且抵消排气流44从内周表面54分离的倾向。

另外，在非设计情况的期间，由于诸如可以在传感器104处测量的环境空气温度之类的环境温度发生改变，或者由于涡轮发动机的输出功率改变，流动也将倾向于具有比设计情况更多的漩涡，并且在内边界46与外边界48之间的排放气体流具有相对应的非均匀的速度曲线。漩涡可以用作将流动拉离内边界46，这之后将需要来自径向外部槽90a沿着流体控制本体86的径向外部侧88a的康达流来补偿该作用，并且在一些情况中可能需要增大来自槽90a的流动。其他非均匀的流动情况可能需要来自径向内部槽90b的康达流。

随着康达喷射流G_C1、G_C2穿过相应的槽90a、90b的速度增大，喷射流G_C1、G_C2径向向内或径向向外吸引排放气体44的性能增大。由槽90a、90b中任一者提供的气体质量流G_C1、G_C2优选地在包括通过流动路径50的排气流44的气体质量流的大约1％到大约2％的范围内。此外，来自槽90a、90b中任一者的喷射流G_C1、G_C2优选地以大于扩散器部段40中的排气流44的速度排出。

控制器100可以操作成自动地改变由槽90a、90b提供的康达效应以优化通过扩散器部段40的流动特性，从而通过如下方式来提高涡轮发动机的效率：使内边界46的影响相对于外边界48的影响发生改变，同时利用内边界46和外边界48的固定几何结构来操作。此外，由本发明的方面提供的流动控制能够在无需位于排气流44中的可动部件的情况下使得通过扩散器部段40的排气流44发生径向偏流，这是由于来自气室92通过槽90a、90b的喷射流可以通过在叶片72内装设阀来控制。

图5中示出了本发明的其他方面，其中第一径向内部流动控制叶片72a和第二径向外部流动控制叶片72b示出为支撑在结构59上且位于内边界46与外边界48之间的相应的第一径向位置和第二径向位置。第一流动控制叶片72a和第二流动控制叶片72b可以包括周向的康达叶片结构，该康达叶片结构可以以与参照图2至图4描述的流动控制叶片72基本上相同的方式构造并操作。此外，流动控制叶片72a、72b中的一个或者两个可以包括锥形叶片，该锥形叶片以基本上平行于扩散器外壳52的扩展角度的角度径向向外成角度。

可以针对每个叶片72a、72b单独地控制来自每个叶片72a、72b的包括康达喷射的喷射流以在每个叶片72a、72b处提供流动的期望方向和强度，可以参考进入排气扩散器40的排气流44的流动曲线对喷射流进行控制。在由叶片72a、72b提供的康达效应喷射流的一种应用中，排气流在叶片72a、72b这两者处都可以被偏流成径向向内流动，由在每个叶片72a、72b处的实线箭头44a示出。在叶片72a、72b这两者处的径向向内的流动可以作用为补偿在内边界46处的弱流动和在外边界48处的相对应的强的流动，以使从尾部锥体64向下游延伸的尾流损失最小化。

在由叶片72a、72b提供的康达效应喷射流的另一应用中，排气流在叶片72a、72b这两者处都可以被偏流成径向向外流动，由在每个叶片72a、72b处的虚线箭头44b示出。在叶片72a、72b这两者处的径向向外的流动可以作用为补偿在内边界46处的强流动和在外边界48处的相对应的弱流动。

在由叶片72a、72b提供的康达效应喷射流的又一应用中，排气流可以朝向相对于每个叶片最近的边界径向地偏流。具体地，径向内部叶片72a可以使排气流朝向内边界46径向向内偏流，如在叶片72a处的实线箭头44a所示出的，径向外部叶片72b可以使排气流朝向外边界48径向向外偏流，如在叶片72b处的虚线箭头44b所示出的。

应当理解是，图5仅示出了包括多个流动控制叶片72a、72b的一种构型，可以设置附加的流动控制叶片以获得对排气流44的曲线期望的控制度。多个流动控制叶片72a、72b提供对叶片的流动转向能力的附加的控制，用以在广泛范围的操作条件下都能维持内边界46和外边界48处的有效流动分布，并且为排气扩散器提供具有较强的扩散器入口流动曲线的附加选择。

尽管已经示出并描述了本发明的特定实施方式，但是对本领域的普通技术人员显然的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可做出多种改变和变型。因此，意图的是所附权利要求覆盖在本发明范围内的所有这些改变和变型。

Claims

1.一种用于轴流式机器的流动通路，包括：

内边界；

外边界，所述外边界与所述内边界径向隔开，使得在所述内边界与所述外边界之间限定用于沿轴向方向引导流体流的环形的流动路径；

压缩流体源；

流动控制叶片，所述流动控制叶片包括前缘和后缘，所述流动控制叶片支撑在所述内边界与所述外边界之间的径向位置处；

流体排出开口，所述流体排出开口用于将压缩流体流从所述后缘排出；

流体控制表面，所述流体控制表面与所述流体排出开口相邻并且在所述流动控制叶片的所述后缘处沿所述轴向方向延伸，所述流体控制表面具有形成康达表面的弯曲的后缘；并且

所述流体排出开口被选择性地提供有来自所述压缩流体源的压缩流体用以沿着所述流体控制表面产生康达效应，所述康达效应具有径向方向上的分量，所述径向方向上的分量作用为使所述流动路径中的流体流朝向所述内边界径向向内或朝向所述外边界径向向外地转向，

其中，所述流动控制叶片支撑在支柱结构上，所述支柱结构包括侧向相对的侧部，所述流动控制叶片与所述支柱结构的所述侧向相对的侧部相交。

2.根据权利要求1所述的流动通路，其中，所述压缩流体源定位在所述流动路径的外部，并且包括定位在所述流动控制叶片内的与所述压缩流体源流体连通的气室，并且将压缩流体流提供到所述流体排出开口。

3.根据权利要求2所述的流动通路，其中，所述流动控制叶片在所述流动路径内周向地延伸，所述流体排出开口包括：

第一流体排出开口，所述第一流体排出开口定位在所述流动控制叶片的径向向外面向的侧部上；

第二流体排出开口，所述第二流体排出开口定位在所述流动控制叶片的径向向内面向的侧部上；

所述第一流体排出开口和所述第二流体排出开口定位成与所述流体控制表面的相应的径向面向的侧部相邻；并且

所述第一流体排出开口和所述第二流体排出开口定位成与所述气室流体连通用以选择性地将大部分的压缩流体流提供到所述第一流体排出开口和所述第二流体排出开口中的任一者。

4.根据权利要求3所述的流动通路，其中，

当大部分的所述压缩流体流被提供至所述第一流体排出开口时，沿着所述流体控制表面的所述康达效应作用为使所述流动路径中的流体流径向向内转向；并且

当大部分的所述压缩流体流被提供至所述第二流体排出开口时，沿着所述流体控制表面的所述康达效应作用为使所述流动路径中的流体流径向向外转向。

5.根据权利要求1所述的流动通路，其中，所述流体控制表面包括相对的第一径向面向部分和第二径向面向部分，所述第一径向面向部分和所述第二径向面向部分关于从所述流动控制叶片的所述前缘轴向延伸到所述流动控制叶片的所述后缘的平面是基本对称的。

6.根据权利要求1所述的流动通路，其中，所述流动控制叶片包括第一流动控制叶片并且所述径向位置包括第一径向位置，并且所述流动控制叶片包括在所述内边界与所述外边界之间、在所述第一流动控制叶片的径向外侧的定位在第二径向位置的第二流动控制叶片。

7.根据权利要求6所述的流动通路，其中，所述外边界以预定的角度扩展，所述第一流动控制叶片和所述第二流动控制叶片中的至少一个限定在所述前缘与所述后缘之间的弦向轴线，所述弦向轴线沿基本上平行于所述预定的角度的方向定向。

8.根据权利要求1所述的流动通路，其中，所述内边界包括尾部锥体，所述尾部锥体具有朝向所述流动路径的中央轴线径向向内渐缩的锥形表面，所述流动控制叶片的所述后缘沿所述轴向方向与所述尾部锥体的至少一部分大致调准。

9.一种包括燃气涡轮发动机中的排气扩散器的流动通路，所述流动通路包括：

内边界，所述内边界由排气扩散器轮毂限定；

外边界，所述外边界由排气扩散器外壳限定，所述外边界以预定的角度径向向外扩展并且与所述内边界径向隔开，使得在所述内边界与所述外边界之间限定用于沿轴向方向引导排放气体流的环形的流动路径；

压缩流体源；

多个支柱结构，每个所述支柱结构具有在所述外边界与所述内边界之间延伸的径向指向的轴线；

一对径向相对且隔开的空气动力学表面，所述空气动力学表面形成流动控制叶片，所述流动控制叶片具有沿所述轴向方向延伸的弦向长度和在所述弦向长度的相对端部处的前缘和后缘；

所述流动控制叶片附接至所述支柱结构并且在所述支柱结构之间延伸，所述流动控制叶片限定定位在所述内边界与所述外边界之间的环并且接收来自所述压缩流体源的流体；

第一流体排出槽和第二流体排出槽，所述第一流体排出槽和所述第二流体排出槽用于将压缩流体从所述后缘排出；

流体控制表面，所述流体控制表面与所述第一流体排出槽和所述第二流体排出槽相邻，所述流体控制表面延伸超过所述流动控制叶片的所述后缘并且具有形成康达表面的与所述第一流体排出槽和所述第二流体排出槽中的每一者相邻的弯曲的后缘部分；并且

所述第一流体排出槽和所述第二流体排出槽被选择性地提供有来自所述压缩流体源的压缩流体用以沿着所述流体控制表面产生康达效应，所述康达效应具有径向方向上的分量，所述径向方向上的分量作用为使所述流动路径中的排放气体流朝向所述内边界径向向内或者朝向所述外边界径向向外转向。

10.根据权利要求9所述的流动通路，其中，

所述压缩流体源定位在所述流动路径的外部，并且包括定位在所述流动控制叶片内的与所述压缩流体源流体连通的气室，并且将压缩流体流提供至所述第一流体排出槽和所述第二流体排出槽；并且

所述第一流体排出槽和所述第二流体排出槽定位成与所述气室流体连通，以将至少大部分的压缩流体流选择性地提供至所述第一流体排出槽和所述第二流体排出槽中的一者。

11.根据权利要求9所述的流动通路，包括多个所述流动控制叶片，多个所述流动控制叶片限定多个环，所述多个环定位成在所述内边界与所述外边界之间相对于彼此径向隔开，每个所述流动控制叶片具有在所述流动控制叶片的径向向外面向的侧部上的第一流体排出槽和在所述流动控制叶片的径向向内面向的侧部上的第二流体排出槽，所述第一流体排出槽和所述第二流体排出槽与所述压缩流体源流体连通，以及具有限定康达表面的与所述第一流体排出槽和所述第二流体排出槽中相应的一个相邻的流体控制表面。

12.根据权利要求11所述的流动通路，其中，所述流动控制叶片中的第一个包括提供用以朝向所述内边界径向向内吸引流体流的康达效应流的径向内部叶片，所述流动控制叶片中的第二个包括提供用以朝向所述外边界吸引流体流的康达效应流的径向外部叶片。

13.根据权利要求9所述的流动通路，其中，所述内边界包括定位在所述扩散器轮毂的下游端的尾部锥体。

14.根据权利要求13所述的流动通路，其中，所述尾部锥体具有朝向所述流动路径的中央轴线径向向内渐缩的锥形表面，所述流动控制叶片的所述后缘沿所述轴向方向与所述尾部锥体的至少一部分大致调准。

15.一种涡轮发动机中的排气扩散的方法，包括：

提供具有涡轮机部段和排气扩散器部段的涡轮发动机，所述排气扩散器部段包括至少由轮毂结构限定的内边界，所述轮毂结构包括至少轮毂和尾部锥体，所述轮毂具有上游端和下游端，所述尾部锥体具有下游端和定位成与所述轮毂的所述下游端相邻的上游端，所述尾部锥体朝向扩散器的轴线径向向内渐缩，所述排气扩散器部段还包括与所述内边界径向隔开的外边界使得在所述内边界与所述外边界之间限定流动路径；

将涡轮排放气体流供应至所述流动路径；并且

将来自压缩流体源的流体流提供至定位在所述内边界与所述外边界之间的叶片，沿着康达表面以康达效应流动的所述流体流夹带一部分的所述排放气体流用以作用为使所述排放气体流朝向所述内边界和所述外边界中的至少一者偏流，

其中，所述叶片包括第一流体排出槽和第二流体排出槽，并且交替地包括：

从所述第一流体排出槽和所述第二流体排出槽中的一个提供大部分的所述流体流用以引起朝向所述内边界在第一方向上沿着所述康达表面的流动；以及

从所述第一流体排出槽和所述第二流体排出槽中的另一个提供大部分的所述流体流用以引起朝向所述外边界在第二方向上沿着所述康达表面的流动。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述叶片包括与所述内边界相邻的第一叶片并且包括在所述第一叶片的径向外部且与所述外边界相邻的至少第二叶片，并且所述第二叶片接收来自所述压缩流体源的沿着另一康达表面流动的流体流，所述方法同时包括：

1)从所述第一叶片提供所述流体流用以作用为使所述排放气体流朝向所述内边界径向向内偏流；以及

2)从所述第二叶片提供所述流体流用以作用为使所述排放气体流朝向所述外边界径向向外偏流。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述叶片包括与所述内边界相邻的第一叶片并且包括在所述第一叶片的径向外部且与所述外边界相邻的至少第二叶片，并且所述第二叶片接收来自所述压缩流体源的沿着另一康达表面流动的流体流，所述方法包括：

将经过所述康达表面的所述流体流设置为使得所述第一叶片和所述第二叶片这两者处的所述排放气体流都在相同的径向方向上偏流。