CN104169589B - 用于涡轮机整体叶盘的改进壳体和装配有所述壳体的涡轮机 - Google Patents

用于涡轮机整体叶盘的改进壳体和装配有所述壳体的涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机(1)的整体叶盘(20)的壳体(10)，其包括由耐磨材料制成的内部涂层(11)和多条圆周狭槽(12)，所述圆周狭槽(12)布置在所述耐磨材料的涂层(11)中，所属壳体还包括圆周腔(13)，所述圆周腔制成在所述耐磨材料涂层(11)中，所述狭槽(12)终结于所述圆周腔中，所述狭槽(12)终结于所述腔(13)中并且在所述腔(13)和所述壳体(10)的所述内表面(15)之间延伸。本发明还涉及包括该壳体和整体叶盘的涡轮机。

Description

用于涡轮机整体叶盘的改进壳体和装配有所述壳体的涡轮机
技术领域
本发明涉及提供航空引擎推动力的涡轮机领域。
更加特别地，本发明涉及用于这种涡轮机的整体叶盘的壳体。
背景技术
民用运输机的推动力必须遵守两个有时相互矛盾的条件：
－第一，巡航时提供良好的空气动力性能；
－以及在起飞和降落阶段遵守越来越严格的声学认证标准。
这个最后条件包括寻求用于减小在起飞和降落时由飞机产生的噪音的优选解决方案。由飞机涡轮机产生的总噪音的主要分量源自存在于涡轮机风机中发生的涡流。这些涡流源自风机壳体和风机叶片的径向外部端部之间的间隙，这使得在此处形成气流湍流。
结果，目的是研发一种涡轮机，所述涡轮机的壳体和包括整体叶盘的风机设计成使得尤其在起飞和降落期间由风机产生的噪音最小化，而同时又不会使得巡航时空气动力性能有任何下降。
就这一点而言，已经研发了一种壳体，所述壳体的与移动叶片相对的内表面改良成使得湍流减小并且因此降低因这种湍流而产生的噪音。
例如在文献FR2929349和FR2940374中已经提出了针对壳体表面所作出的改良，其旨在减小风机叶片与壳体的噪声相互作用。
FR 2940374提出了一种整体叶盘壳体，其包括与叶片相对的腔。使得腔相对于叶片成适当尺寸并且相对于叶片放置腔，使得尤其在这个文献中所述腔适于提供改进的空气动力性能并且降低噪音。
FR 2929349提出了一种整体叶盘壳体，所述整体叶盘壳体在其内表面上包括多条圆周槽(围绕壳体的轴线对称的绕转槽)。而且，这些 槽的横截面的表面从第一槽朝向最后一条槽减小，所述第一槽位于壳体的上游处，所述最后一条槽相对位于更下游侧。
在文献US 2011/0311354中，制成在壳体中的腔连接多条狭槽。
在文献EP 0754864中，将高压流体注入到连接多条狭槽的腔中，以便产生与涡轮机中的流相对的流。因此，所形成的狭槽和腔不会获取涡轮机中的气流的一部分，以便减小湍流。
已经证明通过将槽布置在所述内表面中针对壳体的内表面所作出的改良有用。但是，在这些槽中实施的多个流动模拟实验提出的是：因为相对于彼此独立，所以这些槽并非同样地全部有助于气动增益。
特别地，相对于那些位于上游处的槽，仅仅位于壳体最远下游处的槽允许低气动增益。
例如，显而易见的是，关于包括四条接续槽的壳体提到的气动增益基本等于仅仅包括三条接续槽的壳体获得的增益。
因此需要进一步通过壳体的表面改良或者壳体处理来获得气动增益，以便推动提高风机的声学性能并且促进增大位于下游的槽对气动增益的贡献。
发明内容
本发明的目的是通过提出一种整体叶盘壳体改正上述问题，所述整体叶盘壳体呈现了相对于现有技术提高的气动性能。
为此，本发明的目的是一种用于涡轮机的整体叶盘的壳体，其包括耐磨材料的内部涂层和多条圆周狭槽，所述多条圆周狭槽布置在所述涂层中，所述壳体还包括圆周腔，所述圆周腔制成在耐磨材料的涂层中，所述狭槽终结于所述腔中并且在所述腔和壳体的内表面之间延伸。
有利但是可选的，本发明还能够包括以下特征中的至少一个：
－作为耐磨材料的涂层其厚度介于20mm和25mm之间，腔在这个厚度中的高度介于5mm和10mm之间。
－腔通过相对于狭槽向上游错开延伸到耐磨材料的涂层中，所述 狭槽位于所述壳体上的最高处，并且狭槽的数量介于4条和8条之间。
－在耐磨材料的涂层的厚度中，每条狭槽的高度介于10mm和15mm之间。
－每条狭槽的宽度介于2mm和6mm之间。
－两条接续狭槽之间的间隔介于0.5mm和3mm之间。
－狭槽中的每一条均在角度介于70°和110°的平面中延伸。
本发明的另一个目的是涡轮机，所述涡轮机包括如在前述权利要求中的任意一项中声明权益的整体叶盘和整体叶盘壳体。
有利地但是可选地，根据本发明的涡轮机还能够包括以下特征中的至少一个：
－壳体的腔因相对于叶片的前缘向上游错开一介于2mm和10mm之间的距离而与轮的叶片的径向外端相对。
－位于壳体最高处的狭槽相对于叶片的前缘向上游错开一介于1.5mm和3.5mm的距离。
附图说明
从以下描述中本发明的其它特征、目的和优势将变得显而易见，以下描述仅仅为阐释性而非限制并且必须参照附图考虑，其中：
图1是根据本发明的包括移动整体叶盘和壳体的涡轮机的轴向截面；
图2示出了制成处于涡轮机壳体中的腔内的流线。
具体实施方式
图1图解了涡轮机1的整体叶盘20的壳体10。位于壳体10内部的整体叶盘20是涡轮机的风机。其包括多个叶片21，所述叶片21安装成围绕风机的旋转轴线X-X旋转。
每个叶片21均具有前缘22、后缘23和径向外部端部24，所述径向外部端部24与壳体的内表面15相对。因此迫使这个端部24在固定壳体10的内表面15附近高速运动，从而致使在这个位置处产生湍流 气流，所述湍动气流是噪声危害的来源。
由箭头F示出涡轮机1中的气流的大体方向，所述大体方向基本平行于风机20的旋转轴线X-X并且从每个叶片的前缘运动向后缘。在下文中，上游和下游用于定位壳体的元件并且是相对于气流方向。
固定安装在整体叶盘20周围的壳体10是围绕壳体轴线绕转的零件，所述壳体轴线与整体叶盘20的旋转轴线X-X相连。在下文中，旋转轴线X-X还称作壳体的轴线。
壳体10包括由耐磨材料制成的内部涂层11，涂层的表面限定了壳体10的内部表面15。这个涂层具有介于20mm和25mm之间的厚度，相对于旋转轴线X－X径向测量所述厚度。
在叶片21的耐磨材料涂层11中以及叶片21径向外部端部24的相对处设有多条狭槽12。这些狭槽12是周向的，即，它们在正交于壳体的轴线X-X的平面P中具有圆形横截面并且在这个平面中环绕壳体。
在耐磨材料的涂层11中还设置有环绕狭槽12的圆周腔13，使得狭槽12在腔13和壳体10的内表面15之间延伸。腔13还与叶片21的径向外端部24相对。
而且，狭槽12终结于腔13中，从而允许气流F中的一些经由一些狭槽进入腔13内部，并且从腔流出进入到其它狭槽中。有利地，所有狭槽12均终结于腔13中。
狭槽12之间的间隔14由与耐磨材料的涂层11相同的材料形成。间隔14能够通过触发器护环(在附图中未示出)连结在一起并且连结到所述涂层11，以便确保将组件保持在一起。
图2示出了腔13的水平高度处的气流的流线。这些流线揭示了相对于气流位于壳体的上游处的狭槽是如何发挥功能的，所述流线获取与叶片21和壳体10之间的间隙有关的涡流以及限制流层(limit layer)的一部分，从空气动力观点来看，这两个因数是有害的。
流线还示出了相对于气流位于壳体10的下游处的狭槽用于在风机20中的气流内使得气流再流动时较少湍动。
以这种方式，腔13特别地通过赋予最下游处的狭槽特殊功能(即，将气流回注到风机的气流中)来增大每条狭槽的气动增益。通过减少湍动气流产生的噪音实现这种气动增益。
再次参照图1，调整狭槽12和腔14的参数，以优化气动增益。
腔13在耐磨材料涂层11的厚度中具有高度h2(相对于轴线X-X径向测量)。
在由耐磨材料制成的涂层11的厚度中，狭槽12本身具有相对于轴线X-X径向测量的高度h3。
为了狭槽和腔布置在耐磨材料涂层11中，它们的累计高度h2+h3必须小于所述涂层11的厚度h1。对于厚度介于20mm和25mm之间的涂层而言，狭槽的和腔的累积高度必须小于或者等于15mm至20mm。
优选地，腔13的高度h2介于5mm和10mm之间。具有高容积的腔使得能够更多地获取漩涡的一部分但是降低风机20中的气流的再流动。结果，必须找到针对腔容积并且因此针对其高度的折中。有利地，针对高度h2获得的这个折中大约为6mm。
而且，狭槽12的高度h3优选地介于10mm和15mm之间，并且优选地大约为12mm。
而且，如从图1显而易见的是，腔13相对于第一狭槽12向上游错开，所述第一狭槽12位于壳体10的最高处。实际上，腔13不必与最上游的狭槽12齐平，腔的上游端部不必处于这条狭槽12的正下方，如在该情况下，这条狭槽的流线将突然在腔中分支，从而导致这个腔内产生混乱的流动。
优选地，腔13相对于第一狭槽12的上游端部错开介于2mm至5mm之间。
腔13还能够相对于最后狭槽12错开d'，所述狭槽12是位于壳体10中最下游处的狭槽。
就狭槽12的数量而言，有利地是介于4条和8条之间，并且更加有利地等于6条。
实际上，大量狭槽(通常大于4条)使得能够更多地获得漩涡的一部分，然后更好地将在风机20的气流内获取的气流回注。然而，超过8条的狭槽数量在将气流回注到风机中期间导致产生超压现象，这降低了空气动力性能。
因而，介于4条和8条之间，并且有利地等于6的狭槽的狭槽数量对应于这两个现象之间的优化折中。
再次参照图1，双箭头I示出了狭槽12的宽度。所有狭槽12的宽度有利地相等并且介于2mm和6mm之间。例如，宽度I等于3.5mm。
图1还经由双箭头ε示出了间隔件14的宽度，即，两条接续狭槽之间的间隔。所有间隔件14之间的间隔相等并且介于0.5mm和3mm之间。有利地，间隔能够等于1.5mm。
而且，狭槽12优选地但不限于在这样的平面内延伸:所述平面相对于壳体的轴线形成介于70°和110°之间的角度。有利地，狭槽在正交于所述轴线的平面中延伸。图1示出了正交于壳体轴线的平面P以及平面P和轴线之间的角度α。
选择关于狭槽的参数，以便确保良好地获取风机气流中的涡流的一部分，并且确保腔13内的良好流动，所述参数为高度h3、宽度I、两条接续狭槽之间的间隔ε和狭槽的角度α。
就狭槽12和整体叶盘20的叶片21的相对位置而言，壳体10中的最上游的狭槽12相对于叶片的前缘22优选地向上游错开一距离η，所述距离η介于1.5mm和3.5mm之间，这个距离为狭槽的沿着轴线X-X方向的中间部和叶片21的前缘22之间的距离。这种错开使得能够更好地获取由叶片21端部24产生的涡流的一部分。
最后，因为腔13相对于第一狭槽12向上游错开，因此腔相对于叶片21的前缘22向上游错开。图1中示出，腔的沿着轴线X-X的方向的上游端部和叶片21的前缘22之间的错开D优选地介于2mm和10mm之间，并且有利地等于6mm。
腔13(也称作再流动腔)通过减小壳体内表面附近的气流湍流强度提高了空气动力水平和声学水平。
减弱了源自了壳体和叶片之间的间隙和相互作用的噪音，并且增加了在壳体的上游和下游处每条狭槽减弱这种噪音的贡献。

Claims (10)

1.一种用于涡轮机(1)的整体叶盘(20)的壳体(10)，其包括由耐磨材料制成的内部涂层(11)和多条圆周狭槽(12)，所述狭槽(12)布置在所述耐磨材料的涂层(11)中，其特征在于，其还包括圆周腔(13)，所述圆周腔制成在所述耐磨材料的涂层(11)中，所述狭槽(12)终结于所述圆周腔中，所述狭槽(12)终结于所述圆周腔(13)中并且在所述圆周腔(13)和所述壳体(10)的内表面(15)之间延伸，使得所述壳体的内表面(15)附近的一些气流通过一些狭槽进入所述圆周腔(13)并通过其它狭槽流出所述圆周腔；
所述圆周腔(13)通过相对于位于所述壳体(10)的最上游处的所述狭槽(12)朝向上游错开而延伸到所述耐磨材料的涂层(11)中。
2.根据前述权利要求所述的壳体(10)，其中，所述耐磨材料的涂层(11)具有介于20mm和25mm之间的厚度(h1)，所述圆周腔(13)在这个厚度(h1)中具有介于5mm和10mm之间的高度(h2)。
3.根据权利要求1所述的壳体(10)，其中，所述狭槽(12)的数量介于4条和8条之间。
4.根据权利要求2所述的壳体(10)，其中，每条狭槽(12)在所述耐磨材料的涂层(11)的所述厚度(h1)中具有介于10mm和15mm之间的高度(h3)。
5.根据权利要求1所述的壳体(10)，其中，每条狭槽(12)的宽度(I)均介于2mm和6mm之间。
6.根据权利要求1所述的壳体(10)，其中，两条接续的狭槽(12)之间的间隔(ε)介于0.5mm和3mm之间。
7.根据权利要求1所述的壳体(10)，其中，所述狭槽(12)各个均在这样的平面中延伸:所述平面与所述壳体(10)的轴线(X-X)形成介于70°和110°之间的角度。
8.一种涡轮机(1)，所述涡轮机包括整体叶盘(20)和根据前述权利要求中的任意一项所述的用于涡轮机(1)的整体叶盘(20)的壳体(10)。
9.根据权利要求8所述的涡轮机(1)，其中，所述壳体(10)的所述圆周腔(13)通过相对于所述整体叶盘(20)的叶片(21)的前缘(22)朝向上游错开一介于2mm和10mm的距离(D)而与所述整体叶盘(20)的叶片(21)的径向外部端部(24)相对。
10.根据权利要求8所述的涡轮机(1)，其中，所述壳体(10)中的位于最上游的所述狭槽(12)相对于所述整体叶盘(20)的叶片(21)的前缘(22)朝向上游错开一介于1.5mm和3.5mm之间的距离(η)。
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