CN104220759B - 包括带有优化设置的空腔的压气机外壳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮发动机的压气机，其包括外壳，至少一个压气机级，该压气机级由具有静叶的叶轮和被定位在所述静叶轮下游的具有动叶(1)的叶轮所形成，以及在外壳厚度中沿着所述外壳(4)的圆周与动叶(1)相对地设置的空腔(5)。细长的并且沿着主方向定向延伸的所述空腔分别通过上游面和下游面在上游和下游封闭，以及上游边界(7)和下游边界(6)形成在上游面和下游面以及外壳之间的交截处。空腔相对于动叶(1)错开以在上游部分覆盖动叶轮，因此覆盖其上游端。所述外壳的特征在于，所述空腔(5)的下游边界(6)平行于动叶(1)头部的弦定向。

Description

包括带有优化设置的空腔的压气机外壳

本发明的领域是推进装置领域，特别地为用于推进装置(涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，在以下的描述中称为涡轮发动机)的轴向或轴向离心的压气机的领域，更具体地涉及高度加载的高压压气机。

航空涡轮发动机主要包括一个或多个压气机，通过气体入口吸入的气体在压气机中被压缩；通过燃烧室，被注入其中的燃料在燃烧室中燃烧；然后通过涡轮机，燃烧气体膨胀以驱动一个或多个压气机；最后通过喷射装置。航空压气机包括鳍状物，或叶片，其在相对发动机外侧提供气体管道密封性的外壳内侧旋转。已知，在压气机的动叶的端部之间存在的间隙以及形成气流管道内壁的外壳降低了涡轮发动机的发动机效率。此外，该间隙可特别地改变和降低压气机的运行，直到由气流从叶片表面流出所导致的“喘振”现象出现。在叶片端部控制气流因此构成用于获得良好的压气机空气动力学效率以及喘振现象的足够余量的一个重要目的。

已被开发用于限制在叶片端部和外壳之间的这种不必要流动影响的一种方法包括在叶片通道路径挖出设置在外壳壁内的空腔。这些空腔在发动机的上游端方向上与叶片相对设置或优先地轴向偏移，用于在所讨论的叶片的管道上游回注在叶片和外壳之间的间隙内流动的气体。这种实施方式的一个实例由申请人在以号码FR 2940374公开的专利申请中给出。

由该实施方式所提供的改进仅仅源于空腔轴向位置的优化以及必须实施在这些空腔的其他参数上优化的搜索，以尝试进一步改进现有压气机的空气动力学效率和/或喘振余量。

因此，本发明的目的是提出一种设置有空腔的压气机外壳，其具有进一步改进的空气动力学性能。

为此，本发明涉及一种涡轮发动机的压气机，其包括外壳，至少一个压气机级，该压气机级包括静叶轮和被定位在所述静叶轮下游的动叶轮，以及从所述外壳内表面的厚度中挖出多个空腔，这些空腔彼此不连通并且在与该动叶的通道路径相对的所述外壳的圆周上彼此平行设置，所述空腔在主要定向方向具有细长形状并且分别通过上游面和通过下游面朝上游侧和朝下游侧封闭，所述上游面和下游面与外壳的交截处分别形成上游边界和下游边界，所述空腔相对于动叶错开，以朝动叶轮的上游侧突出同时覆盖其上游端，其特征在于，这些空腔的下游边界平行于动叶头部的弦定向。

通过在空腔的整个下游区域上形成在同一时刻到达的推力作用，在空腔的下游边界和叶片的弦之间的平行性，导致与叶片通道相关的间隙涡流减少并提供了喘振余量的增加以及压气机级效率的轻微改进。

有利地，所述空腔的定向垂直于动叶的弦定向。空腔的基本平行六面体形状使得可以充分地利用上述推力作用。

在一个特定实施方式中，空腔在外壳的圆周上均匀地分布。

在另一实施方式中，空腔在外壳的圆周上不均匀地分布。

本发明还涉及一种包括如上所述的压气机的涡轮发动机。

在本发明实施方式的以下详细示例性说明中仅经由说明性的和非限制性示例，参考相应示意图，将会更好地理解本发明，以及其其他目的、细节、功能及优点会更清晰地出现。

在这些图中：

—图1是压气机级的示意横截面图，其外壳具有用于使在叶片和外壳之间流动的气体再循环的空腔；

—图2是根据现有技术的转子叶片和外壳的示意平面图；

—图3是根据本发明实施方式的转子叶片和外壳的示意平面图；

—图4是在本发明和现有技术中空腔和叶片的定位的比较示意图；

—图5是根据现有技术的空腔和转子叶片的透视图，以及

—图6是根据本发明的空腔和转子叶片的透视图。

参考图1，可以看到压气机级包括定子叶片或静叶2，该定子叶片或静叶2被定位在转子叶片或动叶1上游，转子叶片或动叶1连接到圆盘3(或根据被称为单件叶片圆盘技术的一种技术，直接被固定到该圆盘)。静叶通过固定在环绕动叶1的压气机外壳4上而被保持在适当位置，在它们中留下预限定的间隙。

外壳4从其内表面被挖空，彼此不连通的均匀地设置在其圆周上的多个空腔5与动叶1的通道路径相对。这些空腔大致上为直角平行六面体的形式，其径向地沉没到外壳内并且在轴向平面内的截面内具有带有圆角的矩形的形式。就它们在与外壳4的圆周正切的平面内截面内的形状而言基本为细长的长方形，所述长方形沿着两个大侧面延伸并在上游和下游包括形成所谓上游边界7和下游边界6的两个小侧面。这两个边界通常是直线的片段。

如在图1中可以看出的，空腔相对于动叶1的前缘朝发动机的上游错开。然而，空腔的上游侧7相对于叶片1的前缘11突出的长度被在动叶轮和静叶轮之间存在的空间所限制。由于这些空腔，偏离的气体以叶片弦的一定百分比被吸收并回注到叶片上游的管道。该结构允许穿过在叶片1和外壳4之间的间隙的气体再循环；事实上该间隙可能处于剧烈湍流的位置，其会扰乱不同级之间流动的结构以及因此可导致压气机的性能降级，或在极端情况下导致所谓的“喘振”或“流出”现象。这种现象的特征在于压缩比的瞬时下降以及穿过压气机的气流的瞬态逆转，其然后通过压气机的上游端出现。

现在参考图2和图3，可以看到沿外壳4对准的一系列空腔5的圆周位置。空腔的数量比构成压气机级的动叶轮的叶片1的数量更多。在实践中，该数量在动叶1的数量的2到4倍之间。如在这些图所示的空腔的圆周分布是均匀的布置，而且已经提出了使这种布置不规则以打破可以由这些空腔致使的叶栅上的气动激励，特别地在构成外壳的两个半壳体的每一个的端部。

在描述了现有技术的图2中，这些空腔的轴线相对于发动机的纵向方向稍微倾斜，被限定为动叶轮的转动轴线以及在图中由箭头示出。另一方面，在示出了本发明一个实施方式的图3中，空腔5用比图2中更大正切的它们大侧面的主要定向来定位，并且其特征在于垂直于动叶1的弦的设置角。叶片的弦被限定为将其前缘连接到其后缘的直线。并且，因为在这个实例中，空腔具有基本平行六面体的形状，空腔5的下游边界6与动叶1的弦对齐。

因此，如在图4中可以看到，空腔的轴向尺寸相对于现有技术(在图中用虚线所示)大幅地减少。在该结构的有益结果中，首先，附加质量由于与空腔符合的外壳的增厚而更少的这一事实。实际上有必要增强符合这些空腔5的外壳4以考虑它们对外壳机械强度的影响。其次，发现了空腔5与静叶2在动叶轮之前的空气动力学相互作用的风险减少；这种相互作用会减少由空腔所提供的性能改进。

图5和6以透视和凹陷示出了分别在现有技术中和根据本发明的空腔5相对于动叶轮的相对位置。如之前，可以看出本发明的特征在于空腔5的主方向定向垂直于动叶1的弦。为了考虑空腔5不是具有圆形形状的直角平行六面体形式的情况，如图所示，本发明的主要特征主要被限定为在空腔5的下游边界6和叶片1的弦之间的平行性。当不是直线时，对空腔的下游边界而言被限定为连接形成空腔与外壳4内壁的交截处的大侧面的下游极值点的直线段。

通过首先描述通过在外壳厚度内嵌入空腔的外壳处理的工作原理，现在将解释本发明的贡献。结合了两种空气动力学作用：首先，在前缘在转子顶部的空气的抽吸使得可以对抗转子和外壳之间间隙涡流的发展，其提高效率和稳定限制喘振现象；其次，动叶轮上游的气体回注可能通过限制层的再次激励而获得稳定限制，以及因此获得喘振余量。

通常认为有必要考虑通过包括空腔5的外壳处理来获取最佳结果的三个特定参数。第一涉及空腔下游端的轴向位置，其限定了气体被吸入的点；第二涉及空腔上游端的轴向位置，其限定了气体被回注的点；第三涉及空腔的体积，其确定了被输出和回注的气体量，以及因此外壳处理的功效。

本发明首先寻求减少空腔的轴向延伸，以及为此已经分析了这些设置对压气机性能的影响。通过增加该设置空腔轴向轮廓的减少导致空腔的下游侧和前缘11的回注点的会合，但在这里这通过保留空腔的体积而完成，其使得可以维持与通过嵌入空腔的外壳处理相关联的功效。

本发明然后开始确定用于空腔设置的最佳倾斜角。这是因为极度大的角往往使输出点太接近叶片前缘，以及因此在压力面和抽吸面之间的压差不很大的一个点处影响它，其不会阻止间隙涡流少量向下游发展。同样，气体的回注将会太接近前缘，以及主上游气体和回注(正切地)的气体之间的混合将不会在叶片前缘形成，其从流动稳定性的观点来看将是有害的。最后，过度倾斜的空腔将导致过度大的气体回注角，也就是说回注气体的轴向速度太低，削弱了其功效。

已经发现了空腔的最佳设置角是可能具有与动叶1的设置对齐的空腔5的下游边界6。该最佳的解释可通过以下事实给出，当叶片1在空腔以上穿过时，叶片1“推动”气体流到空腔内。具有与叶片设置对齐的下游边界可以具有在同一时刻在空腔的整个下游区域上到达的第一效应。当叶片1穿过空腔的下游侧时，这导致在最佳时刻更有效的推力，以及该推力作用导致与叶片1通道相关联的间隙涡流的减少。

最后，本发明首先表示空腔开始和结束的轴向位置相对于叶片1前缘的优化，与空腔的足够容积的维护相关联以确保外壳处理的功效，以及其次，表示空腔轴向尺寸的减少，其作用是对必需集成这些的外壳的过量厚度的限制。

Claims (5)

1.涡轮发动机的压气机，其包括外壳(4)；至少一个压气机级，该压气机级包括静叶轮和位于在所述静叶轮下游的动叶轮，所述静叶轮包括静叶(2)，所述动叶轮包括动叶(1)；所述压气机包括从所述外壳(4)内表面在所述外壳厚度中挖出的多个空腔(5)，所述多个空腔彼此不连通并在与动叶(1)的通道路径相对的所述外壳(4)的圆周上彼此平行设置；所述空腔沿主要定向方向具有细长形状并且分别通过上游面和通过下游面朝上游侧和朝下游侧封闭，所述上游面和所述下游面与外壳的交截处分别形成上游边界(7)和下游边界(6)，所述空腔相对于所述动叶(1)错开，以朝所述动叶轮的上游侧突出同时覆盖其上游端，其特征在于，所述空腔(5)的下游边界(6)平行于所述动叶(1)头部的弦定向。

2.根据权利要求1所述的压气机，其中，所述空腔的定向方向垂直于所述动叶(1)头部的弦的定向方向。

3.根据权利要求1到2任一所述的压气机，其中，所述空腔(5)均匀分布在所述外壳(4)的圆周上。

4.根据权利要求1到2任一所述的压气机，其中，所述空腔(5)不均匀地分布在所述外壳(4)的圆周上。

5.涡轮发动机，其包括前述权利要求任一所述的压气机。