CN104847422A - 空气循环机的第一级涡轮机壳体 - Google Patents

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CN104847422A CN201410852561.4A CN201410852561A CN104847422A CN 104847422 A CN104847422 A CN 104847422A CN 201410852561 A CN201410852561 A CN 201410852561A CN 104847422 A CN104847422 A CN 104847422A
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Abstract

一种空气循环机的壳体包括静密封部分、主孔壳体部分、护罩导向器壳体部分和止推板壳体部分。所述静密封部分被布置成围绕中心轴并且限定静密封半径D1。所述主孔壳体部分被布置成围绕所述中心轴并且环绕沿着所述中心轴布置的轴。所述主孔壳体限定中心孔内径D2。所述护罩导向器壳体半径被布置成围绕所述中心轴并且限定护罩导向器半径D3。所述止推板壳体部分被布置成围绕所述中心轴并且限定绝缘体密封板半径D4。比率D1/D2为0.8394-0.8416，比率D1/D3为0.4315-0.4322，比率D1/D4为0.2517-0.2521，比率D2/D3为0.5130-0.5146，比率D2/D4为0.2993-0.3001，并且比率D3/D4为0.5828-0.5838。

Description

空气循环机的第一级涡轮机壳体
发明背景
本发明涉及空气循环机(ACM)。ACM可以用于在压缩机部分中压缩空气。压缩空气被排放到顺流热交换器并且进一步被引导到涡轮机。涡轮机从膨胀空气提取能量以驱动压缩机。从涡轮机输出的空气可以被用作车辆(例如，飞机的机舱)的供气。ACM可以被用来实现在转移到飞机环境控制系统的空气中所需的压力、温度和湿度。
ACM经常具有三轮或四轮配置。在三轮ACM中，涡轮机驱动在公共轴上旋转的压缩机和风扇。在四轮ACM中，两个涡轮机部分驱动公共轴上的压缩机和风扇。
来自一种工作流体的气流必须通过由ACM的热交换器和风扇部分组成的冲压回路被引导。来自第二工作流体的气流必须被引导到压缩机部分，远离压缩机部分朝向热交换器，从热交换器被引导到一个或多个涡轮机，并且从最终涡轮机级离开ACM。在这些转移中的至少一些中，需要相对于ACM的中心轴径向地引导空气。为了实现这一点，旋转喷嘴可以被用来产生径向流入和/或流出。
ACM经常具有一个以上的壳体部分。用于ACM的壳体被用来容纳通过ACM引导的气流，以及旋转部件。经常，壳体组件被配置成邻近密封件和/或其他壳体组件以实现气流控制。
发明概要
一种空气循环机的壳体包括静密封部分、主孔壳体部分、护罩导向器壳体部分和止推板壳体部分。静密封部分被布置成围绕中心轴并且限定静密封半径D1。主孔壳体部分被布置成围绕中心轴并且环绕沿着中心轴布置的轴。主孔壳体限定中心孔内径D2。护罩导向器壳体半径被布置成围绕中心轴并且限定护罩导向器半径D3。止推板壳体部分被布置成围绕中心轴并且限定绝缘体密封板半径D4。比率D1/D2为0.8394-0.8416，比率D1/D3为0.4315-0.4322，比率D1/D4为0.2517-0.2521，比率D2/D3为0.5130-0.5146，比率D2/D4为0.2993-0.3001，并且比率D3/D4为0.5828-0.5838。
空气循环机包括被布置成围绕轴的风扇部分。风扇部分能够引导第一工作流体。压缩机部分被布置成接近风扇部分并被定位成围绕轴，并且能够压缩第二工作流体。涡轮机部分被布置成接近压缩机部分并被定位成围绕轴。涡轮机部分能够将第二工作流体的势能转换成转动能。热交换器能够交换第一工作流体与第二工作流体之间的热量。空气循环机的壳体包括静密封部分、主孔壳体部分、护罩导向器壳体部分和止推板壳体部分。静密封部分被布置成围绕中心轴并且限定静密封半径D1。主孔壳体部分被布置成围绕中心轴并且环绕沿着中心轴布置的轴。主孔壳体限定中心孔内径D2。护罩导向器壳体半径被布置成围绕中心轴并且限定护罩导向器半径D3。止推板壳体部分被布置成围绕中心轴并且限定绝缘体密封板半径D4。比率D1/D2为0.8394-0.8416，比率D1/D3为0.4315-0.4322，比率D1/D4为0.2517-0.2521，比率D2/D3为0.5130-0.5146，比率D2/D4为0.2993-0.3001，并且比率D3/D4为0.5828-0.5838。
附图简述
图1为空气循环机的横截面图。
图2为空气循环机的壳体的透视图。
具体实施方式
空气循环机壳体的尺寸被选择以便实现几个目标。静态轴封上旋转轴的减小阻力最小化摩擦损失并且将更多的涡轮功率转移到压缩机和风扇。合意地最小化密封间隙，以便最小化通过密封损失的压缩机入口流量。轴偏移(例如，密封件)引起轴密封齿与相关密封带之间的密切接触。在轴偏移期间使密封间隙损失与密封阻力的摩擦损失保持平衡。在旋转轴齿与密封带之间保持间隙以减少或消除空气循环机的箔带轴承中的次同步振动。此外，防止将由于偏移(例如，密封件)产生的泄漏排放到轴承冷却流径的部分。过量泄漏到这个流径可能导致冷却流的堵塞。密封胶防止过量泄漏，过量泄漏可能导致减少轴承冷却流和轴承表面过热。
压缩机和涡轮机的优化性能可以完全不同。对于压缩机，入口空气比出口空气处在更低的压力下，但对于涡轮机来说，情况恰好相反。另外，压缩机入口空气含有高温，并且压缩机排气温度更大。对于涡轮机，入口空气处在凉爽的温度下，并且出口空气处在更寒冷的温度下。当对压缩机和涡轮机部件进行优化时，涡轮机和压缩机需要不同的方法。当使用不正确的优化技术设计涡轮机，则无论是间隙太松导致涡轮机性能差，还是密封间隙太紧导致箔带轴承的侧载。在密封间隙太紧的具体实例中，箔带轴承将过度侧载并且导致可靠性差或减少负载能力。这个ACM的一个特征是使用轴承间隙和密封尺寸来防止过度侧载轴承，而不对涡轮机性能或额外的轴承冷却具有任何负面影响。
图1为ACM 2的横截面图，ACM 2为四轮ACM。如图1中所示，ACM 2包括风扇部分4、压缩机部分6、第一级涡轮机部分8和第二级涡轮机部分10，这些部分都连接到轴12。轴12围绕中心轴14旋转。
风扇部分4、压缩机部分6、第一级涡轮机部分8和第二级涡轮机部分10也通过轴12彼此连接。轴12沿着中心轴14延伸，并且连接到至少压缩机喷嘴26、第一级涡轮机喷嘴32和第二级涡轮机喷嘴38。风扇叶片20也可以连接到轴12。
当工作流体穿过ACM 2时，工作流体首先在压缩机部分6中被压缩，然后在第一级涡轮机部分8和第二级涡轮机部分10中膨胀。经常，当第一工作流体穿过压缩机部分6与第一级涡轮机部分8之间时，在热交换器(未示出)中加热或冷却第一工作流体，通过热交换器引导工作流体。第一级涡轮机部分8和第二级涡轮机部分10从工作流体提取能量，围绕中心轴14转动轴12。同时，通过同一热交换器由风扇部分4引导第二工作流体。例如，第一工作流体可以从燃气涡轮发动机的排出阀通过压缩机部分6被引导到热交换器、第一级涡轮机部分8，然后被引导到第二级涡轮机部分10，然后被引导到飞机环境控制系统。第二工作流体可以是通过同一热交换器由风扇部分4抽出的冲压空气，以在将第一工作流体引导到涡轮机部分8和10之前将第一工作流体冷却到所需的温度。通过压缩、加热和膨胀工作流体，可以将在第二级涡轮机10处提供的输出调节到所需的温度、压力和/或相对湿度。
风扇部分4包括风扇入口16和风扇出口18。风扇入口16为ACM2中的从另一源(例如，冲压进气口)接收工作流体的开口。风扇出口18允许工作流体逸出风扇部分4。风扇叶片20可以被用来将工作流体吸入风扇部分4。
压缩机部分6包括压缩机入口22、压缩机出口24、压缩机喷嘴26和压缩机叶片27。压缩机入口22为限定孔的管道，通过孔从另一源接收要被压缩的工作流体。压缩机出口24允许在工作流体已被压缩后将工作流体引导到其他系统。压缩机喷嘴26为通过工作流体在压缩机部分6中旋转的喷嘴部分。压缩机喷嘴26通过压缩机叶片27将工作流体从压缩机入口22引导到压缩机出口24。压缩机喷嘴26为径向流出转子
第一级涡轮机部分8包括第一级涡轮机入口28、第一级涡轮机出口30、第一级涡轮机喷嘴32和第一级涡轮机叶片33。第一级涡轮机入口28为限定孔的管道，在工作流体在第一级涡轮机部分8中膨胀之前工作流体穿过孔。第一级涡轮机出口30为限定孔的管道，工作流体(其已膨胀)通过孔离开第一级涡轮机部分8。第一级涡轮机喷嘴32为通过工作流体在第一级涡轮机部分8中旋转的喷嘴部分。第一级涡轮机喷嘴32与第一级涡轮机叶片33配合以从穿过其中的工作流体提取能量，从而驱动第一级涡轮机部分8和附接组件(包括轴12、风扇部分4和压缩机部分6)的旋转。第一级涡轮机喷嘴32为径向流入转子。
第二级涡轮机部分10包括第二级涡轮机入口34、第二级涡轮机出口36、第二级涡轮机喷嘴38和第二级涡轮机叶片39。第二级涡轮机入口34为限定孔的管道，在工作流体在第二级涡轮机部分10中膨胀之前工作流体穿过孔。第二级涡轮机出口36为限定孔的管道，工作流体(其已膨胀)通过孔离开第二级涡轮机部分10。第二级涡轮机喷嘴38为与第二级涡轮机叶片39配合的喷嘴部分，以从穿过其中的工作流体提取能量，从而驱动第二级涡轮机部分10和附接组件(包括轴12、风扇部分4和压缩机部分6)的旋转。具体来说，第二级涡轮机喷嘴38为径向流出转子。工作流体从第二级涡轮机入口34传递到空腔35，在空腔35工作流体入射在第二级涡轮机喷嘴38上。然后，工作流体穿过喷嘴叶片(未示出)之间。涡轮机喷嘴38是固定的，并且喷嘴隔片引导流动以最佳进入涡轮机转子。流动使涡轮机叶片39旋转并转动轴12。
轴12为杆(例如，钛拉杆)，其用于连接ACM 2的其他组件。轴12包括沿着其长度中途布置的密封部分。中心轴14为其他组件可以相对于其被布置的轴。
风扇部分4连接到压缩机部分6。具体来说，风扇出口18耦合到压缩机入口22。工作流体通过风扇入口16被吸入并且通过风扇出口18由风扇叶片20排出。来自风扇出口18的工作流体被引导到压缩机入口22以在压缩机部分6中进行压缩。类似地，压缩机部分6与第一级涡轮机部分8耦合。来自压缩机出口24的工作流体被引导到第一级涡轮机入口28。
风扇部分4和压缩机部分6共享壳体40。壳体40封闭移动部件和通过风扇部分4和压缩机部分6的空气路径。壳体40的大小和几何形状限定空气通过ACM 2的流量。例如，壳体40被布置成围绕轴12以便防止过多的气流围绕轴12。具体来说，静密封部分被包括在直接相邻于静密封部分44的轴12中。密封部分的外径被设置成密封件由壳体40的静密封部分44形成。因此，轴12在静密封部分的外径等于或稍小于静密封半径D1。
壳体40具有与相邻的壳体部分(例如，包围涡轮机部分8的壳体)相配合的特定尺寸。壳体40包括主孔壳体部分42、静密封部分44、护罩导向器壳体46和止推板48。
静密封部分44为壳体40的在纵轴上环绕轴12的部分，在纵轴上轴12包括密封件。以这种方式，静密封部分44防止壳体40与轴12之间的流体流动。壳体40从中心轴14到静密封部分44的半径被图示为静密封半径D1。静密封半径D1在2.0724cm与2.07365cm(0.8159in.与0.8164in.)之间。
主孔壳体部分42为壳体40的环绕轴12以防止过多的气流围绕轴12的部分。壳体40从中心轴14到主孔壳体部分42的半径被图示为中心孔内径D2。中心孔内径D2在2.4638cm与2.4689cm(0.9700in.与0.9720in.)之间。
护罩导向器壳体46在中心轴14与壳体40之间的径向距离是局部最小值的点处限定壳体40的部分。护罩导向器壳体部分46被配置成与互补的特征(涡轮机壳体50)配合。通过与涡轮机壳体50耦合，护罩导向器壳体46防止工作流体穿过压缩机入口22在压缩机出口24处与压缩流体混合。壳体40从中心轴14到护罩导向器壳体46的半径被图示为护罩导向器壳体半径D3。护罩导向器壳体半径D3在4.79805cm与4.80315cm(1.8890in.与1.8910in.)之间。
止推板48为壳体40的在第一级涡轮机部分8与第二级涡轮机部分10之间延伸的部分。止推板48分离第二级涡轮机入口34和空腔35。从中心轴14到止推板48的半径被图示为止推板半径D4。止推板壳体半径D4在8.22705cm与8.23215cm(3.2390in与3.2410in.)之间。
静密封半径D1、中心孔内径D2、护罩导向器壳体半径D3和止推板壳体半径D4之间的比率也可以被设置以在整个ACM 2中达到优化的轴承冷却和密封泄漏。ACM 2中的优化的密封间隙也允许轴/转子系统的正确操作。关于D1、D2、D3和D4之间的以下比率是优选的：D1/D2为0.8394-0.8416、比率D1/D3为0.4315-0.4322、比率D1/D4为0.2517-0.2521、比率D2/D3为0.5130-0.5146、比率D2/D4为0.2993-0.3001，并且比率D3/D4为0.5828-0.5838。
图2为壳体40的透视图，其图示静密封半径D1、中心孔内径D2、护罩导向器壳体半径D3和止推板半径D4。图1的ACM 2的组件(包括涡轮机部分8的相邻壳体和轴12)已被去除以更清楚地图示壳体40的特定尺寸。如先前参照图1所描述的，静密封部分D1、主孔壳体半径D2、护罩导向器壳体半径D3和止推板壳体半径D4具有尺寸的最优的特定范围。
可能的实施方案的讨论
以下是本发明的可能的实施方案的非排他性描述。
空气循环机的壳体可以包括静密封部分，其被布置成围绕中心轴并且被配置成环绕由沿着中心轴布置的轴限定的静密封。静密封部分限定静密封半径D1。主孔壳体部分被布置成围绕中心轴并且被定位成纵向邻近静密封部分。主孔壳体被配置成环绕轴。主孔壳体限定中心孔内径D2。护罩导向器壳体部分被布置成围绕中心轴。护罩导向器壳体部分限定护罩导向器半径D3。止推板壳体部分被布置成围绕中心轴并且被配置成与相邻的涡轮机部分组件配合。止推板壳体部分限定绝缘体密封板半径D4。关于D1、D2、D3和D4之间的比率包括D1/D2在0.8394-0.8416之间，D1/D3在0.4315-0.4322之间，D1/D4在0.2517-0.2521之间，D2/D3在0.5130-0.5146之间，D2/D4在0.2993-0.3001之间，并且D3/D4在0.5828-0.5838之间。
前述段落的壳体可以可选地包括，另外和/或替代地，以下特征、配置和/或额外的组件中的任何一个或多个。
静密封半径可以在2.0724cm与2.07365cm之间。主孔壳体半径可以在2.4638cm与2.4689cm之间。护罩导向器壳体半径可以在4.79805cm与4.80315cm之间。止推板壳体半径可以在8.22705cm与8.23215cm之间。涡轮机部分组件可以是涡轮机部分壳体。涡轮机部分组件可以是第一级涡轮机部分壳体。护罩壳体导向器部分可以被配置成与相邻的涡轮机部分组件配合。
空气循环机可以包括轴。空气循环机可以进一步包括风扇部分，其被布置成围绕轴的一部分。风扇部分能够引导第一工作流体。空气循环机包括压缩机部分，其被布置成邻近风扇部分并且被定位成围绕轴。压缩机部分能够压缩第二工作流体。涡轮机部分被布置成邻近压缩机部分并且被定位成围绕轴。涡轮机部分能够将第二工作流体的势能转换为转动能。热交换器能够交换第一工作流体与第二工作流体之间的热量。壳体形成风扇部分和压缩机部分的一部分。壳体包括静密封部分，其被布置成围绕中心轴并且被配置成环绕由沿着中心轴布置的轴限定的静密封。静密封部分限定静密封半径D1。主孔壳体部分被布置成围绕中心轴并且被定位成纵向邻近静密封部分。主孔壳体被配置成环绕轴。主孔壳体限定中心孔内径D2。护罩导向器壳体部分被布置成围绕中心轴。护罩导向器壳体部分限定护罩导向器半径D3。止推板壳体部分被布置成围绕中心轴并且被配置成与相邻的涡轮机部分组件配合。止推板壳体部分限定绝缘体密封板半径D4。关于D1、D2、D3和D4之间的比率包括D1/D2在0.8394-0.8416之间，D1/D3在0.4315-0.4322之间，D1/D4在0.2517-0.2521之间，D2/D3在0.5130-0.5146之间，D2/D4在0.2993-0.3001之间，并且D3/D4在0.5828-0.5838之间。
前述段落的壳体可以可选地包括，另外和/或替代地，以下特征、配置和/或额外的组件中的任何一个或多个。
第二工作流体可以穿过位于压缩机部分与涡轮机部分之间的热交换器。风扇部分、压缩机部分和涡轮机部分可以由轴连接以形成单一的线轴。静密封半径可以在0.8159in.与0.8164in.之间。主孔壳体半径可以在0.9700in.与0.9720in.之间。护罩导向器壳体半径可以在1.8890in.与1.8910in.之间。止推板壳体半径可以在3.2390in.与3.2410in.之间。
尽管已参照示例性实施方案描述本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以作出各种改变并可以将其要素换成等效物。另外，可以在不脱离其基本范围的情况下作出许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，意图本发明不限于所公开的特定实施方案，而是本发明将包括属于所附权利要求书的范围的所有实施方案。

Claims (15)

1.一种空气循环机的壳体，所述壳体包含：
静密封部分，其被布置成围绕中心轴并且被配置成环绕由沿着所述中心轴布置的轴限定的静密封，所述静密封部分限定静密封半径D1；
主孔壳体部分，其被布置成围绕所述中心轴并且被定位成纵向邻近所述静密封部分，所述主孔壳体被配置成环绕所述轴，所述主孔壳体限定中心孔内径D2；
护罩导向器壳体部分，其被布置成围绕所述中心轴，所述护罩导向器壳体部分限定护罩导向器半径D3；以及
绝缘体密封板壳体部分，其被布置成围绕所述中心轴并且被配置成与相邻的涡轮机部分组件配合，所述绝缘体密封板壳体部分限定绝缘体密封板半径D4，其中比率D1/D2为0.8394-0.8416，比率D1/D3为0.4315-0.4322，比率D1/D4为0.2517-0.2521，比率D2/D3为0.5130-0.5146，比率D2/D4为0.2993-0.3001，并且比率D3/D4为0.5828-0.5838。
2.如权利要求1所述的壳体，其中所述静密封半径在2.0724cm与2.07365cm之间。
3.如权利要求1所述的壳体，其中所述主孔壳体半径在2.4638cm与2.4689cm之间。
4.如权利要求1所述的壳体，其中所述护罩导向器壳体半径在4.79805cm与4.80315cm之间。
5.如权利要求1所述的壳体，其中所述绝缘体密封板壳体半径在8.22705cm与8.23215cm之间。
6.如权利要求1所述的壳体，其中所述涡轮机部分组件为涡轮机部分壳体。
7.如权利要求1所述的壳体，其中所述涡轮机部分组件为第一级涡轮机部分壳体。
8.如权利要求1所述的壳体，其中所述护罩壳体导向器部分被配置成与相邻的涡轮机部分组件配合。
9.一种空气循环机，其包含：
轴；
风扇部分，其被布置成围绕所述轴的部分，所述风扇部分能够引导第一工作流体；
压缩机部分，其被布置成邻近所述风扇部分并且被定位成围绕所述轴，所述压缩机部分能够压缩第二工作流体；
涡轮机部分，其被布置成邻近所述压缩机部分并且被定位成围绕所述轴，所述涡轮机部分能够将所述第二工作流体的势能转换为转动能；
热交换器，其能够交换所述第一工作流体与所述第二工作流体之间的热量；以及
壳体，其包含：
静密封部分，其被布置成围绕中心轴并且被配置成环绕由沿着所述中心轴布置的轴限定的静密封，所述静密封部分限定静密封半径D1；
主孔壳体部分，其被布置成围绕所述中心轴并且被定位成纵向邻近所述静密封部分，所述主孔壳体被配置成环绕所述轴，所述主孔壳体限定中心孔内径D2；
护罩导向器壳体部分，其被布置成围绕所述中心轴，所述护罩导向器壳体部分限定护罩导向器半径D3；以及
绝缘体密封板壳体部分，其被布置成围绕所述中心轴并且被配置成与相邻的涡轮机部分组件配合，所述绝缘体密封板壳体部分限定绝缘体密封板半径D4，其中比率D1/D2为0.8394-0.8416，比率D1/D3为0.4315-0.4322，比率D1/D4为0.2517-0.2521，比率D2/D3为0.5130-0.5146，比率D2/D4为0.2993-0.3001，并且比率D3/D4为0.5828-0.5838。
10.如权利要求9所述的空气循环机，其中所述第二工作流体穿过所述压缩机部分与所述涡轮机部分之间的所述热交换器。
11.如权利要求9所述的空气循环机，其中所述风扇部分、所述压缩机部分和所述涡轮机部分由所述轴连接以形成单一的线轴。
12.如权利要求9所述的壳体，其中所述静密封半径在0.8159in.与0.8164in.之间。
13.如权利要求9所述的壳体，其中所述主孔壳体半径在0.9700in.与0.9720in.之间。
14.如权利要求9所述的壳体，其中所述护罩导向器壳体半径在1.8890in.与1.8910in.之间。
15.如权利要求9所述的壳体，其中所述绝缘体密封板壳体半径在3.2390in.与3.2410in.之间。
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