CN104884816B - 用于涡轮发动机的压缩组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮发动机的压缩组件，具体为涡轮轴发动机，所述组件包括能够接收空气流的空气进口导管、至少一个包括至少一个可动压缩机轮(115)的空气压缩级和预旋转轮叶(105)，所述导管通向所述可动压缩机轮(115)，所述预旋转轮叶(105)在所述可动压缩机轮(115)的上游被定位在所述空气进口导管中以便控制所述可动轮的进口处的所述气流中的空气的速度，并且包括多个节距可变的叶片(110)，所述组件的特征在于，在所述空气导管的给定高度处，优选地在所述空气导管的上部中，所述轮叶(105)的两个连续的叶片(110)之间的节距(S2)大于所述两个叶片(110)中的一个叶片的弦长(C2)。

Description

用于涡轮发动机的压缩组件
技术领域
本发明涉及涡轮发动机的领域，尤其涉及用于飞行器的涡轮发动机的领域。本发明更具体地涉及用于涡轮发动机(具体用于直升飞机涡轮轴发动机)的压缩组件并且涉及配备有这种组件的涡轮发动机。
背景技术
按照已知的方式，涡轮轴发动机包括压缩组件或压缩机，压缩组件包括空气进口导管和至少一个空气压缩级，压缩机包括至少一个可动压缩机轮，导管排放到至少一个可动压缩机轮上。
这种压缩组件具有通常被称为喘振线的空气动力稳定性极限，这具体限制了涡轮轴发动机的加速能力。在低的运行速度下，压缩组件的空气动力稳定性极限与第一压缩级的空气动力过载有关联，从而导致到达第一可动轮的空气流的影响过大。
本申请人申请的专利申请FR2970508中描述的已知的方案在于：在第一可动压缩机轮的上游的涡轮轴发动机的空气进口导管中安装被称为预旋转格栅的格栅，以便通过使所述格栅沿第一可动轮的旋转方向定向来减小到达所述第一可动轮的空气流的影响。
这种预旋转格栅包括被称为可变节距轮叶的可定向的进口导向轮叶，进口导向轮叶被安装在外壳上并且均匀分布在空气进口导管内。格栅经由控制环被设定，也就是说，轮叶经由控制环被定向，并且这使得可动轮的进口处的空气流的速度能够被调整，以便改变到达第一可动轮的空气流的影响。
这种预旋转格栅的一种已知的布置在于：将格栅的轮叶布置成使得轮叶的预旋转角度以及因此空气流的定向角度能够根据空气导管的高度变化，空气流的定向角度在空气导管的给定高度处被限定为空气流被预旋转格栅的轮叶相对偏斜。换而言之，空气流的定向角度随着空气进口导管相对于涡轮轴发动机的轴的径向距离的变化而变化。
图1至图3为来自现有技术的预旋转格栅5的两个轮叶10和可动压缩机轮15的两个叶片20的组件的头部的示意性横截面。格栅5的连续的轮叶10间隔一距离S1，距离S1被称为节距。每个轮叶10具有弯曲的横截面并且在轮叶10的上游端部和下游端部之间(即，轮叶10的前缘和尾缘之间)限定了一弦长C1。
当预旋转格栅5例如针对预旋转格栅5的控制环(未示出)的等于0°的设定值在压缩机的高的运行速度下打开时，格栅5的轮叶10的预旋转角度通常(相对于轴线X'X)在大约0°(在空气导管的底部处)和多达大约15°(在空气导管的顶部处)的值之间。进入格栅的空气流F因此偏斜一定向角度α1，定向角度α1接近轮叶的预旋转角度并且定向角度α1在格栅的出口处根据绝对速度V1下的空气导管的高度介于0°和15°之间，其中(沿轴线X'X的)轴向分量为Vz1。例如在使用直升飞机涡轮轴发动机的情况下在起飞期间，格栅5的这种设定被用于压缩机的高的运行速度，具体地在最大运行速度下。
在压缩机的低的运行速度下，如图2所示，格栅5至少部分地关闭，以便减小空气动力负载并且通过朝向低流速移动压缩机的喘振线来增大喘振裕度，同时朝向高流速移动运行线，从而使涡轮轴发动机能够获得高的加速能力。在这种布置中，预旋转格栅5的控制环(未示出)通常被设定为例如大约为65°的值，对此格栅5的轮叶10的预旋转角度根据空气导管中的流量的高度而介于65°和80°之间。
在涡轮轴发动机(打开的格栅)的高的运行速度下，当在空气导管的顶部处到达压缩机的第一可动轮15的空气流的相对速度W1高时，例如使得可动轮的头部处的相对马赫数大于1.4时，格栅5的轮叶10的预旋转角度应当在空气导管的顶部处增大到15°以上(例如，多达20°)，以便显著地减小可动轮15的进口处的空气的相对速度W1并且因此显著地改进压缩的效率。
然而，如图2所示，在这种布置中，当预旋转格栅5的控制环在低速下被设定为格栅5的关闭值(例如，大约为65°)时，轮叶的预旋转角度在空气导管的顶部处达到大约85°，即，在导管的最上部中(具体地，在轮叶10的远端的区域中)空气流被轮叶10偏斜了一定向角度α1，定向角度α1接近大约85°。在这种情况下，预旋转格栅5的位于空气导管的顶部处的出口处的空气流沿轴线X'X的轴向速度Vz1变得如此低，以致使得这可导致压缩机的可动轮15的叶片20空气动力学故障。换而言之，空气的边界层不再保持可动轮15的叶片20的头部轮廓的形状，并且这可导致可动轮15内的空气动力学失速，空气动力学失速通常被称为旋转失速，旋转失速对压缩机的空气动力稳定性不利并且因此为一个缺陷。
克服所述缺陷的快速解决方案是在低速下将控制环调整至例如大约为50°或60°的低值，以便将预旋转格栅关闭一稍小的角度并且增大空气导管的顶部处的空气流的轴向速度Vz1。然而，对于空气导管的其余高度而言，这种调整将减小空气流的定向角度，这是一个缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，通过在涡轮轴发动机的高的运行速度下增大空气导管的顶部处的轮叶超过15°的预旋转角度，同时防止可动轮的叶片在涡轮轴发动机的低的运行速度下空气动力学故障，由此改进现有的预旋转格栅的结构。
尽管本发明已经发展了一种飞行器涡轮轴发动机，但是本发明涉及涡轮发动机的包括预旋转格栅的任何压缩组件，例如涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机、辅助动力装置(APU)、陆地涡轮发动机、涡轮压缩机等中的压缩组件。本发明还涉及任何类型的压缩机，不管其是轴向的、离心的、混合的等。
因此，本发明涉及一种用于涡轮发动机(具体地用于涡轮轴发动机)的压缩组件，所述组件包括能够接收空气流的空气进口导管、至少一个包括至少一个可动压缩机轮的空气压缩级和预旋转格栅，导管排放到所述可动压缩机轮上，所述预旋转格栅在可动压缩机轮的上游被定位在空气进口导管中以便调整可动轮的进口处的所述气流中的空气的速度，并且所述预旋转格栅包括多个设定可变的轮叶，所述组件的特征在于，格栅的两个连续的轮叶之间的节距在空气导管的给定高度处大于两个轮叶中的一个轮叶的弦长。
术语“节距”指的是连续布置的格栅的两个轮叶上的两个相同的点之间的距离。术语“弦长”指的是在预旋转格栅的轮叶的上游端部和下游端部之间延伸的部段之间的距离，即，预旋转格栅的轮叶的前缘的端部和尾缘的端部之间的距离。术语“上游”和“下游”与涡轮发动机中流通的空气流的方向有关。
有利地，两个连续的轮叶之间的节距在空气导管的上部中(例如，在所述轮叶的远端的区域中)大于两个轮叶中的一个轮叶的弦长。语句“空气导管的上部”指的是空气导管的径向离涡轮轴发动机的纵向轴线最远的部分。语句“在空气导管的顶部处”指的是轮叶相对于涡轮轴发动机的纵向轴线的远端。类似地，语句“空气导管的下部”指的是导管的离涡轮轴发动机的纵向轴线最近的部分。语句“在空气导管的底部处”指的是轮叶相对于涡轮轴发动机的纵向轴线的近端。
在现有技术的方案中，预旋转格栅的两个连续的轮叶的远端之间的节距小于或等于格栅的一个轮叶的弦长。换而言之，节距与弦长的比率(S1/C1)介于0.9和1之间。因此，格栅的轮叶在格栅的关闭位置部分重叠，从而显著地减小低速下的空气流的轴向速度并且导致上述的空气动力学故障。
在根据本发明的压缩组件中，因为格栅的两个连续的轮叶之间的节距大于两个轮叶中的一个轮叶的弦长，轮叶在格栅的关闭位置中不再和现有技术的方案一样相互覆盖，从而使得预旋转角度在压缩级的高的运行速度下在空气导管的上部中大于15°的轮叶能够被使用(其中，预旋转格栅被设定为非常宽广地打开)，同时使得可动压缩机轮在低的速度下能够有效地空气动力学运行(其中，预旋转格栅被设定为高程度地关闭)。
根据本发明的一个特征，当预旋转格栅处于针对压缩级的高的运行速度的打开位置(例如，针对格栅的控制环的0°的设定值)时，轮叶的预旋转角度在空气导管的上部中(具体地，在其远端的区域中)大于15°并且优选地介于15°和25°之间。因此，当到达第一可动压缩机轮的空气流的相对速度很高时，例如使得可动轮的头部处的相对马赫数大于1.4时，针对格栅的轮叶在空气导管的上部中的预旋转角度的值的这种范围使得空气流在压缩机的最大运行速度下的相对速度能够被有效地减小，以便显著地改进压缩级的效率。
优选地，当预旋转格栅处于压缩级的低的速度下的关闭运行位置(例如，针对格栅的控制环的65°的设定值)时，轮叶的预旋转角度在空气导管的上部中(具体地，在其远端的区域中)介于80°和90°之间。在这种情况下，由于两个连续的轮叶之间的节距大于轮叶的弦长，轮叶在格栅的关闭位置中的间距针对预旋转格栅的控制环的相同设定而言使得空气流能够获得比现有技术的组件中的气流的轴向速度大的轴向速度。换而言之，轮叶的间距使得经过预旋转格栅的空气流的轴向速度能够被增大，具体地被设定为高程度地关闭，以便防止可动压缩机轮的叶片的空气动力学故障。
优选地，格栅的轮叶相对于涡轮发动机的轴径向地延伸并且被构造为使得预旋转格栅的轮叶的预旋转角度在空气导管中随着径向距离变化。为此，轮叶可例如被扭曲。
优选地，针对格栅的控制环的0°的设定值，预旋转角度在空气导管的底部(即，径向里涡轮轴发动机的轴最近)处大约等于0°并且在空气导管的顶部(即，径向里涡轮轴发动机的轴最远)处大约为25°。
根据本发明的一个方面，轮叶的弦长针对预旋转格栅的多个轮叶而言恒定。
根据本发明的特征，预旋转格栅被定位在空气进口导管的径向部分、弯曲部分或轴向部分中。术语“径向部分”和“轴向部分”指的是相对于涡轮发动机的轴。
有利地，轮叶被布置成以便均匀分布在空气进口导管内。换而言之，格栅的轮叶之间的节距恒定。
本发明还涉及一种具体地用于飞行器(例如，直升飞机)的涡轮发动机(例如，涡轮轴发动机)，所述涡轮发动机包括能够接收空气流的空气进口导管、至少一个包括至少一个可动压缩机轮的空气压缩级和预旋转格栅，导管排放到所述可动压缩机轮上，所述预旋转格栅在可动压缩机轮的上游被定位在空气进口导管中以便调整可动轮的进口处的所述气流中的空气的速度，并且所述预旋转格栅包括多个设定可变的轮叶，所述组件的特征在于，格栅的两个连续的轮叶之间的节距在空气导管的给定高度处(优选地，在上部中)大于两个轮叶中的一个轮叶的弦长。
本发明还涉及一种用于控制上述的压缩组件的预旋转格栅的方法，所述压缩组件包括能够接收空气流的空气进口导管、至少一个包括至少一个可动压缩机轮的空气压缩级和预旋转格栅，导管排放到所述可动压缩机轮上，所述预旋转格栅在可动压缩机轮的上游被定位在空气进口导管中以便调整可动轮的进口处的所述气流中的空气的速度，并且所述预旋转格栅包括多个设定可变的轮叶，所述方法的特征在于，因为格栅的两个连续的轮叶之间的节距在空气导管的给定高度处(优选地在其上部中，具体地在其远端的区域中)大于两个轮叶中的一个轮叶的弦长，格栅的轮叶在压缩级的低的运行速度下被定位在80°和90°之间的预旋转角度处。
本发明还涉及一种用于控制上述的压缩组件的预旋转格栅的方法，所述压缩组件包括能够接收空气流的空气进口导管、至少一个包括至少一个可动压缩机轮的空气压缩级和预旋转格栅，导管排放到所述可动压缩机轮上，所述预旋转格栅在可动压缩机轮的上游被定位在空气进口导管中以便调整可动轮的进口处的所述气流中的空气的速度，并且所述预旋转格栅包括多个设定可变的轮叶，所述方法的特征在于，因为格栅的两个连续的轮叶之间的节距在空气导管的给定高度处(优选地在其上部中，具体地在其远端的区域中)大于两个轮叶中的一个轮叶的弦长，格栅的轮叶在压缩级的高的运行速度下被定位在大于15°(优选地，介于15°和25°之间)的预旋转角度处。
附图说明
根据阅读参考仅以非限制性示例给出的附图的以下说明，本发明的其它特征和优点将变得清楚，在附图中，相同的附图标记给予类似的元件。在附图中：
-图1为由现有技术的涡轮轴发动机的预旋转格栅的两个轮叶和可动轮的两个叶片形成的组件的横截面，预旋转格栅处于打开位置；
-图2为图1的组件的横截面，其中，预旋转格栅处于关闭位置；
-图3为现有技术的预旋转格栅的轮叶的布置的横截面；
-图4为根据本发明的预旋转格栅的轮叶的布置的横截面；
-图5为由根据本发明的涡轮轴发动机的预旋转格栅的两个轮叶和可动轮的两个叶片形成的组件的横截面，预旋转格栅处于关闭位置。
具体实施方式
尽管本发明已经在直升飞机涡轮轴发动机的背景下被实施，但是本发明当然可被使用在包括预旋转格栅的任何压缩组件中，压缩组件例如在涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机、辅助动力装置(APU)、陆地涡轮发动机、涡轮压缩机等中的压缩组件。
本发明还涉及任何类型的压缩机，无论其是否为轴向的、离心的、混合的等。
根据本发明的涡轮发动机的压缩组件包括：能接收空气流的空气进口导管；包括可动压缩机轮的空气压缩级，导管排放到可动压缩机轮上；以及预旋转格栅。预旋转格栅被定位在可动压缩机轮的上游的空气进口导管中，以便对朝向可动轮引导的上游空气流进行整流并且调整可动轮的进口处的速度。格栅包括多个设定可变的轮叶，所述轮叶相对于涡轮发动机的轴径向地延伸并被布置在相同的横向平面中，所述横向平面垂直于涡轮发动机的轴。
在涡轮发动机的运行期间，空气渗入空气进口导管、穿过预旋转格栅并且被输送至远达可动压缩机轮。由可动压缩机轮压缩的空气流然后被注入到燃烧室中，以便与其中的燃料混合并且在燃烧之后提供用于使一个或多个涡轮旋转的动能。
涡轮发动机当然可包括布置在第一压缩级和燃烧室之间的其它压缩级。
图4和图5示出了根据本发明的预旋转格栅105的两个轮叶110的布置。用于控制预旋转格栅105的部件(未示出)使得格栅105的轮叶110能够根据用于打开/关闭轮叶110的设定规律被定向，所述设定规律取决于涡轮发动机的旋转速度。这种设定规律被调整，以便确保运行线和喘振线之间的最小喘振裕度。
格栅105的轮叶110间隔一节距S2并且在其上游端部和下游端部之间(即，前缘和尾缘之间)具有限定弦长C2的曲率。
如图5所示，预旋转格栅105沿空气流F的整体方向被布置在可动压缩机轮115的叶片120的上游。可动轮115根据速度向量U旋转，以便使通过预旋转格栅偏离的空气流加速。
根据本发明，格栅5的两个连续的轮叶110之间的节距S2在空气导管的顶部处大于格栅5的轮叶110的弦长C2，使得轮叶110在格栅105的关闭位置不相互覆盖。节距S2与弦长C2的比率，即参数S2/C2可以介于1和1.5之间。
因此，在压缩机(打开的格栅)的高的运行速度下，空气流在空气导管的顶部处的介于15°和25°之间的预旋转角度α2的值使得进口处的空气与可动轮115的相对速度W2能够被显著地减小并且因此使得压缩级的效率能够被显著地提高。
在压缩机(关闭的格栅)的低的运行速度下，尽管轮叶在空气导管的顶部处的预旋转角度值介于80°和90°之间，格栅105的轮叶110的间距使得能够获得较小的空气流的预旋转角度α2并且因此使得能够保持轴向速度Vz2，通过将预旋转格栅105设定为接近高程度，所述轴向速度Vz2足够高以防止可动压缩机轮115在低速下发生空气动力学故障。
事实上，如图5所示，与现有技术相比增大节距S2使得能够限制在轮叶110的前缘BA和预旋转格栅105的连续轮叶110的尾缘BF之间流通的空气流的偏斜。

Claims (11)

1.用于涡轮发动机的压缩组件，所述涡轮发动机具体地为涡轮轴发动机，所述组件包括能够接收空气流的空气进口导管、至少一个包括至少一个可动压缩机轮(115)的空气压缩级和预旋转格栅(105)，所述导管排放到所述可动压缩机轮(115)上，所述预旋转格栅(105)在所述可动压缩机轮(115)的上游被定位在所述空气进口导管中以便调整所述可动轮的进口处的所述气流中的空气的速度，并且所述预旋转格栅(105)包括多个设定可变的轮叶(110)，所述组件的特征在于，在所述空气导管的上部中在所述空气导管的给定高度处，所述格栅(105)的两个连续的轮叶(110)之间的节距(S2)大于所述两个轮叶(110)中的一个轮叶的弦长(C2)，当所述预旋转格栅(105)处于所述压缩级的低速下的关闭运行位置时，所述轮叶(110)的预旋转角度在所述空气导管的上部中介于80°和90°之间。
2.根据权利要求1所述的压缩组件，其中，当所述预旋转格栅(105)处于所述压缩级的高速下的打开运行位置时，所述轮叶(110)的预旋转角度在所述空气导管的上部中大于15°。
3.根据权利要求1所述的压缩组件，其中，所述预旋转格栅(105)的轮叶(110)的预旋转角度根据所述空气导管中的径向距离变化。
4.根据权利要求3所述的压缩组件，其中，针对所述格栅的控制环的0°的设定值，所述预旋转角度在所述空气导管的底部处为0°并且在所述空气导管的顶部处为25°。
5.根据权利要求1所述的压缩组件，其中，所述轮叶(110)的弦长(C2)针对所述预旋转格栅(105)的多个轮叶(110)而言恒定。
6.根据权利要求1所述的压缩组件，其中，所述轮叶(110)被均匀分布在所述空气进口导管内。
7.根据权利要求2所述的压缩组件，其中，当所述预旋转格栅(105)处于所述压缩级的高速下的打开运行位置时，所述轮叶(110)的预旋转角度在所述空气导管的上部中介于15°和25°之间。
8.涡轮发动机，其具体用于飞行器，所述涡轮发动机包括能够接收空气流的空气进口导管、至少一个包括至少一个可动压缩机轮(115)的空气压缩级和预旋转格栅(105)，所述导管排放到所述可动压缩机轮(115)上，所述预旋转格栅(105)在所述可动压缩机轮(115)的上游被定位在所述空气进口导管中以便调整所述可动轮的进口处的所述气流中的空气的速度，并且所述预旋转格栅(105)包括多个设定可变的轮叶(110)，所述涡轮发动机的特征在于，在所述空气导管的上部中在所述空气导管的给定高度处，所述格栅(105)的两个连续的轮叶(110)之间的节距(S2)大于所述两个轮叶(110)中的一个轮叶的弦长(C2)，当所述预旋转格栅(105)处于所述压缩级的低速下的关闭运行位置时，所述轮叶(110)的预旋转角度在所述空气导管的上部中介于80°和90°之间。
9.用于控制压缩组件的预旋转格栅(105)的方法，所述压缩组件是根据权利要求1至7中任一项所述的压缩组件，所述压缩组件包括能够接收空气流的空气进口导管、至少一个包括至少一个可动压缩机轮(115)的空气压缩级和预旋转格栅(105)，所述导管排放到所述可动压缩机轮(115)上，所述预旋转格栅(105)在所述可动压缩机轮(115)的上游被定位在所述空气进口导管中以便调整所述可动轮的进口处的所述气流中的空气的速度，并且所述预旋转格栅(105)包括多个设定可变的轮叶(110)，所述方法的特征在于，在所述空气导管的给定高度处，在所述空气导管的上部中，因为所述格栅(105)的两个连续的轮叶(110)之间的节距(S2)大于所述两个轮叶(110)中的一个轮叶的弦长(C2)，因此所述格栅(105)的轮叶(110)在所述压缩级的低的运行速度下被定位在介于80°和90°之间的预旋转角度处。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述空气导管的上部中并且在所述压缩级的高的运行速度下，所述格栅(105)的轮叶(110)被进一步定位在大于15°的预旋转角度处。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述空气导管的上部中并且在所述压缩级的高的运行速度下，所述格栅(105)的轮叶(110)被进一步定位在介于15°和25°之间的预旋转角度处。
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