CN105247223B - 具有轮叶的径流式或混流式压缩机扩散器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于发动机(1)的径流式或混流式压缩机(2)的扩散器(5)的轮叶(10)，所述轮叶包括前缘(11)、后缘(12)、上侧表面壁(13)和下侧表面壁(14)，所述前缘面向气流布置，所述后缘与所述前缘(11)相对，所述上侧表面壁和所述下侧表面壁将所述前缘(11)连接至所述后缘(12)，并且所述轮叶包括具有弧线(15)的轮廓，所述弧线在所述前缘(11)与所述后缘(12)之间具有至少两个拐点(I1，I2)。本发明还涉及一种相应的径向扩散器(2)。
Description
技术领域
本发明总体上涉及燃气涡轮发动机，更具体地，本发明涉及燃气涡轮的径流式或混流式压缩机的扩散级以及相关的压缩机。
背景技术
压缩机包括一个或更多个装有叶片或未装有叶片的旋转盘(转子或叶轮)、以及一个或更多个具有固定的轮叶的叶轮(矫直机级)。
径向(或离心式)压缩机具有至少一个径向压缩机级，径向压缩机能够实现与压缩机的中心轴线垂直的气流。径向压缩机包括具有径向叶片的至少一个叶轮，其中，径向叶片轴向地吸入空气，空气在径向力的影响下被加速、压缩并且被径向地排出。所排出的空气然后在扩散器(固定的轮叶)中被矫直，通过使离开叶轮的气体减速，扩散器将所排出的空气的部分速度转变成静压力。该操作必须以最小的总压力损失进行，同时仍保持压缩机的令人满意的稳定性水平，以便保持用于涡轮机的操作的合意的喘振裕度。
气体然后被朝向燃烧室导引。
混流式(或轴向-径向式)压缩机具有相对于所述中心轴线斜置的至少一个压缩机级，使得流体以相对于径向方向形成非零角的方式离开压缩机的叶轮。
径向压缩机的扩散器包括由两个凸缘组成的叶轮，在这两个凸缘之间，气体从中心朝向周缘径向地或对角地流动。轮叶沿整个叶轮分布在这两个凸缘之间。这些轮叶在这些轮叶的前缘与后缘之间形成流动梯级(flow cascade)。
然而，离开叶轮的气流由于扩散器的轮叶而导致的偏斜能够使流体在轮叶的拱腹或拱背上分离，如果分离显著的话，所述分离能够导致流体失速并因而导致抽吸。已知的是这种抽吸现象对组成压缩机的元件有害，使得人们试图尽量避免抽吸现象。
通常，扩散器的轮叶由呈圆弧形状的拱腹壁和拱背壁构成，并且包括准线性直角。图1中示出了这种轮叶的示例。然而，这些轮叶的扩散能力有限。实际上，通过这些轮叶而实现的扩散的增加会使各向同性效率下降，并且会使压缩机的不稳定性增加。
文献WO 2012/019650中提出了用于径向压缩机的这样的一种扩散器，该扩散器包括轮叶。具体地，该文献描述了这样的轮叶，所述轮叶的轮廓具有由具有拐点的函数所定义的弧线。由于这个原因，所述弧线呈“S”形状并且使得能够沿轮叶的轮廓分配载荷，其中，低载荷位于前缘的区域中，低载荷递增至轮叶的拐点，在轮叶的拐点处载荷最大。然而，表现出这种“S”轮廓的这种轮叶的使用需要限制扩散器喉部处的截面(即，流体入口处的截面)。这具有将流速/速度特性朝向较低的流速改变的作用，并且减小了扩散器的航空动力学节流。
文献JP 2011–252424中也描述了轮廓曲线的形状类似于“S”的轮叶。具体地，该文献的轮叶构造成使得形成在曲率线与周向轮廓曲线之间的角度升高，然后降低，然后在轮叶的前缘与后缘之间再次升高。在这种情况下，扩散器的喉部处的截面因此也一定会受到限制，这具有减小扩散器的稳定性的作用。
发明内容
本发明的一个目的在于改进现有技术的径流式和混流式压缩机的扩散器的性能和喘振裕度。
具体地，本发明的目的在于提出用于径流式或混流式压缩机的这样的一种扩散器：所述扩散器能够限制压缩机的等熵效率降低，并且能够提高用以减慢和用以矫直由压缩机的叶轮传送的气流的能力，同时仍保持气流的稳定性。
为此，本发明提出了用于径流式或混流式压缩机的扩散器的这样的一种轮叶：所述轮叶包括前缘、后缘以及拱腹侧壁和拱背侧壁，其中，前缘面向气流定位，后缘与所述前缘相反，拱腹侧壁和拱背侧壁将前缘与后缘连接。所述轮叶的轮廓包括弧线，所述弧线在前缘与后缘之间具有至少两个拐点。此外，拱腹壁的曲线和拱背壁的曲线大体上遵循所述弧线的曲线，使得：
-拱腹壁在前缘与后缘之间包括至少两个凸出部分，所述至少两个凸出部分由凹入部分分隔开，以及
-拱背壁在前缘与后缘之间包括至少两个凹入部分，所述至少两个凹入部分由凸出部分分隔开，以及
所述轮廓限定在前缘与后缘之间延伸的弦线，并且拱腹壁的凸出部分和拱背壁的凹入部分至少部分地在所述弦线的相同侧上延伸。
本发明还提出了一种包括至少一个上述轮叶的扩散器以及一种包括这种扩散器的径流式或混流式压缩机以及一种包括这种压缩机的发动机。
附图说明
在参照通过非限制性示例的方式给出的附图而阅读下文的详细描述时，本发明的其它特征、目标和优点将更为清楚，其中，在附图中：
图1示出了遵照现有技术的轮叶轮廓的示例，
图2示出了遵照本发明的扩散器的轮叶轮廓的示例，
图3为图2的轮叶的详细视图，图3中示出了弦线和轮叶中线，以及
图4示出了能够包括遵照本发明的扩散器的发动机的示例。
具体实施方式
根据本发明的径向扩散器特别地设计成与径流式或混流式压缩机2一起使用。
图4为包括径向压缩机2的发动机1的局部截面。气流F首先被吸入到进气通道中，然后在径向压缩机2的叶轮3的叶片3a与其壳体之间被压缩。压缩机2关于轴线X具有轴对称性。被压缩的气流F然后径向地离开叶轮3。如果压缩机2是混流型的，气流将相对于与轴线X径向的方向以非零角倾斜地离开。
压缩的空气径向地离开叶轮3，同时仍具有角动量，并且流通进入到扩散器5中。扩散器的作用是用以通过使气体的速度减慢而将来自压缩机2的气体的部分动能转换成静压力，并且用以矫直离开叶轮3的气流。为此，扩散器包括沿其外周定位的多个轮叶10，轮叶10在前凸缘5a与后凸缘5b之间延伸。每个轮叶10按照已知的方式具有前缘11、后缘12、拱腹侧壁13和拱背侧壁14，其中，前缘11面向气流定位，后缘12与前缘11相反，拱腹侧壁13和拱背侧壁14将前缘11连接至后缘12。
前凸缘5a和后凸缘5b能够是平形的。作为变型，凸缘5a、5b中的至少一者能够在凸缘5a、5b在其之间所限定的空间中包括在两个轮叶10之间曲率交替的至少一个区域，使得气流能够包括适应性的尖端和根部顶点。为了获得关于具有这种交替曲率的前凸缘5a和/或后凸缘5b的更多细节，能够参照申请人的文献FR 2 976 633。
根据又一变型，凸缘5a、5b能够呈适应性的轴对称形状。
此外，前凸缘5a和后凸缘5b能够适于以便允许扩散器5中进行吸气和吹气。
扩散器5的轮叶10中的至少一个轮叶——优选地，所有轮叶10——在气流方向上从上游至下游包括：
-第一区域，第一区域称为聚集区域，该区域的形状构造成适于上游气流，以及
-第二区域，第二区域称为扩散区域，该区域的形状构造成更有力地矫直来自聚集区域的气流，以便获得离开扩散器5的较大的静压力并且便于对下游部分——通常为轴向式扩散器5——进行给送。
轮叶10包括这样的轮廓：所述轮廓的弧线15在轮叶的前缘11与轮叶的后缘12之间具有至少两个拐点I1、I2，即至少两个凹度变化。
下文中，术语“拐点”应被理解为意指曲线中曲线与其切线相交处的点。此外，轮叶10的轮廓应被理解为意指叶轮10的截面，即，轮叶10的位于与轮叶10的拱背13和拱腹14大致垂直的平面中的截面。最后，轮廓的“弧线15”与包括与轮叶10的拱背13和拱腹14等距的所有点的虚线对应，而“弦”16与将前缘11和后缘12作为其端部的线段对应。
拐点I1、I2一起界定聚集区域和扩散区域，其中，聚集区域包括轮叶10的在第一拐点I1的上游延伸的部分，扩散区域包括轮叶10的在拐点I2的下游延伸的部分。
优选地，为了使扩散器5的稳定性和扩散器5的出口处的静压力最优化，拐点I1、I2位于弦16的10％与90％之间，优选地，位于弦16的30％与70％之间。例如，第一拐点I1能够位于弦16的35％与55％之间，而第二拐点I2位于弦16的55％与65％之间。拐点I1、I2能够被特别地布置成关于弦16的中心对称。
作为变型，轮叶10的轮廓能够包括另外的拐点I1、I2。
因而，弧线15在前缘11与后缘12之间依次具有至少第一凹状部、与第一凹状部不同的第二凹状部、另外还具有第三凹状部。当拐点I1、I2关于弦16的中心对称时，第二凹状部于是在轮叶10中居中。
根据一个实施方式，拱腹壁14和拱背壁13大体上遵循弧线15的曲线，因此具有许多拐点I1、I2。
在图2和图3中示出的实施方式中，拱腹壁14和拱背壁13因而包括两个拐点I1、I2。拱腹壁14在前缘11与第一拐点之间包括凸出部分14a，另外在两个拐点I1、I2之间包括凹入部分14b，另外在第二拐点与后缘12之间包括凸出部分14c。拱背壁13就其本身而言在前缘11与第一拐点之间包括凹入部分13a，另外在两个拐点I1、I2之间包括凸出部分13b，另外在第二拐点与后缘12之间包括凹入部分13c。
此外，弧线15在拱腹壁14与弦16之间延伸。换言之，在前缘11与后缘12之间的所有点处，弧线15和拱腹壁14延伸远离弦16。另外，拱背壁13的凹入区域与弦16交叉并且因此被发现为至少部分地在弧线15的与所述弦16的相同的侧上。
由于通过弧线15的两个拐点I1、I2而产生的这种构造，前缘11和后缘12相对于常规的扩散器5中通常遇到的气流沿大致相同的方向定向，这使得能够保持喉部的截面，即，两个邻接的轮叶10之间的流体进入截面。这样，扩散器5的稳定性得以保持，同时还改进了气流的扩散。
冲角α(冲角α与弧线15在前缘11处的切线与弦16之间的角度对应)能够与常规的轮叶10的冲角大致相同。例如，冲角α能够介于大约0°与大约45°之间。这样，能够大体上保持常规的扩散器5的轮叶10的在轮叶10的聚集区域中的形状，这使得能够保持流动的稳定性。此外，第二拐点I2的存在使得能够改变轮叶10的在轮叶10的扩散区域中的形状以增大扩散器5的效能，而由此不会改变聚集区域的形状。实际上，目前能够独立于聚集区域的形状而增大后缘12处的弧线15与弦16之间的角度，这使得能够更有力地矫直气流并且由此在恒温下增大扩散器5的出口处的静压力和总压力速率，并且因此使得能够提高扩散器5的各向同性效率，同时仍保持压缩机2的喘振裕度以及因而稳定性。
如前所述，轮叶10的轮廓的弧线15包括至少两个拐点I1、I2。优选地，拐点I1、I2的个数能够为偶数以便保持前缘11和后缘12相对于气流动的大致取向并且因此以便保持喉部处的截面。此外，根据一个实施方式，相应的弧线15在此在拱腹壁14与弦16之间延伸，使得弧线15和拱腹壁14在前缘11与后缘12之间的每个点处延伸远离弦16，并且拱背壁13的凹入区域与弦16交叉。
Claims (8)
1.一种用于发动机(1)的径流式或混流式压缩机(2)的扩散器(5)的轮叶(10)，所述轮叶(10)包括前缘(11)、后缘(12)、拱背侧壁(13)和拱腹侧壁(14)，其中，所述前缘(11)面向气流定位，所述后缘(12)与所述前缘(11)相反，所述拱背侧壁(13)和所述拱腹侧壁(14)将所述前缘(11)连接至所述后缘(12)，
所述轮叶(10)包括具有弧线(15)的轮廓，所述弧线(15)在所述前缘(11)与所述后缘(12)之间具有至少两个拐点(I1、I2)，
所述轮叶的特征在于，所述拱腹侧壁(14)的曲线和所述拱背侧壁(13)的曲线大体上遵循所述弧线(15)的曲线，使得：
-所述拱腹侧壁(14)在所述前缘(11)与所述后缘(12)之间包括至少两个凸出部分(14a、14c)，所述至少两个凸出部分(14a、14c)由凹入部分(14b)分隔开，以及
-所述拱背侧壁(13)在所述前缘(11)与所述后缘(12)之间包括至少两个凹入部分(13a、13c)，所述至少两个凹入部分(13a、13c)由凸出部分(13b)分隔开，
所述轮廓限定在所述前缘(11)与所述后缘(12)之间延伸的弦(16)，并且所述拱腹侧壁(14)的凸出部分(14a、14c)和所述拱背侧壁(13)的凹入部分(13a、13c)至少部分地在所述弦(16)的相同侧上延伸。
2.根据权利要求1所述的轮叶(10)，其中，所述轮廓限定在所述前缘(11)与所述后缘(12)之间延伸的弦(16)，并且在所述前缘(11)与所述后缘(12)之间的每个点处，所述弦(16)远离所述弧线(15)定位。
3.根据权利要求1或2中的一项所述的轮叶(10)，其中，所述轮廓限定在所述前缘(11)与所述后缘(12)之间延伸的弦(16)，并且所述拐点(I1、I2)位于所述弦(16)的10％与90％之间。
4.根据权利要求3所述的轮叶(10)，其中，所述拐点中的第一拐点(I1)位于所述弦(16)的35％与55％之间，并且所述拐点中的第二拐点(I2)位于所述弦(16)的55％与65％之间。
5.根据权利要求1或2所述的轮叶(10)，包括介于0°与45°之间的冲角(α)。
6.一种发动机(1)的径流式或混流式压缩机的扩散器(5)，包括至少一个根据权利要求1至5中的一项所述的轮叶(10)。
7.一种发动机(1)的径流式或混流式压缩机(2)，包括根据权利要求6所述的扩散器(5)。
8.一种发动机(1)，所述发动机(1)包括根据权利要求7所述的径流式或混流式压缩机(2)。
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