CN105525954B - 轴流式涡轮机压缩机的具有等离子体除冰的分流前端 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及界定轴流式涡轮机低压压缩机入口的分流前端(22)。所述分流前端(22)包括：具有上游圆形边缘(60)的分离表面(52)，适合于将进入所述涡轮机的流分成一次环形流(18)和二次环形流(20)，以及等离子体除冰装置。所述装置包括部分地形成所述分离表面(52)的两个环形的介电材料层(42；44)，形成上游边缘(60)的电极(34)，形成分流前端的外壁(30)的电极，形成支承叶片(26)的外壳(28)的电极，界定一次流(18)的电极(36)。所述装置生成在分流前端(22)的分隔上阻止冰存在的等离子体(46；48；50)。本发明还涉及具有分流前端(22)的涡轮机，该分流前端设有在风扇下游的除冰系统。

Description

轴流式涡轮机压缩机的具有等离子体除冰的分流前端
技术领域
本发明涉及具有除冰系统的轴流涡轮机的分流前端(splitter nose)。更特别地，本发明涉及用于涡轮机的一次流和二次流的分流前端，所述分流前端设有除冰系统。本发明还涉及包括具有除冰系统的分流前端的涡轮机。
背景技术
为了优化其推力和效率同时减小噪音损害，喷气发动机与数个环形气流一起工作。一般地，涡轮机将来流分离成一次流和二次流，后两者具有环形套的形式。一次流通过压缩机、燃烧室、然后在透平中膨胀。二次流向外包围压缩机、燃烧室、透平，然后在喷气发动机出口处与一次流汇合。这些流通过压缩机上游的圆形分流前端分离，其几何形状限制了进入压缩机的气体进入。
进入涡轮机的空气在分流前端处保持大气温度。因为温度在高处可降到50℃，冰可能在具有湿气的前端上形成。在飞行时，这种冰可能延伸并且增加从而在压缩机定子叶片的头上形成块。这些块改变了前端的几何形状并且会影响进入压缩机地气流，从而降低效率。未控制的情况下，块会变得特别大。后果就是它们会分离并且被压缩机吸入，从而具有破坏经过的转子和定子叶片的风险。如果它没有首先经过通过风扇的通路，这种吸入尤其有害处。为了限制冰的这种形成，分离前端设置有除冰装置。
文献US2004065092 A1公开了包括低压压缩机的轴流式涡轮机，其入口由环形分流前端界定。前端用于分离进入涡轮机的流，进入压缩机的一次流，和包围压缩机的二次流。分流前端连结于压缩机叶片上游排并且包括具有覆盖分流前端主体的环氧树脂的电除冰系统，以及嵌入在树脂内的加热电阻。电阻采用绕组的形式，增加给予分流前端的热量，但是线圈形式需要树脂层厚度增加。这种厚度增加增长了几何形状约束。随着分流前端变得更不锐利，在分离的流中出现更多扰动，降低了涡轮机的效率。
发明内容
技术问题
本发明的目的是解决现有技术出现的至少一个问题。更具体地，本发明的目的是增加设有除冰系统分离前端的涡轮机的效率。本发明的另一目的是改进轴流式涡轮机一次流和二次流之间的分流前端的除冰。
技术方案
可以理解的是，本发明的主题是用于在涡轮机的环形流导引表面上形成等离子体的系统的分流前端，等离子体适合于加热表面，优选地适合于除去上面的冰。本发明能够避免冰地形成并且能使冰液化。
本发明的主题是一种轴流式涡轮机的分流前端，所述前端包括：具有上游圆形边缘的分离表面，用于将进入所述涡轮机的流分成一次环形流和二次环形流；部分地形成所述分离表面的介电材料层；值得注意的是，它还包括至少一个除冰的等离子体生成电极，其部分地形成所述分离表面并且适于能够与所述介电层结合形成等离子体，用以除去所述分离表面的冰。
根据本发明的有利实施方式，所述等离子体生成电极或至少一个等离子体生成电极形成所述分离表面，可能地，所述电极在其大部分周长上沿着所述上游边缘延伸。
根据本发明的有利实施方式，所述等离子体生成电极或至少一个等离子体生成电极被配置从而界定所述涡轮机的一次流。
根据本发明的有利实施方式，所述电极具有完全由所述介电层覆盖的至少一面，可能是主面，可能地，所述电极是具有矩形截面的成型构件，所述电极具有完全由所述介电层覆盖的三个面。
根据本发明的有利实施方式，所述分离表面包括用于界定所述一次流的环形内部、用于界定二次流的环形外部、以及将所述环形内部连结至所述环形外部的环形接合部，可能地，所述电极配置在所述接合部上。
根据本发明的有利实施方式，所述介电层大致上占用整个的所述接合部。
根据本发明的有利实施方式，所述分离表面具有关于所述涡轮机的转动轴线的旋转轮廓，所述外部的轮廓比所述内部的轮廓相对于所述转动轴线基本上更加倾斜，优选地所述轮廓相对于彼此基本上倾斜小于45°的角度，优选地小于30°，更优选地小于20°。
根据本发明的有利实施方式，所述分离表面具有关于所述涡轮机的转动轴线的旋转轮廓，所述内部和外部的轮廓基本上是直的，并且所述接合部的轮廓是曲线的，具有小于50.00mm的曲率半径R，优选地小于10.00mm，更优选地小于5.00mm。
根据本发明的有利实施方式，所述电极是第一电极，所述分流前端包括通过所述介电层与所述第一电极分离的第二电极，所述电极配置用于能够与介电材料层结合在所述分离表面上形成等离子体。
根据本发明的有利实施方式，它包括环形外壁，可能地，所述外壁是第二电极。
根据本发明的有利实施方式，所述外壁包括具有上游表面和在所述下游方向上可能轴向地开放的下游表面的上游环形钩，所述介电层覆盖所述钩的上游表面。
根据本发明的有利实施方式，它包括外壳以及从所述外壳向内径向地延伸的环形排的叶片，可能地，所述外壳是所述第二电极。
根据本发明的有利实施方式，它包括由具有有机基质和纤维的复合材料制成的至少一个主体；可能地，所述复合主体是所述外壳和/或所述环形外壁。
根据本发明的有利实施方式，所述介电层由所述复合材料的基质形成。
根据本发明的有利实施方式，所述介电层是第一介电层，所述分流前端还包括具有管状部的第二圆形介电层，可能地，所述介电层通过圆形间隙轴向地分离。
根据本发明的有利实施方式，所述介电层每一个具有带有关于所述转动轴线的旋转轮廓的旋转的形式，最远上游的所述介电层具有比其它介电层径向上更高的旋转轮廓。
根据本发明的有利实施方式，所述电极是第一电极，所述前端包括以两组电极分布的至少四个电极，所述电极配置用于能够生成至少两个、优选地至少三个圆形的等离子体，以除去所述分离表面上的冰。
根据本发明的有利实施方式，所述分流前端配置用于界定和/或形成轴流式涡轮机的压缩机的入口。
根据本发明的有利实施方式，所述等离子体或每个等离子体具有环形形式，可能地，等离子体是分段的并且形成数个弧。
根据本发明的有利实施方式，所述分流前端包括由至少一个介电层围绕的两个第一电极，所述第一电极分开超过1.00mm，优选地分开超过3.00mm。
根据本发明的有利实施方式，所述分流前端包括通过介电层彼此分离的两个第二电极，所述层可能地与每个第二电极环形相接触。
根据本发明的有利实施方式，至少一个或每个介电层具有恒定厚度。
根据本发明的有利实施方式，电极至少部分地、优选地全部地合并在介电层的厚度中。
根据本发明的有利实施方式，关于环形内部和环形外部的涡轮机转动轴线的旋转轮廓基本上是直的并且相对于彼此倾斜大于5°，优选地大于10°，更优选地大于15°。
根据本发明的有利实施方式，所述分流前端是形成在轴流式涡轮机的压缩机、特别是低压压缩机的上游端上的分流前端，或者分流前端是形成在轴流式涡轮机的上游壳体上的，上游壳体包括用于一次流的一次环形接缝和用于二次流的二次环形接缝。
根据本发明的有利实施方式，分离前端包括两个介电层和两组电极，每组具有用于与涡轮机的流接触的第一电极、第二电极、插入到每个第二电极和涡轮机的流之间的介电层。
根据本发明的有利实施方式，分离表面具有关于涡轮机的转动轴线的旋转轮廓，外部的旋转轮廓形成分离表面旋转轮廓的大部分。
根据本发明的有利实施方式，分流前端具有圆形叶片弦(cord)的基本上圆形叶片形式，或在上游方向上轴向地取向的圆形边缘，优选地圆形叶片包括在上游方向上轴向取向的刃(sharpening)。“刃”应当理解成叶片的一部分，其是薄的、可能逐渐地，以形成具有叶片弦的切削边缘。
一种包括分流前端的轴流式涡轮机，值得注意的是，分流前端符合本发明，也是本发明的主题。
根据本发明的有利实施方式，涡轮机包括风扇，分流前端配置在风扇的下游。
根据本发明的有利实施方式，涡轮机包括连接于至少一个电极、可能每个电极的电源，并且所述电源配置用于与至少一个电极和至少一个介电层一起形成至少一个等离子体。
提供的优势
本发明提供一种能源经济的系统，能够以最小的主要能源除去分流前端的冰。因而改善了涡轮机的总效率。电极的分布，以及介电层的厚度和配置能够分布等离子区以防止冰增加。数组电极的存在限制了所需要的能量水平。
等离子体的使用是借助电极厚度的光。温度可以设定从而不会使介电层降级，这有助于采用壁和壳，它们是具有有机基质的复合物。选择的配置是坚固的并且能够承受外来物的吸入。在叶片损失的情况下，分流前端承受强加速度，例如100g。
附图说明
图1描画出根据本发明的轴流式涡轮机。
图2描绘出根据本发明的涡轮机压缩机。
图3表示根据本发明的分流前端。
具体实施方式
在以下描述中，术语内部和内在以及外部或外在指示相对于轴流式涡轮机旋转轴线的定位。
图1是轴流式涡轮机的简化描述。在这个特定例子中，其是双流涡轮喷气发动机。喷气发动机2包括称为低压压缩机4的第一压缩级(level)、称为高压压缩机6的第二压缩级、燃烧室8，以及一个或多个涡轮机级10。在操作中，经由中心轴传输至转子12的涡轮机10的机械动力使两个压缩机4和6运转。压缩机包括与定子叶片排相关联的若干排转子叶片。因此，转子关于其转动轴线14的旋转产生空气流并且逐渐地压缩该流直到其进入燃烧室8。齿轮减速装置可以增加传输至压缩机的旋转速度。
通常称为风扇或鼓风机16的入口风扇被联接至转子12，并且产生空气流，该空气流分成穿过涡轮机的不同上述级的一次流18以及沿机器穿过环形管道(部分示出)然后在涡轮机出口与一次流再结合的二次流20。二次流可以被加速以便产生反冲力。一次流18和二次或旁路流20是环形流并且由涡轮机的壳体来引导。
图2是如图1的轴流式涡轮机的压缩机的横截面的视图。压缩机可以是低压压缩机4。图示出风扇16的部分以及用于一次流18和二次流20的分流前端22。转子12包括若干排转子叶片24，在此例中是三排。
低压压缩机4包括许多同步环，在此例中是四个，每一个包含成排的定子叶片26。同步环与风扇16或转子叶片排相关联，以便使空气流变直，从而将流的速度转换成静态压力。
分流前端22圆周地和/或轴向地限定压缩机4的入口。它包括具可用形成在外壁30上的环形钩32连结的外壳28和环形外壁30。定子叶片26从它们所焊接至的外壳28基本上径向地延伸。为了避免分流前端上冰、霜的存在或形成，分流前端设有或联接有等离子体除冰系统或等离子体生成器。后者可以加热分流前端，尤其是位于上游的空气，以避免其上形成或其上增加霜；和/或用以熔化可能已经出现在上面的霜层。
分流前端22对应于压缩机的壳体的上游部分并且在其上突出安装。根据本发明，分流端部也可以是上游轴向涡轮机壳体，例如风扇安装壳体。上游壳体可包括用于一次流的一次环形接缝和用于二次流的二次环形接缝，环形接缝是同轴的并且一个在另一个之内。它可包括穿过二次接缝的的成排的壳体臂。
图3表示具有电极(28；30；34；36)和介电层(42；44)的分流前端22，配置用于产生除冰的等离子体(46；48；50)。示出了旋转轴线14、一次流18和二次流20。
分流前端22具有分离表面52，其能够通过使其在一次流18和二次流20之间划分而从风扇将流分开。分离表面52具有关于转动轴线14的旋转的形式，其旋转轮廓是以楔形形式；具有锐角。它形成伸出的并且基本上薄圆形叶片，它具有对于给定的来流留下一次和二次流保持通路区域的作用。涡轮机的效率因此有利地被最佳化。
分离表面52形成分流前端22的外皮、护套；它在上游方向比在下游方向上面向更多。它包括由环形外壁30形成的环形外部54，其引导二次流20；由外壳28形成的环形内部56，其与一次流18相接触；以及可配置形成伸出的前缘的上游圆形边缘60的环形接合部58。外部54的旋转轮廓基本上是直的并且相对于转动轴线14倾斜。内部56的旋转轮廓大致上是直的并且大致上平行于转动轴线14。环形内部56和环形外部54的旋转轮廓相对于彼此基本上倾斜5°到45°之间的角度，可能是20°到25°之间。它们可在上游方向上会聚。接合部58可具有曲线的或弯曲的轮廓，平均和/或恒定曲率半径R小于100mm，优选地小于或等于5mm。接合部58与每个环形内外部或与它们至少一个的区别在于轮廓变直。可替代地，接合部可基本上是圆形线，例如上游圆形边缘；它可基本上是环形部的轮廓的线性延伸。
等离子体生成器包括许多组电极(28；30；34；36)，在此例中是两组，以及两层介电材料(42；44)。可能地，相同介电层(42；44)为多组电极公用。至少一个介电层(42；44)可包括环氧树脂。每个介电层(42；44)可具有关于转动轴线14的旋转形式，具有以钩的形式的旋转轮廓，其包围壳或壁的上游部。最远上游的介电层42的旋转轮廓可与另一个介电层44的轮廓在大致上其整个高度上重叠。通过形成管状密封，介电层44或一部分介电层可在壁30和壳28的分界面处。至少一个或每个层具有可能是恒定的厚度E，介于0.10mm和1.00mm之间，优选地介于0.40和0.60mm之间，可能等于0.50mm。介电层(42；44)通过形成轴向圆形间隙的环形槽62轴向地分离，这允许壳和壁之间在钩32水平上的相对运动。这个特别的特征具有允许差动膨胀的优势。
一组或多组电极、或上游组，包括第一电极34，通过沿其延伸可形成上游圆形边缘60。第一电极34具有面向来自风扇来流的上游面。它径向地配置，位于接合部58的中间高度。上游组包括第二电极30，其可通过分流前端的外壁30形成。该第二电极30也可以等同是另一个添加的电极。最远上游的上游介电层42插入到上游组的电极(30；34)之间并且形成接合部。它在形成钩32的部分上覆盖壁30。上游组的电极可以在上游边缘60内外产生许多环形等离子体(46；48)，这里是两个。外等离子体46在分离表面上的下游延伸。
另一组电极(36；44)，或下游组，或甚至内部组(差不多该组由上游组包围和/或开始上游组的下游)包括环绕一次流的边界第一电极36。它的第二电极28可以是外壳28、或另一个添加的电极。可能在相关联的第一电极36和叶片的前缘64的径向外端之间的大部分空间上，内介电层44从关联的第一电极36向叶片26延伸。该组可以在分流前端内生成等离子体50。
至少一个或每个第一电极(34；36)至少部分地容纳在相关联的介电层44的厚度中。至少一个或每个第一电极(34；36)可以是圆形的或与前端同轴，和/或具有成型的形式，带有矩形截面。矩形的一侧面或主侧面与流(18；20)接触，主方位(main aspect)对应于侧面的尺寸以及因此对应于相应电极的表面。其它三个侧面，包括主侧面，主要地或完全的由介电层(42；44)覆盖。
每组可以形成圆形等离子体(46；48；50)。至少一个或更多个等离子体在一个或更多个环部中形成。等离子体是分段的，并且由许多有角的等离子体形成。
等离子体生成器包括电源(未示出)，提供例如2kV到10kV的电压，具有数纳秒周期的正弦或方形交替信号。至少一个或更多个电极连结于地面。等离子体生成器配置用于使一部分气体离子化并且驱动使用电场形成的离子。此外，等离子体生成器配置用于加热空气。
可能地，除冰前端和/或外壳的外壁由具有有机基质(如环氧树脂)的复合材料制成。复合物可以包括玻璃纤维。根据此替代方案，复合物可形成介电层，可能壳和/或壁与其介电层合并。在此例中，可添加额外的电极形成不同的组并且生成许多等离子体。

Claims (20)

1.一种轴流式涡轮机(2)的分流前端(22)，所述分流前端包括：
具有上游圆形边缘(60)的分离表面(52)，用于将进入所述涡轮机的流分成一次环形流(18)和二次环形流(20)；
部分地形成所述分离表面(52)的介电层(42；44)；
其特征在于，它还包括
至少一个除冰的等离子体生成电极，其部分地形成所述分离表面(52)并且适于能够与所述介电层(42；44)结合形成等离子体(46；48；50)，用以除去所述分离表面(52)的冰。
2.根据权利要求1所述的分流前端(22)，其特征在于，至少一个等离子体生成电极形成所述分离表面(52)的上游圆形边缘(60)，所述至少一个等离子体生成电极在其大部分周长上沿着所述上游圆形边缘延伸。
3.根据权利要求1所述的分流前端(22)，其特征在于，至少一个等离子体生成电极被配置从而界定所述涡轮机的一次环形流(18)。
4.根据权利要求1所述的分流前端(22)，其特征在于，至少一个除冰的等离子体生成电极具有完全由所述介电层(42；44)覆盖的至少一面，所述至少一个除冰的等离子体生成电极是具有矩形截面的成型构件，所述至少一个除冰的等离子体生成电极具有完全由所述介电层覆盖的三个面。
5.根据权利要求1所述的分流前端(22)，其特征在于，所述分离表面(52)包括用于界定所述一次环形流(18)的环形内部(56)、用于界定二次环形流(20)的环形外部(54)、以及将所述环形内部(56)连结至所述环形外部(54)的环形接合部(58)，所述等离子体生成电极配置在所述环形接合部上。
6.根据权利要求5所述的分流前端(22)，其特征在于，所述介电层(42)大致上占用整个的所述环形接合部(58)。
7.根据权利要求5所述的分流前端(22)，其特征在于，所述分离表面(52)具有关于所述涡轮机(2)的转动轴线(14)的旋转轮廓，所述环形外部(54)的轮廓比所述环形内部(56)的轮廓相对于所述转动轴线(14)更加倾斜，所述轮廓(54；56)相对于彼此倾斜小于45°的角度。
8.根据权利要求6所述的分流前端(22)，其特征在于，所述分离表面(52)具有关于所述涡轮机(2)的转动轴线(14)的旋转轮廓，所述环形内部和环形外部(54；56)的轮廓基本上是直的，并且所述环形接合部(58)的轮廓是曲线的，具有小于50.00mm的曲率半径R。
9.根据权利要求1所述的分流前端(22)，其特征在于，至少一个除冰的等离子体生成电极是第一电极，所述分流前端包括通过所述介电层(42；44)与所述第一电极分离的第二电极，所述至少一个除冰的等离子体生成电极配置用于能够与介电层结合在所述分离表面(52)上形成等离子体(46；48；50)。
10.根据权利要求1所述的分流前端(22)，其特征在于，它包括环形外壁(30)，所述环形外壁是第二电极。
11.根据权利要求10所述的分流前端(22)，其特征在于，所述环形外壁(30)包括具有上游表面和在下游方向上轴向地开放的下游表面的上游环形钩(32)，所述介电层(42)覆盖所述上游环形钩(32)的上游表面。
12.根据权利要求1所述的分流前端(22)，其特征在于，它包括外壳(28)以及从所述外壳(28)向内径向地延伸的环形排的定子叶片(26)，所述外壳是第二电极。
13.根据权利要求1所述的分流前端(22)，其特征在于，它包括由具有有机基质和纤维的复合材料制成的至少一个主体；所述主体是外壳和/或环形外壁。
14.根据权利要求13所述的分流前端(22)，其特征在于，所述介电层由所述复合材料的基质形成。
15.根据权利要求1至14的其中一项所述的分流前端(22)，其特征在于，所述介电层是第一介电层(42)，所述分流前端还包括具有管状部的第二圆形介电层(44)，所述介电层通过圆形间隙(62)轴向地分离。
16.根据权利要求1至14的其中一项所述的分流前端(22)，其特征在于，所述介电层(42；44)每一个具有带有关于转动轴线(14)的旋转轮廓的旋转的形式，最远上游的所述介电层(42)具有比其它介电层(44)径向上更高的旋转轮廓。
17.根据权利要求1至14的其中一项所述的分流前端(22)，其特征在于，所述等离子体生成电极是第一电极，所述分流前端包括以两组电极分布的至少四个电极，所述等离子体生成电极配置用于能够生成至少两个等离子体(46；48；50)，以除去所述分离表面(52)上的冰。
18.一种包括分流前端的轴流式涡轮机(2)，其特征在于，所述分流前端符合权利要求1至17的其中一项。
19.根据权利要求18所述的轴流式涡轮机(2)，其特征在于，它包括风扇，所述分流前端配置在所述风扇的下游。
20.根据权利要求18或19的其中一项所述的轴流式涡轮机(2)，其特征在于，它包括连接于至少一个等离子体生成电极的电源，并且所述电源配置用于与至少一个电极和至少一个介电层一起形成至少一个除冰的等离子体。
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