CN105793577B - 离心压缩机的弯曲扩散通路部分 - Google Patents

离心压缩机的弯曲扩散通路部分 Download PDF

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Abstract

一种用于离心压缩机(18)的扩散器(42)包括环形扩散器壳体(20)，其具有穿过壳体(20)的多个扩散器流动通路(22)。各个通路(22)包括喉部(28)和带上游扩散部分(102)和下游扩散部分(104)的扩散区段(99)。扩散通路中心线(108)包括向下游延伸穿过喉部(28)和上游扩散部分(102)的线性部分(120)，以及从中心线线性部分(120)向下游延伸穿过下游扩散部分(104)的扩散通路中心线(108)的弯曲部分(122)。扩散流动通路(22)可具有沿弯曲部分(122)向下游非线性地或更具体是曲线地变化的等同圆锥角(CA2)。下游扩散部分(104)可为外扩的。

Description

离心压缩机的弯曲扩散通路部分
技术领域
本发明涉及用于燃气涡轮发动机的离心压缩机的扩散器通路。
背景技术
燃气涡轮发动机的离心压缩机包括布置成加速并且由此增大流过其的空气的动能的旋转叶轮。扩散器大体上位于叶轮的正下游并且包绕叶轮。扩散器操作成减小离开叶轮的空气流的速度，并且将其能量转化成静压力的升高，因此使空气加压。
现有技术的扩散器大体上包括多个沿周向间隔的通路，其会聚至包绕叶轮的环形空间。这些通路在叶轮下游的区域中扩张，以便使离开叶轮的流扩散。一个此类扩散器在1977年6月7日授予A. C. Bryans并且转让给本专利的受让人的美国专利第4,027,997号中公开。该专利中的扩散器通路采用了初始圆形截面，以便以最小损失提供离开叶轮的空气的相对高流动速度，并且此后逐渐地合并成近矩形出口来使损失最小化。各个通路大体上从其入口端附近的喉部处的圆形截面合并至在其出口端处的近矩形截面，该近矩形截面由两个平的相对平行侧和两个平的相对弯曲侧限定，这产生了扩散器出口处的剃刀锋利后缘。扩散器出口的该近矩形形状优化了至与扩散器出口流动连通的环形燃烧室的流动分布。
于1986年3月18日授予A. C. Bryans并且转让给本专利的受让人的美国专利第4,576,550号中的扩散器公开了通路中的各个，其包括喉部，该喉部具有四边形截面，其包括两个大致平行的线性侧壁和两个大致弓形的相对侧壁，有效用于减小环形入口的长度，以及由此从环形入口的压力损失。扩散器通路的线性和规则性使得扩散器能够通过使用单个工具放电铣削环形板来制造成紧公差。这确保了扩散器之间的均一性和一致性。美国专利第4,576,550号通过引用并入本文中。
我们发现这些扩散器设计以大于最佳面积比减小后缘阻塞，或具有大后缘阻塞，其削弱在流进入燃烧器之前除去旋流的下游构件的性能。
因此，继续需要改进了空气动力性能和减少了总体发动机径向包络的扩散器设计和几何形状的进步。
发明内容
一种用于离心压缩机(18)的扩散器(42)包括环形扩散器壳体(20)和多个扩散器流动通路(22)，其延伸穿过壳体(20)并且围绕壳体(20)的圆周(26)间隔。通路(22)中的各个包括喉部(28)和喉部(28)下游的扩散区段(99)。扩散区段(99)包括上游扩散部分(102)和下游扩散部分(104)。通路(22)中的各个还包括扩散通路中心线(108)，其具有向下游延伸穿过扩散器流动通路(22)中的各个的喉部(28)和上游扩散部分(102)的中心线线性部分(120)，以及从中心线线性部分(120)向下游延伸穿过下游扩散部分(104)的扩散通路中心线(108)的弯曲部分(122)。
通路(22)中的相邻通路可在通路(22)的径向内入口部分(24)处与彼此相交，并且限定扩散器(42)的准无导叶环形入口(27)。通路(22)中的各个可包括在入口部分(24)中的一个下游且与其集成的喉部(28)，以及向下游延伸穿过入口部分(24)和喉部(28)的中心线线性部分(120)。
扩散器流动通路(22)中的各个可具有等同的圆锥角(CA2)，其沿扩散通路中心线(108)的弯曲部分(122)通过扩散器流动通路(22)的下游扩散部分(104)向下游非线性地变化。等同的圆锥角(CA2)可沿扩散通路中心线(108)的弯曲部分(122)通过扩散器流动通路(22)的下游扩散部分(104)向下游弯曲地或曲线地变化。
扩散器流动通路(22)中的各个的下游扩散部分(104)可包括沿轴向间隔开的平的面向前和面向后的侧部或前侧(106)和后侧(107)。
各个扩散器流动通路(22)的下游扩散部分(104)可沿周向外扩并且沿周向方向(C)弯曲，并且包括复合的弯曲和成角的沿周向间隔开的第一侧(116)和第二侧(117)。第一侧(116)和第二侧(117)可远离彼此外扩。第一侧(116)和第二侧(117)可围绕扩散通路中心线(108)的线性部分(120)弯曲，并且第一侧(116)和第二侧(117)围绕扩散通路中心线(108)的弯曲部分(122)平行地弯曲。
扩散器(42)可并入在高压气体发生器(10)中，该高压气体发生器(10)具有高压转子(12)，其包括成下游流动关系的高压离心压缩机(42)、燃烧器(52)，以及传动地连接于高压离心压缩机(14)的高压涡轮(16)。离心压缩机(14)包括由扩散器(42)环形地包绕的环形离心压缩机叶轮(32)。
附图说明
图1为燃气涡轮发动机的离心压缩机和带具有弯曲扩散器通路排气区段的扩散器通路的扩散器的截面视图。
图2为穿过图1中的2-2的离心压缩机和扩散器的截面视图。
图3为图2中所示的扩散器通路的透视图。
图4为图3中所示的扩散器通路和中心线的截面视图。
图5为相比于具有直扩散器通路排气区段的示例性扩散器通路的示例性等同的圆锥角(CA1)的图3中所示的扩散器通路中的示例性等同的圆锥角(CA1)的图解示图。
具体实施方式
图1中示出了燃气涡轮发动机8的高压气体发生器10中的燃气涡轮发动机高压离心压缩机18。高压离心压缩机18为高压压缩机14的压缩机末级。高压气体发生器10具有高压转子12，其包括成下游串联或流动关系的高压压缩机14、燃烧器52和高压涡轮16。转子12由本文中未示出的发动机框架中的轴承围绕发动机轴线25可旋转地支承。
本文中所示的高压压缩机14的示例性实施例包括五级轴向压缩机30，后接具有环形离心压缩机叶轮32的离心压缩机18。出口导叶40设置在五级轴向压缩机30和单级离心压缩机18之间。压缩机排放压力(CDP)空气76离开叶轮32，并且穿过环形地包绕叶轮32的扩散器42，并且接着穿过除旋流级联44进入燃烧器52内的燃烧室45。燃烧室45由环形的沿径向的外燃烧器壳46和内燃烧器壳47包绕。空气76常规地与由多个燃料喷嘴48提供的燃料混合，并且在由环形径向外燃烧衬套72和内燃烧衬套73界定的环形燃烧区50中点燃和燃烧。
燃烧产生热燃烧气体54，其流过高压涡轮16，引起高压转子12的旋转，并且向下游继续用于在低压涡轮78中的另外的功抽取和最终排气，如常规已知的。在本文中所绘的示例性实施例中，高压涡轮16包括成下游串流关系的具有第一级盘60和第二级盘62的第一高压涡轮级55和第二高压涡轮级56。高压转子12的高压轴64将高压涡轮16按旋转传动接合连接于叶轮32。第一级喷嘴66直接在第一高压涡轮级55上游，并且第二级喷嘴68直接在第二高压涡轮级上游。
参照图1，压缩机排放压力(CDP)空气76从离心压缩机18的叶轮32排放，并且用于在燃烧器52中燃烧燃料和冷却经受热燃烧气体54的涡轮16的构件，即，第一级喷嘴66、第一级护罩71和第一级盘60。压缩机14包括如图1和2中更完整示出的前壳110和后壳114。前壳110大体上包绕轴向压缩机30，并且后壳114大体上包绕离心压缩机18，并且直接在离心压缩机18下游支承扩散器42。压缩机排放压力(CDP)空气76从离心压缩机18的叶轮32直接地排放到扩散器42中。
参照图1和2，叶轮32包括从转子盘部分82沿径向延伸的多个离心压缩机叶片84。环形叶片末端护罩90与压缩机叶片84相对且在其轴向前方。护罩90邻近压缩机叶片84的叶片末端86，将叶片末端空隙80限定在其间。本文中公开的扩散器42类似于美国专利第4,576,550号中公开的扩散器，并且与其共有许多特征。
参照图1和2，扩散器42包括环形扩散器壳体20，环形扩散器壳体20具有沿径向延伸穿过其的多个沿切向设置的扩散器流动通路22。扩散器导叶23在扩散器42的前壁101与后壁100之间沿轴向延伸。扩散器导叶23在扩散器流动通路22中的相邻扩散器流动通路之间沿周向延伸。参照图2和3，扩散器流动通路22沿中心线21设置，围绕壳体20的圆周26间隔。扩散器流动通路22由间隔的沿周向间隔开的扩散器导叶23部分地限定并且沿周向界定。通路22中的相邻通路在通路22的径向内入口部分24处与彼此相交，径向内入口部分24限定扩散器42的准无导叶环形入口27。各个通路22还包括喉部28，其在入口部分24下游并且与其集成。喉部28具有第一四边形截面31，第一四边形截面31限定其流动通路，并且包括两个相对的大致平行的线性侧壁33和34，以及两个大致弓形的相对的侧壁36和38(见图3)。
参照图3和4，各个通路22还包括喉部28正下游的扩散区段99。扩散区段99包括两个或更多个扩散部分。本文中所示的示例性扩散器流动通路22具有在喉部28的正下游的第一和第二或上游和下游扩散部分102,104。示例性下游扩散部分104为弯曲的，并且具有沿轴向间隔开的平的面向前和面向后的侧部或前侧106和后侧107。下游的前侧106和后侧107可平行，如本文中所示。
各个通路22还包括扩散通路中心线108，其等距地设置在前壁101与后壁100之间，以及在正交于扩散通路中心线108的平面103中在扩散器导叶23中的相邻扩散器导叶之间。扩散通路中心线108包括中心线线性部分120，其向下游延伸穿过入口部分24、喉部28和扩散器流动通路22中的各个的上游扩散部分102。扩散通路中心线108的弯曲部分122从中心线线性部分120向下游延伸穿过扩散器通路22中的各个的弯曲下游扩散部分104。
扩散通路中心线108的弯曲部分122为平的，并且限定正交于发动机轴线25的平面123。入口部分24、喉部28和扩散器流动通路22中的各个的上游扩散部分102是直的。各个扩散器流动通路22的下游扩散部分104既是沿周向外扩又是沿周向方向C弯曲的。下游扩散部分104包括复合弯曲和成角的沿周向间隔开的第一侧116和第二侧117。第一侧116和第二侧117远离彼此外扩，并且可优选沿大体上周向方向C远离彼此线性地外扩。
第一侧116和第二侧117还沿相同周向方向C并且以从中心线线性部分120的一定量的角度(可变角VA)周向地弯曲，如扩散通路中心线108的弯曲部分122，并且因此平行于弯曲部分122。第一侧116和第二侧117围绕扩散通路中心线108的线性部分120弯曲。第一侧116和第二侧117优选为圆形的，并且因此围绕中心线线性部分120外接。如图3中所示，第一侧116和第二侧117的圆形特征可由正交于扩散通路中心线108的截面区域A的沿周向间隔开的圆形第一边缘和第二边缘看到。
参照图3和4，扩散通路中心线108的弯曲部分122的切线T相对于中心线线性部分120通过可变角VA变化。如图4中所示，可变角VA可沿下游方向相对于中心线线性部分120在例如从2到10度的范围中变化。常规扩散器具有完全直的扩散器流动通路，以及完全线性的扩散通路中心线。图5中示出了相比于本文中关于弯曲部分122公开的扩散器42的扩散器流动通路22的等同的圆锥角CA2的、具有完全直的扩散器流动通路和中心线的示例性常规扩散器的示例性等同的圆锥角CA1。两个扩散器流动通路22的中心线线性部分120的等同的圆锥角沿扩散通路中心线108线性地变化，其中其为线性或直的。
本文中公开的扩散器流动通路22的弯曲部分120的等同的圆锥角非线性地变化，并且示为沿扩散通路中心线108弯曲或曲线地变化。本文中公开的扩散器流动通路22的弯曲下游扩散部分104的等同的圆锥角可曲线地变化，如图5中所示，并且可通过修改扩散通路中心线108的弯曲部分122和扩散器流动通路22的弯曲下游扩散部分104的弯曲来定制。这允许了扩散器42的提高的性能(静压力升高)和减小的直径。
等同的圆锥角可计算以下：
Dh = sqrt(4*A/2/pi)，其中Dh为液压直径，并且A为扩散器流动通路22的截面面积(如图3中所示)。
dDh =从扩散器流动通路22的一个部分到下一个的液压直径的变化。
dL=从扩散器流动通路22的一个部分到下一个的沿扩散通路中心线108的长度L的变化(如图3中所示)。
等同圆锥角=arctan(dDh/dL)。
尽管本文中描述了认作是本发明的优选和示例性实施例的内容，但本发明的其它改型将对本领域技术人员从本文中的教导为显而易见的，并且因此期望在所附权利要求中保护落入本发明的真实精神和范围内的所有此类改型。因此，期望由美国专利证书保护的是如以下权利要求中限定和区分的本发明。

Claims (23)

1.一种用于离心压缩机(18)的扩散器(42)，包括：
环形扩散器壳体(20)，
多个扩散器流动通路(22)，其延伸穿过所述壳体(20)并且围绕所述壳体(20)的圆周(26)间隔；
所述通路(22)中的各个包括喉部(28)和所述喉部(28)下游的扩散区段(99)，
所述扩散区段(99)的上游扩散部分(102)和下游扩散部分(104)，
所述通路(22)中的各个还包括扩散通路中心线(108)，
所述扩散通路中心线(108)包括向下游延伸穿过所述扩散器流动通路(22)中的各个的所述喉部(28)和所述上游扩散部分(102)的中心线线性部分(120)，
所述扩散通路中心线(108)包括从所述中心线线性部分(120)向下游延伸穿过所述下游扩散部分(104)的弯曲部分(122)，
所述下游扩散部分(104)包括复合弯曲和成角的沿周向间隔开的第一侧(116)和第二侧(117)，以及
所述第一侧沿第一方向远离所述扩散通路中心线外扩和弯曲，并且所述第二侧沿远离所述第一方向的第二方向远离所述扩散通路中心线外扩和弯曲。
2.根据权利要求1所述的扩散器(42)，其特征在于，还包括：
所述通路(22)中的相邻通路在所述通路(22)的径向内入口部分(24)处与彼此相交，并且限定所述扩散器(42)的准无导叶环形入口(27)，以及
所述通路(22)中的各个包括在所述入口部分(24)中的一个下游且与其集成的所述喉部(28)，并且所述中心线线性部分(120)向下游延伸穿过所述通路(22)中的各个的所述入口部分(24)和所述喉部(28)。
3.根据权利要求1所述的扩散器(42)，其特征在于，还包括，所述扩散器流动通路(22)中的各个具有等同圆锥角(CA2)，其沿所述弯曲部分(122)通过所述扩散器流动通路(22)的所述下游扩散部分(104)向下游非线性地变化。
4.根据权利要求1所述的扩散器(42)，其特征在于，还包括，所述扩散器流动通路(22)中的各个具有等同圆锥角(CA2)，其沿所述扩散通路中心线(108)的所述弯曲部分(122)通过所述扩散器流动通路(22)的所述下游扩散部分(104)向下游弯曲地或曲线地变化。
5.根据权利要求1所述的扩散器(42)，其特征在于，还包括，所述扩散器流动通路(22)中的各个的所述下游扩散部分(104)包括沿轴向间隔开的平的面向前和面向后的侧部或前侧(106)和后侧(107)。
6.根据权利要求5所述的扩散器(42)，其特征在于，还包括：
所述通路(22)中的相邻通路在所述通路(22)的径向内入口部分(24)处与彼此相交，并且限定所述扩散器(42)的准无导叶环形入口(27)，
所述通路(22)中的各个包括在所述入口部分(24)中的一个的下游且与其集成的所述喉部(28)，以及
所述中心线线性部分(120)向下游延伸穿过所述通路(22)中的各个的所述入口部分(24)和所述喉部(28)。
7.根据权利要求6所述的扩散器(42)，其特征在于，还包括，所述扩散器流动通路(22)中的各个具有等同圆锥角(CA2)，其沿所述扩散通路中心线(108)的所述弯曲部分(122)通过所述扩散器流动通路(22)的所述下游扩散部分(104)向下游非线性地变化。
8.根据权利要求7所述的扩散器(42)，其特征在于，还包括，所述扩散器流动通路(22)中的各个具有等同圆锥角(CA2)，其沿所述扩散通路中心线(108)的所述弯曲部分(122)通过所述扩散器流动通路(22)的所述下游扩散部分(104)向下游弯曲地或曲线地变化。
9.根据权利要求8所述的扩散器(42)，其特征在于，还包括：
各个扩散器流动通路(22)的所述下游扩散部分(104)沿周向外扩并且沿周向方向(C)弯曲，
所述第一侧(116)和所述第二侧(117)远离彼此外扩，以及
所述第一侧(116)和所述第二侧(117)围绕所述扩散通路中心线(108)的所述线性部分(120)弯曲，并且所述第一侧(116)和所述第二侧(117)围绕所述扩散通路中心线(108)的所述弯曲部分(122)平行地弯曲。
10.根据权利要求1所述的扩散器(42)，其特征在于，还包括：
各个扩散器流动通路(22)的所述下游扩散部分(104)沿周向外扩并且沿周向方向(C)弯曲，以及
所述第一侧(116)和所述第二侧(117)远离彼此外扩。
11.根据权利要求10所述的扩散器(42)，其特征在于，还包括，所述第一侧(116)和所述第二侧(117)围绕所述扩散通路中心线(108)的所述线性部分(120)弯曲，并且所述第一侧(116)和所述第二侧(117)围绕所述扩散通路中心线(108)的所述弯曲部分(122)平行地弯曲。
12.根据权利要求11所述的扩散器(42)，其特征在于，还包括，所述扩散器流动通路(22)中的各个的所述下游扩散部分(104)包括沿轴向间隔开的平的面向前和面向后的侧部或前侧(106)和后侧(107)。
13.根据权利要求12所述的扩散器(42)，其特征在于，还包括：
所述通路(22)中的相邻通路在所述通路(22)的径向内入口部分(24)处与彼此相交，并且限定所述扩散器(42)的准无导叶环形入口(27)，
所述通路(22)中的各个包括在所述入口部分(24)中的一个下游且与其集成的所述喉部(28)，并且所述中心线线性部分(120)向下游延伸穿过所述通路(22)中的各个的所述入口部分(24)和所述喉部(28)。
14.根据权利要求13所述的扩散器(42)，其特征在于，还包括，所述扩散器流动通路(22)中的各个具有等同的圆锥角(CA2)，其沿所述扩散通路中心线(108)的所述弯曲部分(122)通过所述扩散器流动通路(22)的所述下游扩散部分(104)向下游非线性地变化。
15.根据权利要求14所述的扩散器(42)，其特征在于，还包括，所述扩散器流动通路(22)中的各个具有等同的圆锥角(CA2)，其沿所述扩散通路中心线(108)的所述弯曲部分(122)通过所述扩散器流动通路(22)的所述下游扩散部分(104)向下游弯曲地或曲线地变化。
16.一种高压气体发生器(10)，包括：
高压转子(12)，其包括成下游流动关系的高压离心压缩机(14)、燃烧器(52)以及传动地连接于高压离心压缩机(14)的高压涡轮(16)；
所述离心压缩机(14)包括环形离心压缩机叶轮(32)；
环形地包绕所述叶轮(32)的扩散器(42)；
多个扩散器流动通路(22)，其延伸穿过所述扩散器(42)的壳体(20)，并且围绕所述壳体(20)的圆周(26)间隔；
所述通路(22)中的各个包括喉部(28)和所述喉部(28)下游的扩散区段(99)；
所述扩散区段(99)的上游扩散部分(102)和下游扩散部分(104)；
所述通路(22)中的各个还包括扩散通路中心线(108)；
所述扩散通路中心线(108)包括向下游延伸穿过所述扩散器流动通路(22)中的各个的所述喉部(28)和所述上游扩散部分(102)的中心线线性部分(120)；
所述扩散通路中心线(108)包括从所述中心线线性部分(120)向下游延伸穿过所述下游扩散部分(104)的弯曲部分(122)，以及
所述下游扩散部分(104)包括复合弯曲和成角的沿周向间隔开的第一侧(116)和第二侧(117)，以及
所述第一侧沿第一方向远离所述扩散通路中心线外扩和弯曲，并且所述第二侧沿远离所述第一方向的第二方向远离所述扩散通路中心线外扩和弯曲。
17.根据权利要求16所述的高压气体发生器(10)，其特征在于，还包括：
所述通路(22)中的相邻通路在所述通路(22)的径向内入口部分(24)处与彼此相交，并且限定所述扩散器(42)的准无导叶环形入口(27)，以及
所述通路(22)中的各个包括在所述入口部分(24)中的一个下游且与其集成的所述喉部(28)，并且所述中心线线性部分(120)向下游延伸穿过所述通路(22)中的各个的所述入口部分(24)和所述喉部(28)。
18.根据权利要求16所述的高压气体发生器(10)，其特征在于，还包括，所述扩散器流动通路(22)中的各个具有等同的圆锥角(CA2)，其沿所述扩散通路中心线(108)的所述弯曲部分(122)通过所述扩散器流动通路(22)的所述下游扩散部分(104)向下游非线性地变化。
19.根据权利要求16所述的高压气体发生器(10)，其特征在于，还包括，所述扩散器流动通路(22)中的各个具有等同的圆锥角(CA2)，其沿所述扩散通路中心线(108)的所述弯曲部分(122)通过所述扩散器流动通路(22)的所述下游扩散部分(104)向下游弯曲地或曲线地变化。
20.根据权利要求16所述的高压气体发生器(10)，其特征在于，还包括，所述扩散器流动通路(22)中的各个的所述下游扩散部分包括沿轴向间隔开的平的面向前和面向后的侧部或前侧(106)和后侧(107)。
21.根据权利要求20所述的高压气体发生器(10)，其特征在于，还包括：
所述通路(22)中的相邻通路在所述通路(22)的径向内入口部分(24)处与彼此相交，并且限定所述扩散器(42)的准无导叶环形入口(27)，以及
所述通路(22)中的各个包括在所述入口部分(24)中的一个下游且与其集成的所述喉部(28)，并且所述中心线线性部分(120)向下游延伸穿过所述通路(22)中的各个的所述入口部分(24)和所述喉部(28)。
22.根据权利要求16所述的高压气体发生器(10)，其特征在于，还包括：
各个扩散器流动通路(22)的所述下游扩散部分(104)沿周向外扩并且沿周向方向(C)弯曲，以及
所述第一侧(116)和所述第二侧(117)远离彼此外扩。
23.根据权利要求22所述的高压气体发生器(10)，其特征在于，还包括，所述第一侧(116)和所述第二侧(117)围绕所述扩散通路中心线(108)的所述线性部分(120)弯曲，并且所述第一侧(116)和所述第二侧(117)围绕所述扩散通路中心线(108)的所述弯曲部分(122)平行地弯曲。
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