CN106194841A - 背衬板 - Google Patents

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CN106194841A CN201510364498.4A CN201510364498A CN106194841A CN 106194841 A CN106194841 A CN 106194841A CN 201510364498 A CN201510364498 A CN 201510364498A CN 106194841 A CN106194841 A CN 106194841A
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Abstract

一种用于离心压缩机中的扩散器的环形背衬板包括内径和与所述内径径向相对设置的外径。背衬板还包括在所述背衬板的内径与外径之间延伸的第一表面。在所述第一表面上邻近所述内径形成台阶，其中所述台阶将所述第一表面的由所述台阶包含的一部分相对于所述第一表面的未由所述台阶包含的一部分轴向向后移位。

Description

背衬板
技术领域
本公开涉及飞机环境控制系统。更具体地说，本公开涉及用于飞机环境控制系统的机舱空气压缩机的扩散器背衬板。
背景技术
在各种类型的飞机上使用环境控制系统(ECS)以用于一些目的，如用于飞机的冷却系统中。举例来说，ECS的部件可用于从各种飞机润滑与电气系统中除去热量和/或用于调节飞机机舱空气。ECS包括一个或多个机舱空气压缩机，其压缩从外部来源或冲压空气系统进入系统的空气。压缩空气被输送至环境控制系统，以使其达到所需温度并且输送至飞机机舱。在通过机舱之后，空气通常被排出至外部。机舱空气压缩机通常是包含叶轮和扩散器的离心压缩机。
在操作期间，机舱空气压缩机致使机舱空气压缩机出口处的压力大于机舱空气压缩机的入口处的压力。一些因素影响机舱空气压缩机的性能和效率，所述因素如压力比(该机舱空气压缩机的出口压力与入口压力的比率)，和穿过机舱空气压缩机的质量流。在相对较高压力比率下，需要较大质量流以使机舱空气压缩机稳定起作用。如果对当前质量流来说压力比过高，那么机舱空气压缩机可能开始停顿(stall)并损失均匀空气流。如果空气流停顿至足够程度，机舱空气压缩机出口处的较高压力可导致反向空气流，这被称为喘振(surge)。
机舱空气压缩机中的喘振可导致输出损失和机舱空气压缩机振动，从而可能损坏机舱空气压缩机。为了在操作期间避免喘振，机舱空气压缩机被设计来获得在机舱空气压缩机正常操作的质量流和压力比与发生喘振的质量流和压力比之间的安全裕度。扩展机舱空气压缩机的安全裕度增加机舱空气压缩机的操作范围。
发明内容
在本发明的一方面，用于离心压缩机中的扩散器的环形背衬板包括内径和与所述内径径向相对设置的外径。背衬板还包括在背衬板的内径与外径之间延伸的第一表面。在第一表面上邻近内径形成台阶，其中台阶将第一表面的由台阶包含的一部分相对于第一表面的未由台阶包含的一部分轴向向后移位。
在本发明的另一个方面，机舱空气压缩机组件包括具有轴毂和多个叶片的转子区段。机舱空气压缩机还包括从转子区段径向向外设置的扩散器区段。扩散器区段包括背衬板。背衬板包括设置成邻近所述转子区段的内径和与所述内径径向相对设置的外径。背衬板还包括在内径与外径之间延伸的第一表面、与第一表面轴向相对设置的第二表面，和在第一表面上邻近内径形成的台阶。扩散器区段还包括与背衬板的第一表面相对设置的套罩，和在套罩与背衬板的第一表面之间设置的多个导叶。多个导叶中的每一个在背衬板的内径与外径之间径向延伸。
本领域普通技术人员将认识到，鉴于包括附图的本公开的全部内容，本发明的其它方面和实施方案是可能的。
附图说明
图1是机舱空气压缩机的横截面视图。
图2A是沿着线A-A截取的图1的机舱空气压缩机的背衬板和多个导叶的四分之一剖视图。
图2B是沿着线B-B截取的图2A的背衬板和多个导叶之一的横截面视图。
图3是图1的机舱空气压缩机的背衬板的横截面视图。
图4是从圆C截取的图3的背衬板的放大横截面视图。
虽然以上确认的绘图示出本发明的一个或多个实施方案，但是也涵盖其它实施方案。在所有情况下，本公开代表性地而非限制性地呈现本发明。应当了解，本领域的技术人员可设计出许多其它修改和实施方案，它们都落在本发明的原理的范围和精神内。附图可以不按比例绘制，并且本发明的应用和实施方案可包括附图中未具体示出的特征和部件。相同参考数字标示相似结构元件。
具体实施方式
本公开提供具有扩散器背衬板的机舱空气压缩机，所述扩散器背衬板具有邻近背衬板的内径与导叶的前缘设置的台阶。台阶可通过允许机舱空气压缩机中的空气漏入台阶中以减小机舱空气压缩机的压力比来减少喘振的可能性。
图1是机舱空气压缩机10的横截面视图。以下是机舱空气压缩机10可包括的元件的列表。如图1中示出，机舱空气压缩机组件10可为离心压缩机，其包括转子区段12、扩散器区段14、套罩16、安装板18、连接螺栓20、外壳22、电动机24、传动轴26、连杆28、第一轴承组件30和第二轴承组件32。转子区段12可包括轴毂34和叶片36，叶片36中的每一个包括前缘38和后缘40。扩散器区段14包括背衬板42和导叶44。背衬板42可包括外径D1、内径D2、中径D3、第一表面46、第二表面48、第三表面50和圆柱形表面52。导叶44中的每一个可包括前缘54、后缘56和枢轴销58。导叶44可连接至致动器60，其可包括齿条62、小齿轮64和传动销66。套罩16可包括压缩机入口68。套罩16和背衬板42可形成扩散器出口70。外壳22可形成充气室72。电动机24可包括电动机定子74和电动机转子76。以下讨论如1图中示出的机舱空气压缩机10的元件的构造。
转子区段12的叶片36和轴毂34以机舱空气压缩机组件10的中心线CL为中心并且绕中心线CL旋转。中心线CL界定前向和向后延伸的轴线方向。叶片36是离心叶片，其被配置来将在叶片36的前缘38处进入转子区段12的轴向定向流体流F转向，并引导至从中心线CL径向向外延伸的径向方向。套罩16可至少部分地围绕转子区段12设置并且可界定压缩机入口68，流体流F通过所述压缩机入口进入转子区段12。套罩16可在压缩机入口68处总体上在轴线方向上延伸。当套罩16从压缩机入口68和叶片36的前缘38向后延伸时，套罩16可转向并朝向径向转变并且从中心线CL径向向外延伸。转子区段12的套罩16和轴毂34共同界定跨越转子区段12的流动管道。套罩16可从叶片36的后缘40径向向外延伸至扩散器区段14中。
扩散器区段14从转子区段12径向向外设置。扩散器区段的背衬板42从套罩16轴向向后设置，并且可从叶片36的后缘40径向向外设置。背衬板42可为环形板以使得外径D1从内径D2径向相对并向外设置。内径D2可邻近转子区段12的叶片36的后缘40设置，并且可与套罩16一起界定扩散器区段14的入口。套罩16可径向向外延伸至邻近外径D1的范围，以使得套罩16和背衬板42的外径D1界定扩散器出口70。背衬板42的第一表面46在内径D2与外径D1之间延伸并且面向套罩16，以使得套罩16与背衬板42的第一表面46相对并且在背衬板42的第一表面46轴向前向设置。
导叶44可设置于套罩16与背衬板42的第一表面46之间。导叶44中的每一个可在背衬板42的内径D2与外径D1之间径向延伸，以使得导叶44的前缘54邻近背衬板42的内径D2设置并且导叶44的后缘56邻近背衬板42的外径D1设置。导叶44可为可变导叶，并且导叶44中的每一个包括枢销58，导叶44中的每一个可绕所述枢销旋转。致动器60可连接至套罩16并且被配置来致动导叶44。致动器60可通过旋转小齿轮64来致动导叶44。小齿轮64与齿条62啮合并且致使齿条62平移。传动销66可连接至齿条62并且可延伸跨越套罩16以接合导叶44。当小齿轮64使齿条62平移时，传动销66接合导叶44并且致使导叶44绕枢轴销58移动。
安装板18可从背衬板42轴向向后设置并且可连接至背衬板42的第二表面48。背衬板42的第二表面48可从第一表面46轴向向后设置并且可从外径D1径向向内延伸。背衬板42的第三表面50可从第一表面46和第二表面48轴向向后设置。第三表面50从内径D2径向延伸至中径D3。中径D3可径向定位于内径D2与外径D1之间。圆柱形表面52可从第三表面50在中径D3处朝向第二表面48轴向延伸。圆柱形表面52可接触背衬板42以使得圆柱形表面52支撑安装板18并且使所述安装板相对于中心线CL径向定位。连接螺栓20可从安装板18轴向延伸至套罩16以将安装板18连接至套罩16，以使得背衬板42和导叶44在套罩16与安装板18之间轴向固定。
外壳22邻近背衬板42的外径D1设置并且形成充气室72。扩散器出口70与充气室72流体连通，以使得离开扩散器区段14的流体流F进入充气室72。充气室72将流体流F朝向机舱空气压缩机组件10的出口引导(未示出)。
如图1中示出，连杆28可将转子区段12的轴毂34连接至电动机24的传动轴26和电动机转子76。传动轴26和电动机转子76由第一轴承组件30和第二轴承组件32支撑。电动机定子74围绕电动机转子76设置。在机舱空气压缩机组件10的操作期间，电动机定子74通电，从而致使电动机转子76旋转。因为连杆28将传动轴26和转子区段12的轴毂34连接至电动机转子76，所以传动轴26和轴毂34也在电动机转子76旋转时旋转。当转子区段12的轴毂34和叶片36旋转时，可为空气的流体流F进入压缩机入口68，并且流动跨越转子区段12的叶片36的前缘38和后缘40。当流体流F穿越转子区段12时，流体流F受压缩并且径向向外朝向扩散器区段14引导。然后，流体流F进入背衬板42与套罩16之间的扩散器区段14，并且径向向外跨越导叶44的前缘54和后缘56流动。当流体流F穿越导叶44时，致动器60可调整导叶44的位置来调节流体流F。在穿越扩散器区段14之后，流体流F进入充气室72，然后通过机舱空气压缩机组件10的出口(未示出)退出机舱空气压缩机组件。如下参照图2A-2B讨论，背衬板42可包括台阶78以减少在机舱空气压缩机组件10中发生喘振的可能性。
在图2A和2B中，与图1的部件和元件相同编号的部件和元件如以上参照图1讨论来组装。图2A是沿着线A-A截取的图1的机舱空气压缩机10的四分之一剖视图，其示出背衬板42和导叶44。图2B是沿着线B-B截取的图2A的背衬板42、导叶44和安装板18的横截面视图。除了以上参照图1描述的部件和元件以外，背衬板42也可包括台阶78并且导叶44可各自包括内部空腔82。导叶44也可形成流动通道84。台阶78和导叶44可形成间隙85。
如图2中示出，并且也如上参照图1所述，导叶44可为可变导叶，其在第一表面46上绕枢轴销58移动。为了加强第一表面46防止可在导叶44与第一表面46之间发生的磨损，背衬板42的第一表面46可包括硬的阳极化涂层。内部空腔82可在导叶44中的每一个中形成以容纳连接螺栓20，或可能需要轴向穿越扩散器区段14而不干扰流动通道84的任何其它硬件。
台阶78在第一表面46上邻近背衬板42的内径D2形成。台阶78可在第一表面46上、在内径D2与中径D3(以虚线示出)之间径向延伸。台阶78也可围绕背衬板42的内径D2周向地延伸。台阶78是在第一表面46中从外径D1到内径D2的下行台阶。因为台阶78是第一表面46中的下行台阶，所以第一表面46的由台阶78包含的部分相对于第一表面46的未由台阶78包含的部分轴向向后移位。因为第一表面46的由台阶78包含的部分轴向向后移位，所以台阶78增加了背衬板42的第一表面46与套罩16之间、处于台阶78处的空间和流动区域。在机舱空气压缩机10最初制造时，带有台阶78的背衬板42可安装于机舱空气压缩机10的扩散器区段14中，或在机舱空气压缩机10的使用寿命期间，带有台阶78的背衬板42可改装至机舱空气压缩机10中。
在操作期间，当流体流F退出转子区段12并且进入扩散器区段14时，流体流F的至少一部分可扩展至由台阶78提供的增加流通区域，从而降低进入扩散器区段14的流动通道84的流体流F的压力。减少流体流F进入扩散器区段14时的压力致使跨越机舱空气压缩机组件10的压力比降低，从而减少流体流F在扩散器区段14内部停顿并且致使机舱空气压缩机组件10喘振的可能性。台阶78还有助于扩散器区段14吸收流动不规则性，所述流动不规则性可在流体流F退出转子区段12并进入扩散器区段14时在流体流F的边界层中形成。吸收和减少流体流F中的流动不规则性是重要的，因为流体流F中的流动不规则性的存在可致使流体流F与导叶44分开，并且致使流体流F停顿，从而导致机舱空气压缩机组件10中的喘振。
如图2A-2B所示，导叶44可在台阶78之上延伸，以使得台阶78可在导叶44中的每一个的一部分下方延伸，以在背衬板42的第一表面46与导叶44中每一个的邻近导叶44的前缘54的部分之间产生间隙85。因为台阶78在导叶44中每一个的邻近前缘54的部分下方延伸，所以在操作期间流体流F扩展至台阶78中的部分可在导叶44与流动通道84之间、在台阶78中行进。允许流体流F在台阶78中的部分在导叶44与流动通道84之间行进可有助于平衡流动通道84中流体流F的压力，并且减少可在不同流动通道84之间存在于流体流F中的不规则性。如以下参照图3和4所讨论，与背衬板42的其它尺寸相比，台阶78被独特地设计成大小相对较小，以便赋予台阶78的上述益处，而不阻碍机舱空气压缩机组件10的性能。
将对图3-4并行讨论。图3是图1的机舱空气压缩机10的背衬板42的横截面视图，并且图4是从圆C截取的图3的背衬板42的放大横截面视图。如图3-4所示，台阶78可包括深度W1、直径D4和过渡区段80(全部在图4中示出)。背衬板可包括第一表面46与第二表面48之间的宽度W2，和第一表面46与第三表面50之间的宽度W3。
如图4中所示，台阶78的深度W1界定台阶78致使第一表面46台阶下行的距离。与背衬板42的宽度W2和宽度W3相比，台阶78的深度W1相对较小。台阶78的深度W1与第一表面46与第二表面48之间的宽度W2之间的比率(W1/W2)可为大约0.020至0.032。第一表面46与第三表面50之间的宽度W3和台阶78的深度W1之间的比率(W3/W1)可为大约93.333至142.500。第一表面46与第三表面50之间的宽度W3和第一表面46与第二表面48之间的宽度W2之间的比率(W3/W2)可为大约2.8至3.0。
台阶78的直径D4大于背衬板42的内径D2，然而直径D4小于外径D1并且也可小于中径D3。内径D2的长度与台阶78的直径D4之间的比率可为大约0.8449至0.8454。外径D1的长度与内径D2的长度之间的比率可为大约1.898至1.899。外径D1的长度与中径D3的长度之间的比率可为大约1.584至1.586。内径D2的长度与中径D3的长度之间的比率可为大约0.8346至0.8352。
如图4中示出，台阶78可包括过渡区段80，其在第一表面46的由台阶78包含的部分与第一表面46的未由台阶78包含的其余部分之间产生平滑、倾斜表面。因为过渡区段80的倾斜性质，当流体流F从台阶78径向向外行进时，流体流F可从台阶78平滑地流出。
考虑到前述描述，应认识到本公开提供许多优势和益处。举例来说，本公开提供由于机舱空气压缩机组件10的扩散器区段14的背衬板42。背衬板42包括台阶78，其减少流体流F在进入扩散器区段14时的压力，从而致使跨越机舱空气压缩机组件10的压力比降低，从而减少流体流F在扩散器区段14内部停顿并且致使机舱空气压缩机组件10喘振的可能性。台阶78还有助于扩散器区段14吸收流动不规则性，所述流动不规则性可在流体流F退出转子区段12并进入扩散器区段14时在流体流F的边界层中形成。吸收和减少流体流F中的流动不规则性是重要的，因为流体流F中的流动不规则性的存在可能致使流体流F与导叶44分开并且致使流体流F停顿，从而导致机舱空气压缩机组件10中的喘振。
以下是本发明的可能实施方案的非排他性描述。
在一个实施方案中，用于离心压缩机中的扩散器的环形背衬板包括内径和与所述内径径向相对设置的外径。背衬板还包括在背衬板的内径与外径之间延伸的第一表面。在第一表面上邻近内径形成台阶，其中台阶将第一表面的由台阶包含的一部分相对于第一表面的未由台阶包含的一部分轴向向后移位。
前述段落的环形背衬板可任选地包括另外和/或替代地以下特征、配置和/或另外部件中的任何一个或多个：
台阶是第一表面中从外径至内径的下行台阶；
背衬板还包括：从第一表面轴向向后设置的第二表面；从第一表面和第二表面轴向向后设置的第三表面，其中第三表面从内径径向延伸至径向定位于内径与外径之间的中径；和，从第三表面在中径处朝向第二表面轴向延伸的圆柱形表面；
台阶在第一表面上、在内径与中径之间径向延伸；
台阶围绕背衬板的内径周向地延伸；
台阶的深度(W1)和第一表面与第二表面之间的宽度(W2)之间的比率为大约0.020至0.032；
第一表面与第三表面之间的宽度(W3)和第一表面与第二表面之间的宽度(W2)之间的比率为大约2.8至3.0；
第一表面与第三表面之间的宽度(W3)和台阶的深度(W1)之间的比率为大约93.333至142.500；
外径的长度(D1)与内径的长度(D2)之间的比率为大约1.898至1.899；
外径的长度(D1)与中径的长度(D3)之间的比率为大约1.584至1.586；
内径的长度(D2)与中径的长度(D3)之间的比率为大约0.8346至0.8352；和/或
内径的长度(D2)与台阶的直径(D4)之间的比率为大约0.8449至0.8454。
在另一个实施方案中，机舱空气压缩机组件包括具有轴毂和多个叶片的转子区段。机舱空气压缩机还包括从转子区段径向向外设置的扩散器区段。扩散器区段包括背衬板。背衬板包括邻近所述转子区段设置的内径和与所述内径径向相对设置的外径。背衬板还包括在内径与外径之间延伸的第一表面、与第一表面轴向相对设置的第二表面，和在第一表面上邻近内径形成的台阶。扩散器区段还包括与背衬板的第一表面相对设置的套罩，和在套罩与背衬板的第一表面之间设置的多个导叶。多个导叶中的每一个在背衬板的内径与外径之间径向延伸。
前述段落的机舱空气压缩机组件可任选地包括另外和/或替代地以下特征、配置和/或另外部件中的任何一个或多个：
台阶在多个导叶中每一个的一部分下方延伸，以使得在背衬板的第一表面与导叶中每一个的邻近所述导叶中每一个的前缘的一部分之间存在间隙；和/或
背衬板的第一表面包括硬的阳极化涂层。
本文使用的任何相对术语或程度术语，如“大致上”、“基本上”、“总体上”等应根据并且服从在本文中明确说明的任何适用定义或限制来解释。在一切情况下，本文使用的任何相对术语或程度术语应解释为：广泛涵盖任何相关公开实施方案以及如本领域普通技术人员考虑到本公开的全部内容所理解的这类范围或变化，如涵盖正常制造公差变化、偶然对准变化、暂态振动和摆动移动、由操作条件诱导的临时对准或形状变化等。
虽然已经参照示例性实施方案来描述本发明，但是本领域的技术人员应当了解，在不背离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变并且可用等效物替代其要素。举例来说，虽然本说明书描述导叶44为可变导叶，但是导叶44也可为固定导叶。在另一个实例中，虽然本说明书将台阶78描述为围绕背衬板42的内径D2周向地并且连续延伸，但是台阶78可包括围绕内径D2周向排列并且彼此圆周间隔的多个台阶。此外，虽然本发明参照机舱空气压缩机来描述，但是本发明可用于其中可需要离心压缩机的任何应用。另外，在不背离本发明的基本范围的情况下，可以做出许多修改来使具体的情况或材料适应本发明的教义。因此，旨在使得本发明不限于所公开的具体实施方案，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (15)

1.一种用于离心压缩机中的扩散器的环形背衬板，所述背衬板包括：
内径；
与所述内径径向相对设置的外径；
在所述内径与所述外径之间延伸的第一表面；以及
在所述第一表面上邻近所述内径形成的台阶；
其中所述台阶将所述第一表面的由所述台阶包含的一部分相对于所述第一表面的未由所述台阶包含的一部分轴向向后移位。
2.如权利要求1所述的背衬板，其中所述台阶是所述第一表面中从所述外径至所述内径的下行台阶。
3.如权利要求2所述的背衬板，所述背衬板还包括：
从所述第一表面轴向向后设置的第二表面；
从所述第一表面和第二表面轴向向后设置的第三表面，其中所述第三表面从所述内径径向延伸至径向定位于所述内径与所述外径之间的中径；以及
从所述第三表面在所述中径处朝向所述第二表面轴向延伸的圆柱形表面。
4.如权利要求3所述的背衬板，其中所述台阶在所述第一表面上、在所述内径与所述中径之间径向延伸。
5.如权利要求4所述的背衬板，其中所述台阶围绕所述背衬板的所述内径周向地延伸。
6.如权利要求5所述的背衬板，其中所述台阶的深度(W1)和所述第一表面与所述第二表面之间的宽度(W2)之间的比率为大约0.020至0.032。
7.如权利要求6所述的背衬板，其中所述第一表面与所述第三表面之间的宽度(W3)和所述第一表面与所述第二表面之间的宽度(W2)之间的比率为大约2.8至3.0。
8.如权利要求7所述的背衬板，其中所述第一表面与所述第三表面之间的宽度(W3)和所述台阶的所述深度(W1)之间的比率为大约93.333至142.500。
9.如权利要求4所述的背衬板，其中所述外径的长度(D1)与所述内径的长度(D2)之间的比率为大约1.898至1.899。
10.如权利要求9所述的背衬板，其中所述外径的所述长度(D1)与所述中径的长度(D3)之间的比率为大约1.584至1.586。
11.如权利要求10所述的背衬板，其中所述内径的所述长度(D2)与所述中径的所述长度(D3)之间的比率为大约0.8346至0.8352。
12.如权利要求11所述的背衬板，其中所述内径的所述长度(D2)与所述台阶的直径(D4)之间的比率为大约0.8449至0.8454。
13.一种机舱空气压缩机组件，其包括：
包括轴毂和多个叶片的转子区段；和
从所述转子区段径向向外设置的扩散器区段，其中所述扩散器区段包括：
背衬板，其包括：
在所述转子区段附近设置的内径；
与所述内径径向相对设置的外径；
在所述内径与所述外径之间延伸的第一表面；
与所述第一表面轴向相对设置的第二表面；以及
在所述第一表面上邻近所述内径形成的台阶；
与所述背衬板的所述第一表面相对设置的套罩；以及
在所述套罩与所述背衬板的所述第一表面之间设置的多个导叶，其中所述多个导叶中的每一个在所述背衬板的所述内径与所述外径之间径向延伸。
14.如权利要求13所述的机舱空气压缩机组件，其中所述台阶在所述多个导叶中的每一个的一部分下方延伸，以使得在所述背衬板的所述第一表面与所述导叶中的每一个的邻近所述导叶中的每一个的前缘的一部分之间存在间隙。
15.如权利要求13所述的机舱空气压缩机组件，其中所述背衬板的所述第一表面包括硬的阳极化涂层。
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