CN106257059B - 用于轴流式涡轮机压缩机的涡流喷射器壳体 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种轴流式涡轮机压缩机，包括：具有至少一个环形排转子叶片(24)的转子，围绕所述转子叶片(24)排的定子壳体，所述壳体包括用于产生反涡流(38)的装置(32)。在压缩机的操作过程中，所述叶片(24)的运动在叶片顶端产生泄漏涡流(36)。所述产生装置(32)又喷射在与泄漏涡流(36)相反的方向上旋转的反涡流(38)，以便对抗泄漏涡流(36)。这改善了压缩机的喘振裕度。本发明还提供了一种用于通过反涡流(38)喷射来控制涡轮机压缩机的稳定性的方法。

Description

用于轴流式涡轮机压缩机的涡流喷射器壳体
技术领域
本发明涉及在涡轮机的转子叶片顶端的泄漏涡流。更具体地说，本发明涉及一种旨在限制限制轴流式涡轮机压缩机的稳定性的叶片顶端涡流的效果的壳体。本发明还涉及一种压缩机和飞机涡轮喷气式发动机。
背景技术
轴流式涡轮机压缩机具有交替排的转子叶片和定子叶片。转子及相同叶片的旋转有助于逐步压缩穿过涡轮机的初级流。然而，该压缩涉及转子叶片顶端与周围壳体之间的泄漏。实际上，在此界面处需要机械间隙来防止接触。
在转子转动期间，叶片顶端扫过壳体的内表面且泄漏绕过朝向叶片下表面形成涡流的叶片顶端。每个涡流创建针对其中流体运动很低的相关叶片的阻挡区域。在某些情况下，当降低初级流的速度时，涡流可达到随后叶片的前缘。这可能会导致阻挡区域中的流动被反转，这可能进而使压缩机不稳定。可能会出现浪涌现象，这可以通过使用壳体处理来防止。
文献US2011/0299979A1公开了一种具有压缩机的涡轮机。该压缩机具有固定定子和支承环形排叶片的可动轮。定子包括围绕转子叶片的外壳体，所述壳体具有对应于叶片的环形凹槽。这些凹槽的深度是可变的，以维持压缩机的失速裕度(margin)。然而，各凹槽的深度和宽度增加了叶片顶端泄漏，从而限制了压缩机的压缩比。此外，涡轮机的性能降低了。
发明内容
本发明旨在解决由现有技术提出的问题中的至少一个。更具体地说，本发明旨在提高涡轮机的性能。本发明还旨在延伸轴流式涡轮机的压缩机的失速边界。
本发明涉及一种用于轴流式涡轮机特别是用于轴流式涡轮机压缩机的组件，所述组件包括：具有至少一个环形排转子叶片的转子，围绕所述转子叶片排的定子壳体，所述组件被设计成，使得当所述涡轮机处于操作时，所述叶片的运动在所述壳体与叶片之间产生泄漏涡流，其特征在于，所述壳体包括用于产生与所述泄漏涡流重合的反涡流的装置，所述装置被设计成使得，当处于操作时，所述反涡流在与它们遇到的泄漏涡流相反的方向上旋转，以便对抗泄漏涡流。
根据本发明的优选实施例，每个反涡流产生装置被设计成使得，当处于操作时，所述反涡流具有主要平行于所述泄漏涡流的旋转轴线，每个反涡流产生装置优选地安装在所述壳体上。
根据本发明的有利实施例，所述反涡流产生装置包括孔喷射模块，所述壳体优选地包括围绕所述转子有角度分布的多个喷射模块。
根据本发明的有利实施例，至少一个或每个喷射模块具有定位在转子叶片排上游的至少一个喷射孔。
根据本发明的有利实施例，至少一个或每个喷射孔具有设计成从穿过所述孔的流动产生反涡流的内部翅片，并且可能至少一个或每个模块包括具有设计成产生反涡流的内部翅片的多个喷射孔。
根据本发明的有利实施例，至少一个或每个喷射模块包括一组喷射孔，它们相对彼此倾斜，以便从来自该组中的所述喷射孔之一的流动形成反涡流。
根据本发明的有利实施例，至少一个或每个喷射模块包括沿轴向和/或围绕所述壳体的周边偏移的至少一个上游喷射孔和一个下游喷射孔；所述孔在轴向平面中和/或相对于垂直于所述转子的旋转轴线的平面相对彼此倾斜。
根据本发明的有利实施例，至少一个或每个喷射模块包括可能定位在所述叶片排下游的空气抽吸装置，特别是空气抽吸孔。
根据本发明的有利实施例，至少一个或每个喷射模块包括一对导管，每个将所述叶片上游的一个喷射孔连接到所述叶片下游的抽吸孔，且每对中的导管优选地彼此交叉。
根据本发明的有利实施例，所述壳体包括围绕所述叶片的主内部表面，至少一个或多个或者每个孔与所述内部表面齐平。
根据本发明的有利实施例，所述叶片具有带有外部末端的前缘，所述喷射孔在所述前缘的外部末端的上游。
根据本发明的有利实施例，所述反涡流产生装置包括沿轴向穿过所述至少一排转子叶片的至少一个或多个导管。
根据本发明的有利实施例，所述反涡流产生装置包括其中形成有至少一个或多个导管的单件块，所述单件块优选地沿着所述至少一个环形排转子叶片的整个轴向长度延伸。
根据本发明的有利实施例，所述反涡流产生装置包括围绕所述壳体的歧管，所述歧管优选地围绕含有所述叶片排的空间。
根据本发明的有利实施例，所述组件包括以取决于是所述转子的旋转速度的函数的频率的替代方式用于产生反涡流的控制装置，并且产生反涡流可被触发作为叶片相对于产生装置的接近度的函数。
根据本发明的有利实施例，径向间隙将叶片的外部末端与壳体分隔开，所述间隙可能围绕所述叶片排和/或是环形间隙。
根据本发明的有利实施例，所述壳体包括环形密封件，特别是环形层可磨损材料，所述反涡流产生装置从所述环形密封件的上游延伸到下游和/或围绕所述环形密封件。
根据本发明的有利实施例，至少一个或每个喷射模块包括将喷射孔连接到抽吸孔的至少一个通道。
根据本发明的有利实施例，该组件包括产生在相同方向上转动的反涡流的多个产生装置。
根据本发明的有利实施例，至少一个或每个喷射孔和/或至少一个或每个抽吸孔形成主要沿径向定向的通道。
根据本发明的有利实施例，主内部表面是具有最大面积的表面。
根据本发明的有利实施例，所述歧管是将加压空气供给到每个反涡流产生装置的分配器。
根据本发明的有利实施例，所述壳体具有带有通常是直的或基本上为弓形的旋转轮廓的内部表面，所述轮廓沿着转子叶片排的整个长度在轴向上延伸。
本发明还涉及一种包括组件的涡轮机，其特征在于，所述组件是如本发明所述的组件。所述转子优选地具有多个环形排叶片，并且所述组件包括多个反涡流产生装置。
本发明还涉及一种用于控制涡轮机的压缩机特别是低压压缩机的稳定性的方法，所述压缩机包括：具有至少一个环形排转子叶片的转子，围绕所述转子叶片排的壳体，当所述涡轮机处于操作时，所述叶片的运动在所述壳体与叶片之间产生泄漏涡流，其特征在于，所述方法包括产生朝向所述泄漏涡流的反涡流，其在与泄漏涡流相反的方向上旋转，以便限制泄漏涡流。
根据本发明的有利实施例，所产生的反涡流被不连续地产生，特别是当泄漏涡流接近时。
根据本发明的有利实施例，所产生的反涡流在下游方向上特别是朝向所述泄漏涡流被喷射。
根据本发明的有利实施例，所述叶片的外部末端具有相对于所述转子的旋转轴线倾斜的和弦，并且所述反涡流在被产生时具有大致平行于叶片的外部末端的倾斜和弦的螺旋涡流轴线。
根据本发明的有利实施例，所述组件被设计用于在叶片中产生冲击的跨音速流。
一般而言，本发明的每个目标的有利实施例还适用于本发明的其它目标。可能的话，本发明的每个目标可以与其他目标相结合。
本发明可以限制泄漏涡流并可能降低泄漏涡流。相同的动作在空间和时间两方面被减小，结果是相同朝向相邻叶片的传播被停止。因此，每个泄漏涡流抵对着相关参考叶片回转。阻挡区减小，并且被推动远离随后的转子叶片。然后稳定裕度增加，同时保持性能。
本发明使得能够保持叶片与壳体之间的均匀间隙，从而提高了各压缩级的压缩比。壳体的内部表面也变得更容易做出，因为它在这种情况下是直的和/或光滑的。采用预成型编织复合材料的架构仍然很简单。
在孔之间使用导管使得能够在其中形成压力降，这可以是动态的。这使得能够控制作为叶片上下游压力差的函数的由孔重新喷射的流动。然后，涡流产生装置可适于鼓励以预定的操作速度产生反涡流并且以其它的操作速度限制这种涡流。这使得更容易设计出针对标称工作速度被优化同时获得自调节或被动系统的涡轮机。
附图说明
图1示出了根据本发明的轴流式涡轮机。
图2是根据本发明的涡轮机压缩机的示意图。
图3是根据本发明第一实施例的具有反涡流产生装置的压缩机的一部分的顶视图。
图4是根据本发明第二实施例的具有反涡流产生装置的压缩机的一部分的示意性横截面图。
图5是根据本发明第二实施例的具有反涡流产生装置的压缩机的一部分的顶视图。
图6是根据本发明第二实施例的与反涡流产生装置同高的壳体的轴向横截面图。
图7是根据本发明第二实施例的与反涡流产生装置同高的壳体的横剖面图。
图8是根据本发明第三实施例的具有反涡流发生装置的压缩机的一部分的示意性横截面图。
图9是根据本发明第四实施例的具有反涡流产生装置的导管的壳体的一部分的等距视图。
具体实施方式
在下面的描述中，术语内或内部和外或外部指的是相对于轴流式涡轮机的旋转轴线的位置。轴向方向对应于沿着涡轮机的旋转轴线延伸的方向。
图1是轴流式涡轮机的简化表示。在这种特定的情况下，它是双流动涡轮喷气发动机。涡轮喷气发动机2具有第一压缩级(称为低压压缩机4)、第二压缩级(称为高压压缩机6)、燃烧室8、以及一个或多个涡轮机级10。在操作时，经由中心轴被传递到转子12的涡轮机10的机械动力移动这两个压缩机4和6。这些后者具有与定子叶片排相关的多排转子叶片。转子围绕其旋转轴线14旋转从而使得能够产生空气流并逐渐被压缩，直到其进入燃烧室8。齿轮装置可用于增加传递至压缩机的旋转速度。
入口风扇16联接到转子12并产生空气流，该空气流被分成穿过涡轮机的上述不同级的初级流18和在涡轮机的出口处重新加入初级流之前沿着机器穿过环形导管(部分示出)的二次流20。二次流可被加速来产生推力反应。初级流18与二次流20是环形流动，并且它们由涡轮机的壳体引导。为了这个目的，壳体具有可以在内部和外部的圆柱形壁或罩。
图2是轴流式涡轮机(比如如图1所示)的压缩机的横截面图。压缩机可以是低压压缩机4。示出了风扇16的一部分和初级流18以及二次流20的隔板前端22。转子12包括多排的转子叶片24，在这种情况下为三排。
低压压缩机4包括多个导向叶片，在这种情况下为四个，它们每个都包含一排定子叶片26。导向叶片与风扇16或转子叶片排相关来引导空气流，比如将流动速度转换为静压。定子叶片26基本上沿径向从外壳体28延伸，并且可以通过使用轴被固定到相同且不动。它们相对彼此规则地间隔开，并且每个都具有流动的相同角度取向。壳体28可以由密封件30覆盖，例如可磨损密封件，其与转子叶片24同高。
为了保持压缩机4的稳定性，外壳体28配备有用于产生反涡流的装置32，每一个都与转子叶片24排相关。转子叶片24排中的一个或仅一些可设置有产生装置32。
图3是压缩机的一部分的示意性俯视图。压缩机可以是图2所示的压缩机。转子叶片24被示出沿轴向从喷射孔34移除。泄漏涡流36从转子叶片的顶端传播。
装置32具有用于喷射反涡流38的孔34。该反涡流38在与叶片的泄漏涡流36的旋转方向相反的方向上旋转。当他们相遇时，泄漏涡流36减弱且相同的效果被反击。喷射孔34可具有翅片40。翅片40可以是螺旋形的，并且在孔34内有角度地分布。相同的间距、间隙、高度和长度使得穿过孔的流动能够被赋予旋转分量。涡流比如反涡流应被理解为是具有可能形成多个连续且一致螺旋的涡流轴线的螺旋流。
穿过喷射孔34的空气可被吸入压缩机下游。它也可以在涡轮机的任何其它点作出。装置可以用于能够实现不连续的供给，例如能够实现要被喷向泄漏涡流的反涡流。因此，本发明提出了一种用于通过使用本地和周期性地喷射的反涡流38来反击泄漏涡流的方法。
图4概括了根据本发明第二实施例的用于产生反涡流138的装置132。图4使用了前述附图的编号用于相同或相似的元件，虽然这些数字分别被增加了100。特定号码用于本实施例的特定元件。旋转轴线114被示为标记。
产生装置132包括压缩空气歧管142，孔能够抽吸和喷射加压空气。歧管142可以形成围绕转子叶片124排的环形空腔，以便在上游方向上引导空气。歧管142可以由壳体128限制，可能是以连接到壳体128的外部护罩和/或外部外壳144的形式。歧管142和/或外壳144可以沿叶片124排的整个长度轴向延伸，从前缘延伸到后缘。喷射孔可以一起成组为至少两个孔的组以形成反涡流。然后，它们可以形成喷射模块。
产生装置132具有多个喷射孔，包括上游喷射孔134和下游喷射孔146。他们通过歧管142与抽吸孔148连通。当叶片124移动经过抽吸孔148时，压力增加产生通过歧管142的流动。该流动通过抽吸孔148进入，然后通过喷射孔(134；146)离开。因此，考虑到叶片124的反复通过，歧管142中的压力可能会振荡。
在其不要求提供外部能量的意义上，根据本实施例的装置132可能是被动的。该装置只需要由叶片124的通过所引起的压力变化来工作。可靠性和能源效率得到了优化。
图5是根据本发明第二实施例的压缩机的一部分的示意性俯视图。示出了具有转子部以及由孔(134；146)示出的壳体部的组件。旋转轴线114被示为标记。
上游喷射孔134和下游喷射孔146可以沿轴向和/或围绕周边彼此重叠。它们可以是矩形的形状。相同的偏移和相同的相应输出方向的倾斜鼓励形成反涡流138。例如，喷射的流动围绕彼此旋转，可能与初级流组合。
图6示出了壳体128的轴向横截面。该横截面是沿旋转轴线114截取的。孔(134；146)可以符合图5中所示的那些。
喷射孔(134；146)形成在壳体128的壁的厚度中，并且沿径向穿过相同的。它们可相对于彼此倾斜和/或相对于垂直于旋转轴线114的垂线149以不同的角度倾斜。孔的倾斜可以指穿过相同的流动的方向和/或相同的中间轴线150的方向。上游孔134可相对于旋转轴线114的垂线149倾斜30°和50°之间的角度α1。下游孔146可以在相同的方向上倾斜但角度更小，例如25°和45°之间的角度α2。
图7示出了与产生装置132同高的壳体128的剖面图。该剖面图是沿垂直于旋转轴线的平面截取的。孔(134；146)可以符合图5和/或图6中所示的那些。
喷射孔(134；146)在垂直平面内倾斜。它们可相对于彼此倾斜和/或相对于垂直于旋转轴线114的垂线149以不同的角度倾斜。例如，上游孔134相对于垂线149在与旋转方向相反的方向上倾斜25°和50°之间的角度β1。任选地，下游孔146相对于垂线149在转子的旋转方向上倾斜25°和50°之间的角度β2。
图8是根据本发明第三实施例的产生装置232的示意性横截面图。图8使用了前述附图的编号用于相同或相似的元件，虽然这些数字分别被增加了200。特定号码用于本实施例的特定元件。旋转轴线114被示为标记。
产生装置232总体上可以类似于本发明第二实施例中的产生装置。它还包括连接到歧管242或至少外壳244的单件块252。块252可以连接到壳体228并具有两个导管254，每一个都与歧管242连通。导管(234；246)每个都喷射朝向初级流定向的流动。加入该块252有助于更好地引导流动，且因此更好地形成反涡流238。块252可以是环形或弧形的。它可以通过3D打印制成，以形成具有复杂几何形状的导管254。实际上，可以开发导管254的曲线和截面。
图9概括了根据本发明第四实施例的装置332。图9使用了前述附图的编号用于相同或相似的元件，虽然这些数字分别被增加了300。特定号码用于本实施例的特定元件。
喷射孔(334；346)还可以大致类似于第二和/或第三实施例中的喷射孔。每个孔(334；346)可以通过使用专用导管354被供给。装置332可以包括多个抽吸孔348，每一个通过专用导管354流体连通。这些导管可以通过使用管道来形成或者形成于单件块中。导管354可以相互交叉。它们可以布置在壳体328之外。
可替代地，多个导管与单个抽吸孔和/或与多个喷射孔连通。

Claims (23)

1.一种用于轴流式涡轮机(2)的组件，所述组件包括：
-具有至少一个环形排转子叶片(24；124)的转子(12)，
-围绕所述转子叶片(24；124)排的定子壳体(28；128；228；328)，
所述组件被设计成，使得当所述涡轮机(2)处于操作时，所述叶片(24；124)的运动在所述壳体(28；128；228；328)与叶片(24；124)之间产生泄漏涡流(36)，
其特征在于，
所述壳体(28；128；228；328)包括用于在所述泄漏涡流(36)产生反涡流(38；138；238)的装置(32；132；232；332)，所述装置(32；132；232；332)被设计成使得，当处于操作时，所述反涡流(38；138；238)在与它们遇到的泄漏涡流(36)相反的方向上旋转，以便对抗泄漏涡流(36)。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件用于轴流式涡轮机压缩机(4；6)。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，用于产生反涡流(38；138；238)的每个装置(32；132；232；332)被设计成使得，当处于操作时，所述反涡流(38；138；238)具有主要平行于所述泄漏涡流(36)的旋转轴线，用于产生反涡流(38；138；238)的每个装置(32；132；232；332)安装在所述壳体(28；128；228；328)上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其特征在于，用于产生反涡流(38；138；238)的装置包括孔喷射模块，所述壳体(28；128；228；328)包括围绕所述转子(12)呈角度分布的多个喷射模块。
5.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，至少一个或每个喷射模块包括布置在转子叶片(24；124)排上游的至少一个喷射孔(34；134；146；234；246；334；346)。
6.根据权利要求5所述的组件，其特征在于，至少一个或每个喷射孔(34)具有设计成从穿过所述孔(34)的流动产生反涡流(38)的内部翅片(40)，并且至少一个或每个模块包括具有设计成产生反涡流(38)的内部翅片(40)的多个喷射孔(34)。
7.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，至少一个或每个喷射模块包括一组喷射孔(134；146；234；246；334；346)，它们相对彼此倾斜，以便从来自该组中的所述喷射孔之一的流动形成反涡流(38；138；238)。
8.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，至少一个或每个喷射模块(134；146；234；246；334；346)包括沿轴向和/或围绕所述壳体(128；228；328)的周边偏移的至少一个上游喷射孔(134；234；334)和一个下游喷射孔(146；246；346)；所述孔(134；146；234；246；334；346)在轴向平面中和/或相对于垂直于所述转子的旋转轴线(114；214)的平面相对彼此倾斜。
9.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，至少一个或每个喷射模块(32；132；232；332)包括定位在所述叶片(124)排下游的空气抽吸装置。
10.根据权利要求9所述的组件，其特征在于，空气抽吸装置是空气抽吸孔(148；348)。
11.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，至少一个或每个喷射模块包括一对导管(254；354)，每个将所述叶片上游的一个喷射孔(134；146；234；246；334；346)连接到所述叶片(24；124)下游的抽吸孔(148；348)，且每对中的导管(354)彼此交叉。
12.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述壳体(28；128；228；328)包括围绕所述叶片(24；124)的主内部表面，至少一个或多个或者每个孔与所述内部表面齐平。
13.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述叶片(24；124)具有带有外部末端的前缘，所述喷射孔(34；134；146；234；246；334；346)在所述前缘的外部末端的上游。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其特征在于，用于产生反涡流(38；138；238)的装置(32；132；232；332)包括沿轴向穿过所述至少一排转子叶片(24；124)的至少一个或多个导管(254；354)。
15.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其特征在于，用于产生反涡流(38；138；238)的装置(32；132；232；332)包括其中形成有至少一个或多个导管(254；354)的单件块(252)，所述单件块(252)沿着所述至少一个环形排转子叶片(24；124)的整个轴向长度延伸。
16.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其特征在于，用于产生反涡流(38；138；238)的装置(32；132；232；332)包括围绕所述壳体(128；228)的歧管(142；242)，所述歧管(142；242)围绕含有所述叶片(24；124)排的空间。
17.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其特征在于，其包括以取决于作为所述转子(12)的旋转速度的函数的频率的替代方式用于产生反涡流(38；238；138)的控制装置，并且产生反涡流(38；138；238)可被触发作为叶片(24；124)相对于产生装置(32；132；232；332)的接近度的函数。
18.一种包括组件的涡轮机(2)，其特征在于，所述组件是如权利要求1至17中任一项所述的组件，所述转子(12)包括多个环形排叶片(24；124)，并且所述组件包括用于产生反涡流(38；138；238)的多个装置(32；132；232；332)。
19.一种用于控制涡轮机(2)的压缩机(4；6)的稳定性的方法，所述压缩机(4；6)包括：
-具有至少一个环形排转子叶片(24；124)的转子(12)，
-围绕所述转子叶片(24；124)排的壳体(28；128；228；328)，
当所述涡轮机(2)处于操作时，所述叶片(24；124)的运动在所述壳体(28；128；228；328)与叶片(24；124)之间产生泄漏涡流(36)，
其特征在于，
所述方法包括产生朝向所述泄漏涡流(36)的反涡流(38；138；238)，其在与泄漏涡流(36)相反的方向上旋转，以便限制泄漏涡流(36)。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，压缩机是低压压缩机(4)。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，当泄漏涡流(36)接近时，所产生的反涡流(38；138；238)被不连续地产生。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其特征在于，所产生的反涡流(38)在下游方向上朝向所述泄漏涡流(36)被喷射。
23.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述叶片(24；124)的外部末端具有相对于所述转子(12)的旋转轴线(14；114；214)倾斜的和弦，并且所述反涡流(38；138；238)在被产生时具有大致平行于叶片(24；124)的外部末端的倾斜和弦的螺旋涡流轴线。
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