CN106687666A - 具有可变出口导向轮叶的轴流离心式压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压缩机设备，所述压缩机设备包括：上游部分，所述上游部分包括轴流压缩机；下游部分，所述下游部分包括离心流压缩机；以及设置在所述上游部分与下游部分之间的一排可变斜罩角出口导向轮叶。

Description

具有可变出口导向轮叶的轴流离心式压缩机

关于由联邦政府赞助的研究的声明

美国政府依据美国国防部授予的合同W911W6-11-2-0009对本发明享有特定权利。

背景技术

本发明总体上涉及涡轮机压缩机，并且确切地说，涉及该等压缩机的可变定子元件。

燃气涡轮发动机包括连续流连通的压缩机、燃烧器以及涡轮，它们共同构成了涡轮机核心。所述核心能够以已知方式操作，与其他发动机部件联合，以执行有用功，例如提供推力或者机械功。压缩机的一种已知配置是“轴流离心式”压缩机，其包括通过管道向下游离心流部分排放的上游轴流部分。

由于对高压比和高效率比的循环需求，位于轴流离心式压缩机下游端的扩散器喉管流动区域通常相对较小。结果是在部分速度条件下，压缩机的离心部分的最大流量小于轴流式压缩机的最小稳定流量(即，轴向被推动超出其失速线)。在现有技术设计中，实现压缩机稳定的方法是从轴流和离心流压缩机部分之间的某一位置提取或“排放”过量流量，或者在轴向部分中使用具有可变有效角度的入口导向轮叶，以调节质量流量。这两种方法均对性能具有负面影响，并且其有效性有限。

因此，仍然需要开发能够以良好效率在可变流速下操作的轴流离心式压缩机。

发明内容

此需求通过具有上游轴流部分和下游离心流部分的压缩机来解决。可变导向轮叶设置在所述轴流与所述离心流部分之间。

附图说明

结合附图阅读以下说明可以更好地理解本发明，在附图中：

图1是包含压缩机设备的燃气涡轮发动机的半截面示意图；

图2足图1中的压缩机设备的一部分的后部立视图；

图3是图1中的压缩机设备的一部分的放大半截面图；

图4是第一位置中的一组出口导向轮叶的平面示意图；

图5是第二位置中的一组出口导向轮叶的平面示意图；以及

图6是替代压缩机设备的一部分的半截面图。

具体实施方式

参见附图，其中相同的参考数字是指各个附图中的相同元素，图1示出了示例性压缩机10。在图示的实例中，压缩机10并入燃气涡轮发动机12中，所述燃气涡轮发动机具有中心纵轴“A”并且以连续流的顺序包括压缩机10、燃烧器14以及燃气发电机涡轮16(燃烧器14和压缩机16示意性地示出)。本说明书中所用的术语“轴向”和“纵向”均指平行于轴A的方向，而“径向”是指垂直于轴向的方向，而“切向”或“周向”是指相互垂直于轴向和切向的方向。本说明书中所用的术语“前部”或“正面”是指位于穿过或围绕部件的气流的相对上游的位置，而术语“后部”或“尾部”是指位于穿过或围绕部件的气流的相对下游的位置。本流向在图1中用箭头“F”示出。这些方向术语仅出于便于说明的考虑而使用，不要求所述结构做特定的定向。

压缩机10提供压缩空气，所述压缩空气主要进入燃烧器14中以支持燃烧，部分围绕燃烧器14，并在此处用于冷却进一步下游的燃烧器衬里和涡轮机。燃料将引入燃烧器14的前端，并且以传统方式与空气混合。所得的燃料空气混合物流动到燃烧器14中，并且在该燃烧器中点燃以产生热燃烧气体。热燃烧气体排放到燃气发电机涡轮16中，并且在该燃气发电机涡轮中膨胀，以便提取能量。燃气发电机涡轮16通过轴18驱动压缩机10。在图示的实例中，发动机12是涡轮轴发动机并且工作涡轮(也称为动力涡轮)20位于燃气发电机涡轮16的下游并且连接到输出轴22，所述输出轴可连接到机械负载。但是，本说明书中所述的原理同样适用于任何轴流离心式压缩机。例如，它们可适用于由外部原动机驱动的压缩机。

压缩机10包括上游部分24和下游部分26。环状外壳28围绕整个压缩机10。在截面中看去，外壳28的后部包括外裙部30，所述外裙部从外壳28的主体径向向外发散，从而构成“Y”形。压缩机10的上游部分24配置用于轴向流体流动，并且也称为轴流部分或者简称为轴向部分。它包括若干级，每个级包括一行旋转翼型或叶片32以及一排固定翼型或轮叶34。轮叶34用于使空气流离开上游排叶片32，然后再进入下游排叶片32。

可任选地，一排或多排轮叶(如为一排，则表示为图1中的34′)可以是可变定子轮叶或者简称为“VSV”；这些级的轮叶34′构造成使其迎角(也称为“斜罩角”)可在操作中改变(即，这些定子轮叶34′可以围绕虚线所示的轴枢转)。使用VSV能够以已知方式调节流过上游部分24的流量，以其便能够有效地在高低质量流速下工作，而不遭受由诸如放气阀等其他机构引起的损失。每个VSV级的轮叶34′具有对应的耳轴36，所述耳轴径向向外延伸穿过外壳28。执行臂38附接到每个耳轴36的远端。单个级的所有执行臂38通过协调环40连接在一起。因此，协调环40围绕发动机纵轴A的旋转使连接到该环40的所有执行臂28共同移动，进而将所有耳轴36与其相连的定子轮叶34′共同枢转。可使用能够有效转动协调环40的任何已知类型的执行器来操作VSV 34′。例如，可将液压或电气线性执行器用于此用途。在图示的实例中，执行器42示意性地示出为连接到协调环40。执行器42在图1中示意性地图示为操作性地连接到控制器44。该装置能够将控制信号发送到执行器42并且/或者控制诸如加压流体或电力等能量源的流动。控制器44可以是诸如液力机械单元、动力管理单元(“PMU”)或者全权数字电子控制(“FADEC”)等已知发动机控制装置的一部分。

压缩机10的下游部分26配置用于离心或混合轴流离心流体流，并且可称为离心流部分或者简称为离心部分。

下游部分26包括叶轮46，所述叶轮安装用于与轴18一起旋转，并且具有轴向前端48和轴向后端50。叶轮46限定大体凹面的内部流动通道表面52。内部流动通道表面52沿大体纵向朝向前端48延伸并且沿大体径向延伸在后端50附近。翼型叶轮叶片54的环状阵列沿径向从内部流动通道表面52向外延伸。叶轮叶片54在其尺寸、截面形状、定向、间隔和其他参数方面进行配置(根据传统做法)以随着叶轮46的旋转而向穿过其中的空气提供递增的升压。分离器叶片56的环状阵列围绕叶轮46的圆周与叶轮叶片54交错。分离器叶片56的形式与叶轮叶片54类似，但是轴向长度较短。

环状护罩组件58围绕叶轮46。护罩组件58限定大体凸面的外部流动通道表面60，其紧密地围绕叶轮叶片54和分离器叶片56的尖端。内部流动通道表面52和外部流动通道表面60共同限定穿过下游部分26的主要流动通道。护罩组件58的前端与外壳28邻接，并且外壳28、其外裙部30以及护罩组件58共同限定环状增压室62。

一排翼型外出导向轮叶(“OGV”)64设置在上游部分24与下游部分26之间。OGV 64构造成使其斜罩角(stagger angle)能够在操作中改变(即，OGV 64可以围绕虚线所示的轴枢转)。可变OGV 64使能够改变从上游部分24进入下游部分26的旋流(即，切向速度)，如下文详述。每个OGV 64具有对应的耳轴66，所述耳轴径向向外延伸穿过外壳28，进入增压室62中。执行臂68附接到每个耳轴66的远端。OGV 64的所有执行臂68通过设置在增压室62内的协调环70连接在一起。

曲拐72，从图2和图3中可最清楚地看出，在与OGV 64相同的轴向位置处，安装在外裙部30中。曲拐72包括安装用于在外裙部30中的衬套76中旋转的圆筒74，设置在增压室62内的内臂78，以及设置在外裙部30外部的外臂80。内臂78和外臂80与圆筒74一起共同旋转。内壁78的远端通过链节82连接到协调环70，所述链节沿大体切向延伸。

执行器84(参见图1)设置外裙部30外部并且连接到外臂80的远端。可使用能够有效转动曲拐72的任何已知类型的执行器来操作OGV 64。例如，可将液压或电气线性执行器用于此用途。执行器84操作性地连接到图1中示意性地图示的控制器44。因此，执行器84的相连、线性移动使曲拐72枢转，进而使协调环70旋转。因此，协调环70围绕发动机纵轴A旋转使连接到协调环70的所有执行臂68共同移动，进而使所有耳轴66与其相连的OGV 64同步枢转。链节82和曲拐72共同构成机械联动机构，所述机械联动机构操作性地将执行器84与协调环70互连。这样无需将执行器置于增压室62的高温、相对拥挤的范围内即可操作OGV 64。为此，可替代使用其他等效功能的机械联动机构和/或执行器配置。

例如，图6示出了替代布置，在该布置中，OGV 64连接到伸长的耳轴66′，该伸长的耳轴跨过增压室62并且穿过替代版本的外裙部30′。执行臂68′附接到每个耳轴66′的远端，并且可连接到设置在外裙部30′外部的协调环70′以及执行器84′(类似于图1中所示的协调环40和执行器42的布置)。

在操作中，控制器44用于确定在每种发动机操作条件下，OGV 64以及(可任选地)VSV 34’的适当斜罩角。例如，可通过内部存储的电子地图或者列出每种操作条件下的所需斜罩角的表来实现。发动机操作条件或状态可通过一个或多个参数定义，例如，操作员控制输入、发动机速度或者发动机12内的多个位置处的流体温度或压力，所有这些参数均可使用已知类型的传感器装置确定。基于该确定值，可使用执行器42和84驱动OGV 64以及(可任选地)VSV 34进入所需的斜罩角。图4示出了第一相对较开的斜罩角β下的OGV 64，这样可产生相对较小的第一切向速度“V1”或者穿过其中的旋流。图5示出了第二相对较闭合的斜罩角β下的OGV 64，这样可产生相对较高的第二切向速度“V2”或者穿过其中的旋流。

压缩机10既能够在质量流量和压力比较低的较小转子速度下工作，又能在质量流量和压力比较高的较高转子速度下工作。一般情况下，上游部分24和下游部分26的质量流量在较高动力条件下(例如，巡航动力)固有到配合良好。但是在局部动力条件下，穿过压缩机10的下游部分26的最大流量小于上游部分24的稳定操作所需的流量。根据本说明书中所述的原则，在该局部动力条件下，OGV 64将“打开”，即，OGV从图5中所示的位置向图4中所示的相对移动。这样会减小进入下游部分26的旋流。这样的效果在于增大下游部分26的压力比和流速。流速更匹配并且轴向操作线下降。

可任选地，除了操纵OGV 64之外，VSV 34可以在局部动力水平下闭合，以减小上游部分24的流量和压力比，并且更好地与下游部分26中的流量匹配。可任选地，除了操纵OGV64之外，可以从上游部分24排走空气。

本说明书中所述的设备相对于现有技术具备若干优势。其能够减小进入下游离心压缩机的旋流，从而增大离心压缩机的压力比和流速并且降低轴流压缩机操作线。这样，可减小恒定操作下的抽气，或者改进当前排气水平下的操作容限。排气水平的减小具有缩小结构并且减小重量的固有优势。此外，可变OGV可用于通过改变压缩机的轴流部分与离心部分之间的相对载荷，优化沿操作线的效率。

上文描述了具有可变出口导向轮叶的压缩机。本说明书中公开的所有特征(包括任何随附的权利要求书、摘要和附图)以及/或者公开的任何方法或工艺的步骤可进行任何组合，但是至少一些该等特征和/或步骤相互排斥的组合除外。

除非明确另作说明，否则本说明书中公开的每种特征(所有任何随附的权利要求书、摘要和附图)可更换成用于相同、等效或类似用途的替代特征。因此，除非明确另作说明，否则所公开的每种特征仅为一系列一般的等效或类似特征的一个实例。

本发明并不限于以上实施例的细节。本发明延伸到本说明书中公开的特征的任一新颖特征或者任一新颖组合(包括任何随附的潜在新颖点、摘要和附图)，或者所公开的任何方法或工艺的步骤的任一新颖步骤或者其任意新颖组合。

Claims (15)

1.一种压缩机设备，包括：

上游部分，所述上游部分包括轴流压缩机；

下游部分，所述下游部分包括离心流压缩机；以及

一排可变斜罩角出口导向轮叶，设置在所述上游部分与下游部分之间。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述下游部分被外壳围绕，所述外壳具有主要部分和外裙部，所述主要部分和外裙部共同限定环状增压室，并且：

所述出口导向轮叶安装到所述外壳的所述主要部分；

执行器，所述执行器安装到所述外裙部的外部；并且

将所述执行器互连到所述出口导向轮叶的联动机构穿过所述增压室。

3.根据权利要求2所述的设备，其中：

每个出口导向轮叶包括耳轴和执行臂，并且所有所述执行臂通过位于所述增压室内的协调环相连；并且

所述联动机构包括安装在所述外裙部中的曲拐，其具有连接到所述外裙部外部的所述执行器的外臂，以及连接到所述增压室内的所述协调环的内臂。

4.根据权利要求3所述的设备，其中呈切线对准的联动机构将所述曲拐的所述内臂和所述增压室内部的所述协调环相连。

5.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述下游部分被外壳围绕，所述外壳具有主要部分以及外裙部，所述主要部分和外裙部限定环状增压室；

所述出口导向轮叶安装到所述外壳的所述主要部分；并且

每个出口导向轮叶包括耳轴，所述耳轴穿过所述增压室和所述外裙部，并且所述执行臂安装到所述外裙部外部的所述耳轴。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所有所述执行臂通过位于所述外裙部外部的协调环相连；并且所述协调环连接到执行器。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述上游部分包括至少一排可变定子轮叶。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述上游部分包括多个级，每个级包括一排旋转翼型叶片和一排固定翼型。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述下游部分包括安装用于旋转的叶轮，所述叶轮具有内部流动通道表面，所述内部流动通道表面具有从其向外延伸的翼型叶轮叶片环状阵列。

10.一种燃气涡轮发动机设备，包括：

根据权利要求1所述的压缩机设备；

燃烧器，所述燃烧器设置在所述压缩机设备的下游；

第一涡轮，所述第一涡轮设置在所述燃烧器的下游；以及

轴，所述轴将所述第一涡轮与所述压缩机设备互连。

11.根据权利要求10所述的设备，进一步包括第二涡轮，所述第二涡轮设置在所述第一涡轮的下游。

12.一种操作压缩机设备的方法，所述压缩机设备包括具有轴流压缩机的上游部分，以及具有离心流压缩机的下游部分，所述方法包括：选择性地改变设置在所述上游部分与所述下游部分之间的一排出口导向轮叶的斜罩角，从而平衡从所述上游部分流向所述下游部分的流体的质量流速。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述出口导向轮叶设置成在所述压缩机设备的相对较小旋转速度下产生相对较低的切向流体流速，并且在所述压缩机设备的相对较高旋转速度下产生相对较高的切向流体流速。

14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括选择性地改变设置在所述上游部分中的至少一排可变定子轮叶的斜罩角。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述可变定子轮叶设置成在所述压缩机设备的相对较小速度下允许相对较低流体流速，并且在所述压缩机设备的相对较高速度下允许相对较高的流体流速。