CN107110180A - 离心压缩机扩散器通路边界层控制 - Google Patents

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Abstract

一种离心压缩机扩散器(42)包括多个扩散器流动通路(22)，其延伸穿过环形扩散器壳体(20)，并且由扩散器导叶(23)沿周向界定且由前壁(101)和后壁(100)沿轴向界定。用于通路的扩散器边界层放气口(96)可包括设置成穿过前壁(101)的边界层放气孔口(106)或槽口(130)，以及在通路中与下游扩散器空气流方向(103)成锐角斜面角倾斜的面向下游的壁(142)。扩散器放气流(112)从扩散器边界层放气。边界层放气孔口可位于导叶的压力侧附近的流动通路的喉部区段(28)下游。离心压缩机(18)可包括包绕环形离心压缩机叶轮(32)的扩散器，以及用于使叶轮放气流(102)从叶轮末梢(36)与扩散器环形入口(27)之间的径向空隙流动的设备，其中扩散器放气流混合或单独地冷却涡轮(16)。

Description

离心压缩机扩散器通路边界层控制
政府权益
本发明是在国防部授予的政府合同号W911W6-11-2-0009的政府资助下制作出的。政府对本发明有一定权利。
技术领域
本发明涉及来自燃气涡轮发动机离心压缩机的放出空气。
背景技术
一个类型的燃气涡轮发动机包括具有可旋转的叶轮的离心压缩机，以加速且由此增大流过叶轮的空气的动能。扩散器大体上位于紧接叶轮的下游且包绕叶轮。扩散器操作成降低离开叶轮的空气流的速度，且将其能量转换成静压力的升高，因此使空气加压。
常规的燃气涡轮发动机通常包括压缩机、燃烧器和涡轮，两者旋转涡轮构件(诸如叶片、盘和固位器)，以及静止涡轮构件(诸如导叶、护罩和框架)，通常由于其由热燃烧气体加热而需要冷却。涡轮(尤其是旋转构件)的冷却对于发动机的正确功能和安全操作是很重要的。已知从离心压缩机放出冷却空气来有助于冷却涡轮。
例如，通过提供供应压力、体积流速或温度裕度不足的冷却空气不能充分地冷却涡轮盘及其叶片，这可能不利于涡轮的寿命和机械完整性。取决于冷却缺乏的性质和程度，对发动机操作的影响范围可从导致发动机功率和可用叶片寿命减少的相对良性的叶尖受损到导致非计划发动机停机的涡轮盘的破裂。
平衡充分冷却涡轮的需要对于较高水平的发动机操作效率是期望的，这转化成较低燃料消耗和较低运营成本。由于涡轮冷却空气通常从压缩机的一个或更多个级吸收，且通过各种手段(诸如，至期望构件的管、导管和内部通路)导送，故此空气不可用于与燃料混合，在燃烧器中点燃和在涡轮的主气体流动路径中进行功获取。
从压缩机放出的总冷却流是发动机操作循环中的损失，且可期望的是将此损失保持至最低。
如General Electric CFE738发动机中完成的那样，一些常规发动机利用清洁空气放出系统，使用轴离心压缩机来冷却燃气轮机中的涡轮构件。涡轮冷却供应空气穿过扩散器出口与除旋流器内护罩之间的小间隙流出离心扩散器。其它涡轮冷却空气方法包括从叶轮或从叶轮与扩散器出口之间的间隙获得冷却。
1996年9月17日公告的且题为A Gas Turbine Engine Cooling Supply Circuit的授予Bourneuf等人的美国专利号5,555,721公开了使用来自燃气轮机的涡轮冷却供应回路中的离心压缩机的叶轮级的放出空气。美国专利号5,555,721公开了用于冷却涡轮构件的叶轮末梢前放出流和叶轮末梢后放出流。美国专利号5,555,721转让给了GeneralElectric公司(本专利的同一受让人)，且通过引用并入本文中。
2012年1月3日公告的且题为A Turbine Cooling Air From A CentrifugalCompressor的授予Ottaviano等人的美国专利号8,087,249公开了一种燃气涡轮发动机涡轮冷却系统，其包括叶轮和直接在叶轮下游的扩散器，以及用于从扩散器下游放出清洁冷却空气的放气口。美国专利号8,087,249转让给了General Electric公司(本专利的同一受让人)，且通过引用并入本文中。
因此，继续需要改善空气动力性能和减少总体发动机径向机壳的扩散器设计和几何形状。
发明内容
一种用于离心压缩机的扩散器包括环形扩散器壳体、在扩散器壳体的前壁与后壁之间沿轴向延伸的扩散器导叶、延伸穿过壳体且围绕壳体的圆周间隔开的多个扩散器流动通路。扩散器流动通路由扩散器导叶与前壁和后壁界定。扩散器边界层放气口提供成用于从各个扩散器流动通路中的扩散器边界层放出扩散器放气流。
扩散器边界层放气口可构造成用于在位于各个扩散器流动通路中的流动弱点区域中的位置处从扩散器边界层放出扩散器放气流。
扩散器边界层放气口可包括设置成穿过前壁的边界层放气孔口。各个边界层放气孔口均可为槽口，其包括分别相对于各个扩散器流动通路中的下游扩散器空气流方向以锐角斜面角来成角或倾斜的面向下游的壁。
边界层放气孔口可定位在或位于扩散器导叶的压力侧附近的扩散器流动通路的喉部区段下游。
一种离心压缩机，包括环形离心压缩机叶轮、环形地包绕叶轮的扩散器，以及延伸穿过扩散器的壳体且围绕壳体的圆周间隔开的多个扩散器流动通路。各个通路均包括喉部区段和喉部区段下游的扩散区段。扩散器流动通路由在扩散器的前壁与后壁之间沿轴向延伸的扩散器导叶周向地界定，且扩散器边界层放气口提供成用于从各个扩散器流动通路中的扩散器边界层放出扩散器放气流。
离心压缩机还可包括叶轮的叶轮末梢与扩散器的环形入口之间的径向空隙、用于使来自径向空隙的叶轮放气流与来自边界层放气孔口的扩散器放气流混合来提供涡轮冷却空气的器件，以及用于使涡轮冷却空气流至涡轮的器件或用于使叶轮放气流和扩散器放气流单独地流至涡轮的器件。
附图说明
图1为具有用于在使用用于冷却涡轮构件的流之前在压缩机区段中混合叶轮末梢放气流与扩散器放气流的离心压缩机的燃气涡轮发动机的截面视图。
图2为图1中所示的离心压缩机和具有扩散器放气孔的扩散器的放大截面视图。
图3为穿过图2中的3-3的扩散器和扩散器放气孔的从后向前看的透视图。
图4为图3中所示的放气孔的放大透视图。
图5为图2中所示的扩散器和扩散器放气孔的一部分的透视图。
图6为图2中所示的离心压缩机末梢和扩散器放气孔的放大截面视图。
图7为具有用于单独流动的叶轮末梢放气来用于冷却涡轮构件的备选布置的燃气涡轮发动机离心压缩机的截面视图。
图8为具有用于单独流动的扩散器放气流来用于冷却涡轮构件的图7中所示的燃气涡轮发动机的截面视图。
图9为图7中所示且如穿过图10中的9-9截取的叶轮放气流动端口中的一个的放大透视图。
图10为包绕离心压缩机且包括图7和8中分别示出的叶轮和放气流端口的后壳的从前向后看的透视图。
图11为图7和9中所示的叶轮放气流端口中的一个的叶轮放气流动路径的断面透视图。
图12为图8中所示且如穿过图10中的12-12截取的扩散器放气流端口中的一个的放大透视图。
图13为图8中所示且如穿过图10中的12-12截取的穿过扩散器放气流端口中的一个的扩散器放气流动路径的断面透视图。
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由本文未示出的发动机框架中的轴承围绕发动机轴线25旋转地支承。
本文所示的高压压缩机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。出口导向导叶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流出叶轮32，且经过环形地包绕叶轮32的扩散器42，且然后穿过除旋流叶栅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通常与由多个燃料喷嘴48提供的燃料混合，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，且向下游继续来用于在低压涡轮78和最终排气中进一步获取功，这是通常已知的。在本文所示的示例性实施例中，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连接与叶轮32旋转传动接合的高压涡轮16。第一级喷嘴66直接在第一高压涡轮级55上游，且第二级喷嘴68直接在第二高压涡轮级上游。
参看图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，用于在燃烧器52中燃烧燃料，且冷却经历热燃烧气体54的涡轮16的构件；诸如，第一级喷嘴66、分别包绕第一高压涡轮级55和第二高压涡轮级56的第一级护罩71和第二级护罩69。高压压缩机14包括如图1和2中更完整示出的压缩机后壳110和扩散器前壳114。压缩机后壳110大体上包绕轴向压缩机30，且扩散器前壳114大体上包绕离心压缩机18，且支承直接在离心压缩机18下游的扩散器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。
参看图2和3，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。环形叶尖护罩90与压缩机叶片84相对且在其轴向前方。护罩90邻近将叶尖空隙80限定在其间的压缩机叶片84的叶尖86。扩散器42包括环形扩散器壳体20，其具有沿径向延伸穿过其间，围绕壳体20的圆周26间隔开且扩散器空气流103沿下游方向流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。
参看图2和3，扩散器导叶23在扩散器流动通路22的相邻通路之间沿周向延伸。扩散器流动通路22由沿周向间隔开的扩散器导叶23部分地限定且沿周向界定。通路22的相邻通路在通路22的径向内入口区段24处与彼此交叉，径向内入口区段24限定扩散器42的准无导叶(quasi-vaneless)环形入口27。各个通路22还包括喉部区段28，其在内入口区段24下游且与其整体结合。各个通路22还包括紧接喉部区段28下游的扩散区段99。
参看图2和6，用于涡轮冷却空气88的离心压缩机第一冷却空气源92是位于旋转叶轮32的叶轮末梢36与静止扩散器42的环形入口27之间的小预定径向空隙(C)。来自径向空隙(C)的叶轮放气流102收集在径向内歧管104中。预定径向空隙(C)设计成适应叶轮32的热和机械增长，且通向径向内歧管104或与径向内歧管104流体连通。
参看图3-6，我们发现，在离心叶轮(诸如叶轮32)之后或下游的多通路扩散器(诸如扩散器42)中的通路(诸如通路22)的一侧上的扩散器空气流103通常较弱，且可能经历分离。通路中的分离可生成高损失，这降低发动机比燃料消耗(SFC)。还相信的是弱流127的该区域或区贡献了限制压缩机的流动范围的喘振。
用于涡轮冷却空气88的离心压缩机级第二冷却空气源94包括用于从扩散器42的各个扩散器流动通路22中的扩散器边界层113放出扩散器放气流112的扩散器边界层放气口96，这里示为多个边界层放气孔口106。也称为流体放气口的扩散器边界层放气口96有助于减少弱流，且限制或防止不需要的流动分离。扩散器边界层放气口96将扩散器放气流112从扩散器边界层113放出到径向外歧管116中。
径向内歧管104和径向外歧管116流体连通，使得来自径向内歧管104的叶轮放气流102流入径向外歧管116中。叶轮和扩散器放气流102,112在径向外歧管116中混合，以提供涡轮冷却空气88，其然后从径向外歧管116经由多个沿周向分布的歧管端口117引导或以其它方式流至高压涡轮16。涡轮冷却空气88可由外部管路(未示出)从其导送或流动来冷却第一级护罩71和第二级护罩69(图1中所示)。
基本沿轴向延伸的横梁或支柱122分开径向内歧管104和径向外歧管116，且叶轮放气流102在其从径向内歧管104流入径向外歧管116中时在支柱122之间经过。本文中示为扩散器边界层放气口96的流体放气流代表小于发动机核心流的1%的少量流。流体放气口策略性地在弱流的起点附近除去，以改善扩散器的总体性能。
参看图3-5，边界层放气孔口106可为如本文所示的穿过扩散器42的前壁101的孔或槽口130。边界层放气孔口106或槽口130通入径向外歧管116且与径向外歧管116流动连通。槽口130定位在或位于流将开始显示出没有扩散器边界层放气口96的扩散器中的弱点或不稳定性的位置处的扩散器导叶23的压力侧126附近的喉部区段28下游。该位置位于称为流弱点127的区域的位置。槽口宽度W可在诸如最小工具尺寸的制造约束下确定尺寸。槽口长度L可选择成允许使用达到3%的发动机核心流。
槽口130应当理想地成角，使得扩散器放气流112在经过如图5中所示的发动机中心线或轴线25的径向平面132中垂直于扩散器42的前壁101的前表面105流出槽口。然而，由于诸如槽口延伸穿过或很接近扩散器42的前壁101中的弯头134的约束，该角可为不同的。槽口130具有如图6中所示的径向外壁136和径向内壁138，以及分别如图4和5中所示的延伸穿过前壁101的面向上游的壁140和面向下游的壁142。面向下游的壁142设计成仅取得扩散器边界层113中的边界层空气144。因此，面向下游的壁142相对于扩散器空气流103以小于90度的锐角斜面角B成角或倾斜(平行于扩散器42的扩散器流动通路22中的沿下游方向的边界层空气144方向)。显然45度的锐角斜面角B是期望的。然而，锐角斜面角B由扩散器的外侧上的几何形状和制造约束限制，使得例如大约22.5度的锐角斜面角是更实际的。
图7-13中示出的是具有类似于图1-3中所示的离心压缩机的离心压缩机，但具有用于单独集中和流动叶轮末梢放气和扩散器放气流来冷却涡轮构件的备选布置或设计。图9中所示的来自径向空隙(C)的叶轮放气流102流入图7和9中所示的径向内环形歧管154且收集在其中。歧管间孔口160设置在内环形歧管154与图7,9和13中所示的多个径向外环形歧管156之间。歧管间孔口160允许叶轮放气流102从内环形歧管154流入外环形歧管156。来自外环形歧管156的叶轮放气流102然后经由图10中所示的多个沿周向分布的叶轮放气流歧管端口157引导或以其它方式流至高压涡轮16来用于涡轮冷却。
参看图8,10和11-13，扩散器边界层放气口96将扩散器放气流112从扩散器边界层113放出到环形扩散器放气歧管158，从该处，扩散器放气流112然后经由多个沿周向分布的扩散器放气歧管端口159引导或以其它方式流至高压涡轮16来用于涡轮冷却。图10示出了扩散器前壳114上且穿过扩散器前壳114的叶轮放气流歧管端口157和扩散器放气歧管端口159的相对周向和轴向位置。
尽管本文描述了认作是本发明的优选和示例性实施例的内容，但本领域的技术人员将从本文的教导内容清楚本发明的其它改型，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所附权利要求限定和区分的本发明。

Claims (24)

1.一种燃气涡轮发动机离心压缩机扩散器，包括：
环形扩散器壳体，
在所述扩散器壳体的前壁和后壁之间沿轴向延伸的扩散器导叶，
延伸穿过所述壳体且围绕所述壳体的圆周间隔开的多个扩散器流动通路，
所述扩散器流动通路由所述扩散器导叶与所述前壁和后壁界定，以及
用于从各个所述扩散器流动通路中的扩散器边界层放出扩散器放气流的扩散器边界层放气口。
2.根据权利要求1所述的扩散器，其特征在于，还包括构造成用于在位于各个所述扩散器流动通路中的流动弱点区域中的位置处从所述扩散器边界层放出所述扩散器放气流的所述扩散器边界层放气口。
3.根据权利要求1所述的扩散器，其特征在于，还包括所述扩散器边界层放气口，其包括设置成穿过所述前壁的边界层放气孔口。
4.根据权利要求3所述的扩散器，其特征在于，还包括各个所述边界层放气孔口，其为包括分别相对于各个所述扩散器流动通路中的下游扩散器空气流方向以锐角斜面角成角或倾斜的面向下游的壁的槽口。
5.根据权利要求3所述的扩散器，其特征在于，还包括定位在或位于所述扩散器导叶的压力侧附近的所述扩散器流动通路的喉部区段下游的所述边界层放气孔口。
6.根据权利要求5所述的扩散器，其特征在于，还包括各个所述边界层放气孔口，其为包括分别相对于各个所述扩散器流动通路中的下游扩散器空气流方向以锐角斜面角成角或倾斜的面向下游的壁的槽口。
7.一种燃气涡轮发动机离心压缩机，包括：
环形离心压缩机叶轮，
环形地包绕所述叶轮的扩散器，
延伸穿过所述扩散器的壳体且围绕所述壳体的圆周间隔开的多个扩散器流动通路，
各个所述通路均包括喉部区段和所述喉部区段下游的扩散区段，
所述扩散器流动通路由在所述扩散器的前壁与后壁之间沿轴向延伸的扩散器导叶周向地界定，以及
用于从各个所述扩散器流动通路中的扩散器边界层放出扩散器放气流的扩散器边界层放气口。
8.根据权利要求7所述的离心压缩机，其特征在于，还包括构造成用于在位于各个所述扩散器流动通路中的流动弱点区域中的位置处从所述扩散器边界层放出所述扩散器放气流的所述扩散器边界层放气口。
9.根据权利要求7所述的扩散器，其特征在于，还包括所述扩散器边界层放气口，其包括设置成穿过所述前壁的边界层放气孔口。
10.根据权利要求9所述的离心压缩机，其特征在于，还包括各个所述边界层放气孔口，其为包括分别相对于各个所述扩散器流动通路中的下游扩散器空气流方向以锐角斜面角成角或倾斜的面向下游的壁的槽口。
11.根据权利要求10所述的离心压缩机，其特征在于，还包括定位在或位于所述扩散器导叶的压力侧附近的所述扩散器流动通路的喉部区段下游的所述边界层放气孔口。
12.根据权利要求11所述的离心压缩机，其特征在于，还包括各个所述边界层放气孔口，其为包括分别相对于各个所述扩散器流动通路中的下游扩散器空气流方向以锐角斜面角成角或倾斜的面向下游的壁的槽口。
13.根据权利要求9所述的离心压缩机，其特征在于，还包括：
所述叶轮的叶轮末梢与所述扩散器的环形入口之间的径向空隙，
用于使来自所述径向空隙的叶轮放气流与来自所述边界层放气孔口的所述扩散器放气流混合来提供涡轮冷却空气且使所述涡轮冷却空气流至涡轮的器件，或
用于使所述叶轮放气流和所述扩散器放气流单独地流至所述涡轮的器件。
14.根据权利要求13所述的离心压缩机，其特征在于，还包括各个所述边界层放气孔口，其为包括分别相对于各个所述扩散器流动通路中的下游扩散器空气流方向以锐角斜面角成角或倾斜的面向下游的壁的槽口。
15.根据权利要求13所述的离心压缩机，其特征在于，还包括定位在或位于所述扩散器导叶的压力侧附近的所述扩散器流动通路的喉部区段下游的所述边界层放气孔口。
16.根据权利要求15所述的离心压缩机，其特征在于，还包括各个所述边界层放气孔口，其为包括分别相对于各个所述扩散器流动通路中的下游扩散器空气流方向以锐角斜面角成角或倾斜的面向下游的壁的槽口。
17.根据权利要求9所述的离心压缩机，其特征在于，还包括：
所述叶轮的叶轮末梢与所述扩散器的环形入口之间的径向空隙，
所述径向空隙与径向内歧管流体连通，
所述边界层放气孔口与径向外歧管流动连通，
所述径向内歧管与所述径向外歧管流体连通，使得所述叶轮放气流流入所述径向外歧管，且与所述扩散器放气流混合来形成涡轮冷却空气，以及
用于使涡轮冷却空气流出所述径向外歧管的器件。
18.根据权利要求17所述的离心压缩机，其特征在于，还包括各个所述边界层放气孔口，其为包括分别相对于各个所述扩散器流动通路中的下游扩散器空气流方向以锐角斜面角成角或倾斜的面向下游的壁的槽口。
19.根据权利要求18所述的离心压缩机，其特征在于，还包括定位在或位于所述扩散器导叶的压力侧附近的所述扩散器流动通路的喉部区段下游的所述边界层放气孔口。
20.根据权利要求19所述的离心压缩机，其特征在于，还包括各个所述边界层放气孔口，其为包括分别相对于各个所述扩散器流动通路中的下游扩散器空气流方向以锐角斜面角成角或倾斜的面向下游的壁的槽口。
21.根据权利要求9所述的离心压缩机，其特征在于，还包括：
所述叶轮的叶轮末梢与所述扩散器的环形入口之间的径向空隙，
所述径向空隙与径向内环形歧管流体连通，
设置在所述内环形歧管与多个径向外环形歧管之间的歧管间孔口，
用于使叶轮放气流从所述径向空隙经由多个沿周向分布的叶轮放气流歧管端口引导且流动到包绕所述离心压缩机的扩散器前壳并经由该扩散器前壳至所述高压涡轮来用于涡轮冷却的器件，
所述扩散器边界层放气口与环形扩散器放气歧管流体流动连通，且可操作成将所述扩散器放气流放出到环形扩散器放气歧管，以及
用于使所述扩散器放气流经由多个沿周向分布的扩散器放气歧管端口引导且流动到扩散器前壳并经由该扩散器前壳至所述高压涡轮来用于涡轮冷却的器件。
22.根据权利要求21所述的离心压缩机，其特征在于，还包括各个所述边界层放气孔口，其为包括分别相对于各个所述扩散器流动通路中的下游扩散器空气流方向以锐角斜面角成角或倾斜的面向下游的壁的槽口。
23.根据权利要求22所述的离心压缩机，其特征在于，还包括定位在或位于所述扩散器导叶的压力侧附近的所述扩散器流动通路的喉部区段下游的所述边界层放气孔口。
24.根据权利要求23所述的离心压缩机，其特征在于，还包括各个所述边界层放气孔口，其为包括分别相对于各个所述扩散器流动通路中的下游扩散器空气流方向以锐角斜面角成角或倾斜的面向下游的壁的槽口。
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