CN107532515A - 压缩机级 - Google Patents

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托马斯·诺尔文·艾曼纽·德拉海
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明涉及压缩机领域，特别涉及一种压缩机级(100)，至少包括限定空气通道(2)的壳体(101)，定子(102)和转子(104)，所述定子(102)包括围绕所述空气通道(2)中的中心轴线(X)径向布置的多个导向叶片(103)，所述转子(104)适于围绕所述中心轴线(X)相对于所述定子(102)旋转，并包括在所述导向叶片(103)的下游围绕所述空气通道(2)中的中心轴线(X)径向布置的多个叶片(105)。所述转子(104)的每个叶片(105)从叶片根部(105a)延伸至比所述叶片根部(105a)更远离所述中心轴线(X)的叶片尖端(105b)，并且在所述叶片尖端(105b)和所述壳体(101)之间呈现径向间隙(j)。为了避免在导向叶片上形成冰，并且还为了避免叶片尖端间隙涡流，所述导向叶片(103)中的至少一个包括具有用于对所述导向叶片(103)除冰的热空气入口(107)的内部空腔(106)，并且所述内部空腔(106)具有第一出口通道(108)，所述第一出口通道(108)朝向所述导向叶片(103)的后缘(112)，用于将空气射流(114)注入与所述转子(104)的叶片(105)上游的壳体(101)相邻的边界层(115)中。

Description

压缩机级
背景技术
本发明涉及涡轮机领域，更具体地涉及压缩机领域。
术语“涡轮机”在本文中用于表示能量能够在流体流和至少一组叶片之间转移的任何机器，例如压缩机，泵，涡轮，或它们中的至少两个的组合。术语“上游”和“下游”是相对于通过涡轮机的流体的正常流动方向来定义的。
涡轮机特别包括涡轮热力发动机，用于通过燃烧燃料将燃料的化学能转化为热能，然后通过膨胀通过燃烧燃料而加热的工作流体将该热能转化为机械能。
在诸如燃气轮机，涡轮轴发动机，涡轮喷气发动机，涡轮风扇或涡轮螺旋桨发动机之类的内燃涡轮热力发动机中，燃烧直接发生在通常是空气的工作流体中。通常，这种内燃涡轮发动机具有位于燃烧室上游的至少一个压缩机和位于燃烧室下游的至少一个涡轮机，该涡轮机联接到压缩机，以通过由燃料燃烧加热的工作流体的部分膨胀来驱动它。通常，工作流体的热能的剩余部分然后通过反应喷嘴和/或通过联接到驱动轴的至少一个额外的涡轮作为机械能被回收。
在压缩机中，包括特定的轴向压缩机，其中工作流体的流动方向基本上平行于用于将能量转移到工作流体的至少一个旋转叶片组(或转子)的中心旋转轴线，以便压缩它。在轴向压缩机级中，转子通常具有径向布置的多个叶片，转子的每个叶片从叶片根部延伸至比叶片根部更远离中心轴线的叶片尖端，并且在叶片尖端和外壳之间呈现径向间隙，所述壳体限定用于使工作流体流通过的通道。通常，为了防止叶片尖端和壳体之间的接触，径向间隙是必需的，其中这种接触不仅会由于摩擦而引起损失，而且还会有损坏壳体和/或转子的风险。然而，这种间隙允许在叶片尖端处产生涡流，该涡流不仅显著地降低了压缩机级的效率，而且对于转子的稳定性裕度也是有害的，特别是在第一压缩机级中。
为了吹除这些顶端间隙涡流，在现有技术中，例如专利US8182209和US8882443以及国际专利申请WO2011/023891，已经提出了将空气射流注入到与壳体相邻并且和位于转子叶片上游的边界层中，以激励该边界层并增加转子叶片尖端处的流动稳定性。因此，间隙涡流的幅度和持续性可以在局部极大地减小，并且可以显着提高压缩机级的稳定性裕度和效率。然而，以这种方式注入边界层的空气通常是从压缩机级的下游取得的，从而涉及性能代偿以及附加的机械复杂性。此外，空气因此比它所注入的边界层更热，这限制了其激励边界层的效果。
同时，这种压缩机级通常还包括定子，该定子包括围绕转子上游的空气通道中的中心轴线径向设置的多个导向叶片。这些导向叶片，特别是在涡轮螺旋桨发动机，涡轮轴发动机或单流涡轮喷气发动机的第一压缩机级中的导向叶片可能有结冰的风险。为了限制结冰的风险，已经提出了电气装置以及导向叶片的迎角的变化。然而，所述装置也增加了压缩机级的复杂性和重量，或者它们对其性能有负面影响。
发明内容
本公开旨在通过提出具有导向叶片除冰并且具有更大稳定性裕度但复杂性有限的压缩机级来补救这些缺点。该压缩机级可以至少包括限定空气通道的壳体，定子，以及转子，所述定子包括围绕所述空气通道中的中心轴线径向布置的多个导向叶片，所述转子适于围绕所述中心轴线相对于所述定子旋转并包括在所述导向叶片的下游围绕所述空气通道中的中心轴线径向布置的多个叶片，所述转子的每个叶片从叶片根部延伸至比所述叶片根部更远离所述中心轴线的叶片尖端，并且在所述叶片尖端和所述壳体之间呈现径向间隙。尽管本发明可以任选地应用于已知为径向或离心式的级，但是压缩机级可以特别地是轴向级。
在至少一个实施方式中，通过以下事实来实现所寻找的目的：所述导向叶片中的至少一个包括具有用于对导向叶片除冰的热空气入口的内部空腔，并且所述内部空腔具有第一出口通道，所述第一出口通道朝向导向叶片的后缘，用于将空气射流注入与转子的叶片上游的壳体相邻的边界层中。
通过这些规定，可以首先确保导向叶片被除冰，其次可以将空气射流(该空气射流已经在导页的内部空腔内冷却，因此比在没有除冰电路的情况下重新注入密度更大)注入到边界层中，以便在下游吹走尖端间隙涡流，从而增加压缩机的稳定性裕度和效率。
为了将空气射流引导到边界层，所述第一出口通道可以朝着中心轴线，并且在轴向和径向平面中由在下游朝着壳体会聚的表面限定。特别地，该表面可以在轴向和径向平面中弯曲和凸形，以便提供更大的空气动力学效率，但是也可以是直的。
此外，为了遵循壳体的轮廓，所述第一出口通道可以远离中心轴线，并且在轴向和径向平面中由相对于轴向方向，朝向下游的中心轴线呈现范围为0°至30°的倾斜角的表面限定。
特别地，所述第一出口通道可以在下游会聚，从而形成用于加速空气射流的会聚喷嘴。在轴向和径向平面中，所述第一出口通道可以特别呈现10°至60°范围内的会聚角。
为了更高的效率，所述第一出口通道可以在导向叶片的外表面中的槽中展开。该槽可以具有位于通道高度的80％至95％范围内的底部边缘和/或位于通道高度的90％至100％范围内的顶部边缘。在这种情况下，术语“通道高度”是指在槽的水平上，在径向方向上从中心轴线旁边的空气通道的内边缘到壳体旁边的空气通道的外边缘之间的距离，槽的底部边缘和顶部边缘的位置是沿着向外的径向方向从空气通道的底部边缘测量的。
为了便于提供热空气，热空气入口可以特别地相对于内部空腔径向朝向外部定位。在这种情况下，为了提供更好的热交换，内部空腔可以具有位于入口和第一出口通道之间，并且在远离空气入口的一端开口的径向隔离物。因此，热空气遵循蛇形路径，从而在导向叶片中释放更多的热量，以便提供更好的除冰，并且以较低的温度被注入到边界层中。
为了使更大的空气流量用于除冰，内部空腔可以具有至少一个另外的出口通道，所述另外的出口通道在比所述第一出口通道更靠近所述中心轴线的位置处与所述导向叶片的后缘中的所述第一出口通道分离开。然而，第一出口通道的横截面可以大于另外的出口通道。
为了以多个速度提高轴向压缩机级的效率，导向叶片可以具有可变的入射角。
本公开还涉及具有这种轴向压缩机级，特别是作为其第一级的压缩机，并且还涉及涡轮机，特别是内燃涡轮发动机，更特别是涡轮螺旋桨发动机，但是除此之外，也可以设想包括所述压缩机级的涡轮轴发动机，涡轮喷气发动机或燃气涡轮机。
本公开还涉及从这种压缩机级消除叶片尖端间隙涡流的方法，其中已经流过导向叶片的内腔以对其除冰的空气射流从转子叶片的上游注入并且通过第一出口通道进入边界层，所述边界层与转子叶片上游的壳体相邻，并且叶片尖端通过所述边界层，以实现激励所述边界层的目的。
附图说明
通过阅读下面对以非限制性示例给出的实施方式的详细描述，可以很好地理解本发明，并且本发明的优点也将更加清晰。描述参考了以下附图，其中：
图1是具有多级压缩机的涡轮螺旋桨发动机的示意性纵向剖视图；
图2是本发明的第一实施方式中的图1所示涡桨螺旋桨发动机压缩机的第一级的示意图；
图3是注入到与转子上游的壳体相邻的边界层中的空气射流如何影响转子叶片尖端上的有效入射角的示意图；以及
图4是本发明的第二实施方式中的压缩机第一级的示意图。
具体实施方式
图1示出涡旋螺旋桨发动机1，沿着空气通道2中空气的流动方向，其包括：多级压缩机4；燃烧室5；通过第一旋转轴7与多级压缩机4连接的第一涡轮6；以及联接到第二旋转轴9或出口旋转轴的第二涡轮8或自由涡轮机，其可以特别地用于驱动螺旋桨10以推进载具，例如飞行器。压缩机4，燃烧室5和涡轮6形成通常被称为“气体发生器”并且在大多数内燃机中可以找到的组件，包括涡轮轴发动机，涡轮喷气发动机，涡轮风扇和燃气涡轮。
图2示出了压缩机4的轴向第一级100。该轴向压缩机级100具有限定空气通道2的壳体101，定子102和转子104；所述定子102包括围绕空气通道2中的中心轴线x径向布置的多个导向叶片103；所述转子104适于围绕中心轴线x与旋转轴7一起旋转，并包括在空气通道2中的导向叶片103的下游围绕中心轴线x径向布置的多个叶片105。
转子104的每个叶片105从叶片根部105a径向延伸至壳体101附近的叶片尖端105b。间隙j位于叶片尖端105b和壳体101之间，以防止它们接触。然而，通过间隙j从围绕每个叶片105的压力侧到吸入侧的泄漏降低了压缩机4的第一级100的稳定性裕度和效率。此外，这些泄漏产生可以从第一压缩机4的下游传播的涡流，在其他级中导致效率损失和附加振动。
定子102的每个叶片103通过枢轴120连接到壳体101，枢轴120使其能绕径向轴线Y枢转，从而改变叶片103相对于空气通道中的气流的入射角。此外，在所示的实施方式中，每个叶片103都是中空的，具有通过枢轴120中的入口107与热空气源连接的内部空腔106。内部空腔106还具有多个出口通道108，109，所述出口通道108，109通向叶片103的后缘112中的槽110，111，以便使热空气能够通过内腔106从入口107朝向出口槽110，111流动。此外，内腔106还具有肋113，肋113形成在入口107和出口通道108，109之间占据空腔106的一部分的径向分隔件，所述出口通道108，109在沿着径向方向远离入口107的端部开口。因此，通过内部空腔106的热空气的流动遵循蛇形路径，其中第一段为空气基本上径向地从外部朝向内部流动，第二段为空气沿基本上径向的方向从内侧朝向外侧流动，通过肋113中的开口在两段之间有弯曲。因此，肋113延长热空气通过空腔106的路径，从而使热空气与叶片103之间的热交换最大化。
此外，在出口通道108，109中，最靠近壳体101的通道108具有比其它通道更大的流动截面积，并且呈现特殊的形状。更具体地，该通道108向下游会聚，从而形成加速空气出口流的会聚喷嘴，以形成空气射流114。在其径向内侧，即朝向中心轴线X，通道108由壁108a限定，如图所示，壁108a在径向和轴向平面中在下游朝着壳体101会聚。在其径向外侧，即其远离中心轴线X的一侧，通道108由壁108b限定，壁108b可以在相同的径向和轴向平面中大致平行于壳体101。因此，由于壳体101可以稍微向下游会聚，所以壁108b可以在该径向和轴向平面中呈现角度α(阿尔法)，例如，该角度α相对于中心轴线X在0°至30°的范围内，从而在下游朝向中心轴线X会聚。壁108a和108b之间的下游会聚角β(贝塔)可以例如在10°至60°的范围内。通道108打开到导叶103的外表面中的槽108c中。该槽108c可以直接位于导叶103的后缘112中，但是也可以设想在后缘112附近的其它位置，例如在导片103的吸入侧或压力侧中，在其最大部分和后缘112之间。在所示的实施方式中，在槽108c的轴向位置处，具有从空气通道2的内边缘2i到外边缘2e的通道高度h，槽108c的底部边缘108i位于距空气通道2的内边缘2i的径向距离di处，例如，该径向距离di为通道高度h的80％至95％，并且槽108c的顶部边缘108s位于距空气通道2的内侧边缘2i的径向距离ds处，例如，该径向距离ds的范围为通道高度h的90％至100％。
在运行时，通过入口107插入到空腔106中的热空气穿过空腔106到达出口通道108，109。通过这样做，来自至少位于该压缩机级100下游的引出点的热空气加热导叶103，从而确保其除冰，同时也冷却自身。因此，出口通道108将相对冷却并因此密集的空气射流114喷射到与壳体101相邻的边界层115中，叶片104的尖端104b在旋转时通过该边界层，从而激励叶片上游的该边界层115。图3示出了边界层在叶片104的尖端处的这种加速度的影响。在该图中，对于给定的旋转速度vr，箭头va1，va2和va3对应于叶片尖端处的三个表观速度矢量，但是为了增加边界层115中的流速ve1，ve2和ve3。因此可以看出，作为喷射空气射流114的结果，边界层115的流速的增加是如何减小叶片尖端处的入射角，从而避免局部流动分离和产生尖端间隙涡流的。
尽管在图2所示的实施方式中，壁108a是直的，但是也可以设想为如图4所示的实施方式那样的弯曲和凸形，以便优化通道108的空气动力学，从而减少通道中的压头损失。该图中的其他元件等同于第一实施方式的元件，因此给出相同的附图标记。还可以设想使这样的内部空腔和/或出口通道适于仅在定子的导叶的子集中将空气射流注入到边界层中。
尽管参考具体实施方式描述了本发明，但是显然可以对这些实施方式进行各种修改和改变，而不超出权利要求限定的本发明的一般范围。此外，所提到的不同实施方式的各个特征可以在附加实施方式中结合。因此，说明书和附图应该理解为说明性的，而不是限制性的。

Claims (14)

1.一种压缩机级(100)，该压缩机级至少包括：
限定空气通道(2)的壳体(101)；
定子(102)，所述定子包括围绕所述空气通道(2)中的中心轴线(X)径向布置的多个导向叶片(103)；以及
转子(104)，所述转子适于围绕所述中心轴线(X)相对于所述定子(102)旋转，并包括在所述导向叶片(103)的下游围绕所述空气通道(2)中的中心轴线(X)径向布置的多个叶片(105)，所述转子(104)的每个叶片(105)从叶片根部(105a)延伸至比所述叶片根部(105a)更远离所述中心轴线(X)的叶片尖端(105b)，并且在所述叶片尖端(105a)和所述壳体(101)之间呈现径向间隙(j)；
所述压缩机级(100)的特征在于，所述导向叶片(103)中的至少一个包括具有用于对所述导向叶片(103)除冰的热空气入口(107)的内部空腔(106)，并且在于，所述内部空腔(106)具有第一出口通道(108)，所述第一出口通道(108)朝向所述导向叶片(103)的后缘(112)，以用于将空气射流(114)注入与所述转子(104)的叶片(105)上游的壳体(101)相邻的边界层(115)中。
2.根据权利要求1所述的压缩机级(100)，其中，在轴向和径向平面中，所述第一出口通道(108)由在下游朝向所述壳体(101)会聚的表面(108a)朝向所述中心轴线限定。
3.根据权利要求2所述的压缩机级(100)，其中，在所述中心轴线(X)旁边限定所述第一出口通道(108)的所述表面(108a)在所述轴向和径向平面中是弯曲和凸形的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机级(100)，其中，在所述轴向和径向平面中，所述第一出口通道(108)由表面(108b)限定为远离所述中心轴线(X)，所述表面(108b)相对于轴向方向朝向下游的所述中心轴线呈现0°至30°范围内的倾斜角(α)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机级(100)，其中，所述第一出口通道(108)在下游会聚。
6.根据权利要求5所述的压缩机级(100)，其中，在所述轴向和径向平面中，所述第一出口通道(108)呈现在10°至60°范围内的会聚角(β)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机级(100)，其中，所述第一出口通道(108)在所述导向叶片(103)的外表面中的槽(108c)中打开。
8.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机级(100)，其中，所述热空气入口(107)相对于所述内部空腔(106)径向位于外部，并且所述内部空腔(106)具有径向隔板(113)，所述径向隔板(113)位于入口(107)和第一出口通道(108)之间，并且在远离所述空气入口(107)的端部打开。
9.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机级(100)，其中，所述内部空腔具有至少一个另外的出口通道(109)，所述另外的出口通道(109)在比所述第一出口通道(108)更靠近所述中心轴线(X)的位置处与所述导向叶片(103)的后缘(112)中的所述第一出口通道(108)分离开。
10.根据权利要求9所述的压缩机级(100)，其中，所述第一出口通道(108)具有大于所述另外的出口通道(109)的横截面。
11.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机级(100)，其中，所述导向叶片(103)具有可变的入射角。
12.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的第一级(100)的压缩机(4)。
13.一种包括如权利要求12所述压缩机(4)的涡轮螺旋桨发动机。
14.一种用于在根据权利要求1至11中任一项所述的压缩机级中消除叶片尖端间隙涡流的方法，其中，已经流过所述导向叶片(103)的内腔(106)以对其除冰的空气射流(114)从所述转子(104)的所述叶片(105)的上游注入并且通过所述第一出口通道(108)进入边界层(115)，所述边界层(115)与所述转子(104)的所述叶片(105)上游的所述壳体(101)相邻，并且所述叶片尖端(105b)通过所述边界层，以实现激励所述边界层(115)的目的。
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