CN1078663C - 燃气涡轮发动机装置释压门的气流调节装置 - Google Patents

Abstract

一种涡轮发动机的改进释压系统，包括一个前缘连接在发动机罩上的释压门。释压门后缘在出现放气管故障时可自由向外转动。释压门安装在发动机罩的一个开口内。开口前缘宽度大于后缘宽度。处于释压门每一侧边的对置壁板从释压门前缘至少部分地向后缘延伸。该壁板基本沿释压门表面法向向内延伸。该壁板防止高温燃气从开口侧边流出。阻止高温燃气从开口侧边流出有助于改变释压门绕流的流型从而使低温外函道流与高温燃气更充分混合。

Description

燃气涡轮发动机装置释压门的气流调节装置

本发明涉及燃气涡轮发动机装置上的释压门，特别涉及一种释压系统，它能促进气流环绕及通过释压门以防止释压门后的结构元件过热。

燃气涡轮发动机在全世界广泛用于商用飞机。这类发动机的前部为可旋转地安装在涡轮发动机前部并由发动机高速驱动的风扇叶片前级。涡轮发动机通常被一具有气动外形的发动机罩环绕，它能为发动机提供保护罩并能提高气动效率。为进一步增大损伤容限和气动效率，一个函道状发动机短舱将风扇叶片、发动机和发动机罩包围住。发动机短舱的内径尺寸要保证可以包围并能环绕风扇叶片和发动机罩形成一个函道。发动机短舱使风扇叶片产生的高速气流在短舱内表面和发动机罩外表面之间流过。风扇叶片产生的气流一般称为风扇或外函道气流，它构成发动机的部分推力。

涡轮发动机的压气机级和涡轮级也会产生高速气流，该高速气流对发动机总推力作出一部分贡献。涡轮发动机产生的高速气流从发动机后端短舱的外端喷出。然而，与外函道气流不同，涡轮发动机产生的气体是空气与极高温度的燃油燃烧副产物的混合气体。

当出现发动机故障，诸如放气管失效、爆裂或过量增压故障，都有可能使涡轮发动机内的高温气体气流进入发动机和发动机罩之间的空间或者该装置中的其它隔舱中。在出现排气管失效及其它失效时，大量高温气体流入发动机与发动机罩或其它装置之间的空隙中。这种气流会使发动机和发动机罩的空间增压增温。如果任其发展，由于放气管道或其它失效引起高温高压气体可导致发动机罩或其它装置的结构故障。

美国联邦航空条例FAR 25.1103规定，发动机装置应能安全地承受发动机放气管失效的影响。为了遵守FAR 25.1103并防止在排气管或其它失效时发动机结构出现故障，通常是在发动机短舱后的发动机罩外围、发动机短舱进气道以及发动机吊架上安排一系列释压门。释压门或称“放气门”为矩形，以与矩形的内容物相配合。释压门机械安装在发动机罩或其它结构上，当隔舱内过度增压时它们能自动开启。当出现放气管或其它故障时，释压门开启，使高温气体流出发动机罩，这样就避免了过度增压及随之而来的结构故障。

虽然释压门避免了由于过度增压引起的结构故障，但当高温气体溢出释压门时，位于释压门下游的结构件仍要承受与高温气体的接触。当高温发动机气体穿过释压门之后，它们沿结构外表面向后流动。这些高温气体可能会相当长一段时间保持与结构外表面的接触，从而会导致周围结构的升温。在某些情况下，周围结构的温度有可能升高到足以导致过热结构故障的温度。

为防止这类结构故障，释压门后的结构由常规的隔热层保护。或者，这些结构由能耐发动机排气高温的材料制造，例如钛。不论是用隔热层还是耐高温材料都存在一系列不足之处。用隔热层令发动机装置的制造和维护复杂化，并增加总成本和重量。用钛或其它耐高温材料也会增加额外结构的重量并同样会增大制造复杂性、难度和成本。而且，钛或金属结构与周围铝或复合材料结构在膨胀系数上的差异更会增加整个装置的复杂性。

从以上讨论可知，飞机工业需要一种释压系统，既能减少前述先有技术工艺办法的不利之处，又能安全地处理发动机放气装置或其它故障引起的问题。本发明的目标正是这样一种系统。

本发明是一种用于函道风扇型或其它类型燃气涡轮发动机的改进的释压系统，包括：一个位于发动机罩上的开口，在发生放气管故障时，发动机的燃气可以通过该开口溢出，该开口的前缘比该开口的后缘宽；以及前缘可转动地连接在发动机罩上的一个释压门，该释压门可以在开启和关闭位置之间运动，开启时燃气可通过开口流出，关闭时该门阻止燃气流出开口。

该释压系统包括一个在发动机结构上的开口，通过它，当发生放气管或其它故障时，发动机排出的燃气可以从发动机罩中排出。在本发明的一个具体实施例中，开口的前缘比其后缘宽，优选构成一个梯形。该释压系统还包括一个有对置的侧边和前后边缘的释压门。释压门的前缘优选可转动地连接在沿函道气流运动方向上游的发动机罩上。

在本发明的另一实施例中，释压门的侧面上有对置壁板。壁板大致垂直于排气门表面向内延伸进入开口中。壁板至少部分地从释压门前缘延伸至释压门后缘。

依照本发明的其它特征，释压门的前缘宽度大于其后缘宽度。如开口一样，释压门为矩形。

本发明使用发动机罩上的梯形开口和/或释压门侧壁板，改变了发动机工作过程中围绕释压门的较低温度的外函道气流。与同样尺寸的矩形开口和释压门相比，梯形的开口和释压门壁板能使低温外函道流或自由气流更容易与高温发动机燃气混合。依照本发明的结果是，从释压门中排出的发动机燃气在发动机罩上接触停留的时间不会象用先有技术的释压门时那么长。所以，与过去的释压门相比，按本发明构成的释压门降低了释压门之后发动机罩结构的表面温度。

本发明能够降低释压门后发动机结构温度的性能具有一系列优越性。温度降低使结构可用诸如铝等成本较低的材料制造。而且，由本发明获得的较低温度可减少和/或消除对隔热层的需求。本发明在具有上述优点的同时又能满足FAR 25.1103的要求。

通过参照后面结合附图的详细说明，本发明的上述各方面及随之而来的优点能够更容易地得到了解，其中

图1是包括安装吊架或支杆的一函道式风扇涡轮发动机装置的侧视图。

图2是为强调发动机释压门，将图1所示的发动机短舱及机罩的后部放大得出的视图。

图3是在发动机罩上一个打开的现有的释压门周围部分气流的示意图。

图4A和B分别是根据本发明的一种释压门的透视图和横截面视图。

图5A和B分别是根据本发明的另一实施例释压门的透视图和横截面视图。

图6A和B分别是根据本发明的又一实施例释压门的透视图和横截面视图。

图7A和B分别是根据本发明的再一实施例释压门的透视图和横截面视图。

图8A和B分别是根据本发明的再又一实施例释压门的透视图和横截面视图。

图9是在发动机罩上图5A和B所示的释压门周围部分气流的示意图。

图10是各种释压门和开口构形时释压门之后发动机罩表面上的气流撞击无量纲温度图。

图1图示说明了一个包括根据本发明的释压门12在内的函道式风扇涡轮发动机装置10。通过本领域公知工艺方式利用发动机吊挂14将发动机装置10安装在飞机的下翼面上(未示出)。发动机装置10包括一个包在发动机罩16内的涡轮发动机。发动机装置10还包括一个风扇叶片级(未示出)，它可旋转地装配在涡轮发动机前端并以本领域公知的方式由发动机驱动。风扇级和发动机及发动机罩的前段被函道式发动机短舱18包围。

为了形成一个围绕风扇叶片的函道，发动机短舱18的尺寸设定为其内径足以包围风扇叶片级。风扇叶片的发动机短舱使函道提高发动机装置10的效率，并通过保护风扇叶片和发动机使之不会与外界物体接触而受到损伤，从而提高了其损伤容限。空气通过发动机短舱18的前向开口进气道20进入发动机和风扇叶片级。在工作过程中，进入进气道20的空气因高速旋转的风扇叶片的强制驱动而高速向后流动。

风扇叶片级产生的高速气流的一部分进入涡轮发动机的压气机级，另一部分流过发动机短舱18的内表面与发动机罩16外表面之间的空间。流过发动机短舱18的内表面与发动机罩16外表面之间的空间的一部分高速气流通常称为外函道流22，因为其从涡轮发动机外部流过。如图2所示，外函道流22通过由发动机短舱18和发动机罩16构成的函道向外流出发动机罩的后部。由于外函道流不进入涡轮发动机，与涡轮发动机中喷出的高温废气流24相比，其保持在一个较低的温度。

风扇叶片级产生的进入发动机的那一部分高速气流经过压缩、与燃油混合并在发动机内被点燃生成废气。得出的高温气体混合物通过排气口26从发动机尾部排出。

正如在背景介绍中讲到的，当出现放气管或其它故障时，发动机压气机级产生的高温高压气流可能进入发动机罩16和发动机之间的隔舱。按联邦航空条例FAR25.1103的规定，为使发动机装置10安全承受发动机放气管故障，如图1、图2所示，沿发动机罩16的后段周围安排了多个释压门12。最好释压门12位于短舱18后缘之后，这样可保证当高温燃气喷出释压门时不会损伤发动机短舱。

每个释压门12的前缘30(如图3所示)在发动机罩的开口26的前缘附近或在前缘上与发动机罩16绞接。每个释压门12的后缘用一个开锁机构(未示出)可脱开地连接在发动机罩16上。当出现放气管或其它失效之后，发动机罩16内的压力达到一个预定值，开锁机构可脱开。当过量增压时，开锁脱开，释压门12的后缘32转动张开，如图3所示。当释压门12开启时，高压高温发动机燃气36从释压门的侧面38和后缘32以及开口26中流出。当高温燃气从释压门12和开口26中流出时，它们与风扇叶片级产生的低温外函道气流22合并混合。

在先有技术的释压门12和开口26的结构中，大量的高温发动机燃气36从释压门侧边38的下方流出，而且大量的高温发动机燃气也从释压门后缘32下方流出。如图3示意图所示，高温发动机燃气36扩散并保持与发动机罩16的外表面接触，形成一个发动机燃气的高温气穴。图3箭头40所指的发动机燃气高温气穴阻碍了低温外函道流22与高温废气36的快速混合。结果是该发动机燃气高温气穴使位于外函道释压门12及开口26的侧部和后部的发动机罩升温。

为了评估高温发动机燃气36对发动机罩16结构的影响，在一个函道式风扇喷气发动机比例模型上进行实验获得了释压门12之后的气流撞击温度分布。结果数据如图10所示。图10是各种释压门12和开口26构型时，释压门之后发动机罩表面上的气流撞击无量纲温度图。释压门12下游的距离英寸值沿X轴标注，无量纲化的温度T沿Y轴标注。图10中的数据线39图示说明了矩形开口26和矩形释压门12时下游发动机罩的温度，矩形开口和释压门广泛用于函道风扇涡轮发动机中。从图10中可见，释压门紧后方发动机罩的温度是溢出的高温发动机燃气36温度的85％。

当放气管失效时，排出的发动机燃气温度可达1,000-1,500°F。所以就很容易理解，先有技术包括有铝材结构的发动机罩因只能承受500°F以下的温度而必须加隔热层。如数据图线39所示，位于释压门之后的发动机罩表面的温度迅速降低。但是，直到距释压门后缘约38英寸时，该温度才降至排放燃气温度值的50％。

按联邦条例FAR 25.1103的规定，结构16必须安全承受放气管或其它发动机故障的影响。放气管失效时高温燃气36引起的结构升温对铝结构的影响是难以接受的。本发明通过调节从开口26流出的高温发动机燃气36的气流，从而降低释压门12和开口26之后的发动机罩16上的温度。这种降温机制免除了对隔热层或用耐高温材料(如钛)构成发动机罩的要求。图4-8图示说明了五种根据本发明制成的释压门12和开口26的具体实施例。

图4-8的每一个具体实施例中，释压门12和开口26的附图标记均相同。在每个实施例中，释压门12沿其前缘30与发动机罩16可转动连接。每个释压门12通过现有技术公知的一种锁装置(未示出)沿其后缘与发动机罩16可脱离式连接。开锁装置设计为在一个预定压力下可脱开以使释压门后缘转动开启，从而使发动机燃气36流出开口26，并穿过释压门12。下面介绍每个实施例的具体区别及其对释压门之后结构温度的不同影响。

在如图4A和4B所示的第一实施例中，释压门12和开口26均为矩形，并且释压门的尺寸设计为当其关闭时配合在相同形状的开口内。如图4A和B所示，改变从释压门12和开口26中流出的高温燃气38气流的一种方法是，在释压门相对的侧边38上装一个壁板或导流栅42。每一块导流栅42基本与释压门垂直而向开口26内延展。导流栅42构型的作用是防止高温发动机燃气36从开口26及释压门12的侧面38流出。在该第一实施例中，每个导流栅的后缘是圆弧形的以使导流栅与内部发动机部件(无图示)间保持间隙。

导流栅42使高温发动机燃气36向后流动，从而使大量发动机燃气从开口26的后缘48流出，而不是从释压门12的侧边38下方流出。

图4A和B图示说明的第一实施例中的导流栅42从缘30的上游向下游延伸，大约延伸至开口26长度50的一半。

在一个试验模型上试验了第一实施例的释压门12和开口26，试验方法与试验矩形门和开口以得出数据图线39(图10)的方法相似。图10中的数据图线50说明了用第一实施例的释压门12和开口26产生的温度数据。正如数据图线50所示，释压门后发动机罩表面上的气流撞击温度显著低于图线39所示的温度，得出图线39的释压门12和开口26与实施例1的门12和开口26尺寸相似但无导流栅42。

虽然如图4A和B所示的第一实施例所采用导流栅42的长度约为开口26长度的一半，也可以采用其它长度的导流栅。还发现，导流栅42至少延伸到开口26的一半长度时能获得最满意的结果。

图5A和B图示说明了本发明的第二个实施例。第二实施例中未使用导流栅42。而是释压门12和开口26呈梯形，门和开口的前缘30宽于后缘32和48。第二实施例所采用的优选构型中，后缘32和48的宽度大约是前缘30宽度的80％。本发明其它实施例中的释压门12和开口26还可以采用其它的尺寸比例。在第二实施例中，开口26的后缘48比其前缘窄十分重要。本发明其它实施例中释压门12和开口26的侧边可以是非线性的，如凸形或凹形。从后面的讨论中将会了解，释压门后缘32比前缘窄并不重要。

以与用于测试矩形释压门和开口的实施例1中相同的方式在一个试验模型上试验了第二实施例的释压门12和开口26。图10的数据线52显示了结果温度数据。数据线52表明，与相似尺寸的矩形释压门和开口得出的数据线39相比，本实施例中释压门12和开口26之后的气体撞击温度显著降低。

如图9示意所示，与图3所示的矩形门相比，使用梯形释压门12和梯形开口26使低温外函道气流22能更近地流过释压门的侧边38。经梯形构型改变的气流能使低温外函道流22与开口26中流出高温发动机燃气36更有效地混合。结果是，与无导流栅的相似尺寸的矩形门和开口相比，高温发动机燃气36附着在发动机罩16上的时间变短。发动机罩16与发动机高温燃气接触减少的结果是降低了释压门12之后发动机罩表面的温度。

图6A和B显示了根据本发明的释压门12和开口26的第三个实施例。第三实施例与图5A和B显示的第二实施例相似，但有一对侧面导流栅42。以与图4A和B所示第一实施例类似的方式，侧边导流栅42基本与释压门12表面垂直向开口26内延伸。导流栅42同样是从前缘30向后延伸到约为开口26长度50一半的长度。在其它实施例中，导流栅42的长度可更长或更短。但是，当导流栅长度至少为长度50的一半时能获得最优结果。

图6A和B所示的第三实施例包括一个梯形开口和半长度导流栅42，该实施例也在试验模型上进行了试验。图10的数据线54显示了其结果温度。从数据线54可知，将梯形开口26和释压门12与半长导流栅42相结合，得出了已试验过的实施例的最优结果。如数据线54所示，梯形开口26及释压门12与半长导流栅42的结合得出了释压门之后气体撞击温度的最低值。

图7显示了根据本发明的释压门12和开口26的第四个实施例。在第四实施例中，释压门12的上游部分60是矩形而下游部分62是梯形。导流栅42位于释压门矩形部分60的对置侧边38上。同样，开口的上游区50是矩形而下游区52是梯形以使释压门12关闭时能配合在开口内。导流栅42基本与释压门12表面呈法向向下延伸进入开口26。导流栅42在第四实施例中所起的作用与图4A、B和图6A、B分别显示的本发明第一和第三实施例中所描述的基本相同。开口26和释压门12的梯形区52和62所起的作用也与图5A、B所示的本发明第二实施例中的梯形门和开口的作用相似。

图8所示的是根据本发明的释压门12和开口26的第五个实施例。在第五实施例中，开口26为梯形，而释压门12为矩形。释压门12和开口26的两前缘30的宽度基本相同。但开口后缘48比门后缘32窄。如图8中的部分剖示图所示，当关闭时，释压门12后缘32就会重叠在开口26的后缘。第五实施例中的梯形开口26的工作方式与图5A和B所示第二实施例中的梯形开口的方式相同。尽管释压门12为矩形。笫五实施例中的梯形开口26仍有助于产生低温外函道流22与开口26中排出的高温废燃气36的混合。

虽然以上图示了本发明优选实施例的发动机罩上的释压门12和开口26，但基于本发明的释压门和开口还可用于发动机装置10的其它部位。例如，基于本发明的释压门和开口可以用作发动机吊架释压门50(图1)，发动机短舱释压门52和54，或者辅助动力装置上的释压门。

除了上述梯形释压门、开口或导流栅，本发明的另一实施例中还在开口的下游缘使用了分流器用以增强或在某些可能的条件下用以代替本发明中的梯形开口和/或导流栅。在这类实施例中，分流器沿开口下游的后缘安置以使从开口中流出的燃气36从发动机罩或其它结构16的表面分离。使用该方法，气流经过开口下游缘时分离，有助于高温发动机燃气与自由流或外函道流的混合。基于本发明，可采用的分流器诸如位于开口下游缘的尖缘以及从开口边缘向外延伸的导流栅。这类分流器分离气流使之成为紊流，从而使气流与开口下游结构的表面分离并与周围气流汇合。

虽然以上图示并说明了本发明的优选实施例，可以认识到，不脱离本发明的实质和范畴仍可以做出其它各种改型。而且，虽然本发明图示说明的是用于安装在机翼下方的函道式风扇涡轮发动机，但它也可用于安装在机身上的函道式风扇发动机。同样，本发明也可用于无发动机短舱的涡轮螺旋浆发动机装置。

Claims (4)

1.一种用于涡轮发动机发动机罩的释压系统，包括：

一个位于发动机罩上的开口，在发生放气管故障时，发动机的燃气可以通过该开口溢出，该开口的前缘比该开口的后缘宽；以及

前缘可转动地连接在发动机罩上的一个释压门，该释压门可以在开启和关闭位置之间运动，开启时燃气可通过开口流出，关闭时该门阻止燃气流出开口。

2.如权利要求1所述的释压系统，其特征在于，所述的释压门包括一块位于该门对置侧边上的壁板，该板至少部分地伸入开口，该板至少部分地从释压门前缘向释压门后缘延伸。

3.如权利要求2所述的释压系统，其特征在于，所述的壁板从释压门前缘向释压门后缘延伸到基本为一半的位置。

4.如权利要求2所述的释压系统，其特征在于，所述的释压门的前缘宽度大于该释压门的后缘的宽度。

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