CN108798795A - 涡轮机压缩机的紊流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于测量涡轮机的特别是涡轮机的压缩机的流动(18)的紊流的系统。系统(30)包括：第一容纳部(47)，具有第一压力传感器(52)和第一入口(48)，第二容纳部(54)，具有第二压力传感器(58)和相对于第一入口(48)倾斜的第二入口(56)，和温度传感器(53)。系统(30)配置为基于压力传感器(52；58)和温度传感器(53)计算流动速度的至少两个取向分量。入口设置在内部壳体水平处的前边缘上的叶片根部处。

Description

涡轮机压缩机的紊流传感器
技术领域
本发明涉及蜗轮机压缩机的操作分析领域。为了更精确，本发明涉及具有多个独立孔口的紊流测量传感器。本发明还涉及轴流式叶轮机械，具体是飞机的涡轮喷气发动机或飞机的涡轮螺桨发动机。
背景技术
在涡轮喷气发动机中，压缩机入口处的紊流水平影响压缩机的稳定性。而且，风扇的运行会形成并放大进入压缩机的紊流。具体说，风扇叶片的通道在其沟槽中形成进入压缩机的非均匀性。能测量该紊流则能估计压缩机的操作安全裕量，且因此能预测关键情况。
文件US2004159103 A1描述了一种用于确定涡轮喷气发动机的压缩机中的不稳定性的系统。该系统包括具有用于测量总压力的上游孔口和至少四个静态压力测量孔口的压力换能器。而且，这四个孔口连接到工艺共用管线。还有，在上游侧，它们设置在中空管状部分周围。然而，上述系统的相关性限于压缩机的情况。
发明内容
技术问题
本发明具有的目的是解决现有技术所遇到的问题中的至少一个。为了更精确，本发明具有的目的是改善压缩机的稳定性控制。本发明还具有的目的是提出一种方案，其简单、强力、重量轻、经济性好、可靠、易于生产、便于维护、易于检视且改善效率。
技术方案
本发明构成一种用于测量蜗轮机的特别是蜗轮机压缩机的流动的紊流的系统，该系统包括：第一容纳部，具有第一压力传感器和第一入口；第二容纳部，具有第二压力传感器和相对于第一入口倾斜的第二入口；应注意其进一步包括温度传感器，该系统配置为基于压力传感器和温度传感器特别是连续地计算流动速度的至少两个取向分量。
根据本发明的有利实施例，系统可包括以下特征中的一个或多个，其单独存在或在存在技术上的所有组合：
-流动速度的至少两个取向分量包括轴向分量、和/或径向分量和/或周向分量。
-第一容纳部、第一传感器和第一入口配置为能测量流动的总压力。
-第二容纳部、第二传感器和第二入口配置为能测量气体流动的静态压力。
-系统进一步包括具有第三压力传感器和第三入口的第三容纳部，入口全部相对于彼此倾斜。
-入口包括管，所述管相对于彼此倾斜。
-系统进一步包括多个第二容纳部，每一个具有第二压力传感器和第二入口，每一个入口相对于其他入口倾斜。
-第二容纳部围绕第一容纳部布置。
-系统进一步包括单件式本体，在其中形成容纳部和入口，且其中容纳了传感器。
-容纳部是盲孔且以密封的方式特别是通过本体彼此分离。
-系统配置为根据流动的速度的取向分量的变化来测量紊流水平。
-系统包括一单元，其用于针对每一个取向分量以大于或等于300Hz或800Hz或10kHz的计算频率计算取向分量。
-第一入口与该第二入口或每一个第二入口相距最大1mm或0.5mm或0.2mm的距离。
-系统配置为基于压力传感器和温度传感器计算气体流动的局部流动速度的至少两个取向分量。
-这些分量限定了流动中的一点处的空间中的速度向量。
-系统包括多个温度传感器，其每一个设置在容纳部中，所述容纳部的入口倾斜，在适用的情况下全部相对于彼此倾斜；所述容纳部每一个接收压力传感器，在适用的情况下多个压力传感器包括至少三个或四个或五个或七个温度传感器。
-流动是可压缩气体流动。
-系统进一步包括蜗轮机的旋转轴线，第一入口形成基本上垂直于旋转轴线的一般平面。
-第二入口基本上平行于蜗轮机的旋转轴线，或以5°到85°(包含端点)的角度或以30°到60°(包含端点)的角度或以40°到50°(包含端点)的角度倾斜。
-压力传感器为电传感器，和/或温度传感器为电传感器。
-至少一个或每一个容纳部入口具有小于或等于5.00mm、或1.00mm、或0.50mm的宽度。
本发明还包括用于测量蜗轮机流动和/或用于计算蜗轮机流动的流动速度的系统，特别是针对蜗轮机的压缩机，应注意，系统包括温度传感器和叶片，该叶片具有弯曲的前边缘，具有压力传感器和第一开口的第一容纳部，具有另一压力传感器和第二开口的第二容纳部，开口沿弯曲前边缘的曲率布置，且在适用的情况下具有不同孔口取向，该系统适于使用温度传感器和压力传感器确定至少两个流动分量的速度。
本发明还包括蜗轮机的压缩机，特别是蜗轮机的低压压缩机，包括具有成环形排的叶片的上游空气进气部和紊流测量系统，应注意，该系统符合本发明，在适用的情况下压力传感器为电传感器，和/或温度传感器为电传感器。
根据本发明的有利实施例，压缩机可包括以下特征中的一个或多个，其单独存在或在存在技术上的所有组合：
-叶片具有前边缘，容纳部的入口轴向设置在前边缘的水平处。
-容纳部的入口沿叶片的同一前边缘径向布置，以便测量至少两个流动速度分量。
-压缩机包括连接到叶片的内部壳体，容纳部的入口径向设置在壳体的高度处。
-容纳部的入口组合在同一叶片径向部分中，该叶片径向部分代表相应叶片的径向高度的最多30％或10％或5％。
-系统包括在成环形排的叶片的叶片厚度中延伸的线缆。
-第一入口被形成前边缘的线相交，两个第二入口分别设置在叶片的内弧面(intrados face)和外拱面(extrados face)上。
-系统配置为计算叶片根部处的分量。
-本体的周向厚度小于或等于叶片的最大厚度。
本发明还包括蜗轮机，特别是涡轮喷气发动机，包括至少一个测量系统和/或一个压缩机，应注意，该或每一个测量系统符合本发明和/或压缩机符合本发明。
根据本发明的一个有利实施例，蜗轮机(在适用的情况下压缩机)包括符合本发明的多个计算系统，温度传感器，在适用的情况下它们中的仅一个为多个系统所共用。
根据本发明的有利实施例，蜗轮机包括轴向面对每一个或多个或至少一个容纳部入口的上游风扇。
作为一般规则，本发明每一个主题的有利实施例同样适用于本发明的其他主题。本发明的每一个主题可与其他主题组合，且本发明的主题可同样地与说明书中的实施例组合，另外，根据技术上的所有可能组合，它们可彼此组合。
优点
本发明能实现沿蜗轮机的两个或三个方向对流动速度进行精细测量。由于传感器的测量速度，其可以估计流动取向波动，同时得知波动方向的演化。因此更好地得知进入压缩机的主流动。可更快地且更准确地执行修正振荡(hunting)和压缩机停机的方法。
附图说明
图1显示了根据本发明的轴流式叶轮机械。
图2是根据本发明的蜗轮机的压缩机的图。
图3显示了根据本发明的紊流测量系统。
图4显示了根据本发明的测量系统本体。
图5是沿图4的线5-5截取的测量系统的截面。
具体实施方式
在以下描述中，术语“内部”和“外部”是指相对于轴流式叶轮机械的旋转轴线的位置。轴向方向对应于沿蜗轮机的旋转轴线的方向。径向方向垂直于旋转轴线。上游和下游是指叶轮机械中的流动的主流动方向。
图1是轴流式叶轮机械的简化显示。在该具体例子中，其是涡轮风扇发动机。涡轮喷气发动机2包括称为低压压缩机4的第一压缩级、称为高压压缩机6的第二压缩级、燃烧室8和一个或多个涡轮机级10。在运行中，经由中心轴传递到转子12的涡轮机10的机械功率能驱动两个压缩机4和6的运动。后者包括与多排定子叶片相关的多排转子叶片。转子绕其旋转轴线14的旋转因此能产生空气流且使其渐进地压缩到燃烧室8的入口。
入口风扇16联接到转子12且产生空气流，该空气流被分为经过蜗轮机的上述各级的主流动18，和跨过沿该涡轮机的环形管道(部分地显示)的次流动20，该次流动随后在涡轮机出口处与主流动再次汇合。风扇16可具有大于或等于2.00m或2.50m或3.00m的直径。其可包括十五个到三十个叶片。倍减器可联接到风扇16。
次流动20可被加速，以便产生反推力，主流动18和次流动20是一个在一个内部的同轴环形流动。它们被壳体和/或蜗轮机的外壳所导通。
图2是例如图1所示的轴流式叶轮机械的压缩机的截面图。压缩机可以是低压压缩机4。可以看到将主流动18与和次流动20分离的鼻部22以及风扇16的一部分。转子12包括多排转子叶片24，这里是三排。
低压压缩机4包括多个(在该例子中是四个)定子，其每一个含有一排定子叶片26。定子与风扇16相关或与一排转子叶片相关，以降低空气流的动能，以便将流动的速度转换为压力，特别是转换为静态压力。
定子叶片26基本上从外部壳体27径向延伸且通过使用轴而可与之固定且相对其固定不动。它们支撑内部壳体28，该内部壳体被材料层覆盖，该材料层可被研磨，以为转子12提供密封。因为正好在压缩机的入口(即在分离器鼻部22的入口处)处的定子叶片26的上游的风扇16的旋转，主流动18经历紊流。主流动18的特征是压力峰值，其随着风扇叶片16而旋转。以推论的方式，紊流的特征是压力降低，例如旋涡，随着风扇叶片而传播。为了估计紊流，且特别是其沿轴向方向、径向和周向方向的流动速度，压缩机4包括至少一个紊流测量系统30，在适用的情况下，可应用多个紊流测量系统30。风扇叶片的周向宽度大于或等于压缩机入口处的两个上游叶片之间的距离。该宽度可大于或等于所述距离的两倍或三倍。
图3是从图2提取的蜗轮机的一部分的示意图。紊流测量系统30包括实施对主流动18的分量进行计算的计算单元32。定子叶片26从外部壳体27径向延伸直到内部壳体28。
叶片26具有前边缘34和后边缘36，二者界定了其内弧面和其外拱面。测量系统30可包括本体38。后者可与叶片26周向地和/或轴向地偏开。替换地，本体38可整合到叶片26中，即可形成内弧面和/或外拱面，和/或本体设置在所述面之间，例如与之相距一定距离。
本体38可紧固到内部壳体28，以便测量那里的紊流和流动波动(fluctuation)。而且，波动可根据风扇叶片的通过频率(passage frequency)改变。本体38通常可支持叶片26的前边缘34。其可具有与沿前边缘34布置的一系列阶梯部相同的曲率和/或以其作为特征。
本体38的上游面40设置为面对主流动18。本体38和其上游面40整合在叶片26的根部的径向水平处，例如是在叶片26的第一个25％或第一个10％部位(是从内部壳体28测量的)。而且，本体38可通过内部壳体28的径向高度界定，应注意这是因为其圆形轮廓的倾斜度所造成的。
为了实现测量和计算，系统30包括连接到计算单元32的多个传感器(不可见)，所述计算单元32可位于外部壳体27的外侧。为此，系统30可包括径向经过叶片26的线缆42。这些线缆42可沿叶片26的厚度布置。
计算单元32包括存储器、用于处理从传感器而来的数据的模块和计算机程序。由于这些器件，系统能连续计算每一个取向分量(orientation component)。计算每秒进行数次，例如以大于风扇叶片通过速度的频率计算。具体针对每一个分量，计算频率可大于或等于50Hz，或500Hz，或5000Hz。可针对传感器的不同径向位置进行计算。可获得对边界层的特征化。
系统30适于根据流动速度取向分量的变化来测量紊流水平。取向分量中的至少一个、或多个或每一个的变化频率和幅度都被考虑。
图4是蜗轮机流动紊流测量系统30，该系统与参考图2和/或3所述的相似或相同。
本体38包括具有形成在上游面40中的入口的至少两个容纳部(housing)44。容纳部44接收电传感器，包括至少一个温度传感器和压力传感器。容纳部44可例如以至少一个径向列或可适用的多个平行径向列来布置。可以想到两列或三列的布置(在这里有一列被遮住了)。容纳部44还可布置为多排，例如围绕周向。容纳部44和其入口可在上游表面40上形成网格。可想到其他布置形式。网格可以是不均匀的。
固定板46可使得本体38延长。这可以将其固定到壳体。
图5是沿图4中的线5-5(例如是沿一排容纳部)截取的测量系统的截面图。该排可代表系统的所有容纳部。三个容纳部可形成一组，且系统可包括径向叠放的多个组，例如是沿叶片前边缘。
本体38在该水平处接受具有各自入口的三个容纳部。在旋转轴线14的水平处的容纳部可被认为是第一容纳部47，其入口为第一入口48。第一入口48可垂直于旋转轴线14，或至少包括垂直于所述轴线14的直线段。替换地或另外地，第一入口垂直于流动18。第一容纳部和其第一入口可测量总压力，即动态压力和静态压力之和。第一容纳部47可接收至少一个第一压力传感器52。第一容纳部可选地承装温度传感器53。温度传感器可在容纳部外侧。
另外，本体38可接收至少两个侧向容纳部54，也称为第二容纳部54。这些第二容纳部54设置在第一容纳部47的任一侧上。它们可具有第二入口56。它们中的至少一个或每一个相对于第一入口47倾斜。两个入口56可相对于彼此倾斜。在适用的情况下，第一入口和两个第二入口都相对于彼此倾斜。
进而，系统30包括至少三个第二容纳部，其入口都相对于彼此倾斜且相对于第一入口48倾斜。相同特征可应用于第二容纳部的四个、五个、六个或至少十个第二入口。每一个入口(48；56)具有一般平面。可相对于该一般平面测量相应的倾斜度。至少一个或每一个第二容纳部54包括第二压力传感器58。可选地，至少一个或多个或每一个第二容纳部54接收温度传感器，针对在第一容纳部47中的温度传感器可额外地或替代地使用该温度传感器。
替换地或另外地，第一容纳部面对流动18和/或第一容纳部相对于旋转轴线14具有倾斜度，该倾斜度等于风扇叶片的攻角(angle of attack)，在叶片端部测量所述攻角。可在风扇叶片轮廓上使用将前边缘连接到所述叶片的后边缘的线段来测量该攻角。入口48可选地垂直于所述弦。
在第一入口48取向为面对流动18的情况下，压力传感器实现总压力和流动角度的确定，该流动角度被指定为“俯仰”和“偏航”。使用这些压力测量(特别是针对每一个入口的)还可计算马赫数。
另外，得知第一容纳部中的和/或第二容纳部中的一个、或多个或每一个中的温度能获得密度，因此获得声速，且最终获得流动速度，由于得知流动角度，该速度可被分为三个分量。
入口(48；56)可选地通过管嘴(未示出)形成。这些管嘴使得容纳部延伸到本体38以外。它们可垂直于上游面40的表面。由此，管嘴可相对于彼此倾斜。

Claims (15)

1.一种用于测量蜗轮机(2)的特别是蜗轮机的压缩机(4；6)的流动(18；20)的紊流(30)的系统，该系统(30)包括：
第一容纳部(47)，具有第一压力传感器(52)和第一入口(48)，
第二容纳部(54)，具有第二压力传感器(58)和相对于第一入口(48)倾斜的第二入口(56)，
温度传感器(53)，
系统(30)配置为，基于压力传感器(52；58)和温度传感器(53)，特别是连续地计算流动(18；20)的速度的至少两个取向分量，
其特征在于，容纳部(44；47；54)的入口(48；56)组合在同一叶片径向部分(26)中，该叶片径向部分代表相应叶片的径向高度的最多30％或10％或5％。
2.如权利要求1所述的系统(30)，其特征在于流动的速度的至少两个取向分量包括轴向分量、和/或径向分量和/或周向分量。
3.如权利要求1或2中任一项所述的系统(30)，其特征在于第一容纳部(47)、第一传感器(52)和第一入口(48)配置为能测量流动(18；20)的总压力。
4.如权利要求1到3中任一项所述的系统(30)，其特征在于第二容纳部(54)、第二传感器(58)和第二入口(56)配置为能测量流动(18；20)的静态压力。
5.如权利要求1到4中任一项所述的系统(30)，其特征在于其进一步包括具有第三压力传感器和第三入口的第三容纳部，所述入口全都相对于彼此倾斜。
6.如权利要求1到5中任一项所述的系统(30)，其特征在于入口(48；56)包括管，所述管相对于彼此倾斜。
7.如权利要求1到6中任一项所述的系统(30)，其特征在于其进一步包括多个第二容纳部(54)，其每一个具有第二压力传感器(58)和第二入口(56)，每一个入口相对于其他入口倾斜。
8.如权利要求1到7中任一项所述的系统(30)，其特征在于容纳部(44；47；54)是盲孔且特别是通过本体(38)以密封的方式彼此分离。
9.如权利要求1到8中任一项所述的系统(30)，其特征在于其配置为根据流动(18；20)的速度的取向分量的变化来测量紊流水平。
10.一种蜗轮机(2)的压缩机(4；6)，特别是蜗轮机的低压压缩机，包括具有成环形排的叶片(26)的上游空气进气部和紊流测量系统(30)，其特征在于系统(30)为权利要求1到9中任一项所述的系统，在可应用的情况下，压力传感器(52；58)为电传感器，和/或温度传感器(53)为电传感器。
11.如权利要求10所述的压缩机(4；6)，其特征在于叶片(26)具有前边缘(34)，容纳部(44；47；54)的入口(48；56)轴向设置在前边缘(34)的水平处。
12.如权利要求11所述的压缩机(4；6)，其特征在于容纳部(44；47；54)的入口(48；56)沿叶片(26)的同一前边缘(34)径向布置，以便测量至少两个流动速度分量。
13.如权利要求10到12中任一项所述的压缩机(4；6)，其特征在于其包括连接到叶片(26)的内部壳体(28)，容纳部(44；47；54)的入口(48；56)径向设置在壳体(28)的高度处。
14.一种蜗轮机(2)，特别是涡轮喷气发动机，包括至少一个紊流测量系统(30)和/或一个压缩机，其特征在于该系统(30)或每一个系统(30)为权利要求1到9中任一项所述的系统，和/或压缩机为权利要求10到13中任一项所述的压缩机。
15.如权利要求14所述的蜗轮机(2)，其特征在于其在适用的情况下为压缩机，包括如权利要求1到12中任一项所述的多个紊流测量系统(30)，为多个紊流测量系统(30)所共用的温度传感器(53)，在适用的情况下仅包括它们中的一个。
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