CN108799200A - 具有排放槽和辅助法兰的压缩机设备 - Google Patents

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Abstract

一种压缩机排放槽设备包括：环形压缩机壳体；安置在压缩机壳体内部的定子轮叶行；轴向地在定子行下游，经安装以用于围绕压缩机壳体内部的中心线轴线旋转的叶片行；穿过压缩机壳体的排放槽，其中排放槽以限定在压缩机壳体内的内侧和外侧壁为界，排放槽具有轴向地定位于定子轮叶行与叶片行之间的入口，排放槽沿着槽轴线延伸，排放槽的至少一部分位于叶片行的轴向范围内；使内侧和外侧壁互联的撑杆的环形阵列；以及从压缩机壳体径向向外延伸的环形辅助法兰，其中辅助法兰的至少一部分轴向地定位在排放槽的轴向范围内。

Description

具有排放槽和辅助法兰的压缩机设备
技术领域
本发明大体上涉及燃气涡轮发动机中的压缩机，且更具体地说涉及此类压缩机中的排放槽。
背景技术
燃气涡轮发动机包括串行流连通的压缩机、燃烧器和涡轮。涡轮以机械方式连接到所述压缩机且三个部件界定涡轮机械芯。芯可以已知方式操作以产生热，经加压燃烧气体流以操作发动机以及执行有用功，例如提供推进推力或机械功。
在至少一些已知燃气涡轮发动机内，从压缩机提取或抽取高压空气的一部分以用于其它用途，例如用于涡轮机冷却、加压轴承集油槽、吹扫空气或飞行器环境控制。使用位于压缩机的特定部分或级中的排放槽从压缩机排出此“放气”。接着将所提取空气经由围绕发动机外围定位的排放口供应到需要空气的各个位置。
压缩机具有多个级且每个后一级处的静压高于上游级，其中最后一级在预期压缩机排放压力(“CDP”)下排出空气。每个级表示逐渐增多机械功的投入。
放气提取的一个问题在与它对发动机循环是“昂贵”的，增大了燃料燃烧和燃料消耗率(“SFC”)-效率的重要衡量指标。期望从可能的最低级提取或排放空气，同时仍然满足放气最终用途的要求。然而，排放系统中的压力损耗可能会导致需要使用来自高于所期望级的空气。
放气提取的另一问题是用于最佳空气动力效率的放气槽的配置可引起对压缩机的不利结构和热机械效应。
发明内容
此问题通过压缩机来解决，该压缩机结合了低角度排放槽和辅助法兰(supplemental flange)来，控制压缩机壳体的热响应。
根据本文中所描述的技术的一个方面，压缩机排放槽设备包括：环形压缩机壳体；安置在压缩机壳体内部的定子轮叶行(a stator vane row)；轴向地在定子行下游，经安装以用于围绕压缩机壳体内部的中心线轴线旋转的叶片行；穿过压缩机壳体的排放槽，所述排放槽具有轴向地定位在定子轮叶行与叶片行之间的入口，其中所述排放槽以限定在压缩机壳体内的内侧和外侧壁为界，所述排放槽沿着槽轴线延伸，所述排放槽的至少一部分位于叶片行的轴向范围内；使内侧和外侧壁互联的撑杆的环形阵列；以及从压缩机壳体径向向外延伸的环形辅助法兰，其中所述辅助法兰的至少一部分轴向地定位在排放槽的轴向范围内。
可选地，所述压缩机壳体包括在螺栓接合处彼此联接的前部和后部区段。所述螺栓接合轴向地安置在所述排放槽下游。
可选地，所述槽轴线以约65°或更小的角度相对于所述中心线轴线安置。
可选地，所述槽轴线以约30°到约65°的角度相对于所述中心线轴线安置。
可选地，所述槽具有在所述叶片行的所述轴向范围的情况下定位的出口。所述内侧和外侧壁在下游方向上相对于所述排放槽彼此发散。所述压缩机排放槽设备进一步包括具有在所述排放槽下游定位的发散壁的经延伸扩散器。
可选地，压缩机排放槽设备进一步包括从所述压缩机壳体径向向外延伸且轴向地在所述排放槽下游定位的额外环形法兰。
可选地，所述辅助法兰包括在其外围处的放大部分和邻近于所述压缩机壳体的颈缩部分。
可选地，在其外围处测量的所述辅助法兰的第一轴向厚度大于邻近于所述压缩机壳体测量的所述辅助法兰的第二轴向厚度。
根据本文中所描述的技术的另一方面，燃气涡轮发动机设备包括：以串流关系布置的压缩机、燃烧器和涡轮，其中所述压缩机包括：环形压缩机壳体；安置在压缩机壳体内部的定子行；轴向地在定子行下游，经安装以用于围绕压缩机壳体内部的中心线轴线旋转且以机械方式连接到所述涡轮的叶片行；穿过压缩机壳体的排放槽，其中所述排放槽以限定在压缩机壳体内的内侧和外侧壁为界，所述排放槽具有轴向地定位在定子行与叶片行之间的入口，所述排放槽沿着槽轴线延伸，所述排放槽的至少一部分位于叶片行的轴向范围内；使内侧和外侧壁互联的撑杆的环形阵列；以及从压缩机壳体径向向外延伸的环形辅助法兰，其中所述辅助法兰的至少一部分轴向地定位在排放槽的轴向范围内。
可选地，所述压缩机壳体包括在螺栓接合处彼此联接的前部和后部区段。所述螺栓接合轴向地安置在所述排放槽下游。
可选地，所述槽轴线以约65°或更小的角度相对于所述中心线轴线安置。
可选地，所述槽轴线以约30°到约65°的角度相对于所述中心线轴线安置。
可选地，所述槽具有定位在所述叶片行的所述轴向范围内的出口。所述内侧和外侧壁在下游方向上相对于所述排放槽彼此发散。所述燃气涡轮发动机设备进一步包括具有在所述排放槽下游定位的发散壁的经延伸扩散器。
可选地，所述辅助法兰包括在其外围处的放大部分和邻近于所述压缩机壳体的颈缩部分。
可选地，在其外围处测量的所述辅助法兰的第一轴向厚度大于邻近于所述压缩机壳体测量的所述辅助法兰的第二轴向厚度。
附图说明
参考以下结合附图进行的描述最佳理解本发明，在附图中：
图1是结合有压缩机排放设备的燃气涡轮发动机的横截面示意图；
图2是图1的发动机的压缩机的一部分的示意性半剖视图；
图3是沿着图2的线3-3获得的视图；以及
图4是沿着图2的线4-4获得的图2中展示的压缩机的翼型件中的一些的示意性平面图。
具体实施方式
参考其中相同参考编号在各种视图中表示相同元件的图式，图1描绘示范性燃气涡轮发动机10。虽然所说明的示例为高旁路涡轮风扇发动机，但本发明的原理还适用于其它类型的发动机，例如低旁路涡轮风扇、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机等等，以及具有任何数目的压缩机涡轮转轴的涡轮发动机。发动机10具有纵向中心线或轴线11。
应注意，如本文所使用，术语“轴向”和“纵向”两者指代平行于中心线轴线11的方向，而“径向”指代垂直于轴向方向的方向，且“切向”或“周向”指代相互垂直于轴向和径向方向的方向。如本文所使用，术语“前部(forward)”或“前部(front)”指代在穿过或围绕部件的气流中相对上游的位置，且术语“后部(aft)”或“后部(rear)”指代在穿过或围绕部件的气流中相对下游的位置。此流的方向在图1中由箭头“F”所示。这些方向性术语在描述中仅为方便起见使用且不需要由此描述的结构的特定定向。
发动机10具有以串行流关系布置的风扇14、增压器16、高压压缩机或“HPC”18、燃烧器20、高压涡轮或“HPT”22和低压涡轮或“LPT”24。在操作中，来自压缩机18的出口26的加压空气与燃烧器20中的燃料混合且被点燃，进而产生燃烧气体。高压涡轮22从这些气体提取一些功，从而经由外轴28驱动压缩机18。燃烧气体接着流入低压涡轮24，从而经由内轴29驱动风扇14和增压器16。
压缩机18包括多个叶片级；例如典型压缩机可包括6到14个级。在操作中，每个后一压缩机级的静态气压递增地增大，其中最后一级在预期压缩机排放压力(“CDP”)下排出空气以供随后流入燃烧器20。每个压缩机级代表逐渐增加机械功的投入。所说明的示例展示轴向级，但本文中所描述的原理还适用于离心或轴离心压缩机。还应注意，可从压缩机18的任何部分，或实际上发动机10中在将燃料引入到气流中的点上游的任何部分抽取或提取空气。本文中所描述的概念尤其与用于从中间位置，即在压缩机出口26的上游级处提取或排放空气的结构相关。
图2是包括流提取设备的示范性实施例的压缩机18的一部分的半剖视图。图2中仅展示两个压缩机级。出于描述的目的，在理解上游级30和下游级32两者将定位在压缩机18的出口26上游的情况下，所述级中的一个将被称为“上游级”30，另一级将被称为“下游级”32。
上游级30包括以机械方式连接到压缩机转子38的沿圆周间隔开翼型形状的转子叶片36的第一叶片行34，所述压缩机转子又以机械方式连接到上文所描述的外轴28；和沿圆周间隔开静止翼型形状的定子轮叶42的第一定子行40。
下游级32包括以机械方式连接到压缩机转子38的沿圆周间隔开翼型形状的转子叶片36的第二叶片行44和沿圆周间隔开静止翼型形状的定子轮叶42的第二定子行46。
压缩机18被支撑定子轮叶42的压缩机壳体48环绕。压缩机壳体48具有径向内侧表面50和相对的径向外侧表面52。压缩机壳体48包括穿过压缩机壳体48的厚度的至少一个排放槽54。排放槽54可在压缩机壳体48的圆周的全部或一部分内延伸。在所说明的示例中，单个排放槽54为完整360°的槽。排放槽54在径向内侧表面50处界定环形入口56。排放槽54的所示的轴向位置仅仅为示例。
在发动机操作期间，来自发动机10的主要流动路径58的压缩空气的一部分通过入口56进入排放槽54且传递到排放腔60中，所述排放腔部分地通过环绕压缩机壳体48的环形外壁62(例如，为歧管或外部壳体的部分)界定。进入排放腔60的空气可根据需要借助于适合的导管、阀等等(未展示)重新引导或传输以用于各种最终用途。
排放槽54沿着槽轴线64延伸，所述槽轴线与发动机10的中心线轴线11以非平行、非垂直的角度θ安置。更具体地说，通过使放气转向通过相较于现有技术排放槽(安置于接近径向定向上)较小的角度而选择角度θ以减小压力损耗。此特征可被称为“平坦”或“低角度”排放槽。如本文所使用，术语“低角度”指代约65°或更小的角度。举例来说，角度θ可处于约30°到约65°的范围中。在所说明示例中，角度θ约为37°。
压缩机壳体48包括在其后端处终止于环形径向延伸第一法兰68中的前部区段66。压缩机壳体48还包括在其前端处终止于环形径向延伸第二法兰72中的后部区段70。第一法兰68与第二法兰72彼此抵靠且通过例如形成螺栓接合76的所说明的螺栓74的多个紧固件而夹持在一起。在与压缩机壳体48的平均厚度相比时，螺栓接合76表示大量的所添加质量和材料厚度(在径向方向上测量)。
需要并入低角度排放槽54而不会增大发动机10的总体轴向长度。如在图2中可以看出，此需要排放槽54跨越第二叶片行44轴向地延伸。换句话说，排放槽54的至少一部分位于第二叶片行44的轴向范围内，这些轴向范围由第二叶片行44的转子叶片36的前缘和后缘的轴向位置界定。在所说明示例中，排放槽54的出口定位在第二叶片行44的轴向范围内；应了解，所述出口可定位在第二叶片行的轴向范围内的任何地方或第二叶片行44后面。排放槽54的这种配置的结果是在所述领域中使得压缩机壳体48更薄，在使用常规排放槽的现有技术中情况将会如此。具体地说，螺栓接合76定位在第二叶片行44下游，而在现有技术中，其将直接径向定位在第二叶片行44外侧。
在操作中，静止壳体偏转(即径向生长或收缩)主要响应于热流。在操作中，转子偏转响应于热流和随转子速度变化的离心负荷两者。一般来说，压缩机壳体48相较于转子更快作出响应(生长和收缩两者)，从而提高维持旋转与静止部件之间的所需径向间隙的难度。由并入低角度排放槽54引起的壳体厚度或质量的缺乏使间隙问题复杂化。
为了减缓压缩机壳体48的热响应，压缩机壳体48包括设置在排放槽54外侧的辅助法兰78。辅助法兰78为与压缩机壳体48的前部区段66一体地形成的环圈。辅助法兰78可被描述为“伪法兰”，由于其并不用以联接或安装部件。辅助法兰78的至少一部分定位在排放槽54的轴向范围内，这些轴向范围由排放槽54的入口和出口的轴向位置界定。视需要，作为图2中展示的整体环形结构的替代方案，辅助法兰78的结构可由额外螺栓接合(未展示)的一个或两个法兰界定。
除提供额外质量之外，辅助法兰78还可视需要经塑形以减缓热响应且改进重量效率。在所说明示范例中，辅助法兰78在其与压缩机壳体48的径向外侧表面52邻接时在径向内侧位置处具有第一厚度80(通常在轴向方向上测量)。辅助法兰78具有在其径向外围处测量的第二厚度82(通常在轴向方向上测量)。第二厚度82大体上大于第一厚度80。此物理配置可被描述为辅助法兰78在其与压缩机壳体48的径向外侧表面邻接时“逐渐变窄”或“颈部”84的轴向厚度减小。具体来说，颈部84提供相对较小表面区域以用于从压缩机壳体48的剩余部分到辅助法兰78中的热传导。
排放槽54以内侧壁86和相对的外侧壁88为界，所述壁两者均由压缩机壳体48界定。
内侧壁86和外侧壁88可被布置成在其径向向外延伸时远离彼此发散。当流向下游传递通过排放槽54时，此提供提高的流扩散效果，从而增大静压。可选择两个壁86、88之间的扩散角度以提供适合的扩散率，同时使压力损耗最小化。
与外侧壁88相邻的压缩机壳体48的一部分轴向地向后部且径向地向外侧延伸以界定环形延伸扩散器90的一个壁。经延伸扩散器90的另一壁由环形挡热罩92界定，所述挡热罩从内侧壁86轴向地向后部且径向地向外侧延伸。挡热罩92的后部部分向内弯曲以环绕螺栓接合76，且可通过上文所描述的紧固件74夹持于其中。经延伸扩散器90的扩散角度可经选择以使空气动力性能最佳化且可相同或不同于排放槽54的扩散角度。或者，经延伸扩散器90的后壁可由压缩机壳体48对于前壁的延伸部界定。
在所说明实例中，结构撑杆94的圆周阵列安置于排放槽54内，其间具有空间。每个撑杆94从内侧壁86处的根部延伸到外侧壁88处的尖端。通过对其厚度的适合选择，撑杆94用以改进压缩机壳体48的结构刚度，控制表面84与86之间的通道宽度，且还可以控制排放槽54的喉部面积。
除上文所描述的低角度定向之外，还可通过将流转向功能并入到撑杆94而进一步改进排放槽54的性能。当配置成执行此功能时，撑杆94或者可被称作“转向轮叶”。在所说明实例中，撑杆94被配置成翼型形状转向轮叶。每个撑杆94包括(参见图3)在前缘100和后缘102处接合到凸出侧壁98的凹入侧壁96。当仅仅或主要针对流转向功能使用时，撑杆94(或转向轮叶)无需使内侧壁86和外侧壁88互联；例如所述转向轮叶中的一些或全部可从所述壁中的一个悬挑。
对于撑杆94，其它形状是可能的。举例来说，其可被配置为流线型交错空气动力撑杆，类似于具有圆形或锥形前缘和后缘(未展示)的平坦板。此类撑杆可以交错角安置，类似于针对图3中所展示的撑杆94所展示。一般来说，细长(例如，厚度/翼弦比小于1)的任何撑杆形状，结合以下各项中的至少一个：(1)在操作期间导致正迎角的去向(即交错角)；和(2)成弧形横截面形状，可充当转向轮叶。
撑杆94在被配置为转向轮叶时在切向方向上使所述流转向穿过排放槽54以减小所述流的切向速度(或切向速度分量)，也被称作使所述流“去旋”。可沿切线方向使所述流转向通过约15°到约30°的范围。在一个实例中，输入切向角度104相对于径向方向“R”约为45°，且输出切向角度105为约15°到约20°。
撑杆94的配置，包括例如其数目、翼型截面形状、跨越尺寸、翼弦尺寸、厚度和定向等特性可使用适合的设计工具选择，以针对特定应用和可趋向于改变排放流速和空气进入角度104的操作条件的范围在最小量的压力损耗情况下提供所需的流转向和扩散程度。视需要，撑杆94可结合有与高级计算流体动力学(computational fluid dynamics；CFD)分析相关的特征，例如延伸(sweep)、扭曲、弯曲或其它3D航空特征。
撑杆94和排放槽54的扩散行为的组合改进排放流扩散且减小相关压力损耗。在一个实例中，上文所描述的经延伸扩散器90可延伸超出撑杆94约撑杆94的翼弦长度的50％或大于50％的距离(沿着槽轴线64测量)；在另一实例中，经延伸扩散器90可延伸超出撑杆94约撑杆94的翼弦长度的100％或大于100％的距离。
可通过撑杆94的优先记录而得到额外益处。如燃气涡轮领域中所使用的术语“记录”大体上是指翼型件的环形阵列的角定向，或更具体来说是指翼型件的两行或多于两行的相对角定向。图4示意性地说明第一定子行40和撑杆94的所述行。标记为“W”的箭头描绘从定子轮叶42的后缘尾迹，其中的一些在进入排放槽54之前在主要流动路径58中向下游行进较小距离。尾迹W表示由定子轮叶42的存在引起的流动扰动。
翼型件(定子轮叶42或撑杆94)的个别行以每个行形式沿圆周彼此间隔开，其中相等间隔由每个行中翼型件间的间距表示。圆周间距在翼型件的前缘与后缘间大致相同，其中小变化仅由半径的变化而驱动。定子行42与下游转向轮叶行之间的圆周记录由从定子轮叶42的后缘相对于下游撑杆94的前缘的圆周距离“S”表示。此记录或间隔S可以由下游翼型件间距的百分比表示。使用此命名法，0％和100％将表示对应后缘与前缘之间无圆周间隔，且50％间隔将表示下游行中的撑杆94的前缘之间定子行40中的定子轮叶42的后缘在中间位置沿圆周对准。
优选的是使尾迹W在下游转向轮叶94之间通过。请注意，定子行40或撑杆94与固定参考的绝对角定向并不重要，即，任一翼型件行可相对于基线定向“记录”以便实现本文中所描述的效果。
在此特定实例中，已经在第一定子行40的角度位置使得尾迹W在下游转向轮叶94之间通过时发现尾迹W与最佳空气动力效率的最佳对准。
本文中所描述的排放槽配置具有优于现有技术的优点。撑杆94和排放槽54的其它空气动力方面的组合改进排放流扩散且减小相关压力损耗。分析展示可归因于这些特征的压力损耗的减小可准许使用来自相较于原本使用常规排放槽结构将需要的压缩机18的较小数目级(即较为上游)的放气。撑杆94还将改进结构刚度且控制排放槽54的喉部面积。
同时，辅助法兰78的并入使得能够使用低角度排放槽54，同时限制发动机10的轴向长度且控制压缩机壳体48的热响应，因此准许维持适当内部间隙。
前文已描述排放槽设备。在本说明书中所公开的所有特征(包括任何所附权利要求书、摘要和图式)和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可按任何组合形式组合，所述特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合除外。
本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和图式)中所公开的每个特征可以替换为用于相同、等效或类似目的的替代特征，除非另有明确陈述。举例来说，上文所描述的螺栓接合76可由类似于上文所描述的辅助法兰78的额外伪法兰替代。这将尤其适用于压缩机壳体48纵向分裂成两个180°半部而不是前部/后部区段或为单个整体单元的配置。因此，除非另有明确陈述，否则所公开的每个特征仅为一系列通用的等效或类似特征的一个实例。
本发明并不限于前述实施例的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和图式)中所公开的特征的任何新颖特征或任何新颖组合，或到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖步骤或任何新颖组合。

Claims (10)

1.一种压缩机排放槽设备，包括：
环形压缩机壳体；
安置在所述压缩机壳体内部的定子轮叶行；
轴向地在所述定子行下游，经安装以用于围绕所述压缩机壳体内部的中心线轴线旋转的叶片行；
穿过所述压缩机壳体的排放槽，其中所述排放槽以限定在所述压缩机壳体内的内侧和外侧壁为界，所述排放槽具有轴向地定位在所述定子轮叶行与所述叶片行之间的入口，所述排放槽沿着槽轴线延伸，所述排放槽的至少一部分位于所述叶片行的轴向范围内；
使所述内侧和外侧壁互联的撑杆的阵列；以及
从所述压缩机壳体径向向外延伸的环形辅助法兰，其中所述辅助法兰的至少一部分轴向地定位在所述排放槽的轴向范围内。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述压缩机壳体包括在螺栓接合处彼此联接的前部和后部区段。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：所述螺栓接合轴向地安置在所述排放槽下游。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述槽轴线以约65°或更小的角度相对于所述中心线轴线安置。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述槽轴线以约30°到约65°的角度相对于所述中心线轴线安置。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述槽具有在所述叶片行的所述轴向范围的情况下定位的出口。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：所述内侧和外侧壁在下游方向上相对于所述排放槽彼此发散。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：进一步包括具有在所述排放槽下游定位的发散壁的经延伸扩散器。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：进一步包括从所述压缩机壳体径向向外延伸且轴向地在所述排放槽下游定位的额外环形法兰。
10.一种燃气涡轮发动机设备，包括：
以串行流关系布置的压缩机、燃烧器和涡轮，其中所述压缩机包括：
环形压缩机壳体；
安置在所述压缩机壳体内部的定子行；
轴向地在所述定子行下游，经安装以用于围绕所述压缩机壳体内部的中心线轴线旋转且以机械方式连接到所述涡轮的叶片行；
穿过所述压缩机壳体的排放槽，其中所述排放槽以限定在所述压缩机壳体内的内侧和外侧壁为界，所述排放槽具有轴向地定位在所述定子行与所述叶片行之间的入口，所述排放槽沿着槽轴线延伸，所述排放槽的至少一部分位于所述叶片行的轴向范围内；
使所述内侧和外侧壁互联的撑杆的阵列；
以及
从所述压缩机壳体径向向外延伸的环形辅助法兰，其中所述辅助法兰的至少一部分轴向地定位在所述排放槽的轴向范围内。
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