CN1097176C - 压气机端壁处理 - Google Patents

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Abstract

燃气轮机发动机的压气机部，包括一围绕着压气机的所有叶片安装的插入件，该插入件包括许多蜂窝结构的室，各室相对于叶片顶端成一复合角，以便当叶片顶端随着叶片旋转经过各室时为所述顶端气流增加能量，改进失速裕度。各室在叶片的弦的方向上朝向前进中的叶片定向。随着叶片的旋转，它扫过各室，首先从叶片的高压侧将高压气流捕获到室中，然后，当叶片穿过室时再释放到低压侧，在气流的方向上形成增加了能量的高速射流。

Description

压气机端壁处理
本发明涉及一种燃气涡轮发动机，特别是用于改进压气机失速特性的技术。
在燃气涡轮发动机中，压气机叶片连接在一转盘上，叶片顶端尽可能接近端壁。采用各种不同的密封技术来将顶部-端壁间隙以及端部摩擦对密封所产生的负作用减至最小。压气机转子叶片顶部与端壁之间的间隙的增大显著地减小了压气机失速裕度，这主要是由于叶片的压力侧与抽吸侧之间的泄漏。这种泄漏减小了通过叶片通道的总流动动量，减小了叶片压力升高能力，从而减小失速裕度。由于这种泄漏，从叶片根部至顶部的压力曲线呈现出向顶端的总压力下降。间隙增大引起失速裕度损失的原因或许是端壁与叶片抽吸侧的边界层之间的相互作用，这种情况可能在抽吸侧面产生边界层流动分离，从而在该区域产生流动阻塞。
本发明的一个目的是通过将端壁与压气机叶片顶端之间的顶部间隙的负作用减至最小，并通过有效地改进叶片顶端附近的流动特性来提供改进的压气机失速裕度。
按照本发明，在叶片顶端与端壁之间设置一种特殊的空气动力学结构，该结构为端壁流“增加能量”，以加强流动动量并形成有效的端壁流混合。
按照本发明，在端壁内设置一围绕着压气机的所有叶片的罩套式插入件，该插入件包括许多以一定复合角倾斜并且一端封闭的蜂窝状室。所述复合角具有一个相对于叶片旋转方向上的切向轴线的角分量，其第二角分量相对于叶片的径向(法向)定向。随着叶片压力侧的前进，所述蜂窝室被“充入”压力侧空气，随着叶片转过各室，蜂窝室与抽吸侧相通，这时，从蜂窝室中喷出高速瞬时射流，为端壁的气流增加能量。
复合角的选择应符合两个主要目的。蜂窝室的定向朝向前进中的叶片压力侧，以便捕获由动叶片所施加的动压力。这保证了蜂窝室中充入能够有效地产生喷射引发压力比的空气。还有，蜂窝室应沿着叶片的弦定向。因此，所形成的喷射方向在气流方向上有一个明显的分量，该分量加强了气流的动量。以此复合角从蜂窝室喷出的高速射流产生了最外端壁流(稳定冲击区)的有效混合，而不会破坏主流，这样就将效率损失减至最小。在气流方向上的喷射分量增大了气流的动量，在顶部区域的总压力的增大证明了这一点。
按照本发明，选择蜂窝室的尺寸形成一个蜂窝室的排空时间常数，该常数是叶片经过的时间周期的若干分之一。蜂窝室的直径(垂直于室的轴线)与叶片厚度在同一数量级，蜂窝室的深度(沿室的轴线)在1-7倍的范围内。
本发明的一个特征是，它通过向在端壁(无论是静止的还是旋转的)附近的流场中增加能量提供了卓越的失速裕度特性，从而使压气机的效率损失最小。另一个特征是，它可以用来改善在端壁与升力面顶端之间的升力特性。例如，在一个压气机的静子部分内，可以将带有这些室的插入件设置在朝向静子叶片顶部的转鼓上。熟悉本领域的人员可以从下面的讨论中清晰地看出本发明的其它的目的、优点和特征。
图1是沿着图8所示的一种典型的燃气涡轮发动机的1-1线截取的一截面。
图2是按照本发明的围绕着叶片的一罩套的一段的一平面图。
图3是沿图2中的3-3线的一截面。
图4是沿图2中的4-4线的截面。
图5是一分解视图，示出罩套的两层。
图6是罩套中的若干室的一透视图。
图7是一放大视图，示出一叶片端部和罩套的一相邻层。
图8示出了包括所述罩套的一燃气涡轮发动机。
在图1中，若干压气机透平叶片10分别安装在壳体16内的相应压气机转盘14上。如图8所示，这些叶片和转盘为一燃气涡轮发动机中的典型的压气机部的部件。静子叶片18位于叶片10的上游，用于引导气流20。在壳体16内提供一周向的座22，以接收一环形插入件24，该插入件包括几层蜂窝室28，这些蜂窝室在图2中以放大的比例较好地示出。在图2中，箭头RT表示叶片旋转的方向，流向压气机的气流方向还是以箭头20表示。图2示出，插入件24由蜂窝室28的层L构成，应该说明，蜂窝室以一复合角定向：一个角θ和一个角φ。角θ限定了蜂窝室轴线30相对于叶片切向(在图2中以RT表示)的偏移。角φ限定了室的轴线相对于法线(径向)29的偏移。或许在图3中更容易看出，蜂窝室轴线30的定向使室的开口朝向沿方向RT运动的前进中的叶片。蜂窝室还在叶片的弦上。这些特征的意义将在下面解释。
叶片在旋转中扫过蜂窝室28，将蜂窝室暴露于作为叶片位置函数的不同的压力状况下。例如，让我们看图2中的一个室36和叶片38，该图示出t0时叶片所处的位置。蜂窝室位于叶片36的高压侧，但是，随着叶片在RT的方向上的旋转，在后面的t+1时刻，蜂窝室将暴露在低压侧，这就是图中的蜂窝室40，这些室在较早的时刻(叶片位置)t0是受压的。为了清楚起见，应该说明，图3中的箭头表示叶片速度沿着图2中的3-3线的分量。
现在参见图7，蜂窝室40(该室在t0时刻是初始受到高压侧压力的室36)在叶片经过蜂窝室之后向低压侧喷出空气41或提供气流喷射41。除了相对于叶片或“空气翼型或升力面”定向蜂窝室之外，叶片的厚度应该大约为d，蜂窝室的直径和蜂窝室的深度或长度L至少等于d，优选为d的四倍。这一比例是重要的，因为它决定着与蜂窝室充、排气相关的时间常数。由于复合角而在叶片经过的方向上具有速度分量的瞬时射流在叶片端部形成增能气流，这导致高效的混合，从而防止在端壁区域的任何势流分离。
θ和φ的大小取决于特定的压气机设计，但重要的是要使蜂窝室正确地充气，并要使在低压侧增加能量后的射流以正确的方向流出。这些角度值的一个例子为角θ＝34度，φ＝60度。
本发明通过为端壁的流场增加能量，显著地改善了压气机的失速裕度，使效率损失减至最小。对这种设计的试验已经证明，蜂窝室角度的取向使得插入件构成一个良好的可磨密封，因为当具有磨削作用的叶片的顶端(在本领域中是公知的)摩擦插入件时，带这种角度的蜂窝室很容易被磨去，而叶片不会磨损。
通过围绕着所有涡轮叶片插入一个类似的蜂窝室插入件可以将本发明所提供的气流增能效应应用于燃气涡轮发动机的涡轮部，但在涡轮叶片旋转时蜂窝室的压缩方面有一个重要的差别。在上述压气机实施例中，蜂窝室首先暴露于叶片的压力侧，然后才暴露在低压侧。在一个涡轮机中，当叶片经过蜂窝室时，蜂窝室首先暴露于低压侧，降低室中的压力，从而加强进入蜂窝室的气流。这样就减小了涡轮顶端与端壁之间的泄漏，改善燃气轮机的效率。
在具有前面讨论和解释的优点的前提下，熟悉本领域的普通技术人员可以全部或部分改进所公开的本发明的实施例，而不背离本发明的精神。

Claims (14)

1.一种燃气涡轮发动机，包括一个压气机级，该压气机级具有一壳体和若干压气机叶片，其特征在于：在所述壳体与所述压气机叶片的顶端之间设置一插入件，该插入件包括一第一装置，该装置用于在叶片旋转时从叶片顶端的高压侧捕获受压气流，越过叶片沿着气流的方向向叶片的低压侧提供具有轴向分量的受压气流。
2.如权利要求1的燃气涡轮发动机，其特征在于：所述第一装置包括若干室，各室的定向相对于切向成一角度，指向流动方向的下游，相对于垂直于壳体的一条线成一大于30度的第二角度。
3.如权利要求2的燃气涡轮发动机，其特征在于：所述插入件包括一层蜂窝片，各片包括所述室。
4.如权利要求2的燃气涡轮发动机，其特征在于：所述插入件包括若干层蜂窝片，各片包括所述室。
5.如权利要求4的燃气涡轮发动机，其特征在于：所述室为多边形，其直径基本上等于叶片的厚度，其长度不小于所述直径。
6.如权利要求1的燃气涡轮发动机，其特征在于：所述室为多边形，其直径基本上等于叶片的厚度，其长度不小于所述直径。
7.如权利要求5的燃气涡轮发动机，其特征在于：长度大于所述直径。
8.如权利要求6的燃气涡轮发动机，其特征在于：长度大于所述直径。
9.一种为一空气翼片的朝向一端壁的顶端增加能量的方法，所述空气翼片具有朝向端壁的运动，其特征在于包括如下步骤：
在端壁与顶端之间安装一插入件，该插入件包括第一装置，该第一装置用于当叶片顶部相对于端壁运动时，从叶片顶端的高压侧捕获受压气流，越过叶片在气流的方向上向叶片的低压侧提供具有轴向分量的受压气流。
10.如权利要求9的方法，其特征在于：所述插入件包括若干室，其中各室沿着空气翼片的弦向顶端延伸，它与空气翼片的旋转方向的切线之间的角度大于10度。
11.如权利要求10的方法，其特征在于：所述插入件包括若干室，各室定向的角度使该室的轴线具有一个沿着叶片弦的分量，并相对于垂直于端壁的叶片成一大于30度的第二角度。
12.一种端壁与相对于端壁具有旋转运动的空气翼片的组合，其特征在于：在端壁与空气翼片的顶端之间设置一插入件，该插入件包括第一装置，该第一装置用于当空气翼片相对于端壁运动时从顶端的高压侧捕获受压气流，沿着气流的方向横跨所述顶端向叶片的低压侧提供具有轴向分量的受压气流。
13.一种端壁与相对于端壁具有旋转运动的空气翼片的组合，其特征在于：在端壁与空气翼片的顶端之间设置一插入件，该插入件包括若干室，当空气翼片旋转时，各室暴露于空气翼片的高和低压侧，并相对于所述旋转运动的方向成一具有轴向分量的复合角。
14.如权利要求13的组合，其特征在于：插入件包括若干室，各室沿着一条限定空气翼片的弦的线向顶端延伸，并相对于空气翼片的相对运动方向的切线成一大于10度的角，各室的直径基本上等于顶端的厚度，各室的深度至少等于该室的直径。
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