CN110094346B - 涡轮发动机中的转子平台和遮罩之间的通道 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮机组件且具体涉及飞机涡轮喷气发动机的低压压缩机。组件包括环形排上游叶片(28)，具有从上游支撑件(36)径向延伸尾边缘(42)；环形排下游叶片(30)，具有轴向面对该尾边缘(42)且从下游支撑件(38)径向延伸的前边缘(40)；环形通道(48)，通过上游支撑件(36)和下游支撑件(38)界定。下游支撑件(38)具有轮廓(71)，其具有：上游部分，界定形成环形滑坡的环形通道(48)；下游部分(76)，轴向处于下游叶片的高度；和连接弧(74)，将上游部分连接到下游部分。连接弧(74)布置在前边缘的下游。

Description

涡轮发动机中的转子平台和遮罩之间的通道
技术领域
本发明涉及在转子平台(rotor platform)和蜗轮机定子遮罩之间的圆形空间。更具体地，本发明涉及对转子平台和定子遮罩之间的通道中的流动进行引导。本发明还涉及轴流式涡轮机，具体是飞机的涡轮喷气发动机或飞机的涡轮螺旋桨发动机。本发明还提出用于控制蜗轮机压缩机稳定性的方法。
背景技术
在操作中，蜗轮机压缩机转子中所含的空气趋于由于其粘弹性的性质而升温。抵消这种效应的一种方式产生经过转子并在转子的上游排出的新鲜空气流动。这种冷却空气随后重新径向喷射到主管路中，但是这在该冷却遇到遇到蜗轮机的主空气流时形成干扰。
此外，冷却空气会与绕过内遮罩下方的密封装置的寄生流汇合。这种寄生流和冷却流的组合放大的主管路中的干扰，在转子和内遮罩之间周向运动的泄露流也会如此。干扰的严重性会导致例如压缩机“停机”这样的现象。
文件US2016/0298477A1公开了蜗轮机，其包括在两多排转子叶片之间的一排定子叶片。定子的内遮罩与转子平台通过两个圆形游隙隔开，其中泄露流与主流动呈切向地被再次引入。再次引入的流动和主流动之间的这种小的倾角确保对主流动没有干扰。然而，总体设计仍然是可改善的。
发明内容
技术问题
本发明的目的是减少空气流动引导表面分离的现象。本发明的目的还在于提供一种简单的方案，其耐用、轻质、经济、可靠、易于制造维护、易于检查岂能改进性能。
技术方案
本发明的主题是用于涡轮机的组件，特别是用于涡轮机压缩机的，该组件包括：环形排上游叶片，具有从上游支撑件径向延伸的尾边缘；环形排下游叶片，具有轴向面对该尾边缘且从下游支撑件径向延伸的前边缘；环形通道，通过上游支撑件和下游支撑件界定；下游支撑件包括外表面，该外表面具有的轮廓包括：上游部分，界定环形通道和下游部分；其中轮廓进一步包括连接弧，将上游部分连接到下游部分，前边缘中的至少一个布置在连接弧的上游。多排叶片中之一沿压缩机的旋转轴线旋转，环形通道的轮廓具有中轴线，其与旋转轴线形成角度α，角度α为15°到45°。轮廓和中轴线能在平行于压缩机轴线的截面中看到。
根据本发明的优选实施例，组件可以包括以下的一个或多个特征，其可以单独存在或根据所有可能的技术组合存在：
-前端边缘的至少一个径向内端部布置在连接弧的上游。
-每一个下游叶片具有在连接弧和其前端边缘之间的弦线和轴向偏移G，所述轴向偏移G小于或等于弦线的10％，优选小于或等于弦线的25％。
-上游支撑件具有与下游部分相切且对准的外表面。
-前边缘从上游部分径向延伸。
-上游支撑件具有界定了环形通道的圆锥形内表面。
-压缩机具有浸入和/或汇入管路，在其中设置转子叶片。
-上游部分和/或下游部分是直的，和/或连接弧具有恒定曲率半径。
-至少一个或每一个前端边缘与连接弧轴向重叠。
-下游部分在半个下游支撑件的大部分上轴向延伸。
-上游支撑件和下游支撑件包括轴向处于环形通道高度的可磨损密封装置。
-上游部分和下游部分相对于彼此倾斜最多30°或20°或10°。
-在环形通道中，高度C是恒定的。
-下游支撑件具有界定环形通道的环形边缘。
-上游支撑件具有在轴向下游打开的环形沟槽，上游部分至少部分地布置在所述环形沟槽中。
-通道的长度E大于或等于通道的高度C。
-连接弧的半径大于通道的长度E和/或通道的高度C，可以至少比其高两倍。
-通道的长度E大于在下游支撑件下游的叶片中之一的厚度。
-下游支撑件具有在轴向上游打开的环形沟槽，且其中上游支撑件轴向接合。
-分别根据流动且与流动垂直地，在通道的给定点可测量通道的长度E和高度C。
-上游支撑件和下游支撑件轴向重叠。
-上游部分和下游部分相对于彼此倾斜，例如至少2°、或3°或5°或10°。
-上游和下游支撑件布置在叶片的内端部处。
-连接弧位于前边缘的下游。
-组件包括上游支撑件的下游和前端边缘之间的轴向间隙B，轴向间隙B大于或等于通道的轴向长度。
-上游叶片是定子叶片，上游支撑件是内部箍，下游叶片是转子叶片，下游支撑件是转子环形平台。
-压缩机转子设置为至少以10000rpm或15000rpm或18000rpm旋转。
本发明还涉及压缩机组件包括通过上游支撑件连接环形排上游叶片；环形排下游叶片，通过下游支撑件连接，下游叶片具有前边缘；环形通道,通过上游支撑件和下游支撑件界定，其中下游支撑件包括圆锥形表面和环形表面部分,其连接到圆锥形表面且在其下游，环形表面部分被轴向布置在下游叶片的前边缘下游。环形表面部分是呈现连接弧的另一方式。
本发明的主题还涉及涡轮机，特别是飞机涡轮喷气发动机，涡轮机包括组件，特别是根据本发明的组件，优选地，转子是也支撑第三环形排的鼓轮。叶片布置在上游叶片的上游。
根据本发明的有利实施例，涡轮机包括空气取样孔口，其与其外部环境连通，所述孔口被设置在环形通道上游和/或与所述环形通道连通，以便冷却鼓轮。
本发明还涉及涡轮机压缩机的稳定性控制方法，压缩机包括具有环形排上游叶片的组件，该叶片具有从上游支撑件延伸的尾边缘；环形排下游叶片，具有轴向面对该尾边缘且从下游支撑件径向延伸的前边缘；环形通道，通过上游支撑件和下游支撑件限定；下游支撑件包括外表面，该外表面具有的轮廓包括：上游部分，界定环形通道和下游部分；特点是，轮廓进一步包括将上游部分连到下游部分的连接弧，且特点是方法包括压缩机操作步骤，在其期间，流动经过环形通道，环形通道相对于下游部分倾斜角度小于或等于15°、或10°或5°；组件是根据如上所述实施例的。
根据本发明的有利实施例，在压缩机操作步骤期间，流动与接触外表面(且特别是上游部分)的边界层汇合；流动和边界层相对于彼此倾斜的角度最大为30°、或25°、或20°、或15°、或10°、或5°。
根据本发明的有利实施例，在压缩机操作步骤期间，流动与轴向经过压缩机的环形流动汇合；从剖面看，所述流动和环形流动相对于彼此倾斜的角度最大为20°、或15°、或10°、或5°。
根据本发明的有利实施例，压缩机包括转子，该转子支撑在压缩机操作步骤期间转子旋转速度至少为10000rpm、或15000rpm、或18000rpm、或20000rpm。
根据本发明的有利实施例，在压缩机操作步骤期间，流动冷却下游支撑件。
通常，本发明的每一个目的的有利模式也适用于本发明的其他目的。根据所有可能的技术组合，本发明的每一个目的可以与其他目的组合，且本发明的内的还可与说明书的实施例组合，另外其也可彼此组合，除非另有明确说明。
优点
本发明提出一种特定的环形通道几何结构，其限制了在两个连续的环形带层之间的空气流动的回注(reinjection)的影响。遮罩或平台边缘上游的前边缘的位置有助于流动且允许对管路的更有利的改变。本发明的几何结构可以设置在每一个箍和每一个平台的上游和下游。
由于本发明，例如通过角度β，通过连接弧曲率半径R，且通过轴向间隙G，从遮罩回流的流动的分离被避免，主流动更“贴合”界定了主流动的环形壁。由此，改进效率和稳定性。
附图说明
图1显示根据本发明的轴流式涡轮机。
图2是根据本发明的涡轮机压缩机的图。
图3示出了根据本发明的挤压级。
图4是根据本发明的环形通道的侧视图。
具体实施方式
在以下描述中，用语“内部”和“外部”是指相对于轴流式涡轮机旋转轴线的定位。轴向方向对应于沿涡轮机的旋转轴线的方向。径向方向垂直于旋转轴线。上游和下游是指蜗轮机中的主流动方向。
图1是轴流式涡轮机的简化示意图。其在该情况下是双流式涡轮喷气发动机(two-flow turbojet engine)。涡轮喷气发动机2包括第一压缩级(即低压压缩机4)、第二压缩级(即高压压缩机6)、燃烧室8和一级或多级涡轮机10。在操作中，涡轮机10的经由中心轴传递到转子12的机械动力使得两个压缩机4和6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的旋转由此可以产生空气流动并将其逐渐压缩，直到其到达燃烧室8。
共同指定的风扇或风机入口风扇16联接到转子12并产生空气流动，该空气流动被分为经过涡轮机的上述各级的主流动18和沿机器经过一环形管道(部分示出)以在涡轮机出口处与主流动汇合的次流动20。
次流动可被加速以便产生飞机飞行所必要的推力。主流18和次流20是同轴环形流动且彼此匹配。
图2是轴流式涡轮机的压缩机的截面图，例如图1中的那个。流动可接近音速。压缩机可以是低压压缩机4。可看到风机16的一部分以及主流动18和次流动20的分离喷嘴22。转子12包括三排转子叶片24。转子12可以是带叶片的单件鼓轮，或其可以包括具有燕尾榫内端的叶片。
低压压缩机4包括几个定子级，在该情况下是四个，每一个含有一排定子叶片26。一些定子叶片可以调整取向，也称为可变定子叶片。定子级与风扇16或一排转子叶片关联，以使空气流动变直，以便将流体速度转换为压力，包括静态压力。
定子叶片26基本上从外壳体31径向延伸，且可固定在该处并通过轴而固定不动。可选地，叶片之间的间隔可以局部改变，且其角方位也可局部改变。一些叶片(24；26)可以与其所在排中的其余叶片不同。壳体31可以用多个环或半个遮罩形成。
图3示出了一对压缩机叶片，例如针对图2所示的压缩机。整个环形排的叶片可包括相同叶片。
叶片可以对应于第一叶片和第二叶片，或对应于上游叶片28和下游叶片30。这些叶片可以分别对应于定子叶片26和转子叶片24，例如之前图中所示的那些。叶片径向延伸并经过主流动18。它们从压缩机的外壳体31延伸，且达到内环32或环形平台34，其分别形成上游支撑件36和下游支撑件38，或更通常地称为第一支撑件和第二支撑件。这些支撑件(36；38)是环形的。其每一个可以是单体的(即整体的)。还可以是，遮罩可用几个部分制造。
叶片(24-28)每一个具有前边缘40和尾边缘42，其在相应叶片的整个径向高度上延伸。对于上游叶片28，前边缘40和尾边缘42将上游支撑件36连接到外壳体31。对于下游叶片30，前边缘40和尾边缘42从下游支撑件38径向延伸到下游叶片30的头部44。头部44可以是下游叶片30的自由径向端部。在操作中，该头部44可以接触可磨损材料层46，该可磨损材料层布置为抵靠外壳体31以确保密封布置；尤其是动态密封。
上游支撑件36和下游支撑件38在它们之间界定出环形通道48。环形通道48轴向且径向地位于支撑件(36；38)之间。空气流动49(在下文也称为“辅助流”)——例如通过冷却流和上游支撑件36下方的泄漏流形成——经过该环形通道。环形通道48具有沿下游取向且基本上相对于主流动18倾斜的流动方向。
环形通道48可以基本上与贴着上游支撑件36并随后贴着下游支撑件38流动的边界层50成切向或平行。边界层50可以被下游叶片30切过。环形通道48主要是轴向向下游取向。其形成了朝向下游叶片30的前边缘40的圆形嘴部。
从剖面看，通过通道48给定的辅助流49的取向允许主流动18保持流线彼此平行，且平行于下游支撑件38。即使存在通过下游叶片30形成的干扰，本发明也能保持这种构造。
压缩机可配置为使得其转子运行，且由此运转至少18000rpm。这意味着其转子，且特别是转子叶片24，能抵抗相应的离心力。此外，必须形成精确的动态平衡以降低转子旋转期间的振动。压缩机可以是高速压缩机，也称为快速增幅器(fast booster)。
压缩机的转子(例如在高速压缩机的情况下)可以用盘状件形成，包括带叶片的盘状件；即这样的盘状件，其每一个叶片排形成与相关的支撑盘状件整合的单件组件。
图4是形成在上游支撑件36和下游支撑件38之间的环形通道48的放大视图。在两侧上显示了轴向远离环形通道48的上游叶片28的尾边缘42和下游叶片30的前边缘40。仅显示了两个叶片，但是本发明适用于其整个相应排。
上游支撑件36可以具有围绕旋转轴线14的环形下游沟槽52。该下游沟槽52可以轴向向下游打开，且接收下游支撑件的上游端部54，其例如是环形喙状部56。上游端部54形成了在下游沟槽52中轴向延伸的第一导流部。下游沟槽52可以是环形通道48的一部分。后者可以围绕下游支撑件38的上游端部54形成。
下游支撑件38可以呈现围绕旋转轴线14的环形形状的环形沟槽58。该上游沟槽58可以接收内表面60(例如管状的)，上游支撑件36可以形成第二导流部。内表面60可接收可磨损材料层62，其与形成在下游支撑件38上(例如在上游沟槽58的端部处)的环形肋64(也称为擦拭器)协作。经由其沟槽(52；58)的互相贯通实现的支撑件的嵌套能在它们之间所界定的环形管道66中形成三次反向轴向流动。这增加了导流部并限制了泄露。
因此通过下游沟槽52的上游支撑件36的内环形表面68环绕并界定出环形通道48。该环形表面68可以是大致圆锥形的。
下游支撑件38包括外表面70。外表面70可以界定通道48的内部和主流动18。其引导边界层50。外表面70具有围绕转子的轴线旋转14的轮廓71。“轮廓”意味着由曲线组成的几何体(curvilinear geometrical entity)，其是一表面在与压缩机成横向且包括轴线14的平面上的投影。外表面70通过围绕轴线14的轮廓71的旋转而以几何方式限定。
轮廓71包括上游部分72、连接弧74和下游部分76。下游部分76可以轴向地处于下游叶片30处。连接弧74接触两个部分(72、76)，其通过形成它们的对接部分而将它们连接起来。上游部分72可以部分地布置在下游沟槽52中。其可以界定通道48。其可以接触下游叶片30的内弧面和外弧面，和/或可以接收前边缘40的径向端部78。因为前边缘40的一点的轴向位置随这种点在叶片30上的径向高度而变化，所以弧74可沿前边缘40轴向延伸，所述弧与前边缘轴向重叠。
连接弧74可以布置在前边缘40的下游。具体说，连接弧74在内端部78(也称为叶片角部)的下游凹入。轴向间隙G(例如抵靠外表面70测量)将前边缘40与连接弧74分离。轴向间隙G可大于或等于下游叶片30的弦线75的5％或10％。弦线75可以是中弦线(mediumchord line)。其可将前边缘40连接到下游叶片30的尾边缘(未示出)。上游部分72随后形成连续滑坡(slope slide)，前边缘40在该处开始，特别是通过接收内端部78。
上游部分72和下游部分76相对于彼此倾斜一角度β，例如至少5°或至少10°。它们每一个可相对于旋转轴线14倾斜，上游部分72倾斜最大。上游部分72可以相对于旋转轴线14以15°到45°(可以是20°到30°(包括端点))的角度α倾斜。
连接弧74可以具有恒定半径R。其可由此限定一部分环形表面，其将上游圆锥形表面和下游圆锥形表面连接，所述上游圆锥形表面和下游圆锥形表面分别是上游部分72和下游部分76。
通道48具有根据流过其中的辅助流动49得到的长度E和垂直于同一辅助流动49的高度C。辅助流动49可以沿通道48的轮廓的中轴线80。中轴线80可以平行于上游部分72，且是相对于内表面68而言的。其可以相对于旋转轴线14倾斜一角度α。
长度E可以大于高度C的90％。比例E/C可以大于或等于1。长度E可以大于下游叶片30的厚度。可抵靠下游支撑件38测量下游叶片的厚度，可以是在叶片30与支撑件38的连接部的半径以外。
连接弧74的半径R可以大于高度C和/或长度E，例如为其至少两倍。半径可为10mm到100mm。这改善连接的平滑性，且限制边界层50中的扰动。限制旋涡，也会限制前边缘40处的空气流动的分离(detachment)。
上游部分72形成接合在通道48中且在下游叶片30下方的连接部。然而，前边缘40相对于通道48偏移。分开的轴向距离B大于长度E和/或大于高度C。

Claims (9)

1.一种用于涡轮机的压缩机组件，该组件包括：
环形排上游叶片，具有从上游支撑件径向延伸的尾边缘；
环形排下游叶片，具有相应前边缘和尾边缘，在前边缘和尾边缘之间限定弦线，其中前边缘轴向面对上游叶片的尾边缘，其中下游叶片从下游支撑件径向延伸；
环形通道，通过上游支撑件和下游支撑件界定；
其中下游支撑件包括具有一轮廓的外表面，所述轮廓包括：
上游部分，界定环形通道；
下游部分；和
连接弧，将上游部分连接到下游部分，下游叶片的前边缘布置在连接弧的上游，由此限定将前边缘与连接弧分离的轴向间隙；
其中环形排上游叶片或环形排下游叶片能围绕旋转轴线旋转，且其中在平行于旋转轴线的横向截面中观察时，环形通道具有几何中心线，所述几何中心线与旋转轴线形成15°到45°的角度；
其中所述轴向间隙大于或等于弦线长度的10%。
2.如权利要求1所述的组件，其中下游叶片的每一个前边缘具有布置在连接弧上游的径向内端部。
3.如权利要求1所述的组件，其中上游支撑件具有界定环形通道的圆锥形内表面。
4.如权利要求1所述的组件，其中上游支撑件具有向轴向下游打开的环形沟槽，上游部分至少部分地布置在所述环形沟槽中。
5.如权利要求1所述的组件，其中通道的长度大于或等于通道的高度。
6.一种用于控制涡轮机压缩机稳定性的方法，压缩机包括一组件，该组件包括：
环形排上游叶片，具有从上游支撑件径向延伸的尾边缘；
环形排下游叶片，具有相应前边缘和尾边缘，在前边缘和尾边缘之间限定弦线，其中前边缘轴向面对上游叶片的尾边缘，其中下游叶片从下游支撑件径向延伸；
环形通道，通过上游支撑件和下游支撑件界定，其中下游支撑件包括具有一轮廓的外表面，所述轮廓包括：
上游部分，界定环形通道；
下游部分；和
连接弧，将上游部分连接到下游部分，下游叶片的前边缘布置在连接弧的上游，由此限定将前边缘与连接弧分离的轴向间隙；
其中环形排上游叶片或环形排下游叶片能围绕旋转轴线旋转，且其中在平行于旋转轴线的横向截面中观察时，环形通道具有几何中心线，所述几何中心线与旋转轴线形成15°到45°的角度，
其中所述轴向间隙大于或等于弦线长度的10%，
其中方法包括操作压缩机的步骤，在此期间，空气流动沿相对于下游部分倾斜度小于或等于10°的方向经过环形通道。
7.如权利要求6所述的方法，其中在操作步骤期间，与所述外表面接触的边界层与所述流动汇合；所述流动和所述边界层相对于彼此倾斜不到30°。
8.如权利要求6所述的方法，其中在操作步骤期间，所述流动与轴向经过压缩机的环形流动汇合；所述流动和环形流动相对于彼此倾斜不到20°。
9.如权利要求6所述的方法，其中环形排上游叶片或环形排下游叶片在操作步骤期间以至少15000rpm的速度旋转。
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