CN110177928B

CN110177928B - 具有变化厚度的流混合器

Info

Publication number: CN110177928B
Application number: CN201880006671.5A
Authority: CN
Inventors: 雷米·奥利维尔·帕格尼; 阿兰·保罗·迈德克
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2038-01-11
Also published as: US11506143B2; CN110177928A; FR3061749B1; CA3050019A1; EP3568583A1; WO2018130787A1; FR3061749A1; EP3568583B1; US20190338725A1

Abstract

本发明涉及一种多流式涡轮机中的同心气体流混合器，混合器包括大体圆柱形的上游部分和下游部分，下游部分具有在外周围绕所述混合器的塔分布的外波瓣和内波瓣，其特征在于，混合器包括至少一个经修改的波瓣，经修改的波瓣在至少一个区域中具有不同于其他波瓣的壁厚的壁厚，以便修改所述混合器的振动响应。

Description

具有变化厚度的流混合器

技术领域

本发明涉及一种用于多流式涡轮喷气发动机的流混合器。

背景技术

在多流式(特别是双流式)涡轮喷气发动机中，主流和二次流的混合在涡轮喷气发动机的下游部分中进行。回想到的是，主流是穿过燃烧室的热空气流。二次流就其自身而言是由风扇推进的冷空气流。该二次流围绕热空气流在包含压缩步骤、燃烧室和涡轮的壳体与涡轮喷气发动机的引擎罩之间同心地流动。

两种流的混合具有多个优点：减少气体喷射的噪声、增加推力和涡轮喷气发动机的整体效率。

专利FR2.875.854中描述了混合器的一个示例。通常，这种混合器在其周边上具有一系列波纹。这些波纹共同形成多个围绕混合器的纵向轴线周向分布的外波瓣和内波瓣。

根据其上安装有混合器的涡轮喷气发动机的类型，通常对该涡轮喷气发动机的不同的几何形状参数(混合器的长度和直径、波瓣的曲率半径等)进行修改，以便优化空气动力学性能和流的混合。

这些修改会对混合器的动态特性产生影响。

例如，混合器的长度的延长和该混合器的波瓣的曲率半径的增加可以导致部件的刚度降低，从而降低该混合器的固有振动模式的频率。

当这些振动模式与涡轮喷气发动机的某些稳定的运行速度相匹配时，由混合器的振动响应所产生的变形可能对该混合器的结构和机械强度而言是危险的。

这在图1a、图1b和图2a、图2b中示出。

参考图1a，对坎贝尔(Campbell)图的研究示出了混合器1中产生的振动频率作为涡轮喷气发动机的运行速度的函数而变化，突出显示了两种纯直径固有模式与由涡轮螺旋桨发动机的某些运行速度所产生的振动频率的匹配。

两条下降的线对应于0Φ类型的两种纯直径振动模式的固有频率。

这种类型的振动模式引起位于混合器的某些区域上的部件的径向变形和切向变形。

图1b中表示的变形的分布示出了绝大部分变形位于列0上，这种分布表征0Φ类型的纯模式。

这种类型的变形连续地引起部件的圆形膨胀和收缩。

由涡轮喷气发动机的运行所产生的混合器的振动频率与两种纯直径固有模式相匹配，特别是与处于与涡轮喷气发动机的稳定的运行模式之一相对应的频率的模式12(由竖直线表示)相匹配。

参考图2a，对混合器1的坎贝尔图的研究突出显示了在混合器1中由涡轮喷气发动机的运行所产生的振动频率与1Φ类型的两种纯直径模式的匹配。

这种类型的振动响应引起部件的径向变形和切向变形，在图2b中示出的该部件的径向变形和切向变形的分布连续地引起椭圆形的膨胀和收缩。所有变形都定位在列1上，这种分布表征1Φ类型的纯模式。

这些纯直径模式中的一种纯直径模式是针对与飞行器的稳定的运行速度相对应的频率而实现的。

发明内容

本发明的一般目的在于使混合器的振动响应最小化。

另一目的在于限制混合器在其结构修改中固有的质量增益。

根据一个方面，本发明提出了一种用于多流式涡轮机中的同心气体流的混合器，该混合器包括大体圆柱形的上游部分和下游部分，该下游部分具有在所述混合器的周界上周向分布的外波瓣和内波瓣，其特征在于，该混合器包括至少一个以非周期性角度图案设置的经修改的波瓣，该经修改的波瓣至少在一个区域处具有不同于其他波瓣的壁厚的壁厚，以便修改所述混合器的振动响应。

这种混合器有利地通过单独采用或组合采用以下不同特征来完成：

-经修改的波瓣具有在常规波瓣的壁厚的110％至300％之间变化的壁厚；

-经修改的波瓣具有1.5mm的厚度；

-经修改的波瓣具有在常规波瓣的壁厚的50％至90％之间变化的壁厚；当然，如果混合器还包括至少一个具有在常规波瓣的壁厚的110％至300％之间变化的壁厚的经修改的波瓣，则该波瓣与那些具有在常规波瓣的壁厚的50％至90％之间变化的壁厚的波瓣不同；

-混合器包括至少两个经修改的波瓣；

-材料的添加或移除扩展到整个区域上，该整个区域包括内半波瓣、外波瓣和内半波瓣；

-经修改的波瓣具有被设计成产生复杂振动模式的壁厚的构造；

-两个以非周期性角度图案设置的波瓣具有不同的壁厚。

根据另一方面，本发明涉及一种包括这种混合器的涡轮机。

附图说明

根据仅为说明性的且非限制性的并且应当参考附图阅读的以下说明，本发明的其他特征和优点将变得清楚，在附图中：

-图1a是坎贝尔图的图形表示，突出显示了0Φ类型混合器的纯直径固有模式与由涡轮喷气发动机在稳定的运行速度期间引起的振动的匹配，图1b是图1a的坎贝尔图中突出显示的其中一种固有模式中所遇到的变形分布的直方图表示；

-图2a是坎贝尔图的图形表示，突出显示了1Φ类型混合器的纯直径固有模式与由涡轮喷气发动机在稳定的运行速度期间引起的振动的匹配，图2b是图2a的坎贝尔图中突出显示的其中一种固有模式中所遇到的变形分布的直方图表示；

-图3示出了涡轮喷气发动机的轮廓以及构成该涡轮喷气发动机的元件的示意性截面图；

-图4a、图4b和图4c是从不同视角观察的流混合器的3D建模；

-图5a和图5b示出了针对所述0Φ类型的纯直径模式的混合器建模时的变形的定位和类型；

-图6a和图6b示出了混合器上复杂振动模式的变形的振幅和位置；

-图7a和图7b示出了混合器的3D建模，突出显示了所受到的修改，以便修改该混合器的振动响应。

具体实施方式

概况

参考图3，双流式涡轮喷气发动机T(将不再说明其被认为是已知的一般运行)通常从上游到下游具有推进空气流的风扇，该空气流将被分成主流Fp和二次流Fs。

主流在低压压缩机、高压压缩机、燃烧室、高压涡轮Thp中流动并在混合器1的下游汇合二次流Fs。

二次流Fs就其自身而言围绕内壳体Ci并在外壳体Ce内部与主流Fp同心地流动。

混合器1的功能是对涡轮喷气发动机T的出口处的主流Fp与二次流Fs的混合进行优化。

在性能和环境干扰方面，主流Fp与二次流Fs在涡轮喷气发动机T的下游进行混合带来许多优点，不断探索新的解决方案以优化混合物的均匀性。

流混合器

参考图4a、图4b和图4c，菊瓣轮类型的波瓣混合器1具有大体圆柱形的上游部分2和波纹状的下游部分3。

关于径向、轴向和切向方向的指示对应于混合器的轴线，该轴线也是涡轮喷气发动机的轴线。上游和下游概念遵循气体在涡轮喷气发动机中的流动方向。

下游部分的波纹共同形成多个围绕混合器1的纵向轴线周向分布的径向外波瓣4和内波瓣5。

混合器具有如下特性：至少一个波瓣在至少一个区域中具有材料的添加或撤除，该材料的添加或撤除被构造成对所述混合器的振动响应进行修改。

选择该添加或取出以改变该混合器的固有模式的频率，以便避免与由涡轮喷气发动机的稳定的运行速度所产生的振动频率相匹配。

特别地，为了减小振动响应，如稍后所示，对混合器1进行的修改旨在促进由纯模式的总和构成的复杂模式的出现。

混合器的实施例

参考图5a，保留的解决方案包括两个具有经修改的厚度的波瓣14。实际上，为了使质量增加最小化，寻求质量增加与振动响应修改之间的最佳折中。

因此，经修改的波瓣14是外波瓣44，该外波瓣具有较厚的表面部分，该部分如图5b中所观察到的那样在两个内波瓣5的与该部分交界的顶点之间延伸。

上面所提到的两个波瓣14具有与其他波瓣13的壁厚不同的壁厚。在保留的解决方案中，混合器1包括16个具有1mm壁厚的常规波瓣13以及2个具有1.5mm壁厚的特定波瓣14。

保持壁的增厚率还考虑了制造约束，以便确保在成品上在公差区域中具有最小厚度的厚波瓣14基本上不同于在公差区域中具有最大厚度的常规波瓣13，以确保所有混合器1的基本上恒定的性能增益。

经修改的波瓣14的厚度可以是常规波瓣的厚度的110％至300％。

例如，经修改的波瓣14可以具有代表常规波瓣13的厚度的150％的厚度。

显著的差异允许在制造期间明显的视觉差异，通过将并置和焊接在一起的半波瓣进行组装来制造混合器1。

在组装期间，两种不同类型的部件使得能够生产混合器1：

-第一种类型是常规波瓣13，该常规波瓣13包括由两个内半波瓣构成的外波瓣，这种类型的部件主要组成混合器；

-第二种类型是经修改的波瓣14，该经修改的波瓣14除了其壁的厚度之外具有与常规波瓣相同的一般几何形状，且在图5a中所示的解决方案的情况下，混合器1中包括两个经修改的完整波瓣。

部件被并置并焊接以形成混合器的波瓣。

经修改的波瓣14与常规波瓣13之间的接触轮廓不平滑，因此在接触处包括与经修改的波瓣与常规波瓣之间的厚度差相关的“阶梯”。

文献FR2912469中描述了用于制造混合器的另一种方法。

在本发明的其他实施例中，还设想的是，减小波瓣的厚度以产生相同的效果，经修改的波瓣14在该实施例中具有可以代表常规波瓣的厚度的25％至90％的厚度。

经修改的波瓣14可以例如具有代表常规波瓣13的厚度的50％的厚度。

对一个或多个波瓣的厚度进行偶尔修改也是可能的，诸如添加材料或局部的额外厚度以及移除材料(诸如在一个或多个波瓣上形成孔或凹槽)。

经修改的波瓣14的相对位置也影响混合器1的振动响应。实际上，由经修改的波瓣14的位置所形成的图案的角度周期性(沿着围绕混合器的轴线旋转的周期性)促进了固有模式的出现。因此，所设想的解决方案之一在对多个波瓣进行增厚的情况下在于布置多个波瓣，以便避免产生形成角度重复的图案。

参考图5b，经修改的波瓣14的加厚区域因此与外波瓣4相关。

因此，所采用的构造使得能够促进复杂振动模式的出现，除了大大减少了具有被认为是纯粹的直径的模式的数量之外，还减小了对混合器1的损害。

所需的振动模式

参考图6b，能够观察纯变形模式(在此是模式0Φ)下的变形的映射。对于给定的半径，变了形的形状通常是均匀的，在内波瓣5的波峰处在部件的最小直径处实现最大变形。

参考图7b，可以注意到的是，所表示的临界模式包括在直径Φ3、Φ12、Φ14、Φ15、Φ16、Φ17、Φ18、Φ19、Φ20和Φ21处具有径向变形的模式、在直径Φ0、Φ3和Φ6处具有切向变形的模式以及在直径Φ18和Φ21处具有轴向变形的模式的总和。除了具有较小的振幅之外，变形的分布还不太均匀。

Claims

1.一种用于多流式涡轮机中的同心气体流的混合器(1)，所述混合器包括大体圆柱形的上游部分(11)和下游部分(12)，所述下游部分具有在所述混合器(1)的周界上周向分布的外波瓣(4)和内波瓣(5)，其特征在于，所述混合器包括至少一个以非周期性角度图案设置的经修改的波瓣(14)，所述经修改的波瓣至少在一个区域处具有不同于其他波瓣的壁厚的壁厚，以便修改所述混合器(1)的振动响应。

2.根据权利要求1所述的混合器(1)，其特征在于，至少一个所述经修改的波瓣(14)具有在常规波瓣(13)的壁厚的110％至300％之间变化的壁厚。

3.根据权利要求1或2所述的混合器(1)，其特征在于，至少一个所述经修改的波瓣(14)具有1.5mm的厚度。

4.根据权利要求1所述的混合器(1)，其特征在于，至少一个所述经修改的波瓣(14)具有在常规波瓣(13)的壁厚的50％至90％之间变化的壁厚。

5.根据权利要求1或2所述的混合器，其特征在于，所述混合器包括至少两个经修改的波瓣(14)。

6.根据权利要求1或2所述的混合器，其特征在于，材料的添加或移除扩展到整个区域上，所述整个区域包括内半波瓣(5)、外波瓣(4)和内半波瓣(5)。

7.根据权利要求5所述的混合器，其特征在于，两个以非周期性角度图案设置的波瓣(14)具有不同的壁厚。

8.一种涡轮机，所述涡轮机包括根据权利要求1至7中任一项所述的混合器(1)。