CN110242617B - 压缩机转子冷却设备 - Google Patents

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Abstract

一种压缩机冷却设备，包括：安装成用于围绕中心线轴线旋转的叶片排；定位在叶片排的下游且与叶片排成流连通的固定式扩散器；设置在扩散器与叶片排之间的导流器，导流器具有与扩散器成流连通的入口，且具有定向成朝向叶片排而引导流的出口。

Description

压缩机转子冷却设备
技术领域
本发明大体上涉及燃气涡轮发动机中的压缩机，且更特别地涉及这样的压缩机中的冷却。
背景技术
燃气涡轮发动机包括成串行流连通的压缩机、燃烧器和涡轮。涡轮机械地联接到压缩机，且这三个构件限定涡轮机核心。该核心可以以已知的方式运行，以产生热的加压燃烧气体流，来使发动机运行以及做有用功，诸如提供推进推力或机械功。
现代航空燃气涡轮以越来越高的总压力比(“OPR”)运转，从而改善比燃料消耗(“SFC”)。
较高OPR的一个问题是，它们造成较高的压缩机排出温度(T3)。高的T3温度使现代压缩机的后级的蠕变和疲劳接受力面临挑战。
发明内容
该问题通过一种压缩机冷却设备而得到解决，该压缩机冷却设备构造成将冷却空气从下游扩散器导引至压缩机的末级。
根据本文描述的技术的一个方面，一种压缩机冷却设备包括：安装成用于围绕中心线轴线旋转的叶片排；定位在叶片排的下游且与叶片排成流连通的固定式扩散器；设置在扩散器与叶片排之间的导流器(inducer)，导流器具有与扩散器成流连通的入口，且具有定向成朝向叶片排而引导流的出口。
根据本文描述的技术的另一个方面，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，其中压缩机包括：环形的压缩机壳体；安装成用于在压缩机壳体的内部围绕中心线轴线旋转的叶片排；定位在叶片排的下游且与叶片排成流连通的固定式扩散器；设置在扩散器与压缩机之间的导流器，导流器具有与扩散器成流连通的入口，且具有定向成朝向叶片排而引导流的出口。
技术方案1. 一种压缩机冷却设备，其包括：
安装成用于围绕中心线轴线旋转的叶片排；
定位在所述叶片排的下游且与所述叶片排成流连通的固定式扩散器；
设置在所述扩散器与所述叶片排之间的导流器，所述导流器具有与所述扩散器成流连通的入口，且具有定向成朝向所述叶片排而引导流的出口。
技术方案2. 根据技术方案1所述的设备，其特征在于，所述叶片排包括具有毂、腹板和边缘的可旋转的盘，其中多个压缩机叶片从所述边缘延伸。
技术方案3. 根据技术方案1所述的设备，其特征在于，所述导流器限定成周向阵列的通道，所述通道构造成改变通过所述导流器的空气流的切向速度。
技术方案4. 根据技术方案1所述的设备，其特征在于，所述扩散器包括环形的、大体上圆锥形的内臂。
技术方案5. 根据技术方案1所述的设备，其特征在于，所述扩散器的所述内臂包括形成于其中的供给孔。
技术方案6. 根据技术方案1所述的设备，其特征在于，所述导流器包括通过中心壁结构而相互连接的环形的内壁和外壁。
技术方案7. 根据技术方案1所述的设备，其特征在于，所述叶片排包括：
可旋转的盘，其具有限定成阵列的轴向燕尾槽的边缘；以及
多个压缩机叶片，其各具有容纳在所述盘的所述燕尾槽中的一个中的轴向燕尾部。
技术方案8. 根据技术方案1所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括将所述压缩机叶片固定在所述燕尾槽中的固持环。
技术方案9. 根据技术方案1所述的设备，其特征在于，所述压缩机叶片中的各个为翼型件形主体，其包括在前缘与后缘之间延伸的相反的凹侧壁和凸侧壁。
技术方案10. 根据技术方案1所述的设备，其特征在于，所述叶片排安装成用于在环形的压缩机壳体的内部旋转。
技术方案11. 一种燃气涡轮发动机设备，其包括：
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：
环形的压缩机壳体；
安装成用于在所述压缩机壳体的内部围绕中心线轴线旋转的叶片排；
定位在所述叶片排的下游且与所述叶片排成流连通的固定式扩散器；
设置在所述扩散器与所述压缩机之间的导流器，所述导流器具有与所述扩散器成流连通的入口，且具有定向成朝向所述叶片排而引导流的出口。
技术方案12. 根据技术方案11所述的设备，其特征在于，所述叶片排包括具有毂、腹板和边缘的可旋转的盘，其中多个压缩机叶片从所述边缘延伸。
技术方案13. 根据技术方案11所述的设备，其特征在于，所述导流器限定成周向阵列的通道，所述通道构造成改变通过所述导流器的空气流的切向速度。
技术方案14. 根据技术方案11所述的设备，其特征在于，所述扩散器包括环形的、大体上圆锥形的内臂。
技术方案15. 根据技术方案14所述的设备，其特征在于，所述扩散器的所述内臂包括形成于其中的供给孔。
技术方案16. 根据技术方案11所述的设备，其特征在于，所述导流器包括通过中心壁结构而相互连接的环形的内壁和外壁。
技术方案17. 根据技术方案11所述的设备，其特征在于，所述叶片排包括：
可旋转的盘，其具有限定成阵列的轴向燕尾槽的边缘；以及
多个压缩机叶片，其各具有容纳在所述盘的所述燕尾槽中的一个中的轴向燕尾部。
技术方案18. 根据技术方案17所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括将所述压缩机叶片固定在所述燕尾槽中的固持环。
技术方案19. 根据技术方案11所述的设备，其特征在于，所述压缩机叶片中的各个为翼型件形主体，其包括在前缘与后缘之间延伸的相反的凹侧壁和凸侧壁。
技术方案20. 根据技术方案11所述的设备，其特征在于：
所述叶片排包括环形密封元件；并且
所述扩散器包括沿轴向方向与所述叶片排的所述环形密封元件重叠的一个或多个环形密封元件。
附图说明
可通过参照结合附图得到的以下描述而最好地理解本发明，在附图中：
图1为结合压缩机冷却设备的燃气涡轮发动机的横截面示意图；
图2为图1中的发动机的压缩机的部分的示意性半截面视图；
图3为转子和压缩机叶片的部分的正视图；以及
图4为图2中显示的导流器的部分的示意性截面平面视图。
部件列表
10 发动机
11 中心线轴线
12 壳体
14 风扇
16 增压器
18 高压压缩机
20 燃烧器
22 高压涡轮
24 低压涡轮
26 外轴
28 内轴
30 轴承
32 风扇框架
34 涡轮后框架
36 转子组件
38 转子盘
40 毂
42 腹板
43 边缘
44 压缩机转轴
46 燕尾槽
48 压缩机叶片
50 根部
52 末梢
54 前缘
56 后缘
58 压缩机壳体
60 平台
62 密封元件
64 燕尾部
66 燕尾槽
68 开口环
70 钩
71 后臂
72 密封件转子
74 密封件
76 环形壁
78 固定式扩散器
80 供给孔
79 内部密封元件
81 外部密封元件
82 导流器
84 内壁
86 外壁
88 中心壁结构
92 通道
94 侧壁
96 入口
98 出口
100 切口
99 旋转式密封件。
具体实施方式
参照附图(其中遍及多种视图，同样的参考标号表示相同的元件)，图1描绘了结合压缩机转子冷却设备的示例性燃气涡轮发动机10。虽然示出的示例为高旁通涡轮风扇发动机，但本发明的原理也可适用于其它类型的发动机，诸如低旁通涡轮风扇发动机、涡轮喷气发动机、固定式燃气涡轮等。发动机10的构件中的若干构件以示意性框图的形式示出。发动机10具有纵向中心线轴线11和外部固定环形壳体12，外部固定环形壳体12围绕中心线轴线11同心地且沿着中心线轴线11同轴地设置。发动机10具有以串行流的关系布置的风扇14、增压器16、高压压缩机(“HPC”)18、燃烧器20、高压涡轮(“HPT”)22和低压涡轮(“LPT”)24。在运行中，来自高压压缩机18的加压空气在燃烧器20中与燃料混合且被点燃，由此产生燃烧气体。由高压涡轮22从这些气体提取一些功，高压涡轮22经由外轴26驱动压缩机18。然后，燃烧气体流入低压涡轮24，低压涡轮24经由内轴28驱动风扇14和增压器16。内轴28和外轴26可旋转地安装在轴承30中，轴承30本身安装在风扇框架32和涡轮后框架34中。
要注意的是，如本文使用的那样，用语“轴向的”和“纵向的”两者均指代与中心线轴线11平行的方向，而“径向的”指代与轴向方向垂直的方向，且“切向的”或“周向的”指代与轴向方向和径向方向相互垂直的方向。如本文使用的那样，用语“前”或“前部”指代沿穿过构件或在构件的周围经过的空气流而相对在上游的位置，且用语“后”或“后部”指代沿穿过构件或在构件的周围经过的空气流而相对在下游的位置。该流的方向在图1中由箭头“F”显示。这些方向用语仅仅为了描述上的方便才使用，且不需要由其描述的结构的特定取向。
图2中示出了HPC 18的转子组件36的部分的示意图。将理解的是，压缩机包括多级轴流叶片组；例如，典型的压缩机可包括6-14级。在运行中，静态空气压力通过各连续的压缩机级而逐渐增大，其中末级在意图的压缩机排出压力(“CDP”)下排出空气，以用于使空气随后流入扩散器，且从扩散器流入燃烧器。本文描述的概念涉及压缩机18的后端(出口)处的构造。
转子组件36包括具有毂40、腹板42和边缘43的末级转子盘38。边缘43与大体上圆柱形的压缩机转轴44成一体，如压缩机18的其它级的转子盘(未显示)那样。
边缘43包括承载成排的压缩机叶片48的多个轴向燕尾槽46(见图3)。各压缩机叶片48包括具有相反的压力侧和吸力侧的翼型件主体，压力侧和吸力侧在翼展上在根部50与末梢52之间且在翼弦上在前缘54与后缘56之间延伸。压缩机叶片48的末梢52紧密地靠近于周围的环形压缩机壳体58(图2)而延伸。
各压缩机叶片48包括平台60，平台60沿侧向向外延伸以限定流路表面，且沿轴向向后延伸以形成被称为“天使之翼”的弓形的密封元件62(见图2)。
各压缩机叶片48具有燕尾部64，燕尾部64在压缩机叶片48的基座处、在平台60的内侧形成。燕尾部64容纳在形成于边缘43中的互补的燕尾槽66中。叶片可由接合边缘43中的钩70的开口环68沿轴向固持。
大体上圆锥形的后臂71从边缘18沿轴向向后且沿径向向内延伸，且连结到承载旋转式CDP密封件74的一个半部的CDP密封件转子72。CDP密封件74的另一个半部安装到固定式扩散器78的环形壁76。
供给孔80设在扩散器壁76中，供给孔80使CDP空气进入扩散器壁76与后臂71之间的空间。
扩散器78的前端结合弓形的内部密封元件79，内部密封元件79定位在天使之翼62的径向内侧，且沿轴向方向与天使之翼62重叠。扩散器78的前端结合弓形的外部密封元件81，外部密封元件81定位在天使之翼62的径向外侧，且沿轴向方向与天使之翼62重叠。天使之翼62以及内部密封元件79和外部密封元件81共同形成双重叠的旋转式密封件。
使用合适的紧固件、机械接头或它们的组合来将导流器82安装到扩散器78的壁76。导流器82包括与环形外壁86间隔开的环形内壁84。内壁84和外壁86通过中心壁结构88相互连接。
图4中更详细地显示了中心壁结构88。中心壁结构88限定围绕导流器82的圆周设置的成阵列的通道92。各通道在其侧向范围上由侧壁94限制，且在入口96(其与供给孔80成流连通)与出口98之间延伸。出口98恰好定位在边缘43的下游(例如轴向后侧)，且在与边缘43大致相同的半径处。
通道92构造成使穿过它们的流沿切向方向转向和/或加速，以改变流的切向速度(或切向速度分量)。这可出于匹配转子盘38的切向速度的目的而完成。在一个示例中，流的输入切向角“T1”相对于轴向方向“A”大约为0°，且流的输出切向角“T2”为大约70°到大约80°。
可使用合适的设计工具来选择通道92的构造，包括诸如它们的数量、截面形状、长度尺寸、径向尺寸、会聚角和取向的特征，以针对具体的应用和运行状况范围来提供在压力损失量最小的情况下的期望的流转向度数。
在示出的示例中，中心壁结构88在通道92之间结合“切口”100，“切口”100是出于减轻重量的目的而在其处移除材料的区域。
在发动机运行期间，来自扩散器78的压缩空气的部分穿过供给孔80且进入导流器82。空气转向且加速，以使其速度与边缘43的切向速度匹配。然后，空气朝向边缘43排出，在边缘43处，空气有效地冷却边缘和/或压缩机叶片48。上文描述的双重叠密封组件阻止冷却空气流泄漏回到主流路中。另外，后臂71可设有旋转式密封件99，诸如示出的环形密封齿，旋转式密封件99沿径向向外延伸，终止于紧密地靠近于导流器82的位置。这有效地抑制从导流器82排出的冷却空气远离边缘43而泄漏到辅助流路中。用过的冷却空气可流过轴向燕尾槽66，以离开而到达较低压力的散热器。
可选地，压缩机叶片48可设有对燕尾槽66开放的一个或多个内部通路，以便将冷却流导引至压缩机叶片中，且因此提供冷却。
本文描述的压缩机冷却设备相对于现有技术具有优势。分析已显示，相比于现有技术，该压缩机冷却设备可显著地降低瞬时峰值温度。该冷却构造将允许压缩机的后边缘满足蠕变和循环寿命需求，同时也实现改善SFC的高OPR。
前述内容描述了一种压缩机冷却设备。本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合方式来组合，除了这样的特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合方式之外。
本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中公开的各特征可由用于相同的、等效的或类似的目的的备选特征替代，除非另外清楚地声明。因此，除非另外清楚地声明，否则公开的各特征仅为成系列的一类等效的或类似的特征中的一个示例。
本发明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、摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或扩展到如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的一个或任何新颖的组合。

Claims (20)

1.一种压缩机冷却设备，其包括：
安装成用于围绕中心线轴线旋转的叶片排；
定位在所述叶片排的下游且与所述叶片排成流连通的固定式扩散器；
设置在所述扩散器与所述叶片排之间的导流器，所述导流器具有与所述扩散器成流连通的入口，且具有定向成朝向所述叶片排而引导流的出口。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述叶片排包括具有毂、腹板和边缘的可旋转的盘，其中多个压缩机叶片从所述边缘延伸。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述导流器限定成周向阵列的通道，所述通道构造成改变通过所述导流器的空气流的切向速度。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述扩散器包括环形的、大体上圆锥形的内壁。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述扩散器的所述内壁包括形成于其中的供给孔。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述导流器包括通过中心壁结构而相互连接的环形的内壁和外壁。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述叶片排包括：
可旋转的盘，其具有限定成阵列的轴向燕尾槽的边缘；以及
多个压缩机叶片，其各具有容纳在所述盘的所述成阵列的轴向燕尾槽中的一个中的轴向燕尾部。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括将所述压缩机叶片固定在所述成阵列的轴向燕尾槽中的固持环。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述压缩机叶片中的各个为翼型件形主体，其包括在前缘与后缘之间延伸的相反的凹侧壁和凸侧壁。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述叶片排安装成用于在环形的压缩机壳体的内部旋转。
11.一种燃气涡轮发动机设备，其包括：
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：
环形的压缩机壳体；
安装成用于在所述压缩机壳体的内部围绕中心线轴线旋转的叶片排；
定位在所述叶片排的下游且与所述叶片排成流连通的固定式扩散器；
设置在所述扩散器与所述压缩机之间的导流器，所述导流器具有与所述扩散器成流连通的入口，且具有定向成朝向所述叶片排而引导流的出口。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述叶片排包括具有毂、腹板和边缘的可旋转的盘，其中多个压缩机叶片从所述边缘延伸。
13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述导流器限定成周向阵列的通道，所述通道构造成改变通过所述导流器的空气流的切向速度。
14.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述扩散器包括环形的、大体上圆锥形的内壁。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述扩散器的所述内壁包括形成于其中的供给孔。
16.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述导流器包括通过中心壁结构而相互连接的环形的内壁和外壁。
17.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述叶片排包括：
可旋转的盘，其具有限定成阵列的轴向燕尾槽的边缘；以及
多个压缩机叶片，其各具有容纳在所述盘的所述成阵列的轴向燕尾槽中的一个中的轴向燕尾部。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括将所述压缩机叶片固定在所述成阵列的轴向燕尾槽中的固持环。
19.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述压缩机叶片中的各个为翼型件形主体，其包括在前缘与后缘之间延伸的相反的凹侧壁和凸侧壁。
20.根据权利要求11所述的设备，其特征在于：
所述叶片排包括环形密封元件；并且
所述扩散器包括沿轴向方向与所述叶片排的所述环形密封元件重叠的一个或多个环形密封元件。
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