CN111396196A - 压气机s形转接段及涡轮风扇发动机 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种压气机S形转接段，位于高压压气机与低压压气机之间，包括构成流道的流道内壁和流道外壁，流道内壁上设置有抽吸引气孔。本发明还提供一种包括上述压气机S形转接段的航空发动机。通过设置抽吸引气孔，可以抽吸附面层，优化高压压气机进口流场。

Description

压气机S形转接段及涡轮风扇发动机

技术领域

本发明涉及一种压气机S形转接段，还涉及一种包括该压气机S形转接段的涡轮风扇发动机。

背景技术

双转子的涡轮风扇发动机，其压气机一般由低压压气机(包括风扇)和高压压气机组成，低压压气机与高压压气机之间通过一个S形的转接段流道连接。由于转接段的S形结构，气流流经转接段时，在转接段的流道内壁附近会产生较大的流动损失，使得高压压气机进口处流道内壁面出现较多的低能流体，降低高压压气机的效率和稳定裕度，这对高压压气机的是不利的。目前公开的文献中，很少有针对该问题的解决措施。

美国发明专利US2008085182A1公开了一种用于燃气轮机的位于第一涡轮部分与第二涡轮部分之间的转接通道，其包含第一径向外部环形壁和第二径向内部环形壁，第一壁包含孔口，用于将流体喷射到通道中从而重新激励其边界层。该发明专利涉及的是燃气轮机，采用了“喷射补偿低能流体”的“喷射”加质方法来改善流场，其所采用的手段较为复杂。

本发明为了改善位于压气机S形转接段下游的高压压气机的进口流场而提供了一种简单易行的新的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压气机S形转接段结构，该结构可以优化高压压气机进口流场。

本发明提供一种压气机S形转接段，位于低压压气机与高压压气机之间，包括构成流道的流道内壁和流道外壁，所述流道内壁上设置有抽吸引气孔。

在一个实施方式中，所述流道内壁在对应所述抽吸引气孔的位置设置有向流道外突出的引气凸台，所述抽吸引气孔穿过所述引气凸台。

在一个实施方式中，所述引气凸台的突出长度是所述流道内壁的壁厚的1/3～1。

在一个实施方式中，所述压气机S形转接段还包括设置于所述流道内壁和所述流道外壁之间的支板叶片，所述高压压气机包括进口导流叶片，所述抽吸引气孔设置于所述支板叶片与所述进口导流叶片之间。

在一个实施方式中，所述抽吸引气孔设置于所述支板叶片的尾缘与所述进口导流叶片的前缘之间的中间位置。

在一个实施方式中，多个所述抽吸引气孔在周向方向上均匀布置。

在一个实施方式中，所述抽吸引气孔的横截面为圆形。

在一个实施方式中，所述抽吸引气孔的直径是相邻两个所述抽吸引气孔的间距的1/5～1/3。

在一个实施方式中，所述抽吸引气孔的孔深方向垂直于所述压气机S形转接段的中心轴线。

本发明又提供一种涡轮风扇发动机，包括上述压气机S形转接段。

上述压气机S形转接段以及涡轮风扇发动机中，通过在流道内壁上设置抽吸引气孔，在流道内壁内外两侧的压差作用下，抽吸引气孔可以抽吸转接段的附面层，减小转接段的流道中的附面层厚度以及低能流体，从而优化和改善高压压气机进口流场，进而可以有效提高高压压气机的效率和稳定裕度，进而有效扩大包括该高压压气机的涡轮风扇发动机的工作范围。

附图说明

包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施方式，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。

附图中：

图1为压气机S形转接段的纵向截面图。

图2为沿着图1中的线A-A截取的压气机S形转接段的横向截面图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施方式的内容限制本发明的保护范围。

例如，在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的示例中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

如本发明所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。例如，如果翻转附图中的器件，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”或“下面”的元件的方向将改为在所述其他元件或特征的“上方”。因而，示例性的词语“下方”和“下面”能够包含上和下两个方向。器件也可能具有其他朝向(旋转90度或处于其他方向)，因此应相应地解释此处使用的空间关系描述词。此外，还将理解，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。

图1和图2分别示出了压气机S形转接段10的纵向截面和横向截面的一部分。注意，图1中示出了来流方向D，即图中从左向右的方向，来流沿着左右方向从左向右进入到压气机S形转接段10，下文中的上游、下游都是针对来流方向D而言的。压气机S形转接段10大体为以平行于来流方向D地延伸的轴线X为中心轴线而旋转对称的结构，也即，图1仅示出了压气机S形转接段10的纵向截面的上半段，压气机S形转接段10的结构大体是图1中特征绕着轴线X旋转而形成的。而压气机S形转接段10的横向截面应该是360度延展的，而图2仅示出了压气机S形转接段10的横向截面的一个扇形段。

参见图1，压气机S形转接段10可以位于涡轮风扇发动机中，该涡轮风扇发动机的低压压气机(未示出)位于压气机S形转接段10在来流方向D的上游侧(也即图1中的左侧)，轴流式压气机的高压压气机位于压气机S形转接段10在来流方向D的下游侧(也即图1中的右侧)，也即，压气机S形转接段10位于低压压气机与高压压气机之间。关于高压压气机，图中仅示出了高压压气机的进口导流叶片4，进口导流叶片4是静叶，用于对进入高压压气机的气流增压，并将增压后的气流导流到高压压气机中位于其下游侧的动叶。此处的高压压气机和低压压气机是相对的概念，对于有多级增压的发动机而言，例如发动机包括高压压气机、中压压气机和低压压气机，压气机S形转接段10可以位于低压压气机与中压压气机之间，或者可以位于中压压气机与高压压气机之间。

压气机S形转接段10包括构成流道的流道内壁1和流道外壁2。此处的内壁和外壁是相对于压气机S形转接段10的横向截面的径向方向而言的，相对于该径向方向偏外的壁面称之为流道外壁2，偏内的壁面称之为流道内壁1。流道内壁1和流道外壁2皆围成了大体绕着轴线X旋转的筒形结构，并且该筒形结构的直径从左向右整体上逐渐减小，从上游侧也即低压压气机侧开始先较缓地减小，后来又较为剧烈地减小，最后又较缓地减小。流道外壁2所围成的筒形结构在对应位置的直径大于流道内壁1所围成的筒形结构的直径，流道内壁1和流道外壁2之间形成了环形的流道C。

根据本发明的实施方式，压气机S形转接段10的流道内壁1上设置有抽吸引气孔6。气流流经压气机S形转接段10的流道C时，由于该S形结构，在流道内壁1附近会产生一定厚度的低能量的附面层，而出现较多的低能流体，进而影响位于压气机S形转接段10下游侧的高压压气机的效率和稳定裕度，通过设置抽吸引气孔6，由于气流至少经过上游侧的低压压气机已经进行了增压，流道C内的气流压力比流道C外的空气压力高，在流道内壁1上设置的抽吸引气孔6的入口6a(通向流道C的开口)一侧和出口6b(通向流道C外的开口)一侧这两侧的压差作用下，附面层所导致的低能流体从抽吸引气孔6流出，也可以说抽吸引气孔6对附面层导致的低能流体形成了抽吸作用，从而减小流道内壁1位于流道C内的这一壁面的附面层的厚度，优化了下游侧高压压气机的进口流场，从而提升了高压压气机的气动性能，有效地提高了轴流式高压压气机的效率和稳定裕度，进而有效地扩大航空发动机的工作范围。

参见图2，压气机S形转接段10的流道内壁1上设置有多个抽吸引气孔6，多个抽吸引气孔6在周向方向上均匀布置，从而可以对附面层进行较为均匀的抽吸作用。图示实施方式中，抽吸引气孔6的横截面为圆形，优选地，抽吸引气孔6的直径是相邻两个抽吸引气孔6的间距的1/5～1/3。在另一实施方式中，压气机S形转接段10的流道内壁1上可以仅设置一个抽吸引气孔6。在又一实施方式中，多个抽吸引气孔6可以在周向方向上间距不等地布置，又或者，在流道内壁1上大体沿着来流方向D设置多个抽吸引气孔6或者多排抽吸引气孔。又或者，在又一实施方式中，抽吸引气孔6的横截面可以为非圆形，例如方形、菱形，甚至可以是不规则形状，例如五角星形。

图示实施方式中，抽吸引气孔6的孔深方向垂直于压气机S形转接段10的中心轴线X(或者说，来流方向D)。在另一实施方式中，抽吸引气孔6的孔深方向可以垂直于流道内壁1上抽吸引气孔6的设置处的壁面，或者倾斜于该设置处的壁面。

图示实施方式中，抽吸引气孔6沿着孔深方向的横截面尺寸一致，为圆筒形。在另一实施方式中，抽吸引气孔6可以沿着孔深方向的横截面尺寸不一致，例如在图1的截面图中，抽吸引气孔6的形状为朝向流道C外直径逐渐增加的喇叭形或者朝向流道C外直径逐渐减小的漏斗形。

图示实施方式中，抽吸引气孔6的出口6b通向高压压气机前轴承腔外腔5。高压压气机前轴承腔外腔5可以容纳从抽吸引气孔6的出口6b抽吸的气体，而且，从抽吸引气孔6的出口6b引入高压压气机前轴承腔外腔5的气体还可以进一步引导到发动机的其他部件处实现冷却、吹吸等作用。

在图示实施方式中，流道内壁1在对应抽吸引气孔6的位置设置有向流道C外突出的引气凸台7，抽吸引气孔6穿过引气凸台7。换言之，抽吸引气孔6伸出流道内壁1外，从而形成了引气凸台7，抽吸引气孔6的出口6b位于引气凸台7的突出端面。引气凸台7的设置可以优化抽吸引气孔6的出口6b处的流场，减小抽吸引气孔6对流道C的主流气流的影响。优选地，引气凸台7的突出长度设定为流道内壁1的壁厚的1/3～1。

参见图1，压气机S形转接段10还包括设置于流道内壁1和流道外壁2之间的支板叶片3。压气机S形转接段10可以在周向方向上布置多个支板叶片3。支板叶片3可以起到支撑作用，保持流道内壁1和流道外壁2的位置。如前面所描述，位于压气机S形转接段10下游侧的高压压气机包括进口导流叶片4。在流道内壁1上支板叶片3的出口处，在支板叶片3和进口导流叶片4之间的区域，附面层较厚，尤其是在支板叶片3和进口导流叶片4之间的中间位置，附面层特别厚。图示实施方式中，将抽吸引气孔6设置于支板叶片3与进口导流叶片4之间，优选地，抽吸引气孔6设置于支板叶片3的尾缘(也即，图1中的右边缘)与进口导流叶片4的前缘(也即，图1中的左边缘)之间的中间位置，针对附面层多的区域设置抽吸引气孔6更有利于抽吸低能流体的效率。

通过在压气机S形转接段10的流道内壁1上尤其是在末尾段也即支板叶片3的出口处设置上述抽吸引气孔6，可以抽吸流道内壁1上由于S形结构造成的附面层的低能流体，从而可以优化位于压气机S形转接段10下游侧的高压压气机进口流场，减少流进高压压气机的低能流体，可以有效地减弱高压压气机进口根部的附面层厚度，改善流场；可以有效提高压压气机尤其是轴流式高压压气机的效率和稳定裕度，进而有效扩大涡轮风扇发动机这类航空发动机的工作范围。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种压气机S形转接段，位于低压压气机与高压压气机之间，包括构成流道的流道内壁和流道外壁，其特征在于，所述流道内壁上设置有抽吸引气孔。

2.如权利要求1所述的压气机S形转接段，其特征在于，所述流道内壁在对应所述抽吸引气孔的位置设置有向流道外突出的引气凸台，所述抽吸引气孔穿过所述引气凸台。

3.如权利要求2所述的压气机S形转接段，其特征在于，所述引气凸台的突出长度是所述流道内壁的壁厚的1/3～1。

4.如权利要求1所述的压气机S形转接段，其特征在于，所述压气机S形转接段还包括设置于所述流道内壁和所述流道外壁之间的支板叶片，所述高压压气机包括进口导流叶片，所述抽吸引气孔设置于所述支板叶片与所述进口导流叶片之间。

5.如权利要求4所述的压气机S形转接段，其特征在于，所述抽吸引气孔设置于所述支板叶片的尾缘与所述进口导流叶片的前缘之间的中间位置。

6.如权利要求1所述的压气机S形转接段，其特征在于，多个所述抽吸引气孔在周向方向上均匀布置。

7.如权利要求6所述的压气机S形转接段，其特征在于，所述抽吸引气孔的横截面为圆形。

8.如权利要求7所述的压气机S形转接段，其特征在于，所述抽吸引气孔的直径是相邻两个所述抽吸引气孔的间距的1/5～1/3。

9.如权利要求1所述的压气机S形转接段，其特征在于，所述抽吸引气孔的孔深方向垂直于所述压气机S形转接段的中心轴线。

10.一种涡轮风扇发动机，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的压气机S形转接段。

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