CN111727302B - 包括次级路径中的热交换器的涡轮发动机 - Google Patents

包括次级路径中的热交换器的涡轮发动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及飞行器的涡轮发动机(10)，该涡轮发动机包括：主气流路径(16)，该主气流路径中被设置有低压压缩机(30)和高压压缩机(32)；次级气流路径(20)，该次级气流路径围绕主路径(16)布置并且与主路径同轴，该涡轮发动机(10)包括围绕涡轮发动机(10)的主轴线(A)分布的多个叶片，其中，压缩空气回路(40)抽吸在低压压缩机(30)和高压压缩机(32)之间的空气或抽吸高压压缩机中的空气产生压缩气流，并供应给涡轮发动机主轴线(A)附近的至少一个部件(12)，该压缩空气回路(40)包括热交换器(44)，该热交换器位于压缩空气和次级路径(20)中流动的气流之间，所述热交换器(44)被设置在至少一个矫直部叶片(54)中，该叶片中设置有热交换器的管道，所述管道具有压缩空气入口(62)和压缩空气出口(64)，该压缩空气入口和压缩空气出口位于所述叶片(54)的相同的径向端部(56)处。

Description

包括次级路径中的热交换器的涡轮发动机
技术领域
本发明涉及一种涡轮发动机，例如飞行器的涡轮发动机，该涡轮发动机包括用于冷却位于涡轮发动机主轴线附近的部件的装置。
更具体地，本发明涉及一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括用于冷却低压旋转轴和/或润滑油压力室的装置。
背景技术
在现有的涡轮发动机中，存在许多内部发动机空气回路。这些回路执行不同的功能。
在这些回路中，空气回路既完成了对润滑油壳体加压以防止油从这些壳体中流出的功能，又完成了冷却低压轴的功能。
该回路的空气在主路径的水平面处被抽吸，该主路径位于低压压缩机的下游，优选地，位于低压压缩机和高压压缩机之间。
该空气随后被油分离器排出，使空气经由壳体并从低压涡轮机的下游流向其余部分。
由于半径、孔、密封件等的变化，该回路将遭受压头损失。因此，压力比(抽吸压力/流出压力)必须相对较大，以便空气正确地流通并达到所需的流率。
在对该空气回路的限制中，有必要使空气的温度相对较低，以冷却低压轴并且不使壳体中的油过热。空气压力必须足以使上述压力比相对大，并使空气以规定的流率流通。
而且，在一些涡轮发动机中，热力学循环使得压力比对于回路来说太低而不能实现这些功能。因此，有必要找到一种变通的解决方法。
文献EP-0.743.435公开了一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括热交换器，该热交换器被集成在位于次级路径的矫直部叶片中。根据该文献，叶片包括空腔，该空腔在叶片的每个径向端部处开放，用于待冷却的气流的进入或流出。
因此，这种热交换器适用于空气回路，该空气回路供应位于例如涡轮发动机的外部套管中的部件，但是，该空气回路不适用于位于涡轮发动机的主轴线附近的通风部件。
本发明的目的是提供一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括用于有效地冷却从低压压缩机下游抽出的压缩气流，同时产生低压头损失的装置。
发明内容
本发明涉及一种飞行器的涡轮发动机，该飞行器的涡轮发动机包括主气流路径，该主气流路径中设置有低压压缩机和高压压缩机，
次级气流路径，该次级气流路径围绕主路径布置并且与主路径同轴，所述次级气流路径包括用于次级路径中流动的气流的矫直部，所述矫直部包括围绕涡轮发动机的主轴线A分布的多个叶片，
压缩空气回路，该压缩空气回路抽吸在低压压缩机和高压压缩机之间的空气，或者抽吸高压压缩机中的空气以产生压缩气流，所述压缩气流被供应给涡轮发动机的至少一个部件，所述的至少一个部件相对于所述主路径在所述涡轮发动机中径向地位于所述涡轮发动机的主轴线A附近，
其中，压缩空气回路包括热交换器，该热交换器位于压缩气流和在次级路径中流动的气流之间，该热交换器被设置在矫直部的至少一个叶片中，
其特征在于，热交换器包括设置在所述至少一个叶片中的管道，该管道包括压缩空气入口和压缩空气出口，该压缩空气入口和压缩空气出口位于所述叶片的相同的径向端部处。
使用被设置在至少一个矫直部叶片中的管道，能够使得在次级路径中不产生任何压头损失。
优选地，管道的压缩空气入口和压缩空气出口位于所述叶片的内部径向端部的水平面处。
优选地，所述叶片的内部空间与在次级路径中流动的气流隔离。
优选地，涡轮发动机包括润滑回路，润滑流体在该润滑回路中流通，该润滑回路包括设置在所述叶片中的部段。
优选地，所述部段包括润滑流体入口和润滑流体出口，与所述管道的所述压缩空气入口和所述压缩空气出口相同的是，该润滑流体入口和润滑流体出口位于所述叶片的径向端部的水平面处。
优选地，涡轮发动机包括路径间的隔室，该路径间的隔室位于主路径和次级路径之间，该压缩空气回路在空气流动方向上包括：
-至少一个空气抽吸点，该空气抽吸点由路径间的隔室的径向内壁承载；
-上游部段，该上游部段穿过路径间的隔室延伸至次级路径；
-被设置在所述叶片中的所述管道；
-下游部段，该下游部段穿过路径间的隔室从次级路径延伸至主路径，并延伸穿过横贯主路径的仿形臂；
-用于将压缩空气分配到所述涡轮发动机的至少一个部件的装置。
优选地，涡轮发动机的所述至少一个部件是涡轮发动机的低压轴。
优选地，所述至少一个部件是润滑油压力壳体。
优选地，所述至少一个部件是减速齿轮，该减速齿轮被设置在低压轴与涡轮发动机的风扇之间。
附图说明
本发明的其他特征和优点将通过阅读下面的详细描述显现出来，为了便于理解，请参考附图，在附图中：
-图1是飞行器的涡轮发动机的轴向截面示意图，该截面示意图包括根据本发明实施的压缩空气回路；
-图2是用于进行热交换的管道的局部放大图。
具体实施方式
飞行器的涡轮发动机10在图1中示出。
涡轮发动机10在远离主轴线A的方向上包括低压轴12、高压轴14、主气流路径16，次级气流路径20，用于将主路径16和次级路径20分隔的路径间的隔室18和中间套管22。
路径间的隔室18，也称为“核心隔室”，该路径间的隔室由界定主路径16的外部的径向内壁24和界定次级路径20的内部的径向外壁26径向地界定。套管22包括界定次级路径20的外部的径向内壁28。
从上游至下游，沿着其中的气流方向(即，从左至右的参照图1)，主路径16包括，低压压缩机30、高压压缩机32、燃烧室34、高压涡轮和低压涡轮(未示出)。
次级路径20包括矫直部(straightener)52，该矫直部用于使在次级路径20中流动的气流重新定向，以便使气流轴向流动。
矫直部52包括多个叶片54，该叶片围绕涡轮发动机10的主轴线A规律地分布，该叶片作用于在次级路径20中流通的气流，从而使气流沿涡轮发动机10的主轴线重新定向。
每个叶片54相对于主轴线线A基本上径向地延伸，并且包括用于将叶片与路径间的隔室18连接的径向内部径向根部端56和用于将其与套管22连接的径向外部径向头部端58。
涡轮发动机10还包括空气回路(未示出)，该空气回路分布在涡轮发动机内部，用于冷却涡轮发动机的多个部件。
在这些回路中，如图1所示，涡轮发动机10包括压缩空气回路40，该压缩空气回路被设计成既冷却低压轴12，又向包含装有运动部件的润滑油的壳体供应压缩空气，这些壳体位于低压轴的水平面处，并且使得能够对该润滑油加压。
该压缩空气还可以供应减速齿轮(未示出)，该减速齿轮被设置在低压轴12与涡轮发动机的风扇之间。
减速齿轮使得能够将风扇的转速与驱动风扇的低压轴12的转速分离。由此，尤其可以降低风扇叶片相对于低压压缩机的转速，并因此优化其各自的效率，从而提高推进效率。该减速齿轮尤其适用于具有高旁路比的涡轮喷气飞行器的发动机，该旁路比即为在次级路径中流动的空气流率之间的比率。
高旁路比可以减少发动机消耗，但会导致大的风扇尺寸。于是风扇的转速会受到限制，并且同样会限制低压压缩机和低压涡轮的转速。
该压缩空气回路40包括至少一个空气抽吸点42，该空气抽吸点位于路径间的隔室18的径向内壁24上。该抽吸点42位于低压压缩机30和高压压缩机32之间，或者甚至位于高压压缩机32中。
在后一种情况下，该抽吸点位于高压压缩机32的多个级中的一个级的水平面处，所述级是根据压缩空气的压力、温度以及在高压压缩机32的第一阶段进行抽出的可能性确定的，尽管存在可变定子叶片(通常称为VSV)。
所抽吸的空气处于足够高的压力下，以对油壳体加压。但另一方面，该空气的温度太高以至于不能冷却低压轴12并且也不能获得良好的润滑回路运行工况。
为此，压缩空气回路40包括热交换器44，该热交换器适于降低压缩空气的温度。
该热交换器44属于空气-空气类型的，并且冷空气源由在次级路径20中流通的空气构成。
因此，热交换器44位于次级路径20的水平面处，如下文中所述。
压缩空气回路40沿着压缩空气回路中的气流方向包括上游部段46、热交换器44、下游部段48和用于沿着低压轴12和油压力壳体的冷却点的方向分配压缩空气的装置(未显示)，该上游部段从空气抽吸点42延伸至热交换器44，该下游部段从热交换器44延伸至低压轴12。
因此，压缩空气回路40的上游部段46穿过路径间的隔室18，从路径间的隔室的径向内壁24延伸到路径间的隔室18的径向外壁26，所述上游部段46在所述径向内壁的水平面处连接到空气抽吸点42，所述上游部段在所述径向外壁的水平面处连接到所述热交换器44。
同样，有利地，压缩空气回路的下游部段48穿过路径间的隔室18从路径间的隔室的径向外壁延伸出，所述下游部段在所述径向外壁的水平面处连接到所述热交换器44，并且所述下游部段横穿仿形臂80中的布置于低压30和高压压缩机32之间的主路径16。
如上所述，热交换器44的冷气源由在次级路径20中流通的空气构成。
为了在压缩空气和次级路径20中流通的新鲜空气之间进行热交换，热交换器44包括管道50，该管道50被设置在矫直部52的至少一个叶片54内。
管道50包括压缩空气入口62和压缩空气出口64，管道通过该压缩空气入口被连接到上游部段46，管道通过该压缩空气出口被连接到下游部段48。
在下文的描述中，将参照被设置在管道50中的叶片54。应了解的是，本发明不限于本实施例，多个叶片54可以各自包含热交换器44的管道50。
叶片54除了其原始功能，即，矫直在次级路径20中循环的气流，之外，还被设计成具有在管道50中流通的压缩气流与次级路径20中流通的气流之间进行热交换的功能。
因此，管道50与叶片54的内壁热接触。叶片的外壁60被限定为与热交换功能独立。
叶片54的组成材料选择成利于热交换。在叶片54是涡轮发动机的结构元件的情况下，该材料例如是铝合金或甚至是钛合金。应了解的是，本发明不限于这些材料，叶片54可以由具有合适的散热特性的任何其他材料制成。
叶片54的外壁60的与不具有热交换功能的其他叶片54的形状相同，因此，热交换器44对次级路径20中的气流没有影响。
管道50被配置为连接到上游部段46和下游部段48，即，管道50其压缩空气入口62连接到上游部段46，管道50通过其压缩空气出口64连接到下游部段48，该压缩空气入口和压缩空气出口位于叶片54的同一径向端部的水平面处，并且在此处所述径向端部为叶片的内部径向根端56。
管道50的其余部分在叶片54内延伸。根据第一实施例，管道50形成倒U形，即，该管道包括位于叶片54的外部径向头部端58的水平面处的弯曲部74。
替代性地，管道包括分布在叶片54中的多个弯曲部74，这可以增加叶片54中的管道50的长度，以便增强热交换。
根据替代性实施例，如图2所示，叶片54还容纳润滑回路68的部段66，例如为润滑油等的润滑流体在润滑回路中流动。
该部段66与叶片54配合以类似于润滑压缩空气的方式来进行润滑流体的冷却。
润滑回路68的部段66包括润滑流体入口70和润滑流体出口72，该润滑流体入口和润滑流体出口被连接到润滑回路68的其余部分。
优选地，润滑流体入口70和润滑流体出口72也位于叶片54的内部径向根端56的水平面处。因此，仅叶片54的内部径向根端56包括用于连接管道和部段66的不同入口和出口的装置，这简化了其结构。
该替代实施例使得可以使用尽可能多的固定的叶片来形成热交换器。
无论实施例如何，叶片54被制造成使得其外壁60不包括在次级路径20中流通的一部分气流的任何抽出孔。因此，叶片54的内部空间与在次级路径20中流动的气流隔离。
另外，该叶片制造成有利于次级路径20中流通的气流与管道50中流通的压缩空气之间的热交换，并且如果适用，还有利于润滑流体进行热交换。
根据非限制性实施例，叶片54通过所谓的增材制造技术来制造。在这种情况下，管道50和部段66(如果适用)是同时制造的。
根据另外的实施例，叶片54是通过对板材或条材进行锻造而制造的。叶片也可以通过机械加工来制造，在这种情况下，在叶片中被设置有空腔，以形成管道50或部段66，并且该空腔通过粘结的，焊接的或钎焊的板而被再密封。

Claims (8)

1.飞行器的涡轮发动机(10)，所述飞行器的涡轮发动机包括：主气流路径(16)，所述主气流路径中被设置有低压压缩机(30)和高压压缩机(32)，
次级气流路径(20)，所述次级气流路径围绕所述主气流路径(16)布置并且与所述主气流路径(16)同轴，所述次级气流路径包括用于使在所述次级气流路径中流动的气流重新定向的矫直部(52)，所述矫直部包括围绕所述涡轮发动机(10)的主轴线(A)分布的多个叶片，
压缩空气回路(40)，所述压缩空气回路抽吸在低压压缩机(30)和高压压缩机(32)之间的空气或抽吸高压压缩机中的空气以产生压缩气流，所述压缩气流被供应给所述涡轮发动机(10)的至少一个部件(12)，所述的至少一个部件(12)相对于所述主气流路径(16)在所述涡轮发动机中径向地位于所述涡轮发动机(10)的主轴线(A)附近，
其中，所述压缩空气回路(40)包括热交换器(44)，所述热交换器用于所述压缩气流和在所述次级气流路径(20)中流动的气流之间的热交换，所述热交换器被设置在所述矫直部的至少一个叶片(54)中，
其中，所述热交换器包括设置在所述至少一个叶片(54)中的管道，所述管道包括压缩空气入口(62)和压缩空气出口(64)，所述压缩空气入口和压缩空气出口位于所述叶片(54)的相同的径向端部处(56)，
其特征在于，所述涡轮发动机包括润滑回路(68)，润滑流体在所述润滑回路中流通，所述润滑流体包括设置在所述叶片(54)中的部段(66)。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述管道的压缩空气入口(62)和压缩空气出口(64)位于所述叶片(54)的内部径向端部(56)的水平面处。
3.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述叶片(54)的内部空间与在所述次级气流路径(20)中流动的气流隔离。
4.根据权利要求3所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述部段(66)包括润滑流体入口(70)和润滑流体出口(72)，与所述管道(50)的所述压缩空气入口(62)和所述压缩空气出口(64)相同的是，所述润滑流体入口和润滑流体出口位于所述叶片(54)的径向端部(56)的水平面处。
5.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机(10)，所述涡轮发动机包括路径间的隔室(18)，所述路径间的隔室位于所述主气流路径(16)和所述次级气流路径(20)之间，其特征在于，
所述压缩空气回路(40)在空气流动方向上包括：
-至少一个空气抽吸点(42)，所述空气抽吸点由所述路径间的隔室(18)的径向内壁(24)承载；
-上游部段(46)，所述上游部段穿过所述路径间的隔室(18)延伸至所述次级气流路径(20)；
-设置在所述叶片(54)中的所述管道(50)；
-下游部段(48)，所述下游部段穿过所述路径间的隔室(18)从所述次级气流路径(20)延伸至所述主气流路径(16)，并延伸穿过横贯所述主气流路径(16)的仿形臂(80)；
-用于将压缩空气分配到所述涡轮发动机(10)的至少一个部件(12)的装置。
6.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述涡轮发动机的所述至少一个部件是所述涡轮发动机(10)的低压轴。
7.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述涡轮发动机的所述至少一个部件是润滑油压力壳体。
8.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述涡轮发动机的所述至少一个部件是减速齿轮，所述减速齿轮被设置在低压轴与所述涡轮发动机(10)的风扇之间。
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