CN111954750B - 包括用于通过空气流改善对转子盘的冷却的装置的涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行器涡轮机，该飞行器涡轮机包括诸如转子轴的至少一个管状元件(12)和至少一个转子轮，该至少一个转子轮围绕所述管状元件(12)延伸并包括盘(8b)，该盘在其外周边处承载有环形排的叶片，所述盘(8b)在与所述管状元件(12)相距一径向距离h处延伸，以限定出用于冷却气流(Fr)在运行期间的环形流动空间，其特征在于，所述管状元件(12)包括至少一个环形壁(19)，该至少一个环形壁径向向外延伸并被构造成使所述气流(Fr)转向，以使所述气流在盘(8b)与该环形壁(19)之间基本上径向地通过。

Description

包括用于通过空气流改善对转子盘的冷却的装置的涡轮机

技术领域

本发明涉及飞行器涡轮发动机。更具体地，本发明的目的在于在涡轮发动机运行期间，控制特别是压缩机和涡轮中的转子与静止部件之间的间隙。

背景技术

现有技术尤其包括文献WO-A1-2015/050680、US-A1-2016/069193、GB-A-836952和US-A1-2016/024927。

在压缩机中以及在涡轮中，移动轮顶部的间隙对发动机的效率具有第一级影响。间隙主要是机械现象和热现象的结果。

主要的机械现象是：转子在离心力作用下的变形、管道压力对转子和定子的影响、轴向位移。

关于热现象，我们发现特别是在高压压缩机中，转子和定子的组成部件的膨胀存在差异。这些部件通常具有不同的热膨胀系数，尤其是由于环境不同而具有不同的变形率。通常，通风性更高、质量更轻的定子部件比转子盘反应得更快，转子盘的惯性主要与通风不良的盘根的质量有关。热响应时间的这种差异会使运行间隙猛然敞开。

在一些发动机上，对效率进行优化意味着，发动机在上游和下游之间的压力梯度会在低转速时变小，该压力梯度激活在转子盘的孔的下方通过的冷却空气的流量。这导致转子盘的底部的冷却流的流量低，从而在间隙的临界点处引起高的响应时间。结果增加了耐磨材料的磨损，并增加了飞行器在巡航模式下运行时的间隙。

本发明的目的是提出一种解决方案，以便特别是当发动机的设计涉及在转子盘的根部通过的冷却空气的流量较低时，减少转子盘的热响应时间。

发明内容

本发明涉及一种飞行器涡轮发动机，该飞行器涡轮发动机包括诸如转子轴的至少一个管状元件和至少一个转子轮，该至少一个转子轮围绕所述管状元件延伸并包括盘，该盘在其外周边上承载有环形排的叶片，所述盘在与所述管状元件相距一径向距离h处延伸，以限定出用于冷却气流在运行期间的环形流动空间。所述管状元件包括至少一个环形壁，该至少一个环形壁径向向外延伸并被构造成使所述气流转向，以使所述气流在盘与所述环形壁之间基本上径向地通过。

环形壁迫使离开由盘与管状元件之间的环形空间形成的收缩部的流沿着盘的壁径向地行进。该收缩部导致流局部加速，从而增加了盘的壁的、其中流被加速所处的部分上的热交换系数。环形壁迫使流在环形空间之前或之后形成径向分量，从而沿着盘的横向壁的一部分行进。因此，通过使环形空间变窄而增加了用于加速流的交换表面，这改善了热传递，从而减小了间隙。

根据本发明，环形壁尤其由管状元件承载，因为由盘承载的环形壁可具有在盘中产生裂纹并使裂纹扩展的风险，从而降低了盘的使用寿命。

优选地，所述环形壁相对于所述流的流动方向位于所述盘的下游。

通过迫使从收缩部流出的流沿着盘径向地流动，增大了气流的加速部分与盘之间的交换表面。这增加了对盘的冷却，使得可以减小盘的热惯性，从而改善了包括该盘的转子轮周围的间隙。

如果在单个转子轮的盘后面仅布置一个环形壁，则最好选择对运行间隙而言最关键的环形壁。

通过改变流动结构，该装置还对布置在同一气流的路径中的相邻轮盘的冷却具有有益效果。

有利地，盘与管状元件之间的所述环形空间具有径向尺寸h，并且所述环形壁具有大于h的径向尺寸H。

因此，冷却气流的通道在盘与管状元件之间的环形空间后面具有在盘的后壁与环形壁之间的盘形部分，气体从该盘形部分径向地逸出。

优选地，盘与管状元件之间的所述环形空间具有径向尺寸h，并且所述环形壁位于与所述盘相距一轴向距离J处，该轴向距离J小于h。

在这种情况下，气体的通道的在轮盘后面的盘形部分比环形通道窄，这样通过迫使气体加速而增加了交换系数。有利地，以这样的方式限定轴向距离J，即，在轴向间隙的环形空间中，空气流的马赫数保持小于0.3。

有利地，所述环形壁与所述管状元件一体地形成。

有利地，所述盘包括中心球状部，该中心球状部包括基本上平坦的横向壁，该横向壁与所述环形壁相对地延伸，直到与管状元件相距一径向距离H2，环形壁的径向延伸量H基本上等于H2。

因此，迫使径向流跟随球状部的整个横向壁，该球状部是盘的质量最大的部分。

优选地，至少两个连续的轮盘围绕所述管状元件延伸，在连续的盘之间延伸的所述环形壁相对于所述流的流动方向更靠近上游盘而不是下游盘。

令人惊讶地，由上游盘附近的环形壁产生的有益加速作用一直延伸到下游盘。

有利地，至少一个盘相对于所述流的流动方向在所述盘的上游延伸，所述上游盘在与所述管状元件相距一径向距离处延伸，该径向距离大于所述盘与所述管状元件之间的径向距离h。

通过将盘处的环形壁布置成沿径向更靠近管状元件，环形壁被布置成靠近颈部，以使冷却流体流动，并且可以看出，这导致了围绕所述盘的总体加速，从而保持了对上游盘上的热交换的有利影响。

根据本发明的另一实施例，所述管状元件进一步包括第二环形壁，该第二环形壁径向向外延伸并被构造成使所述气流转向，使得气流在盘与该第二环形壁之间基本上径向地通过。

所述第二环形壁可通过相对于所述流的流动方向更靠近下游盘而不是上游盘而在连续的盘之间延伸。

下游盘可以包括中心球状部，该中心球状部包括基本上平坦的横向壁，该横向壁与所述第二环形壁相对地延伸，直到与管状元件相距一径向距离H2’，第二环形壁的径向延伸量H’基本上等于H2’。

下游盘的中心球状部与管状元件之间的径向距离H2’可以大于上游盘的中心球状部与所述管状元件之间的径向距离H2。

下游盘与管状元件之间的环形空间可以具有径向尺寸h’，并且所述第二环形壁被布置在与所述下游盘相距一轴向距离J’处，该轴向距离J’小于h’。

第二环形壁的轴向距离J’可以等于或大于环形壁的轴向距离J。

所述管状元件可以是套筒或拉杆。

所述管状元件可以属于诸如低压主体的第一旋转主体，并且所述至少一个盘可以属于诸如高压主体的第二旋转主体。

附图说明

通过参考附图阅读以下描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将更加清楚地显现，在附图中：

图1示出了在高压压缩机与低压涡轮之间的本发明所涉及的发动机的半轴向截面。

图2示出了腔的轴向半截面的轮廓，该轮廓对于类似于图1的压缩机示意性地示出了在转子盘的内端部处的径向内部空间，冷却流在该径向内部空间中循环。

图3示出了图2的位于球状部附近的障碍物处的细节，该球状部位于盘的根部。

图4示出了通过计算模拟得到的图2的腔中的冷却空气流的流线，

图5示出了根据本发明的第二实施例的位于两个连续的转子盘之间的两个障碍物的局部放大图。

在附图上，涡轮发动机的具有相同功能的元件用相同的附图标记来表示。

具体实施方式

图1示出了涡轮发动机的元件的一部分，主流通过该元件，特别是高压主体，随后通过低压涡轮。在此，高压主体包括高压压缩机1、燃烧室2和高压涡轮3。离开高压涡轮3的主流F的气体驱动低压涡轮4。主流F通过环形管道5到达高压压缩机1，该环形管道5通常将高压压缩机1连接到位于上游的低压压缩机(在此未示出)。高压压缩机1包括多个转子轮6，该多个转子轮6固定到高压涡轮5的转子轮7并围绕发动机的轴线X以给定速度ω1旋转。

特别地，高压压缩机1的转子轮6各自具有盘8，该盘8在其外周边上承载有在主流F中工作的环形排的叶片。每个转子的盘8都在其中心凹入，且通常包括围绕中心孔的环形球状部9。因此，转子轮6的重心靠近旋转轴线X，但是由于盘8的中心球状部9的质量，盘8具有高的热惯性。

低压涡轮4的转子轮10以与高压主体的转子轮6的旋转速度ω1不同的速度旋转。该转子轮10驱动低压轴11，该低压轴11在高压主体的转子轮6的盘8的中心球状部9的内部径向地穿过高压主体，以便驱动上游未示出的元件，例如低压压缩机。在此，在高压压缩机1上，低压轴11被套筒12或与套筒12绝缘的拉杆围绕。通常，所述套筒12以与低压轴11相同的速度旋转，并且基本上呈具有恒定直径的圆柱体的形式，该恒定直径小于球状部9的内径，从而留出轴向环形通道。

高压压缩机1的连续的转子轮6在其盘8的外周边上界定环形腔14的外壁13，该外壁13径向地位于主流动管道F的下方。腔14的径向内壁由套筒12限定，该套筒12在此以与盘8a至盘8d的ω1不同的速度旋转，例如以低压主体的速度旋转。转子轮6的盘8的冷却空气流Fr在该环形腔14中循环。在高压压缩机1的上游，该冷却流的回路具有入口15，该入口15对应于管道5中的主流F中的采样。在下游，在低压涡轮4的后面，该回路具有出口16，该出口16在主回路F中形成排气。

通过穿过连续的环形腔(包括上述环形腔14)而在该回路中从上游循环到下游的冷却空气的流量Fr是入口15与出口16之间的压力差的正斜率函数。如果冷却空气流量Fr增加，则(尤其是压缩机1中的)转子轮6的盘8的冷却效率增加。另一方面，由回路中的障碍物产生的压力损失限制了冷却空气流量。

特别地，每个转子轮6的盘8因此由球形根部9和环形部分90(也被称为“环形腹板”)组成。球状部9在套筒12的一侧上被布置在腔14中。腔14包括直径较小的环形空间，该环形空间由球状部9和套筒12界定，球状部9和套筒12之间的径向距离为h。环形腹板90从在盘的外周边上的外壁13基本上横向地朝向环形空间延伸。环形腹板90被构造成支撑环形排的叶片。球状部9与环形腹板90成一体。

在图2和图3中示意性地示出了本发明的实施例，以改善冷却空气Fr与一个或多个转子盘8之间的热交换系数。这些附图中所示的腔14是图1所示的高压压缩机1中的腔的示意图，以进行数值模拟，从而评估现象。在此，我们考虑具有转子盘8a、8b、8c和8d的腔14。环形腔14被壁13径向向外限制，该壁13由转子盘8a至8d所承载的元件形成，并靠近转子盘的外周边。以与盘8a至8d相同的速度ω1旋转的上游壁17和下游壁18轴向地封闭环形腔14，从而留出用于冷却空气Fr的环形入口开口和环形出口开口。入口开口和出口开口的外径与盘8a至8c的球状部9a至9c中的中心开口的直径相同。外壁13包括可变直径，该可变直径取决于盘8相对于空气流Fr的位置。在图2中，外壁13的直径从上游壁17附近的盘8d逐渐增加，直到下游壁18附近的盘8c。因此，外壁13的最大直径相对于盘8a至8d的球状部9a至9d中的中心开口的直径非常大。在此，盘8b是具有最小开口的盘，特别地，该最小开口小于在上游的盘8a的开口和在下游的盘8c的开口。

环形腔14的径向内壁由套筒12形成。该径向内壁的形状是具有给定半径D的圆柱体的形状，该径向内壁从腔14的入口穿过腔14到达腔14的出口，并且该径向内壁在其表面上承载环形障碍物19，该环形障碍物呈如下盘的形式：该盘的径向延伸量为H，在此被布置在从入口开始的第三盘8b的后面。所述环形障碍物19与套筒12成一体，并因此与套筒一起被旋转地驱动。

套筒12和转子盘8a至8c将腔14分成一系列子腔，这些子腔通过设置在球状部9a至9c与套筒12之间的窄环形通道连接，在该通道中，冷却空气Fr被加速并且交换系数高。因此，在环形腔中循环的空气优先冷却盘8a至8c的球状部9a至9c，这是令人满意的，因为这些球状部是盘的质量最大的部分。

参考图2，第三盘8b的球状部9b的中心开口之间的直径差限定了围绕套筒12的环形通道，该环形通道的径向延伸量h等于直径差。

在图2和图3的示例中，盘形障碍物19以与球状部9b的后横向壁相距较小轴向距离J的方式被布置在第三转子盘8b的后面。替代地，障碍物可同样被布置在HP压缩机的盘中的每一个盘后面。障碍物19的盘在套筒12的圆柱形壁上的径向延伸量H大于环形通道在套筒12与盘8b的中心球状部9b之间的径向延伸量h。因此，盘形障碍物19在盘8b的中心球状部9b的后面形成径向通道，冷却空气流Fr在该径向通道中通过掠过盘8b的球状部9b的后横向壁而径向地逸出。

优选地，障碍物19的盘与盘8b的球状部9b的后壁之间的轴向间隙J小于球状部9b与套筒12之间的环形空间的径向厚度h。特别地，障碍物19的轴向间隙J介于障碍物的径向距离H2的1/4至1/10之间，同时确保轴向间隙J不超过球状部9b与套筒12之间的环形空间的径向厚度h。在图3中，障碍物19被布置成具有基本上为径向距离H2的1/5的轴向间隙J。这样，径向逸出的空气被加速并更有效地冷却中心球状部9b。

在该示例中，中心球状部9b由平坦的横向壁20轴向地限制，该平坦的横向壁20径向地延伸，直到与套筒12相距一距离H2。有利地，障碍物19的盘的径向延伸量H基本上等于距离H2，因此形成冷却空气的径向排气间隙，从而形成沿着横向壁20延伸的盘。因此，加速空气的流量冷却了盘8b的中心球状部9b的最大部分。

图4示出了通过示出对图2和图3的构造进行计算而获得的冷却空气流Fr的流线而获得的现象。线在点A和点B处的集中表明，热交换不仅对于第三转子盘8b是重要的，而且对随后的盘8c也是重要的。

计算结果还表明，障碍物19的存在并未中断上游流，该上游流继续对先前的盘8a进行适当冷却。在此应注意，从盘8a到套筒12的径向距离小于从盘8b到套筒12的径向距离h。因此，在冷却流Fr的路径的颈部的高度处，由障碍物19对流进行干扰。

该实施例的示例表明，障碍物19的存在不会猛然增加压力损失，因此使得可以通过使转子盘8a至8c的中心球状部9a至9c附近的空气流Fr加速来增加与转子盘8a至8c的交换系数。嵌入在套筒12上的障碍物19的旋转速度不同于例如以低压主体的速度旋转的盘8a至8d的旋转速度。该旋转速度差对其值为J的轴向间隙内的流动压力损失的结果有积极的影响。

然而，发明人的计算表明，为了使压力损失最小化，关于轴向间隙J最好应满足两个条件。

如上所述，第一条件是轴向间隙J小于球状部与套筒之间的环形空间的径向厚度h。

第二条件是在轴向间隙J的环形空间中，空气流的马赫数保持小于0.3。

对于这种情况，定义了数量K＝R×T/γ，其中，R是理想气体常数，T是轴向间隙J处的空气温度，γ是拉普拉斯系数或绝热指数。根据该第二条件，穿过轴向间隙J的横截面通道必须保持小于数量K的平方根，再乘以腔14中的冷却空气流量Fr，再除以轴向间隙J处的空气压力的0.3倍。

在图2至图4中，障碍物19的位置示出了在所示的构造中转子盘8a至8c的交换系数的增加之间的良好折衷。然而，本发明不限于所提出的构造。可以基于上述考虑来改变障碍物19的尺寸，甚至可以将障碍物布置在多个盘的后面。障碍物的数量、尺寸和位置的选择将取决于涡轮发动机的构造和所寻求的折衷。

图5示出了第二实施例，其中，两个障碍物19、19’由套筒12承载并在两个连续的盘(分别为上游盘8b和下游盘8c)之间径向向外延伸。第一障碍物19对应于上述障碍物，即，第一障碍物19被布置在上游球状部9b的后横向壁20后面的轴向间隙J处，与套筒12相距一径向距离H2。与后横向壁20相距的该径向距离H2对应于第一障碍物19的径向距离H。第二障碍物19’基本上布置在下游球状部9c的前横向壁20’前面的一轴向间隙J’处。该前横向壁20’径向地延伸，直到与套筒12相距一距离H2’。有利地，第二障碍物19’的径向延伸量H’基本上等于距离H2’，从而形成冷却空气的径向排气间隙，该径向排气间隙形成这样的盘：该盘沿着下游盘8c的前横向壁20’延伸并与该前横向壁20’平齐。这两个障碍物使得空气流量能够加速以冷却上游球状部9b和下游球状部9c的最大部分。

有利地，下游球状部8c在与套筒12相距一径向距离h’处延伸，该径向距离h’大于上游球状部9b与套筒12之间的距离h，使得球状部9b的后横向壁20的距离H2大于下游球状部9c的前横向壁20’的距离H2’。因此，第一障碍物19的距离H大于第二障碍物19’的距离H’。

优选地，第二障碍物19’的轴向间隙J’至少等于第一障碍物19的轴向间隙J。例如，轴向间隙J’类似于或大于轴向间隙J的2至4倍，同时确保轴向间隙J’不超过球状部9c与套筒12之间的环形空间的径向厚度h’。在图5中，第一障碍物19的轴向间隙J等于第二障碍物19’的轴向间隙J’。这样，径向逸出的冷却空气流Fr也被重新加速并对下游盘8c的下游球状部9c进行更有效的冷却。

在两个连续的盘之间使用两个障碍物会同时增加两个连续的盘壁部分的热交换系数，在这两个连续的盘壁部分处，流动被加速，从而改善了套筒顶部的间隙。这还使得能够进一步减少上游盘9b和下游盘9c的热响应时间，同时几乎不产生相关的压力损失。

Claims (14)

1.一种飞行器涡轮发动机，所述飞行器涡轮发动机至少一个管状元件(12)和至少一个转子轮(6)，所述至少一个转子轮围绕所述管状元件(12)延伸并包括第一盘(8b)，所述第一盘在所述第一盘的外周边处承载有环形排的叶片，所述第一盘(8b)在与所述管状元件(12)相距一径向距离h处延伸，以限定出用于冷却气流(Fr)在运行期间的环形流动空间，所述管状元件(12)包括至少一个第一环形壁(19)，所述至少一个第一环形壁径向向外延伸并被构造成使所述冷却气流(Fr)转向，以使所述气流在所述第一盘(8b)与所述第一环形壁(19)之间基本上径向地通过；

其特征在于，所述第一盘(8b)包括上游球状部(9b)，所述上游球状部包括基本上平坦的后横向壁(20)，所述后横向壁与所述第一环形壁(19)相对地延伸，直到与所述管状元件(12)相距一径向距离H2，所述第一环形壁(19)的径向延伸量H基本上等于H2，

其中，至少两个连续的第一盘(8b)和第二盘(8c)围绕所述管状元件(12)延伸，在连续的第一盘和第二盘之间延伸的所述第一环形壁(19)相对于所述冷却气流(Fr)的流动方向更靠近所述第一盘(8b)而不是所述第二盘(8c)，

其中，所述管状元件(2)进一步包括第二环形壁(19’)，所述第二环形壁径向向外延伸并被构造成使所述冷却气流(Fr)转向，使得所述冷却气流在所述第二盘(8c)与该第二环形壁(19’)之间基本上径向地通过，

其中，所述第二环形壁(19’)在连续的第一盘和第二盘(8b，8c)之间延伸，所述第二环形壁相对于所述冷却气流(Fr)的流动方向更靠近所述第二盘(8c)而不是所述第一盘(8b)，并且

其中，所述第一环形壁(19)和所述第二环形壁(19’)与所述管状元件(12)一体地形成。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第一环形壁(19)相对于所述冷却气流(Fr)的流动方向位于所述第一盘(8b)的下游。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第一盘(8b)与所述管状元件(12)之间的所述环形流动空间具有径向尺寸h，并且所述第一环形壁(19)具有大于h的径向尺寸H。

4.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第一盘(8b)与所述管状元件(12)之间的所述环形流动空间具有径向尺寸h，并且所述第一环形壁(19)位于与所述第一盘(8b)相距一轴向距离J处，所述轴向距离J小于h。

5.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机，其特征在于，至少一个第三盘(8a)相对于所述冷却气流(Fr)的流动方向在所述第一盘(8b)的上游延伸，所述第三盘(8a)在与所述管状元件(12)相距一径向距离处延伸，所述径向距离大于所述第一盘(8b)与所述管状元件(12)之间的径向距离h。

6.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第二盘(8c)包括下游球状部(9c)，所述下游球状部包括基本上平坦的前横向壁(20’)，所述前横向壁与所述第二环形壁(19’)相对地延伸，直到与所述管状元件(12)相距一径向距离H2’，所述第二环形壁(19’)的径向延伸量H’基本上等于H2’。

7.根据权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，所述径向距离H2’小于所述径向距离H2。

8.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第二盘(8c)与所述管状元件(12)之间的环形流动空间具有径向尺寸h’，并且所述第二环形壁(19’)被布置在与所述第二盘(8c)相距一轴向距离J’处，所述轴向距离J’小于h’。

9.根据权利要求8所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第二环形壁(19’)的轴向距离J’等于或大于所述第一环形壁(19)的轴向距离J。

10.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机，其特征在于，所述管状元件(12)是套筒或拉杆。

11.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机，其特征在于，所述管状元件(12)属于第一旋转主体，并且所述至少一个第一盘(8b)属于第二旋转主体。

12.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述管状元件为转子轴。

13.根据权利要求11所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第一旋转主体为低压主体。

14.根据权利要求11所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第二旋转主体为高压主体。

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