CN112262252A - 涡轮发动机的涡轮喷嘴，包括将窜漏气体重新引入气体射流路径的被动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于飞行器涡轮发动机的涡轮喷嘴(22)，所述喷嘴包括至少一个叶片(28)以及具有平台(30)的基部(32)。喷嘴(22)装配有用于将窜漏气体重新引入主射流路径中的被动系统(56)，所述被动系统(56)包括位于基部(32)上的气体抽出端口(62)以及位于平台(30)的径向外表面(42)和/或叶片(28)的吸力侧表面(60)上的气体再注入端口(66)，所述气体再注入端口(66)被设计成以具有周向取向的再注入方向(70)对气流进行重新定向。

Description

涡轮发动机的涡轮喷嘴，包括将窜漏气体重新引入气体射流 路径的被动系统

技术领域

本发明涉及用于涡轮发动机、优选地用于飞行器的涡轮发动机的涡轮的领域，特别是涉及涡轮喷嘴的领域。本发明适用于任何类型的涡轮发动机，诸如，例如涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机。

背景技术

涡轮发动机通常由沿着涡轮发动机的轴向方向交替地布置的移动轮和喷嘴形成。例如从文献FR 3 034 129 A1中已知这种涡轮的设计示例。

在移动轮与位于下游的喷嘴之间的接合处，通常观察到窜漏气流，该窜漏气流从来自涡轮发动机的气体射流路径逸出，以到达被布置在喷嘴的径向内部平台下方的空腔。通常通过遵循位于喷嘴与下游的移动轮之间的间隙，将窜漏气流再注入喷嘴下游的射流路径中。因此，该窜漏气流以整体径向的方向被再注入射流路径中，整体径向的方向明显不同于主流在射流路径中的流动方向。

因此，窜漏气流的这种重新引入对主流产生了空气动力学扰动，从而导致效率损失。

发明内容

为了至少部分地解决上述问题，本发明首先涉及根据权利要求1的特征所述的用于涡轮发动机、优选地用于飞行器的涡轮发动机的涡轮喷嘴。

因此，本发明使得能够将射流路径中的窜漏气流重新定向为周向取向，从而使该窜漏气流的方向更接近于在射流路径中流动的主流的方向。因此，有利地减小了由于重新引入窜漏空气而引起的空气动力学扰动，并因此提高了涡轮发动机的效率。此外，通过使再注入方向具有径向取向，使得在沿着穿过气体再注入孔口中的任何一个气体再注入孔口的轴向截面进行观察时，该再注入方向局部地平行于或基本上平行于平台的径向外部表面。这使得能够更进一步接近于主流在射流路径中的流动方向，以便尽可能地减少对该主流的干扰。更一般地，优选地确保了窜漏空气的再注入方向与主流在射流路径中的流动方向基本上相同。

本发明优选地包括以下独立或组合使用的可选特征中的至少任何一个特征。

喷嘴包括通道，该通道成对地连接气体抽出孔口与位于平台的径向外部表面上的气体再注入孔口。通过提供将基部连接到平台的简单通道，可以容易地实施本发明，例如通过该喷嘴的增材制造。可替代地，抽出孔口和再注入孔口与设置在平台中的一个或多个内部空腔连通，以便有利于空气循环，减小喷嘴的质量并且有利于该喷嘴的制造。

所述气体再注入孔口通向平台的径向外部表面的下游部分，和/或通向所述至少一个叶片的上表面的径向内部部分。这些优选的区域是主流具有最低压力的区域，这使得能够容易地确保被动地重新引入窜漏空气。在这方面，应当注意，用于重新引入窜漏气体的系统的被动性质意味着仅通过流体压力差，即，特别是无需诸如为泵的电动外部设备的干预，就可自然地将气体再注入射流路径中。

优选地，气体抽出孔口通向基部的下游表面。

这些气体抽出孔口优选地被布置在基部的支撑部上。

基部包括向下游延伸的轴向突片，并且气体抽出孔口优选地被布置在平台的径向内部表面与所述轴向突片之间。

优选地，轴向突片沿轴向延伸，以便具有与被布置在该喷嘴下游的移动轮的上游扰流器重叠的轴向重叠区域。这使得能够限制将气体重新引入由基部平台径向向外界定的窜漏空腔的底部中。

喷嘴在小于360°的角扇区上延伸以形成喷嘴扇区，或者在等于360°的角扇区上延伸以形成环形喷嘴。

本发明还涉及一种涡轮发动机的涡轮，优选地涉及用于飞行器的涡轮发动机的涡轮，该涡轮包括至少一个被布置在两个涡轮移动轮之间的这样的喷嘴。

最后，本发明涉及一种涡轮发动机，优选地涉及用于飞行器的涡轮发动机，该涡轮发动机包括至少一个这样的涡轮，涡轮发动机是涡轮喷气发动机类型或涡轮螺旋桨发动机类型的。

本发明的另外的优点和特征将出现在下文的非限制性的详细描述中。

附图说明

将参考附图进行描述，其中：

-图1是根据本发明的双流式涡轮喷气发动机的示意性轴向截面图；

-图2示出了图1中所示的涡轮喷气发动机的涡轮的一部分的轴向截面图；

-图3示出了图2中所示的涡轮的喷嘴的一部分的透视图；

-图4示出了从另一视角进行观察的与图3等效的透视图；

-图5示出了图3和图4中所示的喷嘴的放大轴向截面图；

-图6以径向外部视图示出了图3至图5中所示的喷嘴；

-图7示出了与图4的透视图等效的透视图，示意性地示出了平台上的气体再注入孔口的优选布局；

-图8示出了与图4的透视图等效的透视图，示意性地示出了叶片的上表面上的气体再注入孔口的优选布局；以及

-图9示出了与图5的视图类似的视图，其中，根据替代实施例发现了喷嘴。

具体实施方式

首先参考图1，示出了根据本发明的优选实施例的飞行器涡轮发动机1。该飞行器涡轮发动机由双流双体式涡轮喷气发动机组成。然而，该飞行器涡轮发动机可以由另一种类型的涡轮发动机组成，例如由涡轮螺旋桨发动机组成，而不脱离本发明的范围。

涡轮发动机1具有纵向中心轴线2，该涡轮发动机的不同部件围绕该纵向中心轴线延伸。该涡轮发动机沿着穿过该涡轮发动机的主气体流动方向5从上游到下游包括风扇3、低压压缩机4、高压压缩机6、燃烧室11、高压涡轮7和低压涡轮8。

通常，在横穿风扇之后，空气被分成中心主流12a和围绕主流的次级流12b。主流12a流入通过压缩机4、6、燃烧室11和涡轮7、8的主气体射流路径(veine)14a中。次级流12b就其本身而言流入由发动机壳体在径向外部界定的次级射流路径14b，该发动机壳体由机舱9围绕。

图2更详细地示出了低压涡轮8的一部分。然而，本发明也可以应用于高压涡轮7，而不脱离本发明的范围。

该涡轮8具有交替的移动轮20和喷嘴22。在图2中，已经示出了两个移动轮20，喷嘴22位于这两个移动轮之间，且对应于涡轮的定子部分。

沿着由箭头24示意性地表示的涡轮的径向方向，喷嘴依次包括径向外部平台26、叶片28以及具有径向内部平台30的基部32。基部32在其内表面的高度上具有耐磨涂层34，该耐磨涂层与密封元件36配合，该密封元件由位于喷嘴22的两侧上的两个移动轮20的紧固凸缘37承载。这些元件34、36形成迷宫式的密封件。

在运行中，主流12a在被固定叶片28以及移动轮20的转子叶片38横穿的射流路径14a中流动。在分配器22和上游移动轮20的径向内部平台的接合处，观察到窜漏气流，窜漏气流对应于来自主流12a的气体，该窜漏气流流向位于平台30下方的窜漏空腔40。该空腔40部分地由两个移动轮20的紧固凸缘37界定，该空腔容纳喷嘴的环形基部32的一部分。窜漏气体在经由迷宫式密封件34、36传输之后可能会经由被布置在喷嘴22的平台30与下游移动轮20的径向内部平台之间的间隙逸出。为了避免重新引入对主流有害的气体，本发明设想使用被动系统来将气体重新引入主射流路径中。现在将参考图3至图7对该系统进行描述。

参照这些附图，首先指出，本发明也可以应用于环形喷嘴(即延伸360°)和喷嘴扇区(在小于360°的角扇区上延伸)。在后一种情况下，喷嘴通常通过首尾相连地放置多个扇区而获得，以便形成完整的环形结构。

在下文中，对“喷嘴”进行参考以描述旨在形成喷嘴扇区的小于360°的角扇区或者旨在形成整个环形喷嘴的等于360°的角扇区。

径向内部平台30首先具有径向外部表面42，该径向外部表面部分地界定了主射流路径14a。叶片28从该外部表面42延伸，从而径向向外突出。表面42在此具有截头圆锥形的形状，具有沿下游方向增加的直径。该表面42的径向倾斜角“Ir”为约-45°至45°。该径向倾斜角在轴向截面中对应于表面42与平行于轴线2的轴向方向之间的角度“Ir”。

此外，径向内部平台30具有径向内部表面44，该径向内部表面部分地界定了被布置在平台30下方的气体窜漏空腔40。基部32的其余部分从该内部表面44延伸，从而径向向内突出。该基部32实际上包括多个部分，特别是与形成基部的内周的实心部分相对应的球形部(bulbe)46以及更呈锥形的支撑部48，支撑部在球形部46与平台30之间提供机械连接。球形部46在其内表面的高度上具有上述的耐磨涂层，该涂层具有使该球形部不易于磨损且质量轻的特征。例如，该耐磨涂层以蜂窝图案制成。

此外，基部包括轴向突片50，该轴向突片以基本上正交于支撑部48的方式从该支撑部的下游突出。该突片50在与喷嘴22的其余部分相同的角度范围内沿周向延伸。此外，如在图2中可见，该突片沿轴向延伸，使得下游移动轮20的上游扰流器54具有与该突片50以及平台30重叠的轴向重叠区域。沿着轴向方向重叠的部件沿着径向方向24彼此跟随。应当注意，轴向突片50与上游扰流器54重叠，以限制将气体重新引入空腔40的底部。

本发明的特殊性之一在于用于将窜漏气体重新引入主射流路径14a的被动系统的布局。该系统56直接集成在喷嘴22中，并且其被动性质仅需要形成孔口、通道、空腔或类似元件。实际上，为了执行重新引入窜漏气体的至少一部分，在基部32的高度上抽出窜漏气体，然后在喷嘴22的一个或多个区域的高度上再注入该窜漏气体，在该一个或多个区域中，主流12a的压力小于空腔中窜漏气体的压力。换句话说，利用在平台30的外部表面42上和/或在叶片28的上表面60上观察到的低压区域来引起位于窜漏空腔40中的气体的进气。因此，不需要电动外部设备，使得不会降低涡轮发动机的整体效率。

为此，系统56包括位于平台30的表面44与轴向突片50之间的气体抽出孔口62，该气体抽出孔口优选地通向支撑部48的下游表面。然而，这些抽出孔口62可以布置在基部32上的其他位置处，特别是布置在支撑部48的任何位点处，包括轴向突片50的下方，或者实际上布置在平台30的径向内部表面44上。

例如，该系统由以轴线2为中心的一环形排的抽出孔口62组成。该系统还包括用于将气体再注入主射流路径14a中的孔口66。这些孔口66通向平台30的外部表面42，优选地位于该表面42的下游部分上，在该下游部分，主流12a的压力最低。为了成对地连接这些孔口62、66，重新引入系统56包括通道68，该通道延伸到支撑部48和平台30的材料中。在由铸造厂制造喷嘴22的情况下，可以使用型芯来实现这些通道。当通过增材制造生产喷嘴22时，也可以容易地获得这些通道。使用这些相同的制造技术，能够实现替代实施例，其中，如图9中示意性地示出的，孔口62、66与设置在平台30中的一个或多个内部空腔68’连通。换句话说，设想每个内部空腔68’以确保一个或多个抽出孔口62与一个或多个再注入孔口66之间的连通。例如，该内部空腔可以由单个内部空腔组成，诸如环形的内部空腔68’，从而确保所有孔口62、66之间的连通。该替代实施例有利于生产根据本发明的喷嘴，和/或通过减小该喷嘴的质量来增强其性能。此外，有利于其中的空气循环。

在这种其他构造中，通道68可以被保留在抽出孔口62与一个或多个内部空腔68’之间，正如通道68”可以被布置成将再注入孔口70连接到内部空腔68’一样。

通过经由喷嘴22重新引入气体所提供的优点之一在于，将期望的方向应用于被再注入主射流路径14a中的窜漏气流的选择。因此，由箭头70示意性地表示且由孔口66和通道68的形状限定的该再注入方向可以与主流12a在气体再注入孔口66附近在主射流路径中的流动方向相同或基本上相同。因此，如下所述，该再注入方向70证明是沿周向倾斜的，换句话说，具有周向取向。

特别地，再注入方向70实际上具有在图6中示意性地示出的周向取向70c，该周向取向与通常在局部地靠近所讨论的孔口66的主流12a上观察到的周向取向的方向相同。处于该原因，在诸如图6的径向外部视图中，再注入方向70可以平行或基本上平行于主流12a的方向，因为这两个方向具有相同或基本上相同的周向取向。在这方面，应当注意，在这些方向的两个周向取向之间优选地容许正或负10°的角度偏差。

因此，由于这种单一的周向取向70c(也称为周向或切向分量)显然具有非零值，因此窜漏气流以非常接近主流12a的方向的方向被再注入主射流路径14a中。因此，有利地减小了由于将窜漏空气重新引入射流路径中所引起的空气动力学扰动。

如图5中示意性地示出的，为了更进一步减小这些扰动，再注入方向70还具有径向取向70r。保持径向取向70r，使得在沿着穿过孔口66中的任何一个的轴向截面(诸如图5中的截面)进行观察时，再注入方向70局部地平行于或基本上平行于平台30的表面42。如图5中可见，可以容许一些角度偏差，例如高达5°至10°。在此还要说明的是，具有径向取向意味着再注入方向包括非零的径向分量。

因此，周向取向/分量70c、径向取向/分量70r和轴向取向/分量70a形成与主流12a在用于再注入气体的孔口66附近在主射流路径中的流动方向相同或基本上相同的再注入方向70，该孔口66在此也呈以轴线2为中心的环形排的形式。在不脱离本发明的范围的情况下，这些再注入孔口66的其他布置也是可能的。

在这方面，表明了孔口66在平台的表面42上的优选位置实际上位于该表面的下游部分72中，接近于平台的下游端并且优选地基本上位于与叶片28的后缘相同的高度上，如图6中示意性地示出的。

替代地或同时地，气体再注入孔口66可以被设置在喷嘴22的一些或每个叶片28的上表面60上。在这种情况下，孔口的优选位置位于该表面的径向内部部分74中，接近于与平台30的接合处，如图8中示意性地示出的。于是，使用能够实现抽出孔口和再注入孔口的流体连通的通道和/或空腔，以等效的方式建立抽出孔口与再注入孔口之间的连接。图6中已经示意性地示出了径向内部部分74的孔口66。

在两种情况下，部分72、74是主流12a具有最低压力的优选区域，这使得能够容易地将窜漏空气被动地重新引入射流路径14a中，而不会降低性能。

显然，本领域技术人员可以对上文仅通过非限制性示例并且在所附权利要求所覆盖的范围内的本发明进行各种修改。

Claims (9)

1.用于涡轮发动机的涡轮喷嘴(22)，所述涡轮喷嘴包括至少一个叶片(28)以及具有平台(30)的基部(32)，所述平台(30)包括：一方面径向外部表面(42)，每个叶片(28)从所述径向外部表面延伸并且旨在部分地界定来自所述涡轮发动机的气体射流路径(14a)；以及另一方面径向内部表面(44)，所述径向内部表面旨在部分地界定在径向上位于所述平台(30)下方的气体窜漏空腔(40)，

其特征在于，所述喷嘴配备有用于将窜漏气体重新引入所述射流路径中的被动系统(56)，所述系统包括位于所述基部(32)上的气体抽出孔口(62)以及位于所述平台(30)的径向外部表面(42)和/或所述至少一个叶片(28)的上表面(60)上的气体再注入孔口(66)，所述气体再注入孔口(66)被构造成沿着包括周向取向(70c)的再注入方向(70)对来自所述气体窜漏空腔(40)的气流进行重新定向，并且其中，所述再注入方向(70)具有径向取向(70r)，使得在沿着穿过所述气体再注入孔口(66)中的任何一个气体再注入孔口的轴向截面进行观察时，所述再注入方向(70)局部地平行于或基本上平行于所述平台的径向外部表面(42)。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴包括通道(68)，所述通道成对地连接所述气体抽出孔口(62)与位于所述平台(30)的径向外部表面(42)上的气体再注入孔口(66)，或者其中，所述抽出孔口和再注入孔口(62，66)与被设置在所述平台(30)中的一个或多个内部空腔(68’)连通。

3.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述气体再注入孔口(66)通向所述平台的径向外部表面(42)的下游部分(72)，和/或通向所述至少一个叶片(28)的上表面(60)的径向内部部分(74)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述气体抽出孔口(62)通向所述基部(32)的下游表面(64)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述气体抽出孔口(62)被布置在所述基部(32)的支撑部(48)上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴，其特征在于，所述基部(32)包括向下游延伸的轴向突片(50)，并且其中，所述气体抽出孔口(62)优选地被布置在所述平台的径向内部表面(44)与所述轴向突片(50)之间。

7.根据前一项权利要求所述的喷嘴，其特征在于，所述轴向突片(50)沿轴向延伸，以便具有与被布置在所述喷嘴下游的移动轮(20)的上游扰流器(54)重叠的轴向重叠区域。

8.优选地用于飞行器的涡轮发动机的涡轮(8)，所述涡轮包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴，所述喷嘴被布置在两个涡轮移动轮(20)之间。

9.优选地用于飞行器的涡轮发动机(1)，所述涡轮发动机包括至少一个根据前一项权利要求所述的涡轮(8)。

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