CN113167127B - 涡轮机械的涡轮机壳体冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮机械的涡轮机壳体(7)冷却装置(9)，涡轮机械例如飞机涡轮喷气发动机，所述装置围绕轴线(X)延伸，并且包括空气分配构件，所述空气分配构件被配置成吸入空气并将空气输送到所述壳体，其特征在于，所述空气分配构件至少包括第一坡道(20a)和第二坡道(20b)，所述第一坡道和第二坡道分别在彼此不同的第一周向部分和第二周向部分上围绕所述轴线(X)周向延伸，每个坡道(20a、20b)包括空气喷射孔，所述空气喷射孔旨在朝着所述壳体定向以冷却所述壳体，其中，所述装置包括调整构件(23)，所述调整构件能够相对于在所述第二坡道(20b)层处喷射的空气流速调整在所述第一坡道(20a)层处喷射的空气流速。

Description

涡轮机械的涡轮机壳体冷却装置
技术领域
本发明涉及涡轮机械的涡轮机壳体冷却装置，涡轮机械例如喷气发动机，具体地说是涡轮风扇发动机。
背景技术
涡轮风扇发动机通常具有风扇，以下元件在风扇的下游延伸：
-初级流路，初级流在所述初级流路中流通，所述初级流路在初级流的流通方向上通过低压压缩机、高压压缩机、燃烧室、高压涡轮机和低压涡轮机，所述初级流路通过涡轮机壳体限定在涡轮机外部，
-次级流路，与初级流不同的次级流在所述次级流路中流通，
来自涡轮机室的初级气流温度高并且会使下游部分变热。为了避免涡轮机的固定部分和移动部分在操作期间由于胀差而接触，有必要提供有效的冷却构件，所述构件可以容易地集成到涡轮喷气发动机的环境中，并且使得能够通过在操作期间控制所述部分的温度来控制这一胀差。
术语‘上游’和‘下游’是相对于通过涡轮机械的气流定义的。术语“径向”、“轴向”和“周向”是相对于涡轮机械的轴线定义的。
专利申请案FR 2 867 806以申请人的名义公开了一种用于冷却涡轮机械的涡轮机壳体的装置，所述装置包括用于采样和供应空气的构件以及用于分配所采样空气的构件，所述构件包含围绕涡轮机械的轴线周向延伸的坡道。坡道通过连接区域连接到进气口和供应构件。每个坡道都有沿着坡道分配的孔，其中抽出的空气将从这些孔逸出以冷却壳体。
孔沿着每个坡道均匀地分配，以使流速在壳体的外周周围相对均匀。
另外，涡轮机转子具有叶片，其径向外末端与操作期间可以磨损的材料所制成的一个或多个环协作。
已发现操作期间转子会在径向平面上发生偏心或偏移，特别是在这些偏移期间，转子可能会承受强的加速度，这导致形成由可磨损材料制成的环的局部周向磨损，从而影响涡轮机械的效率。换句话说，此类磨损仅在涡轮机械的角部分上延伸且不是环形的。
目前需要能够局部地补偿此类磨损。
文件FR 3 002 971公开了一种用于冷却涡轮机械的涡轮机壳体的装置。
发明内容
更具体地说，本发明旨在提供一种简单高效且有成本效益的技术方案来解决此问题。
出于这一目的，提出了涡轮机械的涡轮机壳体冷却装置，涡轮机械例如飞机涡轮喷气发动机，所述装置围绕轴线延伸，并且包括空气分配构件，所述空气分配构件被配置成吸入空气并将其输送到所述壳体，所述空气分配构件至少包括第一坡道和第二坡道，所述第一坡道和第二坡道分别在彼此不同的第一周向部分和第二周向部分上围绕所述轴线周向延伸，每个坡道包括空气喷射孔，所述空气喷射孔旨在朝着所述壳体定向以冷却壳体，其特征在于，所述装置包括调整构件，所述调整构件能够相对于在所述第二坡道处喷射的空气流速调整在所述第一坡道处喷射的空气流速。
以此方式，能够使外壳的冷却、且因此所述外壳的收缩与所述外壳的不同周向部分相适应。因此，通过使目标区域中的外壳收缩可以局部地改变叶片尖端与可磨损材料制成的环之间的间隙，从而局部地增加或减少在所述外壳的特定周向部分上所述外壳的冷却。
所述调整构件可以包括用于减小布置在所述空气分配构件中的气流横截面积的构件。
所述装置至少包括第一收集器和第二收集器，所述第一收集器和第二收集器分别经由第一分支和第二分支连接到所述空气分配构件，所述第一分支和第二分支在相反的方向上周向延伸，所述第一坡道和第二坡道分别从所述第一收集器和第二收集器周向延伸。
因此，两个收集器彼此周向地间隔开。
用于减小所述横截面的构件能够调整所述第一分支和/或所述第二分支的横截面，以调整所述分支中的每一个分支中的空气流速。
每个分支可以包括连接到进气口和供应构件的第一末端以及连接到对应收集器的第二末端，流路减小构件定位在对应分支的第一末端和/或第二末端。
用于减小所述横截面的构件还可以定位在所述对应分支的中间区域中。
用于减小所述横截面的构件能够在所述坡道与所述收集器之间的接合区域处调整所述第一坡道和/或所述第二坡道的横截面。
具体地说，在此情况下，用于减小所述横截面的构件定位在对应坡道的喷射孔上游。参考流过所述冷却装置的冷却空气的大体方向来使用术语‘上游’和‘下游’。
用于减小所述横截面的构件可以包括至少一个可调整风门或隔板。
所述可调整风门可以是光圈风门。此风门的结构本身已经是已知的。
所述装置可以包括至少一对第一坡道和至少一对第二坡道，一对坡道从对应收集器彼此相对地周向延伸。
每一收集器的坡道对数可以在2对至10对之间。
第一坡道和第二坡道可以覆盖所述外壳的在360°内成角度地延伸的区域。换句话说，所述坡道可以冷却所述外壳的整个外环形表面。
本发明还涉及涡轮风扇发动机，其包括风扇，以下元件在所述风扇的下游延伸：
-初级流路，初级流在所述初级流路中流通，所述初级流路具体地在所述初级流的流通方向上通过压缩机、燃烧室和包括涡轮机壳体的涡轮机，
-次级流路，与所述初级流不同的次级流在所述次级流路中流通，
其特征在于，所述涡轮风扇发动机包括上述类型的冷却装置、围绕涡轮喷气发动机的轴线周向延伸且径向定位在所述涡轮机壳体外部的坡道、朝着所述涡轮机壳体转动的孔、能够从所述次级流路吸入空气的进气口和供应构件。
本发明还涉及用于管理飞机涡轮喷气发动机的涡轮机壳体的上述类型的冷却装置的方法，所述方法包括以下步骤：
-沿着例如两条正交轴线的两条不同的轴线记录所述飞机的机架和/或推进系统经历的加速度，
-根据测得的加速度确定转子的偏心率，
-调整所述调整构件以使在所述第一坡道处喷射的空气流速与在所述第二坡道处喷射的空气流速相适应。
据回顾，飞机的机架由飞机的机身、机翼、尾翼(水平安定面和竖直安定面)和起落架组成。推进系统由涡轮机械和环绕所述涡轮机械的机舱组成。
当参考附图阅读以下作为非限制性实例给出的描述时，将更好地理解本发明，并且将呈现本发明的其它细节、特性和优点。
附图说明
-图1是根据本发明的一个实施例的涡轮风扇的一部分的轴向截面图；
-图2是根据本发明的冷却装置的横截面图，
-图3是光圈风门的透视图，
-图4是详细示出根据本发明的装置的另一实施例的透视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的涡轮风扇发动机的一部分，具体地说低压涡轮机1。所述低压涡轮包括具有轮子2的转子，所述轮子通过环形凸缘3轴向彼此连接且各自包括盘4、轴承叶片5。
环形行的固定叶片6在其径向外末端处通过合适的构件安装在低压涡轮机1的移动轮子2之间的壳体7上。每行固定叶片6在其径向内末端处通过周向末端到末端设置的环形分区段接合在一起。
如先前所提及的，从燃烧室到初级空气流路8的初级空气流F1使壳体7变热。
为了确保壳体7的冷却，涡轮喷气发动机具有冷却装置9，如图2最佳所示。
所述冷却装置包含进气口和供应构件，包括：
-通气口10，其包括开口，所述开口通向例如涡轮喷气发动机的次级流路以从中吸入冷空气，
-连接部件11，其具有大体Y形状，所述连接部件包括连接到通气口10的上游部分12和下游部分，所述下游部分包括第一分支13(此处将不详述其功能)和第二分支14，
-控制阀15，其连接在第二分支14的下游且能够根据发动机速度和/或飞行状况而受到控制，例如以调整吸入空气的流速，
-分配部件16，其由一个或多个部分形成，并且包括连接到控制阀15的出口的上游部分17以及至少两个下游分支18a和18b，至少两个下游分支18a和18b在上游部分17的下游末端的两侧上围绕涡轮喷气发动机的轴线周向延伸。每个分支18a、18b延伸例如约90°。
装置9进一步包括收集器或连接区域19a、19b(此处为两个)，所述连接区域连接到分支18a、18b的对应末端，每个收集器19a、19b形成轴向延伸的通道。
当然，收集器19a、19b的数量可以变化，且可以例如是四个收集器。
通过图2中的箭头(分别参考通气口10处的F以及分支18a、18b处的F'、F”)示出通过进气口和供应构件的冷却流。
装置9进一步包括由具有环形横截面的弯管形成的坡道20a、20b(或更笼统地标记为20)，每个坡道20a、20b在此以约90°的角度——更精确地说约等于90°的角度周向延伸。
每个坡道20具有通向对应收集器通道19的近侧末端21和封闭的远侧末端22。每个坡道20还具有面向壳体7的孔，以使通过通气口10、连接部件11、阀15和分配部件16吸入的空气进入收集器19a、19b，接着进入坡道20，之后通过面向壳体7的孔逸出以冷却所述壳体。
两个收集器19a、19b截然相反，每个收集器19a、19b与多对坡道20相关联，即在一侧上周向延伸的坡道20a和在相对侧上周向延伸的坡道20b。因此，每个收集器19a、19b和相关联的相对坡道20a、20b覆盖约180°的角度范围。在附图所示的实施例中，每个收集器19a、19b与若干对坡道(例如，九对坡道20a、20b)相关联。相同对的坡道20a、20b定位在相同的径向平面上，不同对的坡道20a、20b沿着涡轮机械的X轴线彼此偏移，如图2中所见。
两个收集器19a、19b和相关联的成对的坡道20具有大体上相同的结构，并且彼此截然不同地布置。
以此方式，坡道20定位在彼此轴向偏移的若干径向平面上，相同径向平面的坡道20形成环绕壳体7的冷却环，冷却环大体上在壳体的整个边缘(即，大体上360°地)延伸。
分支18a、18b中的至少一个分支，或所述分支18a、18b中的每个分支可以包含用于调整对应分支的横截面的构件，例如呈光圈风门23形式的构件，其结构在图3中示出。此光圈风门23包括固定环24和可移动叶片25，所述可移动叶片的位置可以改变以调整光圈风门23的内径d，所述内径由叶片25限定。
图2中示意性地示出了此光圈风门23在分支18a、18b中的每个分支中的位置。例如，每个光圈风门23可以定位在连接到上游部分17的对应分支18a、18b的末端附近，或定位在连接到对应收集器19a、19b的对应分支18a、18b的末端附近。
每个光圈风门23还可以定位在对应分支18a、18b的中间区中。
根据图4中示意性地示出的另一实施例，用于调整横截面的构件可以设置在坡道20a、20b上，位于连接到对应收集器19a、19b的坡道20a、20b的末端21处。如前文所述，此类流路调整构件可以由光圈风门23形成。
此类调整构件允许相对于在连接到收集器19b的坡道20处喷射的空气流速调整在连接到收集器19a的坡道20处喷射的空气流速。因此，能够以彼此不同的方式冷却壳体7的两个周向区。这允许例如壳体7在所选周向区域中局部地收缩，以限制例如(图1的)壳体7支撑的转子叶片26与可磨损环27之间的间隙。
还可以借助于控制阀15调整总体流速。
图4所示的实施例允许轴向控制磨损补偿。实际上，对于相同的负载，转子的偏心率(且因此生成的磨损)似乎不是轴向均匀的。通过将调整构件布置在收集器19a、19b下游以使得能够单独地调整每个坡道20中的冷却空气流，能够尽可能精确地且根据需要补偿间隙，且因此能够限制影响涡轮机械的性能的冷却流消耗。
在操作中，在涡轮机械中的可磨损环27的磨损较小的情况下，使用前述横截面调整构件使分支18a、18b或坡道20的横截面减少或带凸缘。当观察到磨损并且转子叶片26的末端与对应可磨损环27之间局部出现间隙时，通过增大坡道20或相关分支18a、18b的横截面，可以为一些坡道20供应较高的空气流速。冷却空气流的增加使得壳体7局部收缩并且局部地减小了前述间隙，这使得能够在涡轮机械是新的时期将涡轮机械的性能恢复到接近标称性能。
可以在保养期间——例如每500至1000个飞行小时，执行间隙检查。然后可以相应地调整分支18a、18b或坡道20的横截面。
可以基于通过定位在飞机的机架和/或推进系统处的特定加速度计或间隙传感器获得的转子偏心率测量值计算前述局部间隙。

Claims (7)

1.管理用于涡轮风扇飞机发动机的涡轮机壳体(7)冷却装置(9)的方法，涡轮风扇飞机发动机沿着轴线(X)延伸，发动机包括风扇，在所述风扇下游延伸有压缩机、燃烧室和包括涡轮机壳体(7)的涡轮机(1)，还有：
-初级流路(8)，初级流(F1)在所述初级流路中流通，所述初级流路(8)具体地在所述初级流(F1)的流通方向上通过压缩机、燃烧室和包括涡轮机壳体(7)的涡轮机(1)，
-次级流路，次级流从所述风扇流入所述次级流路且不同于所述初级流，所述次级流路围绕所述初级流路延伸，
涡轮风扇飞机发动机包括用于冷却所述涡轮风扇飞机发动机的涡轮机的涡轮机壳体(7)的冷却装置(9)，所述冷却装置(9)包括空气分配构件，所述空气分配构件被配置成吸入空气并将空气输送到所述壳体，所述空气分配构件至少包括第一坡道(20a)和第二坡道(20b)，所述第一坡道和第二坡道分别在彼此不同的第一周向部分和第二周向部分上围绕所述轴线(X)周向延伸，每个坡道(20a、20b)包括空气喷射孔，所述空气喷射孔旨在朝着所述壳体定向以冷却壳体，所述冷却装置(9)包括调整构件，所述调整构件能够相对于在所述第二坡道(20b)处喷射的空气流速调整在所述第一坡道(20a)处喷射的空气流速，
每个坡道(20a、20b)围绕所述涡轮风扇飞机发动机的轴线(X)周向延伸且径向定位在所述涡轮机壳体(7)外部，所述坡道(20a、20b)的空气喷射孔朝着所述涡轮机壳体(7)转动，进气口和供应构件能够从所述次级流路吸入空气，
所述方法包括以下步骤：
-沿着两条不同的轴线记录所述飞机的机架和/或推进系统经历的加速度，
-根据测得的加速度确定转子的偏心率，
-根据确定的转子的偏心率，调整所述调整构件以使在所述第一坡道(20a)处喷射的空气流速与在所述第二坡道(20b)处喷射的空气流速相适应。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整构件包括用于减小布置在所述空气分配构件中的气流横截面的构件。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述冷却装置(9)至少包括第一收集器(19a)和第二收集器(19b)，所述第一收集器和第二收集器分别经由第一分支(18a)和第二分支(18b)连接到所述空气分配构件，所述第一分支和第二分支在相反的方向上周向延伸，所述第一收集器和第二收集器分别从所述第一收集器(19a)和第二收集器(19b)周向延伸。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，减小所述横截面的构件能够调整所述第一分支(18a)和/或所述第二分支(18b)的横截面。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，减小所述横截面的构件能够在所述坡道(20a、20b)与所述收集器之间的接合区域(21)处调整所述第一坡道(20a)和/或所述第二坡道(20b)的横截面。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，用于减小所述横截面的构件包括至少一个可调整风门。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述可调整风门是光圈风门。
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