CN113272524A - 具有集气室防谐振装置的燃气涡轮发动机压缩放气系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃气涡轮发动机，包括至少一个径向延伸的放气通路，所述放气通路与至少一个大致周向延伸的集气室流体连通。集气室具有与放气通路流体连通的上游端和用于从集气室释放空气的出口。集气室还包括限定所述集气室的下游封闭端的下游表面，并且一个或多个集气室的下游表面设有向外延伸的突出部，所述突出部延伸到所述集气室中。

Description

具有集气室防谐振装置的燃气涡轮发动机压缩放气系统
技术领域
本发明涉及一种航空器中使用类型的燃气涡轮发动机。特别但不排它地，本发明可应用商务飞机。
背景技术
传统燃气涡轮发动机包括进气道、一系列压缩机、燃烧室、涡轮和废气出口。传统燃气涡轮发动机的操作是本领域技术人员将理解的，因此将不进行详细描述。
本文所述发明涉及一种能够减少/削弱可导致发动机排放集气室的气动声学谐振的流动现象的装置。
谐振对于旋转的涡轮机械是危险的，因为所产生的脉动压力波会导致故障。谐振也会产生噪声，但这是次要关注点。
关于该次要关注点，飞机噪声是飞机设计的重要方面，人们越来越多地要求飞机制造商降低噪声排放，以符合不断增加的机场噪声限制及环境限制。如果能够降低或阻止谐振，则可防止由谐振引起的相关噪声。
为了防止压缩机在不同发动机运行工况下失速，可提供放气通路，其通常设置在中间压缩结构内。所述放气通路被布置用以从主流路中释放出空气，以便在某些运行工况下将空气分流离开压缩机，并防止压缩机失速。这允许燃气涡轮发动机在宽范围运行工况下持续运行。
通过放气通路释放的空气被传送到一个或多个径向延伸的腔室(每个腔室称为排放集气室)中。每个集气室收集空气，然后将空气释放到环绕发动机核心的旁路管道。每个集气室提供气体容积，用以接收从压缩机分流出的空气。
然而，当几乎没有或没有通过放气通路释放空气时，穿过主流路与所述放气通路的入口互相作用的高速空气可造成不稳定流动现象，所述不稳定流动现象会在排放集气室中因谐振而引起呈脉动压力波形式的不期望气动声学影响。这些压力波会损伤到压缩机和其他结构。为防止出现这些破坏性的压力波，如本文所述，发明人已证实可以有利地设计集气室的几何构造，使得集气室的气动声学谐振不会在发动机工作范围附近发生。
发明人已经设想了一种改型的空气排放集气室，其方便地解决了这些问题。
发明内容
本文所述的本发明方面在随附的权利要求书中列出。
从第一方面看，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括至少一个径向或轴向延伸的放气通路，所述放气通路与至少一个大致周向延伸的集气室(腔室)流体连通，所述至少一个集气室具有与放气通路流体连通的上游端和用于从集气室释放空气的一个或多个出口，每个集气室还包括限定集气室的下游封闭端的下游表面，其中，一个或多个集气室的所述下游表面设有向外延伸的突出部，所述向外延伸的突出部延伸到所述集气室中。
因此，可以调整每一个、全部集气室或集气室的子集的气动声学性能。根据对发动机的预定气动声学计算和发动机的正常气动声学性能，可以对每一个集气室的气动声学性能进行改造。
具体地说，每一个集气室可有利地进行改造以消除在每个集气室内由于主流路中的高速气流而产生的不期望声学响应，所述主流路通过放气通路与集气室连通。因此，这可防止不期望噪声和振动。
有利地，全部或部分的向外延伸的突出部可以从所述下游表面沿上游方向朝向集气室的上游端延伸。这样改造了集气室的内部容积和几何结构。
由此，向外延伸的突出部可以有利地减少相应集气室的容积，并且/或被布置为在使用中导致压力波的正相互作用(即，在其不引起更大振幅波并且不引起与本发明实现的技术效果相反的效果角度而言是积极或有益的)。
所述突出部可以成形为引起压力波的正相互作用。因此，所述向外延伸的突出部的积极效果不仅仅是由于容积减小。
集气室可以包括至少一个向外延伸的突出部，或者可以包括多个向外延伸的突出部。因此，可以根据集气室的期望测试性能或预定性能来选择所述一个或多个向外延伸的突出部的气动声学效应。
所述集气室可以呈围绕发动机的中心部周向和径向地延伸的腔室的形式。所述集气室可再分为多个单独集气室，每一个集气室允许性能和尺寸的优化。
有利的是，所述多个集气室的全部或子集可以包括一个或多个向外延伸的突出部。所述突出部被布置为延伸到所述集气室的容积内，以改变集气室的内部几何构造。
在一种布置中，向外延伸的突出部可以呈延伸到集气室内的凸形表面的形式。这样的凸形表面提供了平滑表面，空气可流到该平滑表面上。替代地，所述突出部可以是任何合适形状。确切形状可以通过计算、试验或建模来预先确定。有利的是，最简单形状可以是回转体。附加地或替代地，可以使用更复杂的几何结构。
附加地，所述突出部可以是不均匀的，即可以组合使用不同形状的突出部，以在给定集气室内或在特定运行工况下实现完全优化的气动声学效果。
这样的凸形表面可以由中空圆顶形成，所述中空圆顶具有与集气室的下游表面连接的延伸基部。例如，这在形状上可以是椭圆形或圆柱形或诸如正弦的不均匀形状。
为进一步增强装置的声学性能，所述向外延伸的突出部可以限定被全部或部分填充吸音材料的容积。再另外，向外延伸的突出部的外表面可以被或可以部分地被覆盖或涂覆吸音层或者由吸声材料或结构组成。
附加地，所述外层可以被穿孔，以允许一些气流穿过表面并进入到中空突出部中。
集气室的封闭端可设有联接部，所述联接部用以接收向外延伸的突出部并将向外延伸的突出部与之固定。因此，集气室可适于提供一种将突出部牢固连接到其内表面的手段。在一种替选装置中，通过为一个或多个集气室的封闭端设置至少一个开口，并且向外延伸的突出部可设置为穿过所述至少一个开口，突出部可被集成到每个集气室中。这样布置可提供到集气室壁的更牢固连接，并且可有利于安装。
附加地，集气室的径向壁部可设有至少一个开口，向外延伸的突出部可设置为穿过所述至少一个开口。这样的布置允许从发动机外侧维护并将突出部安装到集气室内。由此，集气室壁可设有联接装置，以将向内延伸的突出部与之固定。
集气室表面中在其上设置突出部的面积可根据期望气动声学性能而调整，并且例如，可以包括在集气室远端的后端壁的表面的至少50％上设有向内延伸的突出部。在另一布置中，附加地或替代地，弯曲或圆柱形外壁可以设有向外延伸的突出部。表面覆盖率在弯曲或圆柱形表面上可以较低。
从本发明另一方面看，提供了一种改造燃气涡轮发动机的方法，所述发动机包括至少一个径向延伸的放气通路，所述放气通路与至少一个大致周向延伸的集气室流体连通，所述至少一个集气室具有与放气通路流体连通的上游端和用于从集气室释放空气的出口，每个集气室还包括限定集气室的下游封闭端的下游表面，所述方法包括步骤：为一个或多个稳气室的所述下游表面设置向外延伸的突出部，所述向外延伸的突出部延伸到集气室中。
从又一方面看，还提供了一种用于燃气涡轮发动机的中间压缩结构，所述中间压缩结构包括至少一个径向延伸的放气通路，所述放气通路与至少一个大致周向延伸的集气室流体连通，所述至少一个集气室具有与放气通路流体连通的上游端和用于从集气室释放空气的出口，每个增压室还包括限定集气室的下游封闭端的下游表面，其中，一个或多个集气室的所述下游表面设有向外延伸的突出部，所述向外延伸的突出部延伸到集气室中。
从再一方面看，提供了一种用于燃气涡轮发动机的中间压缩结构，其包括集气室，所述集气室用于接收来自发动机上游部的放出空气，所述集气室包括一个或多个向内延伸的突出部，所述突出部被布置在限定集气室的空间内并且被布置用以在使用中引起集气室的声学谐振频率的改变。另一方面可以包括集合有本文所述装置的发电机涡轮。
从再一方面看，提供了一种制造航空发动机的方法，所述航空发动机包括至少一个径向延伸的放气通路，所述放气通路与至少一个大致周向延伸的集气室流体连通，所述至少一个集气室具有与放气通路流体连通的上游端和用于从集气室释放空气的出口，每一个集气室还包括限定集气室的下游封闭端的下游表面，其中，一个或多个集气室的所述下游表面设有向外延伸的突出部，所述向外延伸的突出部延伸到集气室中，所述方法包括：确定一个或多个集气室的谐振频率；确定集气室的期望谐振频率；并且将集气室的内部几何构造改造为与所述期望谐振频率相一致。例如，可以通过定位在集气室内的插入件来调整集气室内部容积。
附图说明
现在将参考附图仅举例说明本发明的各个方面，在图中：
图1示出了集成有集气室的燃气涡轮发动机的截面图；
图2A和2B示出了贯穿航空发动机集气室的截面图；
图3示出了传统集气室容积的示意图；
图4示出了根据本文所述发明的改造的集气室容积的示意图；
图5示出了集成有集气室插入件的改造的集气室；
图6示出了集成有消音层的集气室插入件；
图7示出了本文所述的集气室的分段布置；
图8示出了凹形集气室插入件及安装方法；以及
图9A、9B和9C示出了用于改造集气室的另一种安装方法。
虽然本发明易采用各种修改和替代形式，但在附图中举例示出并且本文中详细描述了具体实施例。然而，应该理解的是，随附的附图和详细描述并不打算将本发明局限于所公开的特定形式，而是本发明覆盖落在本发明精神和范围内的所有改造、等效和替代方案。
应当认识到，本文所述的本发明方面的特征可通过任意合适组合而方便地且可互换地使用。
具体实施方式
图1示出了燃气涡轮发动机1的截面图，其集成有环形集气室13。
本领域技术人员将理解燃气涡轮发动机的主要部件以其运行。总之，发动机1包括进气口2，所述进气口2允许空气流入发动机，并流入到位于发动机的上游端处的风扇3。全部部件被容纳在发动机机舱内。
所述发动机包括在风扇下游的旁路通道和包含压缩机、燃烧室和涡轮的中央发动机核心。发动机核心由第一低压压缩机5和第二高压压缩机6组成。这种多级压缩机布置将空气从环境压力和温度提升到高温和高压。然后，压缩空气被传送到燃烧室7，燃料被喷射到燃烧室7中并发生燃烧。
燃烧气体从燃烧室7的后部排出，并首先冲击高压涡轮9，然后冲击第二低压涡轮10，之后通过核心喷嘴11离开发动机后部。发动机推力通过两个气流产生：第一气体是来自风扇喷嘴8(接受来自风扇的推力)，第二气流来自核心喷嘴11的废气。
过渡管道14被布置用以接收来自低压压缩机5的空气，并将空气沿径向向内传送到高压压缩机6。
如图所示，两个压缩机与涡轮的中心轴线同轴。由于效率原因(如上所述的示例)，低压压缩机5的外半径(从压缩机的中心轴线测量)大于高压压缩机6的外半径。
这要求在两个压缩机之间传送空气的管道或通道是大致S形，以便将压缩空气朝向涡轮的中心轴线传送，并传送到高压涡轮6中。
如本文所述的，期望能够将过渡管道内的一些空气释放或排放出发动机。该排放也可设置在最后LPC转子与其出口导流片(OGV)之间，但在这种设计中，OGV通常位于过渡管道的正好入口处，并且可被认为在过渡导管中或者是其一部分。例如，这可用以控制传送到高压压缩机的空气容积并防止压缩机失速。
如图1所示，提供了出口15，出口15提供了可打开通道以允许空气选择性地从过渡管道14流到环形腔室13(通常称为集气室)中。
集气室13可布置在低压压缩机的下游。具体地说，集气室可布置在发动机核心外侧，并且放气通路通常位于LPC下游。
集气室是环形腔室，其围绕发动机完整地或部分地延伸并被布置用以接收从主流路释放的空气。实际上，集气室作用为从主流路释放的空气的收集室或储器。
图2A示出了集气室的放大截面，以及它相对于核心流或主流路和过渡管道的位置。在传统发动机中，空气借助放气通路传送到集气室，所述放气通路在位置A处连接到主流路。然后，空气通过靠近发动机的旁通通道C的端口或阀B离开集气室。
图2B示出了贯穿图2A中的A-A'的截面。图2B示出了其中连续集气室被再分为4个(即13.1、13.2、13.3和13.4)集气室的布置。每个集气室之间的空间可用作发动机结构的部分，并且也允许维护/控制信号从发动机核心沿径向向内和向外传递。具有更多再分部分或甚至没有再分部分的不同布置也是可能的。
集气室可由与中间压缩结构连接的离散部件形成，或者替代地，也可由本身构成中间压缩结构(ICS)的部分的壁形成组成。其他术语是“压缩机壳体”或“压缩机机架”。将认识到，集气室的壁可属于不同部件。例如，集气室可以是中间压缩结构、防火墙、压缩机外壳和核心罩之间的空间。
虽然本文描述的集气室是环形布置，但所述集气室可以是布置用以接收从主流路释放的空气的任何合适腔室。
图3示出了贯穿集气室的一个部分的截面。将认识到，所述集气室可以呈圆环的形式，其围绕发动机延伸并与沿发动机核心延伸的轴线同轴。集气室可以是连续腔室，或者可以是若干个离散腔室，每个腔室执行收集释放空气的相同功能。
如图3示意性示出的，通过主流路14的空气会在通路的进口15处引起流动现象，或者将流动现象从上游压缩机传输到通路的进口15，然后与集气室13相互作用。本文所述发明涉及该布置的气动声学效应以及主流路中的气流如何在集气室和发动机内引起不期望声学和振动效应。
集气室13限定了容积，其特征性谐振频率Fr取决于集气室设计和容积的各种因素。主流路中经过放气通路的进口15的空气会在集气室内引起例如频率Fe的空气激振。
在其中激振频率接近或等于谐振频率(即，当Fr＝Fe)的情况下，集气室内会发生声学谐振，从而在发动机中引起极不期望的气动声学效应和可能破坏性的振动。
可能发生谐振的频率将取决于发动机的运行工况和集气室的声学特性。
图4示出了本文所述发明的示意图，以及通过使用向内延伸的突出部16来消耗集气室的一部分来改造声学性能的方式。
在图3和图4中没有例示集气室的出口(其将允许沿大致径向方向将空气释放出发动机)，但航空发动机领域的技术人员将理解该出口。
图4例示了本文所述发明。具体地说，借助突出部16提供了改造的集气室容积或腔室。该截面是这种或多个集气室中的一个示例。
更具体地说，空气(如以虚线箭头所示)经过前缘L1，并且当其经过集气室的开口时变成不稳定的气流剪切层。然后，气流与后缘表面T1相互作用，其中空气与后缘表面T1碰撞。开口上的不稳定剪切流使压力波W传播到集气室并在集气室内谐振，从而引起不期望气动声学效应。
根据本发明，在改造的状态下，集气室由于改造的集气室几何结构(如图4所示)而具有改造的声学性能。具体几何结构以及突出部延伸到集气室容积中的程度将在下面更详细讨论。
图5更详细地例示了所述向内延伸的突出部。
所述向内延伸的突出部16被布置用以预定方式改造集气室特性。对于给定的发动机和集气室构造，集气室的声学谐振频率可被打乱，即被改造，以防止发生不期望集气室谐振并且因此防止发生其破坏性声学效应。
如图5所示，集气室包括封闭端壁或表面17，其形成集气室的端部(并围绕发动机的圆周的全部或部分延伸)。集气室被布置为从壁17沿上游方向朝向进口15延伸。集气室的精确形状和几何结构以及所形成的集气室容积改变可以使用发动机的声学分析和引起不期望谐振的运行工况来计算出。例如，集气室的长度l和宽度w可以基于用以建立扰乱谐振频率的几何结构的计算或试验来确定。类似地，可以根据这些确定来进一步选择集气室插入件16的曲率。
所述向内(即进入集气室容积)延伸的突出部16可以是与壁17连接的实体部件。替代地，所述延伸的突出部的表面可覆盖有被方便地选取为对突出部提供吸音特性的声学衬底，或者包括有使得改造后的集气室的内部容积和外部容积之间的声学通信较弱的半透壁。所述改造部可与声学衬底面板的操作方式类似地进行穿孔。
在其中使用穿孔表面或突出部的布置中，泡沫层是可选的。
泡沫可便于选择以进一步增强突出部的声学特性。如上所述，延伸到集气室中的突出部的表面可以穿孔，以允许声波穿透到突出部中，其中泡沫(或其它吸音材料)可以进一步增强突出部的声学特性。
在这种布置中，突出部以多种方式起作用，以控制集气室中引起的压力波动和声音。首先，突出部的几何结构被选取为改造集气室的谐振频率，以防止因谐振引起压力波动。其次，突出部本身设有吸音或消音特性，以进一步降低由于那些方面而可能发生的压力波动和振动。
替代地或附加地，如图6所示，突出部本身可设有吸音材料形成的外层19，诸如在喷气发动机的其他部分(如进气口)中通常使用的声学衬层。
根据发动机的设计和运行，向内延伸的突出部可以是任何合适形状。例如，突出部可以呈在表面17上分布的一个或多个突出部的形式。突出部可以是三角形棱柱、凸形部分，或是通过消耗内部容积的一部分并通过促进集气室中压力波的“抵消”相互作用来改变集气室的谐振频率的其它合适形状。
图7例示了集气室插入件或突出部如何被再分为多个离散部分，每个部分围绕集气室的一部分延伸。有利地，将突出部或插入件再分允许将插入件设置在非连续集气室中，即不是围绕发动机连续延伸而是被再分成单独部段或片段的集气室。
集气室突出部或插入件可以以多种方式被定位在集气室中。
如图8所示，示出了一种这样的安装布置。在此，表面17设有多个孔口20，所述孔口20贯穿所述表面并通往到集气室中。在所示的示例中，形成锥形突出部插入件21，并将共定位到各孔口中。然后，突出部的环22可以联接到所述壁以将突出部保持就位。所述联接可以是永久性联接，如通过焊接实现的联接，或者替代地，所述联接可以是能够选择性拆卸的联接，以允许拆卸和重新安装插入件。
图8所示的布置可以设计为初始发动机设计的部分，或者有利地，可以通过对集气室的端壁进行改造而翻新到现有发动机或发动机设计上。
对于翻新应用，需要对设计进行气动声学评估以及结构评估。由此，可能需要其他改变(例如，区域加强)。
图9A、9B和9C示出了对本文所述集气室插入件的替选安装布置。在此布置中，集气室插入件22通过位于集气室本体的外表面上的孔口23被设置到集气室中。所述孔口可以是例如允许进入集气室的可移除面板。
根据该安装布置，插入件22穿过孔口并被抵靠集气室的后壁17定位。然后，插入件例如用螺栓、铆钉或其它适当连接件联接到壁结构，以将插入件固定到集气室的内侧壁。
此外，集气室插入件可围绕发动机的圆周非均匀分布，例如一些集气室可本不包括插入件。有利地，集气室的圆周的至少50％可设有合适的集气室插入件，即可对集气室圆周的至少50％进行改造。

Claims (22)

1.一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括至少一个径向延伸的放气通路，所述放气通路与至少一个大致周向延伸的集气室流体连通，所述至少一个集气室具有与放气通路流体连通的上游端和用于从所述集气室释放空气的出口，每个集气室还包括限定所述集气室的下游封闭端的下游表面，
其中，一个或多个集气室的下游表面设有向外延伸的突出部，所述突出部延伸到所述集气室中。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中全部或部分所述向外延伸的突出部从所述下游表面向上游方向朝向所述集气室的上游端延伸。
3.根据权利要求1或2所述的发动机，其中向外延伸的突出部减少相应集气室的容积并且/或者被布置用以在使用中引起压力波的正相互作用。
4.根据任一前述权利要求所述的发动机，其中集气室包括至少一个向外延伸的突出部。
5.根据任一前述权利要求所述的发动机，其中集气室包括多个向外延伸的突出部。
6.根据任一前述权利要求所述的发动机，其中所述集气室呈包围所述发动机的中心部的周向延伸的腔室的形式。
7.根据权利要求6所述的发动机，其中所述集气室被再分成多个单独的集气室。
8.根据权利要求7所述的发动机，其中所述多个集气室中的每一个集气室包括一个或多个向外延伸的突出部。
9.根据任一前述权利要求所述的发动机，其中向外延伸的突出部呈凸形表面的形式，所述凸形表面延伸到所述集气室中。
10.根据权利要求9所述的发动机，其中所述凸形表面由中空圆顶形成，所述中空圆顶具有延伸的基部，所述基部被连接到集气室的下游表面。
11.根据任一前述权利要求所述的发动机，其中向外延伸的突出部限定被全部或部分地填充吸音材料的容积。
12.根据任一前述权利要求所述的发动机，其中向外延伸的突出部的外表面被全部或部分地覆盖或涂覆有吸音层或者由吸声材料或结构组成。
13.根据任一前述权利要求所述的发动机，其中集气室的封闭端设有联接部，以接收向外延伸的突出部并将向外延伸的突出部固定到所述封闭端。
14.根据任一前述权利要求所述的发动机，其中，一个或多个集气室的封闭端设有至少一个开口，向外延伸的突出部能够被定位成穿过所述至少一个开口。
15.根据权利要求1至13中的任一项所述的发动机，其中，集气室的径向壁部设有至少一个开口，向外延伸的突出部能够被定位成穿过所述至少一个开口。
16.根据权利要求14或15所述的发动机，其中，集气室壁设有联接装置，用以将向内延伸的突出部固定到所述集气室壁。
17.根据任一前述权利要求所述的发动机，其中，所述集气室的后端壁的表面的至少50％设有向内延伸的突出部。
18.一种改造燃气涡轮发动机的方法，所述发动机包括至少一个径向延伸的放气通路，所述放气通路与至少一个大致周向延伸的集气室流体连通，所述至少一个集气室具有与放气通路流体连通的上游端和用于从所述集气室释放空气的出口，每个集气室还包括限定所述集气室的下游封闭端的下游表面，
所述方法包括如下步骤：为一个或多个集气室的下游表面设置有向外延伸的突出部，所述向外延伸的突出部延伸到所述集气室中。
19.一种用于燃气涡轮发动机的中间压缩结构，所述中间压缩结构包括至少一个径向延伸的放气通路，所述放气通路与至少一个大致周向延伸的集气室流体连通，所述至少一个集气室具有与放气通路流体连通的上游端和用于从所述集气室释放空气的出口，每个集气室还包括限定所述集气室的下游封闭端的下游表面，
其中，一个或多个集气室的下游表面设有向外延伸的突出部，所述向外延伸的突出部延伸到所述集气室中。
20.一种用于燃气涡轮发动机的中间压缩结构，所述中间压缩结构包括集气室，所述集气室被布置用以接收来自发动机的上游部的放出空气，所述集气室包括一个或多个向内延伸的突出部，所述突出部被布置在限定所述集气室的空间内并且被布置用以在使用中引起所述集气室的声学谐振频率的改变。
21.一种制造航空发动机的方法，所述航空发动机包括至少一个径向延伸的放气通路，所述放气通路与至少一个大致周向延伸的集气室流体连通，所述至少一个集气室具有与放气通路流体连通的上游端和用于从所述集气室释放空气的出口，每个集气室还包括限定所述集气室的下游封闭端的下游表面，
其中一个或多个集气室的下游表面设有向外延伸的突出部，所述突出部延伸到所述集气室中，
所述方法包括：确定一个或多个集气室的谐振频率；确定所述集气室的期望谐振频率；并且将集气室内部几何构造改造为与所述期望谐振频率相一致。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，通过位于所述集气室内的插入件来改造集气室内部容积。
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