CN114555953A - 涡轮机和用于压缩机操作的系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种涡轮机，涡轮机限定通过其中的流动路径，流体在流动路径处被压缩，其中涡轮机包括以串行流动布置在第二压缩机上游的第一压缩机。第二压缩机包括流动路径处的端口，并且被构造成从第二压缩机接收来自流动路径的流体的至少一部分。第一压缩机包括定位在流动路径处的轮叶，并且轮叶包括流动路径处的开口，开口被构造成将来自所述端口的该一部分流体排出到流动路径中。

Description

涡轮机和用于压缩机操作的系统
技术领域
本主题大体涉及涡轮机和用于压缩机操作的系统，以改进压缩机的可操作性或性能。本主题特别涉及用于涡轮发动机的压缩机组件和用于引导流体流的系统。
背景技术
涡轮机(例如燃气涡轮发动机)通常包括两个或更多个压缩机以产生加压空气，从而生成燃烧气体以操作涡轮区段。涡轮机设计的一般要求是改进压缩机可操作性和性能，例如压缩机区段增加跨多个级的压力比的能力，以及压缩机区段这样做而没有压缩机失速或喘振的能力。
用于改进压缩机可操作性和性能的已知解决方案包括可变轮叶架构，例如可变导向轮叶、可变入口导向轮叶或从压缩机流动路径中移除压缩空气的级间排放端口。这些架构通常可以包括致动器、扭矩箱、U形夹、同步环或其他硬件，从而旋转轮叶角度以影响压缩机流。
可变轮叶架构通常影响压缩机可操作性和性能，同时还经由相关联硬件来增加发动机重量以旋转轮叶角度。增加发动机重量的结构通常与其对整体发动机的改进相平衡。随着发动机尺寸或动力输出减小，增加发动机重量的结构可能会变得更加令人望而却步。因此，需要用于改进压缩机可操作性和性能同时减轻或消除对整体发动机的不利影响的结构和方法。此外，需要用于改进压缩机可操作性和性能同时减轻或消除涡轮轴发动机和涡轮螺旋桨发动机的发动机重量增加的结构和方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来获知。
本公开的方面涉及一种涡轮机，涡轮机限定通过其中的流动路径，流体在流动路径处被压缩。涡轮机包括以串行流动布置在第二压缩机上游的第一压缩机。第二压缩机包括流动路径处的端口，并且被构造为从第二压缩机接收来自流动路径的流体的至少一部分。第一压缩机包括定位在流动路径处的轮叶，并且轮叶包括流动路径处的开口，开口被构造为将来自端口的该一部分流体排出到流动路径中。
通过参考以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合到本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是根据本公开的方面的涡轮机发动机的示例性实施例的示意横截面视图；
图2是例如关于图1所描绘和描述的发动机的实施例的一部分的示意横截面视图；
图3是例如关于图1所描绘和描述的发动机的实施例的一部分的示意横截面视图；
图4是例如关于图1所描绘和描述的发动机的实施例的一部分的示意横截面视图；
图5是例如关于图1所描绘和描述的发动机的实施例的一部分的示意横截面视图；
图6是例如关于图1所描绘和描述的发动机的实施例的一部分的示意横截面视图；
图7是根据本公开的方面的图2-6的压缩机区段的示例性轮叶的立体图；
图8是根据本公开的方面的图2-6的压缩机区段的示例性轮叶的立体图；和
图9是根据本公开的方面的图2-6的压缩机区段的示例性轮叶的横截面翼型图。
在本说明书和附图中重复使用的附图标记旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。提供每个示例是为了解释本发明，而不是限制本发明。事实上，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等同物范围内的这些修改和变化。
如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。
提供了根据本公开的方面的涡轮机和压缩机区段的实施例。本文所描绘和描述的涡轮机和压缩机区段通常可以改进或增加压缩机可操作性和性能。本文提供的结构和方法可以允许改进压缩机可操作性和性能，同时减轻或消除发动机重量的增加。这样的改进可以允许与在没有通常与可变轮叶架构相关联的硬件的情况下调整轮叶出口角度相关的期望效果。本文提供的结构和方法允许在相对较小的燃气涡轮发动机(诸如涡轮轴发动机和涡轮螺旋桨发动机)的压缩机区段处改进可操作性和性能，同时减少或消除通常与可变轮叶架构相关联的硬件以及与整体发动机相关联的重量增加。
与涡轮风扇发动机相比，对于涡轮轴发动机和涡轮螺旋桨发动机，关于可变轮叶架构的发动机重量增加的不利影响可能特别大。因此，涡轮轴发动机和涡轮螺旋桨发动机处的可变轮叶架构可导致相对于压缩机可操作性和性能改进的相对较大的重量增加。相对于涡轮轴发动机或涡轮螺旋桨发动机的压缩机区段改进，这种重量增加可能导致可变轮叶架构具有令人望而却步的整体发动机性能损失。
此外或替代地，可变轮叶架构通常可以在其影响压缩机操作条件的能力方面受到限制。例如，可变轮叶结构通常连结在一起，使得一级轮叶处的轮叶角度的变化也会影响另一级处的轮叶角度。在另一种情况下，可变轮叶结构可以限于在部分功率操作而不是全功率操作下影响压缩机操作条件。在又一种情况下，级间排放端口经常从热力学流动路径中移除能量，导致可以提供给燃烧区段以生成燃烧气体的能量损失。
本文描绘和描述的结构和方法经由压缩机流动路径处的特定端口和导管提供改进的可操作性和性能，从而期望地向上游重新引导压缩流体，以通过一级或多级轮叶处的开口排出。本文提供的改进的可操作性和性能可以包括增加跨多个压缩机的压力比，以及压缩机区段增加压力比而没有压缩机失速或喘振的能力。本文的涡轮机和压缩机区段的实施例提供了用于利用来自下游压缩机的至少一部分压缩流体并将压缩流体重新导向回到上游压缩机处的压缩流体流动路径的结构和方法，以便期望地控制来自上游压缩机的流体的轮叶出口角度，并且期望地匹配上游和下游压缩机的可操作性和性能。
本文提供的结构和方法包括对压缩机区段结构和操作的意想不到的改进。例如，意想不到的改进可以包括增加下游压缩机处的负载，以改进压缩机与上游压缩机的匹配。
附加地或替代地，与较大的涡轮风扇发动机相比，本文提供的结构和方法可以提供特别针对相对较小的燃气涡轮发动机(诸如涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机)的改进。在某些实施例中，本文提供的结构和方法可为提供小于约2000轴马力输出的涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机提供改进。本文提供的结构和方法可以去除或消除对压缩机区段处的可变几何形状翼型件和相关联运动学硬件的需要或期望，从而允许相对于功率输出显著减小发动机重量和尺寸。此外，与可能受限于部分功率条件或全功率条件的系统相比，本文提供的结构和方法可以改进跨所有或基本上所有操作包线的压缩机区段可操作性和性能。此外或替代地，本文提供的结构和方法可以允许与涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机相关联的压缩机区段的更高温度操作和/或更高海拔操作。
现在参考附图，图1是根据本公开的方面的涡轮机发动机10(下文称为“发动机10”)的示例性示意横截面实施例。本文提供的发动机10的实施例可被构造为涡轮轴发动机或涡轮螺旋桨燃气涡轮发动机或气体发生器。发动机10限定从轴向中心线轴线12延伸的径向方向R。发动机10包括与燃烧区段26和涡轮区段32处于串行流动布置的压缩机区段21。如下所述，压缩机区段21包括以串行流动布置在第二压缩机24上游的第一压缩机22。在某些实施例中，第一压缩机22是包括多排或多级叶片122的轴向压缩机，并且第二压缩机24是包括可旋转叶轮124的离心压缩机。压缩机区段21通过入口19接收初始流体(诸如氧化剂)流，并且将压缩流体提供给燃烧区段26。燃烧区段26将压缩流体与液体和/或气态燃料混合并燃烧混合物以产生燃烧气体。燃烧气体向下游流动到涡轮区段32。涡轮区段32通常包括可操作地联接到压缩机区段21的第一涡轮28，以便为第一压缩机22和/或第二压缩机24的旋转提供驱动力。
涡轮区段32通常包括可操作地联接到负载装置14的第二涡轮30。在某些实施例中，轴34可操作地联接到第二涡轮30，以便将动力或扭矩从第二涡轮30传输到负载装置14。在各种实施例中，发动机10可以包括多个负载装置14。在各种实施例中，负载装置14包括螺旋桨组件、风扇组件、驱动轴、齿轮组件、驱动机构、电机(例如，电动机和/或发电机，或混合电动系统)或其组合。风扇或螺旋桨组件可以包括一个或多个变桨机构。应当理解，发动机10可以被构造为用于旋翼或固定翼飞行器、陆基运载器或海基运载器或其组合的推进系统。发动机10可以附加地或替代地被构造为发电系统，例如辅助动力单元、工业燃气涡轮发动机、混合电力系统或其他期望的动力系统。
此外，虽然描述为逆流涡轮机，但应当理解，所提供的发动机10和/或压缩机区段21可被构造为直流或其他合适的涡轮机构造。
关于图1提供的发动机10的各个方面可包括任何期望类型的燃烧区段26，例如但不限于一种或多种类型的爆燃燃烧系统(例如但不限于，驻涡燃烧器、涡旋燃烧器或蜗壳燃烧器、罐式或罐式环形或环形燃烧器)，和/或一种或多种类型的爆震燃烧器(例如，脉冲爆震、旋转爆震等)，或其他期望的燃烧器构造，或通常的热量或能量添加组件。
发动机10的其它各个方面可以包括叉指式转子结构，使得来自单独可旋转结构的多排或多级叶片跨流体流动路径彼此交替布置。
现在参考图2-6，提供了发动机10的一部分的实施例的横截面视图。如上所述，发动机10包括流体通过其被压缩的流动路径70。流体(诸如氧化剂)或通常的可压缩的流体从入口19进入压缩机区段21，例如经由箭头69所示。发动机10包括以串行流动布置在第二压缩机24上游的第一压缩机22。在某些实施例中，第一压缩机22和第二压缩机24都可以共同地彼此旋转。在一个实施例中，第一压缩机22是轴向压缩机。在各种实施例中，第二压缩机24是离心压缩机。例如，限定轴向压缩机的第一压缩机22可以定位在上游，并且与限定离心压缩机的第二压缩机24共同旋转。具有轴向压缩机和离心压缩机的压缩机区段的实施例通常可以应用于相对较小的燃气涡轮发动机。然而，应当理解，在其他实施例中，第一压缩机22和第二压缩机24可以是压缩机类型的任何合适组合和/或可相对于彼此单独旋转。
返回参考图2-6，第一压缩机22和第二压缩机24各自压缩流体，例如经由箭头72所示。第二压缩机24包括端口111，压缩流体72的至少一部分通过端口111从流动路径70排出，例如经由箭头71所示。第二压缩机24处的端口111被构造成从第二压缩机24接收来自流动路径70的至少该部分流体71。
第一压缩机22包括定位在流动路径70处的轮叶110，在该轮叶110处形成开口112。开口112在流动路径70处，以便经由轮叶110处的开口112将来自端口111的至少一部分流体71排出到流动路径70中，例如经由箭头73所示。
在各种实施例中，第二压缩机24处的端口111定位在第二压缩机24的下游端99处或后方。例如，第二压缩机24的下游端99可以对应于站3，或涡轮机(例如燃气涡轮发动机)的下游。从第二压缩机24排放的流体(例如氧化剂或空气)用于期望地影响第一压缩机22和第二压缩机24之间的压缩机匹配，以便改进或增加压缩机区段21的可操作性裕度。在特定实施例中，端口111被构造为排放端口，以在压缩机区段21处或进入压缩机区段21的高温条件期间增加可操作性裕度。在特定实施例中，增加的可操作性裕度允许增加的操作高度(例如，进入压缩机区段21的流体69的压力较低)或增加的操作范围。
端口111经由轮叶110处的开口112将至少一部分流体71从第二压缩机24或其下游提供到第一压缩机22处的流动路径70。从轮叶110重新进入流动路径70的流体73期望地改变第一压缩机22和第二压缩机24之间的功分配。重新进入流动路径70的流体73可以通过改变来自静态或静止轮叶的流体流的出口角度来期望地改变压缩机22、24之间的功分配。特别地，从开口112排出的流体流73可以期望地改变功分配而无需使用运动学硬件(例如致动器、扭矩箱、U形夹、同步环或其他硬件)来旋转轮叶角度以影响压缩机流。另外，与可单独旋转的压缩机相比，端口、导管和开口的布置可以期望地改变通常可旋转压缩机的功分配。
因此，在各种实施例中，轮叶110是压缩机区段21的静止的、非旋转的或以其他方式固定的翼型件。在各种实施例中，压缩机区段21的其他轮叶118是静态的、固定角度的或以其他方式静止的翼型件。这种其他轮叶118可包括定位在压缩机区段21的上游端98处的入口导向轮叶114。附加地或替代地，定位在入口导向轮叶114下游的一级或多级轮叶118可以形成为压缩机区段21的固定翼型件，以便形成第一压缩机22的级间轮叶116。在仍然各种实施例中，压缩机区段21的所有轮叶118形成为固定翼型件，例如固定螺距轴线、固定角度或其他非旋转翼型件。
参考图2-3，包括本文所述的开口112的轮叶110可以定位在第一压缩机22的相对于通过其中的流体流的最下游端。换言之，轮叶110定位在第一压缩机22的多个叶片122的下游。
在其它实施例中，例如图4中所描绘的，轮叶110定位在第一压缩机22的最上游端作为入口导向轮叶114。换言之，轮叶110定位在第一压缩机22的多个叶片122的上游。
在某些实施例中，例如图5中所描绘的，孔口113定位在第一压缩机22的下游和第二压缩机24的上游。孔口113被构造为将由箭头74示意性地描绘的第二部分流体从孔口113提供到轮叶110处的开口112。流74和71混合并经由轮叶110处的开口112提供给流动路径70。在某些实施例中，孔口113可以允许通过开口112排出的流体的流动、出口角度或压力的增加的控制或可变性。
在其它实施例中，例如图6中所描绘的，轮叶110定位在一个或多个定子或级间轮叶116处，该一个或多个定子或级间轮叶116定位在第一压缩机22的最上游端和最下游端之间。换言之，轮叶110定位在第一压缩机22的下游端99和第一压缩机22的上游端98之间。
应当理解，在又一实施例中，压缩机区段21可以包括关于图2-6描绘和描述的轮叶110的布置的组合。
现在参考图7-8，提供了本文所述的压缩机区段21的轮叶110的实施例的立体图。还参考图9，提供了轮叶110的示例性横截面视图。轮叶110包括前缘131和后缘132、参考弦线134、展向高度136和参考弧线137(图9)。轮叶110还包括最大翼型件厚度位置135。轮叶110还包括压力侧、吸力侧和其他翼型件特征，以使流体期望地流过轮叶110。
返回参考图2-6，并进一步参考图7-9，在某些实施例中，第一压缩机22的轮叶110处的开口112定位在轮叶110处的最大厚度位置135与距轮叶110的后缘132的弦134的8％之间。在另一个实施例中，轮叶110处的开口112定位在轮叶110处的最大厚度位置与距后缘132的弦134的10％之间。在又一个实施例中，轮叶110处的开口112定位在轮叶110处的最大厚度位置与距后缘132的弦134的12％之间。应当理解，最大厚度位置135可以相对于弦线134或弧线137测量或限定，并且本文使用的最大厚度位置是指更接近前缘131的位置。还应当理解，相对于开口112的定位，距后缘132的距离可以相对于沿弧线137来限定。此外，本领域技术人员将理解，后缘132相对于弦线134的距离可以如何转换为或转换自后缘132相对于弧线137的距离。
在各种实施例中，开口112可以定位在轮叶110的压力侧、吸力侧或两者处。在多个轮叶110中，某些单独的轮叶110可以包括定位在压力侧的开口112，并且轴向级内的其他轮叶可以包括定位在吸力侧处的开口112。在又其他实施例中，轮叶110的一个或多个轴向级可包括定位在压力侧上的开口112，并且轮叶110的一个或多个其他轴向级可包括定位在吸力侧上的开口112。
应当理解，开口112定位在所提供的范围内，以便将来自第二压缩机24的流体73期望地注入到第一压缩机22处的流动路径70中，以修改跨轮叶110的展向高度136的平均流动角度。修改跨轮叶110的展向高度136的平均流动角度允许或修改流体的轮叶出口角度，而无需使用运动学硬件或轮叶118的物理转动。因此，定位在本文提供的范围内的开口112可以去除对运动学硬件的需要，该运动学硬件通常用于改进压缩机区段21处的可操作性和/或性能，以便节约重量、降低复杂性和/或改进跨压缩机区段21的所有或基本上所有的操作包线的压缩机可操作性。附加地或替代地，与所公开范围之外的端口或开口的其他放置相比，将开口112放置在本文所提供的范围内可以特别地提供本文所述的一个或多个益处。
现在参考图8，在某些实施例中，轮叶110包括多个开口112。多个开口112包括形成与第二开口142不同的横截面面积的第一开口141。在各种实施例中，第一开口141和第二开口142各自沿轮叶110相对于彼此定位在不同的展向136位置处。在又一些实施例中，第一开口141形成比第二开口142更大的横截面面积。在特定实施例中，更大的横截面面积对应于开口112的更大的出口宽度。在一个实施例中，第二开口142相对于第一开口141靠近轮叶110的内直径143定位。在另一个实施例中，第二开口142相对于第一开口141靠近轮叶110的外直径144定位。
在又一个实施例中，第二开口142相对于第一开口141靠近轮叶110的内直径143和外直径144定位。因此，轮叶110的相对中间的跨度包括第一开口141，第一开口141形成大于第二开口142处的第二出口宽度146的第一出口宽度145。应当理解，轮叶110可以包括大于第二开口142且小于第一开口141的一个或多个第三横截面面积或出口宽度。第一开口141相对于第二开口142的特定定位和相对尺寸可以允许改进的压缩机匹配。附加地或替代地，当流体73通过轮叶110处的开口112重新进入流动路径70时，第一开口141相对于第二开口142的特定位置和相对尺寸可以减轻流动扰动、流动不对称、湍流或其他不期望的流动特性。
返回参考图2-6，在各种实施例中，发动机10可以包括从第二压缩机24处的端口111延伸到第一压缩机22处的轮叶110的导管120。导管120提供从第二压缩机24的下游端99处或后方的流动路径70到轮叶110处的开口112的流体连通。导管流动路径125被限定为从端口111到开口112，以将流体流71从第二压缩机24提供到第一压缩机22处或下游的流动路径70。
在一个实施例中，如图3所示，阀130定位在导管120处。阀130被构造成调节一部分流体71从第二压缩机24处的端口111到第一压缩机22处的开口112的压力和/或流动。在各种实施例中，阀130是任何合适的阀或装置，用于控制、连结(articulating)、限制或增加从第二压缩机24处的流动路径70移除和/或重新引入到第一压缩机22处的流动路径70的流体的流速或压力。合适的阀包括但不限于蝶阀、球阀、闸阀、旋塞阀或其他合适的阀类型。
在另一个实施例中，如图5所示，导管120从孔口113延伸以提供从孔口113到轮叶110处的开口112的流动连通。来自端口111的流71和来自孔口113的流74被允许在导管流动路径125处混合，并经由轮叶110处的开口112将混合流提供到流动路径70。在某些实施例中，阀130定位在孔口113和端口111之间的接合部处，以控制从相应端口111和孔口113接收的流体的量或比。阀130可被构造成中断从端口111或孔口113中的一个或两者的流动或抽取。
返回参考图1，发动机10的某些实施例包括被构造为执行操作的控制器210。操作包括旋转第一压缩机22和第二压缩机24，以产生通过其中的压缩流体72，例如本文所述。在一些实施例中，使第一压缩机22和第二压缩机24旋转包括使压缩机以相同的转速旋转。在特定实施例中，使第一压缩机22和第二压缩机24经由共同的可旋转轴以相同的转速旋转。然而，在其他实施例中，第一压缩机和第二压缩机是可单独旋转的。
操作进一步包括经由端口111从第二压缩机24处的流动路径70移除至少一部分流体。操作还包括至少基于通过第一压缩机22处的轮叶110从第二压缩机24排出该部分流体的至少一部分来调整第一压缩机22处的操作线，例如本文所述。
在各种实施例中，操作包括修改第一压缩机22和第二压缩机24之间的功分配。压缩机22、24之间的功或功分配通常是指由每个相应的压缩机22、24执行的通过其中的流体的加压幅度。相应压缩机22、24处的功或压缩机22、24之间的功分配可以指压缩机22、24之间的焓使用。在某些实施例中，修改第一压缩机22和第二压缩机24之间的功分配是至少基于从第二压缩机24处的流动路径70移除该部分流体71。在又一些实施例中，修改第一压缩机22和第二压缩机24之间的功分配是至少基于减少第一压缩机22处的操作线。
在一些实施例中，操作包括至少基于增加第二压缩机24处的负载和从第二压缩机24处的流动路径70移除该部分流体71来减少第一压缩机22处的操作线。在一个实施例中，操作包括至少基于减小第一压缩机22处的操作线来增加第一压缩机22处的失速裕度，例如如上所述。
在仍然各种实施例中，调整第一压缩机22处的操作线包括在多级定子或固定翼型件轮叶118处保持恒定的轮叶角度，例如本文所述。在一个实施例中，调整第一压缩机22处的操作线包括增加第一压缩机22处的转速。
在某些实施例中，操作包括经由孔口113从第一压缩机22和第二压缩机24之间的流动路径70移除至少第二部分流体。该操作还可以包括通过第一压缩机22处的轮叶110从端口111排出该部分流体和从孔口113排出该部分流体。
仍然参考图1，通常，控制器210可以对应于任何合适的基于处理器的装置，包括一个或多个计算装置。例如，图1示出了可以包括在控制器210内的合适部件的一个实施例。如图1所示，控制器210可以包括处理器212和相关联的存储器214，其被构造为执行各种计算机实施的功能(例如，执行本文公开的方法、步骤、计算等)。如本文所用，术语“处理器”不仅指本领域中称为包括在计算机中的集成电路，还指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和其他可编程电路。另外，存储器214通常可以包括存储器元件，包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪存)、光盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其他合适的存储器元件或其组合。在各种实施例中，控制器210可以限定全权限数字发动机控制器(FADEC)、螺旋桨控制单元(PCU)、发动机控制单元(ECU)或电子发动机控制(EEC)中的一个或多个。
如图所示，控制器210可以包括存储在存储器214中的控制逻辑216。控制逻辑216可以包括当由一个或多个处理器212执行时使一个或多个处理器212进行操作的指令，如上所述。
另外，如图1所示，控制器210还可以包括通信接口模块230。在若干实施例中，通信接口模块230可以包括用于发送和接收数据的相关联电子电路。因此，控制器210的通信接口模块230可用于向发动机10和压缩机区段21发送数据，和/或从发动机10和压缩机区段21接收数据。此外，通信接口模块230还可以用于与发动机10的任何其他合适的部件(包括任何数量的阀130、传感器、流量控制装置或其他可致动结构)通信。
应该理解，通信接口模块230可以是合适的有线和/或无线通信接口的任何组合，因此，可以经由有线和/或无线连接通信地联接到压缩机区段21或发动机10的一个或多个部件。因此，控制器210可以获得、确定、存储、生成、传输或操作诸如本文所述的操作或附接有发动机10的设备的任何一个或多个步骤。这样的设备可以包括但不限于与压缩机区段21和/或发动机10(例如分布式网络)通信的固定翼或旋翼飞行器，海上飞行器，或基于地面、空中或卫星的飞行器。
下文描述的发动机10或压缩机区段21的一个或多个部件可以使用任何合适的处理(例如增材制造处理，例如3-D打印处理)来制造或形成。这种处理的使用可以允许这种部件一体地形成为单个整体部件，或者形成为任何合适数量的子部件。特别地，增材制造处理可以允许这样的部件一体形成并且包括在使用现有制造方法时不可能实现的多种特征。例如，本文所述的增材制造方法允许将轮叶110处的开口112、第二压缩机24处的端口111、它们之间的导管120或其组合制造为具有期望横截面面积、体积或本文所述的其它几何形状的整体结构，以在第一压缩机22和第二压缩机24之间提供期望的压缩机匹配，这样的结构或方法的开发和采用使用现有的制造方法可能是不可能的或不实际的。此外，这样的结构使用现有的制造方法可能是不可能的或不实际的，同时允许相对于可变轮叶架构减轻重量。
如本文所用，术语“增材制造”或“增材制造技术或处理”一般是指制造处理，其中连续材料层被提供在彼此上以逐层地“构建”三维部件。连续层通常熔融在一起以形成可具有多种一体子部件的整体部件。尽管增材制造技术在本文中被描述为能够通过通常在竖直方向上逐点、逐层构建物体来制作复杂物体，但其他制作方法是可能的并且在本主题的范围内。例如，虽然本文的讨论涉及添加材料以形成连续层，但本领域技术人员将理解，本文公开的方法和结构可以用任何增材制造技术或制造技术来实践。例如，本发明的实施例可以使用层加处理、层减处理或混合处理。
根据本公开的合适的增材制造技术包括例如熔融沉积建模(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、3D打印(例如通过喷墨、激光喷射和粘合剂喷射)、立体光刻(SLA),直接选择性激光烧结(DSLS)、电子束烧结(EBS)、电子束熔化(EBM)、激光工程净成形(LENS)、激光净成形制造(LNSM)、直接金属沉积(DMD)、数字光处理(DLP)、直接选择性激光熔化(DSLM)、选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光熔化(DMLM)以及其他已知处理。
本文所述的增材制造处理可用于使用任何合适的材料形成部件。例如，该材料可以是塑料、金属、混凝土、陶瓷、聚合物、环氧树脂、光敏聚合物树脂，或者可以是固体、液体、粉末、片材、线材或任何其他合适形式或其组合的任何其他合适的材料。更具体地，根据本主题的示例性实施例，本文所述的增材制造部件可以部分地、整体地或以材料(包括但不限于纯金属、镍合金、铬合金、钛、钛合金、镁、镁合金、铝、铝合金、以及镍或钴基超合金(例如，可从Special Metals Corporation获得的以
Figure BDA0003574836660000111
为名的那些))的一些组合形成。这些材料是适用于本文所述的增材制造处理的材料的示例，并且通常可称为“增材制造”。
此外，本文公开的增材制造处理允许单个部件由多种材料形成。因此，本文所述的部件可以由上述材料的任何合适的混合物形成。例如，部件可以包括使用不同材料、处理和/或在不同增材制造机器上形成的多个层、段或零件。以这种方式，可以构造具有不同材料和材料特性的部件以满足任何特定应用的需求。此外，尽管本文所述的部件完全由增材制造处理构成，但应理解，在替代实施例中，这些部件中的全部或一部分可以经由铸造、机械加工和/或任何其他合适的制造处理形成。实际上，材料和制造方法的任何合适组合都可以用来形成这些部件。
值得注意的是，在示例性实施例中，本文描述的部件的若干特征由于制造限制在以前是不可能的。然而，本发明人有利地利用了增材制造技术的当前进步来开发大体上根据本公开的此类部件的示例性实施例。尽管本公开通常不限于使用增材制造来形成这些部件，但增材制造确实提供了多种制造优势，包括易于制造、降低成本等。
在这方面，利用增材制造方法，甚至多零件部件也可以形成为单件连续金属，并且因此与现有设计相比可以包括更少的子部件和/或接头。通过增材制造一体形成这些多零件部件可以有利地改进整个组装处理。例如，一体形成减少了必须组装的单独零件的数量，从而减少了相关联的时间和总组装成本。另外，可以有利地减少与例如泄漏、单独零件之间的接合质量和整体性能有关的现有问题。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。
本发明的进一步方面由以下条项的主题提供：
1.一种涡轮机，其中所述涡轮机限定通过其中的流动路径，流体在所述流动路径处被压缩，所述涡轮机包括：第一压缩机，所述第一压缩机以串行流动布置在第二压缩机的上游，其中所述第二压缩机包括所述流动路径处的端口，其中所述第二压缩机处的所述端口被构造为从所述第二压缩机接收来自所述流动路径的所述流体的至少一部分，并且其中所述第一压缩机包括定位在所述流动路径处的轮叶，并且其中所述轮叶包括所述流动路径处的开口，其中所述轮叶处的所述开口被构造为将来自所述端口的所述流体的所述一部分排出到所述流动路径中。
2.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述第二压缩机处的所述端口定位在所述第二压缩机的下游端处或后方。
3.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述第一压缩机的所述轮叶处的所述开口定位在所述轮叶处的最大厚度位置与距所述轮叶的后缘的弦的10％之间。
4.根据本文中任何条项所述的涡轮机，所述涡轮机包括：导管，所述导管从所述第二压缩机处的所述端口延伸到所述第一压缩机处的所述轮叶，其中所述导管提供从所述第二压缩机的所述下游端处或其后方的所述流动路径到所述轮叶处的所述开口的流体连通。
5.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述轮叶包括多个所述开口，多个所述开口包括形成与第二开口不同的横截面面积的第一开口。
6.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述第一开口和所述第二开口沿所述轮叶定位在相对于彼此不同的展向位置处。
7.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述第一开口包括比所述第二开口更大的横截面面积，并且其中，所述第二开口相对于所述第一个开口靠近所述轮叶的内直径、所述轮叶的外直径或两者定位。
8.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述轮叶包括多个所述开口，多个所述开口包括第一开口，所述第一开口形成大于第二开口处的第二出口宽度的第一出口宽度，并且其中所述第二开口相对于所述第一开口靠近所述轮叶的内直径、所述轮叶的外直径或两者定位。
9.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述轮叶定位在所述第一压缩机的多个叶片的下游。
10.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述轮叶定位在所述第一压缩机的多个叶片的上游。
11.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述轮叶定位在所述第一压缩机的下游端和所述第一压缩机的上游端之间。
12.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述第一压缩机包括多级静止轮叶，并且其中所述多级静止轮叶由固定螺距角翼型件组成。
13.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述第一压缩机是轴向压缩机。
14.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述第二压缩机是离心压缩机。
15.根据本文中任何条项所述的涡轮机，所述涡轮机包括：导管，所述导管从所述第二压缩机处的所述端口延伸到所述第一压缩机处的所述轮叶，其中所述导管提供从所述第二压缩机的下游端处或其后方的所述流动路径到所述轮叶处的所述开口的流体连通；以及阀，所述阀定位在所述导管处，其中所述阀被构造为调节从所述第二压缩机处的所述端口到所述第一压缩机处的所述开口的所述一部分流体的压力和/或流动。
16.根据本文中任何条项所述的涡轮机，所述涡轮机包括：孔口，所述孔口定位在所述第一压缩机的下游和所述第二压缩机的上游，其中所述孔口被构造为经由所述轮叶处的所述开口将来自所述孔口的所述流体的第二部分提供到所述流动路径中。
17.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述导管从所述孔口延伸以提供流体从所述孔口到所述轮叶处的所述开口的流动连通。
18.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述阀被构造为控制到所述导管流动路径的来自所述孔口的流体与来自所述端口的流体的比。
19.根据本文中任何条项所述的涡轮机，所述涡轮机包括：控制器，所述控制器被构造为执行操作，所述操作包括；旋转所述第一压缩机和所述第二压缩机以产生通过其中的压缩流体；经由所述端口从所述第二压缩机处的所述流动路径中移除所述流体的至少一部分；以及至少基于通过所述第一压缩机处的所述轮叶从所述第二压缩机排出所述一部分流体的至少一部分来调整所述第一压缩机处的操作线。
20.根据本文中任何条项所述的涡轮机，所述操作包括：至少基于从所述第二压缩机处的所述流动路径中移除所述流体的所述一部分来修改所述第一压缩机和所述第二压缩机之间的功分配。
21.根据本文中任何条项所述的涡轮机，所述操作包括：至少基于增加所述第二压缩机处的功来增加所述第一压缩机处的失速裕度。
22.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中调整所述第一压缩机处的所述操作线包括在多级静态翼型件处保持恒定的轮叶角度。
23.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中调整所述第一压缩机处的操作线包括增加所述第一压缩机处的转速。
24.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中修改所述第一压缩机和所述第二压缩机之间的功分配至少基于减少所述第一压缩机处的所述操作线。
25.根据本文中任何条项所述的涡轮机，所述操作包括经由定位在所述第一压缩机下游和所述第二压缩机上游的孔口从所述流动路径移除所述流体的至少一部分。
26.根据本文中任何条项所述的涡轮机，所述操作包括至少基于通过所述第一压缩机处的所述轮叶从所述孔口中排出所述一部分流体的至少一部分来调整所述第一压缩机处的所述操作线。
27.根据本文中任何条项所述的涡轮机，其中所述涡轮机是涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机构造。

Claims (20)

1.一种涡轮机，其特征在于，其中所述涡轮机限定通过其中的流动路径，流体在所述流动路径处被压缩，所述涡轮机包括：
第一压缩机，所述第一压缩机以串行流动布置在第二压缩机的上游，
其中所述第二压缩机包括所述流动路径处的端口，其中所述第二压缩机处的所述端口被构造为从所述第二压缩机接收来自所述流动路径的所述流体的至少一部分，并且
其中所述第一压缩机包括定位在所述流动路径处的轮叶，并且其中所述轮叶包括所述流动路径处的开口，其中所述轮叶处的所述开口被构造为将来自所述端口的所述流体的所述一部分排出到所述流动路径中。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，其中所述第二压缩机处的所述端口定位在所述第二压缩机的下游端处或后方。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，其中所述第一压缩机的所述轮叶处的所述开口定位在所述轮叶处的最大厚度位置与距所述轮叶的后缘的弦的10％之间。
4.根据权利要求3所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机包括：
导管，所述导管从所述第二压缩机处的所述端口延伸到所述第一压缩机处的所述轮叶，其中所述导管提供从所述第二压缩机的所述下游端处或其后方的所述流动路径到所述轮叶处的所述开口的流体连通。
5.根据权利要求3所述的涡轮机，其特征在于，其中所述轮叶包括多个所述开口，多个所述开口包括形成与第二开口不同的横截面面积的第一开口。
6.根据权利要求5所述的涡轮机，其特征在于，其中所述第一开口和所述第二开口沿所述轮叶定位在相对于彼此不同的展向位置处。
7.根据权利要求6所述的涡轮机，其特征在于，其中所述第一开口包括比所述第二开口更大的横截面面积，并且其中，所述第二开口相对于所述第一开口靠近所述轮叶的内直径、所述轮叶的外直径或两者定位。
8.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，其中所述轮叶包括多个所述开口，多个所述开口包括第一开口，所述第一开口形成大于第二开口处的第二出口宽度的第一出口宽度，并且其中所述第二开口相对于所述第一开口靠近所述轮叶的内直径、所述轮叶的外直径或两者定位。
9.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，其中所述轮叶定位在所述第一压缩机的多个叶片的下游。
10.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，其中所述轮叶定位在所述第一压缩机的多个叶片的上游。
11.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，其中所述轮叶定位在所述第一压缩机的下游端和所述第一压缩机的上游端之间。
12.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，其中所述第一压缩机包括多级静止轮叶，并且其中所述多级静止轮叶由固定螺距角翼型件组成。
13.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，其中所述第一压缩机是轴向压缩机。
14.根据权利要求13所述的涡轮机，其特征在于，其中所述第二压缩机是离心压缩机。
15.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机包括：
导管，所述导管从所述第二压缩机处的所述端口延伸到所述第一压缩机处的所述轮叶，其中所述导管提供从所述第二压缩机的下游端处或其后方的所述流动路径到所述轮叶处的所述开口的流体连通；以及
阀，所述阀定位在所述导管处，其中所述阀被构造为调节从所述第二压缩机处的所述端口到所述第一压缩机处的所述开口的所述一部分流体的压力和/或流动。
16.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机包括：
孔口，所述孔口定位在所述第一压缩机的下游和所述第二压缩机的上游，其中所述孔口被构造为经由所述轮叶处的所述开口将来自所述孔口的所述流体的第二部分提供到所述流动路径中。
17.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机包括：
控制器，所述控制器被构造为执行操作，所述操作包括；
旋转所述第一压缩机和所述第二压缩机以产生通过其中的压缩流体；
经由所述端口从所述第二压缩机处的所述流动路径中移除所述流体的至少一部分；以及
至少基于通过所述第一压缩机处的所述轮叶从所述第二压缩机排出所述一部分流体的至少一部分来调整所述第一压缩机处的操作线。
18.根据权利要求17所述的涡轮机，其特征在于，所述操作包括：
至少基于从所述第二压缩机处的所述流动路径中移除所述流体的所述一部分来修改所述第一压缩机和所述第二压缩机之间的功分配。
19.根据权利要求18所述的涡轮机，其特征在于，所述操作包括：
至少基于增加所述第二压缩机处的功来增加所述第一压缩机处的失速裕度。
20.根据权利要求17所述的涡轮机，其特征在于，其中调整所述第一压缩机处的所述操作线包括在多级静态翼型件处保持恒定的轮叶角度。
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