CN115013093A - 扩散器排放组件 - Google Patents

Abstract

一种发动机可以包括集成的扩散器‑排放挡板组件、扩散器和排放端口。集成的扩散器‑排放挡板组件流体联接在扩散器和排放端口之间。集成的扩散器‑排放挡板组件被构造为使边界层流从扩散器流到排放端口。挡板孔可以包括在集成的扩散器‑排放挡板组件中，使得该组件可以起到抑制发动机中声学不稳定性的作用。

Description

扩散器排放组件

技术领域

本公开涉及一种用于扩散器的排放组件。更具体地，本公开涉及集成的扩散器-挡板排放组件。

背景技术

当前的燃气涡轮发动机包括排放端口，该排放端口将空气从扩散器附近的腔中拉出以在发动机的其他地方或飞行器的其他地方使用。由于飞行器和/或发动机中的技术需要更多空气，因此存在更大的排放需求，这导致排放端口的尺寸增加以适应更大的空气流。

发明内容

根据一个实施例，一种发动机可以包括：扩散器；排放端口；和集成的扩散器-排放挡板组件，集成的扩散器-排放挡板组件流体联接在扩散器和排放端口之间，其中，集成的扩散器-排放挡板组件被构造为使边界层流从扩散器流到排放端口。

根据一个实施例，一种用于燃气涡轮发动机的集成的扩散器-排放挡板组件，包括：本体，本体在第一端处具有入口，并且在第二端处具有出口；通道，通道在本体内从入口延伸到出口；并且其中，本体和通道的宽度从第一端到第二端逐渐增加，并且其中，通道被构造为将边界层流从扩散器排放到排放端口。

根据一个实施例，一种用于从燃气涡轮发动机中的扩散器排出空气流的方法可以包括：提供通过扩散器的流，该流具有主流和边界层流；将边界层流直接从扩散器出口排放到排放端口；和抑制扩散器下游的腔中的声学不稳定性。

通过考虑以下详细描述、附图和权利要求，本公开的附加特征、优点和实施例被阐述或显而易见。此外，应当理解，本公开的前述概述和以下详细描述都是示例性的并且旨在提供进一步的解释而不限制所要求保护的本公开的范围。

附图说明

从以下更具体地对各种示例性实施例的描述中，前述和其他特征和优点将变得明显，如附图中所示，其中相似的附图标记通常表示相同、功能相似和/或结构相似的元件。

图1示出了根据本公开的实施例的燃气涡轮发动机的一部分的示意性截面图。

图2示出了根据本公开的实施例的燃气涡轮发动机的扩散器和燃料喷嘴的特写示意性截面图。

图3示出了根据本公开的实施例的燃气涡轮发动机的扩散器和燃料喷嘴的特写示意性截面图，该扩散器区段包括挡板。

具体实施方式

下面详细讨论各种实施例。尽管讨论了特定实施例，但这仅是为了说明的目的。相关领域的技术人员将认识到，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以使用其他部件和构造。

当前的燃气涡轮发动机包括可能导致发动机重量和长度增加的大排放端口，这可能降低发动机的整体效率。本公开的排放组件允许排放端口的尺寸减小，从而减小发动机的重量、发动机的长度并提高发动机的效率，同时实现通过发动机的期望流动。

本公开描述了一种用于扩散器的排放组件。排放组件可以包括联接在扩散器出口和排放端口之间的挡板。挡板可包括允许来自扩散器的边界层排气流过挡板并离开排放端口的内部通道。挡板还可包括横向于内部通道延伸的挡板孔。挡板孔可以允许挡板起到阻尼器的作用。

因此，本公开描述了一种集成的扩散器-挡板排放组件，其允许直接从扩散器的内壁拉出边界层排气。这可以允许具有更高膨胀比的更短的扩散器，同时避免流动分离。这也可以允许排放端口的尺寸减小、扩散器缩短、排放端口联接到的外壳缩短、或它们的任何组合。与没有本公开的排放组件的发动机相比，部件尺寸和重量的这种减小可以减小发动机的尺寸和重量，从而提高发动机的效率。由于在更短的轴向跨度中具有更大的面积比，更短的扩散器(与没有本公开的排放组件的系统相比)可能更有效。

图1示出了发动机(例如燃气涡轮发动机)的区段10的示意性截面图。区段10可包括燃烧区段12，其产生排放到涡轮区段14中的燃烧气体。扩散器16可以定位在燃烧区段12的上游。扩散器16可以接收来自发动机的压缩机区段(未示出)的气流并且可以将压缩空气流提供给燃烧区段12。区段10可包括燃料喷嘴18和排放端口20。区段10可包括外壳22和内壳24。外壳22可在外壳22和燃烧室的外衬28之间限定外通道26。内壳24可在内壳24和燃烧室的内衬32之间限定内通道30。在扩散器16和燃烧区段12之间可以存在腔34。挡板36可以存在于腔34中。可以存在挡板36以抑制声学不稳定性和/或帮助空气动力学地重新分配由大排放端口20引起的可能导致流动不均匀的高排放拉力。当通过腔34的流动在局部足够高时可能出现流动不均匀，这可能导致不均匀的周向流动分布，这可能影响发动机性能。

参考图2，示出了发动机的区段的示意性截面图。图2中所示的区段可能不包括挡板或排放组件。该区段可包括如关于图1所述的扩散器16和燃料喷嘴18。腔34可以存在于扩散器16和燃料喷嘴18之间的区段内。腔34可以由外壳22和内壳24界定。腔34可以与外通道26和内通道30流体联接。

继续参考图2，排放端口20可包括在外壳22中。排放端口20可以设置成允许空气从燃烧器扩散器喷嘴(也称为扩散器16)排放或分流，并被引导到发动机内的其他地方或发动机外部。排放端口20的大小和尺寸基于发动机内的空气需求和其他客户需求。

随着行业内的技术需要越来越多地需要空气，排放端口20的尺寸不断扩大以适应所需的增加的空气量。这种尺寸的增加会导致发动机重量的增加，因此会降低发动机的效率。此外，随着排放端口20尺寸的增加，过多的空气可能从发动机中排出，使得燃烧器可能局部地缺乏空气，从而导致发动机的低效运行。随着燃料与空气的比例增加，由这种局部空气不足引起的局部火焰温度可能会增加，这可能继而导致发动机内的硬件损坏。

在操作中，空气可以通过扩散器16流入腔34并通过排放端口20。也就是说，通过排放端口20排出的空气可能不是直接从扩散器16中拉出，而是从腔34中拉出。离开扩散器16的空气可能具有高压。为了最小化扩散器长度和随后的重量，扩散器长度被最小化。如果扩散器面积比扩张过快，可能会发生流动分离(例如，边界层与扩散器壁分离)，从而导致高扩散器损失。从扩散器出口到排放端口20的局部、高、直接的空气流路径也可能导致燃烧器缺气并且降低发动机的效率和/或可操作性。

因此，在省略了排放组件的发动机中，例如图2，部件的重量、长度和尺寸可能更大。这可能是由于围绕燃烧器周向隔开的多个排放端口，在发动机的旁路区域中需要多个排放管和歧管。与例如将参照图3描述的包括排放组件的发动机相比，增加的管导致更大的发动机重量并且发动机可能效率更低，并且发动机中的硬件损坏的风险可能更大。

参考图3，示出了发动机的区段100的示意性截面图。区段100可包括扩散器116和燃料喷嘴118。腔134可以存在于扩散器116和燃料喷嘴118之间的区段内。腔134可以分成两个区段，即第一腔部分134a和第二腔部分134b。第一腔部分134a可以由外壳122、上扩散器支撑件140和排放组件150界定。第二腔部分134b可以由下扩散器支撑件142和排放组件150界定。第二腔部分134b可以流体联接到第一腔部分134a、外通道126和内通道130。

继续参考图3，排放组件150可包括在第一端152处的入口151，入口151联接到扩散器116的出口117。排放组件150可包括在第二端154处的出口153，出口153联接到排放端口120的入口119。排放组件150可包括在排放组件150的本体内延伸的通道156。通道156可以是将扩散器出口117联接到排放端口入口119的贯通通道。出口153可以穿透外壳122以联接到排放端口120的入口119。

排放组件150可以允许边界层流A从扩散器的内壁116a流到排放组件150的入口151。允许流A保持接近内壁116a避免了流分离，从而避免了与图2的组件相关联的高压降和高扩散器损失。入口151可以在扩散器116的出口117周围尽可能均匀地周向定位。即，具有入口151的排放组件150的形状大体可以是环形的并且径向放置在扩散器116的出口117周围。入口151可以在扩散器116的轴向下方朝向腔134尽可能远。这可以允许入口151靠近并与出口117相邻。

排放组件150可以包括环形本体。环形本体可以具有用于在扩散器16的外表面周围附接的中心开口。通道156可以是围绕中心开口径向延伸穿过环形本体的多个通道。例如，通道156可以像辐条一样从本体的内表面(附接到扩散器)延伸到外表面(附接到排放端口120)。通道156可以是分开的并且不是流体联接的。或者，通道156可彼此流体联接。

排放组件150可以形成为挡板150。也就是说，排放组件150可以作为挡板操作以抑制腔134内的声学不稳定性。在图3所示的示例中，排放组件150是集成的扩散器-挡板排放组件150。集成的扩散器-挡板排放组件150既作为排放组件(如前所述)又作为挡板操作。集成的扩散器-挡板排放组件150可以包括挡板本体160。挡板本体160可以容纳通道156。挡板本体160的宽度可以从入口151到出口153增加。本体160的尺寸逐渐增加还可以包括从入口151到出口153的通道156的尺寸逐渐增加。

挡板本体160还可以包括开口，例如挡板孔162。挡板孔162与腔134a结合可以用作亥姆霍兹腔以抑制发动机中的声学不稳定性。挡板孔162可用作亥姆霍兹腔的颈部。孔162和腔134a的尺寸可以设定为针对特定的不稳定性频率进行阻尼。尽管示出了单个挡板孔162，但可以提供更多，或者可以省略挡板孔162，并且排放组件150然后将仅作为排放组件操作。挡板孔162可以横向于通道156，但可以不与通道156相交。例如，挡板孔162可以与通道156偏移，使得孔162和通道156不流体联接。在一些示例中，通道156可以是在环形本体160上间隔开的一系列径向延伸的独立通道。挡板孔162可以放置在两个相邻的通道156之间。

集成的扩散器-挡板排放组件150可以具有与扩散器116集成的挡板本体160。本体160可以与扩散器116一体地统一形成。或者，本体160可以通过诸如紧固件、焊接、粘合剂等的连接类型与其联接。

通过将排放组件150的入口151定位在扩散器116的出口117处，边界层保持靠在壁上，与没有排放组件150的扩散器16相比，这允许缩短扩散器116的长度。除了减小扩散器116的长度之外，与没有排放组件150的排放端口20相比，排放组件150可以允许排放端口120的尺寸减小。与没有排放组件的外壳22相比，较小的排放端口120和缩短的扩散器116还可以允许外壳122的区段122a的长度减小。与没有集成的扩散器-挡板排放组件的发动机相比，部件大小和尺寸的这种减小导致发动机的总长度更短和发动机的总重量更低。发动机的这种更低重量，其中部件的平均重量约为30磅/英寸，对发动机的操作很重要。发动机内的重量越轻，发动机效率越高。

在操作中，边界层排放流A可进入通道156的入口151并通过通道156到达出口153并进入排放端口120的入口119。根据需要，空气可从排放端口120用于发动机或飞行器的其他地方。

尽管被描述为包括亥姆霍兹腔，集成的扩散器-挡板排放组件可以仅用作排放组件。

尽管关于内壁116a处的边界层流A进行了描述，但是本公开的集成的扩散器-挡板排放组件可位于腔134b中，使得沿内壁116b的边界层流可在内壳124处被排放掉，以用于导流器(inducer)和/或用于发动机冷却。

因此，本公开的集成的扩散器-挡板排放组件可允许从扩散器拉出扩散器排放流以用于发动机和/或飞行器内的其他用途。本公开可在扩散器外壁处结合周向边界层抽吸，引导流通过挡板。本公开的挡板可以通过增材制造形成。通道和挡板孔(如果存在)可以被打印到组件的本体中。集成的燃烧器扩散器喷嘴壳体排放歧管可以允许通过集成歧管将单独的大排放拉力离散成更小的排放拉力，从而允许更周向均匀的排放拉力并促进更多的排放联接(例如，对于客户、反向排放系统、瞬时排放阀，等等)。即，图2的单个排放端口20可以由图3的多个排放端口120的较小周向布置代替。

因此，本公开的集成的扩散器-挡板排放组件在外扩散器上提供了集成挡板以排放来自扩散器的流以用于别处(例如，流导向客户、冷却和瞬时排放阀)。本公开的集成的扩散器-挡板排放组件允许提取扩散器中的边界层处的低动量流体。排放流的提取允许在较短长度的扩散器上具有较大的膨胀比，从而缩短扩散器的长度，同时保持较大的面积比和较高的压力恢复。

本公开的集成的扩散器-挡板排放组件通过使用挡板来排放边界层来允许更短、面积比更高的扩散器。这可以减轻发动机的旁路区段内或燃烧器壳体外部的大排放管的堵塞。

本公开的集成的扩散器-挡板排放组件允许更短的整体扩散器长度(相对于没有挡板的扩散器)。与没有本公开的集成挡板的系统相比，这可导致燃烧器扩散器喷嘴模块的总长度更短，从而重量更轻。因此，本公开的集成的扩散器-挡板排放组件允许节省和减少发动机内的重量和空间。

本公开的集成的扩散器-挡板排放组件可以允许扩散器中更大的面积比，这又可以等同于更好的压力恢复。本公开的挡板可以允许较小的燃烧器扩散器喷嘴壳体穿透并且允许更容易路由管道的可能性。本公开的集成的扩散器-挡板排放组件可以允许简化外径向安装并且可以在需要增加空间需求的情况下减轻发动机内的空间需求(例如，对于燃料喷嘴、外燃烧器支撑件、排放端口、机械安装，等等)。

如所提到的，与没有受益于本公开的发动机相比，本公开的集成的扩散器-挡板排放组件可以允许提高发动机效率。重量和性能是现代发动机的主要驱动力。本公开实现了一种排放系统，其可以具有更高性能：在扩散器中增加的压力恢复、增加的回流余量和更大的周向排放拉力，而不是可能影响燃烧器的模式因素的单个排放端口。本公开的实施可以实现扩散器长度的减少并且可能地减少燃烧器扩散器喷嘴模块的长度。本公开可允许在不负面影响发动机性能的情况下降低发动机总重量。

本公开的进一步方面由以下条项的主题提供。

1.一种发动机，包括：扩散器；排放端口；和集成的扩散器-排放挡板组件，所述集成的扩散器-排放挡板组件流体联接在所述扩散器和所述排放端口之间，其中，所述集成的扩散器-排放挡板组件被构造为使边界层流从所述扩散器流到所述排放端口。

2.根据任何前述条项所述的发动机，其中所述集成的扩散器-排放挡板组件包括从入口延伸到出口的通道。

3.根据任何前述条项所述的发动机，其中所述边界层流被构造为从所述扩散器通过所述通道流到所述排放端口。

4.根据任何前述条项所述的发动机，其中所述入口位于所述扩散器的出口处。

5.根据任何前述条项所述的发动机，其中所述集成的扩散器-排放挡板组件和所述通道的尺寸从所述入口到所述出口逐渐增加。

6.根据任何前述条项所述的发动机，进一步包括挡板孔，所述挡板孔横向于所述通道延伸通过所述集成的扩散器-排放挡板组件。

7.根据任何前述条项所述的发动机，其中所述集成的扩散器-排放挡板组件被构造为使空气从所述扩散器流到所述排放端口并且用作亥姆霍兹腔。

8.根据任何前述条项所述的发动机，其中所述集成的扩散器-排放挡板组件被构造为使空气从上内壁流到所述排放部分，从下内壁流到内壳，或两者。

9.一种用于燃气涡轮发动机的集成的扩散器-排放挡板组件，包括：本体，所述本体在第一端处具有入口，并且在第二端处具有出口；通道，所述通道在所述本体内从所述入口延伸到所述出口；并且其中，所述本体和所述通道的宽度从所述第一端到所述第二端逐渐增加，并且其中，所述通道被构造为将边界层流从扩散器排放到排放端口。

10.根据任何前述条项所述的集成的扩散器-排放挡板组件，进一步包括挡板孔，所述挡板孔在横向于所述通道的方向上延伸通过所述本体。

11.根据任何前述条项所述的集成的扩散器-排放挡板组件，其中所述挡板孔被构造为用作亥姆霍兹腔的颈部。

12.根据任何前述条项所述的集成的扩散器-排放挡板组件，其中所述本体是环形本体。

13.根据任何前述条项所述的集成的扩散器-排放挡板组件，其中所述环形本体包括被构造为围绕所述扩散器适配的中心开口。

14.根据任何前述条项所述的集成的扩散器-排放挡板组件，其中所述通道是围绕所述环形本体的中心轴线在径向方向上延伸的多个通道。

15.根据任何前述条项所述的集成的扩散器-排放挡板组件，进一步包括一个或多个挡板孔，所述一个或多个挡板孔中的每一个横向于所述多个通道定位并且位于所述多个通道中的相邻通道之间。

16.一种用于从燃气涡轮发动机中的扩散器排放空气流的方法，所述方法包括：提供通过所述扩散器的流，所述流具有主流和边界层流；将所述边界层流直接从扩散器出口排放到排放端口；和抑制所述扩散器下游的腔中的声学不稳定性。

17.根据任何前述条项所述的方法，其中排放发生在直接联接在所述扩散器出口和所述排放端口之间的通道中。

18.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括提供集成的扩散器-排放挡板组件，所述组件被构造为将所述边界层流直接从所述扩散器出口排放到所述排放端口，并作为亥姆霍兹腔操作以抑制所述腔中的所述声学不稳定性。

19.根据任何前述条项所述的方法，其中所述集成的扩散器-排放挡板组件包括挡板孔，所述挡板孔被构造为用作所述亥姆霍兹腔的颈部。

20.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括将所述集成的扩散器-排放挡板组件围绕所述扩散器出口的外表面适配。

尽管前面的描述针对优选实施例，但应注意，其他变化和修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且可以在不背离本公开的精神或范围的情况下进行。此外，结合一个实施例描述的特征可以结合其他实施例使用，即使上面没有明确说明。

Claims (10)

1.一种发动机，其特征在于，包括：

扩散器；

排放端口；和

集成的扩散器-排放挡板组件，所述集成的扩散器-排放挡板组件流体联接在所述扩散器和所述排放端口之间，

其中，所述集成的扩散器-排放挡板组件被构造为使边界层流从所述扩散器流到所述排放端口。

2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，其中所述集成的扩散器-排放挡板组件包括从入口延伸到出口的通道。

3.根据权利要求2所述的发动机，其特征在于，其中所述边界层流被构造为从所述扩散器通过所述通道流到所述排放端口。

4.根据权利要求2所述的发动机，其特征在于，其中所述入口位于所述扩散器的出口处。

5.根据权利要求2所述的发动机，其特征在于，其中所述集成的扩散器-排放挡板组件和所述通道的尺寸从所述入口到所述出口逐渐增加。

6.根据权利要求2所述的发动机，其特征在于，进一步包括挡板孔，所述挡板孔横向于所述通道延伸通过所述集成的扩散器-排放挡板组件。

7.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，其中所述集成的扩散器-排放挡板组件被构造为使空气从所述扩散器流到所述排放端口并且用作亥姆霍兹腔。

8.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，其中所述集成的扩散器-排放挡板组件被构造为使空气从上内壁流到所述排放端口，从下内壁流到内壳，或两者。

9.一种用于燃气涡轮发动机的集成的扩散器-排放挡板组件，其特征在于，包括：

本体，所述本体在第一端处具有入口，并且在第二端处具有出口；

通道，所述通道在所述本体内从所述入口延伸到所述出口；并且

其中，所述本体和所述通道的宽度从所述第一端到所述第二端逐渐增加，并且

其中，所述通道被构造为将边界层流从扩散器排放到排放端口。

10.根据权利要求9所述的集成的扩散器-排放挡板组件，其特征在于，进一步包括挡板孔，所述挡板孔在横向于所述通道的方向上延伸通过所述本体。

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