CN115244271A - 包括用于调节冷却流体的流速的设备的涡轮风扇发动机 - Google Patents

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泰伊斯·萨瓦那·利利亚纳·玛丽·斯梅茨
迪迪埃·让-路易斯·伊冯
弗雷德里克·弗朗索瓦·让-伊夫·帕塔德
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Abstract

具有纵向轴线(X‑X')的涡轮风扇发动机(10)包括初级管(20)和径向地围绕所述初级管(20)的次级管(19)，初级流(F1)在初级压力(P3)下在初级管中流动，并且次级流(F2)在次级压力(PS)下在次级管中流动，所述初级管(20)包括被配置为压缩初级流(F1)的至少一个压缩机(13)、驱动所述压缩机(13)旋转的涡轮(15)、以及被设计成在入口处接收由压缩机(13)压缩的初级空气流的燃烧室(14)，所述涡轮机(10)还包括在压缩机(13)与涡轮(15)之间延伸的冷却回路(23)。冷却回路(23)包括空气流速调节设备(30)，该空气流速调节设备被布置在涡轮(15)的上游并且包括至少一个能够在开启位置与闭合位置之间移动的阀(42)，初级管(20)中的定位在压缩机(13)和燃烧室(14)之间的与次级管(19)中的压力(PS)下。

Description

包括用于调节冷却流体的流速的设备的涡轮风扇发动机
技术领域
本发明涉及涡轮机的领域，并且特别地涉及涡轮机的涡轮转子的冷却。
更特别地，本发明涉及对通过所述涡轮机的转子元件的流体的流动的调节。
背景技术
常规地，已知涡轮风扇发动机类型的涡轮机包括入口套筒，该入口套筒接收由低压压缩机吸入的空气，然后该空气被分成中央初级流和围绕该初级流的次级流。低压压缩机与风扇类似，因为该低压压缩机压缩的空气流的一部分供给次级流。
次级流在称为次级管的空间中流动，该称为次级管的空间在外部由次级管壳体(也被称为发动机整流罩)界定、且在内部由围绕初级流的封套界定。
初级流在称为初级管的空间中流动，该称为初级管的空间在外部由封套界定、且在内部由一系列的固定式内部元件和旋转式内部元件界定。这些固定式内部元件包括整流器和分配器平台、以及内壳体护罩，这些旋转式内部元件包括转子叶轮平台。
更具体地，初级流在高压压缩机的内部壳体与外部壳体之间流动以在该高压压缩机中被压缩，之后在燃烧室中燃烧。然后，它通过高压涡轮膨胀以驱动高压压缩机，然后通过低压涡轮以驱动低压压缩机，之后向后排出而产生推力。
因此，在外侧界定初级管的封套由一系列壳体、以及排放壳体(exhaust casing)的外部护罩形成，该一系列壳体包括高压压缩机壳体、燃烧室处的壳体和高压涡轮壳体。
每个涡轮和每个压缩机都由多个级形成，每个级包括一系列旋转式叶片，这些旋转式叶片围绕发动机的中心纵向轴线规则地间隔开，在涡轮的情况下可选地在分配器之前、或者在压缩机的情况下可能在整流器之后。分配器和整流器包含一系列固定式叶片。
这种发动机的后部分包括位于低压涡轮下游的排放壳体，该排放壳体承载支撑发动机转子的后端的支承件。该排放壳体包括内护罩、外护罩以及径向臂，这些径向臂将这些护罩彼此固定、径向地穿过初级管。
也已知涡轮风扇和双转子涡轮(twin-spool turbine)类型的飞行器涡轮机。以已知的方式，该涡轮机沿涡轮机中气体流的流动方向从上游到下游包括风扇，该风扇被联接到燃气涡轮发动机(gas turbine engine)，该燃气涡轮发动机包括低压压缩机、高压压缩机、环形燃烧室、高压涡轮和低压涡轮。
高压压缩机的转子和高压涡轮的转子通过高压(high pressure，HP)轴连接并一起形成高压本体。低压压缩机的转子和低压涡轮的转子通过低压(low pressure，LP)轴连接并一起形成低压本体。HP轴和LP轴沿涡轮机的纵向轴线延伸。
风扇包括被连接到风扇轴的叶片部(vane)。以低于LP轴的旋转速度的旋转速度使风扇旋转是有利的，特别是当LP轴的旋转速度非常大时亦如此，以便更好地适应空气动力性。为此目的，风扇轴通过例如行星齿轮类型的减速器被旋转地连接到LP轴。在另一种配置中，风扇轴可以被直接连接到LP轴。
涡轮机还包括风扇壳体，该风扇壳体围绕叶片部延伸、由空气动力臂承载、并且限定了用于这些流的空气入口管。该空气的一部分进入流动初级流的内部环形管，而另一部分供给流动次级流的外部环形管。管穿过LP压缩机和HP压缩机、燃烧室、以及HP涡轮和LP涡轮。外部管包封压缩机壳体和涡轮、并在涡轮机的喷嘴处接合内部管。
为了增加涡轮机的推力，已知的是增加涡轮机的尺寸，这具有增加涡轮机的质量和空间需求的缺点。
还已知的是，通过增加被传输到涡轮翅片的燃烧气体的温度，来增加涡轮机的功率和热效率。然而，气体温度的增加受到涡轮转子和叶片的最高允许温度的限制。此外，温度的增加会大大降低定位于燃烧室下游的元件(例如，分配器或涡轮叶片)的寿命，这会产生显著的维护成本。
为了在机械特征与可接受的寿命之间找到令人满意的折衷，涡轮的各种元件、特别是经受高温的转子被诸如通风空气等冷却流体横穿。因此，对高压涡轮的叶片进行通风，以便能够接受非常高的温度。
然而，冷却或通风空气必须在比初级管的在高压涡轮中的压力更高的压力下被使用。这种空气通常是从高压压缩机的出口获取的，并且将不会进入燃烧室，其影响是减少了可用于涡轮机的燃烧室的空气量，并因此降低了涡轮机的热效率。
因此，为了提高涡轮机的热效率，有必要限制通风所需的进气量。
在已知的通风回路中，一些通风回路包括用于控制高压涡轮的通风流速的主动系统，该高压涡轮被配置为根据涡轮机的需要获取通风所需的空气流速。这种系统通常包括定位于高压压缩机的出口的前面的多个开口管道，并且这些开口管道的开口由一个或多个致动器控制，以便从高压压缩机的出口获取空气，将该空气朝向高压涡轮盘喷射。
然而，这种主动系统需要集成致动器和专用控制单元，这样会特别笨重且成本高昂。也已知被配置为根据转子元件的旋转速度来控制通过转子元件的流体的流动的设备。
在这方面可以参照文献FR 2 943 094(Snecma(斯奈克玛))，该文献公开了一种闭合元件，该闭合元件被配置为在由转子旋转引起的离心力的作用下变形。闭合元件围绕与转子的旋转轴线垂直的横向轴线可成角度的移动。在静止位置，闭合元件从上游到下游基本上为张开的。当涡轮机正旋转时，闭合元件在从下游到上游的力的作用下变形，以便封闭涡轮机中冷却空气流的通道。
这种闭合元件不允许冷却空气流在转子的旋转速度增加时增加，这不满足涡轮机的冷却需要。
因此，需要提供一种被配置为根据必要的空气需求被动地调节冷却空气流速的设备。
发明内容
因此，本发明的目的是克服上述系统的缺点，并提出一种设备，该设备用于根据冷却涡轮机的至少一个元件所需的空气需求来调节在涡轮机转子中流动的空气的流速，而无需添加致动器和控制系统，从而优化涡轮机的整体性能。
因此，本发明的主题是一种涡轮机，该涡轮机具有纵向轴线并且包括初级管和径向地围绕该初级管的次级管，初级流在初级压力下在该初级管中流动，次级流在次级压力下在该次级管中流动，所述初级管包括被配置为压缩初级流的至少一个压缩机、驱动所述压缩机旋转的涡轮、以及被设计成在入口处接收由压缩机压缩的初级空气流的燃烧室。
所述涡轮机还包括在压缩机与涡轮之间延伸的冷却回路，并且从压缩机的出口获取并具有初级压力作为压力的冷却空气流在该冷却回路中流动。
冷却回路包括空气流速调节设备，该空气流速调节设备被布置在涡轮的上游并且包括至少一个阀，该阀能够根据初级管中的定位在压缩机与燃烧室之间的压力与次级管中的压力之间的压力差而在开启位置与闭合位置之间移动。
换言之，阀能够根据在冷却回路中流动的冷却空气流的压力与次级管中的压力之间的压力差而在开启位置与闭合位置之间移动。
在次级管中，一旦经过位于风扇下游且次级流入口处的整流器叶片，那么到喷嘴的压力几乎是均匀的。因此，可以将该压力近似为次级管压力，特别是位于风扇整流器下游与排放喷嘴上游之间的压力。
因此，空气流调节设备允许通过根据涡轮机的冷却要求调整进气量来被动地调节在涡轮转子元件中流动的空气的流速。
涡轮机可以是涡轮风扇发动机或者包括风扇的双转子发动机。
此外，空气流调节设备可以旨在调节高压涡轮或低压涡轮的叶片中的空气流速。
有利地，空气流速调节设备被配置为当初级压力与次级压力之间的压力差小于阈值时确保最小空气流速，以及当初级压力与次级压力之间的压力差大于或等于阈值时确保最大空气流速。
例如，压力差允许增加空气流速所依据的阈值可以介于10bar(巴)与40bar之间。
然而，将要注意的是，该阈值取决于涡轮机的一般参数，特别是取决于涡轮机的最大压缩比(maximum compression ratio，缩写为“OPR”)和涡轮机的次级流压缩比(flowcompression ratio，缩写为“FPR”)。对于例如被设计成具有等于60的最大压缩比以及等于1.5的次级流压缩比的涡轮机，阈值可以大于30bar、例如40bar。对于例如被设计成具有等于20的最大压缩比以及等于5的次级流压缩比的涡轮机，阈值可以小于20bar、例如等于10bar。
空气流速调节设备可以包括用于校准通风流速的环形帽状部，该环形帽状部被安装在冷却回路中、在所述回路的下游端处、在涡轮转子的上游、并且与涡轮机的定子部分(例如，燃烧室的壳体)成一体，阀被安装在所述帽状部中。
根据一实施方案，帽状部包括至少一个通向冷却回路的纵向通道孔口，阀被安装在所述通道孔口的下游。
通道孔口例如被形成在帽状部的上游表面中。
例如，阀包括圆柱形外壳，缸体可在所述外壳中沿与涡轮转子的旋转轴线平行的轴线在阀的闭合位置(在该闭合位置，缸体闭合通道孔口)与阀的开启位置(在该开启位置，缸体允许空气流通过通道孔口)之间平移移动。所述外壳被直接或间接地连接到通向次级管的次级压力供应管道。
例如，缸体包括具有朝向上游的尖形状的上游端。这种形状具有允许缸体在相关联的通道孔口中自定心(self-centring)的优点。
次级压力供应管道的通向次级管的端部例如朝向下游，以便仅捕获次级管中的静压而不捕获可能存在于所述次级管中的杂质。
理想地，次级压力供应管道中没有空气流。为了避免或限制通风空气泄漏到次级管中，阀可以包括被安装在缸体的外部圆柱形表面与外壳的内部圆柱形表面之间的密封元件。例如，密封元件可以是O形环密封件或U型液压密封件，或任何类型的防止流体通过到达次级管的元件。
例如，缸体的上游端包括轴向止动件，该轴向止动件在阀的开启位置下抵靠外壳的端部以及在阀的闭合位置下抵靠帽状部的上游表面。因此，缸体被保持在外壳中。例如，轴向支承件具有环形凸缘的形状。替代地，可以提供形成缸体的轴向止动件的任何其他形式。
有利地，阀包括弹性构件，该弹性构件被配置为在阀的闭合位置下对缸体进行预压(pre-load)，该弹性构件比如是弹簧，该弹性构件被容纳在所述外壳中并与缸体的下游端配合。所述弹性构件的尺寸被设定为当初级管中的压力与次级管中的次级压力之间的压力差小于阈值时、例如当发动机轻负载时，防止缸体在阀的闭合位置下的平移移动。
当初级管中的压力与次级管中的压力之间的压力差大于或等于阈值时，抵消弹性构件的预压力，并且缸体朝向上游平移移动到阀的开启位置。
术语“弹性构件”是指任何弹性构件，由于所使用的材料和/或其尺寸，该弹性构件在由初级管中的压力与次级管中的次级压力之间的压力差所施加的载荷的作用下，能够以可逆的方式进行弹性变形，并在停止所述载荷后返回到其初始位置。
帽状部可以包括环形室，次级压力供应管道通向该环形室。
例如，流速调节设备还包括次级压力供应导管，该次级压力供应导管被连接到环形分配室和阀的圆柱形外壳，所述次级压力供应导管被配置为将次级流传送到阀的圆柱形外壳中。
帽状部也可以包括在通道孔口与涡轮转子之间延伸的至少一个通路，以允许来自通道孔口的空气流朝向所述涡轮转子通过。
根据另一实施方案，帽状部、特别是其上游表面包括多个纵向通道孔口，这些纵向通道孔口例如沿周向规则地分布、通向冷却回路。
这些通道孔口可以具有相同的大小，或替代地具有不同的尺寸以进一步调节空气流速。
例如，空气流速调节设备包括多个阀，每个阀被配置为根据初级管中的压力与次级管中的压力之间的压力差而被致动，每个阀被安装在帽状部中、在相关联的通道孔口的下游。
阀的数量可以少于通道孔口的数量。例如，并且以非限制性方式，帽状部的通道孔口的一半与阀相关联。因此，帽状部的通道孔口的另一半永久敞开。
替代地，可以提供单个通道孔口与阀相关联，或者相反，所有通道孔口与阀相关联。后一种情况特别有利，以便在发动机速度处于怠速时不对涡轮叶片进行通风。
阀的弹性构件可以彼此相同。替代地，可以为每个阀提供不同的弹性构件，并且这些弹性构件被配置为在压力差增加时将阀一个接一个地致动到开启位置，从而允许渐进增加通风空气流速。因此，阀可以具有非渐进式开启性和闭合性、或渐进式开启性和闭合性。
在空气流速调节设备包括多个阀的情况下，压力供应导管允许将次级流传送到阀的所有圆柱形外壳中。
有利地，涡轮转子包括：涡轮盘，该涡轮盘的对称轴线与旋转轴线同轴；至少一个转子叶片，该至少一个转子叶片被径向地安装在所述涡轮盘的圆周上；以及密封盘，该密封盘具有通常环形部分的形状，该环形部分的对称轴线与转子的旋转轴线同轴，该密封盘被布置在所述转子盘的上游并且与所述转子盘一体旋转。转子叶片径向地向外延伸。
例如，冷却回路通向被布置在密封盘与涡轮盘的上游表面之间的冷却体积(cooling volume)，密封盘包括通向通路的至少一个通风孔口。
因此，空气流在压缩机的出口处被带到燃烧室的上游以被引入到所述冷却体积中。
替代地，密封盘包括多个成角度且规则地分布的通风孔口。
通风孔口允许例如由空气喷射器获取的空气流通过，进入到冷却体积中。然后，将冷却空气流分配到被安装在涡轮盘上的叶片。通风孔口被配置为，当涡轮机以全速运行时、特别是在飞行器的起飞阶段期间并且气体温度非常高时，允许足够的空气流速来冷却涡轮叶片。
空气喷射器允许驱动冷却空气流旋转，使得所述空气流更容易地从定子参考系流动到转子参考系。实际上，冷却空气流沿着大致轴向的轴线在帽状部的上游面处和在通道孔口中流动。然而，该空气流必须流过在具有高旋转速度的部件中形成的通风孔口。空气喷射器是被固定到所述通道空口与通风孔口之间的定子的部件，由于翅片，该空气喷射器允许迫使轴向空气流更自然地朝向旋转的通风孔口移动。这些空气喷射器对于本领域技术人员是已知的，将不再进一步描述。
附图说明
本发明的其他目的、特征和优点通过阅读仅以非限制性示例的方式给出以及参照附图的以下描述将变得显而易见，在附图中：
[图1]示意性地展示了根据本发明的第一实施方案的包括空气流速调节设备的涡轮机的示例的结构的轴向半截面；
[图2]
[图3]非常示意性地展示了图1的涡轮机的高压本体的一部分的上半部，该涡轮机包括根据本发明的一个实施方案的空气流速调节设备，该空气流速调节设备包括分别处于闭合位置和开启位置的阀；
[图4]详细地展示了图2和图3的空气流速调节设备；
[图5]
[图6]为分别处于闭合位置和开启位置的阀的截面视图；
[图7]展示了图2和图3的空气流速调节设备的下游面；
[图8]非常示意性地展示了图1的涡轮机的低压本体的一部分的上半部，其中可以集成根据本发明的空气流速调节设备；以及
[图9]示意性地展示了包括空气流速调节设备的涡轮机的另一示例的结构的轴向半截面。
在说明书的其余部分中，术语“上游”和“下游”是相对于涡轮机中的空气流的方向来定义的。
具体实施方式
图1非常示意性地显示了涡轮机10的轴向半截面，该涡轮机具有一般的纵向轴线X-X'，且例如是涡轮风扇发动机类型的涡轮机。涡轮机在空气流F的流动方向上从上游到下游包括：接收空气的入口套筒11；以及低压压缩机(COPB)12，该低压压缩机被配置为吸入空气流F并将其分成处于第一可变压力的中央初级流F1和处于次级压力的径向地围绕所述初级流F1的次级流F2。低压压缩机12可以被连接到风扇，只要低压压缩机压缩的空气流的一部分允许供给次级流。涡轮机还包括：高压压缩机(COHP)13，该高压压缩机被配置为接收来自低压压缩机12的初级空气流F1；环形燃烧室14；高压涡轮15以及低压涡轮16。
高压压缩机13的转子和高压涡轮15的转子通过高压轴17连接。低压压缩机12的转子和低压涡轮16的转子通过低压轴18连接。
次级流F2在称为次级管的空间19中流动，该称为次级管的空间在外部由次级管壳体19a或发动机的整流罩界定、且在内部由径向地围绕初级流F1的封套19b界定。
初级流F1在称为初级管的空间20中流动，该称为初级管的空间在外部由封套19b界定、且在内部由一系列的固定式元件和旋转式元件界定。
初级流F1在位于低压压缩机12下游的内部壳体21与低压涡轮16下游的排放壳体22之间流动。
初级管20和次级管19在排放壳体22的下游汇合。
如图1所示，涡轮机10包括从高压压缩机13获取空气的高压涡轮15的第一冷却回路23和从高压压缩机13获取空气的低压涡轮16的第二冷却回路24。
将要注意的是，涡轮机可以包括所述冷却导管中的一个或另一个，或者甚至两者。
在涡轮风扇和双转子发动机的情况下，低压压缩机12或风扇在次级管19中产生被称为“次级压力”的压力PS。
图2和图3非常示意性地显示了涡轮机10(例如，图1的涡轮机)的高压本体的一部分的上半部。将要注意的是，如图8所示，调节设备也可以被集成到涡轮机的低压本体中。
涡轮机的高压本体具有一般的纵向轴线X-X'，并包括形成次级管19的封套并封闭高压压缩机13(其中仅显示了压缩机扩压器)的壳体19b、接收以由所述压缩机13压缩的热空气作为输入的燃烧室14、以及高压涡轮。
高压涡轮15包括涡轮转子25，该涡轮转子具有旋转轴线X-X'，并包括涡轮盘25a，该涡轮盘的对称轴线与旋转轴线X-X'同轴。涡轮盘25a包括轴向孔(未标出)，连接到压缩机13的驱动轴17从该轴向孔延伸以驱动该压缩机在初级管20中旋转。涡轮盘25a还包括围绕所述涡轮盘25a的圆周径向安装的多个转子叶片25b。转子叶片25b径向地向外延伸。
涡轮15还包括密封盘26，该密封盘被配置为在转子25与涡轮15上游的定子之间提供密封。密封盘26通常被称为“迷宫盘(maze disc)”。
密封盘26呈通常环形部的形状，该环形部的对称轴线与旋转轴线X-X'同轴。密封盘26被安装在涡轮盘25a的上游并且与该涡轮盘一体旋转。
涡轮机10的冷却回路23在高压压缩机13与高压涡轮15之间延伸。冷却回路13通向设置在密封盘26的下游表面与涡轮盘25a的上游表面之间的冷却体积V。因此，空气流在压缩机13的出口处被带到燃烧室14的上游以被引入到所述冷却体积V中。为此，密封盘26包括通向所述密封盘26的厚度的多个通风孔口26a。这些通风孔口26a成角度且规则地被分布在所述密封盘26的上游表面上。
通风孔口26a允许例如由空气喷射器(未示出)采样的空气流F1通过，进入冷却体积V中。然后，将冷却空气流分配到被安装在涡轮盘25a上的叶片25b。通风孔口26a被配置成当涡轮机以全速运行时、特别是在飞行器的起飞阶段期间并且气体温度非常高时，允许足够的空气流速来冷却叶片25b。
在巡航速度下，当气体温度较低并且冷却需求降低时，调节冷却空气流的流速是有利的。
为此，冷却回路23包括空气流速调节设备30。空气流速调节设备30包括用于校准通风流速的环形帽状部31，该环形帽状部被安装在冷却回路23中、在所述回路的下游端处、在涡轮盘25a的直接上游(directly upstream)。帽状部31被固定到定子，特别是被固定到燃烧室14的壳体14a。
如图所示，帽状部31由上游径向表面32、在上游连接到上游径向表面32并且在下游与密封盘26一起支承内部密封的内环形表面33、在上游连接到上游径向表面32并且在下游与密封盘26一起支承外部密封的中间环形表面34、以及在上游连接到上游径向表面32并且在下游连接到定子(特别是连接到燃烧室14的壳体14a)的外部环形表面35界定。
上游径向表面32包括通向上游表面32的厚度的多个纵向通道孔口32a。以非限制性方式，这些通道孔口32a可以周向地规则地分布在帽状部31的上游表面32上。
帽状部31还包括通路36，该通路轴向地定位在上游表面32与密封盘26的下游端之间、并且径向地定位在帽状部31的内环形表面33与中间环形表面34之间。通路36允许来自通道孔口32a的空气流F1通向密封盘26，并因此通过所述盘26的通风孔口26a进入冷却体积V。
空气流速调节设备30还包括次级压力PS供应管道38，该次级压力PS供应管道包括通向次级管19的端部38a、以及连接到帽状部31并且特别通向安装在所述帽状部32中的环形室40的端部38b。通向次级管19的端部38a朝向下游，以便仅捕获次级管19中的静压而不捕获可能存在的杂质。
空气流速调节设备30还包括多个阀42，每个阀被配置为根据初级管20与次级管19之间的压力差而被致动。每个阀42被安装在帽状部31中、在相关联的通道孔口32a的下游。
如图所示，并且以非限制性方式，帽状部31的通道孔口32a中的一半通道孔口与阀42相关联。因此，帽状部31的通道孔口32a中的另一半通道孔口永久敞开。
替代地，可以提供单个通道孔口32a与阀42相关联，或者相反，所有通道孔口32a与阀42相关联。后一种情况特别有利，使得在发动机速度处于怠速时不对涡轮叶片进行通风。
每个阀42包括：圆柱形外壳43；缸体44，该缸体可在所述外壳43中沿着与旋转轴线X-X'平行的轴线X1-X1'、在阀的闭合位置(在图2和图5中可见)与阀的开启位置(在图3和6中可见)之间平移移动；以及被容纳在所述外壳43中的弹簧46。通常，每个阀42包括被配置为在阀42的闭合位置对缸体44进行预压的弹性构件46，比如弹簧。
缸体44包括通向相关联的通道孔口32a的上游端44a以及与相关联的弹簧46配合的下游端44b。如图所示，以非限制性方式，上游端44a具有朝向上游尖的形状。这种形状具有允许缸体44在相关联的通道孔口32a中自定心的优点。
每个缸体组件44及其弹簧46与被连接到环形分配室40和每个阀42的圆柱形外壳43的次级压力供应导管48相关联，以便将次级流传送到阀42的所有圆柱形外壳中。
这些缸体44中的每个缸体通过相关联的弹簧46被保持在阀42的闭合位置中，如图2和图5中可见。在阀42的闭合位置中，缸体44阻止通风空气通过相关联的通道孔口32a进入通路36、以及因此进入冷却体积V。
弹簧46的尺寸被设定为当在初级管中的压力P3与次级管中的压力PS之间的压力差ΔP低于第一阈值S1时、例如当涡轮机处于怠速时，防止缸体44在上游的平移移动。压力P3位于高压压缩机13与燃烧室14之间。
例如，压力差允许增加空气流速所依据的阈值S1可以介于10bar与40bar之间。
然而，将要注意的是，该阈值取决于涡轮机的一般参数，特别是取决于涡轮机的最大压缩比(缩写为“OPR”)和涡轮机的次级流压缩比(缩写为“FPR”)。对于例如被设计成具有等于60的最大压缩比以及等于1.5的次级流压缩比的涡轮机，阈值可以大于30bar、例如40bar。对于例如被设计成具有等于20的最大压缩比以及等于5的次级流压缩比的涡轮机，阈值可以小于20bar、例如等于10bar。
因此，当初级管中的压力P3与次级管中的压力PS之间的压力差ΔP大于或等于第一阈值S1时，抵消弹簧46的力，并且缸体44根据图6中可见的箭头F、向下游平移移动到图3和图6中可见的阀42的开启位置。
以非限制性示例的方式，在这些弹簧46在这些阀之间是不同的的情况下，这些阀的开启可以是渐进的，以便从第一阈值开始开启一个通道孔口32a，然后从大于第一阈值的第二阈值开始开启两个通道孔口32a，依此类推，直到从最后一个阈值开始所有阀都开启。这些阈值可以介于10bar与40bar之间。例如，第一阈值可以等于30bar，第二阈值可以等于35bar。
如图所示，通道孔口32a具有相同的大小。替代地，可以设置不同大小的通道孔口32a以更精细地调节空气流速。
类似地，在所展示的示例中，弹簧46彼此相同。可以为每个阀提供不同的弹簧，这些弹簧被配置为随着压力差ΔP增加，使这些阀一个接一个地致动到开启位置，从而允许渐进地增加通风空气流速。
因此，阀可以具有非渐进式开启性和闭合性、或渐进式开启性和闭合性。
理想地，次级压力供应管道38和次级压力供应导管48中没有空气流。为了避免或限制通风空气朝向次级管19泄漏，每个阀42包括密封元件49，这些密封元件在缸体44的外部圆柱形表面(未标出)与外壳43的内部圆柱形表面(未标出)之间。密封元件49例如可以是O形环密封件或U型液压密封件。
如图5和图6所示，缸体的上游端44a包括环形凸缘44c，该环形凸缘形成在阀42的开启位置下抵靠外壳43的端部、以及在阀42的闭合位置下抵靠帽状部31的上游表面32的轴向止动件。因此，缸体44被保持在外壳43中。替代地，可以提供形成缸体44的轴向止动件的任何其他实施方案。
因此，空气流调节设备允许通过根据冷却需要调整进气量，来被动地调节在转子元件中流动的空气的流速。
通常，涡轮机包括根据初级管20与次级管19之间的压力差而在闭合位置与开启位置之间被致动的阀。
如图8所示，涡轮机10包括低压涡轮级16，该低压涡轮级包括具有旋转轴线X-X'的涡轮转子，该涡轮转子包括大致环形形状的涡轮盘16a，该涡轮盘的对称轴线与旋转轴线X-X'同轴。涡轮盘16a包括：轴向孔(未标出)，驱动轴18从该轴向孔延伸；以及多个转子叶片16b，这些转子叶片围绕所述涡轮盘16a的圆周径向地安装。转子叶片16b径向地向外延伸。
驱动轴18旨在被连接到安装在低压涡轮转子16上游的低压压缩机12的转子。
涡轮级还包括密封盘50，该密封盘被配置为在转子与定子部分(包括例如，在涡轮机上游的燃烧室(未示出)的壳体)之间提供密封。密封盘50通常被称为“迷宫盘”。
密封盘50呈通常环形部的形状，该环形部的对称轴线与旋转轴线X-X'同轴。密封盘50被安装在涡轮盘16a的上游并且与该涡轮盘一体旋转。
密封盘50包括径向的内固定部分50a，该内部固定部分在上游连接到涡轮本体10的元件(未标出)并且在下游连接到涡轮盘16a。此外，密封盘50被轴向地预压，使得其径向的外边缘50b轴向地抵靠涡轮盘16a的轮缘的上游表面，从而防止叶片16b移动。
冷却体积V被布置在密封盘50的下游表面与转子涡轮盘16a的上游表面之间。图8中箭头F1所示的空气流在上游从高压压缩机13被引入到所述冷却体积V中。为此，密封盘50包括通向所述密封盘50的厚度的多个通风孔口50c。这些通风孔口50c成角度且规则地分布在所述盘50的上游表面上。
通风孔口50c允许从高压压缩机获取并由冷却回路24传送到低压涡轮壳体的空气流通过。然后，将冷却空气流分配到安装在转子涡轮盘16a上的叶片16b。通风孔口50c被配置为当涡轮机以全速运行时、特别是在飞行器的起飞阶段期间并且气体温度非常高时，允许足够的空气流速来冷却涡轮叶片16b。
在巡航速度下，当气体温度较低且冷却需求减少时，调节冷却空气流速是有利的。
为此目的，涡轮机10包括在图2至图7中详细展示的空气流速调节设备30。空气流速调节设备30包括用于校准通风流速的环形帽状部31，该环形帽状部被安装在冷却回路24中、在所述回路的下游端处、在涡轮盘16a的直接上游。帽状部31与定子成一体。
还将要注意的是，本发明不限于这种涡轮机结构，并且本发明可以应用于不同结构的涡轮机，例如如图9所示应用于包括风扇的涡轮风扇和双转子发动机100。
涡轮机100在涡轮机中的空气流的流动方向上从上游到下游包括风扇101，该风扇被联接到燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机包括低压压缩机112、高压压缩机113、环形燃烧室114、高压涡轮115和低压涡轮116。
高压压缩机的转子和高压涡轮的转子通过高压(HP)轴117连接并且一起形成高压本体。低压压缩机的转子和低压涡轮的转子通过低压(LP)轴118连接并且一起形成低压本体。HP轴和LP轴沿涡轮机的纵向轴线X-X'延伸。
风扇轴被直接或间接地旋转连接到LP轴118。
该涡轮机还包括风扇壳体，该风扇壳体围绕叶片部延伸、由空气动力臂承载、并且限定用于这些流的空气入口管。该空气的一部分进入流动初级流的内部环形管120，而另一部分供给流动次级流的外部环形管119。管穿过LP压缩机和HP压缩机、燃烧室、以及HP涡轮和LP涡轮。外部管包封压缩机壳体和涡轮、并在涡轮机的喷嘴处接合内部管。
因此，可以仅使用高压压缩机的出口压力和次级管中的压力来调节通风空气流速。

Claims (15)

1.一种涡轮风扇发动机(10、100)，所述涡轮风扇发动机具有纵向轴线(X-X')并且包括初级管(20、120)和径向地围绕所述初级管(20、120)的次级管(19、119)，初级流在初级压力(P3)下在所述初级管中流动，次级流(F2)在次级压力(PS)下在所述次级管中流动，所述初级管(20、120)包括被配置为压缩所述初级流的至少一个压缩机(13)、驱动所述压缩机(13、113)旋转的涡轮(15、16、115、116)、以及被设计成在入口处接收由所述压缩机(13、113)压缩的初级空气流的燃烧室(14、114)，所述涡轮机(10、100)还包括在所述压缩机(13、113)与所述涡轮(15、16、115、116)之间延伸的冷却回路(23、24、123、124)，并且从所述压缩机(13、113)的出口获取并且具有以所述初级压力(P3)作为压力的冷却空气流(F1)在所述冷却回路中流动，其特征在于，所述冷却回路(23、123)包括用于调节冷却空气流速的设备(30)，所述设备被布置在所述涡轮(15、16、115、116)的上游并且包括至少一个阀(42)，所述阀能够根据所述初级管(20、120)中的定位在所述压缩机(13、113)与所述燃烧室(14、114)之间的所述压力(P3)与所述次级管(19、119)中的所述压力(PS)之间的压力差(ΔP)在开启位置与闭合位置之间移动。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(10、100)，其中，所述空气流速调节设备(30)被配置为当所述初级管(20、120)中的在所述压缩机(13、113)与所述燃烧室(14、114)之间的所述压力(P3)与所述次级管(19、119)中的所述压力(PS)之间的所述压力差(ΔP)小于阈值(S1)时确保最小空气流速，以及当所述压力差(ΔP)大于或等于所述阈值(S1)时确保最大空气流速。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮机(10、100)，其中，所述空气流速调节设备(30)包括用于校准所述冷却空气流速的环形帽状部(31)，所述环形帽状部被安装在所述冷却回路(23)中、在所述回路(23)的下游端处、在涡轮转子(25、16)的上游、并且与所述涡轮机的定子部分(14)成一体，所述阀(42)被安装在所述帽状部(31)中。
4.根据权利要求3所述的涡轮机(10、100)，其中，所述帽状部(31)包括至少一个纵向通道孔口(32a)，所述纵向通道孔口通向所述冷却回路(23)，所述阀(42)被安装在所述通道孔口(32a)的下游。
5.根据权利要求4所述的涡轮机(10、100)，其中，所述阀(42)包括圆柱形外壳(43)，缸体(44)能够在所述外壳(43)中沿着与所述涡轮转子(25、16)的旋转轴线(X-X')平行的轴线(X1-X1')、在所述阀(42)的闭合位置与所述阀(42)的开启位置之间平移移动，在所述阀的闭合位置，所述缸体(44)闭合所述通道孔口(32a)，在所述阀的开启位置，所述缸体(44)允许空气流通过所述通道孔口(32a)，所述外壳(43)被连接到通向所述次级管(19、119)的次级压力供应(PS)管道(38)。
6.根据权利要求5所述的涡轮机(10、100)，其中，所述阀(42)包括弹性构件(46)，所述弹性构件被配置为在所述阀(42)的闭合位置对所述缸体进行预压，并且所述弹性构件被容纳在所述外壳(43)中并且与所述缸体(44)的下游端(44b)配合，所述弹性构件(46)的尺寸被设定为当所述初级管(20)中的定位在所述压缩机(13、113)与所述燃烧室(14、114)之间的所述压力(P3)与所述次级管(19、119)中的所述次级压力(PS)之间的所述压力差(ΔP)小于所述阈值(S1)时防止所述缸体(44)在所述阀(42)的闭合位置的平移移动。
7.根据权利要求5或6所述的涡轮机(10、100)，其中，所述帽状部(31)包括环形室(40)，所述次级压力供应管道(38)通向所述环形室。
8.根据权利要求7所述的涡轮机(10、100)，其中，所述流速调节设备(30)还包括至少一个次级压力供应导管(48)，所述次级压力供应导管被连接到所述环形分配室(40)和所述阀(42)的所述圆柱形外壳(43)。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的涡轮机(10、100)，其中，所述帽状部(31)还包括通路(36)，所述通路在所述通道孔口(32a)与所述涡轮转子(25、16)之间延伸，以允许来自所述通道孔口(32a)的空气流(F1)朝向所述涡轮转子(25、16)通过。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的涡轮机(10、100)，其中，所述帽状部(31)包括通向所述冷却回路(23、24、123、124)的多个纵向通道孔口(32a)。
11.根据权利要求10所述的涡轮机(10、100)，其中，所述空气流速调节设备(30)包括多个阀(42)，每个阀被配置为根据所述初级管(20)中的定位在所述压缩机(13、113)与所述燃烧室(14、114)之间的所述压力(P3)与所述次级管(19、119)中的所述压力(PS)之间的所述压力差(ΔP)而被致动，每个阀(42)被安装在所述帽状部(31)中、在相关联的通道孔口(32a)的下游。
12.根据权利要求11所述的涡轮机(10、100)，其中，所述阀(42)的数量少于所述通道孔口(32a)的数量。
13.根据权利要求11或12所述的涡轮机(10、100)，其中，所述阀(42)的弹性构件(46)彼此相同。
14.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机(10、100)，其中，所述涡轮转子(25、16)包括：涡轮盘(25a、16a)；至少一个转子叶片(25b、16b)，所述至少一个转子叶片被径向地安装在所述涡轮盘(25a、16a)的圆周上；以及密封盘(26、50)，所述密封盘具有通常环形部分的形状，所述环形部分的对称轴线与所述转子的旋转轴线(X-X')同轴，所述密封盘被布置在所述转子盘(25a、16a)的下游并与所述转子盘一体旋转。
15.根据权利要求9和14所述的涡轮机(10、100)，其中，所述冷却回路(23、24、123、124)通向被布置在所述密封盘(26、50)与所述涡轮盘(25a、16a)的上游表面之间的冷却体积(V)，所述密封盘(26、50)包括通向所述通路(36)的至少一个通风孔口(26a、50c)。
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