CN115605677A

CN115605677A - 涡轮机排气壳体

Info

Publication number: CN115605677A
Application number: CN202180035498.3A
Authority: CN
Inventors: 罗曼·哈罗德·帕特里斯·珀; 弗雷德里克·道特雷普
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2023-01-13
Also published as: FR3110201B1; US20230184192A1; WO2021229163A1; FR3110201A1; EP4150200B1; EP4150200A1

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机的排气壳体(15)，涡轮机沿着纵向轴线(X)延伸，排气壳体包括：环形罩部(23)，具有沿着纵向轴线(X)从第一凸缘(25)延伸的壁(24)，多个开口(27)设置成穿过壁(24)；多个嘴部(28)，多个嘴部中的每个嘴部形成从上游到下游在相应的入口(30)和开口(27)中的一个开口之间延伸的通道(29)，每个嘴部(28)具有：对接凸缘(31)，位于入口(30)处且具有与环形罩部(23)的第一凸缘(25)接触的径向内边缘(32)；嘴部壁(34)，界定通道(29)并包括径向内壁部分(35)，径向内壁部分由制成在罩部(23)的壁(24)上的加厚部段形成。

Description

涡轮机排气壳体

技术领域

本发明涉及涡轮机领域，更确切地，涉及涡轮机排气壳体和用于制造涡轮机排气壳体的方法。

背景技术

诸如图1所示的涡轮机1通常具有界定一个或多个流动管道的壳体，由涡轮机的运动元件加速的气流在这一个或多个流动管道中流通。

通常，涡轮机1在涡轮机中沿流体的流动方向具有风扇3、压缩机4、燃烧室5、涡轮6和排气7。

诸如图1所示的示例的一些涡轮机具有在不同压力下工作的两个压缩机和两个涡轮，并因此具有低压压缩机41、高压压缩机42，以及位于燃烧室5的下游的高压涡轮61和低压涡轮62。

根据涡轮机1的操作模式(例如，怠速或全油门)，压缩机4不同地操作。当涡轮机1从怠速模式转变到全油门模式时，高流速的压缩气流必须从压缩机4中排出，以避免泵送风险。在瞬时飞行阶段期间，或者在空闲阶段期间，或者更一般地，当引起飞行员操纵油门控制时，也是这种情况。

通常，从位于高压压缩机42的下游的气流进行泄放，但是处于高温、高速和高膨胀率的这种泄放产生强噪声水平并引起热应力。然而，涡轮机的声学限制要求由气流的泄放(属于该新流的噪声)及其随后的重新引入引起的飞行器的附加噪声小于1EPNdB(“有效感知噪声，以分贝为单位”，即，以分贝感知的有效噪声)。

在这一方面，现有技术提出的用于排放泄放的气流的解决方案不令人满意。

已知在涡轮机的喷射喷嘴部处重新引入流。然而，该解决方案使涡轮机在声学方面劣化。此外，涡轮机放置就位较为麻烦，原因是需要在喷射喷嘴部处安装大的附加开口。

另一种已知的解决方案在于将气流重新引入涡轮机的次级管道中。然而，这意味着将热气流引入次级管道的冷流中，这种混合引起强声学冲击。

还提出具有排气壳体的涡轮机，排气壳体配备有从设置在排气壳体中的开口延伸的管，管连接到管线，管线连接到用于在压缩机处使气流泄放的开口。

然而，这样的解决方案受到通常用于生产这些部件的制造方法的限制，通常通过组装未经处理的铸造部件的多个部分并对功能表面进行加工来获得这些部件。

具体地，铸造引入对部件的最终形状施加的几何约束，这会降低部件的潜在性能。

实际上，在涡轮风扇发动机中，次级流与主管道的流同心地流动，主管道穿过涡轮机的压缩机和涡轮级。

次级流围绕压缩机、涡轮和排气壳体流动，并且从压缩机、涡轮和排气壳体突出的元件在次级流的流动中产生湍流。

例如，图2示出了包括嘴部8的排气壳体7，嘴部8连接到管9，管9构造成将气流输送到嘴部8，以将气流重新引入排气壳体7处的主管道的流中。

还示出了次级流的流动管线L，流动管线L具有与管9相交的区域I，这在次级流的流中生成扰动。

因此，需要限制这些扰动，从而提高排气壳体的空气动力学性能。

发明内容

本发明的一个目的在于改进现有技术的解决方案的空气动力学性能。

另一目的在于改进用于现有技术的解决方案的生产方法。

为此，提供一种用于涡轮机的排气壳体，该涡轮机沿着纵向轴线延伸，排气壳体包括：

-环形罩部，具有沿着纵向轴线从第一凸缘轴向地延伸的壁，多个开口设置成穿过该壁；

-多个嘴部，该多个嘴部中的每个嘴部形成在相应的入口和开口中的一个开口之间延伸的通道，每个嘴部具有：

-对接凸缘，位于入口处并且具有与环形罩部的第一凸缘接触的径向内边缘，

-嘴部壁，包括径向内壁部分，该径向内壁部分由制成在罩部的壁上的加厚部段形成。

这样的排气壳体可径向地更靠近嘴部和罩部的壁的对接凸缘，提高了排气壳体的紧凑性并提高了排气壳体的空气动力学性能。

有利地，本发明由单独或组合地采用的以下特征来补充：

-多个嘴部中的至少一个嘴部还具有位于通道中的多个翅片；这可以在通过开口将泄放的流重新引入流动管道时对泄放的流进行定向，这可限制流与泄放的流之间的冲突，并因此限制由泄放的流的注入引起的空气动力学干扰；此外，这可限制流进入开口中，这限制了流动管道中的流分离的风险；

-加厚部段具有至少一个腔；这使得能够限制排气壳体的质量，并且当通过增材制造生产加厚部段时限制制造时间；

-排气壳体的第一凸缘形成有加厚部段并具有多个孔，该多个孔中的每个孔成形为使得装配螺钉的杆在第一凸缘和低压涡轮壳体的凸缘之间穿过，且至少一个孔通到腔中，该腔成形为接纳装配螺钉的杆的端部；

-加厚部段形成有蜂窝结构；该结构形成在质量和机械性能之间提供良好的折衷。

根据另一方面，本发明提出一种用于制造根据本发明的排气壳体的方法，其中，通过增材制造方法来生产嘴部。这使得能够产生不能以其它方式实现的几何形状，且限制所使用的材料的量。

根据另一方面，本发明提出一种用于涡轮机的压力调节单元，该压力调节单元包括：

-根据本发明的排气壳体，

-泄放模块，构造成对位于排气壳体上游的加压气流进行泄放，泄放模块包括入口管和能够关闭或不关闭入口管的阀，

-分配模块，构造成将泄放的流分配到排气壳体的嘴部，分配模块包括分配管和多个注射管，入口管通到分配管中，该多个注射管中的每个注射管连接到分配管，且分别连接到多个嘴部中的一个嘴部。

根据另一方面，本发明提出一种涡轮机，该涡轮机包括根据本发明的排气壳体。

根据另一方面，本发明提出一种飞行器，该飞行器包括根据本发明的涡轮机。

附图说明

本发明的其它特征和优点将从下面的描述中显现，下面的描述纯粹通过说明的方式给出，而非作为限制，且应参考附图来阅读，在附图中：

-图1是根据现有技术的涡轮机的示意性图示；

-图2是根据现有技术的排气壳体的嘴部的横截面的详细示意性图示；

-图3是根据本发明的压力调节单元的图示；

-图4是根据本发明的排气壳体的嘴部的横截面的详细示意性图示。

具体实施方式

参考图3，沿着流F在涡轮机10的流动管道11中的流动方向，涡轮机10通常包括高压压缩机12、高压涡轮13和低压涡轮14。

在本说明书中，上游和下游的概念是关于流在涡轮机10的组件中的流动方向而言的。轴向和径向的概念关于具有轴线X的圆柱形几何形状而言，涡轮机沿着轴线X延伸。

涡轮机10进一步包括排气壳体15，排气壳体15布置在低压涡轮14的出口处，位于排放喷嘴(未示出)的上游。

涡轮机10进一步具有压力调节单元16，压力调节单元16构造成对可例如在高压压缩机12处产生的加压气流进行泄放，并在排气壳体15处重新注入加压气流。换句话说，压力调节单元16产生平行于流动管道11的流体连接，并构造成在排气壳体15处重新注入泄放的流。有利地，以小于或等于0.5的马赫数将泄放的流重新注入流动管道11中，这可限制声学冲击。

在所示的实施例中，压力调节单元16包括：

-泄放模块17，构造成对流动管道11中的气流(优选地位于高压压缩机12下游的气流)进行泄放，泄放模块17包括入口管18和能够关闭或不关闭入口管18的阀19，

-分配模块20，构造成将泄放的流分配到排气壳体15，包括分配管21和多个注射管22，入口管18通到分配管21中，该多个注射管中的每个注射管连接到分配管21。

阀19可控制通过入口管18获取的泄放的气流的流率。阀19的打开和关闭通常由飞行器的计算机例如根据飞行员的飞行命令来控制。

如图3和图4所示，排气壳体15具有基本上旋转对称的几何形状，并包括：

-环形罩部23，具有壁24，所述壁从上游到下游在第一凸缘25和第二凸缘26之间延伸，且径向向外界定出流动管道11，多个开口27设置成穿过壁24；以及

-多个嘴部28，该多个嘴部中的每个嘴部形成从上游到下游在入口30和相应的开口27之间延伸的通道29，嘴部28构造成将泄放的流从入口30输送到开口27。

因此，注射管22连接到嘴部28，从而使得能够输送在高压压缩机12处获取的泄放的气流，以在排气壳体15处重新注入泄放的气流。

有利地，多个嘴部28分布在围绕排气壳体15的圆上，这使得能够分配重新引入流动管道11中的流，并因此限制由将泄放的流重新引入流动管道11中所引起的扰动。

有利地，嘴部28成组分布，所述组自身围绕排气壳体15分布，这简化了分配模块20的结构和安装，原因是不需要在排气壳体15的整个圆周上分配流。

根据图3所示的实施例，入口管18通到分配管20中，分配管20分成两个基本上对称的部段，这两个基本上对称的部段布置在排气壳体15的两侧上。

在该示例中，分配管20的每个部段具有三个注射管22，每个注射管连接到排气壳体15的嘴部28。

因此，在该示例中，排气壳体15包括六个对称分布的孔：在一侧有三个孔，并且在另一侧有三个孔。这可限制排气壳体的热机械性变形。

由于开口27彼此不连通，因此这可进一步改善注射管22的出口处的流的声学性，原因是注射管22的出口处的气流不混合。

每个嘴部28具有位于入口30处的对接凸缘31，对接凸缘31具有径向内端32和径向外端33，对接凸缘31的径向内端32与环形罩部23的第一凸缘25接触。这使得能够避免流在第一凸缘25和对接凸缘31之间的流动(该流动可受到障碍物的扰动且可引起湍流)。提高了排气壳体15的空气动力学性能。

每个嘴部28具有嘴部壁34，所述嘴部壁界定通道29并包括径向内壁部分35和径向外壁部分36，嘴部的径向内壁部分35由制成在罩部23的壁24上的加厚部段形成。这使得能够将嘴部28定位成在径向上尽可能靠近罩部23的壁24，这提高了排气壳体15的紧凑性和排气壳体15的空气动力学性能。

实际上，这使得注射管22能够在径向上更靠近排气壳体15，因此可限制注射管22、嘴部28和次级流的流动管线L之间的相交，所述次级流围绕高压压缩机12、高压涡轮13、低压涡轮14和排气壳体15与流F同心地流动。因此，这可限制次级流中的扰动，这限制噪声并提高涡轮机的空气动力学性能。

流动管道11中的非输出构型中存在开口27类似于存在中断，或类似于存在排气壳体15处局部阻挡流动管道11中的流的壁。

压力调节单元16中的流的局部阻挡导致流的能量耗散，这表现为损失增加和空气动力学性能降低。

为了提高声学性，嘴部28在其端部具有倾斜部，该倾斜部的斜率为相对于涡轮机的纵向轴线X成小于或等于45°的角度，优选地小于35°的角度。

这可避免流动管道11的方向和嘴部28的通道29的方向之间的陡然突变。这样的突变会产生导致边界层的大规模分离，并因此导致噪声增加的效果。

有利地，嘴部28中的至少一个嘴部具有设置在通道29中且靠近开口27的多个翅片37，翅片37构造成对流进行重定向，以限制重新引入流动管道11中的流的影响。这可减少由泄放的流被重新引入流动管道11中而引起的对行经流动管道11的流F的扰动。此外，当压力调节单元16不分配流时，翅片37限制流F进入开口27的趋势，并因此限制流动管道中的空气动力学损失。

有利地，形成嘴部28的径向内壁部分35的加厚部段可具有一个或多个腔38或空隙，这可限制了排气壳体15的质量。

可选地，排气壳体15的第一凸缘25形成在加厚部段中并具有多个孔39，每个孔成形为使得装配螺钉40的杆在第一凸缘25和低压涡轮壳体14的凸缘之间穿过。有利地，每个孔39通到腔38中，腔38成形为接纳装配螺钉40的杆的一个端部。

优选地，孔39被制有螺纹，以与装配螺钉40的杆的螺纹配合，并且杆的端部位于腔38中。这使得不需要装配螺母，从而限制单元的部件的数量和质量，这简化了组装操作。

有利地，加厚部段形成有蜂窝结构，蜂窝结构具有良好的机械特性，同时极大地限制了形成给定体积所需的材料的量。

这样的排气壳体15可通过包括铸造元件装配步骤的方法来制造，该方法是已知的方法，且可进一步包括增材制造步骤。装配可例如通过焊接或钎焊来实现。

在一个实施例中，通过增材制造方法或3D打印方法来生产嘴部28。这种类型的方法可以在限制材料成本的同时生产复杂的形状。此外，这可极大地便利于嘴部28的翅片37的生产。

这还能够产生多孔材料，以形成加厚部段，而加厚部段形成嘴部28的径向内壁部分35。这可限制排气壳体的质量，限制材料成本，还极大地降低了加厚部段的制造时间，同时保持排气壳体的机械强度所需的机械特性(由排气壳体的规范规定)。

嘴部28可单独地制造，然后通过焊接或钎焊而附接和固定在罩部23上，或者替代地，可直接在罩部23或罩部的一部分上制造，该部分旨在装配到其它罩部部分以形成环形罩部23。

Claims

1.一种排气壳体(15)，用于涡轮机，所述涡轮机沿着纵向轴线(X)延伸，所述排气壳体包括：

-环形罩部(23)，所述环形罩部具有沿着所述纵向轴线(X)从第一凸缘(25)轴向地延伸的壁(24)，多个开口(27)设置成穿过所述壁(24)；

-多个嘴部(28)，所述多个嘴部中的每个嘴部形成在相应的入口(30)和所述开口(27)中的一个开口之间延伸的通道(29)，每个嘴部(28)具有：

-对接凸缘(31)，所述对接凸缘位于所述入口(30)处并且具有与所述环形罩部(23)的所述第一凸缘(25)接触的径向内边缘(32)，

-嘴部壁(34)，所述嘴部壁包括径向内壁部分(35)，所述径向内壁部分由制成在所述环形罩部(23)的所述壁(24)上的加厚部段形成。

2.根据权利要求1所述的排气壳体(15)，其中，多个所述嘴部(28)中的至少一个嘴部还具有位于所述通道(29)中的多个翅片(37)。

3.根据权利要求1或2所述的排气壳体(15)，其中，所述加厚部段具有至少一个腔(38)。

4.根据权利要求3所述的排气壳体(15)，其中，所述排气壳体(15)的所述第一凸缘(25)形成有所述加厚部段并具有多个孔(39)，所述多个孔中的每个孔成形为使得装配螺钉(40)的杆在所述第一凸缘(25)和低压涡轮壳体(14)的凸缘之间穿过，且至少一个孔(39)通到腔(38)中，所述腔成形为接纳装配螺钉(40)的杆的端部。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的排气壳体(15)，其中，所述加厚部段形成有蜂窝结构。

6.一种用于制造根据权利要求1至5中任一项所述的排气壳体(15)的方法，其中，通过增材制造方法来生产所述嘴部(28)。

7.一种用于涡轮机的压力调节单元(16)，包括：

-根据权利要求1至5中任一项所述的排气壳体(15)，

-泄放模块(17)，所述泄放模块构造成对位于所述排气壳体(15)上游的加压气流进行泄放，所述泄放模块包括入口管(18)和能够关闭或不关闭所述入口管(18)的阀(19)，

-分配模块(20)，所述分配模块构造成将泄放的流分配到所述排气壳体(15)的所述嘴部(28)，所述分配模块包括分配管(21)和多个注射管(22)，所述入口管(18)通到所述分配管中，所述多个注射管中的每个注射管连接到所述分配管(21)，且分别连接到多个所述嘴部(28)中的一个嘴部。

8.一种涡轮机，包括根据权利要求1至5中任一项所述的排气壳体(15)。

9.一种飞行器，包括根据权利要求8所述的涡轮机。