CN117940651A - 包括结合了通过冷却流的流通冷却的部件的出口锥体的涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双流涡轮机，该双流涡轮机具有排气壳体(13)和锥体(14)，热的主流(FP)穿过该排气壳体并被冷的次级流(FS)包围，该锥体由该排气壳体(13)承载，该排气壳体(13)具有至少一个中空的径向臂(18)，该至少一个中空的径向臂穿过主流(FP)以将空气输送到锥体(14)中，从而形成针对位于该锥体(14)中的部件(26)的冷却流(Ff’)，该锥体(14)具有外壁(21)和内壁(22)，该内壁与外壁(21)并行延伸并与外壁径向地间隔开以界定出隔热空间(EI)，冷却流从上游到下游穿过该隔热空间，然后冷却流通过位于锥体(14)的端部处的出口开口(24)被排出。涡轮机具有包围至少一个部件(26)的内盖体(29’)，以引导冷却流(Ff’)，使得冷却流沿该部件流动，以在穿过隔热空间(EI)被排出之前对该部件进行冷却。

Description

包括结合了通过冷却流的流通冷却的部件的出口锥体的涡 轮机

技术领域

本发明涉及一种双流涡轮机的布置，该双流涡轮机在下游具有包含部件的出口锥体，该部件的冷却被优化，该涡轮机是涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、开放式转子或类似装置。

背景技术

在涡轮喷气发动机中，空气进入入口管道，以穿过具有一系列旋转叶片的风扇，然后分成中心主流和包围主流的次级流。

然后，主流在到达燃烧室之前在压缩级被压缩，之后主流通过高压涡轮和低压涡轮而膨胀，然后被排放到后部。与此同时，次级流由风扇直接向后推进到由发动机整流罩在外部界定出的管道中。

这种发动机具有低压主体和高压主体，风扇通过该低压主体联接到低压涡轮，高压压缩机通过该高压主体联接到高压涡轮，这两个主体同轴且旋转独立。

在低压涡轮的下游，该发动机配备有出口锥体，以限制喷射流中的湍流。由于围绕该锥体流通的主流的温度很高，因此锥体内部的温度很高，这限制了在该锥体中集成部件的可能性，意味着锥体构成了很大的未使用空间。

本发明的目的是提供一种对结合在这种发动机的出口锥体的内部空间中的部件进行有效冷却的解决方案。

发明内容

为了实现这一点，本发明的目的是一种双流涡轮机，该双流涡轮机具有排气壳体和锥体，热的主流穿过该排气壳体并被冷的次级流包围，该锥体由该排气壳体承载，该排气壳体具有中空的径向臂，该中空的径向臂穿过主流以输送冷却流，从而冷却位于该锥体中的部件，该锥体具有外壁和内壁，该内壁与外壁并行延伸并与外壁径向地间隔开以界定出隔热空间，冷却流从上游到下游穿过该隔热空间，然后冷却流通过位于锥体的端部处的出口开口被排出，其特征在于，双流涡轮机具有包围至少一个部件的盖体，以引导冷却流，使得冷却流沿该部件的外部流动，以在穿过隔热空间被排出之前对该部件进行冷却。

通过这种布置，空气尽可能地靠近部件流通，以最大限度地进行热交换，并确保比简单地对锥体的整个内部空间进行通风更有效的冷却。因此，可以在出口锥体中安装电机(诸如电流发生器或发动机)。

本发明的另一个目的是如上面所限定的涡轮机，其中，在中空的径向臂中输送的冷却流是次级流的一部分。

本发明的另一个目的是如上面所限定的涡轮机，其中，由冷却流冷却的至少一个部件是电机(诸如电流发生器或发动机)。

本发明的另一个目的是如上面所限定的涡轮机，其中，冷却流穿过至少一个部件的内部区域，然后被盖体引导以沿该部件的边流动。

本发明的另一个目的是如上面所限定的涡轮机，该涡轮机包括大致圆柱形的热辐射屏蔽件，该大致圆柱形的热辐射屏蔽件被径向地定位在盖体和锥体之间。

本发明的另一个目的是如上面所限定的涡轮机，其中，热辐射屏蔽件界定了用于冷却流的挡板。

本发明的另一个目的是如上面所限定的涡轮机，其中，盖体和/或锥体的壁中的一个壁包括隔热材料和/或被隔热材料覆盖。

本发明的另一个目的是如上面所限定的涡轮机，其中，该涡轮机包括由冷却流冷却的多个部件，其中，具有最低的最大允许温度的部件关于冷却流的在锥体中的路径被布置在其他部件的上游。

本发明的另一个目的是如上面所限定的涡轮机，其中，该涡轮机包括诸如风扇或泵的装置，以在涡轮机处于静止时迫使冷却流流通。

本发明的另一个目的是如上面所限定的涡轮机，该涡轮机包括蝶阀型装置，以调节在锥体中流通的冷却流的流量。

附图说明

图1是以纵向截面示出的涡轮风扇发动机的示意图；

图2是根据本发明的涡轮喷气发动机的后部部段的示意性纵向截面图；

图3是根据本发明的第一实施例的涡轮喷气发动机的后部部段的示意性纵向截面图；

图4是根据本发明的第二实施例的涡轮喷气发动机的后部部段的示意性纵向截面图；

图5是示出了冷却流沿其路径的热趋势的曲线图。

具体实施方式

在图1所示的涡轮喷气发动机1中，空气在入口管道2处进入上游部分AM，以穿过具有一系列旋转叶片的风扇3，然后分成中心主流和围绕主流的次级流。这两个流在发动机中沿发动机的纵向方向AX从该发动机的上游AM流通到该发动机的下游AV。

然后，主流在到达燃烧室7之前在低压压缩机4和高压压缩机6中被压缩，之后主流通过高压涡轮8和低压涡轮9而膨胀，然后被排放到后部。与此同时，次级流由风扇直接向后推进到由整流罩11在外部界定出的管道中。

这种双主体(corps)发动机具有低压主体和高压主体，风扇3通过该低压主体联接到低压涡轮9，高压压缩机6通过该高压主体联接到高压涡轮8，这两个主体同轴且旋转独立。

这些主体被一组沿发动机延伸的壳体12包围。这些壳体12具有内壳，内壳被外壳包围，并且通过径向臂彼此连接，主流在在这些内壳和外壳之间延伸的环形空间中流通。壳体12的该组件本身被发动机整流罩11包围，同时还被设计成经由标准配件连接到飞行器结构。

位于低压涡轮下游的壳体(称为排气壳体13)在该壳体的中心区域的下游承载出口锥体14，该出口锥体旨在限制由低压涡轮9喷射的并围绕该锥体14流通的热的主流中的湍流的形成。

如图2中更清楚地示出的，该排气壳体13更具体地具有外壳16，该外壳包围内壳17，该外壳和该内壳通过径向臂18彼此连接，这些壳一起界定出热的主流FP从其穿过的环形空间EA。

内壳17界定出大致圆柱形的中心空间EC，该大致圆柱形的中心空间在上游侧上由上游壁19至少部分地封闭，在下游侧上由出口锥体14至少部分地封闭，该出口锥体在该内壳17的下游延伸部中延伸。

出口锥体14具有圆锥形外壁21和内壁22，该圆锥形外壁使内壳17延伸，该内壁也是圆锥形的，并且沿壁21的内部面延伸，同时与壁21径向地间隔开，以与壁21一起界定出锥体14的隔热空间EI。

由于这两个壁21和22具有大体圆锥形形状，因此该空间EI具有回转的圆锥形形状，这两个壁的上游圆形边缘一起界定进入该空间EI的进入开口23，并且这些壁在它们的下游端部处开放以共同界定该空间EI的出口开口24。

如图2所示，径向臂18(该径向臂18穿过主流FP在其中流通的主管道)是中空的，以将空气例如从在次级管道中流通的冷的次级流FS输送到中心空间EC。这可以是通过勺形部从次级流FS获取的空气，或者是来自另一个源并通过一个或多个供应管输送到径向臂18的空气。该空气形成冷却流Ff，并且例如通过将臂18延伸到次级流中的勺形部(未示出)被收集。

冷却流Ff被设计成冷却位于中心空间EC中的部件26和27，部件26和27例如是电机，诸如发动机，该发动机用于使涡轮机的中心轴旋转，围绕其定位或位于其下游端部。

更具体地，在臂18中沿向心方向流通的冷却流Ff在穿过该臂18的径向内端部之后，沿上游壁19流动，然后被偏转器28偏转，以围绕部件26和27从上游AM到下游AV纵向地流通。该偏转器28例如是与轴线AX同轴的圆柱形片材，该圆柱形片材的上游边缘固定到壁19的下游面。

当冷却流Ff围绕部件26和27流通时，冷却流被围绕部件26和27延伸的盖体29引导，以沿这些部件的外部流动，从而冷却这些部件。

该盖体29在此包括圆柱形片材主体31，该圆柱形片材主体与轴线AX同轴并包围部件26和27，该圆柱形片材主体的上游边缘例如通过片材32固定到内壳17，该片材32呈垂直于轴线AX定向的环的形式，该圆柱形片材主体的下游边缘通过基部33延伸，该基部位于部件27的下游，该基部在此也是呈垂直于轴线AX定向的环的形式的片材，并且朝向主体31的内部径向地延伸。

在沿盖体的主体31沿部件26和27经过之后，流Ff被基部33径向地偏转，以通过沿向心方向流通来冷却部件27的下游面。当流Ff到达基部33的中心开口时，流被导向件34引导，以在离心方向上沿基部33的下游面流通。

导向件34包围盖体29并具有与该盖体29相同的形状，即具有导向主体36，该导向主体使其上游边缘通过呈环的形式的片材37连接到内壁22的上游边缘，该主体36使其下游边缘通过基部38延伸，该基部呈垂直于轴线AX定向的圆盘的形式并位于基部33的下游。

如图2所示，盖体29和导向件34一起界定出回旋空间，该回旋空间使得流Ff能够在盖体29的出口处被收集，以将流引导到空间EI的进入开口23中，使得流在经由出口24排出之前在那里流通。

界定出空间EI的壁21和22形成锥体14的双表皮，该双表皮由于流Ff的流通而形成热阻挡层，该热阻挡层限制了由围绕锥体14流动的热的主流FP对锥体内部的加热。

该热阻挡层可以通过用隔绝热辐射的涂料来覆盖锥体的壁或者通过增加额外的热辐射屏蔽件或防热辐射壁来进一步改进。它还可以通过在锥体的壁21和/或22上使用隔热物来限制通过传导的热传递来改进。

总的来说，本发明背后的想法是将冷却空气引导到锥体14中，并限制该锥体的壁的加热，从而最大限度地冷却包含在该锥体中的部件。以这种方式获得的冷却足以有效地冷却产生热量的热机(诸如电流发生器或电动机)，因此热机可以被布置在界定出口锥体的空间中。

图2所示的流Ff路径的示例是多种可能性中的一种，因为图3和图4示出了另外两个示例性冷流路径，该另外两个示例性冷流路径也使得这种冷却能够被优化。这些路径可以进一步被优化或修改成增加弯道或挡板，从而优化适当区域中的热交换。

在图3所示的示例中，冷却流Ff’也经由臂18进入，但冷却流不是被偏转器偏转，而是沿壁19在向心方向上流通，直到冷却流到达靠近轴线AX的区域，以便然后在部件26中从上游到下游纵向地流通，以冷却部件的内部。在纵向地穿过部件26的内部区域之后，该流Ff’被包围该部件26的盖体29’偏转。在图3所示的示例中，考虑了具有内部冷却通道的单个部件，而不是图2中的两个单独的部件。第一部件可以设置有内部冷却通道，该内部冷却通道靠近第二部件，该第二部件被布置成使得空气在穿过第一部件之后围绕第二部件流动。

该盖体29’具有圆柱形主体31’，该圆柱形主体在下游通过基部33’延伸，该基部垂直于轴线AX定向并由圆盘形的片材形成。该主体31’在上游通过呈环的形式的片材37’延伸，并且主体通过该片材37’连接到内壁22的上游边缘。

此外，呈环的形式的、大致垂直于轴线AX定向的另一个片材32’将壳17连接到部件26的外部面，该片材32’位于片材37’的上游。

因此，在穿过部件26的内部区域之后，流Ff’首先被偏转以在部件26的下游面之间沿离心方向径向地流通，然后被主体31’偏转，以通过从下游AV流通到上游AM而围绕部件26流通，从而冷却该部件26的外部。

在通过主体31’的上游边缘之后，流Ff’被片材32’和37’偏转，流Ff’通过片材32’和37’之间沿离心方向径向地流通，以被引导到空间EI的进入开口23中，从而在那里从上游流通到下游，然后经由出口24被排出。

可以看出，该另一个流Ff’路径确保了部件26的内部区域(即尽可能靠近该部件中产生热量的区域)的冷却。

可选地，如图4所示，呈热辐射屏蔽件形式的附加保护片材39被定位在盖体的出口和冷却流(在该图4中标记为Ff”)进入空间EI的入口之间，径向地位于主体31”和锥体14之间。

在另一个示例中，盖体29”还包括圆柱形主体31”，该圆柱形主体通过垂直于轴线AX的圆盘形的基部33”在圆柱形主体的下游处封闭。但是盖体29”由呈环37”的形式的片材承载，该片材将主体31”的中心区域(沿轴线AX)连接到内壁22的位于该壁22的上游边缘的下游的区域。

此外，呈环的形式的、大致垂直于轴线AX定向的另一个片材32”将壳17连接到位于片材37”的上游的部件26的外部面。该另一个片材32”承载与轴线AX同轴的保护圆柱形片材39，该保护圆柱形片材在壁22和主体31”之间延伸，其中，保护圆柱形片材的上游边缘刚性地附接到片材32”的下游面。

该保护片材39提供保护以防止来自直接在臂18的下游(即在最热并因此辐射最强的区域)流通的主流FP的热辐射。实际上，该片材是热辐射屏蔽件，诸如覆盖有呈热涂料的形式的隔热涂层以限制辐射交换的片材。

此外，如图4所示，该保护片材39的存在在流Ff”路径中界定了额外的挡板，这确保了挡板也被该流Ff”强烈地冷却，以增加挡板的热保护能力。

在通过由于保护片材39的存在而产生的挡板之后，流Ff”进入空间EI的进入开口23，并从上游流向下游，然后在空间EI的出口24处被排出。

如上面所指出的，保护片材39减少了热交换以将部件26保持在最低温度，但这还可以通过对臂18和锥体的壁21和22进行热保护来实现。这种额外的热保护可以采取具有低热导率的隔热材料的形式，隔热材料集成到零件本身中或应用到零件的表面。这些材料可以是例如应用于锥体的壁和臂并且可能应用于锥体的内部环境的其他元件的基于二氧化硅纤维的材料。

更一般地，根据本发明，冷却流的流通被布置在迷宫路径中，该迷宫路径通过盖体、导向件和其他片材元件，以优化包含在锥体中的部件的冷却。一旦流离开输送流的径向臂，当流仍然最冷时，流就被引导以直接沿待冷却的部件流动，从而最大限度地冷却这些部件。

如图5中的曲线图所示，该曲线图给出了流Ff在Y轴上的温度T随流沿流的对应于X轴的路径的前进的变化，热交换是分级的。

更具体地，当流Ff离开臂18时，流处于相对较低的温度T18，该温度T18接近次级流FS的温度，并且该温度T18低于待冷却的第一部件26的最大允许温度T_最大26。当流Ff沿部件26通过时，流加热，冷却部件，直到流达到接近T_最大26的温度，然后到达下一个部件27，该部件27的最大允许温度被表示为T_最大27。

在沿部件27通过以对该部件进行冷却之后，流Ff的温度已经增加到相对接近T_最大27的值，然后进入锥体14的空间EI，该空间处于用T14表示的明显更高的温度，使得该流Ff已经被加热，但流仍然处于足够低的温度，以在经由出口开口24被排出之前对锥体14进行冷却。

以这种方式，冷却流的路径被优化成首先对必须保持在最低温度的元件进行冷却，然后以较高的温度对元件进行冷却，使得该流Ff沿该流的路径加热，同时确保流穿过的各种元件的最佳冷却。

这种冷却可以通过设置由盖体和/或由锥体的壁中的一个壁形成的热阻挡层来改善，热阻挡层是由隔绝材料制成或由隔绝材料覆盖的元件。

冷却可以通过(例如借助于风扇或泵)迫使冷却流流通来进一步最大化，特别是以便确保位于锥体14中的部件在发动机停止后冷却一预定时间段，并且以便补偿正常运行期间的压力损失。

冷却流的流通可以通过控制冷却流的空气流的阀来被动地或主动地进一步调节。阀可以是由控制单元致动的蝶阀，以在需要更多冷却时(例如在飞行器的起飞阶段)增加流量。

此外，图中的示例示出了冷却流具有单个支路的布置。然而，该冷却流可以被分成多个单独的支路，多个单独的支路中的每一个的流量可以由与单独的支路一样多的阀或隔膜单独地调节，以确保对应于支路的每个区域所需的冷却恰到好处。

最后，这种冷却可以伴随第二冷却，该第二冷却在设备内部，例如由热传递流体提供。

Claims (10)

1.双流涡轮机，所述双流涡轮机具有排气壳体(13)和锥体(14)，热的主流(FP)穿过所述排气壳体并被冷的次级流(FS)包围，所述锥体由该排气壳体(13)承载，该排气壳体(13)具有至少一个中空的径向臂(18)，所述至少一个中空的径向臂穿过所述主流(FP)以输送冷却流(Ff，Ff’，Ff”)，从而冷却位于该锥体(14)中的部件(26，27)，该锥体(14)具有外壁(21)和内壁(22)，所述内壁与所述外壁(21)并行延伸并与所述外壁径向地间隔开以界定出隔热空间(EI)，所述冷却流从上游到下游穿过所述隔热空间，然后所述冷却流通过位于所述锥体(14)的端部处的出口开口(24)被排出，其特征在于，所述双流涡轮机具有包围至少一个部件(26，27)的盖体(29，29’，29”)，以引导所述冷却流(Ff，Ff’，Ff”)，使得所述冷却流沿该部件的外部流动，以在穿过所述隔热空间(EI)被排出之前对该部件进行冷却。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，在所述中空的径向臂(18)中输送的所述冷却流(Ff，Ff’，Ff”)是所述次级流(FS)的一部分。

3.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，由所述冷却流(Ff，Ff’，Ff”)冷却的至少一个部件是电机，诸如电流发生器或发动机。

4.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述冷却流(Ff，Ff’，Ff”)穿过至少一个部件(26，27)的内部区域，然后被所述盖体(29，29’，29”)引导以沿该部件(26，27)的边流动。

5.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，所述涡轮机包括大致圆柱形的热辐射屏蔽件(39)，所述大致圆柱形的热辐射屏蔽件被径向地定位在所述盖体(29，29’，29”)和所述锥体(14)之间。

6.根据权利要求5所述的涡轮机，其中，所述热辐射屏蔽件(39)界定了用于所述冷却流(Ff”)的挡板。

7.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述盖体(29，29’，29”)和/或所述锥体(14)的所述壁(21，22)中的一个壁包括隔热材料和/或被隔热材料覆盖。

8.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，所述涡轮机包括由所述冷却流(Ff，Ff’，Ff”)冷却的多个部件(26，27)，其中，具有最低的最大允许温度的所述部件(26)关于所述冷却流(Ff，Ff’，Ff”)的在所述锥体(14)中的路径被布置在其他部件(27)的上游。

9.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，所述涡轮机包括诸如风扇或泵的装置，以在所述涡轮机处于静止时迫使所述冷却流(Ff，Ff’，Ff”)流通。

10.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，所述涡轮机包括蝶阀型装置，以调节在所述锥体(14)中流通的所述冷却流(Ff，Ff’，Ff”)的流量。