專(zhuān)利名稱(chēng)：一種渦輪機(jī)擴(kuò)散器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪機(jī)。本發(fā)明適用于任何類(lèi)型的地面或航空渦輪機(jī)，而且特 別適合于航空渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
在本發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)"上游"和"下游'的定義是相對(duì)于燃?xì)庠跍u輪機(jī)中的 正常流動(dòng)方向(從上游到下游)。此外，渦輪機(jī)的軸是渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸。軸向 方向?qū)?yīng)于渦輪機(jī)軸的方向，而徑向方向是垂直于所述軸的方向。同樣，軸向平面 是包含了渦輪機(jī)軸的平面，而徑向平面是垂直于所述軸的平面。最后，除非另有相 反規(guī)定，形容詞"內(nèi)"和"外"的使用均是相對(duì)于徑向方向，也就是說(shuō)一個(gè)構(gòu)件的 內(nèi)部(即徑向內(nèi)部)要比該構(gòu)件的外部(即徑向外部)更靠近渦輪機(jī)軸。
本發(fā)明涉及的這種渦輪機(jī)包括
.帶有燃燒室端壁的環(huán)形燃燒室，該端壁提f賄噴射 L，而噴射系統(tǒng)就安裝在其
內(nèi)；
帶有離心式下游級(jí)的壓縮機(jī);
-環(huán)形擴(kuò)散器(diffiiser)，其能使來(lái)自壓縮機(jī)的燃?xì)饬鞯玫綌U(kuò)散，并將所述燃?xì)?流導(dǎo)向所述噴射系統(tǒng)。
帶有離心式下游級(jí)的壓縮機(jī)通常包括旋轉(zhuǎn)葉輪。該葉輪包括一系列被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn) 的葉片，其方式使得燃?xì)饧铀俅┻^(guò)葉輪。
擴(kuò)散器在葉輪的周?chē)峁┯协h(huán)形空間。擴(kuò)散器用來(lái)減少離開(kāi)葉輪的燃?xì)獾牧鲃?dòng) 速度，從而增加了燃?xì)獾撵o態(tài)壓力。擴(kuò)散器可以是葉片型或?qū)Ч苄偷摹?br> 一般來(lái)講，這兩種類(lèi)型的擴(kuò)散器都包括一種徑向環(huán)形上游部分，該部分提供連 接到壓縮機(jī)出口端的一系歹U擴(kuò)散通道，以重新獲得來(lái)自壓縮機(jī)的加速氣體。這些擴(kuò) 散通道的截面都自上游至lj下游呈轉(zhuǎn)腿增大，從而擴(kuò)散來(lái)自壓縮機(jī)的燃?xì)饬?。葉片型 的擴(kuò)散器利用了一系列圓形彼此相間的葉片，從而形成擴(kuò)散通道。在管道型擴(kuò)散器 中，擴(kuò)散通道是通過(guò)導(dǎo)管或管子部件構(gòu)成的，例如，在兩個(gè)連接到一起的相對(duì)而置 的板材之間形成。
從上游部分向下游方向，擴(kuò)散器一般都包括肘開(kāi)》的環(huán)形中間部分，用于將擴(kuò)散 器的流路形成曲線狀，使得燃?xì)饬飨蛉紵摇?br> 從中間部分向下游方向，擴(kuò)散器一般包括環(huán)形下游部分，其由一系列圓形等距 離間隔的導(dǎo)直葉片組成，用來(lái)4M氣流方向變直，從而在燃?xì)饬麟x開(kāi)擴(kuò)散通道，進(jìn)
入到燃燒室之前，降低或消除燃?xì)饬鞯闹芟驕u旋(circumferentialswirling)。
一般來(lái)講，燃燒室的噴射孔的中心的分布是在半徑R1的圓上圍繞渦輪機(jī)的軸， 而擴(kuò)散器下游部分平均半徑R2則大于半纟5 Rl 。
在某些已有技術(shù)的渦輪機(jī)中，擴(kuò)散器的下游部分是按照燃燒室的外殼體的線型， 并朝向繞過(guò)燃燒室的外部區(qū)域(g卩燃燒室和外殼體之間的通道區(qū)域)。換句話說(shuō)，在 包含了渦輪機(jī)軸的截面上，擴(kuò)散器下游部分出口處的流路的平均軸(mean axis)與 燃燒室外的旁通流路的平均軸相平行。該解決方案并不能令人滿(mǎn)意，因?yàn)樗须x開(kāi) 擴(kuò)散器的主燃?xì)饬?，在外部流路和流入燃燒室的端壁和?nèi)旁通區(qū)域(即燃燒室和內(nèi) 殼體之間的通道區(qū)域)的流路之間被共享前，都是在外部繞過(guò)燃燒室。然后，流入 噴射系統(tǒng)和內(nèi)旁通區(qū)域的是自主燃?xì)饬鞲牡蓝鴣?lái)的副燃?xì)饬?，這種轉(zhuǎn)向會(huì)造成擴(kuò)散 器輸出端和噴射系統(tǒng)上游端之間以及在擴(kuò)散器輸出端和內(nèi)旁路區(qū)域之間產(chǎn)生很大的 壓降(即壓力損失)。
就功能而言，這種壓降所帶來(lái)的后果如下
在設(shè)計(jì)渦輪機(jī)時(shí)，擴(kuò)散器輸出端和噴射系統(tǒng)之間的很大的壓降需要通過(guò)整體 增加擴(kuò)散器輸出端和燃燒室輸出端之間的組件的壓降M行補(bǔ)償，以便保持在通過(guò) 噴射系統(tǒng)時(shí)的壓降，以足以確?？諝?燃料的混合及燃燒。而組件壓降的提高則會(huì)引 起燃料消耗的增加。
燃燒室的外旁通區(qū)域和內(nèi)旁通區(qū)域之間的供氣是相當(dāng)對(duì)稱(chēng)的(主燃?xì)鈬娚?和稀釋燃?xì)?dilution gas)噴射在外部比內(nèi)部滲透更多)，這就使得燃燒室出口的 溫度分布很難控制。
向內(nèi)旁路區(qū)域供氣不良則會(huì)弓胞冷卻燃燒室內(nèi)壁的裝置內(nèi)燃?xì)饬魉傧陆?，?而降低了對(duì)流換熱系數(shù)，進(jìn)而降低了所述冷卻的整體效率。
向內(nèi)旁路區(qū)域供氣不良會(huì)引起超壓比的下降，進(jìn)而會(huì)降低對(duì)位于燃燒室下游 渦輪噴嘴的冷卻效率。
為了避免這些缺陷，在其它已有技術(shù)渦輪機(jī)中，諸如FR2 372 965號(hào)專(zhuān)利文件 所述渦輪機(jī)中，擴(kuò)散器的下游部分相對(duì)于渦輪機(jī)軸向燃燒室一側(cè)傾斜，其方式是這
樣的，在包含渦輪機(jī)軸的截面上，擴(kuò)散器下游部分出口端流路的平均軸經(jīng)由燃燒室 端壁在燃燒室端壁的最大半徑和最小半徑之間穿過(guò)。流路定義為限定燃?xì)饬魍臻g 的范圍，進(jìn)而形 氣流。在擴(kuò)散器下游部分，流路是由所述下游部分的內(nèi)部形狀 而形成的。
擴(kuò)散器的下游部分相對(duì)于渦輪機(jī)軸朝向燃燒室端壁的這種傾斜則起到了改進(jìn)作 用，因?yàn)橥ㄟ^(guò)向這些系統(tǒng)更直接地供氣，斷氐了在擴(kuò)散器出口端和噴射系統(tǒng)上游端 之間的壓降。此外，它還可以使得燃燒室外旁通區(qū)域和內(nèi)旁通區(qū)域的供氣相互更加 對(duì)稱(chēng)，也改善了向內(nèi)旁通區(qū)域的供氣。再者，同樣，可以實(shí)現(xiàn)向每個(gè)噴射系統(tǒng)的各 個(gè)進(jìn)入通道更均勻地供氣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在改進(jìn)這種類(lèi)型的渦輪機(jī)，從而能夠更進(jìn)一步改善向噴射系統(tǒng)的燃?xì)?供給。
為了實(shí)現(xiàn)此目的，本發(fā)明設(shè)有一種上述類(lèi)型的渦輪機(jī)(即帶有一個(gè)擴(kuò)散器的下 游部分，該部分相對(duì)于渦輪機(jī)軸向燃燒室端壁傾斜)，其中，擴(kuò)散器下游部分內(nèi)的導(dǎo) 直葉片相對(duì)于噴射孔(并進(jìn)而相對(duì)于布置在所述孔內(nèi)的噴射系統(tǒng))的布置是這樣的 在包含了渦輪機(jī)軸和穿過(guò)其中一個(gè)所述噴射 L中心的截面上，在沿導(dǎo)直葉片后緣處 流路中央和所述中心之間的流管上的曲線橫坐標(biāo)距離大于或等于導(dǎo)直葉片后緣處所 述流路的高度的三倍。
在本發(fā)明的研究期間，發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散器下游部分的導(dǎo)直葉片會(huì)引起自其后
緣下游燃?xì)饬鞯奈蓙y(所用術(shù)語(yǔ)是"尾流"(wake))，時(shí)還發(fā)現(xiàn)這些紊舌L^向噴射系 統(tǒng)供氣是有害的。特別是，這種供氣在每個(gè)系統(tǒng)的噴射軸周?chē)遣粚?duì)稱(chēng)的。然而， 在進(jìn)一步遠(yuǎn)離導(dǎo)直葉片的后緣時(shí)，這些紊亂則會(huì)降低。為此，本發(fā)明提出了將噴射 孔(以及噴射系統(tǒng))設(shè)置在遠(yuǎn)離導(dǎo)直葉片后緣處，以確保這些孔位于紊亂甚少或?qū)?際沒(méi)有紊亂的區(qū)域，從而改善了向噴射系統(tǒng)的供氣。
根據(jù)本發(fā)明，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)，噴射系統(tǒng)的燃?xì)夤?yīng)得到改善(尤其是圍繞噴射軸 更加對(duì)稱(chēng))，這樣，就可以具體地改善燃?xì)馑俣鹊蜁r(shí)的燃燒穩(wěn)定性，更好地控制燃燒 室出口端的溫度分布，限制燃燒和擴(kuò)散器出口端流量之間的非穩(wěn)定聯(lián)接的風(fēng)險(xiǎn)。
盡管如此，噴射 L決不可以距離導(dǎo)直葉片太遠(yuǎn)，目的是通過(guò)擴(kuò)散器出口端和噴 射系統(tǒng)上游之間的氣流分布而限制壓降。為此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在包含
了渦輪機(jī)軸和穿過(guò)其中一個(gè)所述噴射孔中心的截面上，在沿導(dǎo)直葉片后緣處流路中 央和所述中心之間的流管上的曲線橫坐標(biāo)距離小于或等于導(dǎo)直葉片后緣處所述流路 的高度的九倍。
為了改善流經(jīng)擴(kuò)散器下游部分的燃?xì)饬髡睜顩r，導(dǎo)直葉片的數(shù)量最好很大， 但是又不會(huì)引起氣動(dòng)力阻塞，后者對(duì)離心級(jí)的充氣范圍有害。為此，在本發(fā)明的一 個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)直葉片的數(shù)量要大于噴射系統(tǒng)的數(shù)量。導(dǎo)直葉片的數(shù)量?jī)?yōu)選至少是 噴射系統(tǒng)的數(shù)量的四倍。隨著導(dǎo)直葉片數(shù)量的增加，葉片弓跑的湍動(dòng)結(jié)構(gòu)的數(shù)量同 樣會(huì)增加(但是，這些結(jié)構(gòu)都是比較小的尺寸)，因此，本發(fā)明具有更大的便利特性，
因?yàn)樗梢允沟眠@些湍動(dòng)結(jié)構(gòu)能量在導(dǎo)直葉片后緣和噴射孔之間的建i"巨離內(nèi)得到 耗散。
下面結(jié)合示例，并閱讀本發(fā)明實(shí)施例的如下詳細(xì)說(shuō)明，可以更好地理解本發(fā)明 及其優(yōu)點(diǎn)，但本發(fā)明并不僅限于所示示例。


圖1到圖3為軸向半剖面示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的航空渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的 三個(gè)示例中的壓縮機(jī)、擴(kuò)散器和燃燒室組件；
圖4示出了圖1中的燃燒室組件，以及流過(guò)該組4牛的燃?xì)饬髀?；以?br> 圖5示出了圖1中渦輪機(jī)在徑向截面，沿V-V平面剖開(kāi)的擴(kuò)散器的下游部分；
圖1到圖3示出了軸向半剖面的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的示例，該截面包含了渦輪噴 氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸A。
具體實(shí)施例方式
流過(guò)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體為空氣。
渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)包括高壓壓縮機(jī)10，其帶有由離心級(jí)構(gòu)成的下游部分(圖1到 圖3中可以看到)，以及下游與壓縮機(jī)10相連的環(huán)形擴(kuò)散器20，所述擴(kuò)散器的開(kāi)口 面向環(huán)形燃燒室40周?chē)臻g30。空間30由外殼體32和內(nèi)殼體34形成，二者均為 同心。燃燒室40由與殼體32和34相連接的緊固件凸緣來(lái)支撐。
離心式壓縮機(jī)10包括旋轉(zhuǎn)葉輪12。葉輪12由一系列被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的活動(dòng)葉片14 組成。葉輪12采用的方式使空氣能夠加速流過(guò)葉輪，并進(jìn)而增加了所述空氣的動(dòng)能。
擴(kuò)散器20設(shè)有圍繞葉輪的環(huán)形空間。擴(kuò)散器20用于降低來(lái)自葉輪的空氣的速
度，并進(jìn)而增加了其靜態(tài)壓力。圖中所示擴(kuò)散器20為葉片型。
擴(kuò)散器20帶有徑向環(huán)形上游部分21，該部分設(shè)有一系列擴(kuò)散通道22，這些通 道連接到壓縮機(jī)20的出口端，目的是重新獲得來(lái)自葉輪12的加速空氣。這些擴(kuò)散 通道22的截面從上游向下游呈漸進(jìn)增大，以便擴(kuò)散自葉輪處流出的空氣。擴(kuò)散通道 22是由一系列環(huán)形相間的葉片23構(gòu)成。在上游部分21的入口端，這些葉片彼此相 互靠近。這些葉片23在接近上游部分21出口端時(shí)沿圓周方向彼此分開(kāi)。
從上游部分21向下游方向，擴(kuò)散器20包括一個(gè)肘形的環(huán)形中間部分24，用于 將擴(kuò)散器的流路形成曲線狀，并使空氣流向燃燒室40流動(dòng)。
從中間部分24向下游方向，擴(kuò)散器20帶有環(huán)形下游部分25，后者由一系列環(huán) 形相間的導(dǎo)直葉片26組成，用于降低或消除來(lái)自擴(kuò)散通道22的空氣流在進(jìn)入到空 間30前出現(xiàn)的周向渦旋。圖5示出了導(dǎo)直葉片26的剖面，所述導(dǎo)直葉片的截面在 擴(kuò)散器下游部分25出口端處與流路平均軸X相垂直。從圖中可以看出，導(dǎo)直葉片 26在擴(kuò)散器下游部分25的內(nèi)壁和外壁之間徑向延伸。
燃燒室40包括環(huán)形內(nèi)壁42，環(huán)形外壁43和在所述燃燒室上游區(qū)域內(nèi)所述內(nèi)壁 和外壁42和43之間的環(huán)形燃燒室端壁41 。燃燒室端壁41設(shè)有噴射孔44，后者圍 繞軸A呈環(huán)形分布。噴射系統(tǒng)45通過(guò)戶(hù)，噴射孔44 (每個(gè)噴射孔44內(nèi)有一個(gè)噴射 系統(tǒng)45)安裝在燃燒室端壁上。這些噴射系統(tǒng)45使空，燃料混合物被噴入燃燒室 40內(nèi)燃燒。混合物中的燃料通過(guò)穿過(guò)空間30的供油管46輸送到噴射系統(tǒng)45。
由燃燒室40、其殼體和其中間部分構(gòu)成的組件通常稱(chēng)之為燃燒室組件。
燃燒室40相對(duì)于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的軸A傾斜(非零)銳角B。該銳角B越大， 燃燒室組件的軸向范圍越短。
為了確保來(lái)自擴(kuò)散器20的空氣流被導(dǎo)向噴射系統(tǒng)45，擴(kuò)散器20的下游部分 25相對(duì)于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的軸A向燃燒室傾斜，即，在包括了渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸截 面上，擴(kuò)散器的下游部分25出口端處流路的平均軸X經(jīng)由燃燒室端壁41在燃燒室 端壁41的最大半徑R和最小半徑L之間通過(guò)。因?yàn)槿紵叶吮?1呈環(huán)狀，且以軸 A為中心，半徑r和R沿徑向方向自軸A處延伸。為了說(shuō)明這個(gè)瞎況，圖1和圖3 示出了燃燒室40的三個(gè)示例，其中，以上所規(guī)定的傾斜標(biāo)準(zhǔn)都得到滿(mǎn)足。在圖2 中，擴(kuò)散器的下游部分25出口端處流路的平均軸X經(jīng)由靠近最大半徑R的燃燒室 端壁41穿過(guò)。在圖3中，擴(kuò)散器的下游部分25出口端處流路的平均軸X經(jīng)由靠 近最小半徑L的燃燒室端壁41穿過(guò)。在圖1中，擴(kuò)散器下游部分25出口端處流路
的平均軸X穿過(guò)靠近噴射孔44的中心C的燃燒室端壁41 。
根據(jù)本發(fā)明，以及參照?qǐng)D4，后者示出了圖1所示燃燒室組件以及流過(guò)該組件 的空氣的流路，從而可以看到，在包含了渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸A和通過(guò)噴射孔44的 中心C的圖1和圖4所示的截面上，在沿導(dǎo)直葉片26后緣處流路中間位置O和所 述中心C (即屬于流管L和自O(shè)到C的曲線部分的長(zhǎng)度)之間流管L的曲線橫坐 標(biāo)距離大于或等于導(dǎo)直葉片后緣流路的高度h的三倍(其中，所述高度li對(duì)應(yīng)于導(dǎo) 直葉片26的高度)。此外，所述曲線橫坐標(biāo)距離小于或等于導(dǎo)直葉片后緣處所述流 路的高度的九倍。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)，其包括帶有燃燒室端壁(41)的環(huán)形燃燒室(40)，所述端壁提供有噴射孔(44)，而噴射系統(tǒng)(45)就安裝在該孔內(nèi)；帶有離心式下游級(jí)的壓縮機(jī)(10)；以及環(huán)形擴(kuò)散器(20)，其使來(lái)自壓縮機(jī)(10)的燃?xì)饬鞯玫綌U(kuò)散，并將所述燃?xì)饬鲗?dǎo)向所述噴射系統(tǒng)，該擴(kuò)散器包括徑向上游部分(21)，其設(shè)有擴(kuò)散通道(22)，后者連接到壓縮機(jī)的出口端；肘形中間部分(24)；和下游部分(25)，后者包括一系列環(huán)形相間的導(dǎo)直葉片(26)，所述下游部分(25)相對(duì)于渦輪機(jī)軸(A)朝向燃燒室傾斜，即，在包含了渦輪機(jī)軸(A)的截面上，擴(kuò)散器(20)下游部分(25)出口端處的流路的平均軸(X)在燃燒室端壁(41)最大半徑(R)和最小半徑(r)之間穿過(guò)燃燒室端壁(41)；渦輪機(jī)的特征在于，在包含渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸(A)和穿過(guò)其中一個(gè)所述噴射孔(44)的中心(C)的截面上，在沿導(dǎo)直葉片(26)后緣流路中間位置(O)和所述中心(C)之間的流管(12)的曲線橫坐標(biāo)距離大于或等于導(dǎo)直葉片(26)后緣的所述流路的高度(h)的三倍，其特征還在于，導(dǎo)直葉片(26)的數(shù)量至少是噴射系統(tǒng)(45)的四倍。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)，其中，在包含了渦輪才幾軸(A)和穿過(guò)其中一個(gè)所 述噴射孔(44)的中心(C)的截面上，在沿導(dǎo)直葉片(26)后緣處的流路的中間位置 (0)和所述中心(C)之間的流管(L)的曲線橫坐標(biāo)距離小于或等于導(dǎo)直葉片(26)后 緣的所述流路的高度(h)的九倍。
全文摘要
一種渦輪機(jī)，其包括一個(gè)帶有噴射孔(44)的環(huán)形燃燒室(40)；一個(gè)帶有離心式下游級(jí)的離心式壓縮機(jī)(10)；一個(gè)環(huán)形擴(kuò)散器(20)，其包括一個(gè)徑向上游部分(21)，該部分提供有擴(kuò)散通道(22)，后者連接到壓縮機(jī)的出口端；一個(gè)肘形中間部分(24)；和一個(gè)下游部分(25)，后者包括了一系列導(dǎo)直葉片(26)并相對(duì)于渦輪機(jī)軸(A)傾斜。在包含了渦輪機(jī)軸(A)和穿過(guò)其中一個(gè)所述噴射孔(44)的中心(C)的截面上，在沿導(dǎo)直葉片(26)后緣處的流路的中間位置(O)和所述中心(C)之間的流管(L)的曲線橫坐標(biāo)距離大于或等于所述流路的高度(h)的三倍。
文檔編號(hào)F02C7/22GK101368512SQ200810130810
公開(kāi)日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月13日
發(fā)明者帕斯卡爾·羅萊, 帕特瑞斯·安德魯·科瑪雷, 米歇爾·安德魯·阿爾伯特·德索爾蒂, 羅曼·尼古拉斯·盧納爾 申請(qǐng)人:斯奈克瑪