CN102906428A - 涡轮发动机中两环形排的静止叶片之间的空气动力学耦合 - Google Patents

涡轮发动机中两环形排的静止叶片之间的空气动力学耦合 Download PDF

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Abstract

本发明涉及涡轮发动机，其包括至少两连续环形排的静止叶片，例如，这些静止叶片由喷嘴环(110)的叶片，以及设置在喷嘴环下游的环形排的壳臂(120)形成，每个壳臂基本上在径向平面中延伸，该径向平面在喷嘴环的两个相邻静止叶片(112’)的后缘之间穿过，所述两个静止叶片之间的节距(P1)大于喷嘴环的其它叶片(112)之间的节距(P2)，使得在所述两个静止叶片的后缘处形成的尾流(130)分别在相应的壳臂的任意一侧上通过。

Description

涡轮发动机中两环形排的静止叶片之间的空气动力学耦合
本发明涉及涡轮发动机，例如飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机，该发动机包括至少两连续环形排的静止叶片，例如，这些静止叶片由设置在压缩级的出口处的喷嘴级的叶片，以及设置在喷嘴下游的环形排的壳臂形成。
在涡轮发动机中，设置在压缩机的出口处的喷嘴具有环形排的静止叶片，现有技术中，这些静止叶片围绕涡轮发动机的纵轴均匀分布。
环形排的壳臂设置在喷嘴的下游，壳臂的作用是在外壳和内壳之间传递力，并且它们延伸穿过从压缩机流动的气体流，壳臂连接至外壳和内壳。
在现有技术中，壳臂相对于喷嘴叶片的角位置未最优化。在喷嘴叶片的后缘形成的尾流同壳臂相互作用并产生巨大的压头损失，由此降低涡轮发动机的性能。此外，还可以观察到在喷嘴处产生的抽吸现象。
为改善涡轮发动机的性能，公知的是在两个定子元件或两个转子元件之间实施空气动力学耦合。以本申请人名义提出的申请EP-A-2071127描述了用于设计多级涡轮发动机的方法，该方法能够在涡轮的所有转子叶片组或定子叶片组上实现空气动力学耦合。
本发明的一个目的是在喷嘴的静止叶片和位于下游的壳臂之间，或者更普遍地，在涡轮发动机的两连续环形排的静止叶片之间，实现空气动力学耦合，由此改善上述类型的涡轮发动机的性能。
为此，本发明提供涡轮发动机，其包括至少第一和第二连续环形排的静止叶片，例如，喷嘴级的环形排的静止叶片和位于喷嘴下游的环形排的壳臂，该涡轮发动机的特征在于第二排的每个叶片在径向平面中延伸，该径向平面位于第一排的两个连续的叶片的后缘之间，还在于第一排的所述两个叶片之间的节距大于第一排的其它叶片之间的节距。
根据本发明，第一排的静止叶片的节距值按照如下方式布置：位于径向平面的任意一侧上的叶片之间的节距的值较大，该径向平面穿过第二排的叶片；位于这两个径向平面的叶片之间的节距的值较小，由此，在第一排的叶片的后缘处形成的尾流分别在第二排的叶片的任意一侧上通过，并由此限制了压头损失和两排叶片之间的空气动力学干扰。
根据本发明的一个特征，位于穿过第二排的一个叶片的径向平面的任意一侧上的第一排的两个叶片之间的节距等于360°(1+m/n)/N，n为第二排的叶片的数量，N等于360°/P2，P2为位于穿过第二排的两个连续叶片的两个径向平面之间的第一排的叶片之间的节距，第一排的叶片的数量是第二排的叶片的数量n的整数倍，m为小于(n-1)并大于或等于0的整数，由此N＝kn+m，其中k为整数。
在一实施方式中，位于穿过第二排的一个叶片的径向平面的任意一侧上的第一排的叶片之间的节距等于第一排的其它叶片之间的节距的大约1.5倍。
当第一排的叶片为喷嘴级的叶片并且第二排的叶片由壳臂形成时，位于穿过第二排的一个叶片的径向平面的任意一侧上的第一排的两个叶片之间的节距等于大约5.4°，第二排的其它叶片之间的节距等于大约3.6°。
穿过第二排的一个叶片的径向平面可以在第一排的第一叶片的压力侧和连续的第二叶片的吸入侧之间穿过。该平面和所述第一叶片的压力侧之间的圆周距离可以小于该平面和所述第二叶片的吸入侧之间的圆周距离。
通过阅读以下借助非限制性实施例并参考附图所进行的描述，可以更好地理解本发明，并且本发明的其它细节，特征和优点可以更清楚地显现。在这些附图中：
图1为现有技术涡轮发动机中的喷嘴和壳臂的高度图解的部分的平面图；
图2为本发明涡轮发动机中的喷嘴和壳臂的高度图解的部分的平面图；
图3为对应于图2的视图，其示出了在喷嘴的静止叶片的后缘处以及壳臂的后缘处形成的尾流的路径。
下面的描述和以下情形相关，其中第一排的静止叶片为喷嘴级10的静止叶片，该喷嘴级10设置在涡轮发动机的压缩级的出口处，例如，涡轮发动机为飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机，第二排的叶片由设置在喷嘴下游的环形排的壳臂20形成。
喷嘴的叶片12基本上径向地延伸穿过从压缩机流出的空气流，并通过合适的装置连接至涡轮发动机的内壳和/或外壳。
位于喷嘴10的下游，具***于低压压缩机的出口处的壳臂20用于将压缩机的内壳和外壳连接在一起，以传递力。这些壳臂20中的每一个具有上游前缘22和下游后缘24，以用于来自喷嘴10的空气。
壳臂20的数量少于喷嘴10的静止叶片12的数量，并且壳臂围绕涡轮发动机的纵轴均匀分布。
在现有技术中，喷嘴的静止叶片12围绕涡轮发动机的纵轴均匀分布。也就是说，叶片12的圆周节距P是恒定的。
此外，壳臂20相对于喷嘴叶片12的角位置是任意的。这种设置导致巨大的压头损失，该压头损失是由于在叶片12的后缘16处形成的尾流和壳臂20之间相互作用造成的，还导致在喷嘴处产生抽吸的风险。
本发明通过对喷嘴叶片的数量，喷嘴叶片之间的圆周节距，以及这些叶片相对于壳臂的角位置进行优化，在喷嘴叶片和壳臂之间实现空气动力学耦合，从而克服上述问题。
如图2和图3所示，每个壳臂120在径向平面C中延伸，该径向平面C基本上位于喷嘴110的两个连续叶片112′之间。壳臂120相对于喷嘴的叶片112，112′呈一定角度设置，使得它们的径向平面C位于成对的连续叶片112′之间，更具体地，位于叶片112′中的一者的压力侧和叶片112′中的另一者的吸入侧之间。有益地，平面C和第一叶片112′的吸入侧之间的圆周距离D1小于平面C和另一叶片112′的吸入侧之间的圆周距离D2。
位于平面C的任意一侧上的叶片112′之间的节距P1的值大于喷嘴的其它叶片112之间的节距P2。
根据本发明，节距P1可由下述关系式限定：
P1＝360°(1+m/n)/N，
其中n为壳臂的数量；
N等于360°/P2；
喷嘴叶片的数量是壳臂的数量n的整数倍；以及
m为小于(n-1)并大于或等于0的整数，使得
N＝kn+m，
其中k为整数。
上述关系式也可写作以下形式：
P1＝P2+(360°-P2×N′)/n，
其中N′为喷嘴叶片的数量。
该关系式可从现有技术实施例获得，在该实施例中，喷嘴具有绕轴均匀分布的N个静止叶片，叶片之间的节距P2等于360°/N，壳臂的数量为n。根据本发明，位于穿过壳臂的径向平面之间的喷嘴叶片之间的节距P2是恒定的，而位于这些径向平面的任意一侧上的叶片之间的节距P1通过上述关系式确定，喷嘴叶片的数量N′在此为壳臂的数量的整数倍。
本发明中的喷嘴叶片之间的节距P2等于现有技术中均匀分布的喷嘴叶片的平均节距P，以限制当喷嘴处产生抽吸时损失抽吸余量(pumping margin)的任何风险。
举例来说，叶片112′之间的节距P1等于其它叶片112之间的节距P2的大约1.5倍。例如，节距P1可等于约5.4°，节距P2可等于约3.6°。例如，喷嘴110的静止叶片112，112′的数量可等于96，壳臂120的数量可等于8。
从图3可见，在喷嘴110的叶片112′的后缘的下游形成的尾流130分别在壳臂120的任意一侧上沿着壳臂的轮廓通过，而不产生压头损失，此后，尾流130在由臂的后缘形成的尾流132的任意一侧上流动。
这限制了壳臂和位于这些臂的上游的喷嘴叶片之间的相互作用，减少喷嘴处的轴向对称干扰，并限制喷嘴处损失抽吸余量的风险。
本发明适用于所有的配置，在涡轮发动机中，两环形排的静止叶片是连续的并且其中一排位于另一排的下游。

Claims (5)

1.涡轮发动机，其包括至少第一和第二连续环形排的静止叶片，例如，喷嘴级(110)的环形排的静止叶片(112、112′)以及位于所述喷嘴的下游的环形排的壳臂(120)，该涡轮发动机的特征在于所述第二排的每个叶片(120)在径向平面(C)中延伸，该径向平面位于所述第一排的两个连续的叶片(112′)的后缘之间，还在于所述第一排的所述两个叶片(112′)之间的节距(P1)大于所述第一排的其它叶片(112)之间的节距(P2)。
2.如权利要求1所述的涡轮发动机，特征在于位于穿过第二排的一个叶片(120)的所述径向平面的任意一侧上的所述第一排的两个叶片(112′)之间的所述节距(P1)等于360°(1+m/n)/N，n为所述第二排的叶片的数量，N等于360°/P2，P2为位于穿过所述第二排的两个连续叶片的两个径向平面之间的所述第一排的叶片之间的节距，所述第一排的叶片的数量是所述第二排的叶片的数量n的整数倍，m为小于(n-1)并大于或等于0的整数，由此N＝kn+m，其中k为整数。
3.如权利要求1或2所述的涡轮发动机，特征在于位于穿过所述第二排的一个叶片(120)的所述径向平面(C)的任意一侧上的所述第一排的两个叶片(112′)之间的所述节距(P1)等于所述第一排的其它叶片(112)之间的节距(P2)的大约1.5倍。
4.如权利要求1至3任意一项所述的涡轮发动机，特征在于位于穿过所述第二排的一个叶片(120)的所述径向平面(C)的任意一侧上的所述第一排的两个叶片(112′)之间的所述节距(P1)等于大约5.4°，所述第二排的其它叶片之间的所述节距(P2)等于大约3.6°。
5.如前述权利要求任意一项所述的涡轮发动机，特征在于穿过所述第二排的一个叶片的所述径向平面(C)在所述第一排的第一叶片(112′)的压力侧和连续的第二叶片(112′)的吸入侧之间穿过，所述平面和所述第一叶片的压力侧之间的圆周距离(D1)小于所述平面和所述第二叶片的吸入侧之间的圆周距离(D2)。
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