CN109083847A - 用于涡轮发动机的压缩机放气设备及其放气方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种压缩机放气设备及其放气方法，所述压缩机放气设备包括压缩机、放气槽、外壁和至少一个排气管。所述压缩机包括一个或多个转子，所述一个或多个转子安装成围绕中心轴线旋转并且包围在压缩机壳体中。所述放气槽穿过所述压缩机壳体。所述外壁与所述压缩机壳体共同限定围绕所述压缩机壳体的集气室。所述至少一个排气管与所述集气室连通，并且其中所述集气室和所述放气槽中的至少一者具有非轴对称结构。

Description

用于涡轮发动机的压缩机放气设备及其放气方法
技术领域
本申请大体上涉及涡轮机械压缩机，并且更确切地说，涉及所述压缩机的放气。
背景技术
燃气涡轮发动机包括以串行流连通的压缩机、燃烧器以及涡轮，它们共同构成涡轮机械的核心。所述核心能够与其他发动机部件一起以已知方式操作以执行有用功，例如提供推力或者机械功。
已知可将抽取或“放出”流动通过压缩机的空气中的一部分以用于各种目的，例如：控制压缩机循环、冷却发动机内的部件、实现间隙控制或者提供飞行器的环境控制***。
在现有技术中，放气通常通过形成于压缩机壳体中的环状放气槽阵列抽出。这些放气槽被用于收集放气的外腔室(chamber)或集气室(plenum)围绕。设有一个或多个腔室排气管以用于收集来自所述集气室的放气并且将其输送到下游位置。
需要使围绕压缩机壳体的所有周向位置均维持均匀质量流速和静态压力。这是因为压缩机非常易于受静态压力影响，并且静态压力变化可对压缩机操作参数例如压缩机本身的喘振边界和可操作性特性产生不利影响。
现有技术压缩机的一个问题是，腔室排气管的存在导致围绕集气室的周界存在不均匀。此现象的基本原因是所述腔室排气管用作“压力接收器”(pressure sink)。更确切地说，通过所述放气槽的质量流量通常在腔室排气管位置附近处较大，并且静态压力通常在所述腔室排气管位置附近处较低。流量与静态压力的这种反向关系是由于基本伯努利关系(basic Bernoulli relation)产生的。
可以通过提供大量腔室排气管来将围绕飞机周界的不均匀性减至最小。但是实际上，这样将增加发动机零件数量、重量、复杂性和成本，因此通常仅提供两个或一个排气管。这将增加不均匀效果。
发明内容
此问题通过一种压缩机放气设备解决，所述设备具有放气槽，所述放气槽布置成非轴对称结构，所述非轴对称结构配置成使围绕压缩机壳体的静态压力大体均匀。
根据本说明书中所述技术的一个方面，一种压缩机放气设备包括：压缩机，所述压缩机包括一个或多个转子，所述一个或多个转子安装成围绕中心轴线旋转并且围封在压缩机壳体中；穿过所述压缩机壳体的放气槽；外壁，所述外壁与所述压缩机壳体共同限定围绕所述压缩机壳体的集气室；以及与所述集气室连通的至少一个排气管。所述集气室和所述放气槽中的至少一者具有非轴对称结构。
根据本说明书中所述技术的另一方面，提供了一种用于从压缩机放出空气的方法，所述压缩机包括一个或多个转子，所述一个或多个转子安装成围绕中心轴线旋转并且围封在压缩机壳体中。所述方法包括：将来自所述压缩机壳体的空气通过放气槽放出到围绕所述压缩机壳体的集气室中并且随后使其进入与所述集气室连通的一个或多个排气管中，其中所述空气以非轴对称流动模式通过所述槽放出，从而产生围绕所述放气槽的周边的大体均匀静态压力。
具体地，本申请技术方案1涉及一种压缩机放气设备，其包括：
压缩机，所述压缩机包括一个或多个转子，所述一个或多个转子安装成围绕中心轴线旋转并且包围在压缩机壳体中；
放气槽，所述放气槽穿过所述压缩机壳体；
外壁，所述外壁与所述压缩机壳体一起共同限定围绕所述压缩机壳体的集气室；
与所述集气室连通的至少一个排气管；以及
其中所述集气室和所述放气槽中的至少一者具有非轴对称结构。
本申请技术方案2涉及根据技术方案1所述的设备，其中所述非轴对称结构配置成产生所述集气室内大体均匀的静态压力分布。
本申请技术方案3涉及根据技术方案1所述的设备，其中：
所述放气槽配置成围绕所述压缩机壳体的周界排列的多个个体孔；并且
所述个体孔具有不同流动面积。
本申请技术方案4涉及根据技术方案3所述的设备，其中：
远离所述至少一个排气管的周向位置的所述个体孔具有第一流动面积；以及
位于所述至少一个排气管的所述周向位置处的所述个体孔具有第二流动面积，所述第二流动面积小于所述第一流动面积。
本申请技术方案5涉及根据技术方案4所述的设备，其中位于所述排气管的所述周向位置附近的所述个体孔的尺寸从所述第一流动面积向所述第二流动面积逐渐增大。
本申请技术方案6涉及根据技术方案1所述的设备，其中：
所述放气槽配置成围绕所述压缩机壳体的所述周界排列的多个个体孔；并且
所述个体孔中的至少一个个体孔的流动面积沿从所述个体孔的入口到所述个体孔的出口的方向增大或减小。
本申请技术方案7涉及根据技术方案1所述的设备，其中：
所述集气室在远离所述排气管的所述周向位置的位置处具有第一容积；以及
所述集气室在位于所述排气管的所述周向位置附近的位置处具有第二容积，所述第二容积大于所述第一容积。
本申请技术方案8涉及根据技术方案7所述的设备，其中所述外壁包括位于所述排气管的周向位置处的向外凸起。
本申请技术方案9涉及根据技术方案1所述的设备，其中所述放气槽包括连续环状槽。
本申请技术方案10涉及根据技术方案9所述的设备，其中所述放气槽包括至少一个部分，所述至少一个部分的流动面积沿从所述放气槽的入口到所述放气槽的出口的方向增大或减小。
本申请技术方案11涉及根据技术方案10所述的设备，其中：
所述放气槽在远离所述至少一个排气管的周向位置的位置处具有第一流动面积；并且
所述放气槽在所述至少一个排气管的所述周向位置处具有第二流动面积，所述第二流动面积小于所述第一流动面积。
本申请技术方案12涉及根据技术方案1所述的方法，进一步包括：
位于所述压缩机下游的燃烧器；以及
位于所述燃烧器下游的涡轮，所述涡轮与所述压缩机以驱动关系机械连接。
本申请技术方案13涉及根据技术方案1所述的设备，其中所述压缩机包括：
包括轴流式压缩机的上游部分以及包括离心流式压缩机的下游部分；以及
所述放气槽设置在所述上游部分与下游部分之间。
本申请技术方案14涉及根据技术方案1所述的设备，其中所述下游部分被壳体围绕，所述壳体具有主要部分和限定所述外壁的外裙。
本申请技术方案15涉及一种放出来自压缩机的空气的方法，所述压缩机包括一个或多个转子，所述一个或多个转子安装成围绕中心轴线旋转并且包围在压缩机壳体中，所述方法包括：将来自所述压缩机壳体的空气通过放气槽放出到围绕所述压缩机壳体的集气室中以及随后使其进入与所述集气室连通的一个或多个排气管中，其中所述空气以非轴对称流动模式通过所述槽放出，从而产生围绕所述放气槽的周边的大体均匀静态压力。
本申请技术方案16涉及根据技术方案15所述的方法，其中：
所述放气槽配置成围绕所述压缩机壳体的所述周界排列的多个个体孔；并且
所述个体孔具有不同流动面积。
本申请技术方案17涉及根据技术方案16所述的方法，其中：
与所述至少一个排气管的周向位置不同的所述个体孔具有第一流动面积；以及
位于所述至少一个排气管的所述周向位置处的所述个体孔具有第二流动面积，所述第二流动面积小于所述第一流动面积。
本申请技术方案18涉及根据技术方案15所述的方法，其中所述放气槽包括连续环状槽。
本申请技术方案19涉及根据技术方案18所述的方法，其中所述放气槽包括至少一个部分，所述至少一个部分的流动面积沿从所述放气槽的入口到所述放气槽的出口的方向增大或减小。
本申请技术方案20涉及根据技术方案15所述的方法，其中：
所述集气室在远离所述排气管的所述周向位置的位置处具有第一容积；以及
所述集气室在位于所述排气管的所述周向位置附近的位置处具有第二容积，所述第二容积大于所述第一容积。
附图说明
结合附图阅读以下说明可以更好地理解本发明，在附图中：
图1是包括现有技术压缩机设备的燃气涡轮发动机的半剖视示意图；
图2是沿图1中的线2-2截取的示意图；
图3是沿图2中的线3-3截取的视图，其中示出现有技术放气槽构造；
图4是根据本发明方面的压缩机设备的一部分的半剖视示意图；
图5是沿图4中的线5-5截取的示意图；
图6是沿图5中的线6-6截取的视图，其中示出示例性放气槽构造；
图7是根据本发明的另一个方面构造的压缩机设备的一部分的半剖视示意图；
图8是根据本发明的另一个方面构造的压缩机设备的一部分的半剖视示意图；
图9是根据本发明的另一个方面构造的压缩机设备的一部分的半剖视示意图；
图10是根据本发明的另一个方面构造的压缩机设备的一部分的半剖视示意图；
图11是根据本发明的另一个方面构造的压缩机设备的一部分的半剖视示意图；
图12是根据本发明的另一个方面构造的压缩机设备的一部分的正视示意图；
图13是沿图12中的线13截取的半剖视示意图；
图14是沿图12中的线14截取的半剖视示意图；以及
图15是沿图12中的线15截取的半剖视示意图。
具体实施方式
参见附图，其中相同的参考数字指代各个附图中的相同元件，图1到图3示出示例性现有技术压缩机10。在图示示例中，压缩机10整合到燃气涡轮发动机12中，其中所述燃气涡轮发动机具有纵向中心轴线“A”并且以串行流顺序包括压缩机10、燃烧器14以及燃气涡轮机(gas generator turbine)16(燃烧器14和燃气涡轮机16如图中示意性所示)。本说明书中所用的术语“轴向”和“纵向”均指平行于轴线A的方向，并且“径向”是指垂直于轴向的方向，并且“切向”或“周向”是指相互垂直于轴向和径向的方向。本说明书中所用的术语“前部”或“前方”是指流动通过或围绕部件的空气流中的相对上游位置，而术语“后部”或“后方”是指流动通过或围绕部件的空气流中的相对下游位置。所述流的方向由图1中的箭头“F”示出。这些方向术语仅出于便于说明的目的使用，并不要求所述结构采用特定定向。
压缩机10提供压缩空气，所述压缩空气主要进入燃烧器14中以支持燃烧，而部分围绕燃烧器14，用于冷却位于进一步下游处的燃烧器衬里和涡轮机械。燃料引入燃烧器14的前端，并且以常规方式与空气混合。所得的燃料空气混合物流动到燃烧器14中，在此点燃以产生热燃烧气体。所述热燃烧气体排放到燃气涡轮机16中，在其中膨胀以便提取能量。燃气涡轮机16通过轴18驱动压缩机10。在图示示例中，发动机12是涡轮轴发动机并且做功涡轮(也称为动力涡轮)20位于燃气涡轮机16的下游并且连接到输出轴22，所述输出轴可以连接到机械负载。但是，本说明书中所述的原理同样适用于任何压缩机。例如，它们可以适用于由外部原动机驱动的压缩机。
压缩机10包括上游部分24和下游部分26。环状压缩机壳体28围绕整个压缩机10。从截面图中可以看出，压缩机壳体28的后部包括外裙30，所述外裙从压缩机壳体28的主体径向向外发散，从而形成半剖视图中的“Y”形。压缩机10的上游部分24配置用于轴向流体流，并且也可以称为轴流部分或者简称为轴向部分。它包括若干级，每个级包括一排旋转翼型件或叶片32以及一排静止翼型件或轮叶34。轮叶34用于使空气流在离开上游叶片排32之前转向，然后再进入下游叶片排32中。应注意，此压缩机10仅为示例，并且本说明书中所描述的原理能够适用于任何类型的压缩机，包括例如纯轴流式压缩机。
压缩机10的下游部分26配置用于离心流或混合轴流离心流体流，并且可称为离心流部分或者简称为离心部分。
下游部分26包括安装成与轴18一起旋转的叶轮46。翼型叶轮叶片54的环状阵列从叶轮46向外延伸。所述叶轮叶片54在其尺寸、截面形状、定向、间距和其他参数方面配置(根据常规做法)成当叶轮46旋转时，为流动通过所述叶轮叶片的空气提供递增的压力增量。
环状护罩组件58围绕叶轮46。护罩组件58的前端与压缩机壳体28邻接，并且压缩机壳体28、其外裙30以及护罩组件58共同限定环状集气室62的边界。
一个或多个排气管64与集气室62连通。排气管64配置成将放气输送到发动机或飞行器***，所述发动机或飞行器***如图中标记为66的框示意性所示，其中所述放气可以用于各种目的，例如冷却、起动或环境控制。所述流可以通过适当设备例如示意性图示的阀门68来控制或调节。
压缩机壳体28包括放气槽70，所述放气槽配置成围绕其周界设置的个体孔72的环状阵列，所述孔与压缩机初级流动通路和集气室62流体连通。图3示出放气槽70的现有技术常规构造。可以看出，孔72具有均匀形状和流动面积并且彼此等距间隔。
在操作中，腔室排气管64的存在致使围绕压缩机壳体28的周界的流速和静态压力不均匀。此现象的基本原因是所述腔室排气管64用作“压力接收器(pressure sink)”。更确切地说，通过所述放气槽70的质量流量通常在排气管64的周向位置附近处较大，并且静态压力通常在所述排气管64的位置附近处较低。流量与静态压力的这种反向关系可归因于伯努利原理。
可以通过提供大量腔室排气管来将围绕所述周界的不均匀性减至最小。但是实际上，这样将增加发动机零件数量、重量、复杂性和成本，因此通常仅提供两个或一个排气管。这将增加不均匀效果。
本说明书中所述的是可以整合到图1中所示的压缩机10中以便提高围绕压缩机壳体28周界静态压力均匀性的若干结构。所述基本原理涉及使所述集气室62或放气槽70中的任一者的一些部分成非轴对称，以补偿单个排气管64的存在并且使所得的流尽可能均匀，其中所述非轴对称结构的目的是使围绕压缩机壳体28的周界的质量流速和静态压力大体上均匀。
图4到图6示出可替代上述压缩机壳体28的示例性压缩机壳体128。压缩机壳体128包括放气槽170，所述放气槽配置成围绕其周界设置的个体孔172的环状阵列，所述孔与压缩机初级流动通路和集气室62流体连通。图6示出孔172的示例性构造。可以看出，孔172具有不同流动面积，其中位于围绕压缩机壳体128的大部分周界处的孔172具有均匀的第一流动面积，并且位于排气管64的周向位置处或附近的孔172具有小于第一流动面积的第二流动面积。所述流动面积的减小将有效减小通过孔172的流速并且增加其周向位置处的静态压力，从而补偿排气管64的存在。在图示的示例中，孔172的流动面积从孔172中位于与排气管64的周向位置相距更远处的最小或第二流动面积处起开始成锥形或逐渐增大。
尽管图6中所示的孔172是具有圆角的正方形或矩形，但应理解，本说明书中所述的原理适用于任何孔几何形状(例如矩形、圆形、椭圆形等)。可以改变孔172的尺寸和/或形状以实现流动面积的预期改变。
图6中所示的每个孔172具有恒定流动面积，或者换言之，是没有节流或扩散效应的棱柱形状。但是，通过孔172的流量和/或静态压力可以通过改变沿孔172长度的流动面积来操纵。
例如，图7示出具有喷嘴形状的替代孔272。更确切地说，孔272的入口274的流动面积大于孔272的出口276的流动面积。在操作中，此孔272将起到喷嘴的作用，从而提高流动通过其中的空气的速度并且降低空气的静态压力。
再如，图8示出具有扩散器形状的另一个替代孔372。更确切地说，孔372的入口374的流动面积小于孔372的出口376的流动面积。在操作中，此孔372将起到扩散器的作用，从而减小流动通过其中的空气速度并且降低空气静态压力。
应理解，可以使用图6到图8中所示孔的组合来实现预期静态压力模式。例如，围绕压缩机壳体128的远离排气管64的位置处可以使用图6所示的恒定面积孔172，并且靠近排气管64的位置处可以使用图8所示的扩散器形孔372。再如，围绕压缩机壳体128的远离排气管64的位置处可以使用图7所示的喷嘴形孔272，并且靠近排气管64的位置处可以使用图6所示的恒定面积孔172。
作为一般原理，所述放气槽在腔室排气管64所在的区域中具有较小流动面积和/或扩散器形状。实现预期静态压力均匀性所需的孔尺寸和形状确切配置可以基于逐个案例确定，例如使用可商购的流体动力计算软件来分析集气室62内的流量和压力模式。
应理解，所述非轴对称构造也可以应用于连续槽，而不是包括个体孔阵列的槽。
例如，图9和图10示出可替代上述压缩机壳体28的示例性压缩机壳体428。压缩机壳体428包括围绕其周界设置的连续环状放气槽470，所述连续环状放气槽与压缩机初级流动通路和集气室62流体连通。环状放气槽470可以包括其整个流动面积(即宽度)的变化以及围绕压缩机壳体428周界的形状的变化。
图9示出具有喷嘴形状的放气槽470的第一部分472。更确切地说，第一部分472的入口474的流动面积大于第一部分472的出口476的流动面积。在操作中，放气槽470的此部分将起到喷嘴的作用，从而提高流动通过其中的空气的速度并且降低空气静态压力。
图10示出具有扩散器形状的放气槽470的第二部分478。更确切地说，第二部分478的入口480的流动面积小于第二部分478的出口482的流动面积。在操作中，放气槽470的此部分将起到扩散器的作用，从而减小流动通过其中的空气的速度并且降低空气静态压力。
应理解，可以使用图9和图10中所示放气槽形状的组合来实现预期静态压力模式。例如，围绕压缩机壳体428的远离排气管64的位置处可以使用图9所示的喷嘴形部分472，并且靠近排气管64的位置处可以使用图10所示的扩散器形部分478。
作为上述放气槽形状/和/或尺寸设定的附加或替代方案，集气室62的轮廓可以围绕其周界改变以实现预期流量和/或压力分布。
图11示出可替代上述压缩机壳体28和集气室62的示例性压缩机壳体528和集气室562。压缩机壳体528包括围绕其周界设置的放气槽570，所述放气槽与压缩机初级流动通路和集气室562流体连通。放气槽570可以包括个体孔的环状阵列或者可以是连续环状槽。
集气室562的容积围绕其周界变化，以实现预期流量和/或压力分布。一般而言，集气室562在排气管64所在区域中具有更大截面面积(致使局部容积更大)。这起到扩散器的作用，以抵消由排气管64的存在引起的流量增大/静态压力降低。在图11所示示例中，集气室562的大部分具有实线所示形状和尺寸，而位于排气管64附近的区域具有较大容积，如虚线所示。换言之，集气室562可以包括位于排气管64周向位置附近的一个或多个向外凸起564。
图12-15示出可替代上述压缩机壳体28和集气室62的另一个示例性压缩机壳体628和集气室662。压缩机壳体628包括围绕其周界设置的放气槽670，所述放气槽与压缩机初级流动通路和集气室662流体连通。放气槽670可以包括个体孔的环状阵列或者可以是连续环状槽。
与上述集气室562类似，集气室662的容积围绕其周界变化，以实现预期流量和/或压力分布。通常，集气室662在排气管64所在区域中具有更大截面积(致使局部容积更大)。这起到扩散器的作用，以抵消由排气管64的存在引起的流量增大/静态压力降低。在此示例中，集气室662在远离排气管64的位置处具有最小局部容积，如图13所示。集气室662的边界由标记为672的虚线标出以作参考。如图15所示，集气室662在位于排气管64附近的区域中具有最大局部容积，由标记为674的虚线标出。可以看出，局部容积674大于局部容积672。在此示例中，集气室662的径向尺寸和轴向尺寸在排气管64附近较大；但是应理解，任何尺寸均可以改变以实现局部容积的改变。
集气室662的轮廓可以设置成使最小局部容积与最大局部容积之间平稳过渡。例如，图14示出集气室662的一部分，所述集气室的一部分位于图13和图15所示部分的中间，并且具有中等局部容积，由标记为676的虚线标出。
本发明具有相对于现有技术的优势。确切地说，它将提高围绕压缩机壳体周边的放气静态压力的均匀性。这将提高压缩机的可操作性和喘振边界。
上文已经描述了压缩机放气设备。本说明书中(包括任何随附权利要求、摘要和附图)公开的所有特征以及/或者所公开的任何方法或工艺的所有步骤均可以组合成任何组合，但是至少一些所述特征和/或步骤相互排斥的组合除外。
除非另作明确规定，否则本说明书(包括任何随附权利要求、摘要和附图)中公开的每种特征可以更换成用于相同、等效或类似用途的替代特征。因此，除非另作明确说明，否则所公开的每种特征仅为一系列一般等效或类似特征的一个示例。
本发明并不限于以上实施例的细节。本发明扩宽到本说明书(包括任何随附权利要求、摘要和附图)中公开的任何一个新颖特征或者任何新颖特征组合，或者所公开的任何方法或工艺的任何一个新颖步骤或任何新颖步骤组合。

Claims (10)

1.一种压缩机放气设备，其包括：
压缩机，所述压缩机包括一个或多个转子，所述一个或多个转子安装成围绕中心轴线旋转并且包围在压缩机壳体中；
放气槽，所述放气槽穿过所述压缩机壳体；
外壁，所述外壁与所述压缩机壳体一起共同限定围绕所述压缩机壳体的集气室；
与所述集气室连通的至少一个排气管；以及
其中所述集气室和所述放气槽中的至少一者具有非轴对称结构。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述非轴对称结构配置成产生所述集气室内大体均匀的静态压力分布。
3.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述放气槽配置成围绕所述压缩机壳体的周界排列的多个个体孔；并且
所述个体孔具有不同流动面积。
4.根据权利要求3所述的设备，其中：
远离所述至少一个排气管的周向位置的所述个体孔具有第一流动面积；以及
位于所述至少一个排气管的所述周向位置处的所述个体孔具有第二流动面积，所述第二流动面积小于所述第一流动面积。
5.根据权利要求4所述的设备，其中位于所述排气管的所述周向位置附近的所述个体孔的尺寸从所述第一流动面积向所述第二流动面积逐渐增大。
6.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述放气槽配置成围绕所述压缩机壳体的所述周界排列的多个个体孔；并且
所述个体孔中的至少一个个体孔的流动面积沿从所述个体孔的入口到所述个体孔的出口的方向增大或减小。
7.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述集气室在远离所述排气管的所述周向位置的位置处具有第一容积；以及
所述集气室在位于所述排气管的所述周向位置附近的位置处具有第二容积，所述第二容积大于所述第一容积。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述外壁包括位于所述排气管的周向位置处的向外凸起。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述放气槽包括连续环状槽。
10.一种放出来自压缩机的空气的方法，所述压缩机包括一个或多个转子，所述一个或多个转子安装成围绕中心轴线旋转并且包围在压缩机壳体中，所述方法包括：将来自所述压缩机壳体的空气通过放气槽放出到围绕所述压缩机壳体的集气室中以及随后使其进入与所述集气室连通的一个或多个排气管中，其中所述空气以非轴对称流动模式通过所述槽放出，从而产生围绕所述放气槽的周边的大体均匀静态压力。
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