CN109854376B - 用于燃气涡轮发动机的轴流压缩机和包括所述轴流压缩机的燃气涡轮发动机 - Google Patents
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Abstract
轴流压缩机（1）包括：管状外壳（2）；在所述外壳（2）的中心腔（2a）内以可轴向旋转的方式与后者同轴延伸的驱动轴（3）；沿驱动轴（3）间隔且稳定地固定到其的多个环状叶片排（4）；稳定地固定到所述外壳（2）的***壁（8）的多个环状导叶排（6），其***环状叶片排（4）；形成在所述外壳（2）的***壁（8）内的至少一个放出腔（9）；形成在***壁（8）中以使所述放出腔（9）与所述外壳（2）的中心腔（2a）成直接连通的至少一个放出槽（11）；和至少一个空气偏转器部件（15），其位于放出腔（9）内且适于转移/引导进入放出腔（9）和/或在其内流通的压缩空气的空气流（f）以用于减小放出腔（9）内的空气湍流区域。
Description
相关申请的交叉引用
此申请要求享有于2017年11月15日提交的申请号为17201926.7的欧洲专利申请的优先权，通过引用包括该欧洲专利申请的公开内容。
技术领域
本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机的轴流压缩机且涉及一种包括所述轴流压缩机的燃气涡轮发动机。
更特别地，本发明优选地涉及一种用于燃气涡轮发动机的多级轴流压缩机，该燃气涡轮发动机适于驱动发电机旋转。以下描述将纯粹地通过示例且在不隐含一般性的任何损失的情况下对其使用进行明确参考。
背景技术
如已知的那样，燃气涡轮发动机大体上包括：多级轴流压缩机，其中发生外部空气的压缩以用于产生压缩空气流；燃烧器组件，其位于轴流压缩机的下游且其中发生燃料和来自多级压缩机的压缩空气的混合物的燃烧以用于产生热气体流；以及多级膨胀涡轮，其位于燃烧器的下游且其中发生来自燃烧器组件的热气体的膨胀（在所述热气体离开燃气涡轮发动机之前）。
此外，在燃气涡轮发动机、膨胀涡轮的叶片和发动机的其他部分的稳态操作期间，将一些压缩空气从压缩机的中间级抽出以用于冷却。
另外，在启动、关闭和类似的瞬态操纵期间，大量的压缩空气被选择性地从压缩机的中间级抽出且释放到大气以用于容许燃气涡轮发动机的稳定操作。在瞬态操纵期间压缩空气的抽出通常称为空气放出。
在两种情况下，压缩空气经由一个或多个环状放出槽从压缩机的纵向腔抽出，该环状放出槽在压缩机管状外壳的***壁中形成，每一个在压缩机的对应中间级的直接下游。特别地，压缩机管状外壳包括外压缩机壳体和内压缩机导叶托架，其中此导叶托架可以以多个单独部分的形式实现。在此构造中，放出槽由两个相邻导叶托架部分的边缘限定。每个放出槽与相应的环状放出腔直接连通，该环状放出腔位于外压缩机壳体和压缩机导叶托架之间以便围绕压缩机纵向腔，且此外与外部管道***连通，外部管道***可选择性地将压缩空气释放到大气或将压缩空气朝膨胀涡轮叶片和发动机的其他部分引导。
在空气放出期间，放出腔中的空气的温度可与压缩机的转子和导叶托架区段两者的局部温度非常不同，且这种过高的温差可导致压缩机的导叶托架区段的不期望的非常快的热变形，带有这引起的所有问题。
例如，在燃气涡轮发动机的热重启动期间，放出腔内部的空气相比于相邻导叶托架区段显著地更冷。这种过高的温差可导致压缩机的导叶托架区段的不期望的快速收缩，且结果导致压缩机叶片在导叶托架区段上的摩擦。
因此，在压缩机的定子和转子组件之间的间隙必须增大以避免定子或转子由于摩擦而损坏。然而，增大的间隙涉及燃气涡轮的较差的性能和压缩机组件的降低的稳定性。
发明内容
本发明的目标在于减少从压缩机的环状放出腔的快速空气抽出的影响。
按照这些目标，根据本发明，提供了如在权利要求1中且优选地（虽然不一定）在从属权利要求中的任一项中限定的用于燃气涡轮发动机的轴流压缩机。
此外，根据本发明，还提供了如在权利要求14中限定的燃气涡轮发动机。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明，附图示出其非限制性实施例，在附图中：
- 图1是设有根据本发明的教导实现的轴流压缩机的燃气涡轮发动机的示意图；
- 图2是根据本发明的教导实现的轴流压缩机的一部分的简化侧视图，其中部分在剖面中且为了清楚移除了部分；
- 图3是在图2中仅部分示出的空气偏转器部件的透视图；
- 图4是在图3中示出的空气偏转器部件的节段的透视图；
- 图5是在图3和图4中示出的空气偏转器部件的备选实施例的透视图；而
- 图6-图9是在图2中示出的轴流压缩机的备选实施例的简化侧视图，其中部分在剖面中且为了清楚移除了部分。
具体实施方式
参考图1和图2，数字1表示为适合于包括到燃气涡轮发动机100中的整个多级轴流压缩机，该燃气涡轮发动机100优选地特别适于驱动传统的发电机200旋转。
更详细地，燃气涡轮发动机100优选地基本上包括：多级轴流压缩机1，其中发生外部空气的压缩以用于产生压缩空气流；至少一个燃烧器组件102，其位于轴流压缩机1的下游且其中发生来自燃料供应线路103的燃料和来自轴流压缩机1的压缩空气的混合物的燃烧以用于产生热气体流；以及优选地多级膨胀涡轮104，其位于燃烧器组件102的下游且其中发生来自燃烧器组件102的热气体的膨胀（在所述热气体离开燃气涡轮发动机100之前）。
参考图2，多级轴流压缩机1继而包括：管状外壳2，其优选地与燃气涡轮发动机100的纵向轴线L同轴延伸；驱动轴3，该驱动轴3在管状外壳2的中心腔2a内部以可轴向旋转的方式与后者几乎同轴（即，与燃气涡轮发动机100的纵向轴线L同轴）延伸；多个环状叶片排4，其沿驱动轴3适合地间隔且各自通过一系列几乎径向延伸的翼型叶片5形成，翼型叶片5周向地布置在驱动轴3上且稳定地固定到驱动轴3；以及多个环状导叶排6，其***环状叶片排4且各自通过一系列几乎径向延伸的椭圆形翼型导叶7形成，翼型导叶7周向地布置在外壳2的***壁8上，且稳定地固定到外壳2的***壁8以便与环状叶片排4相邻。
管状外壳2和环状导叶排6有助于形成轴流压缩机1的定子组件。驱动轴3和环状叶片排4有助于形成轴流压缩机1的转子组件。
此外，每个环状叶片排4和相邻的环状导叶排6形成轴流压缩机1的相应的压缩机级。
多级轴流压缩机1额外设有至少一个且优选地多个优选地大致环形的放出腔9，放出腔9在管状外壳2的***壁8内形成，其沿管状外壳2的纵向轴线L适当地间隔，优选地便于围绕/环绕管状外壳2的中心腔2a；且带有至少一个且优选地多个放出槽11，放出槽11中的每一个在形状上优选为环状的，且在外壳2的***壁8中形成以便使相邻的放出腔9与管状外壳2的中心腔2a成直接连通。
更特别地，该放出槽/每个放出槽11优选地在轴流压缩机1的对应的中间压缩机级的直接下游在外壳2的***壁8中形成。备选地，放出槽11可在叶片排处实现。
每个放出槽11因此能够使从轴流压缩机1的中间压缩机级出来的压缩空气的一部分引导到管状外壳2的对应放出腔9中。
在示出的示例中，特别地，管状外壳2优选地具有双壳结构，该结构包括：一个或多个导叶托架区段12，其形成大致管形的内部结构，该内部结构围绕驱动轴3且直接支承环状导叶排6；以及管状外壳体13，其围绕且直接支承一个或多个导叶托架区段12。
优选地，一个或多个放出腔9位于外壳体13和导叶托架区段12之间，而一个或多个环状放出槽11优选地通过两个相邻导叶托架区段12的边缘或边沿界定。此外，优选地，该环状放出槽/每个环状放出槽11与对应的放出腔9的中间面M几乎共面（即，大致沿纵向轴线L在放出腔9的中间处）。然而，如将参考图7描述的那样，放出槽11可沿纵向轴线L在放出腔9的上游或下游部分处实现。
根据备选实施例，环状放出腔9和环状放出槽11直接在管状外壳2中铸造。
参考图2，多级轴流压缩机1优选地额外包括外部管道***14，其与管状外壳2的该放出腔/每个放出腔9直接连通以用于抽出经由对应的放出槽11到达相同的放出腔9中的压缩空气。此外，优选地，此管道***14设计成使从该放出腔/每个放出腔9抽出的压缩空气朝膨胀涡轮104引导以用于冷却相同的膨胀涡轮104的叶片，且还可选地以已知方式将压缩空气选择性地释放到大气。
参考图2、图3和图4，多级轴流压缩机1额外包括（优选地对于每个放出腔9）：一个或多个空气偏转器部件15，其稳固地固定到管状外壳2（在放出腔9内部），且适于局部地转移/引导进入放出腔9和/或在放出腔9内部流通的压缩空气的空气流f，以便减小放出腔9内部的空气湍流区域。
换句话说，该空气偏转器部件/每个空气偏转器部件15设计成减小放出腔9内部的在进入放出腔9和/或在放出腔9内部流通的湍流空气流f的支配下的有效空间，该湍流空气流f在经由空气出口16快速流出放出腔9时涡旋。
更详细地，该空气偏转器部件/每个空气偏转器部件15优选地设计成使空气流f朝放出腔9的空气出口16引导/转移，以便最大限度地减小或至少减小空气流f通常在经由空气出口16快速流出放出腔9时形成的涡流的尺寸。
参考图2、图3和图4，特别地，该空气偏转器部件/每个空气偏转器部件15在形状上优选为环状的，且优选地设有几乎周向布置的襟翼部分17，襟翼部分17从放出腔9的内表面升高以形成用于空气流f的斜坡或斜面（其优选地能够使空气流f朝放出腔9的中心转移）。
此外，优选地，此襟翼部分17具有拱形轮廓以便使空气流f的速度矢量沿空气出口16的方向平滑地转动。
除上文之外，该空气偏转器部件/每个空气偏转器部件15优选地位于放出腔9内部，与环状放出槽11相邻。
换句话说，在示出的示例中，该空气偏转器部件/每个空气偏转器部件15优选地位于管状外壳2的导叶托架区段上，与对应的环状放出槽11相邻。
此外，优选地，该空气偏转器部件/每个空气偏转器部件15以独立件的形式实现，其稳固地固定到管状外壳2的***壁8，确切地说是到管状外壳2的导叶托架区段12。
参考图2、图3和图4，优选地多个空气偏转器部件15可一个与另一个相邻布置以便形成环（周向布置在管状外壳2的***壁8内部）的模块化节段18。在此构造中，空气偏转器部件15与彼此几乎周向相邻且共面，以便形成从放出腔9的内表面突出的圆形肋。
更特别地，在示出的示例中，每个空气偏转器部件15具有大致L形的截面，且其优选地稍微弯曲以便与放出腔9的内表面局部相切地延伸。当然，在放出腔9的内表面和空气偏转器部件15之间的其他联接特征是可能的。
此外，优选地，每个空气偏转器部件15栓接或另外刚性地连接/接合到管状外壳2的***壁8，确切地说是到管状外壳2的导叶托架区段12。
多级轴流压缩机1和燃气涡轮发动机100的大体操作与任何其他的多级轴流压缩机和燃气涡轮发动机的操作类似，因此不需要进一步的解释。
关于放出腔9内部的空气偏转器部件15，导叶托架区段12的热变形通过导叶托架区段12的本体和在空气放出与类似瞬态操纵期间快速流出放出腔9的空气流f之间的较高的传热系数而增加。
在流出放出腔9时，实际上，空气流f产生使空气流f和导叶托架区段12之间的相对速度局部增大的强涡流，且从而增加传热。
该空气偏转器部件/每个空气偏转器部件15显著地减小这些涡流的强度和结构，从而减小导叶托架区段12的本体和空气流f之间的传热系数。
结果，在实际上不减小放出腔9的内部容积的情况下，轴流压缩机1的定子组件相对于转子组件的正和负的热膨胀显著减小。
由空气偏转器部件15的存在产生的优点在数量上很大。
首先，轴流压缩机1的定子组件的减小的正和负的热膨胀容许显著地减小轴流压缩机1的定子和转子组件之间的间隙，从而改善轴流压缩机1的整体性能。
此外，空气偏转器部件15减小流出放出腔9的空气流f的压力损失。
显然，可对多级轴流压缩机1和燃气涡轮发动机100作出改变，然而不脱离本发明的范围。
例如，该放出槽/每个放出槽11可由一系列的椭圆形开口构成，开口全部周向地布置在外壳2的***壁8周围，与彼此几乎共面。
此外，参考图5，该空气偏转器部件/每个空气偏转器部件15的襟翼部分17可在它的正面上具有多个突出的翅片19，其优选地沿周向方向彼此并排地间隔，且其优选地具有稍微拱形的形状/轮廓以便逐渐改变从压缩机环状空间抽出的空气流f的流矢量的周向分量。
参考图6，根据第一备选实施例，轴流压缩机1优选地包括（在至少一个且优选地所有的放出腔9内部）成对的空气偏转器部件15，该成对的空气偏转器部件15优选地与彼此大致共面。
换句话说，第一空气偏转器部件15优选地固定/位于放出腔9内部（在导叶托架区段12的外侧上），而第二空气偏转器部件15优选地固定/位于放出腔9内部（在外壳体13的内侧上）。
此外，优选地，所述两个空气偏转器部件15的襟翼部分17一个朝另一个延伸。
参考图7，根据第二备选实施例，空气偏转器部件15优选地位于放出腔9内部，与放出腔9的空气出口16相邻。
换句话说，空气偏转器部件15优选地固定于/位于管状外壳体13的内侧上。此外，根据图7的实施例，放出槽11不沿纵向轴线在放出腔9的中间实现，而是在放出腔9的上游部分处实现。根据备选实施例，放出槽11可沿纵向轴线在放出腔9的下游部分处实现。
最后，参考图8，根据第三备选实施例，空气偏转器部件15优选地位于环状放出槽11中。
更特别地，空气偏转器部件15优选地置于两个导叶托架区段12（界定环状放出槽11）中的一个的边沿或突出部上。在此情况下，空气偏转器部件15用作热隔离器以在空气放出和类似瞬态操纵期间减小传热系数。优选地，在放出腔9内部和空气偏转器部件15上游，可存在连接壁12和13的分隔壁20以便减小用于空气流f的有效空间。当然，此分隔壁20还可应用于之前在图2、图6和图7中描述和显示的发明实施例中。
备选地，常常为了减小放出腔9内部用于空气流f的有效空间，空气偏转器部件15可构造成具有在放出腔9内部的径向延伸部以用作前面描述的分隔壁。根据此解决方案的不同实施例，空气偏转器部件15可包括外边缘，其与壁13的内表面大致齐平或容纳在凹座（实现为壁13的内表面的凹槽）内部。这个最后的实施例在图9中示意性地显示。
Claims (13)
1.一种轴流压缩机(1)，其包括：管状外壳(2)；驱动轴(3)，所述驱动轴(3)在所述外壳(2)的中心腔(2a)内部以可轴向旋转的方式与所述中心腔(2a)同轴地延伸；多个环状叶片排(4)，其沿所述驱动轴(3)间隔且稳定地固定到所述驱动轴(3)；以及多个环状导叶排(6)，其稳定地固定到所述外壳(2)的***壁(8)，所述多个环状导叶排(6)***所述环状叶片排(4)；
所述压缩机(1)额外设有：至少一个放出腔(9)，其形成在所述外壳(2)的所述***壁(8)内；以及对应的放出槽(11)，其形成在所述***壁(8)中以使所述放出腔(9)与所述外壳(2)的所述中心腔(2a)成直接连通；
所述压缩机(1)额外包括至少一个空气偏转器部件(15)，其位于所述放出腔(9)内部，且适于转移/引导进入所述放出腔(9)和/或在所述放出腔(9)内部流通的压缩空气的空气流(f)以用于减小所述放出腔(9)内部的空气湍流区域；
所述空气偏转器部件(15)设有周向布置的襟翼部分(17)，其从所述放出腔(9)的内表面升高以形成用于所述空气流(f)的斜坡或斜面；
所述襟翼部分(17)在其正面上具有多个突出的翅片(19)，所述突出的翅片沿周向方向彼此并排间隔。
2.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于，所述空气偏转器部件(15)设计成减小所述放出腔(9)内部的在所述空气流(f)的支配下的有效空间，所述空气流(f)在经由对应的空气出口(16)流出所述放出腔(9)时涡旋。
3.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于，所述空气偏转器部件(15)设计成使所述空气流(f)朝所述放出腔(9)的空气出口(16)引导/转移，以便减小所述空气流(f)在经由对应的空气出口(16)流出所述放出腔(9)时形成的涡流的尺寸。
4.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于，所述襟翼部分(17)具有拱形轮廓，以便使所述空气流(f)的速度矢量沿空气出口(16)的方向平滑地转动。
5.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于，所述突出的翅片(19)具有拱形的形状/轮廓，以便逐渐改变从压缩机环状空间抽出的所述空气流(f)的流矢量的周向分量。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的轴流压缩机，其特征在于，所述空气偏转器部件(15)独立于所述外壳(2)且稳固地固定到所述外壳(2)的所述***壁(8)。
7.根据权利要求1-5中的任一项所述的轴流压缩机，其特征在于，所述放出腔(9)在形状上大致是环状的且形成在所述外壳(2)的所述***壁(8)内以便围绕所述外壳(2)的所述中心腔(2a)。
8.根据权利要求7所述的轴流压缩机，其特征在于，所述放出槽(11)在形状上大致是环状的且在所述轴流压缩机(1)的中间压缩机级(4,6)的直接下游位于所述外壳(2)的所述***壁(8)上。
9.根据权利要求7所述的轴流压缩机，其特征在于，所述空气偏转器部件(15)在形状上是环状的。
10.根据权利要求9所述的轴流压缩机，其特征在于，所述空气偏转器部件(15)分成多个节段(18)，所述多个节段周向地布置在所述外壳(2)的所述***壁(8)内部，与彼此几乎相邻且共面，以便形成从所述放出腔(9)的内表面突出的圆形肋。
11.根据权利要求1-5中的任一项所述的轴流压缩机，其特征在于，所述轴流压缩机包括在所述放出腔(9)内部的分隔壁(20)，或所述偏转器部件(15)具有构造成将所述放出腔(9)分成两个子腔的径向延伸部。
12.根据权利要求1-5中的任一项所述的轴流压缩机，其特征在于，所述空气偏转器部件(15)与所述放出槽(11)相邻定位或位于所述放出槽(11)中。
13.一种燃气涡轮发动机(100)，其包括：压缩机(1)，其中发生外部空气的压缩以用于产生压缩空气流；燃烧器组件(102)，其中发生燃料和来自所述压缩机(1)的压缩空气的混合物的燃烧以用于产生热气体流；以及膨胀涡轮(104)，其中发生来自所述燃烧器组件(102)的热气体的膨胀；
所述燃气涡轮发动机(100)的特征在于，所述压缩机(1)是根据权利要求1至权利要求12中的任一项所述的轴流压缩机。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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