專利名稱：用于渦輪壓縮機(jī)的循環(huán)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求1序言所述用于渦輪壓縮機(jī)的循環(huán)結(jié)構(gòu)，和涉及一種航空發(fā)動機(jī)及一種靜態(tài)燃?xì)廨啓C(jī)。
背景技術(shù)：
用于渦輪壓縮機(jī)的循環(huán)結(jié)構(gòu)已知一段時間了，并且在技術(shù)人員中通常稱之為“機(jī)匣處理”。它們的主要功能是增加壓縮機(jī)的空氣動力學(xué)上穩(wěn)定的工作范圍，同時使所謂的喘振極限朝更高壓縮機(jī)壓力，亦即朝更高壓縮機(jī)載荷方向移動。對一種局部氣流分離及最終對壓縮機(jī)喘振產(chǎn)生影響的擾動，在機(jī)匣側(cè)上是在一個或多個壓縮機(jī)級的轉(zhuǎn)子葉片兩端處發(fā)生，和在輪轂側(cè)上是在徑向上內(nèi)部導(dǎo)葉端部處發(fā)生，因為空氣動力載荷在這些區(qū)域中最大。在各葉片尖端之間的葉片速度下循環(huán)并具有一減小能量的“空氣顆粒”循環(huán)進(jìn)入主流中，因而增加了它們的能量，再次使各葉片端部的區(qū)域中流動穩(wěn)定。因為流動擾動一般在級周邊上不是均勻地發(fā)生，所以除了基本上是軸向上循環(huán)之外，它將也能使周邊方向上的流動平衡。已知機(jī)匣處理的主要缺點是，盡管它們使喘動極限升高，但它們同時也降低了壓縮機(jī)效率。
DE 33 22 295 C3要求保護(hù)一種軸流風(fēng)機(jī)，所述軸流風(fēng)機(jī)具有一種普通類型的機(jī)匣處理。這個專利文獻(xiàn)公開了一種環(huán)形室(8)，多個導(dǎo)向元件(9)固定在所述環(huán)形室(8)中。在轉(zhuǎn)子葉片端部上方的下游區(qū)中是一個周邊敞開的區(qū)域，各導(dǎo)向元件不延伸到所述下游區(qū)中。這種類型機(jī)匣處理的特征在于一個閉合環(huán)(7)，所述閉合環(huán)(7)大致與主流管道的形狀齊平，并將循環(huán)結(jié)構(gòu)的后面入口區(qū)與前面出口區(qū)分開，同時形成一種光滑的閉合式表面區(qū)。
DE 35 39 604 CL公開了一種十分類似的機(jī)匣處理，這里一個周邊敞開的區(qū)域設(shè)置在環(huán)形室(7)的前面和后面區(qū)域中。這里還注意徑向的內(nèi)環(huán)6。
US 5,282,718 A公開了一種更近的機(jī)匣處理。這對環(huán)形室(18，28)和導(dǎo)向元件(24)的流體力學(xué)進(jìn)行了改良。另外，在這種情況下，用于循環(huán)流的入口和出口被一個固體環(huán)分開，上述固體環(huán)代表到各葉片的一種閉合式光滑表面。葉片區(qū)中的這些環(huán)在它們與葉尖接觸的情況下，一般必需提供表皮或磨合涂層。
另一些具有軸向或軸向上傾斜的溝槽的機(jī)匣處理例如在US 5,137,419 A中公開。這些機(jī)匣處理這里將不考慮，因為在這些形式中各溝槽沒有任何相互連接時可能沒有周邊流量平衡。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服按照先有技術(shù)所述解決方案的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種用于渦輪壓縮機(jī)的循環(huán)結(jié)構(gòu)，所述循環(huán)結(jié)構(gòu)將能明顯增加喘振極限，并因此能顯著擴(kuò)大穩(wěn)定工作范圍而在壓縮效率上沒有任何明顯的惡化。
這個目的通過權(quán)利要求1中的特征部分的特點與權(quán)利要求1前序部分中的普通特點一起達(dá)到。
本發(fā)明的實質(zhì)在于，實際上帶有多個導(dǎo)向元件的環(huán)形室朝向主流管道方向及在它的軸向長度和它的周邊上完全開口。不需要有帶表皮涂層等的環(huán)形元件。上述專利說明書表明在此之前技術(shù)人員致力于使各種環(huán)形結(jié)構(gòu)在盡可能大的軸向區(qū)域上平滑、垂直式無間隙或相對于主流管道閉合，也就是說致力于所謂的環(huán)形空間，以便產(chǎn)生一個到主流管道輪廓的延伸部分，上述延伸部分有利于流動，并且盡可能沒有損失。相反，本發(fā)明產(chǎn)生多個間隙，帶裂縫的表面等，并因此似乎是缺點和不合適。然而，實驗表明，按照本發(fā)明所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)在關(guān)于提高喘振極限和效率二者方面優(yōu)于已知的解決方案。對于這種情況的空氣動力學(xué)解釋是，在具有多個自由導(dǎo)向元件的敞開環(huán)形室中循環(huán)流的自由非強(qiáng)制性發(fā)展和周邊方向上的連接，比具有最平滑的主流管道輪廓的可能延伸部分更重要。不設(shè)一個閉合環(huán)具有另外的優(yōu)點是，各導(dǎo)向元件不要求任何表皮或磨合涂層，并且節(jié)約了總的徑向空間和重量帶來結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的優(yōu)點。
按照獨立權(quán)利要求所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)選發(fā)展其特征在于所附權(quán)利要求書中。


下面將參照附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明，附圖提供了一種簡化的不按比例的表示，附圖中圖1示出在機(jī)匣側(cè)循環(huán)結(jié)構(gòu)中穿過軸向流壓縮機(jī)所作的局部縱向剖視圖，圖2示出在輪轂側(cè)循環(huán)結(jié)構(gòu)的區(qū)域中一個可比較的局部縱向剖視圖，圖3示出穿過按照圖1的循環(huán)結(jié)構(gòu)的一個局部剖視圖，及圖4示出按照圖1和3所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)從內(nèi)部徑向上的局部視圖，圖5示出與圖1和5中的那些相比已經(jīng)改進(jìn)的一個機(jī)匣側(cè)循環(huán)結(jié)構(gòu)區(qū)域中的局部縱向剖視圖，和圖6示出與圖1和5中的那些相比已經(jīng)改進(jìn)的一個機(jī)匣側(cè)循環(huán)結(jié)構(gòu)區(qū)域中的局部縱向剖視圖。
具體實施例方式
按照圖1所示的循環(huán)結(jié)構(gòu)1安裝在一個渦輪壓縮機(jī)的機(jī)匣5中，并因此可以稱之為“機(jī)匣處理”。裝有葉片的主流管道9中的流動方向在左面用一個箭頭表示，也就是說，它從左向右流動。在所示的區(qū)域中，流動首先入射在一個導(dǎo)向葉環(huán)13上，然后入射在一個轉(zhuǎn)子葉片環(huán)20上和最后再入射在一個導(dǎo)向葉環(huán)14上。主流管道9的徑向外輪廓11符合機(jī)匣5的內(nèi)部形狀，并且為了清楚地顯示這種情況，徑向外輪廓11通過一條點劃線延伸到實際圖形的左面和右面。靜態(tài)循環(huán)結(jié)構(gòu)1與轉(zhuǎn)子葉片環(huán)20相互作用，并且多半在軸向上位于轉(zhuǎn)子葉片環(huán)的前面，也就是說位于轉(zhuǎn)子葉片環(huán)的上游。與導(dǎo)向元件37一起形成循環(huán)結(jié)構(gòu)1的環(huán)形室29在徑向上位于主流管道9的外部和鄰按所述主流管道9，并且開口到主流管道9。導(dǎo)向元件37的自由邊緣41位于主流管道9的外輪廓11上或者靠近所述外部輪廓11，也就是說，它們至少大約與機(jī)匣的內(nèi)部輪廓齊平。各導(dǎo)向元件37可以包括一種金屬如一種鎳基合金，或者一種重量輕的金屬如鋁，或者一種塑料如熱塑性塑料、熱固性塑料或彈性體。環(huán)形室29的前壁33和后壁34從它們徑向上的內(nèi)邊緣35，36向前傾斜，以便促進(jìn)用一小箭頭表示的循環(huán)流動。
前壁的傾斜角用α表示，并且它可以與后壁34的傾斜角相同或不同。在前壁33，各導(dǎo)向元件37和后壁34之間是凹槽45，46，上述凹槽45，46允許除了主要是軸向循環(huán)之外，在環(huán)形室內(nèi)部朝一周邊方向上的流動過程。標(biāo)號25表示在最常發(fā)生氣流擾動的區(qū)域中轉(zhuǎn)子葉片環(huán)20的自由葉片端部。
與圖1相反，圖2示出一種安裝在一個旋轉(zhuǎn)輪轂8中的循環(huán)結(jié)構(gòu)2。在主流管道10中，從左到右可以看到一個轉(zhuǎn)子葉片環(huán)21，一個帶徑向的內(nèi)自由葉片端部26的導(dǎo)向葉環(huán)15，和一個轉(zhuǎn)子葉片環(huán)22。這種新式循環(huán)結(jié)構(gòu)的安排可以十分合乎邏輯地稱做“輪轂處理”。循環(huán)結(jié)構(gòu)2包括環(huán)形室30和導(dǎo)向元件38，具有前和后凹槽47，48，上述循環(huán)結(jié)構(gòu)2與主流管道中位于下游的一個導(dǎo)向葉環(huán)15相互作用。因為在這種情況下輪轂處理進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并且導(dǎo)向葉環(huán)15是固定的，所以轉(zhuǎn)子速度完全起差速作用。工作原理與機(jī)匣處理的工作機(jī)理基本上沒有不同。機(jī)匣處理和輪轂處理甚至可以在一個渦輪壓縮機(jī)中結(jié)合，并且可以在多級中使用。主流管道的徑向內(nèi)輪廓12在這里與輪轂8的外部輪廓一致。
圖3示出穿過圖1中一個細(xì)部的剖視圖。導(dǎo)向元件37與徑向成一個角度β傾斜，因此轉(zhuǎn)子葉片環(huán)20的葉片端部25促進(jìn)循環(huán)氣流進(jìn)入環(huán)形室29中而沒有大的損失；注意旋轉(zhuǎn)的方向(見箭頭)。傾斜角β可以徑向向外減少到一個與相應(yīng)彎曲的導(dǎo)向元件成“零”的一個值。
導(dǎo)向元件沿徑向安排，也就是說β＝0°是可能的，但或許對氣流不是很有利。
按照圖4所述的圖3視圖示出轉(zhuǎn)子葉片環(huán)20與它的旋轉(zhuǎn)方向(箭頭)關(guān)系的葉片造型，并提供各導(dǎo)向元件37促進(jìn)流動的造型和曲率的一種良好想法。本專業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在環(huán)形室29上游邊緣35的區(qū)域中，循環(huán)出口這里預(yù)定相對于轉(zhuǎn)子葉片環(huán)20產(chǎn)生逆渦流。標(biāo)號36代表環(huán)形室的下游邊緣。應(yīng)該記得，在它們最簡單的設(shè)計形式中，各導(dǎo)向元件37也可以包括平面或彎曲的“板”。
按照圖5所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)3是一種具有一個環(huán)形室31的機(jī)匣處理，上述環(huán)形室31安裝到一個機(jī)匣6中。這里多個導(dǎo)向元件39延伸到環(huán)形室31的前壁，和多個凹槽49設(shè)置在后面區(qū)域中，直接靠近轉(zhuǎn)子葉片環(huán)23的葉片端部27。各導(dǎo)向元件39的自由邊緣43不延伸到葉片端部27的旋轉(zhuǎn)區(qū)中。標(biāo)號16和17代表導(dǎo)向葉片環(huán)。
圖6中的循環(huán)結(jié)構(gòu)4具有環(huán)形室32和多個導(dǎo)向元件40，上述循環(huán)結(jié)構(gòu)4同樣是一種機(jī)匣處理，上述環(huán)形室32安裝到一個機(jī)匣7中，并與一個轉(zhuǎn)子葉片環(huán)24相互作用。與圖5相反，這里多個導(dǎo)向元件40延伸到環(huán)形室32的后壁上。這里多個凹槽50設(shè)置在前面區(qū)域中。因為各導(dǎo)向元件40的自由邊緣44延伸到葉片端部28的旋轉(zhuǎn)區(qū)域中，所以在后面區(qū)域中，這些部分沿徑向向外偏移，以便可靠地防止與各葉片接觸。這些邊緣自然也可以相應(yīng)地與它們的整體偏移。
在循環(huán)結(jié)構(gòu)的所有發(fā)展中，如果各導(dǎo)向元件用一種軟而重量輕的金屬或一種塑料制造，則導(dǎo)向件37-40的自由邊緣41-44不必沿徑向向外偏移，因為可以允許與葉片端部25-28的任何接觸而同時不損壞葉片。
權(quán)利要求
1.一種用于渦輪壓縮機(jī)的循環(huán)結(jié)構(gòu)，具有一個環(huán)形室，所述環(huán)形室在一個葉片環(huán)的自由葉片端區(qū)域中與壓縮機(jī)軸同軸地安裝，環(huán)形室的軸心位于自由葉片端部的上游軸心的上游，和環(huán)形室在徑向上鄰接主流管道的環(huán)形空間的輪廓；并具有多個導(dǎo)向元件，上述各導(dǎo)向元件安裝在環(huán)形室中，分布在環(huán)形室的周邊上，并且各導(dǎo)向元件以一種有利于環(huán)形室軸向上后面區(qū)域中循環(huán)流進(jìn)入的方式安裝和成形，這樣使得環(huán)形室軸向的前面區(qū)域中循環(huán)流出口在一限定的方向發(fā)生，和適合地是一個相對于下游葉片環(huán)的限定的渦流，在環(huán)形室的前區(qū)和/或后區(qū)中的各導(dǎo)向元件具有凹槽，用作沿周邊方向的氣流通道，其特征在于鄰接主流管道(9，10)輪廓(11，12)的環(huán)形室(29-32)的側(cè)面在軸向長度上，也就是說從循環(huán)流的入口到出口，并在它的整個周邊上開口進(jìn)入主流管道(9，10)，各導(dǎo)向元件(37-40)的自由邊緣(41-44)位于主流管道(9，10)的輪廓(11，12)上或者靠近上述輪廓(11，12)。
2.如權(quán)利要求1所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)在一個或多個轉(zhuǎn)子葉片環(huán)(20，23，24)的區(qū)域中，在一點或多點處固定到機(jī)匣上，也就是說固定的，和/或在一個或多個導(dǎo)向葉環(huán)(15)的區(qū)域中，在一點或多點處固定到輪轂上，也就是說是旋轉(zhuǎn)的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)安裝在一級或多級軸向式、混合式或徑向流動式渦輪壓縮機(jī)中。
4.如上述權(quán)利要求其中之一所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于環(huán)形室(29)的軸向的前壁(33)和軸向的后壁(34)，從主流管道(9)的輪廓(11)上該兩壁的邊緣(35，36)朝上游傾斜，也就是說向前傾斜相同或不同的角度α。
5.如權(quán)利要求4所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于環(huán)形室的軸向上前壁和軸向上后壁與徑向方向的傾斜角α具有一個在30°-60°范圍內(nèi)的值。
6.如上述權(quán)利要求中任一項所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于各導(dǎo)向元件(37-40)屬于具有一個恒定厚度的板狀、平面或彎曲式設(shè)計，或者屬于一種具有一個三維彎曲，具有一變動厚度和具有限定的剖面的葉片狀設(shè)計。
7.如上述權(quán)利要求其中之一所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于沿軸向方向看，各導(dǎo)向元件(37-40)是在徑向上朝周邊方向傾斜或者朝周邊方向上彎曲，在傾斜情況下的角度β或者曲率如此選定，以便有助于，也就是促進(jìn)循環(huán)氣流引入環(huán)形室(29-32)。
8.如上述權(quán)利要求中任一項所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于選定的總體積流與循環(huán)結(jié)構(gòu)(1-4)內(nèi)部各導(dǎo)向元件(37-40)總體積的比值盡可能大，也就是說將各導(dǎo)向元件(37-40)制成盡可能薄的壁或盡可能薄的形狀。
9.如上述權(quán)利要求中任一項所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于各導(dǎo)向元件在軸向上延伸到自由葉片端部的區(qū)域中，各導(dǎo)向元件(40)的自由邊緣(44)，至少在自由葉片端部(28)區(qū)域中，在徑向上設(shè)定如此往后，以便在渦輪壓縮機(jī)正常工作時，各葉片端部(28)和導(dǎo)向元件(40)之間不發(fā)生接觸。
10.如上述權(quán)利要求中任一項所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于各導(dǎo)向元件(37-40)包括一種金屬如鋼、或一種鎳基或鈷基合金，一種重量輕的金屬如鋁，或者一種塑料如熱塑性塑料、熱固性塑料或彈性體。
11.如權(quán)利要求10所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)，其特征在于在導(dǎo)向元件的材料為重量輕的金屬或塑料的情況下，各導(dǎo)向元件(37-40)的自由邊緣(41-44)延伸到自由葉片端部(25-28)的區(qū)域中并可能接觸。
12.一種航空發(fā)動機(jī)，包括一個渦輪壓縮機(jī)，所述渦輪壓縮機(jī)具有至少一個如上述權(quán)利要求中的一個或多個所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)。
13.一種靜態(tài)燃?xì)廨啓C(jī)，包括一個渦輪壓縮機(jī)，所述渦輪壓縮機(jī)具有至少一個如上述權(quán)利要求中一個或多個所述的循環(huán)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于渦輪壓縮機(jī)的循環(huán)結(jié)構(gòu)，所述循環(huán)結(jié)構(gòu)包括一個環(huán)形室(29)，所述環(huán)形室(29)靠近主流通道(9)，從其上游安裝在葉片環(huán)各自由葉片端部的區(qū)域中；并包括多個導(dǎo)向元件(37)，所述多個導(dǎo)向元件(37)安裝在環(huán)形室中，沿著其周邊分布，形成并設(shè)置在一個相對于循環(huán)流有利的流動位置。上述各導(dǎo)向元件(37)在環(huán)形室(29)的前面或后面區(qū)域中設(shè)置凹槽。環(huán)形室(29)靠近主流通道(9)的一側(cè)沿著其軸向長度和整個周邊開口。各導(dǎo)向元件(37)的自由邊緣(41)位于主流通道(9)的輪廓上或其附近。
文檔編號F01D1/00GK1646790SQ03807503
公開日2005年7月27日 申請日期2003年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月28日
發(fā)明者彼得·塞茨 申請人:Mtu飛機(jī)發(fā)動機(jī)有限公司