具有用于对涡轮进行冷却和增压的设备的涡轮机的制作方法

1.本发明涉及一种用于对涡轮机涡轮，例如涡轮喷气发动机进行冷却的设备。


背景技术：

2.涡轮机通常包括高压涡轮和低压涡轮，高压涡轮和低压涡轮从上游到下游位于涡轮机的气流流动的环形内部管道中，高压涡轮和低压涡轮中的每一个包括移动的叶片轴承转子。
3.每个涡轮包括一个或多个叶片轴承环形级。分配装置包括被设计成使管道中的气流旋转的固定叶片或分配器，分配装置被设置在高压涡轮和低压涡轮之间，并且当涡轮包括多于一个的级时，分配装置被设置在高压涡轮级和低压涡轮级之间。
4.在高压涡轮和低压涡轮之间，这些分配装置由定子承载，该定子通常是低压喷嘴，该低压喷嘴包括固定的叶片轴承角扇区，叶片轴承角扇区沿周向相邻布置，以在管道内形成分配环，或者该定子是涡轮间结构壳体，该涡轮间结构壳体包括内部护罩和外部护罩，内部护罩和外部护罩之间设置有用于在管道内分配气流的固定叶片。
5.在多级涡轮的情况下，每个涡轮转子通常由彼此螺栓连接的环形盘和护罩的组件组成，护罩通过轴承安装在涡轮机的结构内部壳体上，或者在护罩不属于同一涡轮的情况下彼此相关。
6.由于结构内部壳体、涡轮护罩、整流器角扇区或结构涡轮间壳体靠近来自涡轮机的燃烧室的热气体，如果不适当冷却，结构内部壳体、涡轮护罩、整流器角扇区或结构涡轮间壳体是可能受到严重膨胀现象的元件，这种现象可能危及涡轮机的完整性。
7.为了确保每个涡轮的适当冷却，涡轮机配备有涡轮增压和冷却系统。该设备确保这些元件的内部间隙得到控制，并确保来自管道的热气体不会回流到这些元件中。
8.在这种设备中，空气从高压压缩机收集，然后通过低压分配器的叶片或通过涡轮间壳体的臂在定子的内部输送到第一内部围封部，该第一内部围封部界定在定子的内部、轴向地位于涡轮机的高压涡轮和低压涡轮之间，并且与第二内部围封部连通。第一内部围封部可以形成在涡轮机间结构壳体中，或者可以由涡轮中的一个涡轮的护罩和盘界定。已经通过低压喷嘴或涡轮间壳体的空气例如被引入由高压涡轮和低压涡轮之间的涡轮间壳体或低压分配器界定的第一围封部中，并且在第一围封部(第一围封部与至少第二内部围封部连通，第二内部围封部被设置在涡轮中的一个涡轮(例如，低压涡轮)的转子的内部)中，空气被用于使涡轮机的各种壳体和内部结构壳体通风，以为了供应被设置在转子的接合部处的泄漏点或排出点而朝向该转子的一个或多个盘上升，并且防止在主管道中流通的热气体被重新引入涡轮的内部。热气体的重新引入会损害涡轮盘的完整性。加压空气也被用于冷却涡轮叶片，涡轮叶片受到非常高的温度。
9.通常，具有固定横截面的通道被设置在第一围封部和第二围封部之间。这些通道包括隔膜或喷射器。这些通道使得能够控制内部壳体中的过压、转子和扩散器之间的排放以及各种涡轮部件的冷却，从而确保发动机的物理完整性。这样的通道在fr-3.072.414-a1
中描述。
10.当喷射器涉及对低压涡轮进行冷却时，喷射器通常以孔的形式制成，孔在低压涡轮的固定护罩中制成，并且使得空气能够从第一围封部(由高压压缩机供应有加压空气)进入第二围封部，特别是进入涡轮盘。这些孔的轴线大致平行于涡轮机的轴线。
11.因此，来自高压压缩机的低温加压空气的一部分通过收集管被收集并输送到第一围封部。为此，收集管的一部分例如穿过低压涡轮的分配器的叶片或涡轮间壳体的臂。然后，低温加压空气的一部分通过喷射器从第一围封部喷射到第二围封部中，以朝向盘上升，从而对盘进行冷却，并且将来自主管道的热气体推回。
12.喷射器的尺寸是至关重要的。实际上，从高压压缩机进行的空气收集会降低发动机的性能，并且要求压缩机的尺寸过大，以确保足够的空气流用于燃烧。
13.使用固定横截面的喷射器，空气收集在涡轮机的最不利的飞行点被校准，该飞行点对应于在喷射器的上游和下游之间的压力比最低的情况，包括在涡轮机故障的情况下。因此，对于其他飞行点，盘冷却率或排放率高于所需的最小值，使得从高压压缩机中抽取的空气比所需的空气多。因此，被多余地转移到第二围封部的空气是不在主管道中流通的空气，该空气的产生以纯粹浪费的方式消耗了涡轮机的功率的一部分。
14.为了弥补这些缺点，在文献w0-2015/026597a1、fr-3.061.739-a1、us3.972.181-a、gb 2.246.836-a和ep-1.632.649-a2中提出了可变截面的喷射器。然而，所有这些喷射器要么需要主动控制，要么不提供任何渐进性。


技术实现要素：

15.本发明通过提出一种用于对涡轮机的涡轮转子进行通风和加压的设备来弥补该缺点，该设备包括具有可变的横截面的喷射器，该喷射器使得能够调节所收集的空气的流量。
16.所提出的解决方案使得能够通过根据发动机的运行点调节喷射器的横截面来限制上述缺点。
17.为此，本发明涉及一种飞行器涡轮机，该飞行器涡轮机包括至少一个高压压缩机、高压涡轮、低压涡轮、定子、所述低压涡轮的转子、以及用于对该转子进行通风和加压的设备，该定子被轴向地设置在高压涡轮和低压涡轮之间，转子具有轴线并且承载叶片，该设备包括至少一个收集管，至少一个收集管适于收集在高压压缩机中流通的空气的一部分并将空气的这一部分输送到第一内部围封部，第一内部围封部界定在定子的内部，第一围封部与由低压涡轮的所述转子界定的至少一个第二内部围封部连通，所述第一围封部和第二围封部至少部分地由具有轴线a的固定护罩隔开，所述设备包括至少一个喷射器，至少一个喷射器平行于所述轴线a穿过所述固定护罩并且在第一围封部和第二围封部之间建立连通，其特征在于，喷射器具有可变的横截面，该可变的横截面被构造成响应于所述第一围封部和第二围封部之间的压力差而逐渐地变化。
18.根据涡轮机的其它特征：
[0019]-横截面在喷射器的最大完全开口横截面和非零的最小横截面之间变化，
[0020]-喷射器包括穿过所述护罩的至少一个喷射孔和挡板，挡板被构造成响应于所述压力差而逐渐地关闭所述喷射孔，
[0021]-挡板包括滑块和用于致动所述滑块的装置，该滑块在与喷射孔的轴线垂直的平面中滑动，并且能够逐渐地堵塞所述喷射孔，
[0022]-用于致动滑块的装置包括与滑块的端部中的每一个端部成一体的第一控制活塞和第二控制活塞，第一活塞被安装成能够在与第一围封部连通的第一腔室中移动，第二活塞被安装成能够在与第二围封部连通的第二腔室中移动，并且由活塞和滑块形成的组件被弹性地返回到挡板的完全开口的位置，
[0023]-用于致动滑块的装置包括管状壳部，该管状壳部被附接到固定护罩，并且该管状壳部在管状壳部的外周包括喷射孔和直径相对的入口孔，所述壳部的端部界定了第一腔室和第二腔室，第一腔室和第二腔室分别通过相应的端口与第一围封部和第二围封部连通，并且接纳与滑块成一体的第一活塞和第二活塞，滑块包括封闭壁，该封闭壁与第一活塞和第二活塞中的一个成一体，并且被设置成能够遮蔽入口孔以堵塞喷射孔，第二活塞还通过被容纳在第二腔室中的弹簧返回到挡板的完全开口的位置，
[0024]-挡板包括由具有高热膨胀系数的材料制成的元件，该元件能够逐渐地堵塞所述喷射孔，所述膨胀伴随着所述第一围封部和第二围封部之间的压力差的增加，
[0025]-固定护罩包括多个喷射器，多个喷射器以均匀的方式成角度地分布在所述固定护罩的同一直径上，
[0026]-定子包括臂，该臂将所述定子的内部护罩连接到所述定子的外部护罩，并且收集管的至少一部分形成在所述臂中的一个臂内。
附图说明
[0027]
通过以下详细说明并且为了理解该说明对附图进行参照，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，在附图中：
[0028]
[图1]图1是包括用于对涡轮转子进行通风和加压的设备的涡轮机的示意性横截面视图；
[0029]
[图2]图2是用于对传统涡轮转子进行通风和加压的设备的示意性详细视图；
[0030]
[图3]图3是在第一位置示出的固定涡轮护罩的示意性横截面详细视图，该固定涡轮护罩配备有根据本发明的用于对涡轮转子进行通风和加压的设备的喷射器；
[0031]
[图4]图4是在第二位置看到的先前在图3中示出的护罩和喷射器的示意性视图；
[0032]
[图5]图5是配备有多个喷射器的固定涡轮护罩的示意性视图；
[0033]
[图6]图6是图5的固定涡轮护罩的示意性横截面视图。
具体实施方式
[0034]
图1中示出了用于飞行器的具有轴线a的双流涡轮机10。以已知的方式，涡轮机10包括风扇12和燃气涡轮发动机14。燃气涡轮发动机14包括低压压缩机16、高压压缩机18、燃烧室20、高压涡轮22、低压涡轮24和排气喷嘴26。高压压缩机18的转子和高压涡轮22的转子21通过高压轴28连接，并且一起形成高压(hp)主体。低压压缩机16的转子和低压涡轮24的转子23通过低压轴30连接，并且形成低压(lp)主体。
[0035]
风扇12吸入涡轮机的上游的气流g。
[0036]
燃气涡轮发动机14被来自气流g的主气流p穿过。如图1中的箭头所示，因此，主气
流p的流动管道32依次穿过低压压缩机16、高压压缩机18、燃烧室20、高压涡轮22、低压涡轮24和排气喷嘴26。
[0037]
在风扇12的下游，次级气流s在次级气流s的流动管道34中流动，并且在喷嘴26的出口处与主气流p汇合，以向涡轮机10提供推力。
[0038]
涡轮机10以已知的方式包括用于对涡轮24的转子23进行通风和加压的设备36。如图1所示，设备36提供了对高压涡轮22的转子21和低压涡轮24的转子23的通风和加压，但是这种构型并不限制于如下这种设备，这种设备可以专用于仅冷却一个转子23。通风和加压设备36旨在确保对涡轮22、24的转子21、23的叶片根部(未示出)42、44的冷却，并在这样做时确保对涡轮22、24的转子21、23的叶片42、44的冷却，并且防止热气体从主气体管道32进入上游内部围封部38和下游围封部40的内部，上部内部围封部由高压涡轮22的转子界定，下游围封部由低压涡轮24的转子23界定。
[0039]
由于涡轮22、24的转子21、23由盘和护罩的组件组成，加压空气朝向盘上升，以冷却叶片42、44和叶片的根部(未示出)。
[0040]
以已知的方式并且参照图2，该设备36包括至少一个收集管46，该收集管能够收集在涡轮机的高压压缩机18中流通的空气的一部分f。例如，以非限制性的方式，收集管46穿过定子50的臂48，该定子通常包括多个臂48，这些臂将所述定子50的内部护罩53连接到所述定子50的外部护罩51。定子50可以具有作为引导至少一个旋转涡轮轴的涡轮间壳体支撑轴承的功能和/或作为下一级涡轮叶片的分配器的空气动力学功能。在这种情况下中，臂48可以是该分配器的叶片。
[0041]
在本情况下，我们更特别地对低压涡轮24的转子23的冷却感兴趣，该构型不对本发明进行限制。
[0042]
在本说明的其余部分中，描述了作为涡轮间壳体的定子50，但该构型不对本发明进行限制。
[0043]
设备36将从高压压缩机18抽取的空气的这一部分f输送到第一内部围封部39，该第一内部围封部形成在定子50的内部壳体55中以形成涡轮机的涡轮间壳体，并且与低压涡轮24的转子23的盘(未示出)和叶片44连通。
[0044]
特别是在最后一种情况下，低压涡轮24的转子23包括泄漏点，该泄漏点使得加压空气的这一部分f从涡轮机的第二内部围封部40(第二内部围封部在此是由低压涡轮24的转子界定的下游围封部40)流向管道32，以便冷却叶片44，并防止在管道32中向后流动的热气体穿透涡轮机的壳体的内部。
[0045]
第一围封部39和第二围封部40至少部分地由具有轴线a的固定护罩56分开。在图2中，固定护罩56是低压涡轮24的定子的护罩。然而，该构型对本发明是非限制性的，并且该构型可以是定子或涡轮间壳体50的一部分。
[0046]
通常，第一围封部39和第二围封部40之间的连通通过至少一个喷射器58来确保，该喷射器包括在护罩56中形成的固定截面的孔。
[0047]
该构型具有许多缺点。
[0048]
事实上，该构型不能使得调节在冷却设备的回路中流通的所抽取的空气的这一部分f的流量。
[0049]
喷射器58的尺寸设计是至关重要的。实际上，这必须以如下这样的方式进行，即，
即使在喷射器58的上游和下游之间的压力比最低时，也保证向第二围封部44供应足够的空气，该压力比对应于涡轮机10的与高压压缩机的高旋转速度(例如用于巡航或起飞的速度)相关联的飞行点。
[0050]
在该飞行点之外，喷射器58的上游和下游之间的压力比更高，因此从高压压缩机18进行的空气收集是部分多余的。这样做的原因是在其他飞行点，盘冷却率或排放率高于所需的最小值，使得从高压压缩机中抽取的空气比所需的空气多。因此，被多余地转移到第一围封部的空气是不在主管道中流通的空气，该空气的产生以纯粹浪费的方式消耗了涡轮机的功率的一部分。因此，该收集降低了涡轮机10的性能。
[0051]
然而，该多余的收集要求高压压缩机18的尺寸过大，以便仍然确保足够的空气流量来供应燃烧。因此，该收集也具有不必要地增加涡轮机的总体质量的缺点。
[0052]
本发明通过提出具有可变的横截面的喷射器58来弥补该缺点，具有可变的横截面的喷射器使得能够调节气体部分f的收集流量。
[0053]
图3和图4示意性地示出了根据本发明制造的喷射器58。示意图并不预先判断喷射器58在低压涡轮的护罩56上或在上述涡轮间壳体上的定位。
[0054]
根据本发明，如图3和图4所示，如前所述，设备36包括至少一个喷射器58，该喷射器沿着与轴线a的方向平行的轴线b穿过固定护罩56，并且在第一围封部39和第二围封部40之间建立连通，不同的是，该喷射器58具有可变的横截面，该可变的横截面被构造成响应于第一围封部39和第二围封部40之间的压力差而逐渐地变化。
[0055]
喷射器58的横截面很可能随着在围封部39中的上游存在的压力p1和在围封部40中的下游存在的压力p2之间的压力差而变化。该横截面在图3所示的最大完全开口横截面和图4所示的减小的开口横截面之间变化。优选地，减小的开口横截面对应于非零的最小横截面，因此喷射器58在该位置没有被完全阻塞。
[0056]
更特别地，如图3和图4所示，喷射器58包括穿过护罩56的至少一个喷射孔60和挡板62，该挡板被构造成响应于在喷射器58的上游的第一围封部39中的压力p1和在喷射器58的下游的第二围封部40中的压力p2之间的所述压力差而逐渐地关闭该喷射孔60。
[0057]
更特别地，挡板62包括滑块64，该滑块被安装成在与喷射孔60的轴线b垂直的平面中滑动，并且能够逐渐地堵塞喷射孔60。滑块64通过用于致动该滑块64的装置66移动。
[0058]
用于致动滑块64的装置66旨在根据第一围封部39和第二围封部40之间的压力差来确保滑块64的滑动。为此，用于致动滑块的装置必须承受在这两个围封部39、40中存在的压力p1和p2。
[0059]
为此，用于致动滑块的装置66包括与滑块64成一体的第一控制活塞68和第二控制活塞70，第一控制活塞和第二控制活塞被安装成同时垂直于喷射孔60的轴线b滑动。每个控制活塞68、70与滑块64的一个端部成一体。第一活塞68被可移动地安装在第一腔室72中，第一腔室通过端口74与第一围封部39连通，第二活塞70被可移动地安装在第二腔室76中，第二腔室通过端口78与第二围封部40连通。
[0060]
由活塞68、70和滑块64形成的组件通过弹性返回装置80弹性地返回到挡板62的完全开口的位置。
[0061]
更特别地，用于致动滑块64的装置66包括管状壳部82，该管状壳部被附接到固定护罩56，并且该管状壳部在管状壳部的外周包括喷射孔60和直径相对的入口孔84。管状壳
部82的端部界定了第一腔室72和第二腔室76，第一腔室和第二腔室分别通过其相应的端口74、78与第一围封部39和第二围封部40连通，并且接纳与滑块64成一体的第一活塞68和第二活塞70。管状壳部82的横截面不一定是圆柱形的，而是可以具有小轴向尺寸的平坦的矩形横截面，如图6所示。
[0062]
滑块64包括与第一活塞68成一体的封闭壁86，该封闭壁与管状壳部82的内壁的一部分相一致，管状壳部82的内壁的该部分包括入口孔84。
[0063]
以这种方式，封闭壁86能够遮蔽入口孔84，以便因此堵塞喷射器58的孔60。
[0064]
滑块64还包括用于连结两个活塞68、70的连接杆88。最后，返回装置80由形成返回装置的弹簧80构成，该返回装置被容纳在第二腔室76中，位于该腔室76的底部90和第二活塞70之间。
[0065]
这样，滑块64承受第一活塞68和第二活塞70之间的压力差。因此，第一围封部39中的压力p1和第二围封部40中的压力p2之间的差确保了滑块64的移动性。
[0066]
根据本发明的替代实施例(未示出)，挡板可以包括由具有高热膨胀系数的材料制成的元件，该元件能够逐渐地堵塞所述喷射孔，所述膨胀以已知的方式伴随着所述第一围封部39和第二围封部40之间的压力差的增加。
[0067]
然而，该技术方案不是本发明优选的。
[0068]
如图5所示，固定护罩56包括多个喷射器58(喷射器的封闭壁86已被示出)，这些喷射器以均匀的方式成角度地分布在固定护罩56的相同直径d上。这种构型保证了在制造喷射孔60时能够实现护罩56的质量的良好平衡，此外，包括多个喷射器58(优选地，有限数量的喷射器58)的这种设计使得能够确保在一个或多个喷射器58发生故障的情况下设备的操作。在这种情况下，故障的喷射器58的任何流动调节缺陷将自发地由其他喷射器58补偿。
[0069]
因此，本发明适用于包括至少一个涡轮(无论该涡轮是高压涡轮还是低压涡轮)的飞行器涡轮机。
[0070]
配备有这种通风和加压设备36的涡轮机特别地使得在涡轮机的各个运行阶段期间能够限制通风流量的变化。特别地，即使涡轮机的涡轮的温度不跟随涡轮机的运行阶段，该涡轮机仍使得能够调节通风率。例如，在涡轮机以正常速度运行后的停机或空转阶段期间，即使高压压缩机不再供应足够的空气来确保冷却，涡轮的温度仍继续上升。将喷射器48校准到更大的直径(可以在运行期间通过通风设备36来调节)使得能够确保围封部40的充分通风，而不会导致在正常运行期间高压压缩机上的多余的收集流量(多余的收集流量将对涡轮机的效率有害)，因为具有可变的横截面的喷射器可以减少多余的收集流量。因此，这种解决方案优化了涡轮的寿命，而不影响涡轮机在稳定状态下的运行。