用于涡轮机的压缩机模块的制作方法

1.本发明涉及一种用于涡轮机的组件。更具体地，本发明涉及包括径向支柱和定子导叶(vane)的压缩机外壳模块。


背景技术：

2.轴流式涡轮机压缩机外壳可包括结构部分，该结构部分主要由外环、中心毂和结构臂组成，这些结构臂通常称为“支柱”，主要在毂和环之间径向延伸。结构外壳形成涡轮发动机的支撑结构。它通常是单件铸件的形式，并且它可以限定鹅颈状气流通道。
3.鹅颈通道的上游和下游通常定位有两排环形定子导叶。
4.在fr 3 027 053a1中描述了这种结构外壳的一示例。
5.在支柱和直接位于支柱下游的那排定子导叶之间留有很大的间隙。该间隙是压降的来源，因为支柱尾流中的流动没有被理想地控制以适当满足定子导叶的前缘。因此，有机会提高压缩机的性能。


技术实现要素：

6.本发明的目的是要消除结构支柱和直接位于这些支柱下游的一排定子导叶之间的界面处的任何压降，从而提高压缩机的性能。
7.本发明涉及一种涡轮机压缩机模块，包括:基本上轴对称的中心毂；与中心毂同轴的外环；以及从中心毂延伸到外环的一排环形支柱，值得注意的是，每个支柱具有固定的上游部分和可枢转的下游翻板。
8.偏转流动的导叶集成(在“定位”的意义上)在支柱中使得有可能避免已知压缩机中的上述压力损失。此外，这些损失还受到支柱尺寸的影响，支柱通常接收诸如油管或燃料管或电缆或可能的径向传动轴的服务。
9.根据本发明，该模块包括从中心毂延伸到外环的一排环形的可变取向定子导叶，支柱在两个周向相邻的支柱之间限定支柱间空间，并且定子导叶至少部分地设置在支柱间空间中。在支柱之间结合轴向重叠的定子导叶进一步允许整个定子导叶排前进，并因此减小涡轮机的总长度。这使得涡轮机更紧凑和更轻。
10.根据本发明的有利实施例，上游部分具有朝向下游侧开口的空腔，该空腔形成圆筒的一部分，翻板(flap)接收在所述空腔中。这种布置允许空气引导表面的连续性，因此限制了固定部分/翻板界面处的压力损失。
11.根据本发明的有利实施例，环形的一排定子导叶是第一排，并且该模块还包括环形的第二排定子导叶，该第二排定子导叶布置在支柱间空间中并且轴向远离第一排导叶。最初位于支柱上游和下游的成排导叶在支柱间空间中的定位进一步提高了涡轮机的紧凑性和重量。
12.根据本发明的有利实施例，每个支柱的上游部分相对于平行于毂轴线的轴线是对称的。这种几何形状的优点是，对于在支柱上游没有切向分量的流动是中性的。
13.根据本发明的一有利实施例，导叶和翻板具有各自的后缘，这些后缘共享一个共同的轴向位置。换句话说，翻板和定子导叶，或至少它们的下游端，是轴向对准的。这种布置允许周向均匀流动。
14.根据本发明的有利实施例，中心毂包括径向外部的气流引导表面，该气流引导表面与翻板一致的取向与中心毂的对称轴线形成0
°
和10
°
之间的角度。空气引导表面的这种倾斜足够小，以限制导叶和翻板的内部部分上的负载损失，导叶和翻板可能在它们的一些角位置偏离引导表面。
15.根据本发明的有利实施例，翻板具有与导叶的横截面基本相同的相应横截面。“横截面”在这里是指横截面中的轮廓，例如在后缘的给定点处垂直于后缘的平面中的轮廓。因此，在模块的出口处，流动更加均匀。
16.根据本发明的有利实施例，共同致动机构控制导叶的取向和翻板的枢转运动。这种解决方案简化了翻板和导叶的驱动。替代地，可以设置两个独立的机构来将定子导叶或一些导叶取向在一个取向上，而将翻板取向在另一个取向上。
17.本发明还涉及一种包括低压压缩机和/或高压压缩机的涡轮机，设置有根据上述实施例之一的模块，该涡轮机包括直接位于该模块下游的一排转子叶片。
18.因此，消除了结构支柱和直接位于支柱下游的一排定子导叶之间的压降。
附图说明
19.图1示出了根据现有技术的涡轮机；
20.图2示出了根据本发明的轴流式涡轮机；
21.图3在垂直于涡轮机轴线的截面中描绘了根据本发明的压缩机模块；
22.图4示出了从外侧径向观察的根据本发明的模块的局部视图；
23.图5a-6b示出了结构支柱的两种替代方案；
24.图7示出了从外部径向观察的根据本发明另一实施例的模块的局部视图；
25.图8示出了从侧面看到的模块的局部视图，以纵向截面示出了其径向范围。
具体实施方式
26.在下面的描述中，术语“内部”和“外部”指的是相对于涡轮机旋转的轴线的位置。轴向方向是沿着涡轮机的旋转轴线的方向，该旋转轴线与外壳模块的毂的轴对称轴线重合。径向方向垂直于旋转轴线。上游和下游是指涡轮机中流体的主要流动方向。术语“整体”应理解为旋转中的整体。
27.图1是现有技术的轴流式涡轮机的简化表示。这是双流涡轮喷气发动机2。
28.涡轮机2具有旋转轴线4。环形入口6通过圆形分离喷嘴12分成主流路8和二次流路10。主流14和二次流16分别穿过这些流8和10，并在涡轮机2的出口处相遇。主流14和二次流16是同轴的环形流，并且相互配合。它们由涡轮机2的内壁和外壁引导。
29.二次流16被布置在入口6处的风扇18加速，以便为飞行器的飞行产生推力。矫直导叶20可以布置在二次流路10中，并且可以构造成增加二次流速度矢量的轴向分量。风扇18布置在主管道8和二次管道10的上游。
30.涡轮机2包括由两个压缩机24、26形成的压缩区、燃烧室22和膨胀区28、32。压缩机
24、26由低压压缩机24和高压压缩机26组成。
31.高压压缩机26可位于燃烧器22的入口处。
32.在燃烧器22的下游，涡轮机2可具有联接到高压轴30上的高压涡轮28，以及联接到低压轴34上的低压涡轮32。后者可以独立于高压轴30旋转。这些涡轮28、32可形成主流14的膨胀区。
33.在操作中，由涡轮28、32接收的机械功率被传输到轴30、34，轴30、34使压缩机24、26开始运动。压缩机具有与多排定子d导叶相关联的多排转子叶片。转子叶片由轴30、34围绕旋转轴线4驱动，以产生空气流，并逐渐将其压缩至燃烧室22的入口。
34.涡轮机可包括齿轮装置，例如齿轮箱36，其以低于转子叶片的速度驱动风扇18。低压压缩机24或增压器在这里被称为“快速的”。对于齿轮箱36，只需要两个涡轮机以三种不同的速度驱动压缩机和鼓风机。
35.在这个示例中，低压压缩机24包括两排转子叶片40、42，它们通过转子44连接到轴34上。
36.压缩机24包括插入转子叶片40、42之间的定子导叶39、41。
37.压缩机24可包括交替的定子导叶和转子叶片，或者如在所示的示例中，在其下游部分包括两排连续的定子导叶43、45。这组定子导叶39、41、43、45形成了压缩机24的整流器35。
38.涡轮机2的定子可包括多个支撑外壳模块，包括布置在压缩机24两侧的上游模块47和下游模块49。这些模块47、49可以包括形成主管道8的部分的环形套筒，并且可以具有径向延伸穿过管道8的支柱46、48。环形套筒可以具有鹅颈轮廓。它们可以标出主管道8的直径的显著减小。
39.上游模块47及其支柱46可以支撑齿轮箱36。
40.支柱46的上游是靠近喷嘴12的一排定子导叶37。支柱48的下游是带有定子导叶50和转子叶片52的高压压缩机26。后者由轴30驱动旋转。
41.通常，多排定子导叶直接布置在支柱46、48的上游和下游，使得空气以没有切向分量的速度矢量流过支柱间空间。这些排可以是也可以不是可变定子导叶排，即它们围绕基本径向轴线的取向是可调节的。这些叶片由结构外壳47、49下游或上游的外部和内部护罩支撑。
42.图1的右上侧的一部分示出了高压压缩机26的入口的放大图。特别地，它示出了在空气流动方向上的一排环形支柱48的系列，其后是一排环形定子导叶50，定子导叶50的取向通过装置51是可变的。一排转子叶片52也示出在可变定子导叶50的下游，并且是高压压缩机26的一排最上游转子。
43.图2示出了根据本发明的涡轮机。
44.该设计与现有技术中已知的涡轮机的不同之处主要在于模块47和49的设计。结构模块47、49中的任一个或两个可以包括结构支柱46、48，结构支柱46、48具有固定的上游部分58和枢转的下游部分或翻板60。
45.可选地，如图2所示，至少一排定子导叶37、39、45、50布置成与结构支柱46、48轴向重叠。
46.因此，如从图2和图1中涡轮机的长度之间的比较中可以看出(见图1右下方和图2
右上方的混合线)，将定子导叶集成到模块中使得涡轮机的总长度增加。
47.图2示出了导叶37与支柱46部分重叠，导叶39完全集成在支柱46之间。替代地，导叶39可以仅部分地与支柱46轴向齐平，和/或导叶37可以在支柱46的上游。
48.除此之外或替代地，可以对模块49的支柱48进行相同的修改。放大视图中的插图示出了高压压缩机26入口处的可变定子导叶50(其被支柱48隐藏)。因此，转子叶片52可直接放置在支柱48的下游。
49.图3示出了垂直于轴线4的模块47或49的剖视图。模块47、49由支柱46或48、导叶37、39或45、毂53和外环55组成。在下面的描述中，将使用与模块47相关的附图标记。本领域技术人员将理解，相同的教导可以替代地或组合地应用于模块49。
50.支柱46在两个相邻支柱46之间周向限定了支柱间空间56。
51.为了清楚起见，图3中仅示出了支柱间空间56中的三个导叶39。几个并且优选所有的支柱间空间56容纳相同或不同数量的导叶39，优选周向均匀分布。
52.中心毂53具有外表面53.1，该外表面53.1可以基本上是圆锥形的。外表面53.1也可以是弯曲的，或者甚至可以具有拐点，使得流过模块47的气流类似于“鹅颈”。毂53的上游直径大于其下游直径。
53.支柱46优选围绕中心毂53成角度地均匀分布。替代地，更多的支柱46或更大圆周厚度的支柱可以设置在关键位置，特别是用于容纳流体管线。
54.模块47的各个部分可以通过焊接，例如激光或电子束焊接连接在一起。
55.集成在模块47中的导叶，特别是导叶39，可以围绕与每个导叶相对应的轴线a旋转，该轴线a在这里示出为径向轴线。所有导叶共用的致动机构(未示出)例如一环和一系列连杆-允许导叶围绕它们的轴线a旋转。
56.导叶取向致动机构可以是例如ep 3 361 058a1中所示的那种。独立同轴同步环形式的几个致动机构允许导叶旋转到不同的角度。
57.支柱46、48通常沿着与每个支柱46、48相对应的b轴线延伸。b轴线在这里示出为径向的并且垂直于轴线4。
58.图4示出了从外部径向观察的模块47沿轴线b的局部视图。可以看到毂的外表面53.1和两个周向相邻支柱46之间的支柱间空间56。箭头14表示流入或流出压缩机的大致轴向(平行于轴线4)的流动方向。
59.图4的右手侧示出了带有叶片40的转子的一部分，箭头指示了转子的旋转方向。
60.支柱46具有前缘46.1和后缘46.2。
61.在支柱间空间56中布置有导叶39。在该示例中，导叶39完全封闭在该空间56中。更具体地，支柱的后缘46.2与导叶39的后缘39.2轴向对准。后缘39.2和46.2优选是相同的。
62.替代地或组合地，导叶可以与上游部分58相对设置，并且可以具有与支柱的前缘46.1对准的前缘(见图7中的导叶37)。
63.由于导叶39集成在支柱间空间中，气流14可在模块47的直接下游遇到转子叶片(见图1中的40或52)。
64.支柱46由固定的上游部分58和可枢转的下游部分或翻板60组成。翻板60围绕轴线b枢转，该轴线b是径向的并且穿过支柱46。翻板60的枢转运动可以由与取向导叶39的机构相同的致动机构来控制。
65.b轴线可以位于支柱的弦线的60％和90％之间的轴向位置处。
66.上游部分58可关于平行于涡轮机2的轴线4的轴线c基本对称。
67.在垂直于b轴线的横截面视图中，翻板60可以具有与导叶39相同的轮廓(横截面)。替代地，轮廓可以是不同的。
68.翻板60延伸不超过支柱46的轴向长度的三分之一。
69.导叶39的周向厚度使得导叶39占据小于支柱间空间56的周向跨度的20％。
70.图5a和5b示出了第一实施例中的固定部分58和翻板60。固定部分58具有空腔58.1，其形状类似于圆筒体的一部分。翻板60具有互补的形状，并且接收在空腔58.1中。空腔58.1的圆筒部分的轴线可以与翻板60的枢转轴线b重合。
71.这种布置在固定部分58和翻板60之间提供了空气引导表面的连续性。
72.图6a和6b示出了第二种变型。在该示例中，铰链46.3用于将翻板60连接到固定部分58。
73.图7示出了外壳模块47的另一个示例。
74.支柱的一部分46.4相对于c轴线是对称的，上游部分46.5相对于c轴线是对称的。在该示例中，上游部分46.6具有与导叶37的轮廓相对应的轮廓，因此具有下表面和上表面。这里，导叶37完全布置在支柱间空间56中。
75.如果两排定子导叶37、39布置在支柱间空间56中，则在该图示中只有一排39的取向是可变的。
76.图8示出了模块47的局部纵向剖面图。毂53包括径向外表面53.1，该径向外表面53.1在内部界定气流(图2中的数字8)。该表面53.1倾向于沿下游方向接近轴线4。翻板60示意性地以虚线表示，处于它与轴线4形成小角度的位置(流动没有沿切线方向偏转或仅稍微偏转)。实线示出了处于另一位置的翻板60’，其具有更大的取向角度，从而使气流偏转。
77.在具有大角度的位置，后缘46.2的径向内部点变得远离表面53.1。这个间隙会产生空气动力损失。导叶39也有同样的问题，它在某些角度位置上脱离表面53.1。
78.因此，有必要提供表面53.1、翻板60和导叶39的布置，使得与后缘39.2、46.2一致(在翻板60和导叶39的所有取向位置)，表面53.1相对于涡轮机的轴线4倾斜不超过10
°
。这种角度限制通过图8中的角度α来实现。
79.替代地，毂53可以具有外表面53.1，该外表面53.1为非轴对称的并具有基本平坦的部分，该基本平坦的部分“跟随”翻板60的内边缘的轨迹。以这种方式，对于翻板60的所有取向，在翻板60和表面53.1之间可以实现恒定的间隙或永久接触。相同的设计可以应用于导叶39(除了翻板之外或作为翻板的替代)。
80.从图8中还可以看出，轴线b不一定完全是径向的，例如可以法向于表面53.1。这同样适用于枢转导叶39的轴线a。
81.实际上，在前面的图中所示的示例中，为了便于表示和理解本发明的概念，轴线a和b被表示为径向的。然而，本发明并不局限于纯粹的径向轴线a和b，特别是相对于轴线4倾斜(如图8所示)或偏移(轴线a和/或b不穿过图3中的轴线4)也是可能的。
82.本领域技术人员将认识到，这里给出的不同实施例可以组合，并且一个实施例的教导可以应用于所有其他实施例。
83.此外，本文所示的示例示出了两个相邻支柱之间的三个导叶。可以提供其他数量
的导叶，尤其是当支柱不规则地成角度间隔开时。有利的是，在每个支柱间空间中选择3至10个导叶。