专利名称：涡轮发动机离心压缩机内气流的调整方法和实施所述方法的扩散器的制作方法
技术领域：
本发明涉及涡轮发动机内空气流量的调整方法，特别是直升机涡轮发动机或辅助动力装置(简称APU)内空气流量的调整方法，以适应流量或机械动力或电力的不同需求，所述涡轮发动机包括离心压缩机。本发明还涉及为实施所述方法而装有变距叶片的扩散器。
背景技术：
本发明的范围为涡轮发动机内的气体压缩，特别是压缩空气流量的调整，以考虑发动机的性能，特别是在部分负荷情况下的消耗率(简称Cs)，不论是涡轮发动机还是辅助动力装置。
考虑到这个目的,一般的问题是满足泵送裕度(pumping margin)的需要,解决润轮发动机中间转速时的压缩率下降，以及压缩空气流量和辅助动力装置时的电力需求变化。人们知道，缩短涡轮发动机操作线可以获得足够的泵送裕度。然而，工作循环速率的下降则会降低发动机的效能(yield)，而这种解决方案又需要压缩机在其最大效能下工作，包括高速运转。另外，人们还知道，在压缩机入口处，可使用由进气导向叶片(简称IGV)构成的预先旋转环。但是，在这种情况下，针对某个旋转速度的压缩率会明显降低。在这种情况下，建议使用带有准恒定压缩率的压缩机，不论载荷变化如何，同时又能保持接近最大效能。在单级压缩机领域，使用的是带变距叶片组件的径向扩散器。例如，专利文件US5207559或EP0589745对这种扩散器就有介绍，而后一个专利则是以本申请者的名义申请的。这些扩散器可以在中间功率时使压缩机流量/压力比特性偏向较小流量，不会显著降低压缩率或效能。根据所述物理参数(转速、压力、温度)，通过与控制装置相关的相应控制来获得不同螺距。然而，对于控制系统必须满足高功率控制杆的需要的螺距角范围，该螺距角范围引起扩散器进口和出口直径的重大变化，这会在旋转部件(轮盘sheave)和静止部件(径向变距扩散器)之间引起很大的机械偏差，并会在部分负荷时(中间功率)降低效能。
发明内容
本发明的目的是解决这些缺陷，特别是通过保持压缩机效能，显著降低消耗率，同时提供足够的泵送裕度、部分负荷条件下工作循环的良好效能。为此，本发明提出了一种可优化涡轮发动机离心压缩机中空气流可变扩散的方法。更确切地说，本发明的一个目的是，提出一种涡轮发动机离心压缩机中空气流的可变扩散方法，扩散穿过带变距叶片的第一环形叶片环的空气，所述第一环形叶片环与带有相同数量固定螺距叶片的第二环形叶片环形成径向分界，固定螺距叶片彼此延伸相等，通过两个叶片环叶片的联接而沿径向方向引导扩散，所述第一叶片环的每个叶片以该叶片的距离而被带动旋转。术语“涡轮发动机”是指涡轮发动机，特别是带有离心单级或双级压缩机的直升机涡轮发动机，以及装有离心单级或双级离心压缩机的辅助动力装置(APU)。在这些情况下，一方面，变距叶片的径向延伸部分会因为使用包括实际叶片的固定叶片环而大大缩短，从而使得应力得到限制，以改变螺距以及固定叶片环和支撑凸缘之间的间隙，进而改变上游/下游循环，达到降低泵送管路损坏和负荷损失的效果。另一方面，变距叶片旋转轴线的偏离轴线会实际降低这种等扩散叶片的径向延伸变化程度闭合增加更小，从而有利于部分负荷情况下的效能，而打开减小也会更小，从而限制由于轮盘/扩散器相互作用所产生的非稳定气动力波动所引起的机械偏差。那么，足够的泵送裕度使得涡轮发动机可在任何泵送情况下工作，提供很大的加速度能力，并可使辅助动力装置(APU)面对重要的负荷变化时无需启动排泄阀，与此同时，保持涡轮发动机的转速和压力接近其正常值和提供充足的效能水平。
根据具体实施方式
，所述方法应用于装有动力涡轮的涡轮发动机，如上所述的在离心压缩机上的变距径向扩散与变距动力涡轮分配器相耦合。动力的产生可根据几个方案来实施轴向或离心式自由涡轮或紧密相连的动力涡轮，其带有或不带下游的热交换。扩散器和变距分配器之间的耦合使得运行管路可以适合流量的减少，从而改善工作循环效能(通过较好的压力)并进而改善直升机和辅助动力装置涡轮发动机的消耗率。另外，本发明的目的还在于提供一种变距涡轮发动机扩散器以及装有这种扩散器的涡轮发动机，所述扩散器能够实施上述方法。扩散器包括带变距叶片的第一环形叶片环，与第二环形叶片环成径向分界，所述第二环形叶片环带有相等延伸部分的固定螺距叶片。此外，第一叶片环的每个叶片都由控制装置带动，所述控制装置可使得每个叶片正常旋转，而该叶片则相对于其旋转轴线而偏离中心。根据具体实施例-每个变距叶片在两个彼此相对的杯状部分(cup)之间平行延伸，并相对于杯状部分公共轴线而成偏离轴线方式延伸，而所述杯状部分的公共轴线则与旋转轴线相一致。-每个叶片与传动杆相联接，该传动杆带有至少一个孔眼，锁紧销就置于该孔眼中，用于杯状部分轴向位置的调整垫圈；-所述杆与传动杆为一整体，传动杆上提供有球形接头，置于控制冠部的圆柱形孔
(38)内，用来带动传动杆围绕工作轴线旋转，而传动杆则在圆柱形孔内滑动。-圆柱形孔的深度为传动杆冲程的函数，传动杆行程本身又是叶片预定旋转间隔的函数；-每个变距叶片的前缘靠近杯状部分周缘，从叶片到旋转轴的距离大于或等于一半 _ 半径(mid-radius)；-扩散器上游为平滑扩散器，即没有叶片；-位于轮盘和变距叶片环之间的扩散器的进气流逐渐减小，从而改善了性能；-第二叶片环固定叶片前缘厚度大于第一叶片环叶片厚度，以便消除迎角的不同变化；-固定螺距叶片的厚度足以让螺丝穿过，以释放结构应力；
-固定叶片在前缘和后缘之间呈构架角度演变规律，从而允许固定叶片环中的扩散得以控制，气动力效率得以优化；-固定叶片在方位上相对于第一动叶片环的叶片而予以固定，从而再次吸收第一叶片环叶片吸力面上的尾流，限制扩散器的负荷损失；-可变叶片螺距角度相对于标称键控(nominalkeying)而设定在+12°至-5°之间，这可以是其中一个固定扩散器。
通过阅读参考附图给出的如下说明，本发明的其它特性和优点就会更清楚地显现出来，附图分别如下图I为根据本发明的扩散器轴向局部半剖面图；图2a和2b为变距叶片的两个透视图，所示叶片旋转时与其控制杆相联接； 图3为扩散器上游环形凸缘的正面全视图，所示扩散器装有根据本发明的叶片环；图4a至图4c为扩散器的局部示意图，所示为三个动叶片螺距，包括围绕标称螺距的两个极端螺距，以及图5示出了动叶片和扩散器环形凸缘之间的间隙。
具体实施例方式术语“上游”和“下游”与涡轮发动机内的空气流动方向相关。参照图I局部剖面的轴向示意图，涡轮发动机(诸如涡轮机、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机或辅助动力装置(APU))的离心压缩机10包括与罩盖14相结合的机匣12，罩盖14径向覆盖轮盘16，轮盘是压缩机的最后离心级，旋转安装在根据轴线Y' Y的动轴18 (motive shaft)上。气流F在通过径向缩小而汇合的进气流中从轮盘16向环形扩散器19循环。扩散器19被界定在上游和下游两个凸缘20和22之间。罩盖14由固定到机匣和上游凸缘20上的紧固件23而保持固定。构成第一环形叶片环的叶片24安装在扩散器19上。定心体(centring) 25和26面对容纳在杯状部分17和27中的凸缘20和22，而叶片24则采用偏离轴线的方式安装在这些杯状部分上。杯状部分在凸缘20和22内处于中心位置，如所示示例，在插装到定心体25内的垫圈9上，调整间隙为O. 03mm到O. 05mm之间(见如下参照图5所述)。叶片28与凸缘22为一整体，构成第二环形叶片环，其外部紧挨第一叶片环，通过插入通孔29t内的螺丝29而安装在环形凸缘20内。这些螺丝还可释放结构应力。通过整体延伸上游杯状部分17的杆30可实现对变距叶片24的控制。这些带有轴线X' X的杆30安装在上游凸缘20的圆柱形孔32内，通过安装在沟槽30g内的接头30j来使其置于中心位置，间隙接近零。在端部，每个杆30带有连接在传动杆33上的平坦部分31，而该传动杆33则通过平坦部分31上的两个螺丝35夹紧。杆30端部31的位置带有调整间隙公差。杆30还带有孔眼30t，销36就插在该孔眼内，将垫圈30u锁紧在机匣12内形成的锁紧环12a内，垫圈用来调整杯状部分17和27的轴向位置。这样，销36使得杆30和锁紧环12a成为一个整体。
运行时,传动杆33由控制冠部(control crown) 34带动,后者构成了容纳有传动杆33球形接头37的圆柱形孔38，带有适当的轴向位置间隙和在球形接头母线处相接。为此，控制冠部34以带有滚针轴承39的扇形体为中心。摇臂(图中未示)使得控制冠部34围绕轴线Y, Y转动，而控制冠部则又由于其球形接头37而使得在圆柱形孔38内滑动的传动杆33旋转。圆柱形孔38的深度取决于传动杆33的行程，而该行程本身则是叶片24旋转间隔的函数。这种体系结构特别适合叶片旋转，即，叶型闭合(section closure)50%时叶片能够达到+12°，和叶型打开(section opening) 20%时，叶片能够达到-5°。杆和叶片24的角度位置是功率的函数，从而提供给所述功率足够的空气压缩。参照图2a和2b，可以看出平行的杯状部分17，27之间的动叶片24通过焊接21与杯状部分成为一体，这样，叶片平行于两个彼此面对的杯状部分的轴线Γ X而延伸。叶片24的前缘24c与杯状部分外周缘17c和27c齐平，叶片24厚度相当薄，本实施例所示为大约2mm。此外，叶片24和杆30轴线V X之间的距离大约等于杯状部分半径的80%，如图所示。这使得叶片24相对于杆轴线X' X而严重偏离中心，而所述杆的轴线X' X与组件的旋转轴线相一致。另外，杆30带有圆柱形定心槽30g和锁紧孔30t，用于杯状部分17和27轴向位置的调整垫圈。杆的平整部分31上带有穿过的容纳孔30a，该容纳孔30a用于安 装控制杆的螺丝35。图3全视图示出了装有环形叶片环Gl和G2的上游环形凸缘20，环形叶片环分别安装在动叶片24和固定叶片28上并与之构成一体。叶片28前缘BA部分大体上要厚于其中一个叶片24，分别为0. 5和2. 5mm,这样，在动叶片24旋转时可使迎角变化保持良好特性。此外，前缘BA和后缘BF之间叶片28的骨架角度规律(skeleton angle law)是演变的，因此，固定叶片环的气动力效率会因为静态压力的最大回复而得到优化。此外，固定叶片环的叶片28的最大厚度如示例为7mm，扩散器的凸缘20可以通过插入孔29t内的螺丝而紧固，与此同时，也可释放结构应力。气流F在动叶片24径向延伸部分沿固定叶片28循环，同时也在两个邻近的同一种叶片一即动叶片或固定叶片一之间循环。由于动叶片24相对于其杯状部分17旋转轴线V X而偏离中心，这些动叶片24所形成的径向延伸部分的变化相对于定心叶片应该实施的延伸变化而受到限制。这种限制可以改善离心压缩机的性能可使泵送管路的工作管路更远，更加偏离低流量，而这个工作管路在较高功率时会增加到接近最大效能(yieldmaximums)。面对固定叶片28的动叶片24的径向延伸部分如图4a至图4c所示，在这些附图上，还可以看到虚线所示的叶片杯状部分17，27。参照图4b，0°的标称键控(nominalkeying)对应于基准气流F，动叶片24相对于固定叶片28的气流调整适合于稳定的中间功率。根据小载荷的需求，动叶片24的键控可能会上升到12°，该键控相对于标称键控则对应于叶片24和38之间卡环(collar) Sa在50%时关闭的入口处的通行截面，而标称键控则对应于卡环Sb处的截面。图4a示出了与键控6°相关的关闭25%时的情况，此时卡环截面为截面b的75%。在高载荷需求时，键控调整则可能会下降到-5°。图4c示出了打开2. 5°时的情况，那么，卡环截面Se则为相对值110%。
固定叶片28在方位上相对于第一动叶片环Gl的叶片24而予以固定，从而再次吸收该第一叶片环Gl叶片吸力面Ex上的尾流。固定叶片28的使用限制了叶片24的径向延伸部分，从而可对叶片24杯状部分17和27与凸缘20和22之间的间隙进行控制，如图5所示。这样，在该示例中，间隙值就会分别低于或等于O. 02mm(Jl或J2)，0· IOmm(J3)和O. 25mm(J4)。于是，叶片24在垫圈9上的间隙(Jl和J2组件)大约为O. 03mm或稍大于该值。 本发明并不限于所述和所示示例。例如，可以只通过机械(单独或集中)调整或通过电气或电子控制(采用或不采用数字调节)来对动叶片实施键控。
权利要求
1.ー种涡轮发动机离心压缩机(10)内气流的调整方法，包括如下步骤扩散流经带变距叶片(24)的第一环形叶片环(Gl)的空气，所述第一环形叶片环(Gl)与带有相同数量固定螺距叶片(28)的第二环形叶片环(G2)成径向分界，所述固定螺距叶片的延伸部分相等，通过两个叶片环叶片(24，28)的联接而沿径向方向引导扩散，所述方法的特征在于，第一叶片环(Gl)的每个叶片(24)在叶片(24)处被带动旋转{V X)。
2.根据权利要求I所述的调整方法，其特征在于，离心压缩机上的变距径向扩散与变距动カ涡轮分配器相结合，所述动カ分配器与下游交換器或者是独立的、或者是绑定的，或者以轴向或向心方式带有或不带有下游交換器。
3.—种变距涡轮发动机扩散器，能够实施根据权利要求I或2所述的方法，包括带有变距叶片(24)的第一环形叶片环(G1)，与带有相等延伸部分固定螺距叶片(28)和相同数量叶片的第二环形叶片环(G2)成径向分界，通过两个叶片环(G1，G2)叶片(24，28)在径向延伸部分上的联接形成连续扩散通道，其特征在于，第一叶片环(Gl)的每个叶片(24)通过传动装置(30，33，34)来驱动，用来使得相对于其旋转轴线{V X)而偏离中心的叶片(24)正常转动。
4.根据前面权利要求所述的扩散器，其特征在干，每个变距叶片(24)在两个彼此相对的杯状部分(17，27)之间平行延伸，并相对于杯状部分公共轴线而以偏离中心的方式延イ申，所述杯状部分公共轴线则与旋转轴线{V X) 一致。
5.根据权利要求3或4所述的扩散器，其特征在于，每个叶片(24)都与传动杆(30)相连，后者带有至少ー个孔(30t)，锁紧销(36)就插在该孔内，用于杯状部分(17，27)轴向位置的调整垫圈(30u)。
6.根据前面权利要求所述的扩散器，其特征在于，所述杆(30)与传动杆(33)通过球形接头成为一体，后者置于控制冠部(34)的圆柱形孔(38)内，可带动传动杆(33)围绕动轴(V Y)转动，所述传动杆(33)用来在圆柱形孔(38)内滑动。
7.根据前面权利要求所述的扩散器，其特征在于，圆柱形孔(38)的深度是传动杆(33)行程的函数，而传动杆行程本身则是叶片预定旋转间隔的函数。
8.根据权利要求4到7任一项所述的扩散器，其特征在干，每个变距叶片(24)的前缘(24c)靠近杯状部分(17，27)的周缘(17c，27c)，从叶片(24)到旋转轴线(X' X)的距离大于或等于一半-半径。
9.根据权利要求3到8任一项所述的扩散器，其特征在于，第二叶片环(G2)固定叶片(28)前缘(Ba)的厚度大于第二叶片环(Gl)叶片(24)前缘厚度(24c)。
10.根据权利要求3到9任一项所述的扩散器，其特征在干，动叶片(24)的螺距角范围在+12°和-5°之间，相对于标称键控截面，卡环截面(Sa，Se)分别为50%和120%。
全文摘要
本发明涉及保持涡轮发动机压缩机效能和工作比的方法，目的是显著降低消耗率Cs，同时保证部分负荷时的足够高的泵送裕度。为此，本发明提出了优化方法，使气流适应涡轮发动机离心压缩机内流量或机械或电力的不同需求。所述方法包括对流经带有变距叶片(24)的第一环形叶片环(G1)的气流(F)进行扩散，所述第一环形叶片环(G1)与带有相同数量固定螺距叶片(28)的第二环形叶片环(G2)成径向分界，所述固定螺距叶片的延伸部分相等，通过两个叶片环叶片(24，28)的联接而引导径向延伸扩散。根据所述方法，第一叶片环(G1)的每个叶片(24)以偏离轴线方式旋转。
文档编号F04D29/46GK102834622SQ201180018458
公开日2012年12月19日 申请日期2011年4月13日 优先权日2010年4月14日
发明者皮埃尔·比斯开, 帕特里克·马可尼, 胡伯特·希波吕忒·威戈瑙 申请人:涡轮梅坎公司