用于涡轮机械的高压涡旋分离器的制作方法

本公开一般涉及燃气涡轮发动机中的碎屑分离。

背景技术：

在燃气涡轮发动机中，进口空气被压缩机压缩。燃料被添加到压缩空气中并在燃烧器中点燃。膨胀的热空气通过涡轮并从喷嘴中出来，从而提供推力。涡轮将膨胀的热空气的能量中的一些转换成旋转能量，以便为压缩机提供动力。

当进口空气含有诸如沙子和灰尘的颗粒时，燃气涡轮发动机的各种部件可能被损坏和/或劣化。例如，沙子可能会对压缩机叶片造成磨损。作为另一个示例，灰尘可能堵塞冷却孔和/或降低涡轮中的冷却有效性，导致更高的涡轮温度。对发动机部件的损坏降低了发动机的效率和寿命。

用于燃气涡轮发动机的碎屑清除系统通常试图使用单个分离器从进口空气中清除所有类型的碎屑。虽然单个分离器可以减少进入燃气涡轮发动机的部件的碎屑的总量，但是单个分离器可能无法有效地清除不同类型的碎屑。例如，如果单个分离器被优化用于清除大颗粒，则小颗粒可以通过压缩机到达燃烧器和涡轮。另一方面，如果单个分离器被优化用于清除较小的颗粒，则大颗粒可能通过压缩机，从而损坏压缩机。此外，压缩机可以将较大的颗粒粉碎成较小的颗粒，这些颗粒也可能损坏涡轮。

鉴于上述情况，可以理解的是，存在与燃气涡轮发动机中的与碎屑分离相关的问题、不足或缺点，并且将可取的是如果设计用于从燃气涡轮发动机中的气流中分离碎屑的改进系统和方法。

技术实现要素：

以下呈现了本发明的一个或多个方面的简要概述，以便提供对这些方面的基本理解。该概述不是对所有预期方面的广泛概述，并且既不旨在标识所有方面的关键或重要元素，也不旨在描绘任何或所有方面的范围。其目的是以简化形式呈现一个或多个方面的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

在一方面，本公开提供了一种用于从燃气涡轮发动机中的气流分离固体颗粒的分离器。分离器包括围绕燃气涡轮发动机的纵向轴线布置的多个涡流室，每个涡流室具有在第一端的清洁空气出口、在第二端的脏出口、和横向于涡流室定位在第一端的空气入口。分离器还包括可密封的收集室，其与多个涡流室中的每一个涡流室的脏出口流体连通。

在另一方面，本公开提供了一种用于从燃气涡轮发动机中的气流分离夹带固体颗粒的另一分离器。该分离器包括围绕燃气涡轮发动机的纵向轴线布置的多个涡流室。该分离器还包括可密封的收集室，其与多个涡流室中的每一个涡流室的脏出口连通。所述多个涡流室将至少百分之70的夹带固体颗粒从气流分离到可密封的收集室中。

在另一方面，本公开提供了一种用于从燃气涡轮发动机中的压缩气流分离夹带固体颗粒的方法。该方法包括经由围绕压缩机叶轮的叶轮护罩中的多个开口从压缩气流中提取二次气流。该方法还包括使用多个涡流室将夹带固体颗粒从二次气流分离。该方法还包括在燃气涡轮发动机的操作期间从密封的收集室中的涡流室中的每个涡流室的脏出口收集固体颗粒。

通过阅读下面的详细描述，将更全面地理解本发明的这些和其他方面。

附图说明

图1是示出传统燃气涡轮发动机的各方面的侧剖视图的示意图。

图2是示出碎屑颗粒尺寸的示例分类的图。

图3是示例性多级颗粒分离器的侧剖视图。

图4是显示图3的示例性多级颗粒分离器内的流动路径的侧剖视图。

图5是涡旋分离器的透视图。

图6是图5中的涡旋分离器的轴向剖视图。

图7是图5中的涡旋分离器的横向剖视图。

具体实施方式

以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而不意在表示仅可实践本文所描述的概念的配置。详细描述包括用于提供对各种概念的透彻理解的具体细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些实例中，众所周知的部件以框图形式示出，以避免模糊这些概念。

此书面描述使用示例来公开本发明，包括优选实施例，并且还使任何本领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则意在使这些其他示例处于权利要求的范围内。来自所描述的各种实施例的方面以及每个这样的方面的其他已知等同物可以由本领域普通技术人员混合和匹配，以构建根据本申请的原理的另外的实施例和技术。

如本文所用，术语“轴向的”或“轴向地”是指沿发动机的纵向轴线的尺寸。与“轴向的”或“轴向地”结合使用的术语“向前(或称为前部，即forward)”是指朝向发动机入口的方向移动，或者与另一个部件相比相对更靠近发动机入口的部件。与“轴向的”或“轴向地”结合使用的术语“向后(或称为后部，即aft)”是指朝向发动机的后部或出口的方向移动，或者是比入口相对更靠近出口的部件。

如本文所用，术语“径向的”或“径向地”是指在发动机的中心纵向轴线和外部发动机圆周之间延伸的尺寸。术语“近侧的”或“近侧地”，或者自身单独使用或者与术语“径向的”或“径向地”一起使用，是指朝向中心纵向轴线的方向移动，或者是与另一个部件相比相对更靠近中心纵向轴线的部件。术语“远侧的”或“远侧地”，或者自身单独使用或者与术语“径向的”或“径向地”一起使用，是指朝向外发动机圆周的方向移动，或者是与另一个部件相比相对更靠近外发动机圆周的部件。如本文所用，术语“侧向的”或“侧向地”是指垂直于轴向和径向尺寸两者的尺寸。

图1是用于飞行器的燃气涡轮发动机10的示意性横截面图。发动机10具有大致纵向延伸的轴线或中心线12，其从前部14至后部16延伸。发动机10以下游串联流动关系包括：包括增压器或低压(lp)压缩机24和高压(hp)压缩机26的压缩机区段22，包括燃烧器30的燃烧区段28，包括hp涡轮34和lp涡轮36的涡轮区段32，和排放区段38。hp压缩机26、燃烧器30和hp涡轮34形成发动机10的核心44，其产生燃烧气体。核心壳体46围绕核心44。

绕发动机10的中心线12同轴设置的hp轴或卷轴48将hp涡轮34驱动地连接到hp压缩机26。在更大直径环形hp卷轴48内绕发动机10的中心线12同轴设置的lp轴或卷轴50将lp涡轮36驱动地连接到lp压缩机24。安装到卷轴48,50中的任一个或两个并与其一起旋转的发动机10的部分被单独地或共同地称为转子51。

lp压缩机24和hp压缩机26分别包括多个压缩机级52,54，其中一组压缩机叶片58相对于相应的一组静态压缩机导叶60,62(也称为喷嘴)旋转以压缩或加压通过级的流体的流。在单个压缩机级52,54中，多个压缩机叶片56,58可以成环设置并且可以相对于中心线12径向向外延伸，从叶片平台到叶片尖端，而对应的静态压缩机导叶60,62定位成下游于且毗邻于旋转叶片56,58。应注意的是，在图1中示出的叶片、导叶和压缩机级的数量仅选择用于说明目的，并且其他数量是可能的。用于压缩机级的叶片56,58可以安装到盘53，盘53安装到hp和lp卷轴48,50中的对应一个上，其中每个级具有其自己的盘61。导叶60,62围绕转子51以圆周布置安装到核心壳体46。

hp涡轮34和lp涡轮36分别包括多个涡轮级64,66，其中一组涡轮叶片68,70相对于对应的一组静态涡轮导叶72,74(也称为喷嘴)旋转，以从通过该级的流体的流中提取能量。在单个涡轮级64,66中，多个涡轮叶片68,70可以成环设置并且可以相对于中心线12径向向外延伸，从叶片平台到叶片尖端，而对应的静态涡轮导叶72,74定位成上游于且毗邻于旋转叶片68,70。应注意的是，在图1中示出的叶片、导叶和涡轮级的数量仅选择用于说明目的，并且其他数量是可能的。

在操作中，空气被供应到lp压缩机24，然后lp压缩机24将加压的环境空气供应到hp压缩机26，hp压缩机26进一步对环境空气加压。来自hp压缩机26的加压空气在燃烧器30中与燃料混合并被点燃，从而产生燃烧气体。由hp涡轮34从这些气体中提取一些功，其驱动hp压缩机26。燃烧气体被排出到lp涡轮36中，lp涡轮36提取额外的功以驱动lp压缩机24，并且排放气体最终从发动机10通过排放区段38排出。lp涡轮36的驱动驱动lp卷轴50以使lp压缩机24旋转。

环境空气中的一些可旁绕发动机核心44并用于冷却发动机10的部分，尤其是热部分，和/或用于冷却或供力飞行器的其他方面。在涡轮发动机的背景下，发动机的热部分通常在燃烧器30尤其是涡轮区段32的下游，其中hp涡轮34是最热部分，因为它在燃烧区段28的直接下游。冷却流体的其他来源可以是但不限于从lp压缩机24或hp压缩机26排出的流体。

图2是示出碎屑颗粒尺寸的示例分类的图200。图200示出了颗粒尺寸的三种分类：粗颗粒210，细颗粒220和超细颗粒230。粗颗粒210通常具有小于1000微米(microns或μm)并且通常大于80μm的平均颗粒直径。粗颗粒210可以是例如沙子。细颗粒220通常具有小于80μm并且通常大于5μm的平均颗粒直径。超细颗粒230通常具有小于5μm的平均颗粒直径。不同的颗粒尺寸在燃气涡轮发动机的气流内可以表现不同，在燃气涡轮发动机中具有不同的效果，并且损坏燃气涡轮发动机的不同部件。例如，粗颗粒210的行为(或称为特性，即behavior)由颗粒动量支配。也就是说，粗颗粒210倾向于沿直线行进。然而，细颗粒220的行为可能受离心力的支配。例如，当气流涡旋时，细颗粒可被拉到燃气涡轮发动机的外侧。相反，超细颗粒230的行为由拖曳力支配。例如，超细颗粒230随着气流行进并且可能粘附到燃气涡轮发动机的表面。粗颗粒210倾向于损坏压缩机转子组件和叶轮。特别地，粗颗粒210在叶轮的前缘上引起毛刺和翻起(rollover)，并且随着粗颗粒210磨损旋转部分而使尖端变圆。超细颗粒230倾向于积聚在燃烧器30或涡轮34,36上或内。例如，超细颗粒230可能积聚在涡轮叶片的冷却孔内并最终阻塞冷却孔，导致涡轮温度升高。

在一方面，入口颗粒分离器在它们进入压缩机区段22之前清除粗颗粒210中的至少一些。示例入口颗粒分离器的进一步细节描述在在2016年1月21日提交的标题为“用于涡轮发动机的进气颗粒分离器”的共同未决的美国申请no.15/002,839和在2016年7月20日提交的标题为“多站碎屑分离系统”的美国专利申请号[]代理人案号为283711/037216.00047中，两者均通过引用整体并入本文。

图3是多级分离器340的侧剖视图。多级分离器340位于自压缩机区段22的下游，该压缩机区段压缩入口气流并提供压缩气流。压缩机区段22还将剩余在输入气流内的较大颗粒粉碎成较小的颗粒(例如，超细颗粒)。多级分离器340包括一个或多个分离器，其排出压缩气流的一部分以用于各种用途。例如，多级分离器340包括涡旋分离器342和清洁空气排出口344。在一个方面，多级分离器340适于从压缩气流中清除较小颗粒(例如细颗粒和超细颗粒)。多级分离器340设计成清除通过压缩机的超细颗粒。在该级清除优选至少70%、更优选80%的超细材料。

多级分离器340接收来自压缩机314的压缩气流。特别地，压缩机叶轮510是压缩机区段22的最后一级。如图所示，压缩机叶轮510是向心叶轮，其进一步压缩气流并沿径向远侧方向推动空气抵靠叶轮护罩514。叶轮护罩514限定了具有减小的横截面的流动路径的一部分。当压缩气流离开压缩机叶轮510时，气流加速。压缩机叶轮510和叶轮护罩514还使气流沿径向远侧方向转向。压缩机外壳518支撑叶轮护罩514并且还在压缩机外壳518和叶轮护罩514之间限定主流动路径的外侧的空间。

多级分离器340包括涡旋分离器520、扩散器530、清洁空气排出口540、可选的热交换器550和去涡旋器560。涡旋分离器520包括沿叶轮护罩514的径向远侧表面定位的进口516。当压缩机叶轮510沿径向远侧方向转向气流时，径向远侧表面限定流动路径的表面。例如，进口516包括罩(cowl)，该罩在叶轮护罩514的径向远侧表面内具有至少一个开口。例如，该至少一个开口可以是连续狭缝或多个开口。因为夹带在压缩气流504内的固体颗粒主要是超细颗粒230，所以拖曳力倾向于占支配地位，并且颗粒沿着叶轮护罩514的径向远侧表面集中。压缩气流的一部分经由多个开口进入涡旋分离器520，将固体颗粒运送到涡旋分离器520中。

在一个实施例中，涡旋分离器520包括围绕叶轮护罩514的多个涡旋室。涡旋分离器520适于分离超细颗粒，因为拖曳力使得超细颗粒剩余在外部涡流中，而相对清洁的空气可以从内部涡流中提取。相对清洁的空气通过出口排出以形成清洁的气流，同时固体颗粒被收集在收集室中。收集室是可密封的收集室，其在燃气涡轮发动机300的操作期间被密封。因此，压缩气流504不会失去至排气孔(或称为通风口、出口，即vent)的流动。在停机、清洁或启动操作期间，收集室被排气。例如，当空气启动器用于启动燃气涡轮发动机300时，收集室被排气。

扩散器530将压缩气流504的第一剩余部分在径向远侧方向上朝向去涡旋器560输送。扩散器530由扩散器外壳524支撑。扩散器外壳524和扩散器530限定用于来自涡旋分离器520的净化气流的流动路径。换句话说，来自涡旋分离器520的净化空气在扩散器外壳524内流动，而不重新进入扩散器530内的主气流。多壁部件(例如，去涡旋器560)的壁之间的管道或通道将净化气流引导至可选的热交换器550和下游冷却和/或加压使用。

去涡旋器560位于扩散器530的径向远侧边缘附近。去涡旋器560使气流沿轴向向后方向转向并减少气流的侧向移动。去涡旋器560的径向远侧表面部分地由发动机支架552限定，发动机支架552形成燃气涡轮发动机300的径向远侧壁。清洁空气排出口540位于去涡旋器560的径向近侧表面处。例如，清洁空气排出口540包括在去涡旋器560的径向近侧表面内的开口，该开口形成至清洁空气排出口540的入口。由于离心力和拖曳力，夹带在主气流内的剩余固体颗粒倾向于沿着发动机支架552和扩散器530的径向远侧表面拖曳。因此，清洁空气排出口540将相对清洁空气的一部分与压缩的主气流分开。在一方面，清洁空气排出口540还包括偏转器，其部分地覆盖至清洁空气排出口540的入口。偏转器将固体颗粒从入口偏转到清洁空气排出口540，以在清洁空气排出口540内提供更清洁的气流。

清洁空气排出口540还包括管道或通道，其形成第二流动路径到可选的热交换器550的和下游冷却用途。压缩的主气流的剩余部分行进通过去涡旋器560到燃烧器316中。

可选的热交换器550冷却一个或多个净化气流。例如，热交换器550与涡旋分离器520或清洁空气排出口540流体连通。热交换器550包括用于一个或多个净化气流和用于相对脏的废气流的分开的流动路径。例如，废气流可以是旁路气流或环境空气。净化气流可以是来自涡旋分离器520的第一净化气流或来自清洁空气排出口540的第二净化气流。来自被压缩的净化气流的热被传递到脏的气流中，该脏的气流然后被排气。

图4是示出示例性多级分离器340内的气流的侧剖视图。压缩机314提供来自压缩机叶轮512朝向叶轮护罩514的压缩气流504，其中涡旋分离器520排出压缩气流504的一部分并产生第一净化气流610。压缩气流504的剩余部分行进通过扩散器530，直到清洁空气排出口540排出第二净化气流620。压缩气流504的剩余部分变为流动路径气流630，其流到燃烧器316。流动路径气流630经由燃料喷嘴640进入燃烧器316，其中流动路径气流630与燃料混合并被点燃。流动路径气流630还经由燃烧器衬里(或称为衬套，即liner)642中的开口进入燃烧器316。

第二净化气流620可以是最清洁的气流。例如，第二净化气流620可具有比压缩气流504、第一净化气流610或流动路径气流630更低浓度的固体颗粒。第二净化气流620可用于冷却高压涡轮320的第一级。第二净化气流620在其至高压涡轮320的路上流过可选的热交换器550。燃气涡轮发动机300的多壁部件内的管道或通道将第二净化气流620引导至加速器564。第二净化气流620经由冷却孔从加速器564穿过涡轮叶片并且提供涡轮叶片的薄膜冷却。

第一净化气流610被引导至高压涡轮320的第二级。第一净化气流610可以具有比第二净化气流620更低的压力。燃气涡轮发动机300的多壁部件内的管道或通道经由燃烧器216的外部壳并经由支承槽(或称为轴承槽，即bearingsump)566将第一净化气流610引导至高压涡轮的第二级。高压涡轮320的第二级可以在比高压涡轮的第一级更低的温度下操作，并且不易受固体颗粒的损坏。

图5是涡旋分离器700的透视图。涡旋分离器700是涡旋分离器520的示例。然而，应该理解的是，涡旋分离器700可以位于核心302内的不同位置中。例如，涡旋分离器700可位于压缩机314之前。涡旋分离器700包括罩710，罩710包括与多个涡流室740流体连通的多个开口720。边缘730限定罩710的一端。涡流室740与收集室750流体连通，收集室750还限定涡旋分离器700的主体。凸缘760连接到收集室750，以为涡旋分离器700提供结构支撑和附接点。

罩710限定核心302内的流动路径的径向远侧表面。在一个实施例中，罩710是叶轮护罩514的径向远侧表面。也就是说，整流罩710有助于限制来自压缩机314的压缩空气的流动路径。此外，因为压缩空气侧向地在罩710内旋转，夹带在压缩空气内的颗粒经受离心力，导致颗粒接触罩710。在一个实施例中，罩710包括脊712，脊712增加颗粒上的拖曳力并有助于减缓颗粒的轴向移动。

多个开口720处于朝向罩710的轴向远侧端。在一个实施例中，开口720轴向伸长。可以改变开口720的尺寸、形状和数量以排出压缩空气的期望部分。例如，开口720的数量可以在大约10和100之间，优选地大约为60。每个开口720与相应的涡流室740流体连通。如下面将进一步详细描述的，开口720通向涡流室740的入口。涡流室740产生将固体颗粒拉入收集室750中的外部涡流和将清洁空气拉到涡流室740的出口的内部涡流。

收集室750包括一个或多个中空区域，其接收来自涡流室740的颗粒。在一个实施例中，收集室750是可密封的。例如，收集室750包括可以打开或关闭的一个或多个排气孔754。排气孔754在燃气涡轮发动机300的操作期间关闭。因此，收集室750在操作期间保持收集的颗粒。而且，因为收集室750在操作期间不排气，所以收集室750不会导致压力上的损失。在停机、清洁或启动操作期间，收集室750被排气。在启动操作期间，经由收集室750的排气有助于降低压缩机314上的背压。

图6和7示出了涡旋分离器700的进一步细节。图6是涡旋分离器700和涡流室740中的一个的轴向剖视图。图7是涡旋分离器700的横向剖视图。开口720经由弯曲通道722与涡流室740流体连通。弯曲通道722引起气流724弯曲，开始涡旋运动。如图6中最佳所示，弯曲通道722通过限定涡流室740的外壁742与涡旋室的第一端连通。外壁742具有大致锥形形状并且纵向延伸到敞开的第二端752。位于中心的涡流探测器(或称为涡流发现器，即vortexfinder)744从涡流室740的第一端纵向延伸。涡流探测器744限定出口流动路径748。涡流探测器744包括柱形部分和锥形部分746，柱形部分具有位于涡流室740的第一端附近的实心壁，锥形部分746具有从柱形部分纵向延伸的穿孔壁。

涡流室740的第二端752沿径向近侧方向延伸到收集室750中。第二端752位于收集室750的径向近侧表面756附近。涡流室740也可以侧向成角度的。

在操作中，压缩空气的气流724进入开口720并沿着弯曲通道722进入涡流室740。外壁742和涡流探测器744的柱形部分继续弯曲气流724以形成围绕涡流探测器744螺旋的外涡流。当气流724到达锥形部分746时，由于离心力和拖曳力，夹带在气流724中的固体颗粒倾向于移动到外壁742。涡流室740的中心附近的清洁空气经由穿孔并经由内部涡流开口进入涡流探测器744。夹带固体颗粒的脏空气继续纵向移动并通过第二端752排放到收集室750中。涡流室740的侧向角度赋予收集室750内的空气圆周运动。固体颗粒被抽向收集室的径向远侧壁758，而不是重新进入第二端752。出口流动路径748提供清洁气流，例如，第一净化气流610。

燃气涡轮发动机300的部件可以使用增材制造(am)工艺来制造。am包含在各种名称下已知的各种制造和原型制作技术，包括自由形式制造、3d打印、快速原型制作/模具制造等。am技术能够由广泛种类的材料制造复杂的部件。通常，独立式物体可以由计算机辅助设计(cad)模型制作。特定类型的am工艺、直接金属激光熔融(dmlm)，使用能量束例如电子束或电磁辐射诸如激光束来烧结或熔化粉末材料，从而产生固体三维物体，其中粉末材料的颗粒结合在一起。am可特别适用于制造例如涡旋分离器700，其包括多个同心和同轴子部件。在一方面，涡旋分离器700可以沿纵向轴线以逐层方式制造。am工艺可以将涡旋分离器700制造为集成结构。

此书面描述使用示例来公开本发明，包括优选实施例，并且还使任何本领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则意在使这些其他示例处于权利要求的范围内。来自所描述的各种实施例的方面以及每个这样的方面的其他已知等同物可以由本领域普通技术人员混合和匹配，以构建根据本申请的原理的另外的实施例和技术。