专利名称：压气机端壁处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种燃气轮机，尤其是涉及到一种改进压气机气流失速特性的方法。
在燃气轮机发动机中，压气机叶片安装在转盘上，其叶片的顶端尽可能地靠近端壁。各种不同的密封技术被用于尽量小地减小顶端——端壁间隙和端部摩擦对密封的不利影响。压气机转子叶片顶端——端壁间隙增长，有效地减小压气机失速裕度，主要是由于叶片压力侧面与吸气侧之间的泄漏。这种泄漏减小了通过叶片通道的总的流动动量，减小叶片压力升高的能力，因此减小失速裕度。由于这种泄漏，从叶片根部至顶端的压力曲线，以相对顶端的总压力降表示。间隙失速裕度损失增加，或许由于端壁与叶片吸气侧面边界层的结果，一种情况可能在吸气侧面产生边界层分离，在该区域产生流动阻塞。
本发明的目的在于通过尽量减小端壁与压气机叶片顶端之间的顶端间隙的有害影响，和通过有效地改进叶片端部附近的流动性能来改进压气机的失速裕度。
根据本发明，在叶片顶端和壁壁之间具有特殊的空气动力学结构，其在通道中提供顶端流，这样可以增加流动动量，并产生混合端壁流的效果。
根据本发明，一屏蔽衬垫围绕压气机叶片安装在端壁中，该衬垫包括以一定角度倾斜的一端不通的蜂窝状室。角的一边在叶片转动方向上，相对于切向轴线方向，角的第二个边相对于叶片的径向(法向)。根据叶片压力侧面的提前量，蜂窝状室随压力侧面空气“充气”，并且由于叶片与第一室相交，室通到吸气侧面，产生从室放射出的瞬时高速流动喷射。
为了实现上述两个主要目的，选择室的合成角度。面对前置叶片压力侧面进行室定向，以便获得由移动叶片传递的空气动力压力。这保证室随空气充气，在产生感应压比的有效喷射中是有效的。而且，沿叶片弦取向，结果使所生成的喷射方向在气流方向具有一重要分量，该分量增大流动动量。以合成角度来自室的高速喷射，在没有破坏主流的情况下使最外端壁流有效地混合(冲击范围的稳定性)，尽可能小地减小效率损失。在流动方向的喷射分量增大了流动动量，是通过在顶部区域增加总压的一种情况。
根据本发明，选择室的尺寸，使所产生的室抽空时间常数是叶片通过时间周期的几分之一。室的直径(垂直于室的轴线)是由叶片厚度决定的，室的深度(沿室的轴线)是所述范围的1-7倍。
本发明的特征是通过激励端壁附近的流场，提供具有最小压气机效率的最好失速裕度特性(处于静止或转动)。另一个特征是可以用于改进端壁和升力表面顶端之间的升力特征。例如，在压气机静的部分，具有这些室的衬垫放置在面对静止叶片顶部的转鼓上。明的其他好处和性能对于本领域中的技术人员从以下说明中可以清楚看出。
图1所示为图8所示典型燃气轮机发动机的1-1剖面图；图2所示为围绕本发明叶片的屏蔽截面的平面图3所示为图2中3-3剖面图；图4所示为图2中4-4剖面图；图5所示为所示的两层屏蔽的分解图；图6所示为屏蔽的数个室的视图；图7所示为叶片顶部和屏蔽的相邻层的放大图；图8所示为包括有屏蔽的燃气轮机发动机示意图。
在图1中，一组增压透平叶片10被安装到带有壳体16的各自的压气机转盘14上。如图8所示，叶片和转盘是燃气轮机发动机中的典型压气机部分的元件。静子叶片18位于叶片10的上游，以便引导空气流20。在壳体16中具有一圆形座22，用于安装包括有多层蜂窝状室28的环形衬垫24，图2放大了这些部件。其中，箭头RT表示叶片转动方向，箭头20表示进入压气机的空气流。图1表示由室28L层构成的衬垫24，将要说明的室以合成角取向，一个角为θ，第二个角为φ。角θ确定了从叶片切线方向即图2中RT方向的所述室的轴线30的位移。角度φ确定了从法线(径向)29的室轴线的位移。也许较容易地在图3中看到，室轴线30的取向使室的孔面对前置的叶片在RT方向运动。室也位于叶片的弦线上。这些性能的重要性将在以下进行说明。
当叶片转动时，它们经过室28扫描。这样，室28不同压力条件作为叶片位置的函数。例如参照一个室36，表示to时图2中叶片38的叶片位置。室位于叶片高压侧面处，但当叶片在TR方向转动时，它将在后面的时间t+1时被暴露在低压侧面，在早期to时(叶片位置)室40被压缩。为了清楚，将观察到图3中的箭头RTc表示沿图2中线3-3的叶片速度的合成。
参看图7，若室36那样，室40在to从高压侧面被初始压缩，在叶片通过整个室之后向低压侧面提供一空气41的脉冲或喷射。除了相对叶片或“空气叶形或升力表面”对室取向外，所述叶片的厚度为α。室的直径和室的深度或厚度L1至少等于d，最好是d的4倍。该比值是重要的，因为它控制与室的进、排气相关的时间常数。
在叶片通道方向具有速度分量的瞬时喷射(由于合成角度)在叶片顶端产生激励流动，该流动产生有效地混合，因此在端壁范围防止出现任意潜流分离。
θ和φ的大小取瘊于特定压气机的设计，但要满足室正确充气和流出，在低压侧面的激励喷射被取向。典型的这些角度值为θ＝34°，φ＝60°。
本发明通过有效地激励端壁流场尽量减小效率损失，来有效地改进压气机的失速裕度。设计实验也表明室的角度取向使衬垫很好的研磨密封，因为成一定角度的室在没有损坏叶片的情况下很容易被刮，当叶片顶部具有一相对衬垫的研磨顶部摩擦(在技术中已知)时。
由本发明所提供的流动激励作用，可以用于燃气轮机发动机的涡轮部分，通过插入一个围绕涡轮叶片的类似的蜂窝状衬垫，但在涡轮叶片转动时在室的增压中具有很大的区别。在上述压气机实施例中，室首先暴露到叶片的压力侧面，然后是低压侧面，在涡轮中，室首先暴露到低压侧，在室中降低压力，并且当叶片通过室时，增大的流量进入到室。这样减小了经过涡轮顶端和端壁之间间隙的泄漏，改进了涡轮效率。
根据上述说明的优点，本领域中的普通的熟练人员有能力整体或部分地进行修改本发明所公开的方案都离不开本发明的范围和精神。
权利要求
1.一种燃气轮机发动机，包括有一压气机级，该级包括有壳体和压气机叶片，其特征是位于壳体和压气机叶片顶端之间的衬垫包括有，从叶片顶端的高压侧面获取压力空气流的第一装置，用于当叶片转动时在空气流动方向，穿过叶片向叶片低压侧提供压力空气流。
2.根据权利要求1所述燃气轮机发动机，其特征是所述第一装置包括一组室，其中每个室相对流动方向下游点的切向方向以一角度和以对一壳体法线大于30°的第二角取向。
3.根据权利要求1所述燃气轮机发动机，其特征是所述第一装置包括有一组室，其中每个室以相对与叶片转动方向相切的线成某一角度，和相对壳体法线大于30°的第二角度向叶片顶端延伸。
4.根据权利要求2所述的燃气轮机发动机，其特征是所述衬垫包括每片都具有所述室的多层蜂窝片层。
5.根据权利要求2所述燃气轮机发动机，其特征是在所述的衬垫中包括具有所述室的蜂窝片层。
6.根据权利要求5所述燃气轮机发动机，其特征是室是直径基本等于叶片厚度、深度不小于该直径的多边形。
7.根据权利要求6所述燃气轮机发动机，其特征是室是直径基本等于叶片厚度，深度不小于该直径的多边形。
8.根据权利要求6所述燃气轮机发动机，其特征是所述长度大于所述直径。
9.根据权利要求7所述燃气轮机发动机，其特征是所述长度大于所述直径。
10.一种用于激励面对端壁翼型顶端的方法，该翼型具有向着端壁的运动，其特征步骤为在端壁和顶端之间安装一衬垫，该衬垫包括一个用于从叶片顶端的高压侧荻取压力空气流的第一装置，当相对端壁移动时，用于在空气流动方向穿过叶片间叶片低压侧提供压力空气流。
11.根据权利要求10所述方法，其特征是衬垫包括有一组室，其中每个室沿翼型弦并以一定角度向顶端延伸，该角度从正切翼型转动方向的线大于10°。
12.根据权利要求11所述方法，其特征在于是在所述的衬垫中，包括有一组室，其中每一室以一角度取向，使室轴线有一沿叶弦的分量，并以第二角度取向，该角度对于正交于端壁的叶片大于30°。
13.端壁和能相对端壁转动的翼型的组合，其特征是一衬垫位于端壁和翼型顶端之间，该衬垫包括有用于从顶端高压侧面荻取压力空气流的第一装置，用于当翼型相对端壁移动时，在空气流方向穿过顶端向叶片低压侧提供压力空气流。
14.端壁和能相对该端壁转动的翼型的组合，其特征是一衬垫位于端壁和翼型顶端之间，该衬垫包括有一组室，当翼型转动并处于所述转动方向合成角度时，每一室暴露翼型高的和低的压力侧面。
15.根据权利要求14所述组合，其特征是衬垫包括有一组室，其中每个室沿确定翼型弦的线并以对翼型相对移动方向正切线大于10度的角度，向顶端延伸，每一室的直径基本上等于顶端厚度，而且室的深度至少等于室的直径。
全文摘要
一种燃气轮机发动机的压气机部分，包括有围绕压气机叶片安装的衬垫，该衬垫包括有位于蜂窝结构中的室。每个室相对叶片顶端处于一合成角，当叶片转动，顶端经过整个室时，能激励顶端空气流，这样改进了失速裕度。每一室取向在叶弦方向并面对前置的叶片。当叶片转动时，它通过室进行扫描，并且当叶片通过室时，高压空气流在室中从叶片的高压侧面首先被获取并被释放到低压侧，在穿过叶片的空气流动方向产生高速气流的激励喷射。
文档编号F04D27/02GK1133404SQ9512188
公开日1996年10月16日 申请日期1995年12月4日 优先权日1994年12月5日
发明者S·J·卡利德 申请人:联合工艺公司