專利名稱：一種渦輪機擴散器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種渦輪機。本發明適用于任何類型的地面或航空渦輪機，而且特 別適合于航空渦輪噴氣發動機。
背景技術：
在本發明專利申請中，術語"上游"和"下游'的定義是相對于燃氣在渦輪機中的 正常流動方向(從上游到下游)。此外，渦輪機的軸是渦輪機轉子的旋轉軸。軸向 方向對應于渦輪機軸的方向，而徑向方向是垂直于所述軸的方向。同樣，軸向平面 是包含了渦輪機軸的平面，而徑向平面是垂直于所述軸的平面。最后，除非另有相 反規定，形容詞"內"和"外"的使用均是相對于徑向方向，也就是說一個構件的 內部(即徑向內部)要比該構件的外部(即徑向外部)更靠近渦輪機軸。
本發明涉及的這種渦輪機包括
.帶有燃燒室端壁的環形燃燒室，該端壁提f賄噴射 L，而噴射系統就安裝在其
內；
帶有離心式下游級的壓縮機;
-環形擴散器(diffiiser)，其能使來自壓縮機的燃氣流得到擴散，并將所述燃氣 流導向所述噴射系統。
帶有離心式下游級的壓縮機通常包括旋轉葉輪。該葉輪包括一系列被帶動旋轉 的葉片，其方式使得燃氣加速穿過葉輪。
擴散器在葉輪的周圍提供有環形空間。擴散器用來減少離開葉輪的燃氣的流動 速度，從而增加了燃氣的靜態壓力。擴散器可以是葉片型或導管型的。
一般來講，這兩種類型的擴散器都包括一種徑向環形上游部分，該部分提供連 接到壓縮機出口端的一系歹U擴散通道，以重新獲得來自壓縮機的加速氣體。這些擴 散通道的截面都自上游至lj下游呈轉腿增大，從而擴散來自壓縮機的燃氣流。葉片型 的擴散器利用了一系列圓形彼此相間的葉片，從而形成擴散通道。在管道型擴散器 中，擴散通道是通過導管或管子部件構成的，例如，在兩個連接到一起的相對而置 的板材之間形成。
從上游部分向下游方向，擴散器一般都包括肘開》的環形中間部分，用于將擴散 器的流路形成曲線狀，使得燃氣流向燃燒室。
從中間部分向下游方向，擴散器一般包括環形下游部分，其由一系列圓形等距 離間隔的導直葉片組成，用來4M氣流方向變直，從而在燃氣流離開擴散通道，進
入到燃燒室之前，降低或消除燃氣流的周向渦旋(circumferentialswirling)。
一般來講，燃燒室的噴射孔的中心的分布是在半徑R1的圓上圍繞渦輪機的軸， 而擴散器下游部分平均半徑R2則大于半纟5 Rl 。
在某些已有技術的渦輪機中，擴散器的下游部分是按照燃燒室的外殼體的線型， 并朝向繞過燃燒室的外部區域(g卩燃燒室和外殼體之間的通道區域)。換句話說，在 包含了渦輪機軸的截面上，擴散器下游部分出口處的流路的平均軸(mean axis)與 燃燒室外的旁通流路的平均軸相平行。該解決方案并不能令人滿意，因為所有離開 擴散器的主燃氣流，在外部流路和流入燃燒室的端壁和內旁通區域(即燃燒室和內 殼體之間的通道區域)的流路之間被共享前，都是在外部繞過燃燒室。然后，流入 噴射系統和內旁通區域的是自主燃氣流改道而來的副燃氣流，這種轉向會造成擴散 器輸出端和噴射系統上游端之間以及在擴散器輸出端和內旁路區域之間產生很大的 壓降(即壓力損失)。
就功能而言，這種壓降所帶來的后果如下
在設計渦輪機時，擴散器輸出端和噴射系統之間的很大的壓降需要通過整體 增加擴散器輸出端和燃燒室輸出端之間的組件的壓降M行補償，以便保持在通過 噴射系統時的壓降，以足以確保空氣-燃料的混合及燃燒。而組件壓降的提高則會引 起燃料消耗的增加。
燃燒室的外旁通區域和內旁通區域之間的供氣是相當對稱的(主燃氣噴射 和稀釋燃氣(dilution gas)噴射在外部比內部滲透更多)，這就使得燃燒室出口的 溫度分布很難控制。
向內旁路區域供氣不良則會弓胞冷卻燃燒室內壁的裝置內燃氣流速下降，從 而降低了對流換熱系數，進而降低了所述冷卻的整體效率。
向內旁路區域供氣不良會引起超壓比的下降，進而會降低對位于燃燒室下游 渦輪噴嘴的冷卻效率。
為了避免這些缺陷，在其它已有技術渦輪機中，諸如FR2 372 965號專利文件 所述渦輪機中，擴散器的下游部分相對于渦輪機軸向燃燒室一側傾斜，其方式是這
樣的，在包含渦輪機軸的截面上，擴散器下游部分出口端流路的平均軸經由燃燒室 端壁在燃燒室端壁的最大半徑和最小半徑之間穿過。流路定義為限定燃氣流通空間 的范圍，進而形 氣流。在擴散器下游部分，流路是由所述下游部分的內部形狀 而形成的。
擴散器的下游部分相對于渦輪機軸朝向燃燒室端壁的這種傾斜則起到了改進作 用，因為通過向這些系統更直接地供氣，斷氐了在擴散器出口端和噴射系統上游端 之間的壓降。此外，它還可以使得燃燒室外旁通區域和內旁通區域的供氣相互更加 對稱，也改善了向內旁通區域的供氣。再者，同樣，可以實現向每個噴射系統的各 個進入通道更均勻地供氣。

發明內容
本發明旨在改進這種類型的渦輪機，從而能夠更進一步改善向噴射系統的燃氣 供給。
為了實現此目的，本發明設有一種上述類型的渦輪機(即帶有一個擴散器的下 游部分，該部分相對于渦輪機軸向燃燒室端壁傾斜)，其中，擴散器下游部分內的導 直葉片相對于噴射孔(并進而相對于布置在所述孔內的噴射系統)的布置是這樣的 在包含了渦輪機軸和穿過其中一個所述噴射 L中心的截面上，在沿導直葉片后緣處 流路中央和所述中心之間的流管上的曲線橫坐標距離大于或等于導直葉片后緣處所 述流路的高度的三倍。
在本發明的研究期間，發明者發現，擴散器下游部分的導直葉片會引起自其后
緣下游燃氣流的紊亂(所用術語是"尾流"(wake))，時還發現這些紊舌L^向噴射系 統供氣是有害的。特別是，這種供氣在每個系統的噴射軸周圍是不對稱的。然而， 在進一步遠離導直葉片的后緣時，這些紊亂則會降低。為此，本發明提出了將噴射 孔(以及噴射系統)設置在遠離導直葉片后緣處，以確保這些孔位于紊亂甚少或實 際沒有紊亂的區域，從而改善了向噴射系統的供氣。
根據本發明，人們會發現，噴射系統的燃氣供應得到改善(尤其是圍繞噴射軸 更加對稱)，這樣，就可以具體地改善燃氣速度低時的燃燒穩定性，更好地控制燃燒 室出口端的溫度分布，限制燃燒和擴散器出口端流量之間的非穩定聯接的風險。
盡管如此，噴射 L決不可以距離導直葉片太遠，目的是通過擴散器出口端和噴 射系統上游之間的氣流分布而限制壓降。為此，在本發明的一個實施例中，在包含
了渦輪機軸和穿過其中一個所述噴射孔中心的截面上，在沿導直葉片后緣處流路中 央和所述中心之間的流管上的曲線橫坐標距離小于或等于導直葉片后緣處所述流路 的高度的九倍。
為了改善流經擴散器下游部分的燃氣流整直狀況，導直葉片的數量最好很大， 但是又不會引起氣動力阻塞，后者對離心級的充氣范圍有害。為此，在本發明的一 個實施例中，導直葉片的數量要大于噴射系統的數量。導直葉片的數量優選至少是 噴射系統的數量的四倍。隨著導直葉片數量的增加，葉片弓跑的湍動結構的數量同 樣會增加(但是，這些結構都是比較小的尺寸)，因此，本發明具有更大的便利特性，
因為它可以使得這些湍動結構能量在導直葉片后緣和噴射孔之間的建i"巨離內得到 耗散。
下面結合示例，并閱讀本發明實施例的如下詳細說明，可以更好地理解本發明 及其優點，但本發明并不僅限于所示示例。


圖1到圖3為軸向半剖面示意圖，示出了根據本發明的航空渦輪噴氣發動機的 三個示例中的壓縮機、擴散器和燃燒室組件；
圖4示出了圖1中的燃燒室組件，以及流過該組4牛的燃氣流路；以及
圖5示出了圖1中渦輪機在徑向截面，沿V-V平面剖開的擴散器的下游部分；
圖1到圖3示出了軸向半剖面的渦輪噴氣發動機的示例，該截面包含了渦輪噴 氣發動機轉子的旋轉軸A。
具體實施例方式
流過渦輪噴氣發動機的氣體為空氣。
渦輪噴氣發動機包括高壓壓縮機10，其帶有由離心級構成的下游部分(圖1到 圖3中可以看到)，以及下游與壓縮機10相連的環形擴散器20，所述擴散器的開口 面向環形燃燒室40周圍空間30。空間30由外殼體32和內殼體34形成，二者均為 同心。燃燒室40由與殼體32和34相連接的緊固件凸緣來支撐。
離心式壓縮機10包括旋轉葉輪12。葉輪12由一系列被帶動旋轉的活動葉片14 組成。葉輪12采用的方式使空氣能夠加速流過葉輪，并進而增加了所述空氣的動能。
擴散器20設有圍繞葉輪的環形空間。擴散器20用于降低來自葉輪的空氣的速
度，并進而增加了其靜態壓力。圖中所示擴散器20為葉片型。
擴散器20帶有徑向環形上游部分21，該部分設有一系列擴散通道22，這些通 道連接到壓縮機20的出口端，目的是重新獲得來自葉輪12的加速空氣。這些擴散 通道22的截面從上游向下游呈漸進增大，以便擴散自葉輪處流出的空氣。擴散通道 22是由一系列環形相間的葉片23構成。在上游部分21的入口端，這些葉片彼此相 互靠近。這些葉片23在接近上游部分21出口端時沿圓周方向彼此分開。
從上游部分21向下游方向，擴散器20包括一個肘形的環形中間部分24，用于 將擴散器的流路形成曲線狀，并使空氣流向燃燒室40流動。
從中間部分24向下游方向，擴散器20帶有環形下游部分25，后者由一系列環 形相間的導直葉片26組成，用于降低或消除來自擴散通道22的空氣流在進入到空 間30前出現的周向渦旋。圖5示出了導直葉片26的剖面，所述導直葉片的截面在 擴散器下游部分25出口端處與流路平均軸X相垂直。從圖中可以看出，導直葉片 26在擴散器下游部分25的內壁和外壁之間徑向延伸。
燃燒室40包括環形內壁42，環形外壁43和在所述燃燒室上游區域內所述內壁 和外壁42和43之間的環形燃燒室端壁41 。燃燒室端壁41設有噴射孔44，后者圍 繞軸A呈環形分布。噴射系統45通過戶，噴射孔44 (每個噴射孔44內有一個噴射 系統45)安裝在燃燒室端壁上。這些噴射系統45使空，燃料混合物被噴入燃燒室 40內燃燒。混合物中的燃料通過穿過空間30的供油管46輸送到噴射系統45。
由燃燒室40、其殼體和其中間部分構成的組件通常稱之為燃燒室組件。
燃燒室40相對于渦輪噴氣發動機的軸A傾斜(非零)銳角B。該銳角B越大， 燃燒室組件的軸向范圍越短。
為了確保來自擴散器20的空氣流被導向噴射系統45，擴散器20的下游部分 25相對于渦輪噴氣發動機的軸A向燃燒室傾斜，即，在包括了渦輪噴氣發動機軸截 面上，擴散器的下游部分25出口端處流路的平均軸X經由燃燒室端壁41在燃燒室 端壁41的最大半徑R和最小半徑L之間通過。因為燃燒室端壁41呈環狀，且以軸 A為中心，半徑r和R沿徑向方向自軸A處延伸。為了說明這個瞎況，圖1和圖3 示出了燃燒室40的三個示例，其中，以上所規定的傾斜標準都得到滿足。在圖2 中，擴散器的下游部分25出口端處流路的平均軸X經由靠近最大半徑R的燃燒室 端壁41穿過。在圖3中，擴散器的下游部分25出口端處流路的平均軸X經由靠 近最小半徑L的燃燒室端壁41穿過。在圖1中，擴散器下游部分25出口端處流路
的平均軸X穿過靠近噴射孔44的中心C的燃燒室端壁41 。
根據本發明，以及參照圖4，后者示出了圖1所示燃燒室組件以及流過該組件 的空氣的流路，從而可以看到，在包含了渦輪噴氣發動機軸A和通過噴射孔44的 中心C的圖1和圖4所示的截面上，在沿導直葉片26后緣處流路中間位置O和所 述中心C (即屬于流管L和自O到C的曲線部分的長度)之間流管L的曲線橫坐 標距離大于或等于導直葉片后緣流路的高度h的三倍(其中，所述高度li對應于導 直葉片26的高度)。此外，所述曲線橫坐標距離小于或等于導直葉片后緣處所述流 路的高度的九倍。
權利要求
1.一種渦輪機，其包括帶有燃燒室端壁(41)的環形燃燒室(40)，所述端壁提供有噴射孔(44)，而噴射系統(45)就安裝在該孔內；帶有離心式下游級的壓縮機(10)；以及環形擴散器(20)，其使來自壓縮機(10)的燃氣流得到擴散，并將所述燃氣流導向所述噴射系統，該擴散器包括徑向上游部分(21)，其設有擴散通道(22)，后者連接到壓縮機的出口端；肘形中間部分(24)；和下游部分(25)，后者包括一系列環形相間的導直葉片(26)，所述下游部分(25)相對于渦輪機軸(A)朝向燃燒室傾斜，即，在包含了渦輪機軸(A)的截面上，擴散器(20)下游部分(25)出口端處的流路的平均軸(X)在燃燒室端壁(41)最大半徑(R)和最小半徑(r)之間穿過燃燒室端壁(41)；渦輪機的特征在于，在包含渦輪噴氣發動機軸(A)和穿過其中一個所述噴射孔(44)的中心(C)的截面上，在沿導直葉片(26)后緣流路中間位置(O)和所述中心(C)之間的流管(12)的曲線橫坐標距離大于或等于導直葉片(26)后緣的所述流路的高度(h)的三倍，其特征還在于，導直葉片(26)的數量至少是噴射系統(45)的四倍。
2. 根據權利要求1所述的渦輪機，其中，在包含了渦輪才幾軸(A)和穿過其中一個所 述噴射孔(44)的中心(C)的截面上，在沿導直葉片(26)后緣處的流路的中間位置 (0)和所述中心(C)之間的流管(L)的曲線橫坐標距離小于或等于導直葉片(26)后 緣的所述流路的高度(h)的九倍。
全文摘要
一種渦輪機，其包括一個帶有噴射孔(44)的環形燃燒室(40)；一個帶有離心式下游級的離心式壓縮機(10)；一個環形擴散器(20)，其包括一個徑向上游部分(21)，該部分提供有擴散通道(22)，后者連接到壓縮機的出口端；一個肘形中間部分(24)；和一個下游部分(25)，后者包括了一系列導直葉片(26)并相對于渦輪機軸(A)傾斜。在包含了渦輪機軸(A)和穿過其中一個所述噴射孔(44)的中心(C)的截面上，在沿導直葉片(26)后緣處的流路的中間位置(O)和所述中心(C)之間的流管(L)的曲線橫坐標距離大于或等于所述流路的高度(h)的三倍。
文檔編號F02C7/22GK101368512SQ200810130810
公開日2009年2月18日 申請日期2008年8月13日 優先權日2007年8月13日
發明者帕斯卡爾·羅萊, 帕特瑞斯·安德魯·科瑪雷, 米歇爾·安德魯·阿爾伯特·德索爾蒂, 羅曼·尼古拉斯·盧納爾 申請人:斯奈克瑪