具有对在高压压缩机的输出端取样的冷却空气流的流量进
行调节的改良的装置的涡轮发动机
技术领域
[0001] 本
发明涉及双轴涡轮发动机，更具体地，本发明涉及对这些涡轮发动机的
高压压缩机和高压涡轮的组件进行通
风和冷却。
[0002] 更具体地，本发明涉及对在涡轮发动机的高压压缩机的输出端取样的冷却空气流的流量进行调节。
背景技术
[0003] 双轴涡轮发动机包括设置于
燃烧室输出端的高压涡轮，其用于从燃烧室排放的主气流中取得
能量，驱动位于燃烧室上游并为所述燃烧室提供压缩空气的高压压缩机。这些涡轮发动机还包括设置于高压涡轮下游的低压涡轮，其用于从主气流中取得多余能量，驱动设置于高压压缩机上游的低压压缩机旋转。
[0004] 这些涡轮发动机的高压压缩机可以包括具有
叶轮的下游离心级。
[0005] 这些涡轮发动机的高压涡轮通常包括由多个位于燃烧室输出端的静态
叶片形成的分配器，以及安装于分配器下游并由燃烧室排放的气体流驱动旋转的带叶片的盘。
[0006] 高压涡轮的带叶片的盘和高压压缩机的叶轮互相连接，成为涡轮发动机的高压
转子的一部分，由此涡轮的盘能够以公知的方式驱动压缩机的叶轮旋转。
[0007] 高压压缩机的叶轮的下游表面通常由在所述压缩机的输出端取样的空气流冷却，该空气流的流量通过迷宫式密封装置的旋转部分和静态部分之间的互动进行调节，该迷宫式密封装置将第一环形腔与第二环形腔隔开，所述第一环形腔特别由叶轮的下游表面限定，所述第二环形腔中流通有对高压涡轮的盘的叶片进行冷却的冷却空气流，以及用于提供给排气腔以限制高压涡轮的分配器和带叶片的盘之间的主气流泄露风险的空气流。
[0008] 但是，在某些这样的涡轮发动机中，叶轮的冷却空气流的流量可能要高于确保冷却所需的流量。
[0009] 特别地，这可能是由于上述迷宫式密封装置的旋转部分和静态部分之间的过度互动所造成的，特别地，这种过度互动可能发生于涡轮发动机的工作率发生改变的过程中。
[0010] 由此，高压压缩机所输送的气流的一部分在主气流中被无意义地取样，这极大地降低了这些涡轮发动机的性能。
[0011] 此外，叶轮的冷却空气流在到达第二环形腔时要比高压涡轮的盘的叶片的冷却空气流更热。上述两个气流的混合导致叶片的冷却空气流的
温度升高，这种升高是有害的，并且叶轮的冷却空气的流量越大，所述危害就越大。
发明内容
[0012] 特别地，本发明的目的为提供解决这些问题的简单，经济且有效的方案。
[0013] 特别地，本发明的目的为将涡轮发动机中的高压压缩机的叶轮的下游侧翼的冷却空气流的流量降低至标称值。
[0014] 为此，本发明提出一种双轴涡轮发动机，其包括：
[0015] -高压转子，该高压转子包括所述涡轮发动机的高压压缩机的叶轮，以及所述涡轮发动机的高压涡轮的带叶片的盘；
[0016] -在所述高压压缩机和所述高压涡轮之间轴向安装的燃烧室；
[0017] -两个共轴壁，所述两个共轴壁之间限定有环形空气喷射通道，该环形空气喷射通道连接至所述燃烧室的环形旁路空间，并对用于对所述高压涡轮的所述带叶片的盘的叶片进行冷却的冷却空气流进行
加速，该冷却空气流来自于所述燃烧室的所述环形旁路空间；
[0018] -第一迷宫式密封装置，其包括静态部分以及旋转部分，所述静态部分牢固连接至限定所述喷射通道的所述壁中的第一壁，所述旋转部分由所述高压转子的盘
支撑，并包括向所述静态部分突出的至少两个环形肋；
[0019] -第二迷宫式密封装置，其包括静态部分以及旋转部分，所述静态部分牢固连接至限定所述喷射通道的所述壁中的第二壁，所述旋转部分牢固连接至所述第一迷宫式密封装置的所述旋转部分；
[0020] -环形凸缘，该环形凸缘安装于所述高压涡轮的所述带叶片的盘的上游侧翼的对面，并与所述上游侧翼一起限定所述带叶片的盘的叶片的冷却回路的第一上游部分；
[0021] -第一环形腔，所述第一环形腔由所述叶轮的下游侧翼，所述燃烧室的内壳，限定所述喷射通道的所述第一壁，所述第一迷宫式密封装置，以及环形壁限定，所述环形壁轴向延伸，以将所述叶轮连接至支撑所述第一迷宫式密封装置的所述旋转部分的所述盘；
[0022] -第二环形腔，所述喷射通道通向该第二环形腔，所述第二环形腔由所述第一迷宫式密封装置，所述第二迷宫式密封装置以及环形壁限定，所述环形壁连接所述第一迷宫式密封装置和第二迷宫式密封装置的各自的所述旋转部分，并且所述环形壁中形成开口，这些开口使所述第二腔与所述高压涡轮的所述带叶片的盘的叶片的所述冷却回路连通；
[0023] -第三环形腔，该第三环形腔与用于流动所述涡轮发动机的主气流的通道连通，并至少由所述第二迷宫式密封装置和所述环形凸缘限定；
[0024] 所述涡轮发动机包括多个通道，以喷射来自所述涡轮发动机中的所述喷射通道的空气，所述多个通道形成于所述第一迷宫式密封装置的所述静态部分中，并显现在由所述第一迷宫式密封装置的所述旋转部分的两个肋所限定的环形腔中。
[0025] 在上述两个肋所限定的环形腔中，通过第一迷宫式密封装置的旋转部分和静态部分之间的空气喷射，能够减少，甚至可能抵消在第一和第二环形腔之间流通并在第一密封装置的旋转部分和静态部分之间穿过的空气流。
[0026] 在特定情况下，高压压缩机的叶轮的下游侧翼的冷却空气流(例如，该冷却空气流在所述压缩机的输出端取样)在第一腔中以大体上从上游到下游的方向流通，并通过第一迷宫式密封装置离开该第一腔，由此，本发明能够降低叶轮的冷却空气流的流量，并由此降低在高压压缩机的输出端取样的空气的量。
[0027] 特别地，这样能够改善涡轮发动机的性能，并降低在叶片的冷却回路中流通并来自于第二腔中的混合气流的空气流的温度，所述混合气流包括相对较冷并来自喷射通道的叶片的冷却空气流，以及相对较热并来自第一腔的叶轮的冷却空气流。
[0028] 以公知的方式，环形喷射通道优选地包括鳍片，这些鳍片是倾斜的，以降低叶片的冷却空气流相对于高压转子的相对切向速度。
[0029] 有益地，上述通道中的每一个连接至喷射通道的内部部分，相对于叶片的冷却空气流的流动，该内部部分位于上述鳍片的各自的下游末端的上游。
[0030] 由此，进入这些通道的空气的压
力要高于喷射通道的输出端的空气的压力。
[0031] 在上述的特定情况中，这些通道的输出端处的空气的压力可以基本上等于，或可能大于第一迷宫式密封装置的上游末端附近的叶轮的冷却空气流的压力。通常，这个压力实际上大于喷射通道的输出端处的叶片的冷却空气流的压力。
[0032] 通常，这些通道的输出端处的空气的压力实质上决定于这些通道和喷射通道之间的连接部的
位置，相对于喷射通道中的叶片的冷却空气流的流动，所述连接部或多或少地位于上游或下游。
[0033] 以公知的方式，相对于叶片的冷却空气流的流动，限定环形喷射通道的共轴旋转壁中的每一个包括基本上锥形的上游部分，和基本上径向的下游部分。
[0034] 特别地，这可以减小涡轮发动机的轴向体积。
[0035] 在本发明的一个实施方式中，涡轮发动机还包括用于连通第一环形腔和涡轮发动机的第四环形腔的装置，高压涡轮的带叶片的盘的毂在该第四环形腔中延伸。
[0036] 这样就可以在第一和第四环形腔之间建立空气流通，由此通过第一迷宫式密封装置进一步减少，甚至完全抵消第一腔和第二腔之间的空气流通。
[0037] 在第四环形腔中，来自第一腔的空气可以朝下游方向流通，同时确保对高压涡轮的盘的毂的
通风，该毂在所述第四腔中延伸。
[0038] 然后，该空气可以与在高压压缩机的上游级中取样并用于对盘的毂进行通风的空气流混合在一起。
[0039] 在从第一腔向第四腔流通的空气流来自于上述高压压缩机的叶轮的冷却流的情况下，该空气流的优势为在涡轮发动机的工作率的变化过程中，其温度变化比任何在高压压缩机的上游取样的空气流的温度变化更快。特别是由于这个原因，通过使用来自第二环形腔，并可以与在高压压缩机的上游取样的空气流混合的空气流对上述盘的毂进行通风，能够降低高压涡轮的转子和
定子之间的差异膨胀
水平。
[0040] 上述连通装置优选地包括通道，这些通道形成于高压转子的盘的上游表面和环形凸缘的下游表面之间，所述盘对第一迷宫式密封装置的旋转部分进行支撑，所述环形凸缘设置于将高压压缩机的叶轮连接至所述盘的壁的下游末端。
[0041] 举例来说，这些通道可以由槽形成，这些槽形成于上述凸缘的下游表面，或形成于上述盘的上游表面。
附图说明
[0042] 通过阅读以下提供的作为非限制性
实施例，并参考附图所进行的描述，可以更好地理解本发明，以及本发明的其他细节，优点和特征。
[0043] 图1为根据本发明第一实施方式的涡轮发动机的轴向截面的局部视图；
[0044] 图2为图1所示涡轮发动机的一部分的更大尺寸视图；
[0045] 图3为图1所示涡轮发动机的一部分的局部透视图，包括轴向截平面；
[0046] 图4类似于图2，示出了根据本发明第二实施方式的涡轮发动机。
具体实施方式
[0047] 图1至图3示出了根据本发明第一实施方式的涡轮发动机10的一部分，具体来说，该涡轮发动机可以特别为飞机
涡轮风扇发动机或涡轮螺旋桨发动机。
[0048] 如图1所示，沿着气体在涡轮发动机中流动的方向，涡轮发动机10从上游到下游依次包括：高压压缩机12，环形燃烧室14，及高压涡轮16，这些部件在图1中部分可见。
[0049] 高压压缩机在其下游末端包括用于向燃烧室14提供压缩气体的离心叶轮18。压缩机还可以包括其他旋转构件，例如，设置于叶轮18上游的带叶片的盘(图1中不可见)。
[0050] 高压涡轮包括上游分配器级20和下游转子级22。后者(即，下游转子级22)包括支撑叶片26的可旋转盘24，这些叶片26在由燃烧室14排放的燃烧气体流27中延伸，所述燃烧气体流通常被称为主气流。叶片26从上述气体流中提取机械能，以驱动叶轮18和高压压缩机12的任何其他旋转构件旋转。为此，压缩机的叶轮18和
涡轮机的带叶片的盘24通过环形罩28和30互相连接，所述环形罩28和30分别从叶轮18和盘24轴向突出，由此形成旋转时固定在一起的组件，该组件通常称为涡轮发动机10的高压转子。
[0051] 燃烧室14由基本环形的内壁32，基本环形的外壁(图1中不可见)，及室底部34(图1中部分可见)限定。
[0052] 燃烧室14的内壳相对于燃烧室14的内壁32径向向内延伸，并与内壁32限定燃烧室的旁路的环形空间38，所述内壳由弯曲的环形罩36形成，举例来说，该环形罩36连接至环形扩散器-
整流器(图1中不可见)，并安装于高压压缩机12的输出端。环形空间38用于流通来自高压压缩机12的输出端的空气流40，该空气流一方面通过形成于燃烧室的内壁32中的开口42提供给燃烧室内部，并且另一方面提供给高压涡轮16的转子级22的冷却回路，下面将会进行更加清晰的描述。
[0053] 弯曲的罩36确保将上述旁路空间38与由叶轮18的下游侧翼46和罩28限定的第一环形腔44分开。该第一腔44用于在运行过程中接收在高压压缩机12的输出端取样并用于冷却所述叶轮18的下游侧翼46的冷却空气流48。
[0054] 燃烧室14的内壁32通过锥形罩50连接至弯曲罩36。为此，弯曲罩36在其下游末端包括环形凸缘52，该环形凸缘52通过螺丝-
螺母型装置54或类似装置固定至形成于锥形罩50上游末端的环形凸缘56，还固定至用于将空气流59喷射到高压涡轮16的转子级22的前述冷却回路中的装置58，该装置58与燃烧室的旁路空间38连通。
[0055] 喷射装置58包括两个共轴环形壁，即，分别为内壁60和外壁62，它们限定环形的喷射通道64。内壁60和外壁62中的每一个包括截面从上游到下游减小的锥形上游部分，以及径向延伸的下游部分。因此，喷射通道64具有由弯曲部分隔开的锥形上游部分和基本上径向延伸的下游部分。
[0056] 在其下游部分，喷射通道64包括鳍片65(图3)，这些鳍片从内壁60轴向延伸，直到到达限定喷射通道64的外壁62，并且这些鳍片沿高压转子的旋转方向从外侧向内侧径向地切向倾斜。这些鳍片65用于在从运行过程中降低离开通道64的空气流相对于转子元件的相对速度，下面将会进行更加清晰的描述。
[0057] 在图1至图3所示实施方式中，壁60和62在它们的上游末端集合在一起，形成径向凸缘66，该径向凸缘66通过固定装置54被固定在弯曲罩36的凸缘52和锥形罩50的凸缘56上。
[0058] 举例来说，通过形成于锥形壁50中的开口67和形成于凸缘66中的径向通路68(图1)，喷射通道64的上游部分和燃烧室14的旁路空间38在固定装置54之间周向连通。
[0059] 喷射装置58的凸缘66通过锥形壁70沿下游方向径向向
外延伸，所述锥形壁70在下游末端具有固定在分配器级20上的环形内部结构74上的凸缘72。
[0060] 喷射通道64的下游部分通向第二环形腔76，该第二环形腔76在上游被第一迷宫式密封装置78限定，在下游被第二迷宫式密封装置80限定，并被环形壁82径向向内限定，该环形壁82连接迷宫式密封装置78和80的各自的旋转部分84和86。
[0061] 以公知的方式，第一迷宫式密封装置78的旋转部分84包括通常称为“密封元件”的周向肋88(图2)，举例来说，可以有4个周向肋，所述周向肋从圆柱形壁径向向外突出，所述圆柱形壁具有由高压转子的盘92支撑的圆形部分90。
[0062] 盘92包括中间部分93，该中间部分插入在形成于叶轮18的罩28的下游末端上的径向凸缘94和形成于盘24的罩30的上游末端上的径向凸缘96之间，凸缘94和96通过螺丝-螺母型装置98或类似装置固定至盘92。
[0063] 每个肋88的圆周顶端在圆柱形的易损件100对面延伸，该易损件100具有圆形的横截面和矩形的轴向截面，并由可磨损材料制成，即，该易损件100设计为在涡轮发动机投入使用之前被与肋88顶端的摩擦磨损。
[0064] 圆柱形的易损件100固定在环形壁101上，该环形壁101连接在喷射装置58的内壁60的径向内末端上，并且易损件100和环形壁101一起形成第一迷宫式密封装置78的静态部分。
[0065] 相似地，第二迷宫式密封装置80的旋转部分86包括周向肋或密封元件102(图2)，举例来说，可以有3个周向肋，所述周向肋从锥形壁104径向向外突出，锥形壁104在上游通过环形壁82连接至第一迷宫式密封装置78的旋转部分84，并在下游连接至环形凸缘
106(图1)，该环形凸缘106在高压涡轮16的盘24的上游侧翼的对面基本径向地延伸。每个肋102的圆周顶端在由可磨损材料制成的环形易损件108(图2)的阶梯形表面的对面延伸。该易损件108固定至喷射装置58的外壁62的径向内末端。
[0066] 在图1至图3所示的实施方式中，支撑第一迷宫式密封装置78的旋转部分84的盘92，分别连接迷宫式密封装置78和80的各自的旋转部分84和86的环形壁82，第二迷宫式密封装置的旋转部分86，以及凸缘106形成为一体。
[0067] 高压涡轮16的盘24的冷却回路包括环形通道110，该环形通道110形成于盘24的上游侧翼和凸缘106之间。
[0068] 一方面，通道110通过环形排列的开口112(图2和图3)与上述第二腔76连通，并由此与喷射通道64连通，所述开口112形成于连接迷宫式密封装置78和80的旋转部分84和86的壁82中。另一方面，通道110与由盘24支撑的叶片26的内部冷却通道(附图中不可见)连通，由此，通道110形成叶片26的冷却回路的上游部分。
[0069] 壁114(图1)在凸缘106的对面和上游延伸，并牢固地将第二迷宫式密封装置80的易损件108连接至锥形壁70的下游凸缘116，由此壁114和凸缘106及第二迷宫式密封装置80一起限定第三腔118，该第三腔与主气流27连通，并有时被称作排气腔。该第三腔118用于低流量的空气流120通过，直到其到达主气流27，限制主气流27中流动的气体的一部分在高压涡轮16的分配器级20和转子级22之间通过时进入第三腔118的风险。
[0070] 此外，环形罩28和30向外限定用于流通空气流124的第四环形腔122，举例来说，该空气流124在高压压缩机12的上游级取样，并用于对高压涡轮的盘24的毂126进行通风。
[0071] 根据本发明，在第一迷宫式密封装置78的易损件100中，以及支撑该易损件100的环形壁101中形成有多个绕涡轮发动机的轴130周向分布的径向直通通道128。这些通道128的径向内末端在第一迷宫式密封装置78的两个肋88a和88b之间打开，径向外末端由相应的径向通道132延长，该径向通道132将环形壁101连接至喷射装置58的内壁60，并且显现在喷射通道64的锥形部分中。
[0072] 根据以下描述可以更清楚地理解，通道128用于降低通过第一迷宫式密封装置78在第一环形腔44和第二环形腔76之间流通的空气流的流量。
[0073] 在运行过程中，来自高压压缩机12并在环形通道38中流通的空气流40划分为提供给燃烧室14的内壁中的开口42的一部分，以及形成空气流59的一部分，该空气流59提供给喷射通道64，并由鳍片65加速而流通到第二腔76中。由于上述加速，空气在被极大地降低的静态压力下到达第二腔76。在图1至图3所示的实施方式中，举例来说，第二腔76中的空气的静态压力大约等于高压压缩机12的输出端处的静态压力P0的一半。因此，空气流59在喷射通道64的入口处的静态压力差不多等于在出口处的静态压力的2倍。
[0074] 在高压压缩机12的叶轮18的输出端取样的空气流48沿叶轮18的下游侧翼46径向向内流通，同时对其进行冷却。空气流48接着沿下游方向流通，并在第一迷宫式密封装置78的旋转部分84和易损件100之间穿过。由此，第一迷宫式密封装置78调节空气流48的流量。在图1至图3所示实施方式中，由于空气流48在第一腔44中遭受压力损失，空气流48在大约等于0.6P0的静态压力下到达第一迷宫式密封装置78的上游输入端。
[0075] 在喷射通道64中流通的空气流59的一小部分134进入径向通道128中，并出现在第一迷宫式密封装置78的两个肋88a和88b之间。
[0076] 对通道132与喷射通道64之间的连接部的位置进行选择，使得通道128的输出端处的空气流134在基本上等于，或稍大于第一迷宫式密封装置78的输入端处的空气流48的静态压力的静态压力下出现在肋88a和88b之间。这样可以在第一迷宫式密封装置78中将空气流48的流量降低至一期望值，例如，该期望值等于由高压压缩机12输送的空气流的流量的0.3％。
[0077] 由此，两个肋88a和88b在第一迷宫式密封装置78的旋转部分84和静态部分100之间限定一环形腔，在该环形腔中，空气的压力由通道132与喷射通道64之间的连接部的位置决定。
[0078] 在第二腔76中，空气流48与来自喷射通道64的空气流59混合。
[0079] 混合后得到的气流的大部分通过环形壁82中的开口112进入环形通道110中，并且如箭头136所示沿着高压涡轮的盘24的上游侧翼径向向外流通，以提供给由盘24支撑的叶片26的内部冷却回路。
[0080] 气流48和59在第二腔76中混合后得到的混合气流的一小部分穿过第二迷宫式密封装置80，进入第三腔118中形成气流120，由此，如同上面所解释的那样，能够限制主气流27泄露的风险。
[0081] 一般而言，本发明的通道128能够降低高压压缩机12的叶轮18的下游侧翼的冷却气流48的流量。典型地，这些通道128能够将气流48的流量除以一因子，该因子大约在2和3之间。由此就能防止气流48的流量大于冷却叶轮18所需的值，如同上面所解释的那样，过大的流量对涡轮发动机10的性能不利。
[0082] 此外，空气流48在沿叶轮18的下游侧翼流动时被加热，因此，当进入第二环形腔78时，空气流48比来自喷射通道64的空气流59热得多。因此，通过降低空气流48的流量，能够降低提供给第二腔78的空气的温度，由此改善对由高压涡轮16的盘24所支撑的叶片26进行的冷却。
[0083] 在图1至图3所示实施方式中，通道132与喷射通道64之间的连接部位于所述喷射通道的上游锥形部分中，以在通道128的输出端获得期望的静态压力。但是，如果通道128的输出端处的空气流134的静态压力足以降低空气流48在第一迷宫式密封装置78中的流量，上述连接部可以更广泛地位于喷射通道64的更上游，或更下游。实际上，为达到上述目的，上述连接部通常需要位于在喷射通道64中延伸的鳍片65的下游末端的上游。
[0084] 优选地，根据通道128输出端处的空气流134的期望流量来对通道128的横切面的扩大进行选择。
[0085] 这些通道128还可以切向倾斜，以降低通道128输出端处的空气流134的相对于第一迷宫式密封装置78的旋转部分84的相对速度，这种效果类似于喷射通道64的鳍片65产生的效果。
[0086] 此外，特别是在通道128的截面比旋转部分84的两个连续的肋88之间的轴向
节距更大的情况下，两个肋88a和88b可以不是第一迷宫式密封装置78的旋转部分84的两个连续的肋，而是被中间肋88隔开，肋88a和88b限定有腔，通道128出现于该腔中。
[0087] 图4示出了本发明的第二实施方式，其与上述第一实施方式的区别在于具有槽138，这些槽形成于径向凸缘94的下游表面上，面向第一迷宫式密封装置78的盘92的上游侧翼，由此形成连通第一环形腔44和第四环形腔122的对应通道。
[0088] 在图4所示实施方式中，这些槽138从凸缘94的一端向另一端径向延伸。
[0089] 在运行过程中，如果通道128输出端处的空气流134的压力和流量足够，叶轮18的冷却空气流48将被迫在凸缘94和盘92之间的由槽138形成的通道中流通。槽138由此可以使第一迷宫式密封装置78基本上与空气流48隔离。
[0090] 空气流48然后在第四腔中与对高压涡轮16的盘24的毂126进行通风的空气流124重新汇合。
[0091] 或者，对盘24的毂126进行的通风可以完全由空气流48实现，在这种情况下，不需要在高压压缩机12的上游取样空气流124。
[0092] 通过混合使用气流48和124，或单独使用气流48对盘24的毂126进行通风，可以带来在涡轮发动机10的工作率变化时所述气流的热变化速度方面的益处。实际上，在这些情况下，对盘24的毂快速冷却或加热，以减少所述盘和其周围的定子元件之间的差异膨胀是有利的。
