專利名稱：空氣渦輪啟動器入口殼體組件空氣流路徑的制作方法
技術領域：
本公開涉及用于啟動氣體渦輪發(fā)動機的空氣渦輪啟動器，并且更具體地涉及其空氣動力學流徑。
背景技術：
許多相對大型的渦輪發(fā)動機，包括渦輪風扇發(fā)動機，可使用空氣渦輪啟動器(ATS) 來引發(fā)氣體渦輪發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)。ATS通常安裝在附件齒輪箱上，附件齒輪箱進而安裝在發(fā)動機或機身上。因此，ATS —直安裝在飛機內(nèi)，即使可能只在每次飛行循環(huán)開始時進行大約片刻的主動操作，以及在發(fā)動機維護活動期間偶爾操作。ATS通常包括渦輪段，其聯(lián)接到殼體中的輸出段。渦輪段聯(lián)接到高壓流體源，例如壓縮空氣，以通過齒輪系統(tǒng)驅(qū)動輸出段。因而，當高壓流體源沖擊在渦輪段上時，輸出段對氣體渦輪發(fā)動機提供動力。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本公開一個示例性方面的一種用于空氣渦輪啟動器的入口殼體組件包括入口流徑的外流徑曲線，所述外流徑曲線由截面上的多個弓形表面限定。根據(jù)本公開一個示例性方面的一種用于空氣渦輪啟動器的入口殼體組件包括入口殼體，所述入口殼體限定入口流徑的外流徑曲線。所述外流徑曲線至少部分地由截面上的多個弓形表面限定。噴嘴限定所述入口流徑的內(nèi)流徑曲線，所述內(nèi)流徑曲線至少部分地由中心穹頂形狀限定。根據(jù)本公開一個示例性方面的一種空氣渦輪啟動器包括入口殼體，所述入口殼體至少部分地圍繞渦輪轉(zhuǎn)子以限定與所述渦輪轉(zhuǎn)子連通的入口流徑的外流徑曲線。所述外流徑曲線至少部分地由截面上的多個弓形表面限定。噴嘴在所述渦輪轉(zhuǎn)子上游，所述噴嘴限定與所述渦輪轉(zhuǎn)子連通的所述入口流徑的內(nèi)流徑曲線。所述內(nèi)流徑曲線至少部分地由中心穹頂形狀限定。根據(jù)本公開一個示例性方面的一種組裝空氣渦輪啟動器的方法包括固定渦輪噴嘴，所述渦輪噴嘴包括具有多個渦輪翼片的中心穹頂形狀，所述多個渦輪翼片從所述中心穹頂形狀沿徑向延伸到入口殼體中。將渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)地安裝到所述渦輪噴嘴下游的所述入口殼體中，所述入口殼體至少部分地圍繞所述渦輪轉(zhuǎn)子，所述入口殼體限定與所述渦輪轉(zhuǎn)子連通的入口流徑的外流徑曲線，所述外流徑曲線至少部分地由截面上的多個弓形表面限定，所述噴嘴限定與所述渦輪轉(zhuǎn)子連通的所述入口流徑的內(nèi)流徑曲線，所述內(nèi)流徑曲線至少部分地由所述中心穹頂形狀限定。


本領域技術人員將從所公開的非限制性實施例的以下詳細描述中明白各種特征。 該詳細描述的附圖可簡要介紹如下圖1是用于通過附件齒輪箱引發(fā)較大渦輪旋轉(zhuǎn)的空氣渦輪啟動器(ATS)的總體示意
圖2是ATS的側(cè)視剖面圖； 圖3是渦輪轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖； 圖4是渦輪轉(zhuǎn)子的前側(cè)視圖； 圖5是ATS的入口殼體組件的剖面?zhèn)纫晥D； 圖6是渦輪轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)子葉片的透視圖； 圖7-10是渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子葉片的輪廓剖面圖； 圖11是ATS的入口殼體組件的剖面?zhèn)纫晥D； 圖12是ATS的入口殼體組件的噴嘴的透視圖； 圖13是噴嘴的前視圖； 圖14是噴嘴的側(cè)視圖； 圖15-19是噴嘴的噴嘴翼片的輪廓剖面圖； 圖20是入口殼體的剖面?zhèn)纫晥D； 圖21是入口殼體組件的入口流徑的示意圖； 圖22是入口殼體組件的的噴嘴的剖面圖；并且
圖23是根據(jù)替代尺寸實施例的入口殼體的剖面?zhèn)纫晥D，其中，流徑由表XI中的坐標限定。
具體實施例方式圖1示意性地示出了示例性空氣渦輪啟動器(ATS) 20，其用于通過附件齒輪箱M 引發(fā)較大氣體渦輪22 (例如渦輪風扇發(fā)動機)的旋轉(zhuǎn)。應當意識到，本申請不限于與特定類型的旋轉(zhuǎn)機器一同使用。因此，雖然本申請出于便于說明的目的而被表示和描述為在空氣渦輪啟動器中實施，但應當意識到，其也可在許多其他機器中實施，包括但不限于氣體渦輪發(fā)動機、輔助動力單元、渦輪增壓器、機械增壓器、空氣循環(huán)機、交流發(fā)電機、電動機、發(fā)電機、集成恒速驅(qū)動發(fā)電機以及各種類型的具有可被緊密控制的界面的齒輪箱。ATS 20通常包括殼體組件30，殼體組件30至少包括渦輪段32和輸出段34 (圖 2)。渦輪段32包括具有多個渦輪葉片38的渦輪葉輪36、轂40、以及渦輪轉(zhuǎn)子軸42 (圖3 和圖4)。渦輪葉輪36的渦輪葉片38位于入口殼體組件44的下游，入口殼體組件44包括入口殼體46，入口殼體46包含噴嘴48 (圖5)。噴嘴48包括多個翼片50，其引導壓縮空氣流從入口 52通過入口流徑M。經(jīng)過翼片50的壓縮空氣流驅(qū)動渦輪葉輪36，然后通過出口 56排出。渦輪葉輪36被壓縮空氣流驅(qū)動，使得渦輪轉(zhuǎn)子軸42可通過諸如行星齒輪系統(tǒng)的齒輪系統(tǒng)60 (示意性示出)機械地驅(qū)動啟動器輸出軸58。ATS 20由此傳遞相對高的負載通過齒輪系統(tǒng)60，以將來自壓縮空氣的氣動能轉(zhuǎn)換為機械能，以例如使氣體渦輪22旋轉(zhuǎn)啟動。渦輪葉輪36的渦輪葉片38和噴嘴48的翼片50 (其二者在本文中均被定義為翼型)可用計算流體動力學(CFD)分析軟件來限定，并且被優(yōu)化成滿足特定空氣渦輪啟動器的特定性能要求。設計ATS時必須知道的一些關鍵的發(fā)動機特性是發(fā)動機芯部慣性(發(fā)動機中實際上由ATS旋轉(zhuǎn)的部分)、作為速度的函數(shù)的發(fā)動機芯部曳力矩、作為速度的函數(shù)的其他曳力矩(例如來自安裝有齒輪箱的附件)、以及啟動所允許的最大時間。對于外界啟動溫度條件的范圍，需要這些參數(shù)的值。從這些，ATS啟動器的優(yōu)選內(nèi)齒輪比以及，使用CFD工具，效率最高的最優(yōu)翼型形狀，可對于每個具體ATS被確定。取決于原始要求的值，翼型形狀將會是不同的，并且將被優(yōu)化成在啟動器的設計速度時表現(xiàn)為具有最高效率。翼型形狀的特性可從一個翼型形狀到另一個發(fā)生改變，并且可包括但不限于曲率、最大厚度、軸向弦長、扭度、從根部到尖端的錐度、前緣半徑、后緣半徑、前緣和后緣從根部到尖端的平直度，等?？梢灾苯影幢壤龜U大或按比例縮小翼型形狀來滿足一組不同的發(fā)動機啟動要求，然而，如果整個流徑幾何形狀(包括轉(zhuǎn)子葉片38、翼片50以及入口流徑
沒有也使用相同的比例因子按比例縮放，則ATS的輸出性能可能不會適當?shù)爻杀壤?。翼型的形狀可由一組剖面來在尺寸上限定，所述一組剖面位于逐漸增大的徑向位置，例如從翼型的根部剖面下面開始并延伸超過翼型的尖端。當被從根部到尖端的連續(xù)平滑表面連接時，例如使用諸如Unigraphics的實體建模軟件來產(chǎn)生翼型的形狀。實體模型可被制造者直接用于制造翼型?？赏ㄟ^在例如沿每個葉片剖面的邊界的笛卡爾坐標中的一組點來限定另外的尺寸限制，用于檢查目的。笛卡爾坐標系統(tǒng)通常定向為使得X是切向方向，Y是軸向方向，并且Z是徑向方向。圖4示出了渦輪葉片38的剖面，其包括本文所指明的創(chuàng)造性翼型輪廓。每個渦輪葉片38可大致被分成根部區(qū)域72、內(nèi)側(cè)區(qū)域74、主區(qū)域76以及尖端區(qū)域78。根部、內(nèi)側(cè)、 主和尖端區(qū)域72-78限定了渦輪葉片38的跨度并且限定了旋轉(zhuǎn)軸線A和遠側(cè)葉片尖端80 之間的葉片半徑R。應當理解，當被平滑表面連接時，可在本文限定的任意剖面中間限定出替代的或者另外的剖面。也就是說，翼型部分可使用實體模型制造，該實體模型可替代地或另外地被描述為具有限定在葉片尖端之上和葉片根部之下的另外的剖面。因此，剖面72-78 是翼型的跨度的代表，但是可提供另外的限制，具有不落入該跨度內(nèi)但可通過實體模型限定的剖面。相同的方法適用于多個翼片。渦輪葉片38限定了前緣82和后緣84，其限定渦輪葉片38的弦(圖6)。由于在給出所描述的具體葉片翼型剖面的適當語言描述上存在難度，在表1-1、表 11-1、表III-I和表IV-I中示出了翼型剖面的一個非限制性實施例的坐標，其代表在根部區(qū)域72 (圖7)、內(nèi)側(cè)區(qū)域74 (圖8)、主區(qū)域76 (圖9)和尖端區(qū)域78 (圖10)中截取的剖面。翼型剖面的另一個非限制性實施例在表1-2、表11-2、表III-2和表IV-2中示出。表I-I
權利要求
1.一種用于空氣渦輪啟動器的入口殼體組件，包括入口流徑的外流徑曲線，所述外流徑曲線由截面上的多個弓形表面限定。
2.如權利要求1所述的用于空氣渦輪啟動器的入口殼體組件，其中，所述截面上的多個弓形表面包括第一凸弓形表面；在所述第一凸弓形表面下游的第二凸弓形表面；在所述第二凸弓形表面下游的第三凸弓形表面；在所述第三凸弓形表面下游的第一凹弓形表面；在所述第一凹弓形表面下游的第二凹弓形表面；和在所述第二凹弓形表面下游的第三凹弓形表面。
3.如權利要求1所述的用于空氣渦輪啟動器的入口殼體組件，進一步包括所述入口流徑的內(nèi)流徑曲線，所述內(nèi)流徑曲線由中心穹頂形狀限定。
4.如權利要求3所述的用于空氣渦輪啟動器的入口殼體組件，進一步包括多個渦輪翼片，所述多個渦輪翼片沿徑向從所述中心穹頂形狀朝向所述入口殼體延伸。
5.如權利要求4所述的用于空氣渦輪啟動器的入口殼體組件，其中，所述中心穹頂形狀由表X限定并被期望因子按比例縮放。
6.一種用于空氣渦輪啟動器的入口殼體組件，包括入口殼體，所述入口殼體限定入口流徑的外流徑曲線，所述外流徑曲線至少部分地由截面上的多個弓形表面限定；和噴嘴，所述噴嘴限定所述入口流徑的內(nèi)流徑曲線，所述內(nèi)流徑曲線至少部分地由中心穹頂形狀限定。
7.如權利要求6所述的用于空氣渦輪啟動器的入口殼體組件，其中，所述中心穹頂形狀由表X限定并被期望因子按比例縮放。
8.如權利要求6所述的用于空氣渦輪啟動器的入口殼體組件，其中，所述截面上的多個弓形表面包括第一凸弓形表面；在所述第--凸弓形表面下游的第二二凸弓形表在所述第二二凸弓形表面下游的第三Ξ凸弓形表在所述第三三凸弓形表面下游的第--凹弓形表在所述第--凹弓形表面下游的第二二凹弓形表在所述第二二凹弓形表面下游的第三Ξ凹弓形表
9.一種空氣渦輪啟動器，包括 渦輪轉(zhuǎn)子；入口殼體，所述入口殼體至少部分地圍繞所述渦輪轉(zhuǎn)子以限定與所述渦輪轉(zhuǎn)子連通的入口流徑的外流徑曲線，所述外流徑曲線至少部分地由截面上的多個弓形表面限定；和在所述渦輪轉(zhuǎn)子上游的噴嘴，所述噴嘴限定與所述渦輪轉(zhuǎn)子連通的所述入口流徑的內(nèi)流徑曲線，所述內(nèi)流徑曲線至少部分地由中心穹頂形狀限定。
10.如權利要求9所述的空氣渦輪啟動器，其中，所述中心穹頂形狀由表X限定并被期望因子按比例縮放。
11.如權利要求9所述的空氣渦輪啟動器，其中，所述截面上的多個弓形表面包括第一凸弓形表面；在所述第一凸弓形表面下游的第二凸弓形表面；在所述第二凸弓形表面下游的第三凸弓形表面；在所述第三凸弓形表面下游的第一凹弓形表面；在所述第一凹弓形表面下游的第二凹弓形表面；和在所述第二凹弓形表面下游的第三凹弓形表面。
12.如權利要求9所述的空氣渦輪啟動器，進一步包括多個渦輪翼片，所述多個渦輪翼片沿徑向從所述中心穹頂形狀延伸，所述多個渦輪翼片的每一個從所述中心穹頂形狀延伸以限定通過前緣和后緣的翼型剖面，所述翼型剖面被表V、表VI、表VII、表VIII或表IX的任何一個中限定的一組X坐標和Y坐標限定并被期望因子按比例縮放，所述X坐標是切向方向，所述Y坐標是軸向方向，并且所述Z坐標是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。
13.—種組裝空氣渦輪啟動器的方法，包括固定渦輪噴嘴，所述渦輪噴嘴包括具有多個渦輪翼片的中心穹頂形狀，所述多個渦輪翼片從所述中心穹頂形狀沿徑向延伸到入口殼體中；并且將渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)地安裝到所述渦輪噴嘴下游的所述入口殼體中，所述入口殼體至少部分地圍繞所述渦輪轉(zhuǎn)子，所述入口殼體限定與所述渦輪轉(zhuǎn)子連通的入口流徑的外流徑曲線，所述外流徑曲線至少部分地由截面上的多個弓形表面限定，所述噴嘴限定與所述渦輪轉(zhuǎn)子連通的所述入口流徑的內(nèi)流徑曲線，所述內(nèi)流徑曲線至少部分地由所述中心穹頂形狀限定。
14.如權利要求13所述的方法，其中，所述中心穹頂形狀由表X限定并被期望因子按比例縮放。
全文摘要
本發(fā)明涉及空氣渦輪啟動器入口殼體組件空氣流路徑，具體地，一種用于空氣渦輪啟動器的入口殼體組件包括入口流徑的外流徑曲線，所述外流徑曲線由截面上的多個弓形表面限定。
文檔編號F01D25/24GK102373970SQ20111023575
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權日2010年8月17日
發(fā)明者J. 扎維林斯基 D., M. 馬庫萊克 J., 斯萊特 M. 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司