專利名稱：渦輪發(fā)動機離心壓縮機內氣流的調整方法和實施所述方法的擴散器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及渦輪發(fā)動機內空氣流量的調整方法，特別是直升機渦輪發(fā)動機或輔助動力裝置(簡稱APU)內空氣流量的調整方法，以適應流量或機械動力或電力的不同需求，所述渦輪發(fā)動機包括離心壓縮機。本發(fā)明還涉及為實施所述方法而裝有變距葉片的擴散器。
背景技術：
本發(fā)明的范圍為渦輪發(fā)動機內的氣體壓縮，特別是壓縮空氣流量的調整，以考慮發(fā)動機的性能，特別是在部分負荷情況下的消耗率(簡稱Cs)，不論是渦輪發(fā)動機還是輔助動力裝置。
考慮到這個目的,一般的問題是滿足泵送裕度(pumping margin)的需要,解決潤輪發(fā)動機中間轉速時的壓縮率下降，以及壓縮空氣流量和輔助動力裝置時的電力需求變化。人們知道，縮短渦輪發(fā)動機操作線可以獲得足夠的泵送裕度。然而，工作循環(huán)速率的下降則會降低發(fā)動機的效能(yield)，而這種解決方案又需要壓縮機在其最大效能下工作，包括高速運轉。另外，人們還知道，在壓縮機入口處，可使用由進氣導向葉片(簡稱IGV)構成的預先旋轉環(huán)。但是，在這種情況下，針對某個旋轉速度的壓縮率會明顯降低。在這種情況下，建議使用帶有準恒定壓縮率的壓縮機，不論載荷變化如何，同時又能保持接近最大效能。在單級壓縮機領域，使用的是帶變距葉片組件的徑向擴散器。例如，專利文件US5207559或EP0589745對這種擴散器就有介紹，而后一個專利則是以本申請者的名義申請的。這些擴散器可以在中間功率時使壓縮機流量/壓力比特性偏向較小流量，不會顯著降低壓縮率或效能。根據(jù)所述物理參數(shù)(轉速、壓力、溫度)，通過與控制裝置相關的相應控制來獲得不同螺距。然而，對于控制系統(tǒng)必須滿足高功率控制桿的需要的螺距角范圍，該螺距角范圍引起擴散器進口和出口直徑的重大變化，這會在旋轉部件(輪盤sheave)和靜止部件(徑向變距擴散器)之間引起很大的機械偏差，并會在部分負荷時(中間功率)降低效能。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是解決這些缺陷，特別是通過保持壓縮機效能，顯著降低消耗率，同時提供足夠的泵送裕度、部分負荷條件下工作循環(huán)的良好效能。為此，本發(fā)明提出了一種可優(yōu)化渦輪發(fā)動機離心壓縮機中空氣流可變擴散的方法。更確切地說，本發(fā)明的一個目的是，提出一種渦輪發(fā)動機離心壓縮機中空氣流的可變擴散方法，擴散穿過帶變距葉片的第一環(huán)形葉片環(huán)的空氣，所述第一環(huán)形葉片環(huán)與帶有相同數(shù)量固定螺距葉片的第二環(huán)形葉片環(huán)形成徑向分界，固定螺距葉片彼此延伸相等，通過兩個葉片環(huán)葉片的聯(lián)接而沿徑向方向引導擴散，所述第一葉片環(huán)的每個葉片以該葉片的距離而被帶動旋轉。術語“渦輪發(fā)動機”是指渦輪發(fā)動機，特別是帶有離心單級或雙級壓縮機的直升機渦輪發(fā)動機，以及裝有離心單級或雙級離心壓縮機的輔助動力裝置(APU)。在這些情況下，一方面，變距葉片的徑向延伸部分會因為使用包括實際葉片的固定葉片環(huán)而大大縮短，從而使得應力得到限制，以改變螺距以及固定葉片環(huán)和支撐凸緣之間的間隙，進而改變上游/下游循環(huán)，達到降低泵送管路損壞和負荷損失的效果。另一方面，變距葉片旋轉軸線的偏離軸線會實際降低這種等擴散葉片的徑向延伸變化程度閉合增加更小，從而有利于部分負荷情況下的效能，而打開減小也會更小，從而限制由于輪盤/擴散器相互作用所產(chǎn)生的非穩(wěn)定氣動力波動所引起的機械偏差。那么，足夠的泵送裕度使得渦輪發(fā)動機可在任何泵送情況下工作，提供很大的加速度能力，并可使輔助動力裝置(APU)面對重要的負荷變化時無需啟動排泄閥，與此同時，保持渦輪發(fā)動機的轉速和壓力接近其正常值和提供充足的效能水平。
根據(jù)具體實施方式
，所述方法應用于裝有動力渦輪的渦輪發(fā)動機，如上所述的在離心壓縮機上的變距徑向擴散與變距動力渦輪分配器相耦合。動力的產(chǎn)生可根據(jù)幾個方案來實施軸向或離心式自由渦輪或緊密相連的動力渦輪，其帶有或不帶下游的熱交換。擴散器和變距分配器之間的耦合使得運行管路可以適合流量的減少，從而改善工作循環(huán)效能(通過較好的壓力)并進而改善直升機和輔助動力裝置渦輪發(fā)動機的消耗率。另外，本發(fā)明的目的還在于提供一種變距渦輪發(fā)動機擴散器以及裝有這種擴散器的渦輪發(fā)動機，所述擴散器能夠實施上述方法。擴散器包括帶變距葉片的第一環(huán)形葉片環(huán)，與第二環(huán)形葉片環(huán)成徑向分界，所述第二環(huán)形葉片環(huán)帶有相等延伸部分的固定螺距葉片。此外，第一葉片環(huán)的每個葉片都由控制裝置帶動，所述控制裝置可使得每個葉片正常旋轉，而該葉片則相對于其旋轉軸線而偏離中心。根據(jù)具體實施例-每個變距葉片在兩個彼此相對的杯狀部分(cup)之間平行延伸，并相對于杯狀部分公共軸線而成偏離軸線方式延伸，而所述杯狀部分的公共軸線則與旋轉軸線相一致。-每個葉片與傳動桿相聯(lián)接，該傳動桿帶有至少一個孔眼，鎖緊銷就置于該孔眼中，用于杯狀部分軸向位置的調整墊圈；-所述桿與傳動桿為一整體，傳動桿上提供有球形接頭，置于控制冠部的圓柱形孔
(38)內，用來帶動傳動桿圍繞工作軸線旋轉，而傳動桿則在圓柱形孔內滑動。-圓柱形孔的深度為傳動桿沖程的函數(shù)，傳動桿行程本身又是葉片預定旋轉間隔的函數(shù)；-每個變距葉片的前緣靠近杯狀部分周緣，從葉片到旋轉軸的距離大于或等于一半 _ 半徑(mid-radius)；-擴散器上游為平滑擴散器，即沒有葉片；-位于輪盤和變距葉片環(huán)之間的擴散器的進氣流逐漸減小，從而改善了性能；-第二葉片環(huán)固定葉片前緣厚度大于第一葉片環(huán)葉片厚度，以便消除迎角的不同變化；-固定螺距葉片的厚度足以讓螺絲穿過，以釋放結構應力；
-固定葉片在前緣和后緣之間呈構架角度演變規(guī)律，從而允許固定葉片環(huán)中的擴散得以控制，氣動力效率得以優(yōu)化；-固定葉片在方位上相對于第一動葉片環(huán)的葉片而予以固定，從而再次吸收第一葉片環(huán)葉片吸力面上的尾流，限制擴散器的負荷損失；-可變葉片螺距角度相對于標稱鍵控(nominalkeying)而設定在+12°至-5°之間，這可以是其中一個固定擴散器。


通過閱讀參考附圖給出的如下說明，本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點就會更清楚地顯現(xiàn)出來，附圖分別如下圖I為根據(jù)本發(fā)明的擴散器軸向局部半剖面圖；圖2a和2b為變距葉片的兩個透視圖，所示葉片旋轉時與其控制桿相聯(lián)接； 圖3為擴散器上游環(huán)形凸緣的正面全視圖，所示擴散器裝有根據(jù)本發(fā)明的葉片環(huán)；圖4a至圖4c為擴散器的局部示意圖，所示為三個動葉片螺距，包括圍繞標稱螺距的兩個極端螺距，以及圖5示出了動葉片和擴散器環(huán)形凸緣之間的間隙。
具體實施例方式術語“上游”和“下游”與渦輪發(fā)動機內的空氣流動方向相關。參照圖I局部剖面的軸向示意圖，渦輪發(fā)動機(諸如渦輪機、渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機或輔助動力裝置(APU))的離心壓縮機10包括與罩蓋14相結合的機匣12，罩蓋14徑向覆蓋輪盤16，輪盤是壓縮機的最后離心級，旋轉安裝在根據(jù)軸線Y' Y的動軸18 (motive shaft)上。氣流F在通過徑向縮小而匯合的進氣流中從輪盤16向環(huán)形擴散器19循環(huán)。擴散器19被界定在上游和下游兩個凸緣20和22之間。罩蓋14由固定到機匣和上游凸緣20上的緊固件23而保持固定。構成第一環(huán)形葉片環(huán)的葉片24安裝在擴散器19上。定心體(centring) 25和26面對容納在杯狀部分17和27中的凸緣20和22，而葉片24則采用偏離軸線的方式安裝在這些杯狀部分上。杯狀部分在凸緣20和22內處于中心位置，如所示示例，在插裝到定心體25內的墊圈9上，調整間隙為O. 03mm到O. 05mm之間(見如下參照圖5所述)。葉片28與凸緣22為一整體，構成第二環(huán)形葉片環(huán)，其外部緊挨第一葉片環(huán)，通過插入通孔29t內的螺絲29而安裝在環(huán)形凸緣20內。這些螺絲還可釋放結構應力。通過整體延伸上游杯狀部分17的桿30可實現(xiàn)對變距葉片24的控制。這些帶有軸線X' X的桿30安裝在上游凸緣20的圓柱形孔32內，通過安裝在溝槽30g內的接頭30j來使其置于中心位置，間隙接近零。在端部，每個桿30帶有連接在傳動桿33上的平坦部分31，而該傳動桿33則通過平坦部分31上的兩個螺絲35夾緊。桿30端部31的位置帶有調整間隙公差。桿30還帶有孔眼30t，銷36就插在該孔眼內，將墊圈30u鎖緊在機匣12內形成的鎖緊環(huán)12a內，墊圈用來調整杯狀部分17和27的軸向位置。這樣，銷36使得桿30和鎖緊環(huán)12a成為一個整體。
運行時,傳動桿33由控制冠部(control crown) 34帶動,后者構成了容納有傳動桿33球形接頭37的圓柱形孔38，帶有適當?shù)妮S向位置間隙和在球形接頭母線處相接。為此，控制冠部34以帶有滾針軸承39的扇形體為中心。搖臂(圖中未示)使得控制冠部34圍繞軸線Y, Y轉動，而控制冠部則又由于其球形接頭37而使得在圓柱形孔38內滑動的傳動桿33旋轉。圓柱形孔38的深度取決于傳動桿33的行程，而該行程本身則是葉片24旋轉間隔的函數(shù)。這種體系結構特別適合葉片旋轉，即，葉型閉合(section closure)50%時葉片能夠達到+12°，和葉型打開(section opening) 20%時，葉片能夠達到-5°。桿和葉片24的角度位置是功率的函數(shù)，從而提供給所述功率足夠的空氣壓縮。參照圖2a和2b，可以看出平行的杯狀部分17，27之間的動葉片24通過焊接21與杯狀部分成為一體，這樣，葉片平行于兩個彼此面對的杯狀部分的軸線Γ X而延伸。葉片24的前緣24c與杯狀部分外周緣17c和27c齊平，葉片24厚度相當薄，本實施例所示為大約2mm。此外，葉片24和桿30軸線V X之間的距離大約等于杯狀部分半徑的80%，如圖所示。這使得葉片24相對于桿軸線X' X而嚴重偏離中心，而所述桿的軸線X' X與組件的旋轉軸線相一致。另外，桿30帶有圓柱形定心槽30g和鎖緊孔30t，用于杯狀部分17和27軸向位置的調整墊圈。桿的平整部分31上帶有穿過的容納孔30a，該容納孔30a用于安 裝控制桿的螺絲35。圖3全視圖示出了裝有環(huán)形葉片環(huán)Gl和G2的上游環(huán)形凸緣20，環(huán)形葉片環(huán)分別安裝在動葉片24和固定葉片28上并與之構成一體。葉片28前緣BA部分大體上要厚于其中一個葉片24，分別為0. 5和2. 5mm,這樣，在動葉片24旋轉時可使迎角變化保持良好特性。此外，前緣BA和后緣BF之間葉片28的骨架角度規(guī)律(skeleton angle law)是演變的，因此，固定葉片環(huán)的氣動力效率會因為靜態(tài)壓力的最大回復而得到優(yōu)化。此外，固定葉片環(huán)的葉片28的最大厚度如示例為7mm，擴散器的凸緣20可以通過插入孔29t內的螺絲而緊固，與此同時，也可釋放結構應力。氣流F在動葉片24徑向延伸部分沿固定葉片28循環(huán)，同時也在兩個鄰近的同一種葉片一即動葉片或固定葉片一之間循環(huán)。由于動葉片24相對于其杯狀部分17旋轉軸線V X而偏離中心，這些動葉片24所形成的徑向延伸部分的變化相對于定心葉片應該實施的延伸變化而受到限制。這種限制可以改善離心壓縮機的性能可使泵送管路的工作管路更遠，更加偏離低流量，而這個工作管路在較高功率時會增加到接近最大效能(yieldmaximums)。面對固定葉片28的動葉片24的徑向延伸部分如圖4a至圖4c所示，在這些附圖上，還可以看到虛線所示的葉片杯狀部分17，27。參照圖4b，0°的標稱鍵控(nominalkeying)對應于基準氣流F，動葉片24相對于固定葉片28的氣流調整適合于穩(wěn)定的中間功率。根據(jù)小載荷的需求，動葉片24的鍵控可能會上升到12°，該鍵控相對于標稱鍵控則對應于葉片24和38之間卡環(huán)(collar) Sa在50%時關閉的入口處的通行截面，而標稱鍵控則對應于卡環(huán)Sb處的截面。圖4a示出了與鍵控6°相關的關閉25%時的情況，此時卡環(huán)截面為截面b的75%。在高載荷需求時，鍵控調整則可能會下降到-5°。圖4c示出了打開2. 5°時的情況，那么，卡環(huán)截面Se則為相對值110%。
固定葉片28在方位上相對于第一動葉片環(huán)Gl的葉片24而予以固定，從而再次吸收該第一葉片環(huán)Gl葉片吸力面Ex上的尾流。固定葉片28的使用限制了葉片24的徑向延伸部分，從而可對葉片24杯狀部分17和27與凸緣20和22之間的間隙進行控制，如圖5所示。這樣，在該示例中，間隙值就會分別低于或等于O. 02mm(Jl或J2)，0· IOmm(J3)和O. 25mm(J4)。于是，葉片24在墊圈9上的間隙(Jl和J2組件)大約為O. 03mm或稍大于該值。 本發(fā)明并不限于所述和所示示例。例如，可以只通過機械(單獨或集中)調整或通過電氣或電子控制(采用或不采用數(shù)字調節(jié))來對動葉片實施鍵控。
權利要求
1.ー種渦輪發(fā)動機離心壓縮機(10)內氣流的調整方法，包括如下步驟擴散流經(jīng)帶變距葉片(24)的第一環(huán)形葉片環(huán)(Gl)的空氣，所述第一環(huán)形葉片環(huán)(Gl)與帶有相同數(shù)量固定螺距葉片(28)的第二環(huán)形葉片環(huán)(G2)成徑向分界，所述固定螺距葉片的延伸部分相等，通過兩個葉片環(huán)葉片(24，28)的聯(lián)接而沿徑向方向引導擴散，所述方法的特征在于，第一葉片環(huán)(Gl)的每個葉片(24)在葉片(24)處被帶動旋轉{V X)。
2.根據(jù)權利要求I所述的調整方法，其特征在于，離心壓縮機上的變距徑向擴散與變距動カ渦輪分配器相結合，所述動カ分配器與下游交換器或者是獨立的、或者是綁定的，或者以軸向或向心方式帶有或不帶有下游交換器。
3.—種變距渦輪發(fā)動機擴散器，能夠實施根據(jù)權利要求I或2所述的方法，包括帶有變距葉片(24)的第一環(huán)形葉片環(huán)(G1)，與帶有相等延伸部分固定螺距葉片(28)和相同數(shù)量葉片的第二環(huán)形葉片環(huán)(G2)成徑向分界，通過兩個葉片環(huán)(G1，G2)葉片(24，28)在徑向延伸部分上的聯(lián)接形成連續(xù)擴散通道，其特征在于，第一葉片環(huán)(Gl)的每個葉片(24)通過傳動裝置(30，33，34)來驅動，用來使得相對于其旋轉軸線{V X)而偏離中心的葉片(24)正常轉動。
4.根據(jù)前面權利要求所述的擴散器，其特征在干，每個變距葉片(24)在兩個彼此相對的杯狀部分(17，27)之間平行延伸，并相對于杯狀部分公共軸線而以偏離中心的方式延イ申，所述杯狀部分公共軸線則與旋轉軸線{V X) 一致。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的擴散器，其特征在于，每個葉片(24)都與傳動桿(30)相連，后者帶有至少ー個孔(30t)，鎖緊銷(36)就插在該孔內，用于杯狀部分(17，27)軸向位置的調整墊圈(30u)。
6.根據(jù)前面權利要求所述的擴散器，其特征在于，所述桿(30)與傳動桿(33)通過球形接頭成為一體，后者置于控制冠部(34)的圓柱形孔(38)內，可帶動傳動桿(33)圍繞動軸(V Y)轉動，所述傳動桿(33)用來在圓柱形孔(38)內滑動。
7.根據(jù)前面權利要求所述的擴散器，其特征在于，圓柱形孔(38)的深度是傳動桿(33)行程的函數(shù)，而傳動桿行程本身則是葉片預定旋轉間隔的函數(shù)。
8.根據(jù)權利要求4到7任一項所述的擴散器，其特征在干，每個變距葉片(24)的前緣(24c)靠近杯狀部分(17，27)的周緣(17c，27c)，從葉片(24)到旋轉軸線(X' X)的距離大于或等于一半-半徑。
9.根據(jù)權利要求3到8任一項所述的擴散器，其特征在于，第二葉片環(huán)(G2)固定葉片(28)前緣(Ba)的厚度大于第二葉片環(huán)(Gl)葉片(24)前緣厚度(24c)。
10.根據(jù)權利要求3到9任一項所述的擴散器，其特征在干，動葉片(24)的螺距角范圍在+12°和-5°之間，相對于標稱鍵控截面，卡環(huán)截面(Sa，Se)分別為50%和120%。
全文摘要
本發(fā)明涉及保持渦輪發(fā)動機壓縮機效能和工作比的方法，目的是顯著降低消耗率Cs，同時保證部分負荷時的足夠高的泵送裕度。為此，本發(fā)明提出了優(yōu)化方法，使氣流適應渦輪發(fā)動機離心壓縮機內流量或機械或電力的不同需求。所述方法包括對流經(jīng)帶有變距葉片(24)的第一環(huán)形葉片環(huán)(G1)的氣流(F)進行擴散，所述第一環(huán)形葉片環(huán)(G1)與帶有相同數(shù)量固定螺距葉片(28)的第二環(huán)形葉片環(huán)(G2)成徑向分界，所述固定螺距葉片的延伸部分相等，通過兩個葉片環(huán)葉片(24，28)的聯(lián)接而引導徑向延伸擴散。根據(jù)所述方法，第一葉片環(huán)(G1)的每個葉片(24)以偏離軸線方式旋轉。
文檔編號F04D29/46GK102834622SQ201180018458
公開日2012年12月19日 申請日期2011年4月13日 優(yōu)先權日2010年4月14日
發(fā)明者皮埃爾·比斯開, 帕特里克·馬可尼, 胡伯特·希波呂忒·威戈瑙 申請人:渦輪梅坎公司