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CN113454321B - 在次级路径中包括热交换器的涡轮机 - Google Patents

在次级路径中包括热交换器的涡轮机 Download PDF

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CN113454321B CN202080013787.9A CN202080013787A CN113454321B CN 113454321 B CN113454321 B CN 113454321B CN 202080013787 A CN202080013787 A CN 202080013787A CN 113454321 B CN113454321 B CN 113454321B
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duct
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Abstract

本发明涉及一种涡轮机叶片(54)，包括主要在一由主轴线B和纵向方向限定的平面内延伸的主体(60)，所述主体由下表面壁(66)、上表面壁(68)、位于主体(60)的第一纵向端的前缘(70)以及位于主体(60)的第二纵向端的后缘(72)限定，其特征在于，叶片(54)的主体(60)包括用于气流循环的主要沿主轴线B的方向延伸的多个第一管道(74)和用于第二气流循环的主要沿纵向方向延伸的多个第二管道(76)。

Description

在次级路径中包括热交换器的涡轮机
技术领域
本发明涉及一种涡轮机桨叶，其设置为能够在压力下冷却用来冷却涡轮机的至少一个部件或对包含润滑剂的腔室加压的气流。
更具体地说，本发明涉及一种涡轮机桨叶，其在加压气流以及在涡轮机的旁通流流体中循环的气流之间形成热交换器。
背景技术
在现有的涡轮机中，发动机内部存在许多空气回路。这些回路执行不同的功能。
在这些回路中，一种空气回路执行润滑油腔室加压功能，以防止油从这些腔室逸出，同时还执行低压轴冷却功能。
来自该回路的空气从低压压缩机下游，优选在低压压缩机和高压压缩机之间的芯部流流体排出。
然后，相对于穿过腔室的空气，该空气被排出通过除油器，并对于其他空气从低压涡轮机的下游排出。
由于半径、孔、密封等的变化，该回路将受到压头损失的影响。因此，压力比(抽出压力/出口压力)必须足够大，以便空气以所需的流速满意地循环。
该空气回路的限制之一是，空气温度必须足够低，以冷却低压轴，并避免过度加热腔室中的油。空气压力必须足够大，使得上述的压力足够高，并且能够使规定的流量循环。
同样在某些涡轮机中，热力循环使得压力对于该回路来说太低，以至于不能执行这些功能。因此，必须找到替代的解决方案。
文件EP-0.743.435描述了一种涡轮机，其包括一种集成到位于旁通流流体中的定子桨叶组件的桨叶中的热交换器。根据该文献，桨叶包括一种用于使待冷却的气流进入或排出的在桨叶的每个径向端的通腔。
因为热交换表面积是有限的，限制了待冷却气流的冷却效率。
本发明的目的是公开一种用于优化热交换的涡轮机桨叶和涡轮机。
发明内容
本发明涉及一种涡轮机桨叶，包括主要在由主轴B和纵向方向限定的平面内延伸的主体，所述平面由内拱壁、外拱壁、位于主体的第一纵向端的前缘以及位于主体的第二纵向端的后缘界定，其特征在于，所述桨叶的主体包含多个第一管道和多个第二管道，所述多个第一管道承载主要沿主轴B的方向延伸的气流的循环，所述多个第二管道承载主要沿纵向方向延伸的第二气流的循环。
将两组管道集成到桨叶的主体中增加了这两种气流之间的热交换表面积，从而改进了第二种气流的冷却。
优选地，每个第一管道包括沿主轴B在主体的同一端打开的两个端部。
优选地，第一管道的端部设置方式形成一束，所述束随着与主体的所述至少一端的距离减小而逐渐地变窄。
优选地，每个第二管道包括在主体的内拱壁或外拱壁中打开的两个端部。
优选地，每个第二管道包括在前缘或后缘打开的两个端部。
优选地，每个第二管道沿与垂直纵向平面垂直的横向方向具有波纹，并且每个第一管道位于第二管道的凹段中。
优选地，所述第一管道横向地布置在每个第二管道的每一侧上。
优选地，使用增材技术工艺制造桨叶。
本发明还涉及一种飞行器涡轮机，其包括穿过低压压缩机和高压压缩机的芯部气流流体，
位于芯部流流体周围并与所述芯部流流体同轴的旁通气流流体，其包括用于通过旁通流流体的气流的定子桨叶组件，所述定子桨叶组件包括分布在涡轮机的主轴线A周围的多个桨叶，
加压空气回路，其在低压压缩机和高压压缩机之间或在高压压缩机中抽取空气，以产生一种供给涡轮机的至少一个部件的压缩气流，
其特征在于，所述多个桨叶包括根据本发明的至少一个桨叶，其主轴B主要从涡轮机的主轴线A径向地定向，并且其纵向方向基本平行于所述主轴线A，所述桨叶包括第一管道和第二管道，并且其中，加压气流穿过所述至少一个桨叶的第一管道，并且在旁通流流体中流动的部分气流穿过所述至少一个桨叶的第二管道。
优选地，所述至少一个桨叶的主轴B主要从涡轮机的主轴线A径向地定向，并且与旁通流流体中的气流方向相对应，所述至少一个桨叶的纵向方向和所述至少一个桨叶的第二管道基本平行于主轴线A。
附图说明
在阅读通过参考附图将更好地理解的以下详细描述后，本发明的其他特征和优点将变得清晰，其中：
-图1是包括一种根据本发明制造的加压空气回路的飞行器涡轮机的轴向剖面示意图；
-图2是与图1类似的视图，示出了加压空气回路的变型实施例；
-图3A是根据本发明的桨叶的透视示意图；
-图3B是图3A所示桨叶的透视剖面图，示出了第一和第二管道；
-图4是沿纵向平面通过图3A所示的桨叶的剖面；
-图5A是根据本发明第二实施例制造的桨叶的详细透视图；
-图5B是图5A所示桨叶的透视剖面图，示出了第一和第二管道；
-图6是沿纵向平面通过图5B所示的桨叶的剖面。
具体实施方式
将采用根据附图上示出的V、L、T坐标系的垂直、纵向和横向定向用于描述本发明。
图1显示一包括主轴线A的飞行器涡轮机10。
按照与其主轴线A的距离顺序，涡轮机10包括低压轴12、高压轴14、芯部气流流体16、旁通气流流体20、分离芯部气流流体16与旁通气流流体20的芯部隔室18，以及中间壳体22。
芯部隔室18，也称为“流流体间隔室”，由径向内壁24和径向外壁26从主轴线A沿径向界定，所述径向内壁24界定芯部流流体16的外部，所述径向外壁26界定旁通流流体20的内部。壳体22包括一界定旁通流流体20的外部的径向内壁28。
沿着气流方向和沿着主轴线，按照从上游到下游的顺序，换句话说，参考图1从左到右，芯部流16包括低压压缩机30、高压压缩机32、燃烧室34、高压涡轮和低压涡轮(未示出)。
旁通流流体20包括桨叶组件22，该桨叶组件22将重新确定旁通流流体20中气流的方向，使得其流体基本上沿轴向方向，换句话说，基本上沿着平行于主轴线A的方向定向。
为此，桨叶组件52包括均匀地分布在涡轮机10的主轴线A周围的多个桨叶54，其作用于在旁通流流体20中循环的气流上。
每个桨叶54主要在一由一主轴线B和纵向方向限定的平面内延伸。当桨叶54安装在桨叶组件52中时，主轴线B从主轴线A大致沿径向定向，换句话说，主轴线B从径向定向显著倾斜，并且纵向方向平行于主轴线A。
每个桨叶54均具有沿主轴线B的称为根部56的第一端，用于其与芯部隔室18的连接，以及沿主轴线B的称为尖端58的第二端，用于其与壳体22的连接。当桨叶54安装在桨叶组件52中时，第一端56在主轴线A的径向内部，第二端在主轴线A的径向外部。
涡轮机10还包括一加压空气回路40，该加压空气回路40设计为首先冷却低压轴12，其次将加压空气供给到包含用于移动部件的润滑油的腔室，所述移动部件位于低压轴上，并对这些腔室加压。
该加压空气也可被引导到位于低压轴12与涡轮机风扇之间的减速器(未示出)，以使涡轮机通风或冷却涡轮机。
所述减速器将使风扇的转速与驱动风扇的低压轴12的转速分离。
特别是，这降低了风扇的桨叶相对于低压压缩机桨叶转速的转速，从而优化了每个低压压缩机的效率，因此改进了推进效率。这种减速器对于具有高稀释率的涡轮喷气发动机特别有利，换句话说，对于该涡轮喷气发动机，在旁通流流体中流动的空气与在芯部流流体中流动的空气之比很高。
该加压空气回路40包括位于芯部隔室18的径向内壁24上的至少一个空气排出点42。该排出点42位于低压压缩机30与高压压缩机32之间，或在高压压缩机32中，如图1所示。
在后一种情况下，所述排出点位于高压压缩机32的一个级，根据加压空气的压力，其温度，以及尽管存在可变定子桨叶(VSV)，但在高压压缩机32的第一级上排出的可能性，确定了所述级。
被排出的空气的压力足够高，以对油腔室加压。但是，该空气的温度太高，以至于无法冷却低压轴12，也无法具有用于润滑回路的良好操作条件。
为此，加压空气回路40包括降低加压空气的温度的热交换器44。
该热交换器44为空气-空气类型，冷空气源包括在旁通流流体20中循环的空气。
在这种情况下，热交换器44在桨叶组件52的至少一个桨叶54中形成，加压空气循环通过所述热交换器44，以与在旁通流流体20中循环的空气进行热交换。
加压空气回路40沿回路中的气流方向包括从空气排出点42延伸到桨叶54的上游段46，桨叶54，从桨叶54延伸至低压轴12的下游段48，以及朝低压轴12和油加压腔室的冷却点分配加压空气的设备(未示出)。
因此，加压空气回路40的上游段46延伸通过芯部隔室18，从其径向内壁24延伸到芯部隔室18的径向外壁26，在所述径向内壁24处上游段46连接到排气点42，在所述径向外壁26处芯部隔室18连接到桨叶54。
加压空气回路的下游段48延伸通过芯部隔室18，从其径向外壁开始，在所述径向外壁处其连接到桨叶54并且其还在异形臂(未示出)中穿过芯部流流体16，所述异形臂有利地定位在低压压缩机30与高压压缩机32之间。
在图2所示的第二实施例中，加压空气回路40的下游段48连接到桨叶54的外径向端58，它穿过次级流流体20和芯部隔室18，例如，穿过区段臂(未示出)，然后它也在有利地定位在低压压缩机30与高压压缩机32之间的区段臂(未示出)中穿过芯部流流体16。
如上所述，桨叶54的冷空气源包括在旁通流流体20中循环的空气。
因此，通过桨叶54的组成材料进行热交换。
桨叶54包括具有垂直主方向的主体60、称为根部的下端56，以及称为尖端的上端58。
主体60由内拱壁66和外拱壁68横向地界定。这两个壁(内拱壁66和外拱壁68)在前缘70处连接到主体的第一纵向端，所述前缘70是沿旁通流流体20中的气流方向的主体的上游边缘，并且它们在后缘72处连接到主体的第二纵向端，所述后缘72为沿次级流流体20中的气流方向的主体60的下游边缘。
如上所述，加压气流通过桨叶54循环。为此，主体60包括多个管道74，所述管道74沿由桨叶54的主轴线B限定的方向在主体60中定向。
根据图1所示的实施例，管道74仅在桨叶54的根部56处打开。然后，它们在桨叶54的尖端58处具有弯曲的U形，换句话说，包括基本平行于主轴线B的两个分支以及连接这两个分支的弯曲的段，所述弯曲的段位于桨叶54的尖端58处。
根据图2所示的实施例，管道74在它们的端部处在桨叶54的根部56和尖端58处打开。为此，桨叶54的根部和尖端包括在上游段46和下游段48处的连接设备(未示出)。而且，为了便于第一管道74的连接，第一管道74的所有端部相互倾斜以及相对于轴线B的主方向倾斜，以形成一随着与桨叶54的尖端58或根部56的距离减小而逐渐地变紧的束。
在以下的说明中，将参考如图2所示的实施例，根据该实施例，管道74在桨叶54的每一端56、58处沿径向打开。将会理解的是，本发明不限于该实施例，并且其也适用于如图1所示的U形弯曲管道。
如图2可以具体地看出，管道74主要沿主轴线B的方向定向，并沿纵向偏移，以沿纵向分布在主体60的全部长度上。
这些管道74的很大数量使得可在桨叶54的主体60与加压气流之间具有一大的热交换表面积，并最大限度地利用桨叶的表面积和体积。
通过旁通流20循环的气流与内拱壁66和外拱壁68接触，以与桨叶54的主体60交换热量。
为了进一步增加桨叶54的主体60与在旁通流流体20中循环的气流之间的热交换表面积，桨叶54的主体60包括主要具有纵向定向的多个其他管道76，所述其他管道76被设计为承载在旁通流流体20中循环的部分气流的循环。
在以下的说明中，加压气流流体穿过的管道74将被指定为“第一管道”，新鲜气流在旁通流流体20中循环通过的管道76将被指定为“第二管道”。
第二管道76沿主纵向方向被定向，并沿主轴线B的方向分布在主体60中。
第一管道74和第二管道76的组合在桨叶54的主体60中形成网格，因此便于两气流流体之间的热交换。
根据图3A至4中所示的第一实施例，第二管道76在外拱壁68与第一管道74之间形成。
另外，每个第二管道76的两个端部在外拱壁68中打开。
该结构使得可排出沿外拱壁68流动的部分空气，并且沿相同的流动方向，沿外拱壁68排出热空气，同时产生低气动扰动。
因此，第二管道76相对于外拱壁68以及相对于第一管道74的相对位置使得可将第一管道74放置在距外拱壁68一定距离处，所述外拱壁68是桨叶54最容易受到外部攻击(例如冰雹)的壁。
将会理解的是，本发明不限于该实施例，并且第二管道76可以在内拱壁66与第一管道74之间形成，它们的两个端部可以在内拱壁66中打开。
在图5A至6所示的第二实施例中，第二管道76从前缘70到后缘72沿纵向穿过桨叶54的全部主体60。
该实施例可限制在内拱壁66或外拱壁68上产生扰动。排出在旁通流流体20中循环的部分气流使通过次级流流体20的气流扰动最小化。流过这些第二管道76的空气也变得平直，并沿纵向方向出现。
根据本发明另一方面的第一实施例，关于不同管道74、76的相对布置，第二管道76沿横向布置在第一管道74与外拱壁68之间，以促进热交换，如图4中详细显示的那样。
根据本发明该另一方面的第二实施例，并且如图6中详细显示的那样，每个第二管道76在其主纵向横平面中具有波纹。
这些波纹使得第二管道76可以在第一管道之间通过。
因此，每个第一管道与每个第二管道76的弯曲的段相关联，并且位于弯曲的段的凹面部分的内侧。
这使得桨叶54中的热交换能够更好地分布，并且对于两个相邻的第一管道74之间的相同距离，相同主体60中的第一管道74的数量也能够更多。
因此，制造桨叶54的材料被选择为具有良好的热传导性能。也可根据桨叶54的机械性能选择该材料，特别是当桨叶54发挥结构作用时，所述结构作用在中间壳体的壳体22和芯部隔室18之间提供机械连接。
而且，制造桨叶54的材料被选择以便于其制造。优选地，通过增材技术制造桨叶54，因为该技术可用于在桨叶54中制造不同管道74、76。因此，制造桨叶54的材料必须适用于使用该制造方法。
可以考虑制造桨叶54的其他方法，例如模制和/或机加工。
引用铝作为一种具有良好导热性能的材料的非限制性示例。

Claims (8)

1.一种涡轮机桨叶(54)，包括主要在由一主轴线B和纵向方向限定的平面内延伸的主体(60)，所述主体(60)由内拱壁(66)、外拱壁(68)、位于所述主体(60)的第一纵向端的前缘(70)以及位于所述主体(60)的第二纵向端的后缘(72)界定，
其中，所述桨叶(54)的主体(60)包含多个第一管道(74)和多个第二管道(76)，所述第一管道(74)承载主要沿所述主轴线B的方向延伸的气流的循环，所述第二管道(76)承载主要沿纵向方向延伸的第二气流的循环，
每个所述第二管道(76)均沿与一垂直纵向平面垂直的一横向方向具有波纹，每个所述第一管道(74)均位于所述第二管道(76)的一凹段中。
2.根据权利要求1所述的桨叶(54)，其中，每个第一管道(74)包括沿所述主轴线B在所述主体(60)的至少一端(56，58)打开的两个端部。
3.根据权利要求2所述的桨叶(54)，其中，所述第一管道(74)的端部的设置方式形成一个随着与所述主体(60)的所述至少一端(56，58)的距离减小而逐渐变窄的束。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的桨叶(54)，其中，每个所述第二管道(76)包括在所述前缘(70)或后缘(72)处打开的两个端部，其中每个所述第二管道(76)均包括在所述主体(60)的内拱壁(66)或外拱壁(68)中打开的两个端部。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的桨叶(54)，其中，所述第一管道(74)沿横向布置在每个所述第二管道(76)的每一侧。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的桨叶(54)，其中，所述桨叶使用增材技术工艺进行制造。
7.一种飞行器涡轮机(10)，包括穿过一低压压缩机(30)和一高压压缩机(32)的芯部流流体(16)，
位于所述芯部流流体(16)周围并与所述芯部流流体(16)同轴的旁通流流体(20)，其包括用于通过所述旁通流流体(20)的气流的定子桨叶组件(52)，所述定子桨叶组件包括分布在涡轮机(10)的主轴线A周围的多个桨叶(54)，
加压空气回路(40)，所述加压空气回路(40)在所述低压压缩机(30)与所述高压压缩机(32)之间或在所述高压压缩机(32)中抽出空气，以产生供给涡轮机(10)的至少一个部件的加压气流，
其中，所述多个桨叶(54)包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的桨叶(54)，其主轴线B主要从涡轮机的一主轴线A沿径向定向，纵向方向大致平行于所述主轴线A，包括第一管道(74)和第二管道(76)，加压气流穿过所述至少一个桨叶(54)的第一管道(74)，在旁通流流体(20)中流动的部分气流穿过所述至少一个桨叶(54)的第二管道(76)。
8.根据权利要求7所述的涡轮机(10)，其中，所述至少一个桨叶的主轴线B主要从涡轮机的一主轴线A沿径向定向，所述至少一个桨叶的纵向方向和所述至少一个桨叶(76)的第二管道(76)大致平行于与所述旁通流流体(20)中的气流方向对应的所述主轴线A。
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