涡轮的制作方法

1.本公开涉及一种用于涡轮机的涡轮。更特定地，本公开涉及飞机涡轮机中的涡轮的冷却。


背景技术：

2.在涡轮机中的惯例是从例如高压压缩机等上游压缩机取得空气，以对具有较热环境的级中的零件进行冷却。从高压压缩机取得的冷却空气例如递送到低压涡轮，或递送到涡轮机的高压涡轮。所述空气随后吹扫暖空气且对这些涡轮机的一些零件(例如，圆盘、可移动叶片)进行通风。此冷却减少使涡轮的可移动零件过热的风险，所述过热可导致所述可移动零件降级，且在最差情况下导致所述可移动零件断裂。
3.举例来说，有可能制作在高压压缩机上包括若干空气吸取通道的装置，这些通道确保朝向低压涡轮或朝向高压涡轮取得的空气的循环以便冷却所述涡轮。这些通道可在涡轮机的固定壳体中挖出，特别是在位于高压涡轮与低压涡轮之间的涡轮间壳体中挖出，且提供高压涡轮壳体与低压涡轮壳体之间的机械连接。流过这些通道的冷却空气随后穿过此固定壳体，然后经由布置于此固定壳体的壁上的注入器注入到径向布置于高压涡轮或低压涡轮内部的空腔中。文献fr3084907a1描述此冷却装置的实例。
4.然而，虽然由注入空腔中的空气造成的冷却有利于圆盘的热保护，且因此由于每一圆盘的边沿中的热梯度减小而改善其使用寿命，但冷却空气的引入极大地减少圆盘的绝对温度水平以及其热膨胀水平，且可导致轮叶尖端处的径向间隙的增加且因此降低涡轮机的性能。
5.因此存在维持或改进涡轮机的可接受操作性能并在此性能内冷却涡轮机的双重需要。


技术实现要素：

6.因此，提供一种用于具有纵向轴线的涡轮机的涡轮，其包括：
7.可移动叶片和固定叶片的环形行的交替布置，以及
8.径向内部环形空腔，其径向形成于所述可移动叶片和固定叶片内部，
9.供应回路，其用于将冷却空气供应到所述内部环形空腔，
10.所述供应回路的下游端包括通向所述径向内部环形空腔的孔口的内部环形行和孔口的外部环形行，所述涡轮进一步包括用于控制供应空气到所述孔口的内部环形行和外部环形行的所述孔口的流速的构件。
11.取决于涡轮的操作条件，孔口的内部环形行和外部环形行允许冷却空气通向径向内部环形空腔的两个不同区，即空腔的径向内部区或径向外部区中。冷却空气取决于其在径向内部环形空腔中通向的区而因此用以对圆盘进行热保护且优化涡轮机的性能。特定来说，空气流速控制构件通过调节空腔的径向外部区中的温度而主动地控制在轮叶尖端处的径向间隙。控制构件因此使得可能获得涡轮机的冷却要求与性能要求之间的可接受折中。
12.控制构件因此注入冷却空气，所述冷却空气直接或间接地撞击圆盘。直接撞击圆盘的空气将比间接撞击圆盘的空气更冷，原因在于间接撞击圆盘的空气在通过再循环环路与空腔的部分接触时经历的加热。控制构件因此使得可能根据涡轮的既定操作目标而调节冷却空气的温度。
13.并且，控制构件可包含用于打开/关闭对所述孔口的空气供应的部件，所述部件由所述控制构件控制。因此存在打开/关闭部件的主动控制。
14.并且，打开/关闭部件可为阀。所述阀可以是三通阀。
15.并且，所述三通阀可以是开-关类型的，用于单独地打开所述孔口的内部环形行的孔口和所述孔口的外部环形行的孔口。
16.因此，取决于涡轮机的操作阶段，阀可打开其出口通路中的任一个以便有助于涡轮机的性能或冷却。在操作阶段中，阀可以例如依次关闭第一出口通路，并且接着关闭第二出口通路，以便获得涡轮机的冷却需要与性能寻求之间的平衡。此外，取决于打开出口通路，避免了径向内部环形空腔内的空气再循环环路的形成。
17.替代于三通阀，打开/关闭部件可以是包括第一阀和第二阀的组合件，所述第一阀和第二阀中的每一个彼此独立地由所述控制构件主动控制，以分别调节穿过所述孔口的内部环形行的孔口和所述孔口的外部环形行的孔口的空气的流速。在此情况下，除由三通阀提供的解决方案所提供的每一行注入器的经区分打开之外，还可能调节穿过内部和外部环形行中的任一者的流速的量以便调适冷却和/或加热的所期望水平。
18.在一个实施例中，所述涡轮包括上游高压涡轮和下游低压涡轮，所述高压涡轮和低压涡轮由涡轮间壳体纵向分离，所述涡轮间壳体包含延伸到涡轮的环形主要空气流中的多个径向臂，所述冷却空气供应回路在径向臂内部延伸，空气流速控制构件布置于所述径向臂中。
19.在另一实施例中，冷却空气供应回路延伸穿过固定叶片，空气流速控制构件径向形成于所述固定叶片内部。
20.本公开还涉及一种涡轮机，例如涡轮喷射或涡轮螺旋桨发动机，其包括如上文所描述的涡轮。
21.本公开进一步涉及一种用于涡轮机的组合件，其包括如上文所描述的涡轮，其中供应回路在其上游端连接到用于从压缩机取得空气的构件，该压缩机例如是高压压缩机。
附图说明
22.在阅读下面的详细描述并分析附图之后，其它特征、细节和优点将变得显而易见，其中：
23.[图1]先前已经描述的图1是根据已知技术的涡轮的示意性横截面图；
[0024]
[图2]图2是根据第一示例性实施例的空气流速控制构件的示意性横截面图。
[0025]
[图3]图3是根据第二示例性实施例的空气流速控制构件的示意性横截面图。
具体实施方式
[0026]
术语“上游”和“下游”在下文相对于通过涡轮机的气体流的方向来定义，由图1和2中的箭头f指示。
[0027]
图1示出旁路涡轮机1，其以已知方式从上游到下游依次包括：至少一个风扇10、发动机部分，所述发动机部分依次包括低压压缩机20、高压压缩机30的至少一个级、燃烧室40、高压涡轮50和低压涡轮60的至少一个级。
[0028]
围绕涡轮机1的主轴线x旋转且可通过不同的传动和齿轮系统联接在一起的转子对应于这些不同元件。
[0029]
此外，涡轮间壳体70安置于高压涡轮50与低压涡轮60之间，且机械地附接到高压涡轮50的壳体和低压涡轮60的壳体。涡轮间壳体70特别地为可旋转地导引涡轮的轴承提供支撑。为了减少空气动力学损失，穿过主要空气的环形流的此壳体的臂使得能够以与分配器级相同的方式拉直空气流。
[0030]
以已知方式，从高压压缩机30取得空气的一部分且经由一个或多个冷却空气供应回路32递送，以便冷却涡轮机1的较热区，特别是高压涡轮50和低压涡轮60。特定来说，冷却空气递送到中空涡轮间壳体70内部的空腔。
[0031]
此处示出的低压涡轮60包括多个涡轮级61。每一级61包括固定分配器65和可移动圆盘63(在图1中不可见)的组合件，叶片64的组合件安装到所述可移动圆盘，布置于分配器65的下游，且由所述可移动圆盘63可旋转地驱动。
[0032]
在图1中说明的实例中，涡轮间壳体70附接到低压涡轮60的壳体66。涡轮间壳体70是中空的，以允许冷却空气从中穿过，经由与涡轮间壳体70相关联的注入装置退出，所述注入装置包括多个注入器80。可移动圆盘63与沿着轴线x延伸的低压轴杆102可旋转地成一体，同时每一分配器65连接到壳体66。
[0033]
根据本公开，涡轮机1包括冷却装置，所述冷却装置用于经由供应回路32将从高压压缩机30取得的空气的部分递送到低压涡轮60。在下文描述的实例中，取得的冷却空气的部分被分配到低压涡轮60的上游级。因此冷却低压涡轮60。然而，本发明不限于此实施例，因为所提取空气部分也可分配到其它涡轮级。
[0034]
在图1中说明的实例中，从高压压缩机30取得的空气的部分流到供应回路32中，随后进入中空的涡轮间壳体70。更精确地说，涡轮间壳体70包括延伸进入环形主要空气流的多个径向臂，冷却空气供应回路32在所述径向臂中的一个内部延伸。所述空气部分通过涡轮间壳体70的循环方向由箭头71示出。所述空气部分随后经由注入器80注入到涡轮的主要空气的环形流径向内部的环形空腔68，或流下空腔68。分配的空气特别用于冷却涡轮圆盘63。通过孔口80或注入器注入的冷却空气另外使得能够吹扫低压涡轮60中存在的暖空气，进而冷却所述低压涡轮。更精确地说，从高压压缩机30取得且递送到流下空腔68中的冷却空气形成压力屏障或吹扫。此压力屏障防止来自燃烧室且在涡轮的环形主要空气流中、即在涡轮机1的主要空气循环流中流动的暖空气进入流下空腔68。因此限制了使涡轮转子过热的风险。特定来说，通过防止来自主要流的空气进入流下空腔68，此空腔的温度低于流，且涡轮转子因此可承受较高离心力且被设定大小以降低最终应力。
[0035]
图2是类似于图1的涡轮机的区的放大图，示出低压涡轮60的上游部分。
[0036]
图2所示的冷却空气供应回路32在径向内部环形空腔68的上游包括径向内部上游环形空腔88和径向外部上游环形空腔87。径向内部上游环形空腔88和径向外部上游环形空腔87由空腔间壁90径向分离。空腔间壁90防止径向内部上游环形空腔88与径向外部上游环形空腔87之间的空气循环。
[0037]
供应回路32进一步包括孔口81的内部环形行和孔口82的外部环形行。孔口81、82通向径向内部环形空腔68。特定来说，孔口81的内部环形行布置于上游的径向内部环形空腔88与下游的径向内部环形空腔68之间。类似地，孔口82的外部环形行布置于上游的径向外部上游环形空腔87与下游的径向内部环形空腔68之间。
[0038]
径向内部上游环形空腔88和径向外部上游环形空腔87因此通过孔口81、82与径向内部环形空腔68流体连通。
[0039]
如图2中可见，涡轮机包括用于控制供应空气到孔口81、82的流速的构件85。在此实例中，空气流速控制构件85布置于涡轮间壳体70的径向臂中的一个中。
[0040]
替代地，根据未示出的另一实例，涡轮机不含涡轮间壳体。在此配置中，冷却空气供应回路32延伸穿过固定叶片，且空气流速控制构件85径向形成于固定叶片65内部。
[0041]
控制构件85使得可能将冷却空气导引到径向内部环形空腔68中。更精确地说，根据涡轮机的既定操作性能，控制构件85将冷却空气导引到径向内部环形空腔68的径向内部或径向外部区中。
[0042]
为此目的，控制构件85可以包括用于打开/关闭注入器或孔口81、82的部件86。打开/关闭部件86可以由调节通过孔口的空气流的一个或几个阀组成。部件86由控制构件85主动控制。通过主动控制，应理解，部件86由控制构件85控制，所述控制构件向部件86发送打开/关闭命令。
[0043]
如图2中所示，控制构件85包括阀。示出的阀85布置于径向内部上游环形空腔88和径向外部上游环形空腔87的上游。阀85是例如三通阀。特定来说，三通阀85允许冷却空气从高压压缩机30传递到径向内部上游空腔88和径向外部上游空腔87。阀85具有“开/关”类型，即阀85允许空气仅通过孔口81的内部环形行的孔口或者仅通过孔口82的外部环形行的孔口。
[0044]
举例来说，如果与涡轮机的性能相比更希望圆盘63的冷却，则阀85关闭其通向径向内部上游环形空腔88的通路且打开其通向径向外部上游空腔87的通路。冷却空气穿过孔口82的外部环形行的孔口以通向径向内部环形空腔68的径向外部区。因此注入到径向内部环形空腔68中的冷却空气由于其与圆盘63的紧邻而直接撞击所述圆盘。实际上，孔口82的外部环形行的孔口与圆盘63的接近防止产生空气再循环环路，这些环路有助于加热空气。因此有效地冷却圆盘63。
[0045]
在相反实例中，如果与圆盘63的冷却相比更希望涡轮机的性能，则阀85关闭其通向径向外部上游环形空腔87的通路且打开其通向径向内部上游环形空腔88的通路。冷却空气穿过孔口81的内部环形行的孔口以在径向内部位置中通向径向内部环形空腔68。因此注入到径向内部环形空腔68中的冷却空气由于其与圆盘63的距离和空气再循环环路的产生而往往在到达圆盘63之前升温。
[0046]
来自孔口81的内部环形行的孔口的空气因此比来自孔口82的外部环形行的孔口的空气更暖。因此，取决于涡轮机的操作阶段，阀85可打开其出口通路中的任一个以便有助于涡轮机的性能或冷却。
[0047]
图2的实例示出控制构件85包括阀。然而，控制构件85不限于单个阀。举例来说，一个或多个挡板阀或活塞可以适合作为控制构件85。
[0048]
根据图3中示出且替代于三通阀的另一实例，打开/关闭部件86可为包括第一阀
861和第二阀862的组合件，所述第一阀和第二阀各自分别控制内部和外部环形行中的一者的孔口。阀861和862可以进一步彼此独立地受到主动控制。在此情况下，除每一行孔口的经区分的打开之外，还可以调节通过任一行孔口的流速的量。在此实例中，控制构件85调适所需的冷却和加热水平。阀允许空气交替地或同时且在必要时以不同流速通过孔口81的内部环形行的孔口和孔口82的外部环形行的孔口。冷却空气因此可穿过孔口82的外部环形行的孔口以通向径向内部环形空腔68的径向外部区，且穿过孔口81的内部环形行的孔口以通向径向内部环形空腔68的径向内部区，以便同时调适圆盘63的冷却和涡轮机的性能。换句话说，径向内部环形空腔68的径向内部和外部区的冷却是通过所述区中的每一个的单独主动控制来调节的。因此在轮叶尖端处的径向间隙和涡轮机的性能彼此独立地受到主动控制。在此配置中，阀861和862可例如布置于径向内部上游空腔88和径向外部上游空腔87的上游，在涡轮间壳体70的径向臂中的一个中。

技术特征：
1.一种用于具有纵向轴线(x)的涡轮机的涡轮(1)，其包括：可移动叶片(64)和固定叶片(65)的环形行的交替布置，以及径向内部环形空腔(68)，其径向形成于所述可移动叶片和固定叶片(64，65)内部，供应回路(32)，其用于将冷却空气供应到所述内部环形空腔(68)，所述供应回路(32)的下游端包括通向所述径向内部环形空腔(68)的孔口(81)的内部环形行和孔口(82)的外部环形行，所述涡轮进一步包括用于控制供应空气到所述孔口(81，82)的内部环形行和外部环形行的所述孔口的流速的构件(85)。2.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述空气流速控制构件(85)包括由所述控制构件(85)控制的用于打开/关闭对所述孔口(81，82)的空气供应的部件(86)。3.根据权利要求2所述的涡轮，其特征在于，所述打开/关闭部件(86)是阀。4.根据权利要求3所述的涡轮，其特征在于，所述阀(86)是三通阀。5.根据权利要求4所述的涡轮，其特征在于，所述三通阀(86)是开-关类型的，用于单独地打开所述孔口(81)的内部环形行的孔口和所述孔口(82)的外部环形行的孔口。6.根据权利要求2所述的涡轮，其特征在于，所述打开/关闭部件是包括第一阀(861)和第二阀(862)的组合件，所述第一阀和第二阀(861，862)中的每一个彼此独立地由所述控制构件(85)主动控制，以便分别调节穿过所述孔口(81)的内部环形行的孔口和所述孔口(82)的外部环形行的孔口的空气的流速。7.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮，其包括上游高压涡轮(50)和下游低压涡轮(60)，所述高压涡轮(50)和所述低压涡轮(60)由涡轮间壳体(70)纵向分离，所述涡轮间壳体包含延伸到所述涡轮的主要空气的环形流中的多个径向臂，所述冷却空气供应回路(32)在径向臂内部延伸，所述空气流速控制构件(85)布置于所述径向臂中。8.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮，其特征在于，所述冷却空气供应回路(32)延伸穿过固定叶片(65)，所述空气流速控制构件(85)径向形成于所述固定叶片(65)内部。9.一种涡轮机组合件，其包括根据前述权利要求中任一项所述的涡轮(1)，其中所述供应回路(32)在其上游端处连接到用于从压缩机取得空气的构件，所述压缩机例如是高压压缩机(30)。10.一种涡轮机，例如涡轮喷射或涡轮螺旋桨发动机，其包括根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮(1)或根据权利要求9所述的组合件。

技术总结
一种用于具有纵向轴线(X)的涡轮机的涡轮(1)，其包括：可移动叶片(64)和固定叶片(65)的环形行的交替布置；以及径向内部环形空腔(68)，其径向形成于所述可移动叶片和固定叶片(64，65)内部；以及供应回路(32)，其用于将冷却空气供应到所述内部环形空腔(68)，所述供应回路(32)的下游端包括通向所述径向内部环形空腔(68)的孔口(81)的内部环形行和孔口(82)的外部环形行，所述涡轮进一步包括用于控制供应空气到所述孔口(81，82)的内部环形行和外部环形行的所述孔口的流速的构件(85)。形行的所述孔口的流速的构件(85)。形行的所述孔口的流速的构件(85)。


技术研发人员：伯特兰德
受保护的技术使用者：赛峰直升机引擎公司
技术研发日：2022.02.23
技术公布日：2023/10/15