CN111852903A

CN111852903A - 压缩机间跨接管热交换器

Info

Publication number: CN111852903A
Application number: CN202010333843.9A
Authority: CN
Inventors: J.尼克尔斯; Y.克劳迪尔
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2040-04-24
Also published as: EP3730764B1; EP3730764A1; CA3075157A1; CN111852903B; US20200340402A1; US11333173B2

Abstract

所描述的燃气涡轮发动机包括第一离心压缩机、第二离心压缩机以及在其间延伸的压缩机间管。所述压缩机间管流体互连所述第一离心压缩机的第一叶轮的排出口和所述第二离心压缩机的第二叶轮的入口。所述压缩机间管在其外表面上具有热传递结构，以增加对流热传递。

Description

压缩机间跨接管热交换器

技术领域

本公开总体涉及燃气涡轮发动机，并且更特定来说涉及燃气涡轮发动机的离心压缩机。

背景技术

大多数燃气涡轮发动机具有多个轴向压缩机。然而，多个离心压缩机在燃气涡轮发动机中的使用并不常见。在此种燃气涡轮发动机中，多个离心压缩机级可以按串联流动布置彼此相邻地设置。使用压缩机间“跨接”管来将压缩空气流从上游离心压缩机引导到下游离心压缩机。

寻求对此种压缩机间跨接管的改进。

发明内容

因此，提供一种燃气涡轮发动机，其包括：第一离心压缩机和第二离心压缩机，所述第一和第二离心压缩机分别包括第一和第二叶轮；流体连接所述第一叶轮的排出口和所述第二叶轮的入口的多个压缩机间管，所述压缩机间管在其上具有热传递结构，所述热传递结构包括从所述压缩机间管的外表面径向延伸的一个或更多个突出部。

还提供一种用于燃气涡轮发动机的离心压缩机，其包括：具有内毂的叶轮，所述内毂带有从其延伸的多个叶片，所述叶轮可在外护罩内围绕中心纵向轴线旋转，所述叶轮具有轴向叶轮入口和径向叶轮出口；以及被构造成使从所述叶轮出口接收的空气扩散的扩散器，所述扩散器包括一个或更多个扩散器管，所述扩散器管具有管状主体，所述管状主体限定在所述扩散器管的入口和出口之间延伸穿过其的内部流动通道，所述扩散器管的所述入口与所述叶轮的所述径向出口流体流动连通，所述管状主体包括限定所述入口并且沿第一方向延伸的第一部分，终止在所述出口处并且沿不同于所述第一方向的第二方向延伸的第二部分，以及流体联接所述第一部分和所述第二部分的弯曲部分，所述扩散器管的所述弯曲部分在其外表面上具有热传递结构，所述热传递结构包括从所述扩散器管的所述外表面延伸的一个或更多个径向突出部。

进一步提供一种降低燃气涡轮发动机的多级压缩机的气体路径内的压缩空气的温度的方法，所述方法包括：引导空气通过在第一离心压缩机的第一叶轮的径向排出口和第二周向叶轮的第二叶轮的轴向入口之间延伸的压缩机间管的内部通道；以及使用至少部分径向远离所述压缩机间管中的一者或更多者的外表面突出的热传递结构来使热量传递离开流动通过所述压缩机间管的所述内部通道的空气，并且向外传递到所述压缩机间管外部的环境。

实施例可以包括以上特征的组合。根据下文包括的具体实施方式和附图，将显而易见到本申请的主题的这些和其它方面的进一步细节。

附图说明

现在参考附图。

图1是具有低压和高压离心压缩机的燃气涡轮发动机的轴向横截面视图。

图2是从图1中的区域2截取的详细轴向横截面视图，其示出图1的燃气涡轮发动机的压缩机区段的低压离心压缩机、高压离心压缩机和压缩机间管。

图3是图1和图2的压缩机区段的压缩机间管的部分外部透视图。

图4A和图4B是分别穿过图3中的线4A-4A和4B-4B截取的图2和图3的压缩机间管的示意性横截面视图。

图4C至图4F是用于图2和图3的压缩机和发动机中的替代压缩机间管的示意性横截面视图。

图5是示出在图2-3的压缩机间管内流动的空气的温度降低的图。

具体实施方式

图1示出优选地设置成用于亚音速飞行的类型的燃气涡轮发动机10，其通常按串联流动连通包括空气通过其吸入的空气进气部11，空气在其内被压缩的压缩机区段12，压缩空气在其中与燃料混合并且被点燃以产生环形热燃烧气体流的燃烧器13，以及用于从燃烧气体提取能量的涡轮机区段14。

图1的燃气涡轮发动机10是涡轮螺旋桨发动机，并且因此包括动力输出轴15，动力输出轴15连接到涡轮机区段14的涡轮机中的一者或更多者并且由其驱动以经由驱动螺旋桨输出凸缘16的减速齿轮箱17将驱动力传递到飞机的螺旋桨。虽然在图1中示出机载涡轮螺旋桨发动机10，但是应理解，本公开同样适用于其它类型的燃气涡轮发动机，包括例如涡轮轴发动机和非机载应用。

在图1的实施例中，燃气涡轮发动机10的涡轮机区段14包括两组涡轮机，即压缩机涡轮机26和动力涡轮机28。压缩机涡轮机26驱动压缩机区段12的压缩机转子，并且因此安装到公共的核心发动机轴29。动力涡轮机28安装到动力输出轴15，动力输出轴15与核心发动机轴29同轴且同心，核心发动机轴29驱动减速齿轮箱17，并且最终驱动输出螺旋桨凸缘16。

如根据图1和图2可以了解的，燃气涡轮发动机10的压缩机区段12是多级压缩机并且包括两个离心压缩机，即第一上游离心压缩机20和第二下游离心压缩机22。上游离心压缩机20将在本文中称为低压(LP)离心压缩机20，并且下游离心压缩机22将在本文中称为高压(HP)离心压缩机22。这两个离心压缩机20和22彼此相邻安置，并且相继安置在压缩机区段12的流动路径内，使得其串联流动连通、而在其间无任何中间的压缩机级（例如轴向压缩机）。

离心压缩机20、22中的每一者包括叶轮和在其下游的扩散器。虽然还可以使用叶片扩散器，但是在所描绘的实施例中，两个离心压缩机20和22都从其相应叶轮下游采用扩散器管。更特定来说，LP离心压缩机20包括LP叶轮30和接收在LP排出口25处离开LP叶轮30的压缩空气的LP扩散器管24（如将看到，其在本文中还称为压缩机间跨接管，或简称为“压缩机间管”24，只要其互连两个离心压缩机20、22）。HP离心压缩机22包括HP叶轮32和接收在HP排出口35处离开HP叶轮的压缩空气并且将其引导到下游的燃烧器13的HP扩散器管34。

参考图2，扩散器或压缩机间管24具有大致管状主体，其在所述管的相应入口25和出口27之间限定在其间延伸的流动通道。每一扩散器管24的管状主体通常包括沿第一方向延伸的第一部分43，沿不同于第一方向的第二方向延伸的第二部分45，以及流体联接第一部分43和第二部分45的在其间的弯曲部分47。如图可见，在此实施例中，管24的上游端处的第一部分43大致径向延伸，管的下游端处的第二部分45大致轴向延伸，并且其间的弯曲部分47包括在相应端部之间的所述管中的U形弯折部。如根据图1和图2还可以了解的，压缩机间管24中的每一者的至少一部分、并且更特定来说其弯曲部分47的U形弯折部环绕LP和HP离心压缩机20和22在压缩机间壳体33的外部延伸。如此，管24的弯曲部分47的至少此U形区段在本文中可以称为“暴露”区段或部分，因为压缩机间管24的这些暴露部分47暴露于发动机10的外部压缩机间壳体33周围的环境空气条件。

LP和HP叶轮30和32中的每一者通常具有内毂，所述内毂带有从其延伸的多个叶片，叶轮可在外护罩内围绕发动机的中心纵向轴线11或叶轮的旋转轴线旋转。如下文所述，叶轮30和32中的每一者还具有轴向入口和径向排出口，使得空气沿大致轴向方向进入叶轮30、32中的每一者，并且空气沿大致（向外）径向方向离开叶轮中的每一者。

如图2中所见，LP扩散器管/压缩机间跨接管24（在下文中简称为“压缩机间管”24）流体互连LP离心压缩机20和HP离心压缩机22。虽然在图1和图2中仅两个此类压缩机间管24可见，但是应理解，压缩机间管24的周向阵列安置在发动机周围，以便将空气从LP离心压缩机20引导到紧接在其下游的HP离心压缩机22。因此，压缩机间管24围绕压缩机区段的整个周界周向间隔开，并且在至少一个特定实施例中，就大小、长度、横截面轮廓等而言，所有压缩机间管24可以大致彼此相同。压缩机间管24还使来自LP离心压缩机20的压缩空气扩散，并且限定在压缩机间管24中的每一者内的通道的横截面面积从管入口25到管排出口27增加。压缩机间管24相应地将LP压缩空气流从相应管入口25（其也是LP叶轮30的排出口）引导到管排出口27（其也是HP叶轮32的入口）。HP离心压缩机22的HP叶轮32相应地经由压缩机间管24直接从LP离心压缩机20的LP叶轮30接收压缩空气。更特定来说，LP和HP叶轮30和32两者都参考发动机10的纵向延伸的中心线轴线11大致轴向接收进入空气，并且大致径向排出输出空气。压缩机间管24相应地流体互连LP离心压缩机20的LP叶轮30的径向出口25与位于其下游的HP离心压缩机22的HP叶轮32的轴向入口27。

现在参考图2和图3，被LP离心压缩机20的LP叶轮30压缩的空气在其压缩期间变得被加热，并且因此离开第一压缩级的压缩空气（即，在25处离开LP叶轮30的空气）相对于可在发动机机舱或飞机的其它围罩内的周围环境（包括发动机10的压缩机间壳体33外部的区域8）具有显著的温度升高。如此，流动通过压缩机间管24的压缩空气（压缩机间管24使来自LP叶轮30的压缩空气扩散并且在27处将其重新引导到HP叶轮32的入口中）与环境空气相比相对较热。通常，在双叶轮发动机设计中，来自第一压缩级的此种热压缩空气仅直接馈送到第二压缩级的HP离心压缩机22中，在此期间，压缩空气的温度甚至进一步升高。然而，降低进入第二HP压缩级的空气的温度将是期望的，因为这可以帮助改善压缩机区段12、并且因此发动机10的空气动力学性能和/或操作范围/条件。

为了冷却离开LP离心压缩机20的上游叶轮30的压缩空气，在此空气被吸入到HP离心压缩机22的下游叶轮32中之前，燃气涡轮发动机10的压缩机间管24相应地在其上设置有热传递表面结构/特征40，如现在将进一步详细描述的。在本文中术语热传递结构和热传递特征两者都可以使用，并且指代相同的事物，即设置在压缩机间管上的元件40，其被构造成并且可操作以增加离开压缩机间管24的热传递（与其上不具有额外热传递增强结构的类似压缩机间管相比）。如此，如本文中所述的压缩机间管24充当热交换器，由此流动通过管24的内部的空气内的热量经由通过管的壁和其上的热传递结构40的传导、并且然后经由对流从热传递结构40出来并传递到燃气涡轮发动机10的压缩机区段12周围的环境中。

如本文中所述的热传递结构40可以具有多种形状，但是在至少某些实施例中，可以包括一个或更多个翅片，所述翅片将被热传递领域的技术人员理解为从物体延伸以通过增加对流来增加到环境或来自环境的热传递速率的表面。这可以例如通过增加具有结构40的管24的表面面积来实现。然而，应理解，如本文中所述的热传递结构40不仅是表面粗糙度或其它非实质性突出部，而是从压缩机间管24的外表面可见地向外突出不可忽略的量（就其增加热传递的能力而言）的结构。例如，仅其它无翅片管的表面粗糙度将不构成如本文中所述的热传递结构40。

现在参考图3，发动机10的压缩机区段12的压缩机间管24中的每一者在其上具有至少一个热传递结构40，热传递结构40增加离开压缩机间管24的对流热传递。热传递特征40包括从压缩机间管24的周向外表面径向向外突出或延伸的一个或更多个突出部。在一个特定实施例中，热传递特征40可以在压缩机间管24上包括单个径向延伸的翅片。在其它实施例中，热传递结构40在压缩机间管24上包括多个（例如阵列）翅片或销。虽然应理解，并非所有热传递结构40都可以径向突出，但是在一个实施例中，至少一个热传递结构40沿大致径向方向从管的外表面延伸。

在所描绘的实施例中，热传递表面特征40包括从管24的一部分突出并且沿着其延伸的翅片，并且可以完全安置在管24的延伸超出压缩机间壳体33的上述暴露部分内。热传递结构可以安置在压缩机间管中的弯折部的U形部分的径向外侧上，如图2和图3中所见。在至少此实施例中，翅片40中的每一者在压缩机间管24的在压缩机间壳体33外部在区域8内的暴露长度的主要部分（即，大于50%）上方延伸。虽然在图3的实施例中，这些翅片40沿着其长度基本不间断，但是还可以设置多个间隔开的翅片40。如图3的实施例中所见，还参考图4A和图4B，形成热传递表面特征的翅片40中的每一者可以具有莫霍克状（Mohawk-like）形状，其中翅片40的中心部分（其可能靠近于管24中的弯折部的弯曲部的中点——即，弯曲部分的中点）比翅片40的外端具有远离压缩机间管24的外表面的更大高度。在一个特定实施例中，热传递结构40位于形成扩散器/压缩机间管24的周向阵列的管24的大部分（即，大于50%）上。

在图3的实施例中，形成热传递表面特征的翅片40在大致相同位置处（例如围绕管周向地）周向地在压缩机间管24中的每一者上并且被类似地确定大小和成形，使得压缩机间管24的阵列在其上限定热传递表面特征24的类似和对应阵列。然而，形成热传递表面特征40的翅片或其它结构可以围绕管24中的每一者的圆周安置在一个或更多个位置处。例如，管24中的每一者在其中可以具有围绕管24中的每一者的周界周向地间隔开的多个翅片40。

虽然在图3、图4A和图4B中示出单个纵向延伸的热传递翅片40，但是可以替代地使用其它热传递结构，例如横向延伸的翅片、多个销等等。因此，虽然在图3的实施例中，热传递表面特征40是翅片，但是替代结构类似地是可能的，包括（但不限于）销、凹坑、脊、凹槽等等，如图4C-4F中所示。因此，每一管24可以在其上并且按任何数目个合适图案、形状、构造和大小仅具有一个或更多个此类热传递表面特征40，如本领域技术人员将了解的。

然而，在所有情况下，由热传递表面特征40提供的额外表面和表面面积将有助于增加离开压缩机间管24的对流热传递，使得在压缩机间管24内流动的压缩空气内的热量将至少部分地抽离空气并且排出到周围环境8中。因此，压缩机间管24的排出口27处的空气的温度将低于在其上并不具有任何此类热传递表面特征40的类似压缩机间管24的排出口处的温度。换句话说，与无此类特征40的类似管相比，压缩机间管24与其周围环境之间的对流热传递将增加。这可以显著降低进入发动机的第二压缩级、更特定来说HP离心压缩机22的HP叶轮32的空气流的温度。从跨接管上的压缩机间管24上的热传递表面特征40抽离的热量被对流传送到气体路径外部的空气，并且实际上在某些实施例中，到达发动机10外部，并且因此进入周围机舱，其被排入到大气中。

现在参考图5，所述图示出对在其上具有热传递表面特征40的两个不同实施例（即其中每一管具有一个翅片，并且其中每一管具有两个翅片）的压缩机间管24内流动的压缩空气的温度的影响。在两种情况下，将温度差(ΔT)与无任何此类翅片/特征40的类似管进行比较。如图5中可见，例如，在压缩机间管的外部上8英尺/秒的空气速度的情况下，具有一个热传递翅片的压缩机间管可以提供管内部的空气温度的约2华氏度降低（与无任何此类翅片的类似管相比），而具有两个热传递翅片的相同压缩机间管可以提供管内部的空气温度的约4华氏度降低（与无任何此类翅片的类似管相比）。还如图5中可见，热传递翅片的数量越多，则管内部的空气的温度降低越大，特别是当在管的外部上流动的空气的速度增加时。

因此，根据上述实施例，本公开因此在燃气涡轮发动机的压缩机间跨接管上提供热交换表面特征，以便增加离开管的热传递，并且因此在双离心压缩机发动机构造中降低LP和HP叶轮之间的压缩空气的温度。因此，提供在燃气涡轮发动机的多级压缩机区段中的两个离心压缩机之间延伸的压缩机间跨接管，其中所述压缩机间跨接管添加有一个或更多个热交换表面特征。

以上描述仅旨在是示例性的，并且相关领域的技术人员将认识到，可以在不背离所公开的本发明的范围的情况下对所描述的实施例作出改变。本公开可以按其它特定形式实施，而不背离权利要求的主题。本公开旨在覆盖和包含技术上的所有合适改变。根据对本公开的审阅，所属领域的技术人员将显而易见到落入本发明的范围内的修改，并且此类修改旨在落入所附权利要求内。而且，权利要求的范围不应受到在示例中阐述的优选实施例的限制，而是应该给出与整个说明书一致的最宽泛解释。

Claims

1.一种燃气涡轮发动机，其包括：

第一离心压缩机和第二离心压缩机，所述第一离心压缩机和第二离心压缩机分别包括第一和第二叶轮；

流体连接所述第一叶轮的排出口和所述第二叶轮的入口的多个压缩机间管，所述压缩机间管在其上具有热传递结构，所述热传递结构包括从所述压缩机间管的外表面径向延伸的一个或更多个突出部。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述压缩机间管具有管状主体，所述管状主体包括沿第一方向延伸的第一部分、沿不同于所述第一方向的第二方向延伸的第二部分、以及流体联接所述第一部分和所述第二部分的弯曲部分，所述压缩机间管的所述弯曲部分在其上具有所述热传递结构。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其中，所述压缩机间管的所述弯曲部分的暴露区段至少部分地环绕所述第一和第二离心压缩机在压缩机间壳体的外部延伸。

4.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热传递结构完全安置在所述压缩机间管的在所述压缩机间壳体外部的所述暴露区段内。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热传递结构安置在所述暴露区段内的所述压缩机间管的长度的主要部分上方。

6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热传递结构是沿着所述暴露区段的所述长度的所述主要部分纵向延伸的翅片。

7.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其中，所述扩散器管的所述弯曲部分包括U形弯折部。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中，热传递结构安置在所述压缩机间管的所述弯曲部分中的所述U形弯折部的径向外侧上。

9.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其中，热传递结构限定远离所述压缩机间管的所述外表面延伸的高度，所述热传递结构的所述高度沿着其长度不恒定。

10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其中，热传递结构的高度在纵向中心处大于其纵向外端处。

11.根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热传递结构的最大高度出现在对应于所述压缩机间管的所述弯曲部分的中点的点处。

12. 一种用于燃气涡轮发动机的离心压缩机，其包括：

具有内毂的叶轮，所述内毂带有从其延伸的多个叶片，所述叶轮可在外护罩内围绕中心纵向轴线旋转，所述叶轮具有轴向叶轮入口和径向叶轮出口；以及

被构造成使从所述叶轮出口接收的空气扩散的扩散器，所述扩散器包括一个或更多个扩散器管，所述扩散器管具有管状主体，所述管状主体限定在所述扩散器管的入口和出口之间延伸穿过其的内部流动通道，所述扩散器管的所述入口与所述叶轮的所述径向出口流体流动连通，所述管状主体包括限定所述入口并且沿第一方向延伸的第一部分、终止在所述出口处并且沿不同于所述第一方向的第二方向延伸的第二部分、以及流体联接所述第一部分和所述第二部分的弯曲部分，所述扩散器管的所述弯曲部分在其外表面上具有热传递结构，所述热传递结构包括从所述扩散器管的所述外表面延伸的一个或更多个径向突出部。

13.根据权利要求12所述的离心压缩机，其中，所述扩散器管形成周向阵列，所述周向阵列的每一扩散器管在所述径向叶轮出口和所述扩散器管的出口之间延伸，并且其中，所述热传递结构位于所述周向阵列的大部分扩散器管上。

14.根据权利要求12所述的离心压缩机，其中，所述热传递结构包括多个翅片和/或销。

15.根据权利要求12所述的离心压缩机，其中，所述扩散器管中的每一者包括沿着其延伸的一个或更多个热传递翅片。

16.根据权利要求15所述的离心压缩机，其中，所述一个或更多个热传递翅片沿着所述扩散器管中的每一者纵向地延伸。

17.根据权利要求12所述的离心压缩机，其中，所有扩散器管上的所述热传递结构相同。

18.根据权利要求12所述的离心压缩机，其中，所述扩散器管的所述弯曲部分的暴露区段至少部分地环绕所述离心压缩机在压缩机间壳体的外部延伸，所述热传递结构完全安置在所述扩散器管在所述压缩机间壳体外部的所述暴露区段内。

19.根据权利要求18所述的离心压缩机，其中，所述热传递结构安置在所述扩散器管的所述弯曲部分的径向外侧上。

20. 一种降低燃气涡轮发动机的多级压缩机的气体路径内的压缩空气的温度的方法，所述方法包括：

引导空气通过在第一离心压缩机的第一叶轮的径向排出口和第二周向叶轮的第二叶轮的轴向入口之间延伸的压缩机间管的内部通道；以及

使用至少部分径向远离所述压缩机间管中的一者或更多者的外表面突出的热传递结构来使热量传递离开流动通过所述压缩机间管的所述内部通道的空气，并且向外传递到所述压缩机间管外部的环境。