美國政府依據美國國防部授予的合同W911W6-11-2-0009對本發(fā)明享有特定權利。

背景技術：

本發(fā)明總體上涉及渦輪機壓縮機，并且確切地說，涉及該等壓縮機的可變定子元件。

燃氣渦輪發(fā)動機包括連續(xù)流連通的壓縮機、燃燒器以及渦輪，它們共同構成了渦輪機核心。所述核心能夠以已知方式操作，與其他發(fā)動機部件聯(lián)合，以執(zhí)行有用功，例如提供推力或者機械功。壓縮機的一種已知配置是“軸流離心式”壓縮機，其包括通過管道向下游離心流部分排放的上游軸流部分。

由于對高壓比和高效率比的循環(huán)需求，位于軸流離心式壓縮機下游端的擴散器喉管流動區(qū)域通常相對較小。結果是在部分速度條件下，壓縮機的離心部分的最大流量小于軸流式壓縮機的最小穩(wěn)定流量(即，軸向被推動超出其失速線)。在現(xiàn)有技術設計中，實現(xiàn)壓縮機穩(wěn)定的方法是從軸流和離心流壓縮機部分之間的某一位置提取或“排放”過量流量，或者在軸向部分中使用具有可變有效角度的入口導向輪葉，以調節(jié)質量流量。這兩種方法均對性能具有負面影響，并且其有效性有限。

因此，仍然需要開發(fā)能夠以良好效率在可變流速下操作的軸流離心式壓縮機。

技術實現(xiàn)要素：

此需求通過具有上游軸流部分和下游離心流部分的壓縮機來解決。可變導向輪葉設置在所述軸流與所述離心流部分之間。

附圖說明

結合附圖閱讀以下說明可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中：

圖1是包含壓縮機設備的燃氣渦輪發(fā)動機的半截面示意圖；

圖2足圖1中的壓縮機設備的一部分的后部立視圖；

圖3是圖1中的壓縮機設備的一部分的放大半截面圖；

圖4是第一位置中的一組出口導向輪葉的平面示意圖；

圖5是第二位置中的一組出口導向輪葉的平面示意圖；以及

圖6是替代壓縮機設備的一部分的半截面圖。

具體實施方式

參見附圖，其中相同的參考數(shù)字是指各個附圖中的相同元素，圖1示出了示例性壓縮機10。在圖示的實例中，壓縮機10并入燃氣渦輪發(fā)動機12中，所述燃氣渦輪發(fā)動機具有中心縱軸“A”并且以連續(xù)流的順序包括壓縮機10、燃燒器14以及燃氣發(fā)電機渦輪16(燃燒器14和壓縮機16示意性地示出)。本說明書中所用的術語“軸向”和“縱向”均指平行于軸A的方向，而“徑向”是指垂直于軸向的方向，而“切向”或“周向”是指相互垂直于軸向和切向的方向。本說明書中所用的術語“前部”或“正面”是指位于穿過或圍繞部件的氣流的相對上游的位置，而術語“后部”或“尾部”是指位于穿過或圍繞部件的氣流的相對下游的位置。本流向在圖1中用箭頭“F”示出。這些方向術語僅出于便于說明的考慮而使用，不要求所述結構做特定的定向。

壓縮機10提供壓縮空氣，所述壓縮空氣主要進入燃燒器14中以支持燃燒，部分圍繞燃燒器14，并在此處用于冷卻進一步下游的燃燒器襯里和渦輪機。燃料將引入燃燒器14的前端，并且以傳統(tǒng)方式與空氣混合。所得的燃料空氣混合物流動到燃燒器14中，并且在該燃燒器中點燃以產生熱燃燒氣體。熱燃燒氣體排放到燃氣發(fā)電機渦輪16中，并且在該燃氣發(fā)電機渦輪中膨脹，以便提取能量。燃氣發(fā)電機渦輪16通過軸18驅動壓縮機10。在圖示的實例中，發(fā)動機12是渦輪軸發(fā)動機并且工作渦輪(也稱為動力渦輪)20位于燃氣發(fā)電機渦輪16的下游并且連接到輸出軸22，所述輸出軸可連接到機械負載。但是，本說明書中所述的原理同樣適用于任何軸流離心式壓縮機。例如，它們可適用于由外部原動機驅動的壓縮機。

壓縮機10包括上游部分24和下游部分26。環(huán)狀外殼28圍繞整個壓縮機10。在截面中看去，外殼28的后部包括外裙部30，所述外裙部從外殼28的主體徑向向外發(fā)散，從而構成“Y”形。壓縮機10的上游部分24配置用于軸向流體流動，并且也稱為軸流部分或者簡稱為軸向部分。它包括若干級，每個級包括一行旋轉翼型或葉片32以及一排固定翼型或輪葉34。輪葉34用于使空氣流離開上游排葉片32，然后再進入下游排葉片32。

可任選地，一排或多排輪葉(如為一排，則表示為圖1中的34′)可以是可變定子輪葉或者簡稱為“VSV”；這些級的輪葉34′構造成使其迎角(也稱為“斜罩角”)可在操作中改變(即，這些定子輪葉34′可以圍繞虛線所示的軸樞轉)。使用VSV能夠以已知方式調節(jié)流過上游部分24的流量，以其便能夠有效地在高低質量流速下工作，而不遭受由諸如放氣閥等其他機構引起的損失。每個VSV級的輪葉34′具有對應的耳軸36，所述耳軸徑向向外延伸穿過外殼28。執(zhí)行臂38附接到每個耳軸36的遠端。單個級的所有執(zhí)行臂38通過協(xié)調環(huán)40連接在一起。因此，協(xié)調環(huán)40圍繞發(fā)動機縱軸A的旋轉使連接到該環(huán)40的所有執(zhí)行臂28共同移動，進而將所有耳軸36與其相連的定子輪葉34′共同樞轉。可使用能夠有效轉動協(xié)調環(huán)40的任何已知類型的執(zhí)行器來操作VSV 34′。例如，可將液壓或電氣線性執(zhí)行器用于此用途。在圖示的實例中，執(zhí)行器42示意性地示出為連接到協(xié)調環(huán)40。執(zhí)行器42在圖1中示意性地圖示為操作性地連接到控制器44。該裝置能夠將控制信號發(fā)送到執(zhí)行器42并且/或者控制諸如加壓流體或電力等能量源的流動。控制器44可以是諸如液力機械單元、動力管理單元(“PMU”)或者全權數(shù)字電子控制(“FADEC”)等已知發(fā)動機控制裝置的一部分。

壓縮機10的下游部分26配置用于離心或混合軸流離心流體流，并且可稱為離心流部分或者簡稱為離心部分。

下游部分26包括葉輪46，所述葉輪安裝用于與軸18一起旋轉，并且具有軸向前端48和軸向后端50。葉輪46限定大體凹面的內部流動通道表面52。內部流動通道表面52沿大體縱向朝向前端48延伸并且沿大體徑向延伸在后端50附近。翼型葉輪葉片54的環(huán)狀陣列沿徑向從內部流動通道表面52向外延伸。葉輪葉片54在其尺寸、截面形狀、定向、間隔和其他參數(shù)方面進行配置(根據傳統(tǒng)做法)以隨著葉輪46的旋轉而向穿過其中的空氣提供遞增的升壓。分離器葉片56的環(huán)狀陣列圍繞葉輪46的圓周與葉輪葉片54交錯。分離器葉片56的形式與葉輪葉片54類似，但是軸向長度較短。

環(huán)狀護罩組件58圍繞葉輪46。護罩組件58限定大體凸面的外部流動通道表面60，其緊密地圍繞葉輪葉片54和分離器葉片56的尖端。內部流動通道表面52和外部流動通道表面60共同限定穿過下游部分26的主要流動通道。護罩組件58的前端與外殼28鄰接，并且外殼28、其外裙部30以及護罩組件58共同限定環(huán)狀增壓室62。

一排翼型外出導向輪葉(“OGV”)64設置在上游部分24與下游部分26之間。OGV 64構造成使其斜罩角(stagger angle)能夠在操作中改變(即，OGV 64可以圍繞虛線所示的軸樞轉)。可變OGV 64使能夠改變從上游部分24進入下游部分26的旋流(即，切向速度)，如下文詳述。每個OGV 64具有對應的耳軸66，所述耳軸徑向向外延伸穿過外殼28，進入增壓室62中。執(zhí)行臂68附接到每個耳軸66的遠端。OGV 64的所有執(zhí)行臂68通過設置在增壓室62內的協(xié)調環(huán)70連接在一起。

曲拐72，從圖2和圖3中可最清楚地看出，在與OGV 64相同的軸向位置處，安裝在外裙部30中。曲拐72包括安裝用于在外裙部30中的襯套76中旋轉的圓筒74，設置在增壓室62內的內臂78，以及設置在外裙部30外部的外臂80。內臂78和外臂80與圓筒74一起共同旋轉。內壁78的遠端通過鏈節(jié)82連接到協(xié)調環(huán)70，所述鏈節(jié)沿大體切向延伸。

執(zhí)行器84(參見圖1)設置外裙部30外部并且連接到外臂80的遠端?？墒褂媚軌蛴行мD動曲拐72的任何已知類型的執(zhí)行器來操作OGV 64。例如，可將液壓或電氣線性執(zhí)行器用于此用途。執(zhí)行器84操作性地連接到圖1中示意性地圖示的控制器44。因此，執(zhí)行器84的相連、線性移動使曲拐72樞轉，進而使協(xié)調環(huán)70旋轉。因此，協(xié)調環(huán)70圍繞發(fā)動機縱軸A旋轉使連接到協(xié)調環(huán)70的所有執(zhí)行臂68共同移動，進而使所有耳軸66與其相連的OGV 64同步樞轉。鏈節(jié)82和曲拐72共同構成機械聯(lián)動機構，所述機械聯(lián)動機構操作性地將執(zhí)行器84與協(xié)調環(huán)70互連。這樣無需將執(zhí)行器置于增壓室62的高溫、相對擁擠的范圍內即可操作OGV 64。為此，可替代使用其他等效功能的機械聯(lián)動機構和/或執(zhí)行器配置。

例如，圖6示出了替代布置，在該布置中，OGV 64連接到伸長的耳軸66′，該伸長的耳軸跨過增壓室62并且穿過替代版本的外裙部30′。執(zhí)行臂68′附接到每個耳軸66′的遠端，并且可連接到設置在外裙部30′外部的協(xié)調環(huán)70′以及執(zhí)行器84′(類似于圖1中所示的協(xié)調環(huán)40和執(zhí)行器42的布置)。

在操作中，控制器44用于確定在每種發(fā)動機操作條件下，OGV 64以及(可任選地)VSV 34’的適當斜罩角。例如，可通過內部存儲的電子地圖或者列出每種操作條件下的所需斜罩角的表來實現(xiàn)。發(fā)動機操作條件或狀態(tài)可通過一個或多個參數(shù)定義，例如，操作員控制輸入、發(fā)動機速度或者發(fā)動機12內的多個位置處的流體溫度或壓力，所有這些參數(shù)均可使用已知類型的傳感器裝置確定?；谠摯_定值，可使用執(zhí)行器42和84驅動OGV 64以及(可任選地)VSV 34進入所需的斜罩角。圖4示出了第一相對較開的斜罩角β下的OGV 64，這樣可產生相對較小的第一切向速度“V1”或者穿過其中的旋流。圖5示出了第二相對較閉合的斜罩角β下的OGV 64，這樣可產生相對較高的第二切向速度“V2”或者穿過其中的旋流。

壓縮機10既能夠在質量流量和壓力比較低的較小轉子速度下工作，又能在質量流量和壓力比較高的較高轉子速度下工作。一般情況下，上游部分24和下游部分26的質量流量在較高動力條件下(例如，巡航動力)固有到配合良好。但是在局部動力條件下，穿過壓縮機10的下游部分26的最大流量小于上游部分24的穩(wěn)定操作所需的流量。根據本說明書中所述的原則，在該局部動力條件下，OGV 64將“打開”，即，OGV從圖5中所示的位置向圖4中所示的相對移動。這樣會減小進入下游部分26的旋流。這樣的效果在于增大下游部分26的壓力比和流速。流速更匹配并且軸向操作線下降。

可任選地，除了操縱OGV 64之外，VSV 34可以在局部動力水平下閉合，以減小上游部分24的流量和壓力比，并且更好地與下游部分26中的流量匹配。可任選地，除了操縱OGV 64之外，可以從上游部分24排走空氣。

本說明書中所述的設備相對于現(xiàn)有技術具備若干優(yōu)勢。其能夠減小進入下游離心壓縮機的旋流，從而增大離心壓縮機的壓力比和流速并且降低軸流壓縮機操作線。這樣，可減小恒定操作下的抽氣，或者改進當前排氣水平下的操作容限。排氣水平的減小具有縮小結構并且減小重量的固有優(yōu)勢。此外，可變OGV可用于通過改變壓縮機的軸流部分與離心部分之間的相對載荷，優(yōu)化沿操作線的效率。

上文描述了具有可變出口導向輪葉的壓縮機。本說明書中公開的所有特征(包括任何隨附的權利要求書、摘要和附圖)以及/或者公開的任何方法或工藝的步驟可進行任何組合，但是至少一些該等特征和/或步驟相互排斥的組合除外。

除非明確另作說明，否則本說明書中公開的每種特征(所有任何隨附的權利要求書、摘要和附圖)可更換成用于相同、等效或類似用途的替代特征。因此，除非明確另作說明，否則所公開的每種特征僅為一系列一般的等效或類似特征的一個實例。

本發(fā)明并不限于以上實施例的細節(jié)。本發(fā)明延伸到本說明書中公開的特征的任一新穎特征或者任一新穎組合(包括任何隨附的潛在新穎點、摘要和附圖)，或者所公開的任何方法或工藝的步驟的任一新穎步驟或者其任意新穎組合。