用于涡轮发动机的进口颗粒分离器的制作方法

关于联邦政府资助的研究或发展的申明

本发明在由美国政府授予的合同号w911w6-07-02-0002下的政府支持下完成。美国政府具有对本发明的一些权利。

背景技术：

发动机(且尤其燃气或燃烧涡轮发动机)是从经过发动机到大量涡轮叶片上的燃烧气体流中提取能量的旋转式发动机。燃气涡轮发动机被用于陆地和海上运动和发电，但最为普遍地被用于航空应用，例如飞行器(包括直升机)。在飞行器中，燃气涡轮发动机被用于推进飞行器。在陆上的应用中，涡轮发动机常常被用于发电。此外，诸如包含颗粒物质的脏的流体在其中流动的流体系统可包括下游发动机(诸如在油箱中或发电厂中)。

用于飞行器的燃气涡轮发动机被设计成在高温下运行以最大化发动机效率，因而某些发动机构件(诸如高压涡轮机和低压涡轮机)的冷却可为必要的。典型地，冷却是通过将更冷的空气从高和/或低压压缩机用管道输送至需要冷却的发动机构件来完成的。虽然涡轮机空气是高温，但它相对于压缩机空气更冷，且可被用于冷却涡轮机。当冷却涡轮机时，冷却空气可被供给至各种涡轮机构件，包括涡轮机叶片和涡轮护罩的内部。

发动机吸入空气中的颗粒(诸如污垢、灰尘、砂子、火山灰和其它环境污染物)可导致严重的压缩机腐蚀。当颗粒移动穿过发动机时，它们可在燃烧气体中溶化并随后在涡轮机流动路径表面上再固化。夹带在涡轮机冷却空气中的颗粒由于沉淀和冷却通道的堵塞可导致冷却的损失。所有这些影响对于飞行器环境而言导致减少的运行时间或“在翼时间”。在全球范围内的在其中涡轮发动机暴露于显著量的气载颗粒的某些运行环境中，该问题被加重。

技术实现要素：

在一方面，一种将颗粒从具有中心体且限定发动机中心线的涡轮发动机的进口空气流中分离的方法。该方法包括将进口空气流的至少一部分撞向撞击表面，在撞击后，使空气流绕中心体转向，并且在转向期间使空气流的一部分相对于发动机中心线径向转移以形成含有不可实施转向的惯性束缚颗粒的扫气流。

在另一方面，一种燃气涡轮发动机包括：具有中心体且限定进口管道的进口，该进口管道限定进口空气流路径；布置在中心体下游且限定发动机中心线的发动机核心；以及具有绕中心体的至少一部分径向向外布置的扫气气室且具有使进口管道流体联接至扫气气室的气室进口的进口颗粒分离器。

在又一方面，一种燃气涡轮发动机具有中心体且限定进口管道，该进口管道限定进口空气流路径，布置在中心体下游且限定发动机中心线的发动机核心，具有沿径向向外布置的扫气气室且绕中心体的至少一部分形成转向的并且具有使进口管道流体联接至扫气气室的气室进口的进口颗粒分离器，以及由位于转向上游的中心体的至少一部分形成的撞击表面。

本发明的第一技术方案提供了一种将颗粒从具有中心体且限定发动机中心线的涡轮发动机的进口空气流分离的方法，所述方法包括：使夹带在所述进口空气流中的颗粒物质的至少一部分撞向撞击表面；在撞击之后，使所述空气流绕所述中心体转向；以及将所述空气流的一部分在所述转向期间相对于所述发动机中心线沿径向转移，以形成含有不能实现所述转向的惯性束缚颗粒的扫气流。

本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，使夹带在所述进口空气流中的所述颗粒物质撞击包括使夹带在所述进口空气流中的所述颗粒物质的至少一部分撞向与所述发动机中心线和进口空气流流线中的一个形成90°或更小的前部角的撞击表面。

本发明的第三技术方案是在第二技术方案中，所述撞击表面与所述发动机中心线和所述进口空气流流线两者都形成90°或更小的前部角。

本发明的第四技术方案是在第二技术方案中，所述撞击表面相对于所述发动机中心线和所述进口空气流流线中的至少一个形成前部锐角。

本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，还包括在所述转向的顶尖处使所述扫气流从所述空气流转移。

本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，空气流速率在所述转向期间是大约恒定的。

本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，使所述空气流转向是相对于所述发动机中心线穿过至少120°。

本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，撞击导致非弹性碰撞。

本发明的第九技术方案提供了一种燃气涡轮发动机，其包括：具有中心体且限定进口管道的进口，所述进口管道限定进口空气流路径；布置在所述中心体下游且限定发动机中心线的发动机核心；以及具有绕所述中心体的至少一部分沿径向向外布置的扫气气室且具有将所述进口管道流体联接至所述扫气气室的气室进口的进口颗粒分离器。

本发明的第十技术方案是在第九技术方案中，所述进口管道限定绕所述中心体的转向部，且所述气室进口在所述转向部处流体联接至所述进口管道。

本发明的第十一技术方案是在第十技术方案中，所述转向部为至少120°。

本发明的第十二技术方案是在第十一技术方案中，还包括在所述转向部上游的撞击表面。

本发明的第十三技术方案是在第十二技术方案中，所述撞击表面由所述中心体的一部分形成。

本发明的第十四技术方案是在第十二技术方案中，所述撞击表面限定相对于所述中心线成小于或等于90°的前部角。

本发明的第十五技术方案是在第十二技术方案中，所述撞击表面导致颗粒物质的非弹性碰撞。

本发明的第十六技术方案是在第九技术方案中，所述进口颗粒分离器包括与所述气室进口一起定位的扫气导叶。

本发明的第十七技术方案是在第九技术方案中，所述进口颗粒分离器是从所述进口可机械地移除的。

本发明的第十八技术方案是在第九技术方案中，还包括在所述气室进口上游的撞击表面。

本发明的第十九技术方案是在第十八技术方案中，所述撞击表面具有导致颗粒物质相对所述撞击表面的非弹性碰撞的恢复系数。

本发明的第二十技术方案是在第十九技术方案中，所述撞击表面限定相对于所述中心线成小于或等于90°的前部角。

本发明的第二十一技术方案是在第二十技术方案中，所述撞击表面由所述中心体的一部分形成。

本发明的第二十二技术方案提供了一种燃气涡轮发动机，其包括：具有中心体并且限定进口管道的进口，所述进口管道限定进口空气流路径；布置在所述中心体下游且限定发动机中心线的发动机核心；具有沿径向向外布置的扫气气室并且绕所述中心体的至少一部分形成转向的且具有使所述进口管道流体联接至所述扫气气室的气室进口的进口颗粒分离器；以及由位于所述转向上游的所述中心体的至少一部分形成的撞击表面。

本发明的第二十三技术方案是在第二十二技术方案中，所述转向为至少120°。

本发明的第二十四技术方案是在第二十二技术方案中，所述撞击表面限定相对于所述中心线成小于或等于90°的前部角。

本发明的第二十五技术方案是在第二十二技术方案中，所述进口颗粒分离器包括与所述气室进口一起定位的扫气导叶。

本发明的第二十六技术方案是在第二十二技术方案中，所述进口颗粒分离器是从所述进口可机械地移除的。

附图说明

在附图中：

图1是燃气涡轮发动机的示意性截面图。

图2是具有进口颗粒分离器的图1的燃气涡轮发动机的横截面图。

图3是图3的进口颗粒分离器的分解图。

图4是图示出其中的空气流的进口颗粒分离器的截面图。

图5a是图示出接触具有标称恢复系数的撞击表面的颗粒的截面图。

图5b是图示出接触具有低恢复系数的图5a的撞击表面的颗粒的截面图。

图6是图示出将颗粒从涡轮发动机的进口空气流中分离的方法的流程图。

零件列表

10燃气涡轮发动机

12纵轴线(中心线)

14前部

16后部

22压缩机区段

24低压(lp)压缩机

26高压(hp)压缩机

28燃烧区段

30燃烧器

32涡轮区段

34hp涡轮机

36lp涡轮机

38排气区段

44核心

46核心壳体

48hp轴/hp转轴

50lp轴/lp转轴

51转子

52压缩机级

53盘

54压缩机级

56压缩机叶片

58压缩机叶片

60压缩机导叶(喷嘴)

62压缩机导叶(喷嘴)

64涡轮机级

66涡轮机级

68涡轮机叶片

70涡轮机叶片

72涡轮机导叶

74涡轮机导叶

80进口区段

82导管区段

84出口区段

88进口颗粒分离器

90进口

92中心体

94撞击表面

96进口管道

98扫气气室

100气室进口

102流动管道

104支柱

120前板

122扫气导管

124扫气出口

126扫气进口

128导叶

130带

132内部部件

134外部部件

136外表面

138内表面

140流动路径

142转向

144管道进口

146管道出口

148转向角

150进口流

152管道空气流

154扫气流

156清洁空气流

160颗粒物质流

161接触

162径向轴线

164撞击轴线

166第一角

168第二角

200方法

202步骤

204步骤

206步骤

208步骤。

具体实施方式

所描述的本发明的实施例针对涉及颗粒移除(尤其在涡轮轴式涡轮发动机中)、且更特别地涉及从至涡轮发动机的发动机吸入空气流中移除颗粒的系统、方法和其它设备。为了图示目的，将关于飞行器燃气涡轮发动机来描述本发明。然而，将理解的是，本发明不因此受限且可具有在非飞行器应用(诸如其它移动应用和非移动的工业的、商业的和住宅的应用)中的通用性。

如在本文中所使用的，用语“轴向”或“轴向地”指沿着发动机纵轴线或沿安置在发动机内的构件的纵轴线的维度。与“轴向”或“轴向地”结合地使用的用语“向前”指沿朝发动机进口或与另一构件相比离发动机进口相对更近的构件的方向移动。与“轴向”或“轴向地”结合地使用的用语“向后”指朝向相对于发动机中心线的发动机的后部或出口的方向。

如在本文中所使用的，用语“径向”或“径向地”指在发动机的中央纵轴线、外发动机圆周、或者安置在发动机内的圆形或环形构件的中心纵轴线之间延伸的维度。用语“近侧”或“近侧地”自身或是与用语“径向”或“径向地”结合的使用指沿朝中央纵轴线或与另一构件相比离该中央纵轴线相对更近的构件的方向移动。

如在本文中所使用的，用语“切向的”或“切向地”指的是垂直于关于发动机的纵轴线或安置在发动机中的构件的纵轴线的径向线而延伸的维度。

所有方向基准(例如，径向的、轴向的、上面的、下面的、向上、向下、左边、右边、侧向的、前面、后面、顶部、底部、以上、以下、竖直的、水平的、顺时针的、逆时针的)仅用于识别目的，以辅助读者对本公开的理解，且不产生尤其对其位置、定向或用途的限制。连接基准(例如，附接、联接、连接和结合)可宽泛地理解且可包括元件集合之间的中间部件和元件之间的相对运动，除非另外指名。如此以来，连接基准未必推断出两个元件彼此直接相连且处于固定关系。示例性的附图仅用于图示的目的，且附于其的图中反映的维度、位置、顺序和相对尺寸可变化。

图1是用于飞行器的燃气涡轮发动机10的示意性横截面图。发动机10具有从前部14至后部16延伸的大体上纵向延伸的轴线或中心线12。发动机10以下行串行流关系包括：包括增压机或低压(lp)压缩机24和高压(hp)压缩机26的压缩机区段22，包括燃烧器30的燃烧区段28，包括hp涡轮机34和lp涡轮机36的涡轮机区段32，以及排气区段38。hp压缩机26、燃烧器30和hp涡轮机34形成发动机10的核心44，其产生燃烧气体。核心壳体46围绕核心44。

绕发动机10的中心线12同轴地安置的hp轴或转轴48将hp涡轮机34驱动地连接至hp压缩机26。在更大直径的环状hp转轴48内绕发动机10的中心线12同轴地安置的lp轴或转轴50将lp涡轮机36驱动地连接至lp压缩机24。发动机10的安装至转轴48,50中的任何一个或两者并与其一同旋转的部分单独地或共同地被称为转子51。

lp压缩机24和hp压缩机26分别包括多个压缩机级52,54，其中一套压缩机叶片58相对于对应的一套静止的压缩机导叶60,62(也称为喷嘴)旋转来压缩或加压经过级的流体的流。在单个压缩机级52,54中，多个压缩机叶片56,58可设在环中并且可相对于中心线12从叶片平台径向向外延伸至叶片尖端，同时相应的静止的压缩机导叶60,62位于旋转叶片56,58下游并邻近于旋转叶片56,58。应注意，图1中显示的叶片、导叶和压缩机级的数量仅为了图示目的而选择，且可能是其它数量。用于压缩机级的叶片56,58可被安装至盘53，盘53被安装至hp和lp转轴48,50中的对应的一个，其中各个级具有其自己的盘。导叶60,62以绕转子51的圆周布置被安装至核心壳体46。

hp涡轮机34和lp涡轮机36分别包括多个涡轮机级64,66，其中一套涡轮机叶片68,70相对于对应的一套静止的涡轮机导叶72,74(也称为喷嘴)旋转来从经过级的流体的流中提取能量。在单个涡轮机级64,66中，多个涡轮机叶片68,70可设在环中且相对于中心线12从叶片平台径向向外延伸至叶片尖端，同时对应的静止的涡轮机导叶72,74位于旋转叶片68,70的上游且邻近于旋转叶片68,70。应注意，图1中所示的叶片、导叶和涡轮机级的数量仅为了图示目的而选择，且可能是其它数量。

在运行中，空气被供给至lp压缩机24，lp压缩机24随后将增压环境空气供给至hp压缩机26，hp压缩机26将环境空气进一步增压。来自hp压缩机26的增压空气在燃烧器30中与燃料混合并点燃，由此产生燃烧气体。通过hp涡轮机34从这些气体中获得一些功，其驱动hp压缩机26。燃烧气体被排出到lp涡轮机36中，其获得另外的功以驱动lp压缩机24，并且废气最终经由排气区段38从发动机10中排出。lp涡轮机36的驱动对lp转轴50进行驱动，以使lp压缩机24旋转。

环境空气中的一些可绕过发动机核心44且用于冷却发动机10的一部分、尤其热的部分，并且/或者被用于冷却或供能飞行器的其它方面。在涡轮发动机的情境中，发动机的热的部分通常在燃烧器30、尤其涡轮机区段32的下游，其中hp涡轮机34是最热的部分，因为其在燃烧区段28的正下游。其它冷却流体的来源可以是但不限于从lp压缩机24或hp压缩机26排出的流体。

参照图2，燃气涡轮发动机10的横截面图示出在压缩机区段22上游的轴向布置中的进口区段80和导管区段82，和涡轮机区段32下游的出口区段84。进口区段80具有进口颗粒分离器88，其具有进口90、中心体92和扫气气室98。进口90限定用于将空气的流提供至下游区段的开口。在进口90轴向地下游的是中心体92，其具有由中心体92的一部分形成的撞击表面94，该撞击表面94面向从进口90所提供的空气流。进口管道96绕中心体92来限定且径向地、朝向外地由与进口管道96流体连接的扫气气室98限制。一个或多个气室进口100提供进口管道96与扫气气室98之间的流体连通。进口90、中心体和扫气气室98均为环形的，使得进口管道96围绕发动机中心线12被径向地限定。设想到，扫气气室98可备选地包括其它蜗管、扫气导管或可以是绕发动机中心线12径向地布置的多个扫气导管的组合。

导管区段82具有将进口管道96流体联接至发动机10的压缩机区段22的流动导管102。提供至进口90的空气流可围绕中心体92经过进口管道96并至流动导管102，从而将空气提供至压缩机区段22。出口区段84具有围绕发动机中心线12径向地布置的一个或更多个支柱104。

转向图3(进口颗粒分离器88的分解图)，其最好地图示了用于将空气流提供至发动机核心44的构件的组合。前板120安装至扫气导管122，其限定扫气气室98。前板120和中心体92用于至转向部96的径向朝外的流动进口。颗粒在径向朝外的方向上被加速以用于扫气穿过气室进口100。扫气导管122具有用于将空气的扫气流提供至机外的扫气出口124。径向地在扫气导管122内的是中心体92。扫气进口区段126可包括多个环形扫气导叶128，其安装至一个或更多个带130来限定图2的气室进口100。扫气导叶128包括被定向成将气室进口100的径向安置限定为径向的楔形体。备选地，设想到，扫气导叶128可以是任何形状，使得楔形是非限制性的。此外，扫气导叶128的安置可限定对于气室进口100的轴向定向。虽然显示了四个扫气导叶128，但设想到任何数量的扫气导叶128来限定任何数量的气室进口100。内部部件132和外部部件134可限定在中心体92轴向地下游的流动导管102的径向内外边界。中心体92和内部部件可联接在轴向布置中，且被支承在扫气导管122和扫气进口区段126的外部布置内。

进口颗粒分离器88的结构元件可轻易地互相连接以形成进口颗粒分离器88。进口颗粒分离器88是从导管区段82可机械地移除的。利用轻易的可移除性促进了进口区段80的安装和维护。然而，应理解的是，有差异的制造组合有可能改进本文中所公开的仪器。

图4图示出进口颗粒分离器88的进口管道96的横截面，其最佳地图示出限定进口90、进口管道96和流动导管102来限定进口路径140的径向的外表面136和内表面138。进口管道96进一步限定了绕中心体92的转向部142，该中心体92具有在进口管道96上游的撞击表面94。气室进口100在转向部142处流体联接至进口管道96。进口管道96可进一步具有进口144和出口146。进口144可具有极小的横截面面积来使进入进口管道96的空气加速。另外，出口146在气室进口100下游可具有极小横截面面积，使得进入流动导管102的空气流在移动至压缩机区段22之前减速。转向部142可被限定在进口144和出口146之间，且可包括至少120°的转向角148，同时可设想具有任何角度的转向。转向部142可在转向部142的顶尖联接至气室进口100。所示气室进口100可以以与转向部142中的流动互补的方式来安置。例如，如果中心体92限定了用于转向部142相对于发动机中心线12的特定角，则可使在转向部142的那个部分的气室进口100相对于转向部142成一角度或与转向部142互补，以防止对发动机性能的负面影响。此外，基于特定的发动机10或进口90的设计，可使用更多或更少的气室进口100。

进口流150穿过进口90来提供，其具有基本上轴向的流动方向。进口流150转向以在基本上径向向外的方向上移动到进口管道96中并加速进入转向部142。夹带在进口流150中的特定物质可转向到进口管道96中或将具有足够大的质量，使得其在移动进入到进口管道96之前将撞击撞击表面94，从而降低颗粒物质的惯性。管道空气流152将经过转向部142，其使空气的一部分移动进入流动导管102中，而使管道空气流152的另一部分经过气室进口100来作为扫气流154。夹带在管道空气流152中的颗粒物质将具有用于限定惯性的速率，该速率将利用扫气流154将某一比例的颗粒物质运输穿过气室进口100，从而将某一比例的颗粒物质从穿过流动导管102提供至压缩机区段22的清洁的空气流156中移除。应认识到的是，相较于其它具有较小的转向部142的进口颗粒分离器，利用显著的转向部142结合撞击表面94以及径向安置的扫气导管122可移除进入发动机10的颗粒物质中的更大一部分。

现在转向图5a和5b，图示出颗粒物质流撞击撞击表面94。参见图5，颗粒物质160的流将和提供至发动机10的空气的流一起沿基本上轴向的流动路径移动。颗粒物质160的接触点161处的撞击表面94可以一角度来安置。径向轴线162可正交于发动机中心线12而延伸穿过接触点161。撞击轴线164可沿撞击表面94穿过接触点161而限定。第一前部角166存在于径向轴线162与撞击轴线164之间，而第二前部角168存在于撞击轴线164与颗粒物质160的轴流流线之间。中心体92可成形为使得撞击表面94将第一和第二前部角166,168限定为90°或更小。

如可认识到的，颗粒物质160将接触撞击表面94并且可在行进到进口管道96和进入转向部142之前(在使颗粒物质160的大部分经过气室进口100之前)沿多个方向分散。由撞击表面94限定的角度166,168可变化以引导颗粒物质的轨道或改进气动滞止的区域来使颗粒物质变慢。撞击表面的几何形状提供使颗粒弹回即将到来的进口空气流150中并使颗粒物质的速率变慢的机会。一旦颗粒速率明显降低，气动阻力将使颗粒再加速并且强烈地影响颗粒轨道。在撞击后，颗粒将在其进入进口144时在径向方向上被大幅度地再加速并且继续在径向向外的方向上去往扫气气室进口100。

参见图5b，撞击表面94可具有低恢复系数(cor)，使得撞击中心体92的颗粒物质160将以非弹性碰撞来撞击，表现为不那么混乱的方式，同时降低颗粒物质的速率和惯性。成角度的表面和对于表面的低cor的组合可致使颗粒相对其进口速度具有在速率上的显著降低。低cor可向颗粒物质提供朝向气室进口100的更直的路径，使得需要更少的气室进口100或可提高系统效率。

图6是图示出将颗粒从涡轮发动机10的进口流分离的方法200的流程图。涡轮发动机可限定中心体且具有中心体。在202处，穿过进口90将空气的流提供至燃气涡轮机10。如204，空气流的至少一部分撞向中心体92上的撞击表面94。使空气流撞击可包括使空气流相对于发动机中心线12或空气流流线中的任何一个或两者以90°或更小的前部角撞向撞击表面94，使得撞击表面94形成前部锐角。另外，撞击表面可具有低cor，从而降低颗粒物质在撞击后的惯性。降低的惯性可确定用于撞击后的颗粒物质的更直的流动路径。该cor可导致颗粒在撞击表面处的非弹性碰撞。

在撞击之后，在206处，空气流可绕中心体92转向。空气流绕中心体92转向。该转向可大于120°，然而设想到任何角度的转向。空气流可经过极小的横截面面积以使空气流在转向期间加速。在208处，在使空气流转向期间，空气流的一部分相对于发动机中心线12被径向转移，以形成含有不可实施转向的惯性束缚颗粒的扫气流。径向转移的扫气流可在转向部的顶尖处被转移。扫气导管122可具有扫气气室98以用于接受颗粒装载的扫气流并使扫气空气流移动至发动机10的另一部分或机外。

经撞击的颗粒导致颗粒以混乱的方式分散。使用具有低cor以及成角度的表面的撞击表面94降低颗粒速率，使颗粒速率随后受阻力支配，且可随后将颗粒物质朝向气室进口100引导。颗粒物质的方向可提高系统从移动进入发动机10的空气流中移除颗粒的效率。此外，颗粒物质的方向可减低所需扫气导叶128的数量，从而减小尺寸和重量，同时简化进口颗粒分离器88。

应认识到的是，如所描述的包括用于颗粒分离和扫气流的径向向外的入口的进口颗粒分离器结合显著的流动转向有效地从进入发动机的空气流中分离大的和精细的颗粒物质两者。另外，带有低恢复系数和成角度的表面的前部撞击表面可降低颗粒物质速率，以提高从空气流中分离的颗粒物质的量。

将扫气导管移动至径向弹出的位置还允许对于变速箱的最佳安装位置。

本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实施例包括并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则此类其它实例意图在权利要求的范围内。