风扇转子引导的制作方法
【专利摘要】风扇转子具有围绕中心轴呈圆周布置的多个叶片，其中多个叶片从中心轴径向延伸2.9980英寸与3.0020英寸之间。风扇转子具有从多个叶片向内径向布置的根部部分。风扇转子也具有将多个叶片连接到根部部分的腹板部分，腹板部分具有0.2000英寸与0.2100英寸之间的最小纵向厚度。
【专利说明】风扇转子引导
【技术领域】
[0001]本发明涉及空气循环机(ACM)，例如，用于航空器的环境控制系统的类型。
【背景技术】
[0002]ACM可以用于在压缩机段中压缩空气。压缩空气被排放到顺流热交换器并且进一步引导到涡轮。涡轮从膨胀空气提取能量以驱动压缩机。从涡轮输出的空气可以用作车辆(例如，航空器的机舱)的气源。
[0003]ACM经常具有三轮或四轮配置。在三轮ACM中，涡轮驱动在共同的轴上旋转的压缩机和风扇。在四轮ACM中，两个涡轮段驱动在共同的轴上的压缩机和风扇。
[0004]气流定向到风扇段中，并且单独地定向到压缩机段。空气从压缩机段弓丨导到热交换器，从热交换器引导到一个或多个涡轮，并且从最后的涡轮级离开ACM。在这些转移中的至少一些中，需要相对于ACM的中心轴径向地定向空气。为了实现这一点，可以使用旋转式喷嘴来产生径向流入和/或流出。
[0005]空气循环机的每个组件的尺寸相互关联以形成运动部件之间的各种密封和间隙，这些运动部件使空气循环机保持正常操作。具体来说，空气循环机的风扇转子必须被设计成其能够围绕空气循环机的中心轴旋转，而没有纵向移动。此外，风扇转子的尺寸必须被配置成风扇转子在快速旋转期间结构是合理的。
【发明内容】
[0006]空气循环机的风扇和压缩机段的壳体组件包括主孔壳体部分，其具有1.9400英寸与1.9440英寸之间的内半径；静密封部分，其具有2.0420英寸与2.0440英寸之间的内半径；护罩引导壳体部分，其具有5.9440英寸与5.9470英寸之间的内半径；以及绝缘体密封板壳体部分，其具有8.6380英寸与8.6420英寸之间的内半径。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为空气循环机的横截面图。
[0008]图2为根据本发明的实施方案的风扇转子的横截面图。
[0009]图3为根据本发明的实施方案的风扇转子的横截面图。
【具体实施方式】
[0010]图1为三轮空气循环机(ACM) 2的横截面图。ACM 2为可以用于相关航空器(未示出)的环境控制系统的设备。ACM 2可以是相关燃气涡轮发动机(未示出)的一部分。
[0011]ACM 2包括几个级,其包括压缩机级4、润轮级6和风扇级8。ACM 2进一步包括拉杆10。压缩机级4包括压缩机进口 41、压缩机出口 4E和压缩机转子4R。润轮级6包括润轮进口 61、涡轮出口 6E和涡轮转子6R。风扇级8包括风扇转子12、风扇外环14和推力轴16。压缩机转子4R、涡轮6R、拉杆10和风扇转子12围绕公有中心线C同步旋转，并且组合形式单一的阀芯。
[0012]压缩机级4通过加压将转动能转换和转移到其工作流体。压缩机级4为可以引导工作流体通过的结构。压缩机转子4R由拉杆10机械驱动，并且用于压缩和/或加热穿过压缩机级4的工作流体。压缩机级4包括含有工作流体的壳体，其包括压缩机进口 41和压缩机出口 4E。
[0013]涡轮级6为引导工作流体通过的结构。涡轮转子6R用于从工作流体提取能量，工作流体穿过涡轮转子6R以驱动涡轮级6和连接组件的旋转，从而使工作流体具有较低的温度和/或较低的速度。在其他实施方案中，引导通过涡轮级6的工作流体可以与穿过压缩机级4的工作流体进行流体连通。涡轮级6包括含有工作流体的壳体，其包括涡轮进口 61和涡轮出口 6E。
[0014]涡轮级6从穿过其中的工作流体提取势能，涡轮级6将势能转换为转移到拉杆10的转动能。工作流体在涡轮进口 61进入涡轮级6，驱动涡轮转子6R，并且通过涡轮出口 6E退出涡轮级6。涡轮级6通过使用工作流体从其中的工作流体提取热能和动能以驱动涡轮转子6R。因此，在涡轮出口 6E退出的工作流体比在涡轮进口 61进入涡轮级6的流体处于更低的压力和/或更低的速度。引导通过涡轮级6的工作流体的一个共同的源为热交换器，例如，由压缩机级4传递压缩流体所到的热交换器。
[0015]风扇级8可以用于移动工作流体。例如，风扇级8用于将冲压空气从相关燃气涡轮发动机推进到所需的位置。风扇级8包括风扇转子12、风扇外环14和推力轴16。风扇级8通常用于从相关燃气涡轮发动机吸取冲压空气。例如，风扇级8可以用于通过热交换器(未示出)吸取冲压空气。
[0016]拉杆10为沿着中心线C的细长杆。拉杆10支持与连接ACM 2的各种组件相关的剪应力,其施加相反的角向力。
[0017]每个压缩机级4、涡轮级6和风扇级8位于拉杆10周围并连接到拉杆10以形成一个相互连接的阀芯。压缩机级4邻近涡轮级6，并且风扇级8邻近涡轮级6。
[0018]工作流体在压缩机进口 41引导到压缩机级4并且通过压缩机转子4R加以压缩。随着涡轮级6使拉杆10旋转，压缩机转子4R也旋转，从而使工作流体在压缩机级4内压缩。因此，压缩机转子4R用于通过增加此工作流体的压力和/或温度，将附接到拉杆10的组件的阀芯的转动能转化成穿过其中的工作流体的势能。压缩的工作流体在压缩机出口 4E退出压缩机级4。工作流体可以从压缩机出口 4E传到各种其他组件。通常，这些组件用于调节压缩的工作流体以用于相关航空器的环境控制系统。因此，压缩的工作流体从压缩机出口 4E的一个共同的目的地是热交换器，其可以用于将压缩的工作流体冷却到所需的温度。
[0019]风扇级8位于邻近涡轮级6，并且包括风扇转子12，其固定在拉杆10、风扇外环14和推力轴16之间。风扇转子12以足够的间隙与拉杆10邻接，以使得风扇转子12可以围绕拉杆10旋转。通过风扇外环14保护风扇转子12使免于沿着拉杆10在一个方向上移动。通过推力轴16保护风扇转子12使免于沿着拉杆10在相反的方向上移动。风扇转子12与拉杆10同步旋转，以使得风扇转子12吸取空气，如参照图2更详细地描述。通常，穿过风扇级8的工作流体不与穿过压缩机级4或涡轮级6的工作流体进行流体连通。在一些情况下，引导通过风扇段8的护罩的空气被引导到热交换器(未示出)。
[0020]风扇级8使用转动能将空气从一个位置抽到另一个位置。风扇级8包括风扇转子12，风扇转子12连接到拉杆10以使得风扇转子12随着拉杆10旋转。由风扇转子12抽出的空气通常不与压缩机级4或涡轮级6的工作流体进行流体连通。在一些实施方案中，风扇级8通过热交换器，例如，在压缩机出口 4E与涡轮进口 61之间引导工作流体通过的热交换器，抽出冲压空气。
[0021]通过在这两种流体之间转移热量，空气可以取自燃气涡轮发动机的排泄系统，并且其性质可以由压缩机、涡轮和热交换器修改以使得其适合用于航空器的环境控制系统。
[0022]在替代实施方案中，ACM 2可以是四轮空气循环机，而不是图1中所示的三轮空气循环机。另外，例如扩散器的组件可以并入ACM 2。
[0023]图2为风扇转子12的横截面图。如先前参照图1所示，风扇转子12为ACM 2的风扇级4的一部分。
[0024]风扇转子12包含根部部分18、腹板部分20、导圆角区域21和叶片部分22。风扇转子12如通过铸造、成型、增材制造或任何其他已知的工艺而一体成型。根部部分18被配置成与拉杆10界面连接，如图1中所示。根部部分包括沿着中心轴纵向延伸的第一根部18a和第二根部18b，使风扇转子12和拉杆10围绕中心轴旋转。
[0025]风扇转子12具有特定尺寸，其尺寸大小是紧凑的，并且最小化其自身重量。转子的优化引导件产生尺寸大小最紧凑的转子轮毂和相配轴几何形状，并且也产生最少量的重量。这会最小化航空器重量，这是因为风扇转子和周围的封闭结构的大小在功能上尽可能轻的。最小化的重量提高了整体航空器性能和燃料效率。
[0026]第一根部外半径Dl说明中心线C与第一根部18a的外径向面之间的距离。第一根部半径Dl在1.379 cm与1.380 cm (0.5430英寸与0.5434英寸)之间。更优选，第一根部半径Dl可以在1.3795 cm-1.3800 cm (0.5431英寸-0.5433英寸)之间。第二根部半径D2说明中心线C与第二根部18b的外径向面之间的距离。第二根部半径D2在1.4173 cm与1.4183 cm(0.5580英寸与0.5584英寸)之间。更优选，第二根部半径D2可以在1.4176cm-1.4181 cm (0.5581英寸-0.5583英寸)之间。腹板宽度D3为叶片部分22在其最狭处的最小宽度。腹板宽度D3在0.5080 cm与0.5334 cm (0.2000英寸与0.2100英寸)之间。更优选，腹板宽度D3可以在0.5156 cm-0.5258 cm (0.203英寸-0.207英寸)之间。内表面半径D4说明与拉杆10相交的根部部分18的内半径。内表面半径D4在0.6896 cm与
0.6922 cm(0.2715英寸与0.2725英寸)之间。更优选，内表面半径D4在0.6904 cm-0.6914cm (0.2718英寸-0.2722英寸)之间。
[0027]根部部分18具有环形形状，并且拉杆10是圆柱形的，以使得拉杆10和根部部分18具有共享界面。通常，拉杆10通过干涉配合连接到根部部分18。根部部分18连接到腹板部分20，并且底切半径包括在根部部分18中以防止根部部分18与腹板部分20之间的应力的积累。腹板部分20从第一根部18a与第二根部18b之间的根部部分18径向向外延伸。导圆角区域21从腹板20从中心线C径向向外延伸。导圆角区域21在轴向长于腹板20，并且支撑叶片部分22。叶片部分22从导圆角区域21径向向外延伸。
[0028]第一根部18a位于拉杆10与推力轴16之间，而第二根部18b位于拉杆10与风扇外环14之间。导圆角区域21连接腹板20，并且间接地连接根部18和拉杆10到叶片部分22。叶片部分为作用于工作流体(例如，来自燃气涡轮发动机的冲压空气)的风扇转子12的部分。风扇转子12可能由于拉杆10的旋转而快速旋转，如参照图1所述。随着叶片部分22旋转，其可能产生显著的力来沿着拉杆10的长度推动风扇转子12。因此，风扇外环14和推力轴16被定位成其与腹板部分20邻接并且防止此纵向位移。
[0029]优化第一根部半径D1、第二根部半径D2、腹板宽度D3和内表面半径D4的特定尺寸。根部18的尺寸的优化产生尺寸大小最紧凑的轮毂几何形状，并且也产生最少量的重量。这会最小化航空器重量，这是因为风扇转子和周围的封闭结构的大小在功能上尽可能轻的。最小化的重量提高了整体航空器性能和燃料效率。
[0030]图3示出布置在拉杆10周围的风扇转子12的横截面图。风扇外环14被示出为限定根部部分18的第二根部18b，其转而限定拉杆10。叶片部分22从根部部分18径向向外延伸。与中心线C (叶片部分22从其延伸)的最大径向距离被图示为叶片长度D5。叶片长度D5在7.6149 cm与7.6251 cm (2.9980英寸与3.0020英寸)之间。更优选，叶片长度D5 可以在 7.6175 cm-7.6225 cm (2.9990 英寸-3.0010 英寸)之间。
[0031]如上所述，在指定范围中的叶片长度提出了用于ACM (例如，ACM 2)的优势。叶片长度D5的优化提供了优势，例如，从RAM电路中最大化的航空器机舱热量排除和最小化的噪声，同时最小化从航空器发动机、辅助动力装置、地面气源车、发电机使用的能量，以及其他类似的能源。其也最小化ACM 2的重量，这是因为风扇转子12和周围的封闭结构(未示出)的重量减少。最小化的重量提高了整体航空器性能和燃料效率。
[0032]可能的实施方案的讨论
以下是本发明的可能的实施方案的非排他性的描述。
[0033]风扇转子包括围绕中心轴呈圆周布置的多个叶片。多个叶片从中心轴径向延伸7.6149厘米与7.6251厘米之间。从多个叶片向内径向布置根部部分。腹板部分将多个叶片连接到根部部分。腹板部分具有0.5080厘米与0.5334厘米之间的最小纵向厚度。
[0034]根部部分可以界定限定中心轴的内表面，内表面具有0.6896厘米与0.6922厘米之间的直径。更确切地，内表面的直径可以在0.6904厘米与0.6914厘米之间。根部部分可以包括在第一纵向方向上从腹板部分延伸的第一根部。此第一根部可以包括环形结构，其具有1.379厘米与1.380厘米之间的外径。更确切地，第一根部的外径可以在1.3795 cm与1.3800 cm之间。根部部分可以包括在第二纵向方向上从腹板部分延伸的第二根部部分。此第二纵向方向与第一纵向方向相反。第二根部部分可以是环形结构，其具有1.4173厘米与1.4183厘米之间的外径。更确切地，第二根部部分的外径可以在1.4176厘米与1.4181厘米之间。腹板宽度可以在0.5156 cm与0.5258 cm之间。叶片可以从中心轴径向延伸7.6175厘米与7.6225厘米之间。风扇转子也可以包括在腹板部分与第一根部部分的交点、和腹板部分与第二根部部分的交点处的底切半径。
[0035]空气轴承空气循环机包括围绕中心轴布置的拉杆和风扇转子。风扇转子包括根部部分，其在拉杆周围径向布置并且具有0.6896厘米与0.6922厘米之间的内半径。根部部分包括第一根部部分，其为在第一纵向方向上从腹板部分纵向延伸的环形结构。根部部分也包括第二根部部分，其为在第二纵向方向上从腹板部分纵向延伸的环形结构，第二纵向方向与第一纵向方向相反。腹板部分从根部部分径向延伸，并且具有0.5080厘米与0.5334厘米之间的最小纵向厚度。叶片部分从腹板部分径向延伸。从第一根部部分向外径向布置风扇外环，并且从第二部分向外径向布置密封轴。
[0036]内半径可以在0.6904厘米与0.6914厘米之间。腹板部分的最小纵向厚度可以在0.5156厘米与0.5258厘米之间。叶片部分可以从腹板部分延伸7.6149厘米与7.6251厘米之间的叶片长度。更确切地，叶片长度可以在7.6175厘米与7.6225厘米之间。第一根部部分可以从中心轴延伸第一根部半径，其中第一根部半径在1.379厘米与1.380厘米之间，或更确切地在1.3795厘米与1.3800厘米之间。第二根部部分可以从中心轴延伸1.4173厘米与1.4183厘米之间的第二根部半径。更确切地，第二根部半径可以在1.4176厘米与
1.4181厘米之间。根部部分可以进一步包括界定在第一根部部分与腹板部分之间的第一辐射式底切，以及界定在第二根部部分与腹板部分之间的第二辐射式底切。
[0037]尽管已参照示例性实施方案描述本发明，但是本领域技术人员将理解在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种变化并且等效物可以代替其元件。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多修改以适应本发明的教导的特定情况或材料。因此，意图是本发明不限于所公开的特定实施方案，而是本发明将包括属于所附权利要求书的范围内的所有实施方案。
【权利要求】
1.一种风扇转子，其包含: 多个叶片，其围绕中心轴呈圆周布置，其中所述多个叶片从所述中心轴径向延伸7.6149厘米与7.6251厘米之间； 根部部分，其从所述多个叶片向内径向布置；以及 腹板部分，其将所述多个叶片连接到所述根部部分，所述腹板部分具有0.5080厘米与0.5334厘米之间的最小纵向厚度。
2.如权利要求1所述的风扇转子，其中所述根部部分界定限定所述中心轴的内表面，所述内表面具有0.6896厘米与0.6922厘米之间的直径，并且优选地所述内表面的所述直径在0.6904厘米与0.6914厘米之间。
3.如权利要求1所述的风扇转子，其中所述根部部分包含在第一纵向方向上从所述腹板部分延伸的第一根部，所述第一根部包含具有1.379厘米与1.380厘米之间的外径的环形结构，并且优选地所述第一根部的所述外径在1.3795 cm与1.3800 cm之间。
4.如权利要求3所述的风扇转子，其中所述根部部分包含在第二纵向方向上从所述腹板部分延伸的第二根部部分，其中: 所述第二纵向方向与所述第一纵向方向相反；以及 所述第二根部部分包含具有1.4173厘米与1.4183厘米之间的外径的环形结构。
5.如权利要求4所述的风扇转子，其中所述第二根部部分的所述外径在1.4176厘米与1.4181厘米之间。
6.如权利要求1所述的风扇转子，其中腹板宽度在0.5156 cm与0.5258 cm之间。
7.如权利要求1所述的风扇转子，其中所述叶片从所述中心轴径向延伸7.6175厘米与7.6225厘米之间。
8.如权利要求3所述的风扇转子，其进一步包含: 在所述腹板部分与所述第一根部部分的交点处的底切半径；以及 在所述腹板部分与所述第二根部部分的交点处的底切半径。
9.一种空气轴承空气循环机，其包含: 拉杆，其围绕中心轴布置； 风扇转子，其包含: 根部部分，其在所述拉杆周围径向布置并且具有0.6896厘米与0.6922厘米之间的内半径，所述根部部分包括: 第一根部部分，其包含在第一纵向方向上从腹板部分纵向延伸的环形结构；以及第二根部部分，其包含在第二纵向方向上从所述腹板部分纵向延伸的环形结构，其中所述第二纵向方向与所述第一纵向方向相反； 腹板部分，其从所述根部部分径向延伸，所述腹板部分具有0.5080厘米与0.5334厘米之间的最小纵向厚度；以及 叶片部分，其从所述腹板部分径向延伸； 风扇外环，其从所述第一根部部分向外径向布置；以及 密封轴，其从所述第二部分向外径向布置。
10.如权利要求9所述的空气循环机，其中内半径在0.6904厘米与0.6914厘米之间。
11.如权利要求9所述的空气循环机，其中所述腹板部分的所述最小纵向厚度在0.5156厘米与0.5258厘米之间。
12.如权利要求9所述的空气循环机，其中所述叶片部分从所述腹板部分延伸叶片长度，并且所述叶片长度在7.6149厘米与7.6251厘米之间，并且优选地所述叶片长度在7.6175厘米与7.6225厘米之间。
13.如权利要求9所述的空气循环机，其中所述第一根部部分从所述中心轴延伸第一根部半径，其中所述第一根部半径在1.379厘米与1.380厘米之间，并且优选地所述第一根部半径在1.3795厘米与1.3800厘米之间。
14.如权利要求9所述的空气循环机，其中所述第二根部部分从所述中心轴延伸第二根部半径，其中所述第二根部半径在1.4173厘米与1.4183厘米之间，并且优选地所述第二根部半径在1.4176厘米与1.4181厘米之间。
15.如权利要求9所述的空气循环机，其中所述根部部分进一步包含: 第一辐射式底切，其界定在所述第一根部部分与所述腹板部分之间；以及 第二辐射式底切，其界定在所述第二根部部分与所述腹板部分之间。
【文档编号】F04D29/26GK104343724SQ201410235648
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2013年8月1日
【发明者】C.M.比尔斯, D.A.科尔森 申请人:哈米尔顿森德斯特兰德公司