发动机的气流通道结构以及涡扇发动机

摘要

本发明公开了一种发动机的气流通道结构以及涡扇发动机，涉及航空发动机技术领域。解决了现有技术存在过渡段内部流动损失较大，导致发动机气动效率较低的技术问题。该发动机的气流通道结构，包括轮毂、机匣、涡轮动叶片、支板以及整流装置，其中：涡轮动叶片与轮毂固定连接，且涡轮动叶片的叶尖与机匣的内壁之间存在叶尖间隙；支板介于轮毂与机匣之间；整流装置固设于涡轮动叶片与支板之间的机匣上；整流装置，用于对由叶尖间隙流向支板的气流进行整流以抑制气流在支板周围发生流动分离。该涡扇发动机，包括低压涡轮、高压涡轮以及本发明提供的发动机的气流通道结构。本发明用于减小过渡段内部流动损失，提高航空发动机的气动效率。

说明书

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种发动机的气流通 道结构以及设置该发动机的气流通道结构的涡扇发动机。

背景技术

在未来很长一段时间内，大涵道比涡扇发动机将仍然是大型客机 动力的最佳选择。大涵道比涡扇发动机的风扇所产生的推力占到发动 机总推力的60%~80%，因此，保持驱动风扇的低压涡轮工作于较高 的效率状态对于大涵道比民用发动机来说是至关重要的。

目前，民用发动机的涵道比已经发展到了9~10，风扇的直径则 超过了3米。在这种条件下，一方面，发动机的高压部件仍然工作于 较高的转速（10000r/min~15000r/min），这就要求高压涡轮的直径较 小，另一方面，受风扇叶尖切线速度不能太大的限制，在未采用齿轮 变速装置的情况下，低压部件的转速很低（2500r/min~5500r/min）， 而为了满足如图1所示低压涡轮6的做功能力和高效率的要求，就必 须加大低压涡轮6的直径和叶高。高压涡轮3、低压涡轮6对直径和 叶高要求的巨大差异，导致大涵道比发动机在高压涡轮3、低压涡轮6 之间布置了大扩张角过渡段。图1中示意出了轮毂1、机匣2、过渡段 机匣a、过渡段支板40、低压涡轮6、高压涡轮3的涡轮动叶片31以 及高压涡轮3的涡轮静叶片32。

大扩张角过渡段设计的主要任务是抑制过渡段内部流动分离，减 小流动损失，影响过渡段内部流动的因素很多，主要是如图1和图2 所示高压涡轮3出口气流条件和大扩张角结构本身造成的逆压梯度。 高压涡轮3末级动叶通常设计为接近轴向出气，这种设计一来可以减 小气动损失，再者当高压涡轮3出口气流流经过渡段支板40时，过渡 段支板40前缘的攻角在一个很小的范围内变化，不易发生流动分离。 但是由于涡轮动叶片31和机匣（流道壁面）2之间不可避免地存在间 隙，因此，在涡轮动叶片31叶尖存在着从压力面向吸力面的泄露流， 形成叶尖泄露涡。图2中螺旋线示意出了过渡段支板40周围气流的流 动方向。

现有技术至少存在以下技术问题：

如图1和图2所示，现有技术中提供的发动机中叶尖泄露涡不仅 增加了流动损失，同时使涡轮动叶片31叶尖与机匣2之间的间隙流出 的气流偏离轴向，其与轴向方向之间存在轴向气流角（或称出流气流 角），图2中示意出了形成该轴向气流角的气流的方向8，在靠近涡 轮动叶片31叶尖约20%叶高的径向高度内，这种气流角偏离轴向可 达10°~30°。这部分流体在到达过渡段支板40时，在过渡段支板40 前缘形成很大的攻角，使得过渡段支板40靠近机匣2的一侧发生流动 分离，增大了过渡段内部流动损失，降低了发动机的气动效率。

发明内容

本发明的目的是提出一种发动机的气流通道结构以及设置该发 动机的气流通道结构的涡扇发动机，解决了现有技术存在过渡段内部 流动损失较大，导致发动机气动效率较低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明实施例提供的发动机的气流通道结构，包括轮毂、机匣、 涡轮动叶片、支板以及整流装置，其中：

所述涡轮动叶片与所述轮毂固定连接，且所述涡轮动叶片的叶尖 与所述机匣的内壁之间存在叶尖间隙；

所述支板介于所述轮毂与所述机匣之间；

所述整流装置固设于所述涡轮动叶片与所述支板之间的所述机 匣上；

所述整流装置，用于对由所述叶尖间隙流向所述支板的气流进行 整流以抑制所述气流在所述支板周围发生流动分离。

在一个可选地实施例中，所述整流装置包括与所述机匣固定连接 或与所述机匣为一体式结构的至少一个导流叶片。

在一个可选地实施例中，所述导流叶片焊接于所述机匣的内壁 上。

在一个可选地实施例中，所述整流装置包括至少两个导流叶片， 至少两个所述导流叶片沿所述机匣的周向方向均匀分布在所述机匣 上。

在一个可选地实施例中，所述导流叶片在所述机匣径向方向上的 尺寸为所述涡轮动叶片径向高度的10％～30％。

在一个可选地实施例中，所述导流叶片在所述机匣轴向方向上的 尺寸为所述涡轮动叶片与所述支板之间最大间隙尺寸的30％～80％。

在一个可选地实施例中，所述导流叶片与所述涡轮动叶片之间在 所述机匣轴向方向上的间距尺寸为所述涡轮动叶片与所述支板在所述 机匣轴向方向上的间距尺寸的1/10～1/5。

在一个可选地实施例中，所述导流叶片与所述支板之间在所述机 匣轴向方向上的间距尺寸为所述涡轮动叶片与所述支板在所述机匣轴 向方向上的间距尺寸的1/10～1/5。

在一个可选地实施例中，所述导流叶片与所述支板之间在所述机 匣轴向方向上的间距尺寸为所述涡轮动叶片与所述支板在所述机匣轴 向方向上的间距尺寸的1/10～2/5。

在一个可选地实施例中，所述导流叶片的数目与所述涡轮动叶片 的数目的比值为1.5～5。

在一个可选地实施例中，所述导流叶片为弯曲形板件。

在一个可选地实施例中，所述导流叶片形状接近于涡轮或压气机 叶片。

在一个可选地实施例中，所述导流叶片为实心结构。

在一个可选地实施例中，所述导流叶片的材料与所述涡轮动叶片 的材料、所述机匣的材料或所述支板的材料相同。

本发明实施例提供的涡扇发动机，包括低压涡轮、高压涡轮以及 本发明任一技术方案提供的发动机的气流通道结构，其中：

所述机匣为所述涡扇发动机的过渡段机匣；

所述涡轮动叶片为所述高压涡轮的动叶片；

所述支板为所述涡扇发动机的过渡段支板；

所述过渡段支板的出流方向朝向所述低压涡轮的进流口。

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

本发明在涡轮发动机中叶尖间隙是不可避免的情况下，通过设置 整流装置以专门对由叶尖间隙流向支板的气流进行整流以抑制气流在 支板周围发生流动分离，从而使经过支板的气流流场更为均匀，当涡 轮动叶片为高压涡轮的动叶片时，在高压涡轮出口后方布置的整流装 置（优选为一排小型的导流叶片）对叶尖间隙引起的偏离轴向的气流 整流后，该部分流体被扭转回了轴向，从而减小了过渡段支板前缘的 气流攻角，减小了过渡段支板附件的流动分离，并使过渡段出口气流 流场均匀。由于经过整流装置整流后，过渡段进口的流场得到明显改 善，使得过渡段支板附近的流动分离得到抑制，过渡段总压损失大幅 减小，从而提高过渡段的气动性能，解决了现有技术存在过渡段内部 流动损失较大，导致发动机气动效率较低的技术问题。

同时，由于本发明提供的涡扇发动机中过渡段来流条件的改善， 使得过渡段出口的流场变得更加均匀，从而改善了低压涡轮的进口气 流条件，进而还提高了低压涡轮的气动性能。

本发明提供的整流装置的设置能够有效的减小过渡段的损失，改 善下游的气流条件，本发明的优选技术方案对导流导叶的叶型、尺寸 等因素的设计最大程度的减少了导流叶片本身所带来的气动损失。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请 的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构 成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中发动机的气流通道结构的一张示意图；

图2为现有技术中发动机的气流通道结构的又一张示意图；

图3为本发明实施例所提供的发动机的气流通道结构的一张示意 图；

图4为本发明实施例所提供的发动机的气流通道结构的又一张示 意图；

图5为本发明实施例所提供的发动机的气流通道结构内由叶尖间 隙流出的气流的轴向气流角在整流装置整流之前与整流装置整流之后 的对比示意图；

图中标记：1、轮毂；2、机匣；a、过渡段机匣；3、高压涡轮； 31、涡轮动叶片；32、涡轮静叶片；4、支板；40、过渡段支板；5、 整流装置；6、低压涡轮；8、形成轴向气流角的气流的方向；81、整 流后轴向气流角变动线；82、整流前轴向气流角变动线；9、叶尖间隙。

具体实施方式

下面通过附图图3～图5以及列举本发明的一些可选实施例的方 式，对本发明的技术方案（包括优选技术方案）做进一步的详细描述。 需要说明的是：本实施例中的任何技术特征、任何技术方案均是多种 可选的技术特征或可选的技术方案中的一种或几种，为了描述简洁的 需要本文件中无法穷举本发明的所有可替代的技术特征以及可替代的 技术方案，也不便于每个技术特征的实施方式均强调其为可选的多种 实施方式之一，所以本领域技术人员应该知晓：本实施例内的任何技 术特征以及任何技术方案均不限制本发明的保护范围，本发明的保护 范围应该包括本领域技术人员不付出创造性劳动所能想到的任何替代 技术方案。

本发明实施例提供了一种可以有效的减小过渡段内部流动损失， 且气动效率较高的发动机的气流通道结构以及设置该发动机的气流通 道结构的涡扇发动机。

下面结合图3～图5对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐 述，将本发明提供的任一技术手段进行替换或将本发明提供的两个或 更多个技术手段互相进行组合而得到的技术方案均应该在本发明的保 护范围之内。

如图3～图5所示，本发明实施例所提供的发动机的气流通道结 构，包括轮毂1、机匣2、涡轮动叶片31、支板4以及整流装置5，其 中：

涡轮动叶片31与轮毂1固定连接，且涡轮动叶片31的叶尖与机 匣2的内壁之间存在叶尖间隙9。支板4介于轮毂1与机匣2之间。 整流装置5固设于涡轮动叶片31与支板4之间的机匣2上。整流装置 5，用于对由叶尖间隙9流向支板4的气流进行整流以抑制气流在支板 4周围发生流动分离。

本发明在涡轮发动机中叶尖间隙9不可避免的情况下，通过设置 整流装置5以专门对由叶尖间隙9流向支板4的气流进行整流以抑制 气流在支板4周围发生流动分离，从而使经过支板4的气流流场更为 均匀。

本实施例中整流装置5包括与机匣2固定连接或与机匣2为一体 式结构的至少一个导流叶片，导流叶片优选为焊接于机匣2的内壁上。

导流叶片不仅结构简单、重量轻，占用空间少，而且便于设置、 制造，并且对流过的气流造成的流动损失也小。

当然，使用导流块、涡流器等其他整流装置5以替代导流叶片的 技术方案也在本发明的保护范围之内。

本实施例中整流装置5包括至少两个导流叶片，至少两个导流叶 片沿机匣2的周向方向均匀分布在机匣2上。

这种结构可以使得导流叶片所能整流的范围更大，所能取得的技 术效果更为突出，能使气流通道整个周向方向上的叶尖间隙9流出的 气流均得到整流。

当然，导流叶片设置为非均匀分布的技术方案也在本发明的保护 范围之内。

本实施例中导流叶片在机匣2径向方向上的尺寸为涡轮动叶片 31径向高度的10％～30％。由于导流叶片专用于对由叶尖间隙9流向 支板4的气流进行整流以抑制气流在支板4周围发生流动分离，所以 导流叶片在机匣2径向方向上的尺寸与叶尖间隙9在机匣2径向方向 上的尺寸密切相关，通常根据叶尖泄露流在径向方向的范围来确定导 流叶片的径向尺寸。

当然，导流叶片在机匣2径向方向上的尺寸为其他数值的技术方 案也在本发明的保护范围之内。

本实施例中导流叶片在机匣2轴向方向上的尺寸为涡轮动叶片 31与支板4之间最大间隙尺寸的30％～80％。

导流叶片在机匣2轴向方向为上述尺寸范围时对经过整流的气流 造成的流动损失较小。

当然，导流叶片在机匣2轴向方向上为其他数值的的技术方案也 在本发明的保护范围之内。

本实施例中导流叶片与涡轮动叶片31之间在机匣2轴向方向上 的间距尺寸为涡轮动叶片31与支板4在机匣2轴向方向上的间距尺寸 的1/10～1/5。

导流叶片与涡轮动叶片31之间在机匣2轴向方向上的间距尺寸 太小时，存在涡轮动叶片31在转动过程中撞击导流叶片的可能，而该 间距尺寸太大时会导致未经过导流叶片整流的气流较多，也就是泄露 气流较多，所以当该间距尺寸为上述数值时，不仅可以避免涡轮动叶 片31撞击，而且泄露气流较少。当然，该间距尺寸为其他数值的的技 术方案也在本发明的保护范围之内。

本实施例中导流叶片与支板4之间在机匣2轴向方向上的间距尺 寸为涡轮动叶片31与支板4在机匣2轴向方向上的间距尺寸的1/10～ 1/5，优选为涡轮动叶片31与支板4在机匣2轴向方向上的间距尺寸 的1/10～2/5。该间距尺寸为上述尺寸范围时对经过整流的气流造成的 流动损失较小。当然，该间距尺寸为其他数值的的技术方案也在本发 明的保护范围之内。

本实施例中导流叶片的数目与涡轮动叶片31的数目的比值为 1.5～5，优选为2.5。

导流叶片的数目较多时，对经过整流的气流造成的流动损失较 大，反之，数目较少时，未经过整流的气流较多，整流效果不够理想。 当导流叶片的数目与涡轮动叶片31的数目的比值为上述范围时，可以 在保证整流效果理想的情况下，对经过整流的气流造成的流动损失较 小。

本实施例中导流叶片为弯曲形板件。叶片形状优选为采用涡轮或 压气机叶片叶型，这种叶片形状对气流产生的损失较小，同时具有较 好的导流效果。

本实施例中导流叶片可以为实心结构。实心结构强度较高，且与 机匣2之间的连接面积较大。

当然，导流叶片为空心结构，或者，部分区域为实心结构部分区 域为空心结构的技术方案也在本发明的保护范围之内。

本实施例中导流叶片的材料与涡轮动叶片31的材料、机匣2的 材料或支板4的材料相同。导流叶片的材料优选为与机匣2的材料相 同，此时，导流叶片与机匣2的使用焊接的方式连接时所形成的连接 结构更为牢靠。

当然，导流叶片与机匣2通过可拆卸连接结构或其他连接方式（例 如粘结）的技术方案也在本发明的保护范围之内。

如图3～图5所示，本发明实施例提供的涡扇发动机，包括低压 涡轮6、高压涡轮3以及本发明任一技术方案提供的发动机的气流通 道结构，其中：

机匣2为涡扇发动机的过渡段机匣a。

涡轮动叶片31为高压涡轮3的动叶片。

支板4为涡扇发动机的过渡段支板。

过渡段支板的出流方向朝向低压涡轮6的进流口。

图3中还示意出了：涡轮静叶片32。

高压涡轮3出口后方布置的整流装置5（优选为一排小型的导流 叶片）可以对叶尖间隙9引起的偏离轴向的气流进行整流，将该部分 流体扭转回轴向，从而如图5所示抑制了由叶尖间隙流出的气流的轴 向气流角，图4示意出了形成轴向气流角的气流的方向8，从图5中 整流后轴向气流角变动线81以及整流前轴向气流角变动线82可以看 出：在沿涡轮动叶片31叶片的径向方向的高度较高的位置的轴向气流 角明显比整流前同一位置的轴向气流角要小，由此减小了过渡段支板 前缘的气流攻角，减小了过渡段支板附件的流动分离，并使过渡段出 口气流流场更为均匀。由于经过整流装置5整流后，过渡段进口的流 场得到明显改善，使得过渡段支板附近的流动分离得到抑制，过渡段 总压损失大幅减小，从而提高过渡段的气动性能。

当然，本发明提供的发动机的气流通道结构中涡轮动叶片31也 可以为低压涡轮6的动叶片。本发明提供的发动机的气流通道结构也 可以应用于涡扇发动机之外的其他发动机或机械装置中。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了 数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的 技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术 效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以 本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列 举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结 构件，那么，除另有声明外，固定连接（或称固设、固连）可以理解 为：能够拆卸地固定连接（例如使用螺栓或螺钉连接），也可以理解 为：不可拆卸的固定连接（例如铆接、焊接），当然，互相固定连接 也可以为一体式结构（例如使用铸造工艺一体成形制造出来）所取代 （明显无法采用一体成形工艺除外）。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置 关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的 状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分 组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而 非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属 领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进 行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案 的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。