一種帶有可降低噴流噪聲結構的渦輪機噴嘴整流罩的製作方法

2023-12-05 08:15:31

專利名稱：一種帶有可降低噴流噪聲結構的渦輪機噴嘴整流罩的製作方法
技術領域：
本發明涉及安裝在渦輪機上的噴嘴的一般領域。本發明特別涉及到一種獨立氣 流噴嘴，在這種噴嘴中，至少其中一個整流罩上提供有降噴流噪聲結構，用來降低 噴嘴出口端產生的噴流噪聲。
背景技術：
一般情況下，渦輪機的獨立氣流噴嘴包括一個主整流罩， 一個位於主整流罩周 圍且同心布置的副整流罩，從而形成外氣流(或稱冷氣流)流動的第一環形通道， 以及一個同心布置在主整流罩內的中央本體，從而形成內氣流(或稱熱氣流)流動 的第二環形通道。降低這種噴嘴出口處噴流噪聲的一個已知技術就是iSS來自渦輪機的熱氣流和7^t流的混合。問題的楊L、是控帝lj熱氣流和^n流之間獲得的混合氣流的特性，人 們應該清楚的是，氣流混合過於粗糙所導致的其中一個後果就是排氣口附近區域紊 流量的增加，這是不希望出現的。這種紊流的增加對在較遠混合區域可能獲得的任 何降噪結果都會帶來負面影響。為此，冷熱氣流的混合需要儘可能的有效，與此同 時，仍要符合氣動力和聲的約束條件和效能標準。為此，人們所熟知的解決方案是，向噴嘴的其中一個整流罩提{共若干個降噴流 噪聲結構，分布在整流罩後緣的整個圓周周圍。通過將這種降噴流噪聲結構布置到 噴嘴整流罩的後緣處，就可以通過產生對轉縱向湍流(或稱旋渦)而在熱冷氣》1^ 間實現混合。例如，歐洲EP0913 567號專利申請提出噴嘴主整流罩後緣設置若干三角形(或 稱'人"字形)的降噴流噪聲結構，用來促進熱7^t流之間的混合。同樣，英國GB 2 355 766專利文件也提出了噴嘴主副整流罩後緣上安裝若干個梯形降噴流噪聲結 構(或稱"調整片")。儘管上述降噴流噪聲結構確實可以iSit冷熱氣流之間的混合，但這些降噴流噪 聲結構還是存在缺陷。至少噴嘴的其中一個整流罩的後緣處的且在形狀上(不論是 否為三角形還是調整片形式)相對稱的降噴流噪聲結構都會在每個降噴流噪聲結構 附近弓胞強度相等且彼此相對靠近的兩個對轉縱向漩渦。在噴嘴整流罩的整個圓周 周圍，這意歸出現了若干艦的相互抵償的漩渦。這就使得熱7tn流的混合不是 很有效，特別是距離排氣端較遠的區域。
歐洲EP1 617068號專利文件披露的降噴流噪聲結構呈現四邊形形狀，該結構 帶有向整流罩內部徑向傾斜的第一部分和向整流罩外部徑向傾斜的第二部分。在每 一個所述降噴流噪聲結構附近，所產生的兩種漩渦的強度是不同的，這樣，漩渦在 整流罩的整個圓周內就不會抵償。逸縱成了遠離排氣區域的氣流流動整體轉動， 結果氣、2;tt間混合會更有效，較好地降低了噴流噪聲，特別是低頻噪聲。然而，這 種降噴流噪聲結構除了招氐頻端獲得聲改進外，它們也還是會弓胞高頻端噪聲級的 增加。發明內容本發明旨在通過提供一種獨立氣流噴嘴用的整流罩來解決上述缺陷，這種整流 罩可以使得熱氣流和冷氣流之間的混合能夠更有效，以便降低噴嘴出口處噴流噪聲， 即高頻端和低頻端噪聲。為此，本發明提供了一種渦輪機噴嘴用的環形整流罩，所述整流罩帶有若干個 降噴流噪聲結構，可延伸所述整流罩後緣並沿周向彼此隔開，每個降噴流噪聲結構 都實際上呈現四邊形形狀，帶有一個底部，所i^底部由整流罩的一部分後緣形成，並帶有兩個頂點，在底部下遊相互隔開，並通過兩個邊連接到底部上，每個降噴流 噪聲結構相對於該降噴流噪聲結構的中平面呈不對稱形，包括一個戶皿整流罩的縱 軸，所述結構由向整流罩內部徑向傾斜的第一部分禾響整流罩外部徑向傾斜的第二 部分組成，所述整流罩的特徵在於，每個降噴流噪聲結構的各個邊實際上為拋物線 形狀。與歐洲EP1 617068號專利文件所披露的降噴流噪聲結構相比，本發明所提出 的降噴流噪聲結構特別可以通過拋物線形狀的輪廓來與整流罩的後緣相連接。在歐 洲EP1 617 068號專利文件中，降噴流噪聲結構的各個邊都是直線形部分，兩個相 鄰降噴流噪聲結構之間的連接是環形的。本申if^發現，降噴流噪聲結構各邊的拋 物線形狀可以使得氣流混合不太"粗糙"，從而使得高頻端因聲帶來的損傷較小或者 甚至不存在。此外，降噴流噪聲結構的不對稱性也使得噴氣流在排氣口附近區域被 破壞，這樣，有助於有效地降低噴流噪聲。在具體布置時，每個降噴流噪聲結構的第一部分縱向延伸一定距離，該距離大 於所述降噴流噪聲結構第二部分縱向延伸的距離。每個降噴流噪聲結構第一部分的傾斜距離最好大於所述降噴流噪聲結構第二部 分的傾斜距離，這樣，進入內氣流的程度要大於進入外氣流的程度。每個降噴流噪聲結構的第一部分的傾斜距離可以是戶; ^部分縱向延伸的距離的0%到30% ，而第二部分的傾斜距離可以是所述部分縱向延伸的距離的0%到20% 。 每個降噴流噪聲結構的第一部分，縱向延伸一段距離，該距離是兩個相鄰降 噴流噪聲結構之間周向距離的0.4到0.6倍，而第二部分tra縱向延伸一離巨離，該 距離是兩個相鄰降噴流噪聲結構之間周向距離的0.2到0.4倍。降噴流噪聲結構可以布置在噴嘴的其中一個整流罩的後緣處，同時對稱於包含 了與噴嘴縱軸相垂直的軸線的垂直平面。本發明還提供了一種渦輪機噴嘴，在這種噴嘴中，主整流罩和/或副整流罩是一 種如上所述的整流罩。本發明還提供了一種渦輪機，該渦輪機裝有一個如上所述的噴嘴。下面參照附圖，結合實施例介紹本發明，本發明的其它特性和優點就會顯現出 來，但本發明並不僅限於所示實施例。


圖1為裝有根據本發明實施例的整流罩的渦輪機噴嘴透視圖； 圖2為裝到圖1所示噴嘴上的降噴流噪聲結構的放大詳圖； 圖3為圖2所示降噴流噪聲結構的正面圖；圖4為裝有本發明另一個實施例的整流罩的渦輪機噴嘴的透視圖；圖5為構成本發明另一個實施例的渦輪機噴嘴的正面圖；圖6為裝有降噴流噪聲結構的噴嘴整流罩的噴流噪聲衰減曲線圖。
具體實施方式
圖1為渦輪機的獨立氣流噴嘴10的透視圖。噴嘴10圍繞其縱軸X-X呈軸向對 稱形狀，其一般由主整流罩14、副整流罩16和以噴嘴縱軸X-X為中心的中央本體 18組成。主整流罩14為圓柱形或截頭圓錐體形，其圍繞噴嘴的縱軸X-X延伸。中央本 體18位於主整流罩14內部，與其同心，而其端部實際上呈錐形。副整流罩16同樣為圓柱形或截頭圓錐體形，圍糹免著主整流罩14,與其同心， 環繞噴嘴縱軸X-X延伸。應該注意的是，噴嘴的縱軸X-X與主整流罩14和副整流罩16的縱軸相重合。如上戶，的獨立氣流噴嘴通過一個支撐掛架20固定到飛機機翼(圖中未示)下 方，支撐掛架緊緊抵在噴嘴的副整流罩16上，並沿副整流罩內部一直延伸到主整流 罩14處。噴嘴10各個構件的同心裝配可以用來首先，在主整流罩14和副整流罩16 之間，形成來自渦輪機空氣流(又稱副氣流或冷氣流)流動的第一環形通道22;其 次，在主整流罩14和中央本體18之間，形成來自渦輪機的內部燃氣流(又稱之為 主氣流或熱氣流)流動的第二環形通道24。
這兩個環形通道22和24內的內外氣流在主整流罩14的後緣14a處混合。在圖1中，應該注意的是，噴嘴10的中央本體18為外部形式，即中央本體18 縱向伸出主整流罩14的後緣14a。儘管如此，本發明還是可以應用於內部形式的噴嘴，在這種形式的噴嘴中，主 整流罩的後緣縱向伸出中央本體，從而完全覆蓋了中央本體。噴嘴10的至少其中一個整流罩14和16 (在圖1中，這是指主整流罩14)包括 多個降噴流噪聲結構，用來降低噴嘴出口處的噴流噪聲。這些降噴流噪聲結構26 自主整流罩的後緣14a處延伸，它們沿周向有規律的彼此隔開。如圖2所示，每個降噴流噪聲結構26都呈四邊形形式，帶有一個由主整流罩的 一部分後緣14a形成的底部28和兩個頂點30a和30b部分，後者位於底部下遊，彼 此隔開，並通過兩個邊32a和32b與底部連接。此外，每個降噴流噪聲結構26都相對於徑向平面P呈非對稱形式，徑向平面P 含有縱軸X-X並將降噴流噪聲結構分成兩半。此外，每個降噴流噪聲結構26帶有 向主整流罩14內部徑向傾斜的第一部分34a，還帶有向主整流罩14外部徑向傾斜 的第二部分34b。圖2和圖3示出了這種降噴流噪聲結構26的所述具體特性。特別是，圖2中所示平面P對應於降噴流噪聲結構26的中平面，平面P包含 有縱軸X-X (此圖中未示)。相對於平面P，降噴流噪聲結構26的形狀是非對稱的。中平面P將降噴流噪聲結構26分成兩個部分g卩，向主整流罩14內部(即， 進入內氣流)徑向傾斜的第一部分34a;和向主整流罩14外部(g卩，iSA外氣流) 徑向傾斜的第二部分34b。根據本發明，每個降噴流噪聲結構26的每個邊32a和32b實際上都呈拋物線形 狀，該拋物線帶有一個沿切向方向延伸的準線D，和一個沿縱向方向延伸的對稱軸 線S (見圖2)。換句話說，降噴流噪聲結構26通過實際上拋物線的輪廓連接到主整流罩14的 後緣14a。在由準線D和對稱軸線S形成的矩形參考系內，每個降噴流噪聲結構26的邊 32a和32b因而由如下公式形成y = k.x2 (式中y沿軸線S形成，x沿軸線D形 成，而k是一個常數)，常數k一般在O到l的範圍內(優選等於0.4)。根據本發明的一個有利特性，^降噴流噪聲結構26的第一部分34a縱向延伸 一段距離Ll ，該距離大於所述降噴流噪聲結構的第二部分34b縱向延伸的距離L2 (其中，距離Ll和L2分別對應於所述降噴流噪聲結構每個頂點30a和30b和底部 28之間的距離)。採用這種布局，降噴流噪聲結構26進入內氣流的程度要大於其進 入外氣流的程度。此外，每個降噴流噪聲結構26的第一部分34a縱向延伸一挪巨離Ll，該距離
優選是兩個相鄰降噴流噪聲結構之間圓周距離L3的0.4到0.6倍(距離L3對應於 形成降噴流噪聲結構26的四邊形的底部28的長度)。同樣，每個降噴流噪聲結構26的第二部分34b縱向延伸一鄉巨離L2，該距離 最好是兩個相鄰降噴流噪聲結構之間距離L3的0.2到0.4倍的範圍內。圖3示出了降噴流噪聲結構26的第一和第二部分34a和34b的各自徑向傾斜程度。在這個圖中，降噴流噪聲結構的第一部分34a的端部向整流罩14內部徑向傾斜， 即向內氣流流動通道24傾斜，傾斜距離為ea (換句話說，降噴流噪聲結構的頂點 30a與整流罩14的後緣14a彼此隔開，該隔開距離為0a)。降噴流噪聲結構的第二部分34b的^焉部向整流罩14外部徑向f頃殺4，即向外氣流 流動通道22傾斜一個距離0b (換句話說，降噴流噪聲結構的頂點30b與整流罩14 的後緣14a彼此隔開，該隔開距離為9b)。根據本發明的另一個有禾腫寺性，每個降噴流噪聲結構26的第一部分34a內部伸 入距離ea大於該降噴流噪聲的第二部分34b向外伸入的距離0b。採用這種布局， 降噴流噪聲結構26向內氣流的伸入量大於其向外氣流的伸入量。正如圖中所示，所述降噴流噪聲結構的第一部分34a的向內伸入距離0a可以是 該降噴流噪聲結構延伸的縱向距離L1的0%到30%。同樣，而且也是作為一個示 例，該降噴流噪聲結構的第二部分34b的向外伸入距離eb可以對應於該第二部分延 伸的縱向距離L2的0%到20%。還是參照圖3，從圖中可以清楚看到本發明的噴嘴的降噴流噪聲結構26的特別 形狀旨在每個降噴流噪聲結構附近產生兩個縱向漩渦形式的湍流，所述兩個縱向漩 渦對轉，且具有不同強度。所述兩個縱向漩渦的強度因此而並不抵償。結果，在其後緣提《賄這降噴流噪聲結構的,整流罩上，這個區域的氣流流 動與造成整體轉動的排氣端最遠，這有利於實現內氣流和外氣流之間的有效混合。圖4為構成本發明另一個實施例的渦輪機噴嘴10'。在這個實施例中，噴嘴10，的降噴流噪聲結構26不再^r於主整^t罩14上，相 反，其位於第二整流罩16的後緣16a上。在這個布置中，降噴流噪聲結構26用來促進下面二者之間的混合首先，噴嘴 IO，主整流罩14和副整流罩16所形成的第一通道22內流動的冷燃氣流；其次，沿 副整流罩16外壁流動的空氣流。這些降噴流噪聲結構26的具體形狀和位置與參照圖1到圖3所給出的上述介紹 完全相同。在圖4中，應該注意的是，降噴流噪聲結構26並不在第二整流罩的後緣的旨 圓周周圍。在噴嘴10，與支撐掛架20相連接的區域內提供了一個沒有設置倒可降噴 流噪聲結構的間隙，從而可以使得掛架固定到該噴嘴上。 如圖5所示，也是本發明的另一個實施例中，降噴流噪聲結構位於噴嘴的其中一個整流罩的後緣上(在圖5中，這是主整流罩14),其布置方式為，其對稱於帶 有與縱軸X-X相垂直的軸線Y-Y的垂直平面P'。對稱平面P'分別由支撐掛架20在 整流罩的頂部和由降噴流噪聲結構26的特定形狀在整流罩的底部開多成，例如，該形 狀可以是兩個半降噴流噪聲結構裝配到一起而構成。還是在本發明的另一個實施例中(圖中未示)，在噴嘴的主整流罩和副整流罩 上提供了降噴流噪聲結構。一般來講，應該注意的是，整流罩(主整流罩或副整流罩)後緣圓周上提供的 降噴流噪聲結構的形狀和數量可以不同。特別是，其相對於中平面P的非對稱形狀 的角度位置，其兩個部分的特性長度L1和L2，以及其向內氣流和外氣流的延伸範 圍等都會因用途而不同。關於獨立氣流噴嘴所產生的噪聲級，已經進行了這方面的數字模擬，在所述噴 嘴中，主整流罩上裝有本發明的降噴流噪聲結構。在圖6給出的比較圖形中，示出 了這些模擬試驗結果。在圖6中，所述圖形給出了噪聲差(dB)的曲線，所述曲線與噴嘴的頻率有關， 所述噴嘴包括其主整流罩上設有與歐洲專利申請EP1 617068說明形狀的降噴流噪 聲結構(曲線100)，以及其主整流罩上設有本發明的降噴流噪聲結構(曲線110)。噪 聲差是相對於曲線120計算的.該曲線對應於獨立氣流噴嘴產生的噪聲，在該噴嘴 中，主整流罩並沒有使用任何降噴流噪聲結構。為此，本申請者發現，使用本發明的降噴流噪聲結構不僅可以與未裝任何降噴 流噪聲結構的噴嘴(曲線120)相比能夠降低低頻噪聲(低於大約1000Hz的頻率)，而 且與裝有按照歐洲EP1 617 068專利文f牛所述降噴流噪聲結構(即通過圓形輪廓連 接到整流罩後緣上的直邊式降噴流噪聲結構)的主整流罩的噴嘴相比，能夠降低高 頻噪聲(高於1000Hz的頻率)。也就是說，與歐洲EP 1 617 068專利文件中所介紹的噴嘴相比，本發明提出的 噴嘴可以極大程度地限制高頻噴流噪聲的增加，同時仍能保持降低低頻噪聲性能。
權利要求
1. 一種渦輪機噴嘴用的環形整流罩(14，16)，所述整流罩帶有多個可延伸整流罩後緣(14a，16a)並沿周向彼此隔開的降噴流噪聲結構(26)，每個降噴流噪聲結構實際上都呈四邊形，其四邊形的底部(28)由整流罩的一部分後緣形成，而兩個頂點(30a，30b)在底部下遊彼此隔開並通過兩個邊(32a，32b)連接到底部上，所述每個降噴流噪聲結構相對於該結構的包含了所述整流罩縱軸線(X-X)的中平面(P)是不對稱的，所述結構由向整流罩內部徑向傾斜的第一部分(34a)和向整流罩外部徑向傾斜的第二部分(34b)組成，所述整流罩的特徵在於，每個降噴流噪聲結構的邊(30a，30b)實際上為拋物線狀。
2. 根據權利要求1所述的整流罩，其特徵在於，每個降噴流噪聲結構(26)的第一部 分(34a)縱向延伸一段距離(L1)，該距離大於所述降噴流噪聲結構第二部分(34b) 縱向延伸的距離(L2)。
3. 根據權利要求1或權利要求2所述的整流罩，其特徵在於，每個降噴流噪聲結構 (26)的第一部分(34a)的傾斜距離(9a)大於所述降噴流噪聲結構第二部分(34b)的傾斜距離(eb)。
4. 根據權利要求1到3中任何一項權禾腰求所述的整流罩，其特徵在於，每個降噴 流噪聲結構(26)的第--部併34a)的傾斜距離(ea)是戶誠部分縱向延伸的距離(Ll) 的0%到30%，而第二部分(34b)的傾斜距離(eb)是所述部分縱向延伸的距離(L2) 的0%到20%。
5. 根據權利要求1到4中任何一項權利要求戶腿的整流罩，其特徵在於，針降噴 流噪聲結構(26)的第一部分(34a)縱向延伸的距離(L1)是兩個相鄰降噴流噪聲結 構(26)之間周向距離(L3)的0.4到0.6倍；其特徵還在於，每個降噴流噪聲結構(26) 的第二部分(34b)縱向延伸的距離(L2)是兩個相鄰降噴流噪聲結構之間周向距離 (L3)的0.2至U0.4倍。
6. 根據權利要求1到5中任何一項權利要求所述的整流罩，其特徵在於，降噴流噪 聲結構(26)在相對於包含了垂直於整流罩縱軸(X-X)的軸線(Y-Y)的平面(P')上對稱布置。
7. —種渦輪機噴嘴(10， 10')，其包括一個位於噴嘴縱軸(X-X)周圍的主整流尊M)和位 於主整流罩(14)周圍同心布置的副整流罩(16)，所述噴嘴的特徵在於，主整流罩(14) 是一個根據權利要求1到6中任何一項權利要求所述的整流罩。
8. —種渦輪機噴嘴(IO, 10')，其包括一個位於噴嘴縱軸(X-X)周圍的主整流罩(W)和位 於主整流罩(14)周圍同心布置的副整流罩(16)，所述噴嘴的特徵在於，副整流罩(16) 是一個根據權利要求1到6中任何一項權利要求所述的整流罩。
9. 一種渦輪機噴嘴(10， 10')，其包括一個位於噴嘴縱軸(X-X)周圍的主整流罩(14)和位於主整流罩(14)周圍同心布置的副整流罩(16)，所述噴嘴的特徵在於，主副整流罩 (14,16)是根據權利要求1到6中任何一項權利要求所述的整流罩。
10. —種渦輪機，其包括根據權利要求7到9中任何一項權利要求所述的噴嘴(IO， 10%
全文摘要
本發明涉及一種渦輪機噴嘴的整流罩(14)，所述整流罩包括了多個降噴流噪聲結構(26)，其布置成可延伸所述整流罩後緣(14a)並沿周向彼此隔開。每個降噴流噪聲結構實際上都呈四邊形，其四邊形的底部(28)是由整流罩的一部分後緣形成，而兩個頂點(30a，30b)在底部下遊彼此隔開並通過兩個邊(32a，32b)連接到底部上，每個邊都呈現拋物線狀。每個降噴流噪聲結構相對於包含了所述整流罩的縱軸線(X-X)的該結構的中平面(P)是不對稱的，所述結構由向整流罩內部徑向傾斜的第一部分(34a)和向整流罩外部徑向傾斜的第二部分(34b)組成。
文檔編號F23R3/02GK101398184SQ20081016139
公開日2009年4月1日 申請日期2008年9月25日 優先權日2007年9月28日
發明者亞歷山大·阿爾弗雷德·加斯頓·維耶曼, 卡邁勒·澤加, 塞比斯蒂恩·讓-保羅·埃伯利, 斯坦弗尼·傑魁斯·弗朗西斯·託馬斯, 皮埃爾·菲利普·瑪麗·洛埃亞克 申請人:斯奈克瑪