[发明专利]包括周向叶片的燃气涡轮发动机排气扩散器

说明书

关于联邦政府资助的研发的声明

本发明的研发部分地由美国能源部授予的合同No.DE-FC26-05NT42644支持。因此，美国政府可拥有本发明的一定权利。

技术领域

本发明总体上涉及一种涡轮发动机，更为具体地，涉及一种用于涡轮发动机的排气扩散器(exhaust diffuser，排气扩压器)。

背景技术

参照图1，涡轮发动机10基本上包括压缩机部段12、燃烧器部段14、涡轮机部段16以及排气部段18。在操作中，压缩机部段12可引入环境空气并可压缩环境空气。来自压缩机部段12的压缩空气可进入燃烧器部段14中的一个或多个的燃烧器20。压缩空气可与燃料混合，空气-燃料混合物可在燃烧器20中燃烧以形成热的工作气体。热气体可按路线到达涡轮机部段16，在涡轮机部段16中热气体通过交替的成排的固定翼型件(airfoil)和旋转翼型件膨胀并且用以产生可驱动转子26的动力。离开涡轮机部段16的膨胀气体可以经由排气部段18从发动机10中排出。

排气部段18可构造为扩散器28，其可为在外壳体30与中央本体或轮毂32及尾部锥体34之间形成的扩展管。排气扩散器28可用以减小排气流的速度并且因此增大膨胀穿过涡轮机的最末级的排气气体的压力差。在一些现有的涡轮机排气部段中，已经通过沿流体流动方向逐渐地增大排气管的横截面面积从而使在其中流动的流体膨胀而实现排气扩散。

优选的是使排气扩散器的流体流中的扰动最小化；否则，可能会对扩散器28的性能有不利地影响。流体流中的这种扰动可能由于多种原因引起，包括例如边界层分离。如果流体流在扩散器壁(边界层)附近与壁分离，那么在扩散区域中存在损失并且总压力损失增大从而造成压力恢复减小。通常，扩散器中的扩展角度越大，发生流动分离的可能性越大。

一种用以使流动分离最小化的方法是提供具有相对长的轮毂的扩散器。长的轮毂可通过如下方式使性能最大化：将突降损失——轮毂/尾部锥体的下游端部处发生的流动损失——延迟到排放气体以较低的速度行进时的点，从而使流动中的尾部椎体的尾流的强度最小化。然而，长的轮毂具有可能使得发动机设计更复杂且更昂贵的缺点。例如，较长的轮毂通常需要两排支柱36——一排在轮毂32的上游区域，一排在轮毂32的下游区域，如图1中所示。这些支柱36可增加成本并且可能由于内流动路径部与外流动路径部之间的热量不匹配或者振动载荷而增加材料断裂的风险。此外，长的轮毂可提出例如可用空间有限的挑战。

另一用以使流动分离损失最小化的方法是为扩散器提供相对短的轮毂长度随后提供减小的扩展角度。该方法通过除了其他方面外仅需要单排的支柱而可使成本最小化。然而，由于在流动速度较高的扩散器的更上游处具有轮毂端(突然膨胀)而造成这种设计通常可导致高的突降损失，因此扩散器性能可能受损害。为了避免第二组支柱，相关联的尾部椎体通常较陡，造成在尾部锥体下游的流动中形成尾流，该尾流可在下游继续增大。

因此，存在对一种如下的排气扩散器的需要：其可实现长的轮毂设计的性能同时享有短的轮毂设计的降低的成本和风险。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种用于轴流式机器的流动通路。流动通路包括内边界和与内边界径向隔开的外边界使得在内边界与外边界之间限定用于沿轴向方向引导流体流的环形流动路径，并且包括压缩流体源。设置包括前缘和后缘的流动控制叶片。叶片支撑在内边界与外边界之间的径向位置。设置用于将压缩流体流从后缘排出的流体排出开口，设置与流体排出开口相邻并且在叶片的后缘沿轴向方向延伸的流体控制表面。流体控制表面具有形成康达表面的弯曲的后缘。流体排出开口选择性地设置有来自压缩流体源的压缩流体用以沿着控制表面产生康达效应，康达效应具有径向方向上的分量，此分量作用为使流动路径中的流体流朝向内边界和外边界中的一者径向向内或者径向向外转向。