[发明专利]用于涡轮框架和出口导向轮叶的先进航空扩散器

说明书

公开了用于涡轮框架和出口导向轮叶的扩散器设备。示例扩散器集成到涡轮发动机中。示例扩散器包括在涡轮发动机的内部分和外部分之间延伸的多个支柱；以及由多个支柱支撑的多个流动路径表面。示例多个流动路径表面在多个径向跨度处在涡轮发动机内周向延伸，以控制气流在涡轮发动机内的扩散。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明是在美国政府的支持下完成的。美国政府可以对本发明拥有某些权利。

技术领域

本公开大体涉及涡轮发动机，并且更具体地，涉及用于涡轮框架和出口导向轮叶的扩散器。

背景技术

涡轮发动机是一些最广泛使用的发电技术。燃气涡轮是内燃机的示例，其使用燃烧的空气-燃料混合物产生热气体，该热气体使涡轮旋转，从而生成动力。燃气涡轮的应用可以在飞行器、火车、轮船、发电机、气体压缩机和泵中找到。例如，现代飞行器依靠各种燃气涡轮发动机作为推进系统的一部分来生成推力，包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和后燃式涡轮喷气发动机。这种发动机包括燃烧区段、压缩机区段、涡轮区段和入口，从而以高热效率提供高功率输出。

涡轮发动机可以包括扩散器区段，其可以减慢由压缩机区段输送到燃烧区段的空气，以减少燃烧区段中的气流损失。扩散器区段产生的较慢气流和较高静压有助于稳定燃烧区段并提高燃烧效率。然而，扩散器区段的设计和定位的限制限制了其在减少气流以及提高燃烧稳定性和效率方面的有效性。

附图说明

图1是示例涡轮发动机的示意横截面视图。

图2示出了用于气流的现有支柱构造，其可以在图1的示例燃气涡轮发动机中使用。

图3-8示出了可以形成在图1的示例燃气涡轮发动机的各个区段中的扩散器的示例视图。

具体实施方式

某些示例实施了改进的流动扩散器，其可以定位在通过涡轮发动机或其他轴流式涡轮机的多个位置(例如，涡轮中心、涡轮后框架、出口导向轮叶、排气中心体等)处，以引导气流通过发动机的相应部分。一个或多个流动路径表面可以由支柱和/或其他翼型件形状支撑，以将流动路径表面刚性地放置在通过发动机的一个或多个限定位置处。与现有扩散器设计相比，每个流动路径表面局部地控制流动扩散速率并且能够在减小的轴向长度中发生更积极的扩散，现有的扩散器设计在扩散器区段中需要更长的长度来控制气流。此外，流动路径表面可以用作流体边界控制和/或边界层抽吸的促成因素(enabler)，以进一步增强扩散并减轻边界层生长、分离以及相关联的压力损失和再循环区。

在飞行器发动机的排气区段中，气流通常通过涡轮后框架、出口导向轮叶和/或排气中心体扩散。这种扩散是在空气动力学方面小心执行的，因为如果壁边界层快速生长和跳动(tripped)，则可能会生成大的压力损失，从而导致从层流到湍流或分离流的过渡以及相关联的压力损失。此外，增强型发动机中的流分离可能会导致局部再循环区滞留或暂时保留燃料，这些燃料随后可能会点燃而造成损坏，从而导致有效部件寿命缩短或发动机发生灾难性故障。

现有扩散设计是通过以经验长度增加流动区域与相关联的扩散速率来实现的。然而，通常对应于流动区域增加速率的扩散速率受到限制，以确保发生“干净”扩散而没有分离。这种扩散限制最终会增加发生扩散的总长度，从而导致整个发动机的加长以适应更长的扩散区段。某些示例通过在较低压力损失下实现更快速扩散来解决这些缺陷，从而减少发动机长度。

在下面的详细描述中，参考了构成其一部分的附图，其中通过说明的方式示出了可以实践的具体示例。对这些示例进行了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践该主题，并且应当理解，可以使用其他示例。因此，提供以下详细描述以描述示例性实施方式并且不应被视为限制本公开中描述的主题的范围。来自以下描述的不同方面的某些特征可以组合以形成以下讨论的主题的新方面。