带有释放切口的涡轮喷嘴发明背景
本发明涉及空气循环机(ACM)，诸如在飞机中的环境控制系统
(ECS)中所使用的那种类型。具体地说，本发明涉及ACM中所使
用的涡轮喷嘴的新颖尺寸。
ACM可以用于在压缩机部分中压缩空气。压缩空气被排放到下
游的热交换器并且进一步被输送到涡轮机。涡轮机从膨胀空气中提取
能量来驱动压缩机。从涡轮机输出的空气可以用作对交通工具(诸如
飞机的机舱)的空气供给。
ACM通常具有三轮或四轮式配置。在三轮式ACM中，涡轮机
驱动在共用轴上旋转的压缩机和风扇两者。在四轮式ACM中，两个
涡轮部分驱动在共用轴上的压缩机和风扇。
必须将气流引导到风扇部分中，到压缩机部分，远离压缩机部分
朝向热交换器，从热交换器到一个或多个涡轮机，并且从最后的涡轮
机级离开ACM。在这些传递中的至少一些中，合乎期望的是，相对
于ACM的中心轴线径向引导空气。为了实现这一点，可以使用旋转
喷嘴来生成径向的入流和/或出流。适当的喷嘴尺寸和设计对ACM的
最佳性能而言是有益的和必需的。
发明内容
在一个实施例中，公开了一种用于空气循环机的喷嘴。所述喷嘴
包括：具有中心轴线和直径D1的圆盘部分；以及从所述圆盘部分的
表面延伸高度D3的多个翼面。所述多个翼面围绕所述圆盘部分径向
布置。所述喷嘴还包括：限定在所述多个涡轮翼面中的每个径向相邻
的一对之间的喉部宽度D4；以及与所述翼面相邻的通道。所述通道
是由深度D5和轴向长度D2限定的。
在替代实施例中，一种用于空气循环机的涡轮喷嘴包括具有中心
轴线的圆盘和从所述圆盘的表面延伸的多个翼面。所述多个翼面围绕
所述圆盘部分径向布置以便引导由此经过的流体流。与所述翼面相邻
的释放切口，其中所述释放切口在所述圆盘的所述表面的至少一部分
中提供通道。
附图简述
图1是空气循环机的截面图。
图2是空气循环机的另一个实施例的截面图。
图3是图1或图2的空气循环机中的涡轮喷嘴的透视图。
图4是图3的涡轮喷嘴的平面图。
图4A是图3的涡轮喷嘴的一部分沿线A-A所截取的截面图。
图5A是示出用于现有技术涡轮喷嘴的性能裕量的图表。
图5B是示出用于图2的涡轮喷嘴的性能裕量的图表。
虽然上述附图阐明本发明的多个实施例，但本发明还涵盖其它实
施例。在所有情况下，本公开通过代表性而非限制性的方式来呈现本
发明。应当理解，本领域的技术人员可以设计出许多其它修改和实施
例，这些其它修改和实施例落在本发明的原理的范围和精神内。附图
可能并非按比例绘制，并且本发明的应用和实施例可以包括附图中未
明确示出的特征和部件。在整个附图中，相同的参考数字指示相同的
结构。
具体实施方式
一般来说，本发明的实施例提供一种用于具有改进的性能裕量的
空气循环机的涡轮喷嘴。通过提供与所述涡轮喷嘴的翼面相邻的通道
或释放切口，获得更大的性能裕量。所述通道或释放切口可以在发动
机运行部件上作为修复过程的一部分完成，或者可以存在于非发动机
运行部件或新制造的部件中。所述通道可以被确定尺寸以便获得空气
循环机的期望性能。
图1是空气循环机(ACM)10的截面图。ACM10是四轮式ACM，
其包括风扇部分12、压缩机部分14、第一涡轮部分16和第二涡轮部
分18，这些部分全部连接到轴20。轴20围绕中心轴线22旋转。
风扇部分12包括风扇入口24和风扇出口26。风扇入口24是
ACM10中的开口，所述开口从另一个源(诸如冲压进气口)接收工
作流体。风扇出口26允许工作流体从风扇部分12逸出。风扇叶片
28可以用于将工作流体吸取到风扇部分12中。
压缩机部分14包括压缩机入口32、压缩机出口30、压缩机喷嘴
34和压缩机叶片36。压缩机入口32是限定从另一个源接收待压缩的
工作流体所通过的孔口的管道。压缩机出口30允许在工作流体已被
压缩之后将所述流体输送到其它系统。压缩机喷嘴34是使压缩机部
分14中的工作流体旋转通过的喷嘴部分。压缩机喷嘴34通过压缩机
叶片36将工作流体从压缩机入口32引导到压缩机出口30。压缩机
喷嘴34是径向出流转子。
第一涡轮部分16包括第一级涡轮入口38、第一级涡轮出口40、
第一级涡轮喷嘴42和第一级涡轮叶片44。第一级涡轮入口38是限
定工作流体在在第一涡轮部分16中膨胀之前所经过的孔口的管道。
第一级涡轮出口40是限定工作流体(所述工作流体已膨胀)离开第
一涡轮部分16所通过的孔口的管道。第一级涡轮喷嘴42是使第一涡
轮部分16中的工作流体旋转通过的喷嘴部分。第一级涡轮喷嘴42与
第一级涡轮叶片44相配合以便从经过它们的工作流体中提取能量，
从而驱动第一涡轮部分16和附接部件包括轴20、风扇部分12和压
缩机部分14的旋转。第一级涡轮喷嘴42是径向入流转子。
第二涡轮部分18包括第二级涡轮入口46、第二级涡轮出口48、
第二级涡轮喷嘴50和第二级涡轮叶片52。第二级涡轮入口46是限
定工作流体在在第二涡轮部分18中膨胀之前所经过的孔口的管道。
第二级涡轮出口48是限定工作流体(所述工作流体已膨胀)离开第
二涡轮部分18所通过的孔口的管道。第二级涡轮喷嘴50是这样的喷
嘴部分：其与第二级涡轮叶片52相配合以便从经过它们的工作流体
中提取能量，从而驱动第二涡轮部分18和附接部件包括轴20、风扇
部分12和压缩机部分14的旋转。具体地说，第二级涡轮喷嘴50是
径向出流定子。工作流体从第二级涡轮入口46流到空腔54，在所述
空腔54中工作流体涌到第二级涡轮喷嘴50上。随后，工作流体在喷
嘴叶片之间经过。涡轮喷嘴50是固定的，并且喷嘴叶轮引导流最佳
地进入涡轮转子中。通过第二涡轮部分18的流体流引起涡轮叶片52
旋转并且使轴20转动。
风扇部分12连接到压缩机部分14。具体地说，风扇出口26联
接到压缩机入口32。风扇叶片28通过风扇入口24吸取工作流体并
且通过风扇出口26排放工作流体。来自风扇出口26的工作流体被输
送到压缩机入口32以便在压缩机部分14中进行压缩。类似地，压缩
机部分14与第一涡轮部分16联接在一起。来自压缩机出口30的工
作流体被输送到第一级涡轮入口38。
类似地，第一涡轮部分16联接到第二涡轮部分18。来自第一级
涡轮出口40的工作流体被输送到第二级涡轮入口46。以这种方式，
工作流体经过ACM10：首先通过风扇入口24，然后通过风扇出口
26、压缩机入口32、压缩机出口30、第一级涡轮入口38、第一级涡
轮出口40、第二级涡轮入口46以及第二级涡轮出口52。图1中所示
的那些部件之间可以存在额外的级。例如，热交换器(未示出)通常
位于压缩机部分14与第一涡轮部分16之间。
风扇部分12、压缩机部分14、第一涡轮部分16和第二涡轮部分
18中的每一个也通过轴20彼此连接。轴20沿中心轴线22延伸，并
且连接到至少压缩机喷嘴34、第一级涡轮喷嘴42和第二级涡轮喷嘴
50。风扇叶片28也可以连接到轴20。轴20是用于连接ACM10的
其它部件的杆，诸如钛拉杆。中心轴线22是可以相对于其布置其它
部件的轴线。
当工作流体经过ACM10时，首先在压缩机部分14中对所述流
体进行压缩，然后在第一涡轮部分16和第二涡轮部分18中使其膨胀。
通常，工作流体还在热交换器(未示出)中进行加热或冷却，当工作
流体经过压缩机部分14与第一涡轮部分16之间时其被输送通过所述
热交换器。第一涡轮部分16和第二涡轮部分18从工作流体中提取能
量，从而使轴20围绕中心轴线22转动。
可以对经过ACM10的工作流体进行调节以便用于由燃气涡轮
发动机提供动力的交通工具的中央机舱中。通过对工作流体进行压缩、
加热以及使其膨胀，可以将工作流体调节到期望的温度、压力和/或
相对湿度。然而，由于压缩机喷嘴34、第一级涡轮喷嘴42和第二级
涡轮喷嘴50相对于工作流体流动路径的快速旋转，上述部件磨损，
因此这些零件可能需要经常更换。
图2是ACM100的截面图。ACM100是三轮式ACM，其包括
风扇部分102、压缩机部分104和涡轮部分106，这些部分全部连接
到轴108。轴108围绕中心轴线110旋转。
风扇部分102包括风扇入口112和风扇出口114。风扇入口112
是ACM100中的开口，所述开口从另一个源(诸如燃气涡轮发动机
中的排气阀(未示出))接收工作流体。风扇出口114允许工作流体
从风扇部分102逸出。风扇叶片116可以用于将工作流体吸取到风扇
部分102中。
压缩机部分104包括压缩机入口118、压缩机出口120和压缩机
喷嘴122。压缩机入口118是限定从另一个源(诸如风扇部分102)
接收待压缩的工作流体所通过的孔口的管道。压缩机出口120允许一
旦工作流体已被压缩便将其输送到其它系统。压缩机喷嘴122是使压
缩机部分104中的工作流体旋转通过的喷嘴部分。具体地说，压缩机
喷嘴122是径向出流转子。
涡轮部分106包括涡轮入口124、涡轮出口126和涡轮喷嘴128。
涡轮入口124是限定工作流体在在涡轮部分106中膨胀之前所经过的
孔口的管道。涡轮出口126是限定已膨胀的工作流体离开涡轮部分
106所通过的孔口的管道。涡轮喷嘴128是这样的喷嘴部分：其从经
过所述涡轮喷嘴的工作流体中提取能量，从而驱动涡轮部分106和附
接部件包括轴108、风扇部分102和压缩机部分104的旋转。
风扇部分102连接到压缩机部分104。具体地说，风扇出口114
联接到压缩机入口118，以使得可以将工作流体从风扇出口114传递
到压缩机入口118。风扇叶片116通过风扇入口112吸取工作流体并
且通过风扇出口114排放工作流体。来自风扇出口114的工作流体被
输送到压缩机入口118以便在压缩机部分104中进行压缩。
类似地，压缩机部分104与第一涡轮部分106联接在一起。来自
压缩机出口120的工作流体被输送到涡轮入口124。以这种方式，工
作流体经过ACM100：首先通过风扇入口112，然后通过风扇出口
114、压缩机入口118、压缩机出口120、涡轮入口124和涡轮出口
126。图1A中所示的那些部件之间可以存在额外的级。例如，热交
换器(未示出)通常位于压缩机部分104与涡轮部分106之间。
风扇部分102、压缩机部分104和涡轮部分106中的每一个也通
过轴108彼此连接。轴108沿中心轴线110延伸，并且连接到至少压
缩机喷嘴122和涡轮喷嘴128。风扇叶片116也可以连接到轴108。
轴108是用于连接ACM100的其它部件的杆，诸如钛拉杆。中心轴
线110是可以相对于其布置其它部件的轴线。
当工作流体经过ACM100时，首先在压缩机部分104中对其进
行压缩，然后在涡轮部分106中使其膨胀。通常，工作流体还在热交
换器(未示出)中进行加热或冷却，当工作流体经过压缩机部分104
与涡轮部分106之间时其被输送通过所述热交换器。涡轮部分106从
工作流体中提取能量，从而使轴108围绕中心轴线110转动。
类似于相对于图1所描述的，可以对经过图2的ACM100的工
作流体进行调节以便用于由燃气涡轮发动机提供动力的交通工具的
中央机舱中。通过对工作流体进行压缩、加热以及使其膨胀，可以将
工作流体调节到期望的温度、压力和/或相对湿度。然而，由于压缩
机喷嘴122和涡轮喷嘴128相对于工作流体流动路径的快速旋转，上
述部件磨损，因此这些零件可能需要经常更换。
图3是涡轮喷嘴60的透视图，并且图4是涡轮喷嘴60的平面图。
图4A是涡轮喷嘴60沿图3的线A-A所截取的截面图。涡轮喷嘴60
可以用作先前在图1和图2中所述的涡轮喷嘴42、50和128。涡轮
喷嘴60围绕中心轴线62布置，所述中心轴线62对应于先前所述的
轴线22和110。涡轮喷嘴60包括沿喷嘴圆盘68的表面布置的多个
叶片或翼面66。翼面66和圆盘68是由耐用材料诸如钢、铝、钛或
类似金属或金属合金构造成的。翼面66是引导空气流通过涡轮部分
的叶片结构。翼面66可以被构造成圆盘68的组成部分。在替代实施
例中，翼面66通过紧固件64附接到圆盘68。
涡轮喷嘴60可以包括外部涂层，诸如本领域中已知的碳化钨或
类似涂层。涡轮喷嘴60是可能相对经常地更换的高价值部件。由于
与磨料颗粒的接触，可能对涡轮喷嘴60造成损坏。因此，高强度的
耐用涂层可以增加涡轮喷嘴60的使用寿命。
圆盘68关于中线轴线62径向对称。翼面66在表面70上关于圆
盘68的圆周长度彼此等距地间隔开。每个翼面66还与中心轴线62
径向等距。释放切口72形成与翼面66相邻的通道。对于发动机运行
部件来说，释放切口72是通过本领域中已知的典型的材料去除工艺
诸如机械加工形成的。在非发动机运行部件或新部件中，释放切口
72可以被制作成部件的锻造或铸造的特征件，或在替代实施例中，
可以是机械加工的特征件。释放切口72位于其它转动和研磨或机械
加工的特征件的界面处。释放切口72可以位于压力侧、吸力侧、前
缘和/或后缘上。类似地，释放切口72可以包含相邻翼面66之间的
整个喉部区域或所述喉部区域的仅一部分。释放切口72可以延伸到
圆盘68的外周边，或仅位于所述圆盘68的一部分上以便形成通道结
构。在制造释放切口72之后，可以将涡轮喷嘴60的涂层施加到圆盘
68。
释放切口72的位置是由各种尺寸确定的。D1是圆盘68的直径。
D2是释放切口72在轴向方向上的长度。D3是翼面66的高度。D4
是喉部宽度，所述喉部宽度是相邻翼面66之间的间隙的测量值。D5
是释放切口72从圆盘68的表面70的深度。圆盘68被示出为包括与
释放切口72相邻的外周边突出部。在替代实施例中，D2延伸到圆盘
68的边缘末端。
图5A是示出用于现有技术涡轮喷嘴的性能裕量的图表，而图5B
是示出用于图3至图4A的涡轮喷嘴的性能裕量的图表。这些图表针
对结合有存在和不存在释放切口72的圆盘的ACM，将涡轮出口温度
与热交换器入口温度进行比较。两个图表都包括指示可接受的性能裕
量与不可接受的性能裕量之间的边界的斜线。如图5A中所示，现有
技术圆盘的测量到的性能M1落在相对接近边界的位置处。然而，带
有释放切口的喷嘴圆盘具有距边界较远、充分落到性能裕量的“可接
受”区域中的测量到的性能M2。可以对释放切口72的尺寸和位置进
行调整，以便将测量到的性能的位置移动到“可接受”区域内的期望位
置。因此，设计成带有释放切口的喷嘴圆盘允许在控制ACM方面具
有更大的灵活性。
下表是利用释放切口72形成的圆盘的若干实例。尺寸D1至D5
都是以英寸为单位的。表值示出到小数点后四位。然而，由于制造约
束，可用于制造部件的实际值被视为在用于确定所要求保护的部件轮
廓的指示值内。也就是说，部件轮廓中存在必须考虑的典型制造公差。
因此，用于所公开的表中给出的轮廓的值是针对标称部件而言的。因
此，应当理解，正或负的典型制造公差可应用于这些表值，并且具有
大致上根据这些值的轮廓的部件包括此类公差。例如，应将约+/-0.03
英寸(0.76mm)的制造公差考虑在部件的设计极限内。因此，部件
的机械功能和空气动力功能不受制造缺陷和制造公差影响，在不同的
实施例中这些制造缺陷和制造公差可能会大于或小于所公开的表中
列出的值。如本领域的技术人员所理解的，可以确定制造公差以便实
现制造部件相对于所公开的表中列出的理想部件轮廓点的期望平均
值和标准偏差。
可能实施例的论述
以下是对本发明的可能实施例的非排他性描述。
在一个实施例中，公开了一种用于空气循环机的喷嘴。所述喷嘴
包括：具有中心轴线和直径D1的圆盘部分；以及从所述圆盘部分的
表面延伸高度D3的多个翼面。所述多个翼面围绕所述圆盘部分径向
布置。所述喷嘴还包括：限定在所述多个涡轮翼面中的每个径向相邻
的一对之间的喉部宽度D4；以及与所述翼面相邻的通道。所述通道
是由深度D5和轴向长度D2限定的。
另外和/或作为替代，先前段落中所述的喷嘴可以任选地包括以
下特征、配置和/或额外部件中的任何一个或多个：
其中D1/D2的比率是在11.37与16.05之间；
其中D1/D3的比率是在21.70与73.06之间；
其中D1/D4的比率是在28.66与52.64之间；
其中D2/D3的比率是在1.94与5.75之间；
其中D2/D4的比率是在2.79与4.38之间；
其中D3/D4的比率是在0.49与1.96之间；
其中D5具有0.01英寸的最大深度；
一种空气循环机包括风扇部分、与所述风扇部分流体连通的压缩
机部分、与所述压缩机部分流体连通的至少一个涡轮部分，并且其中
所述涡轮部分包括上述的喷嘴；
其中所述空气循环机是三轮式空气循环机；
其中所述空气循环机是四轮式空气循环机；和/或
其中所述通道延伸到所述圆盘的外周边。
在替代实施例中，一种用于空气循环机的涡轮喷嘴包括具有中心
轴线的圆盘和从所述圆盘的表面延伸的多个翼面。所述多个翼面围绕
所述圆盘部分径向布置以便引导由此经过的流体流。与所述翼面相邻
的释放切口，其中所述释放切口在所述圆盘的所述表面的至少一部分
中提供通道。
另外和/或作为替代，先前段落中所述的涡轮喷嘴可以任选地包
括以下特征、配置和/或额外部件中的任何一个或多个：
其中所述释放切口具有不大于0.01英寸的深度；和/或
其中所述释放切口延伸到所述涡轮圆盘的外周边。
本文中使用的任何相对术语或程度术语诸如“一般”、“大致上”、
“大约”等应根据且从属于本文明确阐述的定义或限制。在所有情况下，
如本领域的普通技术人员根据本公开的全部内容所理解的，本文中使
用的任何相对术语或程度术语均应解释为广义地包含任何相关的所
公开实施例以及此类范围或变化，诸如包含普通的制造公差变化、偶
然对准变化、由操作条件引起的临时对准或形状变化等。
虽然已参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技
术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出各种变化
并且可以用等效物来代替本发明的元件。另外，在不脱离本发明的实
质范围的情况下，可以对本发明的传授做出许多修改以适应特定情况
或材料。因此，意图的是，本发明并不限于所公开的特定实施例，而
是本发明将包括落在所附权利要求书范围内的所有实施例。