CN102341568A - 具有流体通道和通道阻塞部件的转子元件及包括转子元件的涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及转子元件(3)，其包括围绕转子旋转轴的环形表面部分，以及穿过所述表面部分的流体通道(31)，特征在于所述转子元件包括用于关闭所述通道(31)的装置，该装置包括：关闭元件(4)，该关闭元件能够根据转子的转速变形，并设置为根据转子的转速来调节流体流量；以及环形罩(6)，该环形罩具有与所述关闭元件(4)交互以形成所述关闭装置的自由边缘(62)，所述环形罩(6)的所述自由边缘(62)与所述关闭元件(4)的所述关闭部分(43)一起形成关闭所述所述通道(31)的孔板。

Description

具有流体通道和通道阻塞部件的转子元件及包括转子元件的涡轮发动机

本发明涉及涡轮发动机，其主题为根据转子元件的转速来控制流经转子元件的流体。更具体地，其主题为对燃气涡轮发动机的涡轮机转子进行冷却。

涡轮喷气发动机具有前风扇及两个轴，例如，称作LP轴的低压轴，及称作HP轴的高压轴。

在此约定，本发明申请中，术语“上游”和“下游”为相对于涡轮喷气发动机中空气流的方向而限定。因此，从上游到下游，具有前风扇的双轴涡轮喷气发动机通常包括：风扇，LP压缩机级，HP压缩机级，燃烧室，HP涡轮机级，以及LP涡轮机级。

在燃烧室中燃烧后，高温气体流在涡轮机中膨胀。HP涡轮机中承受高温的元件被冷却流体扫过。

图1示出了现有技术中涡轮喷气发动机的高压轴的轴向半截面图，发动机中设置有冷却回路，其中绘制于燃烧室1上游的空气流被导入设置于密封盘3的下游表面和HP涡轮机转子5的上游表面之间的冷却空间V中。

密封盘3的作用为提供涡轮机上游的转子和定子之间的密封，通常被称作迷宫密封盘。其形式为环形部件，该环形部件通过其被称作连接边缘33的径向内缘而被连接至HP涡轮机转子5的涡轮盘。密封盘3被轴向地预加应力，由此，其被称作支承边缘32的径向外缘对HP涡轮机转子5的边缘的上游表面施压。密封盘3还包括多个通风孔31，通风孔31以环形设置，允许在密封盘3和HP涡轮盘之间导入冷却空气流。

空气喷射器2吸入燃烧室1周围流动的气流，并将其通过设置于密封盘3中的通风孔31喷射入冷却空间V，然后冷却气流在涡轮机转子5的冷却回路中分配，涡轮机转子5包括平台以及安装于涡轮机转子5的涡轮盘上的叶片7。

密封盘3的通风孔31设置为使得当发动机全速运行时，特别是在飞机起飞时以及气体的温度最高时，空气的流量足以冷却HP涡轮盘。

当发动机以巡航速度运行时，气体的温度不那么高，需要较少的冷却空气。由于未对空气喷射器2提供的冷却空气的流量进行调节，当发动机以巡航速度运行时，HP涡轮盘被过度冷却。

为减少浪费冷却空气以及降低比燃料消耗率，提出了一种将燃烧室1的底部连接至冷却空间V的冷却回路。该冷却回路包括空气流量控制阀，该阀的打开根据发动机速度进行控制。借助这样的阀，使得对冷却空间V中冷却空气的流量进行调节成为可能。

但是，这种装置有诸多缺陷。首先，就空间需求而言，很难在发动机中提供足够的空间来安装调节阀。调节阀应该安装在发动机的外部。因此，需要对发动机的结构进行修改，例如，提供中空的定子空气翼面以将空气再次导入发动机，以及在冷却空间V的方向上在燃烧室的下面提供引导装置。最后，就可靠性而言，调节阀故障可能导致对HP涡轮机的不充分冷却，损坏发动机。

US3,575,528A1描述了一种用于冷却转子涡轮机的系统，该系统包括双金属的环，该环形成用于阻塞空气通道的阀。

因此，本发明的目的为生产一种根据涡轮发动机的转速对涡轮发动机中冷却空气的流量，更普遍地，流体的流量进行控制的装置。

因此，本发明涉及涡轮发动机转子元件，其包括围绕转子的旋转轴的环形表面部分，以及穿过该表面部分的流体通道。

转子元件的特征在于其包括关闭所述通道的装置，该关闭装置包括关闭元件，该关闭元件能够根据转子的转速进行变形，并设置为根据转子的转速调节流体流量。

将流体控制装置设置在转子上能够最优地利用机器中的可用空间，无需为阀安排空间。

这样的系统是可靠的，因为其不需要可能会失灵的外部控制系统。此外，其能够方便地适应现有的涡轮发动机，而无需进行大的结构改动。

根据一个实施方式，关闭元件为环形，并包括连接部分，锥形的可变形部分，及关闭部分。

通过利用涡轮发动机不同运行速度时离心力之间的差异而直接对关闭元件产生作用，产生非常紧凑的组件。

有利的是，转子元件包括环形的罩(shroud)，该罩具有与关闭元件互相作用以形成关闭装置的自由边缘，环形罩的自由边缘与关闭元件的关闭部分一起形成关闭流体通道的孔板。更具体地，关闭部分为圆柱形，罩的自由边缘的形式为唇，孔板由所述圆柱形的关闭部分和所述唇之间的孔径确定。

根据本发明的另一个特征，关闭元件由形状记忆合金制成。使用形状记忆合金是非常有利的，因为其具有比其他金属合金更大的弹性范围。在本发明中，通过仅在其弹性范围的小部分中使用，合金承受更少的疲劳，寿命比其他的金属更长。

本发明还涉及包括本发明所保护的转子元件的涡轮发动机。

因此，本发明应用于涡轮发动机，其包括具有涡轮盘和密封盘的涡轮机转子，密封盘包括至少一个用于流体的通道，所述流体用于冷却涡轮盘；并且所述密封盘(3)与所述关闭装置一起形成所述转子元件，所述关闭装置用于冷却涡轮盘的流体。

值得注意的是，通过利用巡航速度和全速之间大约10％的差异来调节冷却空气的流量。因此，关闭装置在涡轮机转子的称为全速的第一转速时提供确定孔径的流体通道。关闭装置还在涡轮机转子的称为巡航速度的第二转速时提供最小孔径的流体通道，该第二转速比第一转速低。

最后，本发明的方案允许关闭装置在涡轮机转子转速为零时提供最大孔径的流体通道。

借助下列附图可以更好地理解本发明：

图1为现有技术涡轮发动机的高压轴的轴向半截面图；

图2，3和4示出了安装于本发明涡轮发动机的涡轮机转子的涡轮盘和密封盘之间的关闭元件；

图2还具体地示出了当转子速度为零(发动机停止)时关闭元件的位置；

图3还具体地示出了当转子速度为高速(全速)时关闭元件的位置；

图4还具体地示出了当转子速度减小(巡航速度)时关闭元件的位置；

图5示出了孔板孔径的曲线，该曲线基于发动机转子的转速。

图1示出了涡轮发动机，例如双轴涡轮喷气发动机的高压HP轴。如上所述，双轴涡轮喷气发动机包括称作LP轴的低压轴，及称作HP轴的高压轴。

参照图2，其示出了本发明用于冷却燃气涡轮发动机的HP涡轮转子的方案，关闭元件4安装于HP涡轮机转子的HP涡轮盘和由密封盘形成的转子元件之间。关闭元件4旋转连接至转子元件。

HP涡轮机转子5包括涡轮盘，涡轮盘的形式为环形部件，并横向地向图1所示的发动机的X轴延伸。HP涡轮盘包括轴向孔，LP轴的驱动轴(未示出)在轴向孔中延伸。HP涡轮盘的径向外缘包括涡轮机叶片7，涡轮机叶片7安装于设置在HP涡轮盘外围上的壳体内，如图1所示，涡轮机叶片7径向向外延伸。

HP涡轮盘包括上游连接凸缘51，该凸缘的形式为罩，罩的凹面朝内，即朝向发动机的轴线X。HP涡轮盘5的上游连接凸缘51包括多个均匀环形分布的纵向连接孔。HP涡轮盘的上游连接凸缘51能够将HP涡轮盘连接至HP涡轮轴的元件9，该元件9的形式为连接至HP压缩机和关闭元件4上的鼓状物。

密封盘3的形式为环形盘，从上游到下游基本为锥形，向发动机的轴线X横向延伸，并连接至发动机的HP涡轮轴的元件9。密封盘3安装于HP涡轮盘的上游，并旋转连接至HP涡轮盘。

密封盘3包括通常被本领域技术人员称为“唇”的径向条35，径向条35设置为与连接至发动机壳体的“可垦”(abrable)元件36相对应，并与HP轴9一起在密封盘3旋转期间在密封盘3和发动机壳体之间形成迷宫密封，由此防止来自燃烧室的热气流在发动机中传播。

密封盘3包括径向连接部分33和支承部分32；其中径向连接部分33为径向内部，上游连接至HP涡轮轴的元件9的上游，下游连接至HP涡轮盘；支承部分32为径向外部，支承HP涡轮盘的上游表面。密封盘3被轴向地预加应力，使得其支承部分32对HP涡轮盘施加夹持力，特别防止叶片7在设置于HP涡轮盘外围上的壳体内移动。

密封盘3包括围绕转子的旋转轴的环形表面部分，在该环形表面部分中形成有多个均匀分布的径向通风孔31，这些孔允许在密封盘3和HP涡轮盘之间喷入冷却空气流。设置于密封盘3的通风孔31的上游的空气喷射器2能够喷射绕发动机燃烧室流动的冷空气。通风孔31在密封盘3中形成冷却流体通道。密封盘3的径向连接部分33包括多个均匀环形分布，并设置为与HP涡轮盘5的连接孔相对应的纵向连接孔。

根据本发明，参考图2，涡轮发动机包括元件4，元件4用于关闭在密封盘3和HP涡轮盘之间喷入冷却空气流的通道。

关闭元件4的形式为环形盘4，或侧板，并在密封盘3和HP涡轮盘之间朝着发动机的轴线X横向地安装。关闭元件4固定安装至密封盘3和HP涡轮盘。在静止位置，当发动机停止时，关闭元件4从上游到下游基本为锥形。如图2所示，关闭元件4包括其中均匀环形分布有纵向连接孔的径向内部径向连接部分41，径向外部的自由关闭部分43，该自由关闭部分43形式为圆柱状的表面并具有向内折的环形边缘431，以及将连接部分41连接至自由关闭部分43的截头圆锥体部分42。

依然参考图2，关闭元件4固定安装至密封盘3和HP涡轮盘之间。从上游到下游，螺栓82依次穿过发动机的HP轴的鼓9的连接孔，密封盘3的连接孔，关闭元件4的连接孔，以及HP涡轮盘5的连接孔。螺栓82在端部与螺母81交互。

在此例中，闭元件4由公知的形状记忆合金(AMF)形成。主要的形状记忆合金包括镍钛合金，优选地，合金中镍和钛的比例相同。形状记忆合金(AMF)的优点为其具有较大的弹性变形范围。通过仅在其弹性范围的一部分中使用，合金不用承受太多的疲劳循环。因此其寿命比弹性范围较小的其他金属的寿命更长。

当涡轮发动机旋转时，关闭元件4要承受离心力，并以弹性方式发生变形。在此例中，当静止时，关闭元件4的截头圆锥体部分42从上游到下游基本为锥形，在离心力作用下变形，由此自由关闭部分43在上游方向运动。关闭元件4的关闭部分43部分地关闭发动机中的冷却空气流通道，即，由形成于密封盘3中的通风孔31限定的通道。

换句话说，随着发动机转速(HP涡轮机转子5的速度)的逐渐增加，在离心力作用下，关闭元件4在相对于发动机的轴线X横向的平面中变直。因此，根据发动机的转速，通道或多或少被关闭元件4关闭，由此调节冷却空气流的流量。

参考图2，在本发明的优选实施方式中，密封盘3包括关闭罩6，或门槛(threshold)，该关闭罩6设置于其下游表面，并在下游方向基本上纵向地延伸。关闭罩6包括纵向圆柱体本体61，该圆柱体本体61的上游端连接至密封盘3的下游表面，其自由下游端被设置为与关闭元件4交互的径向外部环形唇62终止。

依然参考图2，环形关闭罩6设置于比密封盘3的通风孔31的径向尺寸更大的径向距离处。因此，当空气喷射器2在密封盘3和HP涡轮盘之间通过通风空31喷射冷却空气流时，空气流在到达HP涡轮盘并，例如，在叶片7的根部和设置于HP涡轮盘外围上的壳体之间流动之前，空气流在环形关闭罩6的自由端和关闭元件4的自由关闭部分43之间流动。

环形关闭罩6与自由关闭部分43交互，以形成关闭冷却流体通道的装置，环形关闭罩6的自由边缘62与关闭元件4的关闭部分43一起形成关闭流体通道31的孔板。

在此，关闭罩6的自由端62和关闭元件4的自由部分43之间的距离称为“孔板孔径”。孔板孔径(e)越大，冷却空气流的流量越大。也就是说，通过孔板孔径能够调节冷却空气流的流量。

关闭元件4根据HP涡轮机转子5的转速发生变形，由此能够设置孔板的孔径，并由此设置冷却空气流的流量。

参照图2，其示出了当发动机停止时关闭元件4的位置，即静止位置，孔板孔径e0较大，由此允许对HP涡轮盘进行较大程度的冷却。

图3示出了关闭元件4的两个不同位置。为清楚起见，在静止位置时，关闭元件的位置表示为4，当发动机高速旋转(14000rpm)，例如起飞阶段全速旋转时，关闭元件的位置表示为4′。

在全速时，关闭元件4′在发动机产生的离心力的作用下径向变直，并靠近关闭罩6的自由端。也就是说，起飞时，关闭罩6的唇62位于关闭元件4′的圆柱形部分43′的凹处中，空气流在唇62的外表面和自由端43′的圆柱形部分的内表面之间流动。

关闭罩6的唇62和关闭元件4′的自由端43′之间的孔板孔径e1比发动机静止时的要小，但是足以对HP涡轮盘进行冷却。大流量的冷却空气流F1在关闭元件4′的上游流动。

有利的是，将关闭元件4的自由关闭部分43和关闭罩6的唇62形成为这样，即，为HP涡轮机转子5的预定转速设置一确定的孔板孔径e2，所述预定转速对应于起飞时发动机全速旋转时的转速，例如14000rpm。不言而喻，关闭罩/门槛6或者关闭元件4的各种形状都可以实现该孔板功能。

图4示出了关闭元件4的两个不同位置。为清楚起见，在静止位置时，关闭元件的位置表示为4，当发动机以巡航速度(12800rpm)运行时，即以比全速运行时的转速(Vto)低的转速(Vc)运行时，关闭元件的位置表示为4″。

在巡航速度时，关闭元件4″相对于其在全速时的位置在下游方向移动，发动机产生的离心力比起飞时产生的离心力小。如图4所示，关闭罩6的唇62与关闭元件4″的关闭部分43″的边缘431″对准，空气喷射通道由此被部分关闭或隔断。

在巡航速度(Vc)时，关闭元件4″离关闭罩6的自由端62非常近。关闭罩6的自由端62和关闭元件4″的自由端43″之间的孔板孔径e2比飞机起飞时的要小。因此，在关闭元件4″的上游流动的冷却空气流F2的流量较起飞(Vto)时的流量要小。在实践中，关闭元件4的自由部分43在起飞位置和巡航位置之间移动4mm的距离。

参照图5，通过关闭元件4的变形，可以根据发动机转速对孔板孔径进行修改。有利的是，这样使得根据发动机的需要对冷却空气的流量进行调节成为可能。

最后，就发动机可靠性而言，如果关闭元件4失灵，它仍将保持在如图3所示的最大变形位置(起飞位置)，允许通过大流量的冷却空气。

Claims (8)

1.转子元件(3)，其包括围绕转子旋转轴的环形表面部分，以及穿过所述表面部分的流体通道(31)，特征在于所述转子元件包括用于关闭所述通道(31)的装置，该装置包括：

关闭元件(4)，该关闭元件能够根据转子的转速变形，并设置为根据转子的转速来调节流体流量，所述关闭元件(4)的形状为环形，并包括连接部分(41)，锥形的可变形本体(42)，以及关闭部分(43)；以及

环形罩(6)，该环形罩具有与所述关闭元件(4)交互以形成所述关闭装置的自由边缘(62)，所述环形罩(6)的所述自由边缘(62)与所述关闭元件(4)的所述关闭部分(43)一起形成关闭所述所述通道(31)的孔板。

2.如权利要求1所述的转子元件，其中所述关闭部分(43)为圆柱形，所述罩(6)的所述自由边缘(62)的形式为唇(62)，所述孔板由所述圆柱形关闭部分(43)和所述唇(62)之间的孔径(e)限定。

3.如前述权利要求所述的转子元件，其中所述关闭装置(4)由形状记忆合金制成。

4.包括如前述权利要求之一所述的转子元件(3)的涡轮发动机。

5.如前述权利要求所述的涡轮发动机，其包括具有涡轮盘和密封盘(3)的涡轮机转子(5)，其中所述密封盘(3)包括至少一个用于流体的通道(31)，所述流体用于冷却所述涡轮盘；并且所述密封盘(3)与所述关闭装置一起形成所述转子元件，所述关闭装置用于冷却所述涡轮盘的流体。

6.如前述权利要求所述的涡轮发动机，其中所述关闭装置在所述涡轮机转子的第一转速(Vto)时提供具有确定孔径(e2)的流体通道，所述第一转速称作全速。

7.如前述权利要求所述的涡轮发动机，其中所述关闭装置在所述涡轮机转子的第二转速(Vc)时提供具有最小孔径(e1)的流体通道，所述第二转速称作巡航速度，比所述第一速度(Vto)低。

8.如前述权利要求所述的涡轮发动机，其中所述关闭装置在所述涡轮机转子的转速为零时提供具有最大孔径的流体通道。

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