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CN104727861B - 轴向涡轮发动机压缩器的末级内部轴环垫片 - Google Patents

轴向涡轮发动机压缩器的末级内部轴环垫片 Download PDF

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CN104727861B
CN104727861B CN201410764526.7A CN201410764526A CN104727861B CN 104727861 B CN104727861 B CN 104727861B CN 201410764526 A CN201410764526 A CN 201410764526A CN 104727861 B CN104727861 B CN 104727861B
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Abstract

本发明涉及一种轴向涡轮发动机导向轮叶组件。所述导向轮叶组件包括：径向延伸的环形的叶片(26)排；布置在所述叶片(26)的内端的内部轴环(30)。所述内部轴环(30)包括呈弹性体或硅的圆形垫片(36)，圆形垫片布置在所述轴环(30)的上游侧或下游侧之一处，以确保与所述涡轮发动机的中间壳体(34)的密封表面(44)的气密性。所述内部轴环(30)包括容纳所述垫片(36)的空腔(45)，所述空腔一体地形成在内部轴环的材料中和/或借助一个或多个被增添构件(46)的帮助形成。本发明允许改进振动情况下的气密性，同时增加内部轴环(30)的刚性而无需增加生产成本。本发明还涉及一种轴向涡轮发动机。

Description

轴向涡轮发动机压缩器的末级内部轴环垫片
技术领域
本发明涉及一种涡轮发动机导向轮叶组件。更具体地，本发明涉及一种涡轮发动机压缩器导向轮叶组件，装配有内部轴环，内部轴环具有垫片，以确保与涡轮发动机壳体的气密性。本发明还涉及一种涡轮发动机，具有布置在轴环和涡轮发动机壳体之间的垫片。
背景技术
涡轮喷气发动机包括多个级(level)，诸如风扇、压缩器、燃烧室和涡轮。这些隔室固定到中间壳体，使得它们全部被连接起来。在涡轮发动机中循环的环形流穿过中间壳体。为了限制泄露，密封装置设置在中间壳体与各隔室之间的界面处。特别地，直接固定到中间壳体的低压压缩器在其外部壳体处及其下游导向轮叶组件的内部轴环处具有垫片。
上游导向轮叶组件的内部轴环固定到叶片的内端，并且以气密方式与中间壳体的平面协作。为此，导向轮叶组件包括压靠在壳体密封表面上的圆形硅垫片。
文献EP 1426559A1公开了一种用于低压轴向涡轮喷气发动机压缩器的导向轮叶组件的内轴环。压缩器固定到涡轮发动机的中间壳体，压缩器末级的内部轴环借助圆形垫片与中间壳体接触。在涡轮喷气发动机运行期间，例如由于涡轮发动机本身的操作、吸入、泵送现象、不平衡质量的存在或“风扇叶片关闭(fan blade off)”状态，圆形垫片要承受振动。这些振动使垫片在径向和轴向上变形，从而减少气密性。另外，垫片可变得与中间外壳分离，从而形成泄露。垫片不再达到其接触压力或其标称位置两者。
发明内容
技术问题
本发明之目的是解决现有技术具有的至少一个问题。更确切地，本发明旨在当导向轮叶组件承受涡轮发动机振动时，保持导向轮叶组件在其内部轴环与壳体密封表面之间连接点处的气密性。
技术方案
本发明涉及一种轴向涡轮发动机压缩器的导向轮叶组件，所述导向轮叶组件包括：径向延伸的环形的叶片排；布置在所述叶片的内端的内部轴环，内部轴环包括位于所述轴环的上游侧或下游侧之一的圆形垫片，以确保与所述涡轮发动机的中间壳体的密封表面的气密性，其特征在于，所述内部轴环包括容纳所述垫片的空腔。
根据本发明的有利实施例，所述空腔可一体地形成在所述内部轴环的材料中，所述轴环优选地以聚合材料实现，更优选地以具有有机基质的复合材料实现。
根据本发明的有利实施例，所述空腔由所述轴环的一部分和一个或多个增添至所述轴环且优选地形成大致圆形形式的被增添构件形成，所述内部轴环和每个被增添构件优选地以具有有机基质的复合材料形成。
根据本发明的有利实施例，所述导向轮叶组件包括一钩，所述钩形成所述空腔，以将所述垫片保持在所述壳体的密封表面上和所述内部轴环上，所述空腔优选地形成基本上沿轴向敞开的环形喉部。
根据本发明的有利实施例，所述导向轮叶组件包括轴向地定界所述空腔的环形肩部，所述肩部优选地由径向延伸的环形凸缘形成，所述环形肩部优选地由所述环形轴环和/或每个被增添构件形成。
根据本发明的有利实施例，所述导向轮叶组件包括径向地定界所述空腔内侧的大致管状面，所述管状面可形成在所述环形轴环上和/或每个被增添构件上，优选地，至少一个被增添构件的管状面将所述垫片径向地压缩在所述内部轴环的内部表面上。
根据本发明的有利实施例，所述垫片的大部分轴向地和/或径向地布置在所述空腔内侧，所述垫片优选地包括诸如硅材料的弹性体材料。
根据本发明的有利实施例，所述垫片具有大致超环面(toroidal)的形式，所述垫片的旋转轮廓优选地大致是圆形、三角形或诸如平行四边形的四边形。
根据本发明的有利实施例，所述垫片保证所述内部轴环与每个被增添构件之间的气密性，优选地正好围绕所述内部轴环。
根据本发明的有利实施例，每个被增添构件固定到所述内部轴环，每个被增添构件可被互锁或粘性地结合至所述内部轴环，或者在通过材料接合的固定手段的帮助下被固定到所述叶片。
根据本发明的有利实施例，每个被增添构件在所述内部轴环的大部分轴向长度上延伸，可在所述内部轴环的整个轴向长度上延伸，每个被增添构件优选地放置在所述内部轴环的内部表面上。
根据本发明的有利实施例，所述内部轴环的长度是根据每个叶片的翼弦测量的所述翼弦的两倍以上，每个被增添构件的长度可大于根据每个叶片的翼弦测量的所述翼弦。
根据本发明的有利实施例，所述导向轮叶组件包括布置在所述内部轴环的上游侧或下游侧的环形耐磨材料层，所述环形耐磨材料层与所述圆形垫片所包括的层轴向地相对，所述耐磨层可轴向地延伸到定界所述空腔的材料。
根据本发明的有利实施例，所述内部轴环和至少一个被增添构件以不同的材料实现，每个被增添构件的密度优选地低于所述内部轴环的密度。
根据本发明的有利实施例，每个被增添构件在通过材料接合的固定手段的帮助下被固定到所述内部轴环，和/或每个被增添构件紧密地装配在所述内部轴环的内部表面上。
根据本发明的有利实施例，所述管状面轴向地和/或径向地布置到所述内部轴环的外部表面内侧。
根据本发明的有利实施例，所述垫片轴向地延伸超出所述内部轴环和/或每个被增添构件。
根据本发明的有利实施例，所述耐磨层由所述内部轴环和/或每个被增添构件轴向地定界。
根据本发明的有利实施例，所述垫片紧密地装配在所述空腔内部表面的大部分上，优选地装配在所述空腔的整个内部表面上，和/或所述垫片填充所述空腔的大部分内部容积。
本发明还涉及一种轴向涡轮发动机，包括：具有密封表面的壳体；至少一个压缩器，具有以气密方式与所述密封表面协作的导向轮叶组件，其特征在于，所述导向轮叶组件是根据本发明的导向轮叶组件，所述垫片优选地轴向地压缩在所述导向轮叶组件与所述壳体的密封表面之间。
根据本发明的有利实施例，在所述壳体与所述内部轴环之间有轴向游隙J，所述垫片在整个轴向游隙J上轴向地延伸，所述涡轮发动机优选地包括至少一个涡轮、至少一个风扇，所述壳体是所述涡轮发动机的中间壳体，并且经受住每个压缩器、每个涡轮和每个风扇的大多数力，可以是所有力。
提供的优点
本发明允许将垫片有效地保持在壳体的密封表面上。空腔允许容纳垫片，并将垫片保持在壳体表面上。空腔一体地形成在内部轴环的材料中的方案允许一体地实现简单的轴环。轴环可以通过碾磨实现，其空腔可以直接研磨和/或制造，这使生产成本降低。
由于被增添构件，径向压应力可以施加到垫片，这进一步改进了密封。被增添构件允许支撑垫片，它形成的支撑改进了定位，垫片保持到位。它进一步允许垫片与壳体之间的接触刚性化。顺便地，被增添构件显著地改进了内部轴环的刚性，并限制了内部轴环的轴向和/或径向变形，诸如其不圆度(out-of-roundness)。被增添构件的增添使得可以实现复杂形式的空腔而无需增加内部轴环的生产成本。
被增添构件允许保持导向轮叶组件的轻量化。事实上，被增添构件可以比内部轴环更轻的材料实现。例如，内部轴环可以金属实现，而被增添构件可以聚合物实现，诸如复合材料。
在生产涡轮发动机期间，压缩器被组装而成之后放置在中间壳体上的组件。在这方面，圆形垫片轴向地压缩在涡轮发动机壳体的密封表面上。垫片的压缩依赖于一系列包括多个构件的两侧，所述构件包括导向轮叶组件的叶片。所述叶片可呈现出大于2.00mm的位置变化，这增加了圆形垫片必须能够容忍的余量。而且，圆形垫片必须同样适应差异扩张现象。
附图说明
图1示出根据本发明的轴向涡轮发动机。
图2是根据本发明的涡轮发动机压缩器的示意图。
图3示出压缩器的下游导向轮叶组件，其与根据本发明的涡轮发动机的壳体接触。
具体实施方式
在以下描述中，术语“内部”及其变体以及“外部”及其变体涉及关于轴向发动机涡轮的旋转轴线的位置。轴向方向涉及旋转轴线。
图1描绘了轴向发动机涡轮的简化图。在这种特定情况下，它是双流涡轮喷气发动机。涡轮喷气发动机2包括多个连通级，诸如被称为低压压缩器4的第一压缩级、被称为高压压缩器6的第二压缩级、燃烧室8和一个或多个涡轮级10。
在操作期间，经由中心轴传递到转子12的涡轮10机械动力使两个压缩器4和6工作。齿轮减速手段或同心轴可将涡轮8连接到压缩器4和6。所述压缩器包括与定子叶片排相关联的多个转子叶片排。转子绕其旋转轴线14的旋转从而产生气流，并逐步将气流压缩到燃烧室10的入口，以增加涡轮发动机的输出。
通常被称为风扇16的输入风机与转子12联接，并产生气流，该气流分为一次流18和二次流20，一次流穿过上面提及的涡轮发动机的各级，二次流沿发动机穿过环形导管(部分示出)，然后在涡轮出口处再次与一次流汇合。涡轮发动机可包括多个风扇。一次流18和二次流20是环形流，并被引导通过涡轮发动机的壳体。
涡轮发动机可包括壳体，可能是中间壳体。中间壳体保证了压缩器4和6、涡轮8、燃烧室10、风扇16和轴均与之固定或连接的固定结构功能，使得来自它的至少大多数力，可优选地所有力，得以经受住。
图2是诸如图1示出的轴向涡轮发动机2的压缩器的截面图。压缩器可以是低压压缩器4。这示出了一部分风扇16以及一次流18和二次流20的分离喷嘴22。转子12包括多个转子叶片排24，在这种情况下是三排。
低压压缩器4包括多个导向轮叶组件，在这种情况下是四个，每个包含定子叶片26排。定子叶片26基本上从外部壳体28径向地延伸，并且可以用轴固定。定子叶片相对于彼此规则地间隔开，并且在所述流中具有相同的角取向。导向轮叶组件链接到风扇16或转子叶片排，以引导气流，从而将气流速度转变成压力。
有利地，同一排的叶片是相同的。各叶片之间的空间，正如它们的角取向那样，可以局部地变化。一排中的一些叶片可以不同于其它叶片。
每个导向轮叶组件包括内部轴环30，内部轴环30布置在对应一排的定子叶片26的内端。内部轴环30允许在一次流18被压缩期间引导一次流。内部轴环又允许关于彼此保持叶片26的端部。导向轮叶组件又可包括环形耐磨材料层，其可施加到内部轴环30的每个内部表面。这些耐磨层32通过磨损与转子12的径向环形肋协作，以保证其气密性。
在下游，压缩器可(可以直接)安装在涡轮发动机的壳体上，可能是中间壳体34。压缩器可安装在任何壳体或涡轮发动机壳体的任何部分上。压缩器可在其外部壳体28处及其下游导向轮叶组件的内部轴环30下游侧处与中间壳体34接触。在界面处设置环形密封件。
在这方面，内部轴环30包括环形垫片36或圆形垫片36，其确保与壳体密封表面的气密性，可能是涡轮发动机2的中间壳体34。垫片36可形成密封珠，并且其大部分或全部包括弹性材料，诸如硅材料。硅材料可以是有机的或由树脂制成。垫片36可布置在与接收耐磨层32的一端相对的轴向端部处。
图3描绘了位于压缩器下游的导向轮叶组件和涡轮发动机的中间壳体34，以及内部轴环30与壳体34之间密封界面的放大图。
一次流18可穿过中间壳体34，中间壳体在通过径向横跨气流的壳体臂41链接起来的外壁38和内壁40的帮助下引导一次流。内壁40可由可以铰接到涡轮发动机轴的内部毂42形成。关于内部轴环30的垫片36的轴向方向，壳体包括例如大致平面的密封表面44，以减少轴向振动情况下的研磨并避免超静定组装。密封表面44可以是基本锥形的。
内部轴环30包括空腔45，其例如容纳垫片36的大部分或全部。空腔45可以是圆形的。空腔45可一体地形成在内部轴环30的材料中。空腔45可正好围绕轴环30延伸，或者以间断的方式形成。空腔45可形成钩，它基本上朝向壳体34的密封表面44轴向地敞开。它可具有朝向壳体34枢转的大致U形轮廓。空腔45和密封表面44大部分地或实质上完全地封装垫片。它们可在至少四个面上围住垫片。
内部轴环30可包括一个或多个被增添构件46。一个或多个被增添构件46沿着圆形垫片36的圆周延伸。每个被增添构件46可具有大致圆形或环形的形式，被增添构件46的组合是大致圆形的。每个被增添构件46可布置在内部轴环30内侧并可保持圆形垫片36，可能靠在轴环的内部表面和/或中间壳体34之上。每个被增添构件46可对圆形垫片36施加轴向和/或径向压力，使得在压缩后增加垫片36的轴向长度。
空腔45可通过组合内部轴环30的一部分和一个或多个被增添构件46而形成，空腔45显现出圆形连续性。或者，被增添构件46可插入内部轴环的间断部分中，以形成大致连续的圆形空腔45。
导向轮叶组件可包括肩部48。肩部48可形成在内部轴环30和/或每个被增添构件46上。每个肩部48沿径向延伸，与圆形垫片36接触，并且可以形成用于圆形垫片36的轴向止动件。肩部48或肩部的组合可在圆形垫片36的大部分或整个径向厚度上延伸。至少一个或每个肩部48可以是沿径向延伸的环形凸缘。每个被增添构件46可例如通过粘合剂结合而固定到内部轴环30的肩部的内部径向端。当内部轴环30和每个被增添构件46均具有肩部时，这些在延伸方向上位于彼此的径向。被增添构件46可允许轴向保持圆形垫片。
导向轮叶组件可包括大致管状面50或基本锥形面，其可轴向地和/或径向地布置到内部轴环30内侧。管状面50可在圆形垫片36的大部分、优选地在整个轴向厚度上延伸，这使得正好围绕垫片。管状面50可形成在内部轴环30和/或每个被增添构件46上。它可呈显出材料间断性，并由轴环和一个或多个被增添构件46两者形成。
圆形垫片36可被增添并粘性地结合到内部轴环30，或者实现在空腔中并粘附到那里。垫片36可呈显出环形或超环面的形式，它可呈显出大致圆形或多边形的旋转轮廓。它可呈显出三角形、四边形(诸如平行四边形)或方形形式的旋转轮廓。垫片36可保证内部轴环30与每个被增添构件46之间的气密性。
例如，内部轴环30可包括具有大致恒定厚度的环形间隔件52。其旋转轮廓可相对于涡轮发动机的旋转轴线倾斜，可倾斜至少5°，优选地倾斜至少10°，更优选地倾斜至少15°。内部轴环30可包括环形开口排(未示出)，其中引入叶片26的内端，以固定它们。内部轴环30在一部分转子与中间壳体34之间形成轴向环形连接点。其长度大于叶片26翼弦的130％，优选地大于250％，均根据叶片26与内部轴环30之间连接点处的所述翼弦进行测量。
壳体34的密封表面44与内部轴环30之间有轴向游隙J壳体。在壳体的密封表面44与每个被增添构件之间优选地有相等的轴向游隙壳体。圆形垫片36正好沿着游隙J轴向地延伸，以形成气密屏障。另外，垫片36的材料能够保证轴向游隙J处的振动缓冲。
至少一个或每个被增添构件46可以例如通过粘合剂结合和/或通过互锁而固定到内部轴环30。它可包括环形平台54，环形平台54紧密地装配在内部轴环30的间隔件52内侧之上。内部轴环30和/或每个被增添构件46和/或叶片26可包括通过材料接合的固定手段，导致将每个被增添构件46固定在内部轴环30和/或叶片26上，内部轴环30同样能够通过这些手段固定到叶片26。
内部轴环30和/或每个被增添构件46可以金属实现，诸如钛或铝。内部轴环30和/或每个被增添构件46可通过注射聚合物或填充的树脂而实现。这些中的至少一个、优选地两者可以具有有机基质的复合材料实现。它们可包括聚醚(PEI)或聚醚醚酮(PEEK)基质。它们可包括碳纤维、玻璃纤维、石墨纤维。纤维的长度可小于3.00mm，优选地小于1.00mm，更优选地小于0.30mm。这些构件中的至少一个优选地包括具有环氧树脂基质的纤维预成形件。
本发明可同样应用至高压压缩器，例如高压压缩器上游的导向轮叶组件的内部轴环。在该构造中，上游导向轮叶组件包括布置在其内部轴环上游的弹性体垫片，垫片与涡轮发动机中间壳体下游面的密封表面协作。垫片同样在至少一个被增添构件的帮助下保持在轴环和密封表面上。

Claims (17)

1.一种轴向涡轮发动机(2)压缩器的导向轮叶组件，所述导向轮叶组件包括：
-径向延伸的环形的叶片(26)排，
-布置在所述叶片(26)的内端的内部轴环(30)，所述内部轴环包括位于所述内部轴环(30)上游侧或下游侧之一的圆形垫片(36)，以确保与所述涡轮发动机(2)的中间壳体(34)的密封表面(44)的气密性，
所述内部轴环(30)包括容纳所述圆形垫片(36)的空腔(45)，其特征在于，所述空腔(45)由所述内部轴环(30)的一部分和一个或多个增添至所述内部轴环(30)且形成大致圆形形式的被增添构件(46)形成，
所述导向轮叶组件包括轴向地定界所述空腔(45)的环形肩部(48)，所述环形肩部(48)由径向延伸的环形凸缘形成，所述环形肩部(48)由每个被增添构件(46)形成。
2.根据权利要求1所述的导向轮叶组件，其特征在于，所述空腔(45)形成在所述内部轴环(30)的材料中，所述内部轴环以聚合材料实现。
3.根据权利要求1所述的导向轮叶组件，其特征在于，所述内部轴环(30)和每个被增添构件(46)以具有有机基质的复合材料实现。
4.根据权利要求1至2之一所述的导向轮叶组件，其特征在于，所述导向轮叶组件包括一钩，所述钩形成所述空腔(45)，以将所述圆形垫片(36)保持在所述中间壳体的密封表面(44)上和所述内部轴环(30)上，所述空腔(45)形成沿轴向敞开的环形喉部。
5.根据权利要求1至2之一所述的导向轮叶组件，其特征在于，所述导向轮叶组件包括径向地定界所述空腔的内侧的大致管状面(50)，所述管状面(50)形成在所述内部轴环(30)上和每个被增添构件(46)上。
6.根据权利要求5所述的导向轮叶组件，其特征在于，所述大致管状面将所述圆形垫片(36)径向地压缩在所述内部轴环(30)的内部表面上。
7.根据权利要求1至2之一所述的导向轮叶组件，其特征在于，所述圆形垫片(36)的大部分轴向地和/或径向地布置在所述空腔(45)内侧。
8.根据权利要求1至2之一所述的导向轮叶组件，其特征在于，所述圆形垫片(36)包括弹性材料。
9.根据权利要求1至2之一所述的导向轮叶组件，其特征在于，所述圆形垫片(36)呈现出超环面的形式，所述圆形垫片(36)的旋转轮廓是圆形、三角形或四边形。
10.根据权利要求1至2之一所述的导向轮叶组件，其特征在于，所述圆形垫片(36)适于在所述内部轴环(30)和每个被增添构件(46)之间提供气密性，正好围绕所述内部轴环(30)。
11.根据权利要求1至2之一所述的导向轮叶组件，其特征在于，每个被增添构件(46)固定到所述内部轴环(30)，每个被增添构件(46)被互锁或粘性地结合至所述内部轴环(30)，或者利用材料接合的固定手段而被固定到所述叶片(26)。
12.根据权利要求1至2之一所述的导向轮叶组件，其特征在于，每个被增添构件(46)在所述内部轴环(30)的大部分轴向长度上延伸，每个被增添构件(46)放置在所述内部轴环(30)的内部表面上。
13.根据权利要求1至2之一所述的导向轮叶组件，其特征在于，所述内部轴环(30)的长度是根据每个叶片(26)的翼弦测量的所述翼弦的两倍以上，每个被增添构件(46)的长度大于根据每个叶片(26)的翼弦测量的所述翼弦。
14.根据权利要求1至2之一所述的导向轮叶组件，其特征在于，所述导向轮叶组件包括布置在所述内部轴环(30)的上游侧或下游侧的环形耐磨材料层(32)，所述环形耐磨材料层与圆形垫片(36)所包括的层轴向地相对。
15.根据权利要求14所述的导向轮叶组件，其特征在于，所述环形耐磨材料层(32)轴向地延伸到定界所述空腔的材料。
16.一种轴向涡轮发动机(2)，包括：具有密封表面(44)的中间壳体；至少一个压缩器(4；6)，具有以气密方式与所述密封表面(44)协作的导向轮叶组件，其特征在于，所述导向轮叶组件是如权利要求1至15之一所述的导向轮叶组件，所述圆形垫片(36)轴向地压缩在所述导向轮叶组件和所述壳体的密封表面(44)之间。
17.根据权利要求16所述的轴向涡轮发动机(2)，其特征在于，所述壳体与所述内部轴环(30)之间有轴向游隙J，所述圆形垫片(36)在整个轴向游隙J上轴向地延伸，所述轴向涡轮发动机(2)包括至少一个涡轮(10)、至少一个风扇(16)，所述壳体是所述轴向涡轮发动机的中间壳体(34)，并且经受住每个压缩器(4；6)、每个涡轮(10)和每个风扇(16)的大多数力。
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