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CN106460522B - 涡轮机的旋转组件和涡轮机的涡轮及涡轮机 - Google Patents

涡轮机的旋转组件和涡轮机的涡轮及涡轮机 Download PDF

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CN106460522B
CN106460522B CN201580034455.8A CN201580034455A CN106460522B CN 106460522 B CN106460522 B CN 106460522B CN 201580034455 A CN201580034455 A CN 201580034455A CN 106460522 B CN106460522 B CN 106460522B
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Abstract

本发明涉及一种涡轮机的旋转组件，包括：具有外周边的圆盘(16)，其具有交替的狭槽(22)和齿部(20)，从圆盘(16)径向延伸的诸多叶片(14)，所述叶片的根部(24)被轴向地接合和径向地保持在圆盘的狭槽(22)中，在圆盘的上游和/或下游，相应地在叶片根部和圆盘的狭槽底部之间径向地形成的用于密封空腔(36)的环形密封凸缘(52)，所述凸缘包括面对圆盘齿部和叶片根部的相应上游和/或下游端轴向地布置的外部部件(56)。根据本发明，该组件进一步包括一个中间环(66)，所述中间环轴向地布置在凸缘(52)和圆盘齿部(20)之间，并且也包括轴向地布置在一方面中间环(6)以及另一方面圆盘齿部(20)和叶片根部(24)的密封件(70)。

Description

涡轮机的旋转组件和涡轮机的涡轮及涡轮机
本发明涉及一种涡轮机的旋转组件，诸如特别地航空器喷气发动机，以及一种包括这种组件的涡轮机。
可以特别地在涡轮机中找到的这种组件包括圆盘，以及叶片，所述叶片从圆盘径向向外地延伸并且所述叶片根部轴向地接合到圆盘外周边的狭槽内，并且由交替地布置在所述狭槽中的圆盘齿部径向地保持。所谓狭槽底部空腔由诸多空间形成，所述空间径向地位于叶片根部和狭槽底部之间，并且其沿狭槽的下游方向中轴向地延伸。特别地，当叶片通过离心作用径向向外地挤压在圆盘齿部的侧承载表面上时，这种狭槽底部空腔特别地在旋转中出现。
叶片还包括诸多内部平台，所述内部平台首尾相连地圆向布置从而一起限定在涡轮机中循环的热气流的内部极限。相对于喷嘴位于内侧，即在内部平台和根部之间，的叶片部分被称为支柱。根据该规定，诸多空间在两个相邻支柱之间形成，并形成支柱间或叶片间空腔。
根据惯例，上游和下游被认为是沿涡轮机的X轴线，流体向下游方向主要沿所述X轴线流动。径向将意味着相对于轴线X是径向的；轴向将意味着平行于轴线X。轴线X也是旋转组件的轴线。
为了改进涡轮机的性能，并且为了避免由来自上游燃烧室并流经喷嘴的热气流对圆盘加热，使用密封设备最少化这些气体通过狭槽底部空腔的循环是很重要的。事实上，流入狭槽底部空腔的喷射气体部分并不参与叶片的旋转驱动并且直接地加热圆盘。在圆盘齿部和叶片根部的上游布置密封设备特别地有利，这防止射流到达狭槽底部空腔。
为此，已知使用一种密封凸缘，通常为迷宫环，其被保持在内部部分上，所述内部部分大体上位径向环形壁，所述内部部分在涡轮的两个连续圆盘的凸缘之间与后者配合在一起。圆盘凸缘常规地由径向向内并且轴向地在圆盘两侧延伸的截锥壁支撑。密封凸缘大体包括外密封唇部，该外密封唇部用于与由周向排静叶片向内支撑的耐磨材料的部分配合，所述静叶片被布置通过与圆盘的旋转叶片轴向地交替的喷嘴。密封凸缘还包括一个或两个环形壁，或环形臂，该环形臂从凸缘的内部部分到齿部以及在相应地圆盘的叶片根部的上游和/或下游相对于圆盘向外延伸。这种环形壁的端部被环形地支撑在齿部的轴向端表面以及相应圆盘的叶片根部的轴向端表面。密封凸缘从而保护圆盘和狭槽底部空腔免于热射流。
然而，该解决方案并不是最佳的，并且具有以下缺陷。
实际上，叶片根部的轴向长度不同于圆盘齿部的轴向长度。由于圆盘上的叶片在制造和装配公差，因此第一轴向间隙分别在叶片根部轴向端和圆盘齿部轴向端之间形成。此外，在旋转中，密封凸缘的环形壁在与如上所示圆盘的附接点附近径向向外地弯曲。根据第二轴向间隙，在这种弯曲时，凸缘的环形壁的端部然后轴向地离开圆盘齿部和叶片根部。射流空气因此可在凸缘和圆盘/叶片组件之间循环，并循环通过狭槽底部空腔。
本发明提供了一种对密封狭槽底部空腔问题的简单、高效和经济的解决方案，同时避免了现有技术解决方案的缺点。
为此，它提供了一种涡轮机的旋转组件，其包括：
—圆盘，所述圆盘的外周边具有在圆盘上在下游方向延伸的交替的狭槽和齿部，
—从圆盘径向地延伸的叶片，并且所述叶片根部轴向地接合在狭槽中并由圆盘齿部径向地保持，
—在圆盘的上游和/或下游，用于密封空腔的环形密封凸缘，相应地，所述空腔径向地形成在叶片根部和圆盘的狭槽底部之间，所述凸缘包括由圆盘保持的内部部件，以及轴向地布置的外部部件，该外部部件面对圆盘齿部和叶片根部的相应上游和/或下游端；
其特征在于，它还包括中间环，所述中间环轴向地布置在凸缘和圆盘齿部之间，以及径向地布置在圆盘的内部部件和外部部件之间；
并且其中，它还包括密封件，该密封件轴向地布置在一方面中间环和另一方面圆盘齿部及叶片根部之间；
中间环和密封凸缘被构造为：在旋转中一方面在密封凸缘，另一方面在圆盘齿部和叶片根部之间提供密封。
并且为了实现狭槽底部空腔的密封，甚至建议：
—中间环优选地被构造为，在旋转中以环形支撑与凸缘配合，从而朝圆盘齿部和叶片根部的相应上游和/或下游端轴向地受力，和/或
—密封件优选地被构造为，在旋转中以环形支撑与中间环配合，从而在圆盘齿部和叶片根部的相应上游和/或下游端上轴向地受压。
因此，在旋转中，由于离心力和凸缘的热膨胀，凸缘的外部部分与圆盘齿部和叶片根部轴向地间隔。然而，中间环被支撑在凸缘上并将密封件挤压在圆盘齿部和叶片根部上。从而通过中间环和密封件，一方面在凸缘以及另一方面圆盘齿部和叶片根部之间确保了通过环形接触的完整密封链。
实际上，叶片根部的轴向长度不同于圆盘齿部的轴向长度。由于在圆盘上的叶片的制造和装配公差，因此在叶片根部和圆盘齿部的相应轴向端之间形成轴向间隙。显而易见的是，本发明可以使用常规的金属密封件，其具有足够小的直径以使密封件能够变形并且配合由齿部和叶片根部的轴向端的形状事故，从而消除所述上述间隙。为了在上述条件下实施其功能，密封件事实上必须具有比累计总轴向间隙大两倍的直径。因此确保了密封。
有利地，中间环和密封件在旋转中径向地分开和打开。
因此，在旋转中，中间环和密封件打开，并且从而径向地延伸，并在密封凸缘和中间环上提供相应的环形径向支撑，从而优化这些部件之间的密封。
有利地，密封凸缘具有内部截锥表面，所述内部截锥表面朝圆盘并且径向向外地轴向倾斜，并径向地布置和轴向地面对中间环，所述内部截锥表面在旋转中支撑中间环。该内部截锥表面优选地延伸到面对圆盘齿部的密封凸缘的轴向端。
由于离心作用，在这种表面上的径向支撑在旋转中被密封，并且提供了一种朝圆盘轴向地推动中间环的机械反作用。
中间环优选地具有外部截锥表面，所述外部截锥表面朝圆盘并且径向向外地轴向倾斜，并匹配密封凸缘的截锥表面。
密封凸缘和中间环的表面的互补性确保了更好的环形接触以及这些部件之间的更好密封。
有利地，中间环包括内部截锥表面，所述内部截锥表面朝圆盘并且径向向外地轴向倾斜，以及与密封件相反地径向布置，并且所述内部截锥表面在旋转中支撑密封件。该内部截锥表面优选地延伸到面对圆盘齿部的中间环的轴向端。
在这种表面上的径向支撑被密封并提供了一种将密封件轴向地挤压在圆盘齿部和叶片根部上的机械反作用。
根据所涉及的另一特征，密封件被布置在中间环下游的环形凹槽中。该环形凹槽然后包括中间环的所述内部截锥壁。
该凹槽在组件的所有操作条件下保持密封件。
在一个优选的实施方式中，密封件具有在0.6和1.2毫米之间的直径，优选地在0.8到1毫米之间。该密封件在这些条件下可特别地由金属制成。
该直径适于使金属密封件能够变形并且配合由圆盘齿部的端部和叶片根部的端部所形成的不规则性。因此优化了密封。
为了更好的密封，该密封件可以是中空的。耦合到合适尺寸的该形状能够更好地密封，由于它允许最适配圆盘齿部的表面和叶片根部的表面的变形。
为了确保最佳操作，在叶片根部的轴向端和圆盘齿部的轴向端之间的最大间隙，应该小于被粉碎中空密封件的厚度。为此，可以使用总直径大致1毫米、具有直径约0.8毫米的中心中空部分的中空密封件。
中间环和密封件优选地完全地布置在狭槽底部空腔外侧。
根据一个特定实施方式，与密封凸缘的外部部分相比，密封凸缘的内部部分分别布置在上游和/或下游最远处。
此外，对于开口中间环，可提供一种用于绕所述轴线(X)旋转地锁定中间环的元件，从而确保其相对于密封凸缘和/或圆盘的旋转锁定，这种元件优选地是一个从密封凸缘的所述外部部分的一端突起的部分和/或从一个从圆盘的上游径向壁的轴向突起部分，所述突起部分被接收在中间环的狭槽中。
本发明还涉及一种涡轮机涡轮，其包括在本专利申请中描述的旋转组件。
本发明最后涉及一种涡轮机，诸如涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，其包括在本专利申请中描述的旋转组件。
参考附图，在通过阅读非限制性示例给出的以下描述后，本发明的其他特征和优点将会显现，其中：
—图1是根据现有技术的涡轮机低压涡轮的轴向横截面中的局部示意图；
—图2是在操作中，根据现有技术的涡轮的旋转级的轴向横截面中的局部示意图；
—图3是本发明的旋转组件的轴向截面示意图；
—图4是在操作中，根据本发明的旋转组件的轴向截面中的示意图；
—图5更特别地示出了中间环和密封件的开口结构的实现，以及
—图6是在轴向截面中，没有叶片的图4区域VI的修改细节。
具体实施方式
首先参考图1和2，其示出了一种被布置在高压涡轮12下游的根据现有技术的低压涡轮10。低压涡轮10包括固定叶片18的环形排的级与旋转圆盘16的级的轴向交替，这些级被布置在涡轮机的轴线X附近；固定叶片18被称为上游引导叶片，所述旋转圆盘16在它们的周边包括多个叶片14。
在本文献中，就技术领域而言，术语上游(AM)和下游(AV)被限定为：上游轴向地位于涡轮机的通用流体来源的侧面上，以及下游轴向地位于相同流体从其流动的侧面。
每个圆盘16在其外周边包括与狭槽(其底部标记为22)交替地布置的齿部(其顶点标记为20)，在所述狭槽中叶片根部(其内端标记为24)轴向地接合并径向地保持，这些叶片14从狭槽22径向地延伸到来自上游燃烧室(未示出)的热气流的流体环形喷嘴26内。
更具体地，每个叶片从外侧朝内侧径向地包括叶片28、基本垂直于叶片14的伸长部的轴线延伸的平台30，以及连接平台到叶片根部24的支柱32。叶片根部24具有例如燕尾等形状，以确保其在狭槽22中的径向保持。叶片的平台30首尾相接地周向布置，从而一起限定流经涡轮的热气体的流体流的理想内部限制。根据这一规定，空间在圆周上的相邻支柱32之间，在从平台30径向地延伸到圆盘16的环形区域中形成，并且被称为支柱间或叶片间34空腔。所谓的狭槽底部空腔36也由分离叶片根部24和狭槽22的底部的径向空间形成并在圆盘的上游和下游打开。壁38、40从平台的上游和下游到叶片根部24径向地向内延伸，并且形成从平台30到圆盘16径向延伸的环形区域以及因此叶片间空腔34的轴向密封设备，并且确保了叶片间空腔34的关闭。
平台的上游径向壁38连接到在上游延伸的阻流板42，并且下游径向壁40连接到在下游延伸的阻流板44。阻流板42、44在涡轮机的连续级之间轴向地延伸，以局部地保持喷嘴26在每个涡轮级之间的结构完整性，从而限制热气体径向地朝涡轮机内侧的流动。
圆盘通过螺栓46、环形凸缘48、50固定在一起，环形凸缘48、50从每个圆盘朝彼此轴向延伸。也称为密封凸缘的迷宫环52也轴向地定位在每对相邻圆盘16之间，并且在外部部件中包括两个环形壁，或轴向地延伸到这些圆盘的上游和下游环形臂54、56。环形臂的端部定位成：在狭槽底部空腔外侧具有在圆盘齿部和叶片根部上的环形轴向支撑，以防止射流气体沿圆盘齿部径向向内流动，以及从而防止到达狭槽底部空腔。圆盘之间的安装凸缘48、50因此也通过在外侧对其覆盖的迷宫环52的臂54、56被保护免于射流气体影响。迷宫环52在内部部件中进一步包括用于固定到圆盘的凸缘48、50的螺栓46的内部径向环形壁58，并通过外部环形唇部60与上游引导叶片的叶片18内端部配合，以限制射流气体相对于叶片18向内的轴流。
为了确保涡轮机的正确操作，冷却空气A例如从低压或高压压缩机离开，并通过涡轮机的内部部件路线流到在圆盘的凸缘48、50以及迷宫环的臂54、56之间径向形成的环形空间，直到狭槽底部空腔36，以提供圆盘16的冷却以及保护后者免于受来自喷嘴26的热气体所引起的加热。为了允许冷却空气A在狭槽底部空腔36下游的循环，后者在下游相对于由圆盘16轴向支撑的迷宫环52的臂54向内打开。这种结构可以使冷却空气A在下游在迷宫环52和诸多圆盘16之间的附接凸缘48、50之间径向流动更远，从而也提供对其冷却。
如图2所示，以及以上在本文献中解释的操作中，迷宫环52的环形臂54、56向外弯曲并且轴向地移动远离圆盘齿部20和叶片根部24，这使射流热气可以从内侧沿圆盘齿部20的上游和下游表面径向地流动，并且到达圆盘16和狭槽底部空腔36。为了限制该现象，现有技术可在支柱的上游和下游形成环形钩(未示出)，通过防止这些端部移动远离圆盘，所述环形钩用于在圆盘齿部附近轴向地保持迷宫环的臂的末端。然而，该解决方案仅限制了该问题，并没有解决它。
根据本申请中以上提到的特征所提出的解决方案在图3和图4中示出。
在所示的实施方式中，根据本发明的密封设备在狭槽底部空腔的上游形成。这种密封设备可等同地和对称地定位在这些空腔的下游。
因此，参考图3，迷宫环52的下游臂56的下游端包括在外侧由截锥壁64延伸的径向壁62，所述截锥壁64径向向外和沿下游方向轴向地倾斜，并且所述截锥壁64的外部环形端在静止时与圆盘齿部20的上游端表面和叶片根部24的上游端表面接触，不管后者部件之间的对齐间隙。该接触更特别地相对于圆盘齿部20的外端径向地存在。
一种优选的开口(图5的狭槽660)中间环66轴向地布置在迷宫环52的下游臂56的下游端和圆盘齿部20之间。其尺寸有利地被确定为：在静止时与后者接触。该中间环包括上游和外部表面，所述上游和外部表面具有与迷宫环的下游臂56的下游端62、64匹配的形状，即分别径向的和截锥的，所述形状径向向外并沿下游方向轴向倾斜。中间环66的下游表面为径向平坦的，从而在圆盘齿部20和叶片根部24上提供恰当的轴向支撑，并且具有环形轴向凹槽68，该环形轴向凹槽68具有截锥外部表面并沿下游方向并向外倾斜。中间环66的内端部仍径向地位于狭槽底部外腔36外侧。
以形状配合的方式，在中间环66和迷宫环52的臂56之间的接触是最佳的，这确保了在这两个部件之间的紧密密封。此外，当旋转时，由于离心力，中间环66趋于径向地打开，由于径向支撑在臂56的截锥壁64上的机械反作用，所述离心力朝圆盘齿部20轴向地作用中间环66。
可有利地提供一种用于旋转地锁定中间环的元件74。如图6示意性地示出，该旋转锁定元件可以是从迷宫环52的臂56的端部突起的部分740和/或从圆盘16的上游径向壁160轴向突起的部分741。该突起元件将被有利地接收在中间环的狭槽660中，以确保中间环相对于迷宫环以及相对于圆盘的旋转锁定。
一种优选的开口(图5的狭槽700)密封件70(参见图3、4)被布置在中间环的凹槽68中。密封件70的直径有利地位于在0.6和1.2毫米之间，优选地在0.8和1毫米之间。该密封件68可以中空，并且也适于另一类型的材料。密封件70将先验地由金属制成。
如图4所示，在操作中，并且类似于现有技术，迷宫环52的臂56弯曲并轴向地移动远离圆盘齿部20。然而，在中间环66和臂56的截锥壁64之间的径向支撑的机械反作用仍然发生，并使中间密封环66在下游方向沿臂的截锥壁64密封地滑动，从而在圆盘齿部20上轴向地保持面对圆盘齿部20和叶片根部24的凹槽68。
在操作中，密封件70打开，并且由于在中间环66的截锥凹槽68的外壁上径向支撑的机械反作用，将密封件70轴向地挤压在圆盘齿部20和叶片根部24上。密封件70因此一方面被环形地支撑在中间环66上，另一方面被环形地支撑在圆盘齿部20和叶片根部24上，从而提供对这两个部件的密封。
密封件70因此可以提供相同功能并且在狭槽68中具有相同效率，不管迷宫环的臂56是否弯曲。此外，在所有操作条件下保证了臂/中间环、中间环/密封件和密封件/圆盘齿部和叶片根部密封。
类似于现有技术，一种在上游和向内被定向的环形钩72可以在平台的上游径向壁38，在迷宫环52的臂56的端部形成的径向边缘72附近形成。当在旋转中弯曲时，该钩防止臂56在上游方向轴向地偏离太远。

Claims (15)

1.一种涡轮机的旋转组件，其具有轴线(X)并包括：
—圆盘(16)，其外周边具有在圆盘上在下游方向延伸的交替的狭槽(22)和齿部(20)，
—从圆盘(16)径向地延伸的叶片(14)，并且所述叶片的根部(24)轴向地接合在狭槽(22)中并由圆盘的齿部径向地保持，
—在圆盘的上游和/或下游，分别在叶片根部和圆盘的狭槽底部之间径向地形成的用于密封空腔(36)的密封凸缘(52)，所述密封凸缘包括由圆盘保持的内部部件(58)，以及面对圆盘齿部和叶片根部的相应上游和/或下游端轴向布置的外部部件(56)，
其特征在于，它进一步包括中间环(66)，所述中间环轴向地布置在密封凸缘(52)和圆盘齿部(20)之间，以及径向地布置在圆盘的内部部件和外部部件之间，
并且其中，它还包括密封件(70)，该密封件轴向地布置在中间环(66)一侧以及在圆盘齿部(20)和叶片根部(24)的另一侧之间，
中间环和密封凸缘被构造成：在旋转中在密封凸缘(52)一侧以及在圆盘齿部和叶片根部另一侧之间提供密封。
2.根据权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，中间环(66)和密封件(70)在旋转中径向地分开和打开。
3.根据权利要求1或2所述的旋转组件，其特征在于，密封凸缘(52)具有内部截锥表面(64)，所述内部截锥表面朝圆盘并且径向向外地轴向倾斜，并径向地面对中间环(66)轴向地布置。
4.根据权利要求3所述的旋转组件，其特征在于，中间环(66)具有外部截锥表面，所述外部截锥表面朝圆盘并且径向向外地轴向倾斜，并匹配密封凸缘(52)的截锥表面(64)。
5.根据权利要求1或2所述的旋转组件，其特征在于，中间环(66)包括内部截锥表面，所述内部截锥表面朝圆盘并且径向向外地轴向倾斜，以及朝向密封件(70)径向布置。
6.根据权利要求1或2所述的旋转组件，其特征在于，密封件(70)被布置在中间环(66)下游的环形凹槽(68)中。
7.根据权利要求1或2所述的旋转组件，其特征在于，密封件(70)具有在0.6和1.2毫米之间的直径。
8.根据权利要求1或2所述的旋转组件，其特征在于，中间环(66)和密封件(70)完全布置在狭槽底部空腔(36)外侧。
9.根据权利要求1或2所述的旋转组件，其特征在于，中间环(66)被构造成：在旋转中以环形支撑与密封凸缘(52)配合，从而朝圆盘齿部(20)和叶片根部(24)的相应上游和/或下游端轴向地受力。
10.根据权利要求1或2所述的旋转组件，其特征在于，密封件(70)被构造成：在旋转中以环形支撑与中间环(66)配合，从而在圆盘齿部(20)和叶片根部(24)的相应上游和/或下游端上轴向地受压。
11.根据权利要求2所述的旋转组件，其包括用于绕所述轴线(X)旋转地锁定中间环的元件。
12.根据权利要求11所述的旋转组件，其特征在于，所述用于绕所述轴线(X)旋转地锁定中间环的元件形成为从密封凸缘(52)的所述外部部分(56)的一端突起的部分(740)或从圆盘(16)的上游径向壁(160)的轴向突起部分(741)，所述突起部分被接收在中间环的狭槽(660)中，以相对于密封凸缘(52)以及相对于圆盘确保对该环锁定旋转。
13.一种涡轮机的涡轮，其特征在于，它包括根据前述权利要求之一所述的旋转组件。
14.一种涡轮机，其特征在于，它包括根据权利要求1到12之一所述的旋转组件。
15.根据权利要求14所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机为涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机。
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