CN109844264A - 用于涡轮发动机涡轮的能动环组件 - Google Patents

Abstract

一种用于涡轮发动机涡轮(10)的能动环组件(4)，该能动环组件被安装在所述涡轮(10)的两个连续的转子盘(20a)和(20b)之间，所述转子盘(20a)和(20b)通过螺栓连接彼此固定，其特征在于，该能动环组件包括：‑固定套圈(44)，该固定套圈通过将上游盘和下游盘螺栓连接而被固定在上游盘(20a)和下游盘(20b)之间；形成能动环(42)的部件，所述部件支撑径向密封构件(32)并且被固定在上游盘(20a)和套圈(44)之间；‑以及密封件(46)，该密封件被插入在形成能动环(42)的所述部件和套圈(44)之间。

Description

用于涡轮发动机涡轮的能动环组件

技术领域

本发明涉及一种用于涡轮发动机涡轮的能动环组件。

背景技术

图1示出了现有技术中已知的涡轮发动机涡轮的一部分的示例。

涡轮10由导向轮叶环和能动轮组成，该导向轮叶环由设置在流动流14中的多个固定轮叶12形成，能动轮被放置在导向轮叶环后面并由多个能动叶片16形成，该多个能动叶片也被设置在流动流14中并通过该多个能动叶片的根部安装在转子盘20a、20b、20c、20d、20e的套接件18中。

涡轮的转子盘20a、20b、20c、20d、20e以纵向轴线X-X为中心并且通常通过上游套圈22和下游套圈24被组装在一起，上游套圈22和下游套圈24通过穿过固定凸缘221和241的螺栓连接件26固定在一起。该盘组件本身连接到待被旋转驱动的涡轮轴(未示出)。

此外，对径向密封构件32进行支承的能动环28被设置在每个连续的转子盘之间的接合处，并面向相应的固定轮叶12。

能动环通过螺栓连接件26被固定并且包括支承抵靠套接件18的下游保持凸缘30。

一些能动环28还可包括上游凸缘31，该上游凸缘确保保持对能动环上游的叶片盘(20a，20b)进行支承抵靠的保持环27。

每个能动环28的径向密封构件32与固定轮叶12的面向所述环28的环形内表面配合，从而确保涡轮的上游腔和下游腔之间的密封。

然而，由于热空气的流动流14，能动环28的外环形部分经受非常高的温度。结果是环28的外环形部分与环28的内环形部分之间有高的热梯度。该梯度在固定凸缘221和241处产生强大的力。这导致了称为“凸缘开口”的现象，这种现象会减少涡轮发动机涡轮转子盘的使用寿命。

在图2中更具体地示出了这种现象，图2由螺栓连接件26的外环形部分的放大图组成，该螺栓连接件的外环形部分处于上游盘的下游套圈24的固定凸缘241、下游盘的上游套圈22的固定凸缘221、以及设置在上游盘和下游盘之间的能动环28的固定凸缘442之间。竖直箭头示出了由正在变形的能动环28中的热梯度产生的机械力的定向和方向。结果是能动环28发生蠕变。水平箭头示出了凸缘241和221的随着蠕变而发生的开口现象。

发明内容

本发明的目的之一是通过限制连续的转子盘之间的接合点处的凸缘开口现象来增加涡轮发动机涡轮的使用寿命。

本发明的另一目的是使得经受强热力的涡轮发动机涡轮的连续的转子盘的接合凸缘能够具有更好的机械强度。

本发明的另一目的是确保转子盘与涡轮叶片之间的套接件的冷却。

本发明的另一目的是确保涡轮的上游腔和下游腔之间的密封。

本发明的另一目的是确保转子叶片和盘之间的接合点处的保持环的保持。

本发明的另一目的是简化涡轮发动机涡轮的维护。

在这点上，本发明的目的在于一种涡轮发动机涡轮能动环组件，该涡轮发动机涡轮能动环组件被安装在所述涡轮的两个连续的转子盘之间，所述转子盘通过螺栓彼此固定，其特征在于，该涡轮发动机涡轮能动环组件包括：

-固定套圈，该固定套圈通过将上游盘和下游盘螺栓连接而被固定在上游盘和下游盘之间；和

-形成能动环的部件，所述部件支承径向密封构件并且被固定在上游盘和套圈之间。

优选地但可选地，根据本发明的能动环组件可进一步包括以下特征中的至少一个：

-能动环组件进一步包括密封件，该密封件被插入在形成能动环的部件和套圈之间；

-能动环收缩配合在上游盘上；

-套圈包括处于螺栓连接件上方的至少一个半月形部分；

-套圈包括周期性地分布在套圈的下游切向表面的一部分处的多个半月形部分；

-能动环组件包括确保能动环相对于套圈不旋转的一组槽和一组凸耳；

-槽被设置在能动环内，并且凸耳从套圈延伸；

-其中，能动环的槽被设置在防旋转凸缘中，该防旋转凸缘从能动环的内环形表面延伸，并且周期性地分布在所述凸缘的环形区域上，该环形区域远离能动环的内环形表面；

-凸耳周期性地并且规则地分布在套圈的外环形表面上，该外环形表面面向能动环的防旋转凸缘的相应的槽；

-能动环进一步包括上游环形凸缘，该上游环形凸缘从能动环的上游切向表面的一部分延伸并且保持对上游的装有叶片的盘进行支承抵靠的保持环；

-能动环进一步包括能动环的保持邻接件，所述邻接件包括与孔配合的钩；

-钩形成在能动环上，并且孔被设置在套圈中；以及

-钩形成在套圈上，并且孔被设置在能动环中。

本发明的目的还在于一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括根据前面描述的组件。

所提出的涡轮发动机涡轮的能动环组件的解决方案使得能够将能动环的外环形部分与螺栓连接件分离，从而使能动环不再暴露于温度梯度。盘的凸缘承受强烈减小的力并且凸缘的使用寿命显著增加。

另外，所提出的解决方案允许保持能动环的初始功能。实际上，上游腔和下游腔之间的密封由于密封构件而被确保。此外，下游盘的套接件底部的通风由于在套圈的内环形部分中形成的半圆形部分而仍然被允许。最后，下游保持凸缘仍然支承抵靠盘和下游叶片之间的接合点，并且如果存在的话，则上游保持凸缘保持对上游叶片盘进行支承抵靠的保持环。

附图说明

本发明的其它特征、目的和优点将通过下文的描述揭示，所述描述仅是说明性的而非限制性的，并且必须参考附图阅读该描述，在附图中：

-已经描述的图1示出了现有技术中已知的涡轮发动机的涡轮部分；

-也已经描述的图2示出了涡轮发动机涡轮的转子盘的螺栓连接件处的凸缘开口现象；

-图3是本发明的一个实施例的截面图；

-图4a是根据本发明的能动环组件的透视图，该透视图未示出螺栓连接件和下游转子盘；

-图4b是与图4a相同的组件的另一透视图；

-图5a是根据本发明的包括保持邻接件的组件的第一示例性实施例的截面图；

-图5b是根据本发明的包括保持邻接件的组件的第二示例性实施例的截面图；

-图5c是根据本发明的包括保持邻接件的组件的第三示例性实施例的截面图。

具体实施方式

图3、图4a和图4b中所示的是涡轮发动机涡轮的能动环组件4，该能动环组件包括：

-具有密封构件32的能动环42；

-固定套圈44，该固定套圈相对于涡轮发动机中的空气流动方向位于紧接能动环42的下游处；以及

-密封件46，该密封件插入在能动环42和套圈44之间。

该组件被设置在上游转子盘20a和下游转子盘20b之间，并且通过螺栓连接件26连接到上游转子盘和下游转子盘。

螺栓连接件26接合套圈44的固定凸缘442、下游套圈24的从上游盘20a的外环形部分延伸的固定凸缘241，以及上游套圈22的从下游盘20b的外环形部分延伸的固定凸缘221。该组件确保上游腔和下游腔之间的密封，允许下游转子的盘20b的通风，并保持对上游叶片盘20a进行支承抵靠的保持环27。

现在将更详细地描述该组件的不同部件。

能动环

能动环42是围绕涡轮发动机的轴线X-X轴向对称的部件。能动环包括下游环形凸缘30，该下游环形凸缘支承抵靠下游的装有叶片的转子盘20b的套接件18。该凸缘的外环形表面和内环形表面被标记为301和302。

凸缘30的、支承抵靠套接件18的端部303可进一步包括环形凹槽304，该环形凹槽被构造成接纳环形密封件305。因此，在经受热空气流的能动环42的加热期间，端部303沿着套接件18的壁的径向扩张不会对空气扩散腔60的密封造成破坏，该空气扩散腔被设置在转子盘20b的上游套圈22、凸缘30以及套圈44之间。因此，环形密封件305可由DMD0415(HS25)制成。如将在下文更精确地描述地，空间60对于下游盘20b的通风特别有用。

径向密封构件32从外表面301延伸。径向密封构件被构造成在运行中与环形毂的内表面120配合，该环形毂支承导向轮叶环的固定轮叶12，以确保位于对固定轮叶12进行支承的毂的两侧上的上游腔和下游腔之间的密封。

能动环42可进一步包括上游环形凸缘31，该上游环形凸缘从能动环42的套环420延伸。该上游环形凸缘支承抵靠保持环27以使保持环保持抵靠上游的装有叶片的盘20a。保持环27具有轴向地保持能动叶片16的功能。

能动环42在其底部收缩配合到上游转子盘20a的下游套圈24。

能动环42和上游转子盘20a之间的连接还能用于防止组件4的不同部件相对于彼此旋转。

最后，能动环42包括被称为防旋转凸缘50的环形凸缘，该环形凸缘从环的径向内环形表面302径向向内延伸，并且具有围绕整个凸缘50周期性地径向向内延伸的一系列槽52。凸缘50的功能和槽52的功能将在下文详述。

套圈

套圈44在其上游表面(表面440)上包括周向凹槽45，该周向凹槽被构造成容纳环形密封件46。该密封件通过螺栓连接件26在能动环42的套环420和套圈44之间被压缩。因此，在能动环42与上游转子盘20a的下游套圈24之间丧失连接的情况下，密封件46提供涡轮的上游腔和下游腔之间的密封连续性。此外，由于密封件46位于具有完全不同的温度的两个部件之间的接合点处，因此现在密封件本身经受强烈的热梯度。因此，密封件46可由DMD0415(HS25)制成。

此外，套圈44在下游侧(表面441)上还具有被设置在螺栓连接件26上方的一个或多个冷却半月形部分43，例如具有规则地分布在下游切向表面441的一部分处的一系列周向半月形部分43。

这些半月形部分43使得在涡轮上游收集的并流通通过每个螺栓连接件26的冷却空气能够流通。从涡轮上游流通的冷却空气能够在扩散到盘20b的每个套接件18中之前穿过半月形部分43到达空气扩散腔60，以使套接件通风。

固定套圈44通过固定凸缘442终止于所述半圆形部分43的下方，该固定凸缘被构造成允许套圈44固定在螺栓连接件26中。为此，凸缘442具有一系列开口，该一系列开口呈周期性分布并且旨在面向分别在上游盘20a的下游套圈24的凸缘241和下游盘20b的上游套圈22的凸缘221中形成的一系列类似开口。

防旋转

套圈44在其相反的端部处可包括相对于所述套圈44的其余部分突出延伸的一系列防旋转凸耳54。这些凸耳是周期性地围绕套圈44的空间，以便面向能动环42(图4a和图4b)的凸缘50所具有的槽52。

槽52和凸耳54分别被构造成围绕环42和套圈44相互配合。因此，槽52和凸耳54具有基本互补的形状。

能动环42与螺栓连接件26分离，这些槽52和凸耳54确保阻塞不同部件的旋转和组件4的机械内聚力。

除了停止旋转之外，上述的槽-凸耳系统还能够在环42失去收缩配合的情况下确保环42在组件4内的定心。

替代地或附加地，设置在能动环42和上游盘20a的下游套圈24之间的接合点内的槽-凸耳系统能够允许停止旋转。在该实施例中，环形凸缘50收缩配合在套圈44的外环形部分上。

能动环的保持

在图5a至图5c所示的一个实施例中，组件4进一步包括保持邻接件41，该保持邻接件被构造成确保能动环42在运行期间的、尤其在环42失去收缩配合的情况下的稳定性。实际上，由于能动轮的旋转，组件4承受大的离心力。因此，无论运行条件如何，都必须保证组件4的机械内聚力。

如图5a所示，保持邻接件41能够采用钩410的形式，钩410由环42的下端部形成并向上游延伸以便与孔412配合，孔412的形状与钩410的形状互补并且孔被设置在下游套圈24的下游端部内。

替代地，如图5b所示，钩410与设置在套圈44的上游部分440中的、例如处于容纳密封件46的周向凹槽45下方的孔412配合。

替代地，如图5c所示，钩410由套圈44的上端部形成，并且也向上游延伸以便与孔412配合，孔412具有与钩410的形状互补的形状并且被设置在环42的套环420的下游部分内。

钩410和孔412的形状和尺寸能够根据所需要的保持强度而变化，但也基于例如为了维护而易于组装的考虑而变化。因此，可以将孔412的尺寸设计成略大于钩410的尺寸，以便在与邻接件41接触之前留出运行余量以免立即拉动凸缘442。

另外，钩410可有利地收缩配合在孔412内，以便有利于由邻接件41提供的保持。

此外，保持邻接件41还可包括在环42或套圈44上形成并且与多个相应的孔412配合的多个钩410。

最后，钩410和孔412可围绕纵向轴线X-X轴向对称地形成或围绕纵向轴线X-X仅在连续的角形部分上等距或不等距地形成。

由于保持邻接件41，组件4更加坚固，特别是在能动环42失去收缩配合的情况下。

机械强度和使用寿命的增加

因此，所提出的组件允许通过减小连接涡轮转子的不同盘的螺栓连接件处的凸缘打开现象来增加涡轮发动机涡轮的使用寿命。

实际上，在涡轮10内的热空气流动期间，能动环42将被加热。由于能动环42和螺栓连接件26之间不再存在机械连接性，因此只有能动环42会扩张。因此，固定套圈44的外环形部分将不再在凸缘442上“拉动”，因此不会在螺栓连接件26的其他凸缘221和241上产生很大的力。

因此，包括刚才描述的组件4类型的组件的涡轮发动机的涡轮10的螺栓连接件26的机械强度被改进。因此增加了涡轮发动机的使用寿命。

Claims (14)

1.一种涡轮发动机涡轮(10)的能动环组件(4)，所述能动环组件被安装在所述涡轮(10)的两个连续的转子盘(20a)和(20b)之间，所述转子盘(20a)和(20b)通过螺栓彼此固定，其特征在于，所述能动环组件包括：

-固定套圈(44)，所述固定套圈通过将所述上游盘和所述下游盘螺栓连接而被固定在所述上游盘(20a)和所述下游盘(20b)之间；和

-形成能动环(42)的部件，所述部件支承径向密封构件(32)并且被固定在所述上游盘(20a)和所述套圈(44)之间。

2.根据权利要求1所述的能动环组件(4)，所述能动环组件进一步包括密封件(46)，所述密封件被插入在形成能动环(42)的所述部件和所述套圈(44)之间。

3.根据前述权利要求中任一项所述的能动环组件(4)，其中，所述能动环(42)收缩配合在所述上游盘(20a)上。

4.根据前述权利要求中任一项所述的能动环组件(4)，其中，所述套圈(44)包括处于螺栓连接件(26)上方的至少一个半月形部分(43)。

5.根据权利要求4所述的能动环组件(4)，其中，所述套圈包括规则地分布在所述套圈(44)的下游切向表面(441)的一部分处的多个半月形部分。

6.根据前述权利要求中任一项所述的能动环组件(4)，所述能动环组件包括确保所述能动环(42)相对于所述套圈(44)不旋转的一组槽(52)和一组凸耳(54)。

7.根据权利要求6所述的能动环组件(4)，其中，所述槽(52)被设置在所述能动环(42)中，并且所述凸耳(54)从所述套圈(44)延伸。

8.根据权利要求7所述的能动环组件(4)，其中，所述能动环(42)的槽(52)被设置在防旋转凸缘(50)中，所述防旋转凸缘从所述能动环(42)的内环形表面延伸，并且周期性地分布在所述凸缘(50)的环形区域上，所述环形区域远离所述能动环(42)的内环形表面。

9.根据权利要求7所述的能动环组件(4)，其中，所述凸耳(54)周期性地并且规则地分布在所述套圈(44)的外环形表面上，所述外环形表面面向所述能动环(42)的防旋转凸缘(50)的相应的槽。

10.根据前述权利要求中任一项所述的能动环组件(4)，其中，所述能动环(42)进一步包括上游环形凸缘(31)，所述上游环形凸缘从所述能动环的上游切向表面(420)的一部分延伸并且保持对上游的装有叶片的盘(20a)进行支承抵靠的保持环(27)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的能动环组件(4)，所述能动环组件进一步包括所述能动环(42)的保持邻接件，所述邻接件包括与孔(412)配合的钩(410)。

12.根据权利要求11所述的能动环组件(4)，其中，所述钩(410)形成在所述能动环(42)上，并且所述孔(412)被设置在所述套圈(44)中。

13.根据权利要求11所述的能动环组件(4)，其中，所述钩(410)形成在所述套圈(44)上，并且所述孔(412)被设置在所述能动环(42)中。

14.一种涡轮喷气发动机，所述涡轮喷气发动机包括根据前述权利要求中任一项所述的能动环组件(4)。