CN119384548A - 包括具有设置有互补的突起和凹口的边缘的平台的涡轮机组件和相关的涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是一种围绕轴线(AX)延伸的带叶片的涡轮机组件，该涡轮机包括承载叶片(21a‑21d)的盘，其中，每个叶片(21a‑21d)从根部径向延伸到包括平台(26a‑26d)的跟部，每个叶片通过根部刚性地连接到盘，其特征在于：‑涡轮机组件包括交替布置的施加了朝向上游的预应力的叶片(21a，21c)和施加了朝向下游的预应力的叶片(21b，21d)，每个施加了朝向上游的预应力的叶片(21a，21c)使其跟部(24c)趋向于朝向上游移位，每个施加了朝向下游的预应力的叶片(21b，21d)使其跟部(24b)趋向于朝向下游移位；‑成对的周向相邻的叶片具有平台(26a‑26d)，平台的周向邻接端部(27b‑27d，28a‑28c)包括配合在一起的突起(29a‑29c)和凹口(31b‑31d)；‑每个突起(29a‑29c)通过承载突起的叶片的预应力沿着轴向方向(AX)被压入凹口(31b‑31d)中，凹口容纳突起。

Description

包括具有设置有互补的突起和凹口的边缘的平台的涡轮机组 件和相关的涡轮机

技术领域

本发明涉及在使用中减少带叶片的涡轮机盘中的振动。

背景技术

在图1所示的这种涡轮喷气发动机1中，外部空气进入进气管道2以穿过包括一系列旋转翼型件的风扇3，然后分成中心主气流和围绕主气流的旁路气流。

接着，主气流在第一压缩级4和第二压缩级5中被压缩，然后到达燃烧室6，之后主气流在穿过一组涡轮7和8的同时膨胀，然后在产生推力的同时向下游排出。旁路气流在由壳体9限定的射流中被风扇直接向后推进，以产生互补推力。

实际上，这种发动机包括围绕发动机的纵向轴线AX旋转的转子，该转子包括多个盘，每个盘在其外周处承载一系列叶片或翼型件，这些盘对应于风扇、压缩机和涡轮。

如图2所示，这种叶片11a包括根部12a，叶片通过根部12a紧固到盘(未示出)，根部12a由翼型件13a延伸，翼型件13a沿着相对于旋转轴线呈径向的翼展方向EVa延伸。该翼型件13a终止于包括平台16a的跟部14a或在此承载翅片17a、18a的旨在确保密封功能的两个部分的跟部。

由同一盘承载的叶片具有相同的形态，使得与图2中的叶片11a周向邻接的叶片11b包括用相同的数字标号但以字母b代替字母a表示的相同部件。

因此，带叶片的盘的外周由盘所承载的叶片的平台限定，平台彼此邻接地延伸以共同限定大致圆柱形的外周护罩。

在操作期间，这些叶片经受高温和显著的离心应力，这倾向于沿着叶片的翼展方向增加叶片的长度。在这些条件下，当涡轮机停止时，彼此接触的邻接平台倾向于在涡轮机运行时彼此周向地间隔开，该间隔或间隙在图2中标记为J。

考虑到这种涡轮机中存在振动激励，这种情况会导致叶片的振动模式，由于该振动模式，叶片的平台倾向于彼此周向地碰撞，这会使叶片退化。

这种振动模式可以出现在旋转的叶片(即，由盘承载的叶片)上，但也出现在静止的叶片上，静止的叶片即由诸如整流器的固定元件承载的叶片，该整流器位于例如风扇或压缩机的带叶片的盘的下游，以减少已经通过旋转叶片的流的回转。

用于阻尼振动模式的一种解决方案是在将叶片安装在盘上的过程中对每个盘施加扭转预应力。在这种情况下，平台倾向于围绕其翼展轴线旋转，使得尽管有离心应力和热膨胀的影响，两个相邻叶片的平台的边缘也保持彼此支承抵靠。在操作期间，叶片的振动模式在平台的支承点处产生摩擦，这使得能够通过摩擦来阻尼这些振动模式。

在这种情况下，本发明的目的是提供一种解决方案来限制带叶片的盘的振动模式，特别是针对由陶瓷基复合材料制成的叶片的情况，由陶瓷基复合材料制成的叶片的可接受预应力低于由金属合金制成的叶片的可接受预应力。

发明内容

为此，本发明的目的是一种带叶片的涡轮机组件，该涡轮机组件围绕旋转轴线周向地延伸并且包括叶片，其中，每个叶片相对于旋转轴线径向地延伸直至跟部，跟部位于叶片的自由径向端部处并且包括平台，其特征在于：

-该涡轮机组件包括围绕旋转轴线周向交替布置的施加了朝向上游的预应力的叶片和施加了朝向下游的预应力的叶片，每个施加了朝向上游的预应力的叶片的跟部趋向于朝向上游移位，每个施加了朝向下游的预应力的叶片的跟部趋向于朝向下游移位；

-成对的周向相邻的叶片具有平台，平台的周向端部的周向邻接边缘包括彼此配合在一起的突起和凹口；

-每个突起在容纳突起的凹口中轴向接触，该接触由承载突起的叶片的预应力保持。

通过这种布置，叶片必须大致沿着轴向方向被施加有预应力，这显著简化了用于阻尼振动模式的解决方案的实施。

本发明还涉及这样限定的带叶片的组件，其中，突起和凹口各自整体上具有平行四边形的形状。

本发明还涉及这样限定的带叶片的组件，其中，突起和凹口沿着相对于旋转轴线呈大体周向的方向延伸。

本发明还涉及这样限定的带叶片的组件，其中，平台的周向端部的每个边缘包括多个突起或多个凹口。

本发明还涉及这样限定的带叶片的组件，其中，每个平台包括设置有至少一个凹口的一个周向端部边缘和设置有至少一个突起的另一周向相对的周向端部边缘。

本发明还涉及这样限定的带叶片的组件，其中，叶片由陶瓷基复合材料制成。

本发明还涉及这样限定的带叶片的组件，其中，通过使叶片的根部相对于沿着大致轴向的方向承载叶片的盘沿着旋转轴线偏移而对叶片施加预应力。

本发明还涉及这样限定的带叶片的组件，其中，当在包含旋转轴线的平面中观察时，通过朝向上游或朝向下游弯曲而对叶片施加预应力。

本发明还涉及一种涡轮机，该涡轮机包括这样限定的组件。

附图说明

-[图1]是已知涡轮喷气发动机的纵向横截面视图；

-[图2]是根据现有技术已知的布置的设置在旋转盘中的两个周向相邻叶片的透视图；

-[图3]是根据本发明的设置在旋转盘中的两个周向相邻叶片的透视图；

-[图4]是根据本发明的四个周向相邻叶片的平台的俯视图；

-[图5]是部分地示出了根据本发明的第一替代方案的两个周向邻接平台的俯视图；

-[图6]是部分地示出了根据本发明的第二替代方案的两个周向邻接平台的俯视图；

-[图7]是部分地示出了根据本发明的第三替代方案的两个周向邻接平台的俯视图；

-[图8]是第一示例的侧视图，其示意性地示出了通过朝向上游偏移来对叶片施加预应力；

-[图9]是第二示例的侧视图，其示意性地示出了由于叶片曲率的变化而导致对叶片施加预应力；

-[图10]是配备有根据本发明的叶片的涡轮机转子元件的局部视图。

具体实施方式

本发明所基于的思想是通过提供具有纵向边缘的平台来确保振动阻尼，纵向边缘设置有配合在一起的突起和凹口，并且叶片被交替地施加有朝向上游和朝向下游的预应力，以将该配合轴向压在一起。

在图3中，叶片21b包括根部22b，叶片21b通过根部22b紧固到盘(未示出)，根部22b由翼型件23b延伸，翼型件23b沿着相对于盘的旋转轴线呈径向的翼展方向EVb延伸。翼型件23b终止于包括平台26b的跟部24b，平台26b由周向端部27b和28b的两个边缘沿着周向方向限定，周向端部的这些边缘是平台的纵向边缘。

与图3中的叶片21b相邻并且具有相同形态的另一叶片21c包括用相同的数字标号但以字母c代替字母b表示的相同元件。这两个叶片由同一个未示出的盘承载，当发动机运行时，该盘围绕旋转轴线旋转。

如在图4中更清楚可见的，平台26b的相对的周向端部边缘28b包括突起29b或突出部，该突起或突出部沿着周向方向将平台26b周向地延伸到沿着该叶片的旋转轴线AX位于叶片的长度的一半处。该突起具有延伸超过边缘28b的凸耳形状，同时由具有字母U形状的轮廓限定。该轮廓形状作为示例给出，应当理解，在功能上，限定两个接触表面的形状就足够了。

此外，平台26c的面向边缘28b的边缘27c在其中心区域包括凹口31c或容置部，该凹口或容置部的形状与突起29b的形状互补。该凹口也具有U形形状，该凹口的尺寸略大于突起29b的尺寸以容纳突起29b。因此，通过将突起29b插入到凹口31b中，平台26b和26c沿着周向方向配合在一起。该凹口形状也作为示例给出，应当理解，在功能上，限定两个接触表面的形状就足够了。

如图5所示，突起可以具有带有圆形边缘的矩形形状，并且相应的凹口也具有带有圆形边缘的矩形形状。通常，突起和凹口整体上具有平行四边形的形状。

此外，如图6所示，突起和凹口可以沿着相对于周向方向基本上倾斜的方向延伸，而不是沿着周向方向延伸。

为了增加接触表面，如图7所示，两个相邻平台的周向端部的边缘中的一个边缘也可以设置有突起29b、29b’，而另一个边缘具有多个对应的凹口31c、31c’。

更一般地，每个平台包括设置有突起的纵向边缘(即，该平台的周向端部的边缘)和与该纵向边缘相对的纵向边缘，该相对的纵向边缘设置有具有相同形状的凹口，使得所有平台沿着周向方向彼此配合在一起。

因此，如图4中可见的，与叶片21b相邻的叶片21a的平台26a包括周向端部边缘28a，该周向端部边缘28a设置有突起29a，突起29a周向地插入形成在平台26b的周向端部边缘27b中的对应凹口31b中，该周向端部边缘27b与边缘28a邻接。平台26b的相对的周向端部边缘28b的突起29b插入平台26c的与平台26b邻接的边缘27c的凹口31c中。同样地，平台26c的相对的周向端部边缘28c包括突起29c，突起29c插入到形成在另一平台26d的邻接的周向端部边缘27d中的对应的凹口31d中，另一平台26d由与叶片21c周向相邻的叶片21d承载。

除了相邻的平台经由它们各自的突起和凹口彼此配合在一起之外，这些周向相邻的叶片沿着轴向方向在相对的方向上被施加预应力，如图4中的箭头所示。这些预应力使得能够保持突起和与突起配合的凹口沿着轴向方向AX彼此抵靠。

更具体地，叶片21b和21d被施加有预应力以连续地倾向于将叶片21b和21d的平台朝向下游移位，而叶片21a和21c被施加有预应力以连续地倾向于将叶片21a和21c的平台朝向上游移位。

可以通过使叶片的根部相对于其他叶片沿着轴线AX朝向上游偏移来确保叶片朝向上游的预应力，如图8中示意性地示出的。以类似的方式，可以通过使叶片的根部相对于其他叶片朝向下游偏移来获得叶片朝向下游的预应力。沿着轴线AX的偏移在此是指叶片沿着其插入到盘中的轴线的偏移，其中，该插入轴线通常称为设定轴线，可以相对于轴线AX略微倾斜。

还可以一方面提供朝向上游弯曲的叶片，使得这些叶片被施加有朝向上游的预应力，如图9的示例中所示，另一方面提供被轻微地施加有朝向下游的预应力的叶片，使得这些叶片被施加有朝向下游的预应力。

因此，存在各种相对简单的解决方案以沿着叶片上的轴向方向获得不同的预应力或补偿，叶片以交替的方式围绕盘布置以被交替地施加有朝向上游和朝向下游的预应力。

预应力的交替可以通过交替地提供没有补偿的叶片和具有朝向上游的补偿的叶片或具有朝向下游的补偿的叶片来获得。因此，当安装组件时，由非补偿叶片施加在补偿叶片上的支承必然产生朝向上游和朝向下游的预应力的交替。

在这些条件下，配合到彼此轴向接触和支承的相应凹口中的突起使得能够对振动模式进行阻尼。更具体地，当两个周向相邻的叶片的平台在振动模式的作用下沿周向更靠近或彼此远离地移动时，一个叶片的突起在另一个叶片的凹口中的轴向支承产生与这些运动相反的摩擦应力，以通过耗散能量来阻尼或甚至抵消振动模式。

该阻尼在引起平台根据其径向方向(翼展方向)的不同运动的振动模式的情况下也起作用。此外，在具有轴向运动的振动模式的情况下，系统限制了振动，因为两个相邻叶片之间的振动幅度受到连接这两个相邻叶片的突起和凹口之间的功能间隙的限制。

如应当理解的，叶片被施加的朝向上游或朝向下游的预应力程度的大小被确定为在翅片的端部之间的接触部处产生挤压应力，从而能够耗散由振动模式产生的能量。

在图3和图4的示例中，每个叶片包括设置有突起的周向端部边缘和设置有凹口的相对的周向端部边缘，使得叶片具有全部相同的平台。另一种可能性可以涉及提供一种替代方案，该替代方案一方面包括其周向端部边缘各自具有凹口的叶片，另一方面包括其周向端部边缘各自具有突起的叶片。还可以在同一边缘上设置多个突起和凹口以增加接触表面。

包括根据本发明的叶片的带叶片的组件可以属于涡轮机转子元件，诸如转子盘DR，该转子盘的一部分在图10中示出。因此，叶片21a、21b可以通过叶片21a、21b的根部安装在该盘DR的相应单元中，同时形成叶片21a、21b的环，该环在由盘DR承载时围绕盘DR。

通常，本发明被示出用于旋转叶片，该旋转叶片包括平台和由CMC型材料制造的至少一个翅片部分，但是本发明也适用于由金属合金制成的叶片。

Claims (9)

1.一种带叶片的涡轮机组件，所述涡轮机组件围绕旋转轴线(AX)周向地延伸并且包括叶片(21a-21d)，其中，每个叶片(21a-21d)相对于所述旋转轴线(AX)径向地延伸直至跟部(24b，24c)，所述跟部位于所述叶片(21a-21d)的自由端部处并且包括平台(26a-26d)，其特征在于：

-所述涡轮机组件包括围绕所述旋转轴线(AX)周向交替布置的施加了朝向上游的预应力的叶片(21a，21c)和施加了朝向下游的预应力的叶片(21b，21d)，每个施加了朝向上游的预应力的叶片(21a，21c)的跟部(24c)趋向于朝向上游移位，每个施加了朝向下游的预应力的叶片(21b，21d)的跟部(24b)趋向于朝向下游移位；

-成对的周向相邻的所述叶片具有平台(26a-26d)，所述平台的周向端部的周向邻接边缘(27b-27d，28a-28c)包括彼此配合在一起的突起(29a-29c)和凹口(31b-31d)；

-每个突起(29a-29c)在容纳所述突起的凹口(31b-31d)中轴向接触，该接触由承载所述突起的叶片的预应力保持。

2.根据权利要求1所述的带叶片的组件，其中，所述突起(29a-29c)和所述凹口(31a-31c)各自整体上具有平行四边形的形状。

3.根据权利要求2所述的带叶片的组件，其中，所述突起(29a-29c)和所述凹口(31a-31c)沿着相对于所述旋转轴线(AX)呈大体周向的方向延伸。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的带叶片的组件，其中，平台的周向端部的每个边缘(28b，27c)包括多个突起(29b，29b’)或多个凹口(31c，31c’)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的带叶片的组件，其中，每个平台(26a-26d)包括设置有至少一个凹口(31b-31d)的一个周向端部边缘(27b-27d)和设置有至少一个突起(29a-29c)的另一周向相对的周向端部边缘(28a-28c)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的带叶片的组件，其中，所述叶片由陶瓷基复合材料制成。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的带叶片的组件，其中，通过使所述叶片的根部相对于承载所述叶片的所述盘沿着所述旋转轴线偏移而对所述叶片施加预应力。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的带叶片的组件，其中，当在包含所述旋转轴线的平面中观察时，通过朝向上游或朝向下游弯曲而对所述叶片施加预应力。

9.涡轮机，所述涡轮机包括根据权利要求1至8中任一项所述的带叶片的组件。