CN101333940A - 用于涡轮喷气发动机的动叶轮和包括它的涡轮喷气发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种叶轮(10，110)，其包括叶片(12)和所述叶片(12)的支架(22)，二者实际径向延伸。所述叶轮还包括至少一个中间部件(26)，该部件以实际轴向方向在所述叶片(12)和该叶片的所述支架(22)之间延伸，还包括至少一个置于所述中间部件(26)至少一个面(262，264)上的减振装置(30)。减振装置沿轴向和/或周向分割成至少两个基本减振装置(36)。

Description

用于涡轮喷气发动机的动叶轮和包括它的涡轮喷气发动机
技术领域
本发明涉及部件的减振领域，更具体地说，涉及涡轮喷气发动机内动叶轮的减振。
背景技术
涡轮喷气发动机包括成组动叶轮和成组静叶轮。动叶轮通常由轮盘和装在这些轮盘上的叶片组成，或者由整体叶片盘(monobloc bladed disks，DAM)组成，或整体叶片轮环(monobloc bladed ring，ANAM)组成。
在涡轮喷气发动机工作期间，其各个部件会承受各种动态应力，这些动态应力的相互作用会造成损坏。为此，各个部件的尺寸必须精确，以响应气动力和航空声性能的需要，以及响应对温度和气动力负载的机械阻力的需要，而且如果必要时，也会抵抗旋转带来的影响。气动弹性耦合，也就是说，叶轮动态性和流体流动之间的耦合也会影响各个部件的振动稳定性。因此，各个部件所必须承受的振动应力幅度应始终保持很小。
涡轮喷气发动机制造商和用户所寻求的一个目的就是限制动叶轮的叶片的振动。
当动叶轮包括装到轮盘上的叶片时，这些轮盘和这些叶片之间的连接部位处就可能因摩擦而产生能量耗散。另一方面，对于整体叶片盘(DAM)或整体叶片轮环(ANAM)类型的动叶轮来讲，由于叶片与轮盘形成一个整体，所以无法通过摩擦来耗散能量。因此，叶片的振动等级始终比较高。
为了克服这种缺陷，人们曾提出在叶片上安装减振装置，目的是减少叶片承受振动的影响。EP 1 253 290号专利文件提出了在叶片型面上安装一种减振装置，这种装置包括一层粘弹性材料和应力层。由于叶片型面是位于气流中，该文件所述解决方案提出了在叶片型面上挖出一个凹槽，用来安装减振装置。这样，与气流接触的叶片型面的表面并不呈现不规则性，而且气流的流动也不会受到影响。然而，这种布置还具有其它缺陷。具体地是，它要求必须对每个叶片型面进行加工，以形成可安装减振装置的凹槽。因为叶片很薄，所以这种加工作业很难实施。此外，就动叶轮来讲，如果叶片与叶片之间在加工作业和/或减振装置的尺寸等方面不一致时，那么就会出现叶轮普遍不平衡的风险，这会在涡轮喷气发动机工作期间失去平衡。所有这些与加工作业相关的限制条件导致部件制造时间延长，从而增加了部件的生产成本。
发明内容
本发明的目的是一种动叶轮和一种包括这种动叶轮的涡轮喷气发动机。
在下面的所有说明中，术语“轴向”和“径向”分别对应于涡轮喷气发动机的轴向方向和径向方向。
本发明的目的是解决与涡轮喷气发动机的动叶轮各叶片振动相关的普遍问题。本发明所提出的解决方案与EP 1 253 290号专利文件所提方案不同，避免了与已有技术的该解决方案相关的各种弊端。
根据第一个方面，本发明涉及一种动叶轮，诸如涡轮喷气发动机上使用的动叶轮，特别地，该叶轮包括多个叶片和叶片支架，这些叶片和支架实际径向延伸。根据本发明，所述叶轮包括至少一个中间部件，该部件按实际轴向方向自叶片支架延伸，还包括至少一个置于所述中间部件至少一个面上的减振装置。
根据一个实施方式，减振装置完全覆盖了中间部件的所述的面。根据另一个实施方式，减振装置部分覆盖了所述的面。
减振装置包括至少一个粘弹性材料层和至少一个刚性材料相反层。粘弹性材料层和刚性材料相反层，例如，通过粘合材料彼此相互连接在一起。特别是，减振装置包括几个粘弹性材料层和几个刚性材料相反层，二者可以交替布置。
所有粘弹性材料层可以具有相同的机械特性或者不同的机械特性。
此外，所有刚性材料相反层可以具有相同的机械特性或者不同的机械特性。
减振装置沿轴向分成至少两个基本减振装置和/或沿周向分成至少两个基本减振装置。
安装减振装置的中间部件的厚度可以是恒定的，也可以是非恒定厚度的区域。根据后一种实施方式，非恒定厚度区域的厚度沿轴向方向增加，即从其最靠近支架的边缘到其最远离叶片支架的边缘增加。根据所述实施方式的另一种变化形式，非恒定厚度区域的厚度沿轴向方向增加，即从其最远离叶片支架的边缘到其最靠近叶片支架的边缘增加。根据所述实施方式的另一种变化形式，非恒定厚度区域的厚度沿轴向方向增加，即从其中心到其最远离叶片支架的边缘和到最远离叶片支架的边缘增加。根据所述实施方式的另一种变化形式，非恒定厚度区域的厚度沿轴向和周向增加。
根据另一个实施方式，中间部件包括与所述叶片支架相连接的一端，而所述减振装置包括置于所述中间部件上的主要部分和置于所述支架的实际径向面上的侧向部分。根据另一个实施方式，所述中间部件包括与端部凸缘相连接的一端，并且所述减振装置包括置于所述中间部件上的主要部分和置于所述端部凸缘的实际径向面上的侧向部分。根据上述两个实施方式中的一个或另一个实施方式，所述主要部分和所述侧向部分通过形成横梁的连接部分连接。
根据上述两个实施方式的变化形式，所述中间部件包括与所述支架相连接的一端和与端部凸缘相连接的另一端，并且叶轮包括第一减振装置，所述减振装置包括置于所述中间部件上的第一主要部分和置于所述支架的实际径向面上的第一侧向部分，所述第一主要部分和所述第一侧向部分通过形成横梁的第一连接部分连接，另外，叶轮包括第二减振装置，所述减振装置包括置于所述第一主要部分上的第二主要部分和置于所述端部凸缘的实际径向面上的第二侧向部分，所述第二主要部分和所述第二侧向部分通过形成横梁的第二连接部分连接。
根据不同于上述实施方式的变化形式，所述中间部件包括与所述支架相连接的一端和与端部凸缘相连接的另一端，而叶轮包括第一减振装置，所述减振装置包括置于所述中间部件上的第一主要部分和置于所述端部凸缘的实际径向面上的第一侧向部分，所述第一主要部分和所述第一侧向部分通过形成横梁的第一连接部分连接，另外，叶轮包括第二减振装置，所述减振装置包括置于所述第一主要部分上的第二主要部分和置于所述支架的实际径向面上的第二侧向部分，所述第二主要部分和所述第二侧向部分通过形成横梁的第二连接部分连接。
根据一个实施方式，叶轮包括置于所述中间部分的内面上的减振装置。根据另一个实施方式，叶轮包括置于所述中间部件的外面上的减振装置。
根据第二方面，本发明涉及一种动叶轮类型，这种动叶轮包括特别是用于涡轮喷气发动机的支撑叶片的轮盘或轮环，其中所述中间部件是所述轮盘或轮环的挡圈，其中至少一个减振装置置于所述挡圈的内面上。
根据另一个方面，本发明涉及包括至少一个动叶轮的涡轮喷气发动机。
为此，不同于EP 1 253 290号专利文件所述解决方案，减振装置不是置于叶片本身上，而是置于轮盘或轮环上，特别是置于轮盘或轮环的挡圈上。采用本发明提出的解决方案，在获得了支撑叶片的轮盘或轮环的振动阻尼后，就可以间接获得叶片的振动阻尼。所属领域的专业技术人员很自然不会得出这种另外的方案，因为本发明并没有上述EP 1 253 290号专利文件所提解决方案中的那些缺陷，即与叶片的加工作业相关的缺陷。振动阻尼等级和现有技术相关的缺陷去除之间的折衷方案对于涡轮喷气发动机的某些工作条件来讲是可以接受的。
本发明所提出的解决方案的另一个优点是，不必对安装减振装置的部件进行加工。为此，叶轮的制造就方便快捷，而且成本较低。此外，失衡的风险也降低了。
本发明所提出的解决方案的另一个优点是，减振装置置于叶轮的轮盘或轮环的挡圈上。因为这些挡圈不在气流中，所以不必对挡圈进行加工，从而能够在其内形成腔室来安装减振装置。
本发明所提出的解决方案的另一个优点是，可以在新型叶轮上安装本发明的减振装置，而且也可使用于老式叶轮，无需对其结构进行改装。
附图说明
下面结合附图和示例，通过阅读本发明具体实施方式的如下详细说明，可以更好地理解本发明，但本发明并不仅限于所述示例，附图如下：
-图1为包括本发明叶轮的涡轮喷气发动机的轴向剖面示意图；
-图2为本发明的减振装置的剖面图；
-图3为装有本发明减振装置的整体叶片盘类型的动叶轮的轴向剖面示意图；
-图4为装有根据另一个实施方式的减振装置的整体叶片盘类型的动叶轮的局部透视图；
-图5为装有根据本发明一种形式的减振装置的整体叶片盘类型的动叶轮的透视图；
-图6到图8为装有根据本发明其它几种形式的减振装置的整体叶片盘类型的动叶轮的透视图；
-图9为具有根据本发明一种形式的挡圈的整体叶片盘类型的动叶轮的局部透视图；
-图10到图12为具有根据本发明其它几种形式的挡圈的整体叶片盘类型的动叶轮的局部透视图；
-图13为装有根据本发明另一种形式的减振装置的整体叶片盘类型的动叶轮的透视图；
-图14为装有根据本发明另一种实施方式的减振装置的整体叶片盘类型的动叶轮的局部透视图。
具体实施方式
首先参看图1，该图给出了涡轮喷气发动机1的示意图，其包括高压涡轮2、低压涡轮3、燃烧室4、高压压缩机5、低压压缩机6和风扇7。涡轮喷气发动机1包括动叶轮8和静叶轮9，它们形成例如，高压涡轮2或低压涡轮3或高压压缩机5的部件。
图2示出了置于部件100上的本发明的减振装置30。所示减振装置30实际上呈多层堆叠的形式。根据一个实施方式，所述减振装置包括粘弹性材料层32和刚性材料相反层34。“刚性材料”指比粘弹性材料层32更硬的材料。根据其它的实施方式，减振装置30包括几个粘弹性材料层32和几个刚性材料相反层34，二者交替布置。图2所示实施例以非限制性方式说明所述减振装置30有三个粘弹性材料层32和三个刚性材料相反层34。优选地，粘弹性材料层32和刚性材料相反层34的尺寸相同。当减振装置30包括几个粘弹性材料层32时，这些粘弹性材料层可以都具有相同的机械特性，或者具有不同的机械特性。当减振装置30包括几个刚性材料相反层34时，这些刚性材料可以都具有相同的机械特性，或者也可以具有不同的机械特性。减振装置30通过粘合膜或者通过聚合作用的粘合方式接合在部件100上。粘弹性材料层32和刚性材料层34也可以通过粘合膜或通过聚合作用的粘合方式彼此相互接合在一起。
图3示出了装有减振装置30的整体叶片盘类型的动叶轮8的半面轴向剖面图。按照传统方式，叶轮10包括翼片14和叶根16形成的叶片12本身，翼片14和叶根16分别沿径向方向在平台18的两侧延伸。叶轮还包括轮盘20，由叶片支架22形成，在本示例中，该支架是轮盘多角架(disk spider)，所述支架22通过轮毂24沿径向向内终结。在叶片支架22和叶根16之间，轮盘20包括两个挡圈(collar)26，其以实际轴向方向沿所述支架22的两侧延伸。至少一个所述挡圈26在支架22的相对一端上包括端部凸缘28，用来将所述挡圈26连接到邻近的部件上(图中未示)。每个挡圈26都有外面262和内面264。减振装置30连接到至少一个挡圈26的内面264上。在涡轮喷气发动机1工作期间，动叶轮8旋转形成的离心力有使减振装置30紧贴在挡圈26的内面264上的作用，从而增强了减振装置30对挡圈26的附着力。这就是为什么减振装置30应最好置于动叶轮8的所述挡圈26内面264上的原因。
如图2所示，由减振装置所获得的减振效果来自于每个粘弹性材料层32内的剪应力。这种剪应力使得能量在每个粘弹性材料层32处得以耗散。因此，作用到轮盘和/或轮环20上的振动应力的影响得以阻尼。另外，作用到叶片12上的振动应力的影响也就会间接地得到阻尼。由于叶片12振动状态的阻尼是从轮盘振动状态的阻尼中产生的，所以可以防止振动能量从一个叶片传向另一个叶片，这是本发明的另一个附加优点。
下面详细介绍了本发明在动叶轮8上的应用，所述动叶轮由整体叶片盘组成，其中，中间部件26是轮盘20的挡圈，而叶片支架22是轮盘20的多角架。
图9是一张放大比例的透视图，示出了扇形体形状的叶轮部分，所示挡圈26的厚度实际上是恒定的。图5到图8是动叶轮8的几种实施方式，其中挡圈26的厚度实际上是恒定的，与减振装置30装配到一起。
图5示出了本发明的一个实施方式，其中，两个挡圈26中，每个挡圈的内面264都是被减振装置30所完全覆盖。更具体地说，该减振装置的工作部分相对于振动方式而被限定，也就是说，在这种振动方式下，减振装置最大程度地变形。
图6示出了本发明的另一个实施方式，其中一个挡圈26的内面264装有减振装置30，后者沿轴向方向分成两个基本减振装置36。较之前一种布置形式，这种布置的优点是安装更加方便。
图7示出了本发明的另一个实施方式，其中一个挡圈26的内面264(图7的右侧)被减振装置30完全覆盖，而另一个挡圈26的内面264(图7的左侧)装有减振装置30，后者沿轴向方向分成两个基本减振装置36。
在这些基本装置36中，其中一个装置包括主要部分35、侧向部分37和连接部分39。主要部分35在靠近多角架22处部分地覆盖了所述内面264。所述侧向部分37在靠近所述内面264处部分地覆盖了多角架22的实际径向面部分。连接部分39将所述主要部分35和所述侧向部分37相连接。由于一个或多个刚性材料相反层34的存在，连接部分39并没有压到叶轮区域10上，即位于挡圈26和多角架22之间的连接区域。该连接部分39在主要部分35和侧向部分37之间延伸，其实际上呈横梁或桥梁形状。
该挡圈26的另一个基本减振装置36(图7左侧)包括主要部分35、侧向部分37和连接部分39。主要部分35在靠近挡圈26的端部凸缘28处部分地覆盖了所述内面264。侧向部分37在靠近所述内面264处部分地覆盖了所述端部凸缘28的实际径向面。连接部分39连接所述主要部分35和所述侧向部分37，且其实际上呈横梁或桥梁形状。
图8以轴向剖面的形式示出了本发明的另一个实施方式，这是图7所示实施方式的变化形式。挡圈26的内面264被第一减振装置301和第二减振装置302所覆盖，二者类型都是带有主要部分351，352、侧向部分371，372和连接部分391，392。这两个减振装置301，302相互叠置，彼此相对。换句话说，第一减振装置301的主要部分351接合到挡圈26的内面264上，而第二减振装置302的主要部分352则接合到第一减振装置301的主要部分351上。其中一个减振装置的侧向部分371置于所述内面264附近的多角架22实际径向面上，而另一个减振装置的侧向部分372则置于所述内面264附近的端部凸缘28的实际径向面上。在图8所示的另一个实施例中，直接接合到挡圈26的内面264上的减振装置301是那个其侧向部分371置于多角架22的径向面上的减振装置。在变化的方式中(图中未示)，直接接合到挡圈内面的减振装置是那个其侧向部分位于端部凸缘的径向面上的减振装置。
图4和图10到图14为动叶轮8的几种实施方式，其中，至少一个挡圈26带有一个非恒定厚度区260，用来置放减振装置30。
在图10中，挡圈26的厚度沿轴向方向在其内面264上增加，即从其最靠近多角架22的边缘到其最远离多角架22的边缘增加。
在图11中，挡圈26的厚度沿轴向方向在其内面264上增加，即从其最远离多角架22的边缘到其最靠近多角架22的边缘增加。
在图12中，挡圈26的厚度沿轴向方向在其内面264上增加，即从其中心到其最远离多角架22的边缘和其最远离多角架22的边缘增加。
在图13中，挡圈26的厚度沿轴向方向和沿周向在其内面264上增加。非恒定厚度区域26实际上呈现矩形区，其各个角部的厚度相对于所述区域表面其它部分而增加。
在图10到图12中，非恒定厚度区260对应于挡圈26的一部分。但是，这个非恒定厚度区260也可以对应于挡圈26的整个区域，正如图4和图14所示实施方式。在这两张图中，挡圈26的非恒定厚度区260沿轴向方向在其内面264上增加，即从其中心到其最远离多角架22的边缘和到其最远离多角架22的边缘增加。图14示出的减振装置30沿周向分成了两个基本减振装置36。图4示出的减振装置30沿轴向方向两次分割，而沿周向一次分割，从而形成了六个基本减振装置36。
本发明并不仅限于上面所述实施方式，而且包括了这些实施方式的组合形式。例如，可以设想带有减振装置的恒定厚度的挡圈，所述减振装置完全覆盖了其内面，或者部分覆盖了所述内面。无论何种情况下，减振装置可以做成整体部件，或者可以沿轴向方向进行一次或多次分割，或者可以沿周向一次或多次分割，或者可以沿这两个轴向和周向的每一个方向一次或多次分割。此外，按照所有上述情况总结而成的方式，减振装置可以只置于挡圈的内面上，或者可以是一种三部分装置，其侧向部分位于轮盘的径向面或端部凸缘的径向面上。
本发明并不仅限于整体叶片盘类型的动叶轮上，它还应用于具有装到分离的轮盘上的叶片的动叶轮上。

Claims (15)

1.一种涡轮机的动叶轮(8)，其包括多个叶片(12)，叶片的轴对称支架(22)，它们实际上径向延伸，至少一个自支架(22)处以实际上轴向方向延伸的中间部件(26)和置于中间部件(26)至少一个面(262，264)上的至少一个减振装置(30，301，302)，所述减振装置(30)包括至少一个粘弹性材料层(32)和至少一个刚性材料相反层(34)，叶轮的特征在于，减振装置(30)沿轴向和/或周向分割成至少两个基本减振装置(36)。
2.根据权利要求1所述的动叶轮，其特征在于，减振装置(30)至少部分地覆盖了中间部件(26)的所述面(262，264)。
3.根据权利要求1所述的动叶轮，其特征在于，粘弹性材料层(32)和刚性材料相反层(34)例如通过粘合剂互相连接到一起。
4.根据权利要求1所述的动叶轮，其特征在于，减振装置(30)包括几个粘弹性材料层(32)和几个刚性材料相反层(34)，二者交替布置。
5.根据权利要求4所述的动叶轮，其特征在于，至少一部分粘弹性材料层(32)的机械特性是不同的。
6.根据权利要求4或5所述的动叶轮，其特征在于，至少一部分刚性材料相反层(34)的机械特性是不同的。
7.根据权利要求1到6中任何一项权利要求所述的动叶轮，其特征在于，中间部件(26)包括非恒定厚度区域(260)，减振装置(30)就位于该区域上，所述厚度沿轴向方向增加，从其最靠近所述支架(22)的边缘到其最远离所述支架(22)的边缘增加，或者沿轴向方向增加，从其最远离所述支架(22)的边缘到其最靠近所述支架(22)的边缘增加，或者沿轴向方向增加，从其中心到其最远离所述支架(22)的边缘和到其最远离所述支架(22)的边缘增加，或沿轴向方向和周向方向增加。
8.根据权利要求1到7中任何一项权利要求所述的动叶轮，其特征在于，中间部件(26)包括与所述支架(22)连接的端部，所述减振装置(30)包括置于所述中间部件(26)上的主要部分(35)以及置于所述支架(22)的实际径向面上的侧向部分(37)。
9.根据权利要求1到7中任何一项权利要求所述的动叶轮，其特征在于，中间部件(26)包括与所述端部凸缘(28，128)连接的端部，其特征还在于，减振装置(30)包括置于所述中间部件(26)上的主要部分(35)和置于所述端部凸缘(28，128)的实际径向面上的侧向部分(37)。
10.根据权利要求8或9所述的动叶轮，其特征在于，所述主要部分(35)和所述侧向部分(37)通过形成横梁的连接部分(39)连接。
11.根据权利要求1到7中任何一项权利要求所述的动叶轮，其特征在于，所述中间部件(26)包括连接到叶片(12)的所述支架(22)上的一端和连接到端部凸缘(28，128)上的另一端；
其包括第一减振装置(301)，所述减振装置包括置于所述中间部件(26)上的第一主要部分(351)和置于所述支架(22)的实际径向面上的第一侧向部分(371)，所述第一主要部分(351)和所述第一侧向部分(371)通过形成横梁的第一连接部分(391)连接，它还包括第二减振装置(302)，所述减振装置包括置于第一主要部分(351)上的第二主要部分(352)和置于所述端部凸缘(28，128)的实际径向面上的第二侧向部分(372)，所述第二主要部分(352)和所述第二侧向部分(372)通过形成横梁的第二连接部分(392)连接。
12.根据权利要求1到7中任何一项权利要求所述的动叶轮，其特征在于，
a.所述中间部件(26)包括与叶片(12)的所述支架(22)连接的一端和连接到端部凸缘(28，128)的另一端；
b.其包括第一减振装置(30)，所述减振装置包括置于所述中间部件(26)上的第一主要部分(351)和置于所述端部凸缘(28，128)的实际径向面上的第一侧向部分(371)，所述第一主要部分(351)和所述第一侧向部分(371)通过形成横梁的第一连接部分(391)连接；
c.其包括第二减振装置(30)，所述减振装置包括置于第一主要部分(351)上的第二主要部分(352)和置于所述支架(22)的实际径向面上的第二侧向部分(372)，所述第二主要部分(352)和所述第二侧向部分(372)通过形成横梁的第二连接部分(392)连接。
13.根据权利要求1到12中任何一项权利要求所述的动叶轮，其包括置于所述中间部件(26)的内面(264)上或者置于所述中间部件(26)的外面(262)上的减振装置(30)。
14.一种动叶轮(8)，这种类型动叶轮包括如权利要求1到13中任何一项权利要求所述的支撑叶片(14)的轮盘(20)或轮环，特别是用于涡轮喷气发动机(1)，其特征在于，所述中间部件(26)是轮盘(20)或轮环的挡圈。
15.一种涡轮喷气发动机(1)，其包括至少一个如权利要求1到14中任何一项权利要求所述的叶轮(8)。
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