CN101333943B - 一种用于涡轮机定子的减振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机定子的减振装置，具体涉及涡轮机定子，其定子叶片固定环或上游导向叶片部件的涡轮机定子包括多个径向位于第一内环(42)和第二外环(44)之间的叶片(43)，两个环为同心，第二环带有一个圆柱形外表面部分(44e)。定子的特征在于，在所述外表面部分(44e)上，使用了至少一个减振层压材料(30，30′)，该层压材料包括至少一层与所述表面部分(44e)相接触的粘弹性材料(32)和一个背层刚性材料(34)。

Description

一种用于涡轮机定子的减振装置
技术领域
本发明涉及涡轮机领域，尤其涉及诸如涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机等燃气涡轮发动机，其目的是提供一种用于定子部件的减振装置。
背景技术
航空涡轮机由多个动叶轮组成，也就是说，在其周围装有动叶片的转动轮盘，这些叶片处于燃气流，它们与形成定子叶片固定环或上游燃气流导向叶片部件(根据涉及的是压缩机还是涡轮机)的定叶轮相互作用。涡轮机可以由包括几个叶片的环状扇形体形式的组件组成，每个单叶片-例如-带有可变螺距。这些部件都属于特别敏感的部件，因为从尺寸角度来讲它们在机械上都必须满足抗温度和抗气动力负载的必要条件，与此同时还需提供燃气流的密封功能。所有这些方面都意味着，这些结构是带静负载的，由于其使用寿命的需要，它们所承受的振动幅度必须始终很小。
由于涡轮机的设计和调整涉及到多个方面的相互协调，尺寸确定过程经常反复。为了防止在工作范围内出现危急情况，必须进行振动尺寸计算。在设计研制周期最后阶段，要进行该组件的评估，该评估工作是通过发动机试验来进行，旨在测量振动幅度。高振动级有时会看上去是由于强制同步或异步响应或由于不稳定所引起的。为此，定子叶片固定环或上游导向叶片部件就必须重新设计，而这种设计工艺特别耗费时间，且成本很高。
为此，在生产时，人们的目的就是在尺寸确定周期中尽可能早地预测各个结构构件振动响应的等级，从而能够在设计中尽可能早地采取必要的修改措施。其中，机械减振是设计师们所考虑的一个重要问题。
为了确保这些部件之坚固程度能够足以抵抗振动疲劳，一个解决方案就是增加结构专用装置，用于能量耗散源。例如，根据EP 1253290号专利文件，已知一种可在压缩机动叶轮叶片上使用的减振装置。这种装置由一层粘弹性材料和一个应力层组成。由于叶片的型面是在燃气流方向，该文件所提出的解决方案在叶片型面中挖出一个凹槽，用来安装减振装置。因此，与燃气流相接触的叶片型面的表面就不会呈现不规则形，燃气流动不会受到影响。这种布置形式由于叶片厚度之缘故而使得加工工艺很难实施。此外，在同一个叶轮上，各个叶片之间会出现不平衡的风险，进而导致涡轮机使用失衡。
发明内容
本发明的目的是通过提供动态减振方式来消除同步或异步应力下结构的动态响应，不论这种应力是否因气动力所致。
根据本发明，构成定子叶片固定环或上游导向叶片部件的涡轮定子包括多个径向位于第一内环和第二外环之间的叶片，两个环为同心的，第二环带有圆柱形外表面部分，这种涡轮定子的突出之处在于，在所述外表面部分上固定了至少一个减振层压材料，所述层压材料包括至少一层与所述表面部分接触的粘弹性材料和一个刚性材料背层。
本发明的目的是，使用由至少一层粘弹性材料和至少一个应力层的层压材料，所述层压材料粘结到结构上，从而可以耗散部件上的振动能量。
振动能量的耗散可通过在动态应力下变形的结构和惯性拉伸的应力层之间使得粘弹性材料的剪切力变形来获得。这些层压材料在外冠部以扇形体形式粘结到或附着到定子叶片固定环或上游导向叶片部件的外部，直接对所述部件的振动状态进行阻尼。
本发明可以增加金属部件的结构阻尼，解决设计时遇到的振动问题：最终会缩短相关的研制和调试时间，降低成本。
另外，它还可以扩展传统设计领域，而这些因为要满足抵抗交替载荷和间接重量增加而受到限制。
不论动态负载的类型如何，本发明均能够适用：与发动机谐振交叉，异步或声激励，航空弹性不稳定性或通过转子定子接触的激励等。
根据各种实施方案，
减振层压材料可以沿轴向或周向覆盖所述外表面部分。
定子叶片固定环或上游导向叶片部件包括多个在整个外表面部分上沿周向分布的层压材料。
各层之间连接在一起。
各层之间通过粘结而连接在一起。
刚性材料背层包括一个机械固定构件；
机械固定构件将刚性材料背层连接到定子叶片固定环或上游导向叶片部件上。
机械固定构件使得粘弹性层紧紧压抵在所述外表面部分上。
层压材料由一堆粘弹性材料层和交替刚性材料层组成。
粘弹性材料的特性在层与层之间可以是不同的。
粘弹性材料的特性在层与层之间可以是相同的。
刚性材料的特性在层与层之间可以是不同的。
刚性材料的特性在层与层之间可以是相同的。
另外，本发明还涉及到包括了至少一个所述定子叶片固定环或上游导向叶片部件的涡轮机。它可以是涡轮级的一个上游导向叶片部件或者是压缩级的一个定子叶片固定环。
下面结合附图，通过如下本发明实施例的介绍，本发明的其它特性和优点就会显现出来。
附图说明
图1为能够使用本发明的定子的涡轮机轴向剖面示意图；
图2为根据本发明的减振层压材料的剖面图；
图3为装有根据本发明的减振层压材料的定子扇形体的透视图
图4为本发明的另一个实施方案。
具体实施方式
图1为双转子涡轮风扇发动机1形式的涡轮机示意图。前端的风扇2向发动机提供风力。风扇压缩的空气分布到两个同心流。二股空气流被直接排到了大气中，并提供了发动机推力的主要部分。而原始空气流通过几个压缩级导向燃烧室，在燃烧室内与燃料混合后燃烧。热燃气提供给各个涡轮级，从而推动风扇和压缩级。燃气然后被排入大气中。
这种发动机包括几个定子叶片环叶轮：一个在风扇下游的叶轮可使第二股气流被喷射前使其同步，压缩机的动叶轮和高压与低压涡轮叶轮之间上游导向叶片部件之间的叶轮。
根据本发明，在至少一部分外定子叶片固定环和上游导向叶片部件的外表面部分上使用减振层压材料。
如图2所示，层压材料30呈现为若干个材料层彼此堆砌在一起。根据本发明，层压材料包括一层粘弹性材料32和一背层刚性材料34。层压材料由粘弹性材料层32应用到需要减振的构件的表面31上。
粘弹性是一种固体或液体类的特性，当其受到变形时，由于同时耗散和储存机械能量，就会呈现一种粘性和弹性的特性。
在所要求的热态和频率工作范围内，刚性材料背层34的弹性的均质或非均质特性要优于粘弹性材料的弹性的均质或非均质特性。作为一个示例-但并仅限于所示示例，刚性材料层34可以是金属类型或复合材料，而粘弹性材料层32可以是橡胶、硅、聚合物、玻璃和环氧树脂类材料等。就能量耗散来讲，在预期的预定温度和频率范围内，该刚性材料必须非常有效。可以从特性剪切模数中选择，其表示形式为变形和速度。
根据其它实施例，所述层压材料包括几层粘弹性材料32和几个背层刚性材料34，二者交替布置。图2所示示例-本发明并不仅限于所示示例-给出了带有三层粘弹性材料32和三个背层刚性材料34的减振层压材料。根据应用情况，粘弹性材料层32和刚性材料背层34的尺寸可以相同也可以不同。如果层压材料是由几层粘弹性材料32组成时，后者可以全部为相同机械特性，也可以为不同的机械特性。如果层压材料是由几个背层刚性材料34组成时，后者可以全部为相同机械特性，也可以为不同的机械特性。粘弹性材料32和刚性材料34最好通过一道胶粘膜或通过聚合反应彼此相互粘结在一起。
图3示出了第一个实施例。定子扇形体40-在此例中为涡轮上游导向叶片部件扇形体-包括一个径向内环部件41，在一侧支撑密封部件42并在另一侧形成了燃气流的内壁。多个叶片43自内环部件41处向径向外环部件44处径向延伸。部件44在一侧形成了从叶片43上扫过的燃气流的外壁。外环部件44包括上游和下游固定构件45和46。部件44的外表面44e实际上为圆柱形状。由两层-粘弹性材料层32和刚性材料背层34-组成的层压材料30就固定到该表面部分44e。层压材料30是通过粘弹性层的粘结或聚合作用而附着到表面部分44e上。该层压材料在表面部分44e的整个轴线部分上延伸。理想的是，所述层压材料能够在整个扇形体上沿周向延伸。当扇形体40安装到涡轮机壳体内时，这些扇形体就构成了完整的上游导向叶片叶轮，其在上游导向叶片部件外表面的整个圆周范围内使用了减振层压材料。
在使用时，定子叶片固定环和上游导向叶片部件扇形体的振动状态以及叶片的振动状态均会被层压材料所阻尼，同时又不会影响燃气流中气动力流。
图4示出了第二个实施方案。定子叶片固定环或上游导向叶片部件扇形体在径向外环部件44上从轴向剖面看去与内环部件41和外环部件44如上相同。此处，减振层压材料30′还包括一个粘弹性材料层32′和一个刚性材料背层34′。其区别在于与定子叶片环环或上游导向叶片部件扇形体的连接方式。刚性材料背层34′包括一个侧向延伸部分34a′，后者压在外环部件44的更坚固和更厚的部位上。在这个示例中，该部件为上游固定构件45。侧向延伸部分34a′采用螺栓或任何其它装置连接到固定构件45上。这就是定子在必须承受的各种情况期间减振层压材料仍能保证良好性能的原因。在这个情况下，层压材料不一定必须粘结到外环部分44的外端面上。机械固定构件赋予层压材料一个压力，使其紧紧压在该表面上，这样，如果出现振动，该振动就会被传送到粘弹性材料层上。正如前面示例所述，在定子外环上应用粘弹性减振层压材料的方案可以酌情使用。

Claims (14)

1.一种涡轮机定子，其定子叶片固定环或上游导向叶片部件定子包括多个径向位于第一内环(42)和第二外环(44)之间的叶片(43)，两个环为同心，第二环带有一个圆柱形外表面部分(44e)，其特征在于，在所述外表面部分(44e)，使用了至少一个减振层压材料(30，30′)，该层压材料包括至少一层与所述表面部分(44e)相接触的粘弹性材料(32)和一个背层刚性材料(34，34’)。
2.根据前面权利要求所述的涡轮机定子，其特征在于，层压材料部分地覆盖了所述外表面部分(44e)。
3.根据权利要求1所述的涡轮机定子，其特征在于包括在整个外表面部分沿周向分布的多个层压材料。
4.根据权利要求1所述的涡轮机定子，其特征在于，两种材料层(32，34)是连接在一起的。
5.根据权利要求4所述的涡轮机定子，其特征在于，两种材料层(32，34)是通过粘结方式连接在一起的。
6.根据权利要求1所述的涡轮机定子，其特征在于，刚性材料(34′)包括一个机械固定构件(34′a)。
7.根据权利要求6所述的涡轮机定子，其特征在于，机械固定构件(34′a)将背层刚性材料连接到定子上。
8.根据权利要求7所述的涡轮机定子，其特征在于，机械固定构件(34′a)将粘弹性材料紧压在所述外表面部分上。
9.根据权利要求1所述的涡轮机定子，其特征在于，层压材料包括粘弹性材料层(32)和交替布置的刚性材料层(34)。
10.根据权利要求9所述的涡轮机定子，其特征在于，粘弹性材料的特性在层与层之间是不同的。
11.根据权利要求9所述的涡轮机定子，其特征在于，粘弹性材料的特性在层与层之间是相同的。
12.根据权利要求9所述的涡轮机定子，其特征在于，刚性材料的特性在层与层之间是不同的。
13.根据权利要求9所述的涡轮机定子，其特征在于，刚性材料的特性在层与层之间是相同的。
14.一种涡轮机，其包括至少一个根据上面权利要求所述的涡轮机定子。
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