CN101344013B - 一种涡轮机转子组件 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机转子组件，其包括：一个沿其外缘设有叶根槽(4)的转子轮盘(2)；通过其叶根(16)固定到所述槽(4)内的叶片(14)；以及安装在叶根(16)和轮盘(2)之间的衬垫(20)，每个衬垫(20)由两个侧壁(20A)和一个连接两个侧壁的底部(20B)组成，每个侧壁(20A)位于叶根(16)支撑面(16A)和轮盘(2)相应支撑面(22A)之间；每个侧壁(20A)采用第一材料制成，该材料在衬垫(20)工作温度范围内任何工作温度时可给出第一杨氏模量值E。转子组件包括附着于轮盘支撑面(22A)和/或叶根支撑面(16A)上的垫料(40)，所述垫料(40)采用第二材料制成，可在所述工作温度时给出第二杨氏模量值，该值在E/20到E/5范围内。

Description

一种涡轮机转子组件
技术领域
本发明涉及一种涡轮机转子组件。 
背景技术
转子转动时，叶片主要承受离心力，同时也承受轴向气动力，而叶根在离心力作用下与位于每个槽外开口两侧上的轮盘部分对接压装。叶根和轮盘相互对接的表面通常称之为“支撑面”。这些支撑面承受压力，由于作用到所述支撑面上的所述离心力和气动力所致。按照一级近似法，据估计，该压力取决于转子转动速度的平方。 
因此，人们会了解到，在涡轮机工作周期期间转子转动速度的变化：从静止状态到全推油门，经过了各种特别中间速度，对于航空涡轮机来讲，系指空转、滑行、巡航、下降等，都会引起作用在上述支撑面上的压力的变化。这些与接触部件弹性变形相关的压力变化会引起叶根和轮盘之间的相对移动。当这些压力变化重复出现时，这些相对运动-根据其特性称之为滑移或分离-则会造成叶片或轮盘支撑表面的磨损。另外，对于叶片按给定旋转速度进行动态运动来讲，叶片对谐振或瞬间交替应力的反应，还会造成所述支撑表面磨损的现象。这些磨损现象无疑会影响到涡轮机的使用寿命。 
可以采用各种所谓的“抗磨损”解决方案，例如减慢接触界面处出现磨损的方案，这些解决方案都涉及在叶根和轮盘之间插入一个第三物体，称之为“衬垫”。特别是，该衬垫的应用可使接触界面的数量翻一番，即从单一叶片/轮盘接触界面增加到两个接触界面，叶片/衬垫和衬垫/轮盘，并可减少接触部件之间的相对运动，从而降低了使用时的磨损。 
法国FR 2890684号专利文件介绍了上述类型衬垫的一个已知示例。该种衬垫是全部用金属制成的，且它是由一个金属薄板经过适当折叠而成。 
发明内容
本发明的一个目的是，提供一种就执行“抗磨损”功能来讲比上述已知衬垫更有效的衬垫，从而向叶片和轮盘的支撑表面提供更好的保护。 
所述目的可以通过一种前面所定义的类型的涡轮机转子组件来实现，其中衬垫的每个侧壁采用第一材料制成，所述材料可在衬垫工作温度范围内任何工作温度上 给出第一杨氏模量值E，所述转子组件包括附着于轮盘支撑面和/或叶根支撑面上的垫料，而所述垫料采用第二材料制成，该材料在所述温度点时可给出第二杨氏模量值，该值在E/20到E/5范围内。 
应该注意的是，一种材料的杨氏模量会随着该材料温度的不同而变化，因此，E和E′值取决于温度。 
术语“工作温度”用来表示在正常使用条件下涡轮机工作时衬垫所承受的温度。在本发明中，如上定义，对于衬垫工作温度范围内的所有温度来讲，都需要满足所述第一和第二杨氏模量之间的关系。 
例如，当衬垫用于一个双路式双转子航空涡轮喷气发动机的风扇或低压压缩机时，其工作温度在20℃到150℃的范围内。当衬垫用于一个双路式双转子航空涡轮喷气发动机的高压压缩机时，其工作温度在150℃到500℃的范围内。当衬垫用于一个双路式双转子航空涡轮喷气发动机的高压涡轮时，其工作温度在400℃到700℃的范围内。 
为此，本发明涉及到采用所述多层结构，其中，在所要求的工作温度范围内，第二材料的(均质或异质)弹性特性要优于第一材料的(均质或异质)弹性特性。 
在一个实施例中，所述第一材料是一种金属合金或有机基复合材料，而所述第二材料为非金属材料。例如，第二材料可以采用橡胶、硅、聚酰亚胺、玻璃、环氧树脂制成，但并不仅限于这些材料。 
本发明具有如下作用： 
由于第二材料的弹性作用，采用垫料后可以均匀分布接触压力； 
在旋转速度发生变化期间，由于所述垫料的“静态”剪切力，可以限制部件之间因离心力产生的相对位移； 
由于所述垫料的“动态”剪切力，可以阻尼叶片的任何动态位移。 
这些作用的一个突出特点是，可以防止或限制支撑表面的磨损现象，从而提高了叶根和轮盘的使用寿命。 
在衬垫的工作温度范围内，如果第二材料具有粘弹性特性时，这些作用还会增强，特别是可以阻尼叶片的任何动态运动。 
另外，本发明还提供了一种涡轮机，其包括上述转子组件。 
所述转子组件类型包括：一个沿其外缘设置叶根槽的转子轮盘；通过其根部固定到所述槽内的叶片；以及安装在叶根和轮盘之间的衬垫，每个衬垫由两个侧壁和一个连接两个侧壁的底部组成，每个侧壁位于叶根支撑面和轮盘相应支撑面之间。 
本发明可适用于任何类型的涡轮机，不论是地面还是航空涡轮机(涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、地面燃汽轮机等)。在双路式双转子航空涡轮喷气发动机的具体示例中，本发明可应用于涡轮喷气发动机的风扇、低压压缩机(或称“增压 器”)、高压压缩机、高压涡轮、或低压涡轮。 
通过阅读如下详细说明，可以更好地了解本发明及其优点。 
附图说明
图1为涡轮机转子组件的局部分解示意图，图示转子组件包括一个转子轮盘、本发明所述一种衬垫，以及一个叶根； 
图2为图1所示转子组件装配状态下II-II平面的(局部)径向剖面图； 
图3为类似图2所示组件的(局部)剖面图，图示了本发明转子组件的另一个示例。 
具体实施方式
如图1和图2所示，转子轮盘2沿其外缘设有若干个凹槽或“槽”4，这些槽形成了腔室，每个腔室可以安装叶片14的叶根16，叶根16周围加装衬垫20。叶根16和风扇轮盘2采用-例如-钛合金制成。 
应该注意的是，这些组件还带有一个隔片(图中未示)，位于叶根16和槽4的底部之间。 
当轮盘2转动时，叶片14承受离心力，叶根16上的支撑面16A就会紧紧压在轮盘2的支撑面22A上。在所述示例中，支撑面16A构成了叶根16的两翼，而支撑面22A构成了轮盘唇形部分22的底面，后者在每个槽4的外开口的两侧延伸。 
衬垫20包括两个侧壁20A，用来与叶根16的支撑面16A接触，还包括一个底部20B-此处为一个底板-将两个侧壁相互连接并在叶根16的下方延伸。每个侧壁20A是由第一材料制成，该材料在衬垫工作温度范围内任何温度时都可给出一个相应的第一杨氏模量值E。衬垫20属于一种磨损件，其主要作用就是限制叶根16和风扇转子轮盘2的磨损。衬垫20需要具有一定的刚性，以便具有足够的机械强度并能完成其抗磨损功能。这样，对于金属衬垫来讲，E值优选大于或等于110,000兆帕(MPa)(例如，如果衬垫是用镍基超合金制成，其E值为210,000兆帕，如市场销售的此类合金牌号为“Inconel”)，而对于有机基复合材料衬垫来讲，E值大于或等于70,000MPa。 
根据本发明，转子组件包括附着于轮盘的支撑表面22A上的垫料40，这些垫料40采用第二材料制成，可在所述温度时给出第二杨氏模量值，该值在E/20到E/5范围内。 
在其它实施例中(图中未示)，垫料可以固定到叶根的支撑面16A上，或轮盘支撑面22A上和叶根支撑面16A上。 
就材料的选择来讲，很显然，其取决于衬垫的工作温度。 
当转子组件用于一个双路式双转子航空涡轮喷气发动机的风扇或低压压缩机时，其承受的工作温度应在20℃到150℃的范围内。在这种情况下，举例来说，对于第一材料来讲，可以选择镍基超合金，按重量计算，铁和铬都大于15％，诸如市场上销售的名称为“Inconel 718”的超合金；而第二材料可以是橡胶(天然或合成橡胶)。在这些情况下，第一材料还可以是一种使用了环氧树脂基的复合材料制成，采用增强纤维，例如碳制成；那么，第二材料可以是其自身的环氧树脂(而第一和第二材料之间的杨氏模量差与纤维的使用有关)。 
当转子组件用于一个双路式双转子航空涡轮喷气发动机的高压压缩机时，其承受的工作温度应在150℃到500℃的范围内。在这种情况下，举例来说，对于第一材料来讲，可以选择镍基超合金，按重量计算，铁和铬都大于15％，诸如市场上销售的名称为“Inconel 718”的超合金；而第二材料可以是硅或聚酰亚胺。 
当转子组件用于一个双路式双转子航空涡轮喷气发动机的高压涡轮时，其承受的工作温度应在400℃到700℃的范围内。在这种情况下，举例来说，对于第一材料来讲，可以选择镍基超合金，按重量计算，铁和铬都大于15％，诸如市场上销售的名称为“Inconel 718”的超合金；而第二材料可以是玻璃(在该工作温度范围内时，其可具有粘弹性特性)。 
总而言之，人们应该看到，所述垫料40可采用多种方式固定到轮盘的支撑面22A上，而且特别是采用如下方式： 
通过自然粘合方式； 
在垫料的聚合期间(如果是橡胶制成时，在其硫化过程期间)； 
或者，通过粘结剂； 
或者，通过上述技术的结合方式。 
当然，获得的紧固程度必须非常坚固，防止垫料40在使用过程中与支撑面22A脱离。 
图3为类似于图2所示组件的剖面图，(局部)示出了本发明的转子组件120的另一种示例。图2和图3之间相似部件或部分都采用相同参考号加上100识别。 
图3所给示例与图2不同之处是，衬垫120的底部120B在两个相邻槽204之间延伸过转子轮盘120的外缘，衬垫的每个侧壁120A插入相应槽内并置放在叶根支撑面和轮盘相应支撑面之间。垫料140的位置始终保持相同。 

Claims (6)

1. 一种涡轮机转子组件，其包括：一个沿其外缘设有叶根槽(4)的转子轮盘(2)；通过其叶根(16)固定到所述槽(4)内的叶片(14)；以及安装在叶根(16)和轮盘(2)之间的衬垫(20)，每个衬垫(20)由两个侧壁(20A)和一个连接两个侧壁的底部(20B)组成，每个侧壁(20A)位于叶根(16)支撑面(16A)和轮盘(2)相应支撑面(22A)之间；每个侧壁(20A)采用第一材料制成，该材料在衬垫(20)工作温度范围内任何工作温度时可给出第一杨氏模量值E，所述转子组件的特征在于，它包括附着于轮盘支撑面(22A)和/或叶根支撑面(16A)上的垫料(40)，所述垫料(40)采用第二材料制成，可在所述工作温度时给出第二杨氏模量值，该值在E/20到E/5范围内。
2. 根据权利要求1所述的一种转子组件，其特征在于，所述第一材料为一种金属合金或有机基复合材料，而所述第二材料为非金属材料。
3. 根据权利要求1所述的一种转子组件，其特征在于，所述第二材料在衬垫的工作温度范围内具有粘弹性特性。
4. 根据权利要求1所述的一种转子组件，其特征在于，每个衬垫(20)的底部(20B)在相应叶根(16)的下方延伸。
5. 根据权利要求1所述的一种转子组件，其特征在于，每个衬垫(120)的底部(120B)在两个相邻槽(104)之间的轮盘(102)的外缘上延伸。
6. 一种涡轮机，其包括了根据权利要求1到5中任何一项权利要求所述的转子组件。
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