CN102105655A - 涡轮机风扇转子 - Google Patents

Abstract

一种涡轮机风扇转子(10)，包括：盘(14)，用于承载叶片(12′)，叶片具有的根部(18′)接合在盘的轴向槽(20)中；和隔离件(22′)，其介于每个槽的底部与对应的叶片根部之间，隔离件在其上游端包括用于保持叶片根部的尖头(24′)，所述尖头具有下游邻接面(50′)，叶片根部的上游端在被施加强力的情况下支承抵靠所述下游邻接面，此邻接面相对于转子的旋转轴线(A)倾斜。

Description

涡轮机风扇转子

技术领域

本申请涉及风扇转子，用于涡轮机，例如飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机。

背景技术

涡轮机风扇包括在外周边承载叶片的盘，叶片具有的根部接合在盘的外周边中的大致轴向槽中。叶片通过它们根部的形状与盘中槽的形状之间的配合沿径向保持在盘上，叶片根部例如为燕尾型。

一隔离件介于每个叶片的根部与盘中对应槽的底部之间以防止叶片在盘中沿径向移动，隔离件在其上游端具有一尖头，该尖头沿径向向外延伸，并具有下游径向面，形成针对叶片根部上游径向面的轴向支承表面，以沿上游方向沿轴向保持叶片。隔离件确保在盘上的叶片均具有相同的轴向位置，以避免形成任何失衡，且它们适于沿轴向支承抵靠被紧固到盘上游端的环形颊板。

在不希望常发生的风扇叶片破损的情况下，叶片突出抵靠相邻的叶片，相邻叶片于是承受很强的上游轴向力，这种影响通过对应隔离件传递到上游颊板。隔离件变得沿轴向支承抵靠颊板，此颊板被设计为弹性变形，以减弱一部分这种轴向力，并由此避免其它风扇叶片受损。用于沿上游方向保持叶片的轴向保持机构也安装在盘上，在叶片下游，以在颊板的变形达到一定限度的情况下承担一部分这种轴向力。

在现有技术中，每个隔离件的尖头被设计为将所有上述轴向力传递到上游颊板，且其在此力被传递时承受沿轴向的大的剪切力。因此，有必要使尖头沿轴向尺寸超量以使其能够承受所述力，由此导致每个尖头的轴向尺寸较大并导致风扇转子的总重量增大。

为了补偿隔离件尖头的轴向尺寸超量，可将对应叶片根部的上游端削减至相同程度。然而，这种解决方案并不令人满意，因为叶片根部由此具有的轴向尺寸短于盘中的槽的轴向尺寸，在将高接触力施加于槽的侧壁时产生可能导致其提前磨损的风险。

发明内容

本发明的具体目的在于，提供一种针对现有技术前述问题的解决方案，其方式简单、高效、且不昂贵，通过使用比现有技术更高效、更紧凑、更轻的风扇叶片的轴向保持机构。

对此，本发明提供一种涡轮机风扇转子，包括：盘，用于承载叶片，所述叶片具有的根部接合在所述盘的外周边中的大致轴向的槽中；和隔离件，每个隔离件介于所述盘中的槽的底部与对应的叶片根部之间，每个隔离件的上游端被设计为支承抵靠被紧固到所述盘上的保持颊板，所述隔离件包括尖头，所述尖头沿径向向外延伸并被设计为保持所述叶片根部的上游端，所述转子的特征在于，每个隔离件的尖头具有下游邻接面，所述叶片根部的上游端在强力的情况下支承抵靠所述下游邻接面，此下游邻接面相对于所述转子的旋转轴线倾斜。

在叶片根部破损的情况下，与破损叶片相邻的叶片沿上游被强力冲击，而且其根部的上游端支承抵靠隔离件尖头，所述尖头向上游移动直到其邻靠颊板。为了继续前行，叶片将需要通过在其倾斜面上滑动而安装到隔离件尖头上。然而，叶片的根部已经支承抵靠盘中的槽的壁而使其不能沿径向向外移动。隔离件尖头倾斜面因而产生楔入效应，由此增大已经存在于叶片根部与盘中的槽的壁之间的冲力。这种另外的载荷使得：施加在叶片上的一部分轴向力能够通过在叶片根部与盘中的槽的壁之间的摩擦而被吸收。其余部分的轴向力通过隔离件和上游颊板被传递到转子的盘。

这样，本发明用于减小在风扇叶片受损情况下施加于隔离件尖头的剪切力。这能够使每个隔离件的尖头的轴向尺寸以及总尺寸减小，从而使隔离件以及风扇转子作为整体能够重量更轻。在一个特定构造中，在完成的风扇模块上已经看到在600克(g)至700g范围内的重量节省，即略小于模块重量的1％。

如在现有技术中那样，承受前述轴向力冲击的叶片所抵靠的隔离件变得支承抵靠颊板，颊板变形以缓冲此轴向力。减小施加于隔离件以及颊板上的轴向力的事实，使得颊板能够缓冲几乎全部的此力，因而预计可消除用于叶片的安装在叶片下游的盘上的轴向保持机构。

所述尖头的下游邻接面相对于所述旋转轴线形成一角度，所述角度在10°至80°范围内，例如约在20°至70°范围内。在特定构造中，已发现，当α等于60°时，传递到隔离件尖头的轴向力呈现出仅75％的初始载荷；当α等于45°时，传递到隔离件尖头的轴向力呈现出仅50％的初始载荷。

根据本发明的另一特征，所述尖头的下游邻接面面对所述叶片根部的上游面就位，所述上游面也相对于所述转子的旋转轴线倾斜地延伸并大致平行于所述尖头的倾斜下游面。叶片根部的倾斜面被设计为支承抵靠隔离件尖头的倾斜面。

在无应力状态下，所述尖头和所述叶片根部的面对的倾斜面相对于彼此倾斜一小于10°的角度，例如约在2°至5°范围内，该角度易于在施加于所述叶片强力的情况下由于所述尖头的弹性变形而消失。在此情况下，更优选地，所述尖头和所述叶片根部的面对的倾斜面相互分开。在风扇的正常操作中，叶片根部和隔离件的倾斜面因而分离小量间隙。在风扇叶片破损的情况下，此间隙被设计为被占据，上述倾斜面被设计为变得相互支承抵靠。当叶片根部支承抵靠隔离件的尖头时，尖头被设计为变形而使其倾斜面变得平行于对应的叶片根部的倾斜面，该叶片根部的倾斜面因而支承抵靠尖头倾斜面的整个表面区域。

在无应力状态下，所述尖头在其径向外端包括下游径向面，用于沿轴向定位所述叶片根部的上游端。在正常操作中，叶片根部因而沿轴向支承抵靠尖头的径向外端，从而保持尖头和叶片根部的倾斜面相互分开。在叶片受损的情况下，叶片根部将轴向冲力施加于尖头端上，尖头端变形，直到尖头和叶片根部的倾斜面变得相互支承抵靠。

优选地，所述尖头的下游径向面通过一横向槽被连接到所述尖头的倾斜面，所述横向槽被设计为有利于在叶片破损情况下使所述尖头弹性变形。所述槽可具有凹形圆滑形状的截面。横向槽也可形成尖头削弱区，尖头削弱区被设计为削弱尖头的径向外部分而使其在由叶片传递的轴向力达到特定阈值的情况下可与尖头的其余部分分离。

所述尖头的倾斜面和/或所述根部的倾斜面可以是平滑的。在变例中，在所述尖头的倾斜面和/或所述根部的倾斜面上可形成有槽或齿，所述槽或齿用于当各倾斜面相互支承抵靠时通过摩擦和通过平化而吸收额外的能量。

本发明还提供一种涡轮机，例如飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机，所述涡轮机的特征在于，其包括如前所述的风扇转子。

最后，本发明提供一种叶片根部隔离件，用于前述类型的风扇转子，其特征在于，其在一端处包括尖头，所述尖头具有用于支承抵靠所述叶片根部的两个面，这两个面由用于定位所述叶片根部的径向的第一面和用于保持所述叶片根部的倾斜的第二面形成。这两个面通过一横向槽连接在一起，所述横向槽具有凹形圆滑形状的截面。

附图说明

通过阅读以下的参照附图以非限制性示例方式进行的描述，本发明可被更好地理解，且本发明的其它细节、特性和优点更显见。其中：

图1是现有技术的涡轮机风扇转子的轴向截面的局部示意性半视图；

图2是本发明的涡轮机风扇转子的轴向截面的局部示意性半视图；和

图3是显示出图2的一部分的放大图。

具体实施方式

首先参见图1，其中显示出在本发明之前的现有技术的涡轮机风扇转子10。

风扇转子10包括由盘14承载的叶片12，其中，叶片间平台16介于各叶片之间，盘14紧固到涡轮机的轴(未示出)的上游端。

每个风扇叶片12包括翼面，翼面在其径向内端连接到根部18，根部18接合在盘14中的互补形状的大致轴向槽20中，用于将叶片沿径向保持在盘上。

叶片间平台16形成壁，该壁限定进入涡轮机的空气流21的内侧，并且它们包括在槽20之间于盘14上所设置的对应装置配合的装置，用于将平台紧固到盘上。

隔离件22介于每个叶片的根部18与盘中的对应槽20的底部之间，以防止叶片在槽中沿径向移动。每个隔离件22由一细长棒形成，该细长棒在其上游端承载尖头24，尖头沿径向向外延伸。

尖头24具有下游径向面26，在处于如图1中所示的组装位置时，下游径向面26沿轴向支承抵靠叶片根部18的上游端的径向面，以沿上游方向将叶片沿轴向保持在盘14上，并针对所述叶片限定相对于盘的精确轴向位置。

环形颊板28共轴地紧固到盘14的上游端上，其中，颊板28的外周边位于隔离件22的尖头的上游并与其相距一小的轴向距离。颊板28通过夹具29被保持在盘14上，夹具29接合在盘的夹具31中，颊板28还在其内周边处具有环形法兰30，环形法兰30介于盘14的上游环形法兰32与罩或帽36的环形法兰34之间，罩或帽36设置在盘14和叶片10的上游。法兰30、32、34具有供螺钉37或类似物通过的轴向孔，用于将各法兰夹紧到一起。

帽36大致呈向下游张开的截锥形状，其中由叶片间平台16限定的壁沿轴向延伸该帽。帽36具有径向孔38，用于安装配重40。

在风扇叶片12受损的情况下，该叶片撞击相邻的风扇叶片，所述相邻的风扇叶片于是承受很强的上游轴向力，该力通过与叶片相关联的隔离件22被传递到上游颊板28上。叶片根部18承受此轴向力始于沿轴向压靠隔离件尖头24的面26(箭头F)，尖头24然后进而沿轴向支承抵靠颊板28，颊板28弹性变形以缓冲一部分上述轴向力。用于将叶片12沿轴向保持在盘上的保持机构也安装在下游盘上。

当上述轴向力被传递时，隔离件的尖头24在由虚线42示意性表示的平面中承受大的剪切力。为了承受这些剪切力，尖头24沿轴向具有过度尺寸，从而导致尺寸和重量方面的缺点。

本发明用于通过在尖头上提供支承抵靠叶片根部的倾斜面对这些缺点进行补救，此倾斜面形成楔入效应，使得在叶片根部与盘中槽的侧壁之间的摩擦力和支承力增大，从而吸收一部分由于风扇叶片破损所致的冲击。

在图2和3中所示实施例中，盘14、颊板28、帽36与图1中的相同。

叶片12’与图1中所示的不同之处在于，其根部18包括在其上游端的面44’用以支承抵靠隔离件22’的尖头24’，此面44’相对于风扇的轴线A倾斜延伸，下文中将详细描述。此倾斜面44’形成在叶片根部的径向内端，且其将根部的上游径向面46’连接到其径向内纵向面48’。

在如图所示的组装后位置和无应力状态下，叶片根部18’的上游径向面46’沿轴向支承抵靠在尖头24’的径向外端部分上设置的下游径向面26’，用于以精确方式将叶片根部沿轴向定位在盘14上。

在径向面46’的径向内侧，尖头24’还包括面向叶片根部的面44’定位的面50’，用于在风扇叶片12’破损的情况下通过支承抵靠而与所述面44’配合。此面50’相对于风扇的纵轴A而倾斜延伸，并大致平行于叶片根部的倾斜面44’。

在尖头的倾斜面50’与风扇的轴线之间形成的角度α在10°至80°的范围内，且优选地在20°至70°的范围内。角度α在所示的示例中约为40°至50°。

在如图所示的无应力状态下，叶片根部和尖头的倾斜面44’和50’在它们之间形成小于10°的角度β，优选地约在2°至5°的范围内。面44’和50’朝向下游相互分开。

齿或槽52’或表面起伏部可形成在尖头的倾斜面50’上，下文中将作解释。

尖头的倾斜面50’通过横向槽54’连接到尖头的径向面26’上。此横向槽在所示的示例中具有凹形圆滑形状的截面。

在叶片根部沿轴向支承抵靠尖头径向面26’的情况下，此槽54’有利于使尖头24’沿上游方向弹性变形，其中尖头在槽54’中弯曲。槽54’还形成用于削弱尖头24’的装置，使得尖头的径向外部分在由隔离件传递的轴向力达到特定阈值时断开。虚线56’示意性表现尖头24’的径向外部分的断裂平面。

在风扇叶片受损的情况下，相邻叶片12’沿轴向被向上游推动，并将大的轴向力施加到尖头24’的径向外端上，尖头24’的径向外端弹性变形直至特定阈值，由此使叶片根部18’能够通过其倾斜面44’支承抵靠尖头的倾斜面50’，直到这两个倾斜面44’和50’变得相互平行，并在其整个延伸部分上相互压靠。叶片12所承受的一部分冲击(箭头F)通过抵靠盘的槽20的侧壁的叶片根部的冲力和摩擦(箭头f_f)被吸收。其余轴向力通过隔离件的尖头24’被传递到颊板28，颊板28进而通过夹具29、31将力传递到盘14，尖头24’承受的剪切力(箭头f_c)小于图1中所示的。槽52’或表面起伏物用于通过摩擦和平化而吸收另外部分的冲击能量，而叶片根部的倾斜面44’压靠隔离件的倾斜面50’。

本发明可使得隔离件的尖头24’轻于现有技术的结构，因为它们在叶片受损情况下承受的剪切力比现有技术中小得多。本发明还可省略安装在叶片下游的轴向保持装置，并因而显著减轻风扇的重量。

Claims (13)

1.一种涡轮机风扇转子，包括：

盘(14)，用于承载叶片(12′)，所述叶片具有的根部(18′)接合在所述盘的外周边中的大致轴向的槽(20)中；和

隔离件(22′)，每个隔离件介于所述盘中的槽的底部与对应的叶片根部之间，每个隔离件的上游端被设计为支承抵靠被紧固到所述盘上的保持颊板(28)，所述隔离件包括尖头(24′)，所述尖头沿径向向外延伸并被设计为保持所述叶片根部的上游端，

所述转子的特征在于，每个隔离件的尖头具有下游邻接面(50′)，所述叶片根部的上游端在强力的情况下支承抵靠所述下游邻接面，此下游邻接面相对于所述转子的旋转轴线(A)倾斜。

2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述尖头(24′)的下游邻接面(50′)相对于所述转子的轴线(A)形成一角度(α)，所述角度在10°至80°的范围内，例如约在20°至70°的范围内。

3.根据权利要求1或2所述的转子，其特征在于，所述尖头(24′)的下游邻接面(50′)面对所述叶片根部(18′)的上游面(44′)就位，所述上游面也相对于所述转子的旋转轴线(A)倾斜地延伸，并大致平行于所述尖头的倾斜下游面。

4.根据权利要求3所述的转子，其特征在于，在无应力状态下，所述尖头(24′)和所述叶片根部(18′)的面对的倾斜面(44′，50′)相对于彼此倾斜一小于10°的角度(β)，例如约在2°至5°的范围内，该角度易于在施加于所述叶片的强力的情况下由于所述尖头的弹性变形而消失。

5.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，所述尖头(24′)在其径向外端包括一下游径向面(26′)，用于沿轴向定位所述叶片根部(18′)的上游端。

6.根据权利要求5所述的转子，其特征在于，在无应力状态下，通过所述叶片根部支承抵靠所述尖头的下游径向面(26′)，所述尖头(24′)和所述叶片根部(18′)的面对的倾斜面(44′，50′)保持相互分开。

7.根据权利要求5或6所述的转子，其特征在于，所述尖头(24′)的下游径向面(26′)通过一横向槽(54′)被连接到所述尖头的倾斜面(50′)上，所述横向槽被设计为有利于所述尖头的径向外部分沿上游方向弹性变形。

8.根据权利要求7所述的转子，其特征在于，所述槽(54′)具有凹形圆滑形状的截面。

9.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，所述尖头(24′)的倾斜面(50′)是平滑的。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的转子，其特征在于，所述尖头(24′)的倾斜面(50′)上形成有槽(52′)或齿。

11.一种涡轮机，例如飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机，所述涡轮机的特征在于，其包括根据权利要求1至10中任一项所述的风扇转子(10)。

12.一种叶片根部隔离件，用于根据权利要求1至10中任一项所述的风扇转子，所述隔离件的特征在于，其在一端处包括尖头(24′)，所述尖头具有用于支承抵靠所述叶片根部的两个面，这两个面由用于定位所述叶片根部的径向的第一面(26′)和用于保持所述叶片根部的倾斜的第二面(50′)形成。

13.根据权利要求12所述的隔离件，其特征在于，所述径向的和倾斜的面(26′，50′)通过一横向槽(54′)相互连接，所述横向槽具有凹形圆滑形状的截面。

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