CN102112702B - 用于涡轮机叶片附件的减振装置、相关涡轮机和相关引擎 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种减振装置，其用于涡轮机叶片，涡轮机叶片装备有能够插入到叶片轮载架盘(1)的凹部(2)中的叶片根部(6)，所述装置能够定位在所述叶片根部与所述凹部的保持壁(14a，14b)之间。该装置包括由刚性材料层(8，10)和粘弹性材料层(9)组装而成的至少一个垫片(7)，垫片(7)包括两个部分，每个部分形成能够沿两个保持壁(14a，14b)中的一个被插入的侧向分支(7a，7b)，两个侧向分支通过形成垫片底部(7c)的刚性材料的第三部分被相互连接以形成单一部件。至少一个粘弹性材料层位于两个刚性材料层(8，10)之间。

Description

用于涡轮机叶片附件的减振装置、相关涡轮机和相关引擎
技术领域
本发明涉及涡轮机领域，特别是涉及气体涡轮引擎领域，例如涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机或具有高速风扇(也已知为“推进风扇”)的引擎。目的在于提供一种用于这些引擎的叶片附件的减振装置。 
背景技术
航空涡轮机包括多个叶片转子，即旋转盘，移动的叶片连接到其周边。这些叶片转子是特别敏感的部件，因为根据其设计，它们在旋转时和在空气动力载荷下必须满足机械完整性要求。所有这些方面意味着，这些结构被静止地加载，而且在给定使用寿命要求下，其经历的振幅需要保持较小。 
涡轮机的设计和开发涉及多学科协调，这意味着，设计过程是反复进行的。执行振动设计以避免在操作范围内存在危急的模式。在设计周期末期通过引擎检测(其中测量振幅)进行总体核验。有时，由于同步或非同步的强制反应或者由于不稳定性，导致产生较高的感应水平。设计因而需要重新检查，这是一个特别冗长而且高成本的过程。 
因此，基于业界角度的目标在于，在设计周期中尽可能早地预测出结构将产生的振动响应水平，从而能够在设计周期中尽可能早地采取所需的纠正措施。在此类别中包含的机械减振是设计者应着重的重要方面。 
压缩机翼体的减振是特别需要注意的问题，因为这些翼体对振动现象特别敏感，尤其是当其长度较大时。因此，这一问题对于低压压缩机的第一级的翼体而言特别严重，无论其为涡轮螺旋桨发动机级(其叶片转子是无管道的)还是旁路涡轮喷气发动机级(其转子或“风扇”是有管道的或者甚至是推进风扇引擎的无管道转子)。 
而且在推进风扇引擎的情况下特别复杂，因为一方面，这些翼体的细长程度是当前用于风扇中的翼体的细度的两倍，因而对颤振现象更加敏感，而且考虑到第一风扇对第二风扇的伴流效应，存在两行抗转风扇的这一事实产生显著的强制激励应力。在两行抗转风扇的振动模式之间的关联通过支撑结构实现，所述结构证实可能对引擎造成破坏(有时会遇到)。此外，推进风扇不同于管道风扇，对已知为1P载荷的载荷敏感，1P载荷在引擎采用入射角时，特别是当飞机起飞转动时出现。在这些阶段中，推进风扇的翼体不经历均一的空气流入射角，这是由于所述入射角根据其角度位置而变化并因而承受与引擎速度同步的特定激励。 
翼体在传统上通过销式附件类型的组件连接到压缩机盘上，也就是说，通过开放腔(形成叶片根部的球体滑入其中)。这些腔被切割为盘，并具有供叶片根部的对应面支承抵靠的保持壁。 
已经设计出用于减少叶片振动的装置，一个示例是在NASA专利US6102664中所描述的装置，其涉及将粘弹性材料结合到与盘中的腔的保持壁接触的叶片根部的那些面上。这种技术具有的缺点是，需要修改风扇或推进风扇叶片的制造方法，且其不适于对现有叶片翻新。其还具有的缺点是，当减振装置发生劣化时，整个叶片不得不改变，这不同于在此提出的减振装置分离于叶片的结构。 
现有技术的另一技术涉及将垫片插入腔表面与叶片根部球体表面之间。这样的垫片在通用电气公司的专利US 5240375中描述，其采用被组装为夹层结构的多金属层的形式，其中，奥氏体钢层被夹在两个具有低摩擦系数的磷青铜层之间。然而，其目的在于避免接触部件磨损，并对翼体承受振动应力的能力不存在明显的影响。 
申请人公司的专利EP 2014873描述一种垫片，其具有交替的刚性层和由弹性材料制成的层。 
发明内容
本发明的目的在于，对利用销式附件被保持在其盘上的飞机引擎叶片的减振进行改进。 
对此，本发明的主题为一种减振装置，用于涡轮机叶片，所述涡轮机叶片装备有翼体和能够被插入到支撑叶片转子的盘中的腔中的叶片根部，所述装置能够定位在所述叶片根部与所述腔的两个保持壁之间，并且处于在操作中所述叶片根部与所述腔之间发生接触的区域，所述装置包括由刚性材料层和粘弹性材料层组装而成的至少一个垫片，至少一个粘弹性材料层位于两个刚性材料层之间，所述垫片包括两个部分，每个部分形成能够沿所述两个保持壁中的一个被插入的侧向分支，所述两个侧向分支通过形成所述垫片底部的刚性材料的第三部分被接合在一起以形成单一部件，其特征在于：所述垫片的底部相对于所述侧向分支定位，以在装配之后处于所述叶片根部的上游端或下游端处。 
插入包括至少一个粘弹性材料层和两个刚性材料层的层式垫片，可通过使所产生能量耗散而增强叶片的减振。这可使叶片的振动模式朝向低频转移，并由此促使它们低于引擎怠速。定位形成叶片根部上游或下游的垫片底部的部分，可确保侧向分支将最优地定位以与保持壁接触，而不会有任何可能由于垫片底部与腔底部甚至叶片根部之间的接触而形成的妨碍。这因而确保构成侧向壁的各层的相对移位不受干扰，而且以这种方式，这些壁将完全执行其减振功能。 
根据优选实施例： 
-所述垫片由大于3的奇数的层组装而成，其中所述粘弹性材料层与所述刚性材料层交替设置，最外层为刚性材料层。 
-所述粘弹性材料的特征对于不同层是不同的。 
-所述刚性材料的特征对于不同层是不同的。 
-所述垫片的底部与所述侧向分支的刚性材料层之一形成单一件。 
-所述垫片通过扁平部件获得，所述扁平部件包括利用折叠线相互分离的三个连续的区段，其中形成所述垫片底部的区段位于形成所述侧向分支的两个区段之间。 
本发明的另一主题在于，一种涡轮机，包括支撑叶片转子的至少一个盘，所述叶片转子的叶片通过将如前述减振装置插入而被插入到所述盘的腔中。 
根据优选实施例： 
-一种具有风扇的气体涡轮引擎的风扇级的盘设有前述减振装置。 
-一种推进风扇引擎的承载无管道风扇的至少一个级的盘设有前述减振装置。 
附图说明
通过以下参照附图对本发明各种示例性实施例的描述，其它特征和优点将变得明显。 
在这些图中， 
图1是使用销式连接技术的压缩机盘的截面图； 
图2是在可变斜度风扇叶片情况下的腔的透视图； 
图3是根据现有技术将叶片保持在盘腔中的装置的截面图； 
图4是根据本发明一个实施例构成承受压缩应力的垫片的材料的截面图； 
图5是根据本发明一个实施例构成承受剪切应力的垫片的材料的截面图； 
图6是根据本发明一个实施例的垫片在其被弯曲成形之前的平面图； 
图7和8分别是根据本发明一个实施例的垫片在其被弯曲成形之后的前视图和俯视截面图； 
图9是用于通过盘腔保持叶片的装置的截面图，其中根据本发明一个实施例的垫片被插入腔与叶片根部之间；和 
图10是叶片及其就位于盘腔中的根部的截面图，其中具有根据本发明 一个实施例的垫片，显示出载荷如何传递并显示出相关运动方向。 
具体实施方式
参见图1，其中显示出用于涡轮机的压缩机盘1，压缩机盘1的周边被切割而具有腔2，各腔2沿整个周界均匀分布。图2显示出用于可变斜度引擎的销式附件；腔2从柱形部件3中切制而成，柱形部件3在其下端止于由盘1保持的枢轴4中并被安装为能够自由旋转。腔2沿径向向外开放以允许叶片进入，并具有两个保持壁14用以在引擎运转时保持叶片。图3显示出叶片5的根部6，根部6采用球体或燕尾的形式，并被插入盘1的一区段的腔2中。 
现在参见图4，其中显示出用于形成垫片7的材料层，垫片7可被插入压缩机叶片5的根部6与对应盘1的腔2的保持壁14a和14b之间。在所示的示例中，材料层由三个被固定在一起的堆叠层构成，其中，两个最外层8和10由刚性材料(例如金属材料)制成，而中间层9由粘弹性材料制成。 
粘弹性是固体或液体的性能，其中，固体或液体在变形时通过同时耗散和储存机械能而呈现出粘性和弹性的表现。 
在所希望的引擎操作的热学和频率范围内，刚性材料的各向同性和各向异性弹性性能被选择为大于粘弹性材料的各向同性和各向异性性能。在非限制性示例中，刚性层的材料可为金属或复合物类型，而粘弹性层的材料可为弹性体、橡胶、硅树脂、聚合物、玻璃或环氧树脂类型。 
将层数指定为3仅用于例示，层数可以更多，只要存在连续的刚性层和粘弹性层，且最外层由刚性材料制成即可。层数首先作为可用空间的函数被限定，其次作为被给定以实现所希望减振的垫片7的刚性和粘性的函数而被限定。根据应用，粘弹性材料层和刚性材料层可具有相等尺寸或不同尺寸。当垫片包括多个粘弹性材料层时，它们可均具有相同的机械性能，或者可替代地，她们可具有不同性能。同样地，刚性材料层可均具有相同的机械性能，或者可替代地可具有不同的性能。 
在图4中，材料层承受压缩应力，因此其中没有明显的变形。与此不同的是，在图5中材料层承受剪切应力，并可见侧向移动，粘弹性材料层9变形以允许其移动。相关变形允许通过叶片5的移动被传递的一些能量被耗散，由此修改此叶片的振动模式。 
图6显示出根据本发明的垫片的最外层之一在其成形前的状态，其包括由三个连续线性区段构成的条，这三个连续线性区段利用两个折叠线11和12相互分离。图7和8分别显示出根据本发明的垫片在其沿折叠线11和12弯曲之后的前视图和在截面VIII中的俯视图。在所示实施例中，仅有两个垫片最外区段7a和7b具有层式结构，位于两个折叠线11和12之间的第三区段7c被形成为单一的刚性材料层，不具有分层。考虑到简化生产的原因，第三区段7c形成为与将用于定位在折叠部内侧上的最外层10连续。在另一实施例中，第三区段7c可形成为与将定位在折叠部外侧上的最外层8连续，或者与在所述装置包括中间层时与刚性材料中间层之一连续。 
在这种构造中，当俯视时，垫片大致为U形，但U形的两个侧向分支7a和7b相对于U形的对称面倾斜，这是由于围绕平行于此面的直线而旋转所致。U形的基底形成垫片底部7c，并垂直于此面，且用于使垫片7的两个侧向分支接合到一起。垫片用于在叶片根部6的上游端或下游端处按照空气流过引擎的方向抵靠叶片5定位。 
图9显示出在压缩器盘1的腔2中就位的垫片7的两个部分。两个分支7a和7b介于叶片5的根部6的上壁13a和13b与腔2的保持壁14a和14b之间。由于粘弹性材料层的扁平形状以及它们保持在扁平刚性材料层之间，因而这些层在由于离心力从叶片传递到保持壁14a和14b所致的压缩影响下变形较小。与此不同的是，这些层在所述层的平面中保持其变形能力。 
当叶片开始旋转时，垫片7首先由于压缩机旋转时施加于叶片根部6的离心力而被压缩，并其次承受剪切，所述剪切取决于保持壁14a和14b与穿过腔2中心的径向所成角度。在此剪切应力下，粘弹性层9变形，与叶片根部6接触的两个分支7a和7b的刚性层10沿径向向外移动。一旦引擎速度 达到恒定值，并且没有任何振动应力，则垫片7在此变形位置保持静止。 
图10显示出垫片7在叶片5弯曲振动(也就是说，其沿引擎旋转轴线的运动)过程中所承受的载荷。叶片5的根部6由于围绕与腔2的中心轴线共线的轴线的旋转运动而被驱动，另外的剪切力被施加于垫片7的侧向分支7a和7b。如果叶片5沿图10中所示方向运动，则右方分支7b将经历剪切力增大，而左方分支7a将经历剪切力减小。其次，弯曲振动易造成叶片5沿相反方向返回，由此使分支7b经历剪切力减小且分支7a经历剪切力增大。这种挠曲在粘弹性材料中引发的往复运动使得振动能量耗散，并产生所希望的减振效果。 
应注意，垫片底部7c的定位防止此垫片妨碍侧向分支7a和7b的运动，而且，如果垫片底部与叶片根部6或者与腔2的底部接触，则在这些分支中产生寄生张力(parasitic tension)。 
虽然本发明已经结合一个具体实施例进行描述，但很清楚，本发明涵盖处于本发明范围内的所述方案及其组合的所有技术等同方案。 

Claims (6)

1.一种减振装置，用于涡轮机叶片，所述涡轮机叶片具有翼体和能够被插入到支撑叶片转子的盘(1)中的腔(2)中的叶片根部(6)，所述装置能够定位在所述叶片根部与所述腔的两个保持壁(14a，14b)之间，处于在操作中所述叶片根部(6)与所述腔(2)之间发生接触的区域，所述装置包括由刚性材料层(8，10)和粘弹性材料层(9)组装而成的至少一个垫片(7)，至少一个粘弹性材料层(9)位于两个刚性材料层(8，10)之间，所述垫片(7)包括两个部分，每个部分形成能够沿所述两个保持壁(14a，14b)中的一个被插入的侧向分支(7a，7b)，所述两个侧向分支通过形成所述垫片的底部的刚性材料的第三部分被接合在一起以形成单一部件，其特征在于：所述垫片的底部相对于所述侧向分支(7a，7b)定位，以在安装之后，其处于所述叶片根部(6)的上游端或下游端处。 
2.如权利要求1所述的减振装置，其中，所述垫片(7)由大于3的奇数的层组装而成，其中所述粘弹性材料层(9)与所述刚性材料层(8，10)交替设置，并且其中最外层为刚性材料层(8，10)。 
3.如权利要求2所述的减振装置，其中，不同层的粘弹性材料的特征是不同的。 
4.如权利要求1至3中任何一项所述的减振装置，其中，不同层的刚性材料的特征是不同的。 
5.如权利要求1至3中任何一项所述的减振装置，其中，所述垫片的底部(7c)与所述侧向分支(7a，7b)的刚性材料层(8，10)中的一个形成单一件。 
6.如权利要求5所述的减振装置，其中，所述垫片由一扁平部件获得，所述扁平部件包括利用折叠线(11，12)相互分离的三个连续的区段，其中形成所述垫片底部(7c)的区段位于形成所述侧向分支(7a，7b)的两个区段之间。 
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