CN102654141A - 能够修正转子相对于定子偏差的分节段壳体 - Google Patents

能够修正转子相对于定子偏差的分节段壳体 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种覆盖轴向涡轮机压缩机转子叶片排的端部的外罩，所述外罩具有在叶片翼梢和该外罩之间密封装置。外罩包括壳体(22)，壳体沿其圆周分割成节段，每个节段通过一系列人造橡胶元件(30)被固定到所述外罩(12)上，这些橡胶元件位于凹进外罩内表面成通道形状的凹槽内。以这样的方式，在转子相对于定子有偏差的情况下，与壳体的节段接触的所述转子叶片(24)能够移动以补偿该偏差，同时减少由叶片和壳体之间的接触而产生的摩擦力。在重新建立对准的情况下，壳体的节段能够因人造橡胶元件(30)的弹性行为而重返它们的初始位置。

Description

能够修正转子相对于定子偏差的分节段壳体
技术领域
本发明涉及一种用于覆盖转子叶片排的翼梢的外罩(housing)，所述外罩具有在叶片翼梢和外罩之间的密封装置。更具体地，本发明涉及一种用于轴向涡轮机压缩机(axial turbomachine compressor)的外罩。本发明还涉及一种包括这样的外罩的轴向涡轮机压缩机。
背景技术
美国专利文件6,406,256B1公开了一种位于轴向涡轮机转子和定子之间的旋转密封件。具体地说，该文件阐述了解决在覆盖较宽温度范围的运行条件下叶片翼梢和外壳体之间的间隙变化的补偿问题，此类间隙变化典型地存在于涡轮机的涡轮部分中。密封装置包括围绕转子叶片翼梢布置的分节段的壳体。每一节段通过指形件而被保持在定子外罩壁内，这些指形件在彼此相对的方向上与外罩壁上相应槽成角度，与在外罩壁上相应的槽一起起作用。在不同节段温度升高的情况下，外罩壁上相应的槽会轻微地膨胀和延长。这种延长会引起移动指形件远离它们的初始停止位置。因为指形件与外罩壁上相应的槽是成角度的，所以这些指形件会径向地从转子移开，这会有效地拉动节段向上，从而补偿由于温度升高引起的节段叶片翼梢闭合。此补偿设备是引人关注的，但是缺乏对除了由温度变化以外的其它现象引起的间隙变化的补偿。实际上，位于转子叶片排和壳体之间的间隙还会根据它们的旋转速度而变化，也会受到由于操纵负荷(与涡轮机状态变化有关的陀螺转矩)和外来物体(例如鸟)的吸入引起的任何偏差的影响。在转子和定子之间的偏差会改变叶片翼梢和壳体之间的物理间隙，以致于叶片翼梢在个别区段上会碰到壳体，而在相反区段上间隙会显著增大。
美国专利2008/0159850A1公开了一种在轴向涡轮机的涡轮段的转子和定子之间的旋转密封件。该专利阐述了解决壳体温度高和必须冷却该壳体的问题。所提及的解决方案大体上由快速紧固装置、推动组件和壳体拆卸组成。更具体地，它包括提供分节段的壳体，在该壳体中每个节段具有径向地指向定子外侧的楔形横截面圆周肋。所述肋与相应的大致在定子外罩壁上的凹槽部分结合起作用。可选地，弹簧可以被放置在外罩壁上来向节段施加力，该力朝向转子旋转中心大致径向地作用。此弹簧用于在所述槽表面和相应的楔形截面肋表面之间施加接触力以确保一定程度的紧密。密封件也可以侧向布置在肋上，位于与壳体内表面相对的节段表面和外罩壁的内表面之间。因为涡轮机在高温下工作，所以这些密封件由固体材料制成。该方案的优势在于通过相对于外罩壁的简单平移运动就能够很容易地替换壳体的不同组成节段。与该专利图3可能表明的相反，壳体的组成节段不能径向地移动，更不必说对于任何偏差或任何间隙变化的补偿了。
专利FR2636373A1涉及在燃气轮机中不同的热膨胀的问题，更具体地，涉及对于在转子叶片翼梢和相关壳体之间的间隙变化的补偿。所提及的方案单个闭合环状套，该闭合环状套借助一系列补偿器利用空气波纹管安装在转子箱上。压缩后的空气被供向补偿器以向壳体施加径向力，进而控制在叶片翼梢和壳体之间的径向间隙。虽然该解决方案在技术上令人感举并且可能有效，但是自身局限于均匀地补偿在整个圆周范围的间隙。因此，在转子和定子之间有偏差情况下，不能补偿间隙变化。另外，该方案需要控制空气压力的装置，这使得实施该方案相对昂贵和容易失效。
发明内容
在涡轮机的寿命中，增大间隙的不可逆因素之一是转子轴线相对于定子出现偏差，从而间隙在一侧缩小而在另一侧加大。
对于涡轮机，存在至少两个可逆的并受限于运行持续时间的偏差来源：第一，偏差来源与操纵负荷(与涡轮机姿态变化有关的回转转矩)相关，以及第二，与外来物体(例如鸟)的吸入有关。另一方面，可逆的且可修复的轻微偏差可能发生在涡轮机寿命期间。此轻微偏差由与转子的孤立损坏有关的不平衡引起，不论是偶然或非偶然。当偏差发生时，易碎(可磨损的)材料的薄层不可逆地从工作表面脱落；这导致间隙的不可逆增加，从而同样导致涡轮机性能不可逆地下降。
除了由空气动力学的性能损失引起的问题，转子轴相对于定子的偏差引起在初级流动通道内的可磨损颗粒释放，这可能引起发动机损坏(具体地，由涡轮上的通风孔被堵塞引起)。
此外，如果出现较大偶然偏差，转子箱必须能保证高能运动部分不会穿透。因此，转子箱的结构应设计为能够承受这样的极限情况。
本发明的一个目的是提供在轴向涡轮机的转子和定子之间的密封件，从而克服至少一个上面提及的问题。更具体地，本发明的目的是提供与转子和定子之间的偏差相适应的在轴向涡轮机转子和定子之间的密封件。更具体地，本发明的目的是提出一种解决轴向涡轮机压缩机的上述问题之方案。
本发明涉及覆盖轴向涡轮机压缩机的转子排的叶片翼梢的外罩，包括：结构壁；用于围绕叶片排且由所述壁支撑的分节段的壳体；其中，所述外罩进一步包括布置在所述壁和所述壳体的节段之间的弹性装置，以在与转子叶片的翼梢接触的情况下，特别是在转子旋转轴相对于外罩轴偏差的情况下，使所述节段能径向地移动。
根据本发明的一个有利实施方式，弹性装置支撑节段。节段专有地被弹性装置保持。
可选地，可以通过机械保持力的方式限制节段向翼梢的径向移动。
根据本发明的另一个有利实施方式，弹性装置包括一个或多个由一种或多种弹性变形材料制成的元件，所述元件的弹性主要基于所述材料的弹性，所述材料优选是人造橡胶。
根据本发明又一个有利实施方式，弹性装置包括多个圆周方向地和/或轴向地分布的弹性元件。
根据本发明又一个有利实施方式，弹性元件是彼此间隔分开的，以使它们可以自由地变形。
根据本发明又一个有利实施方式，弹性装置包括多个均具有附接到所述壁的第一端和附接到壳体节段的第二端的弹性元件。
根据本发明又一个有利实施方式，所述第一端和/或第二端是通过粘合，尤其是通过扩散和/或胶合附接的。
根据本发明又一个有利实施方式，所述壁具有内凹槽，所述弹性装置至少部分地容纳在所述凹槽里。
根据本发明又一个有利实施方式，所述壳体的节段各自具有在壳体圆周方向上斜切的端部。
节段的被连接端部优选地彼此关联，并且被斜切而使得：节段朝向箱体的径向移动通过端部联接引起相邻节段沿转子旋转方向的类似移动。
根据本发明又一个有利实施方式，节段的端部大体上相对于切线在30°与60°之间倾斜的横截面，所述横截面优选是平直的。
根据本发明又一个有利实施方式，每个壳体节段的端部在圆周方向上以相同方向倾斜。
根据本发明又一个有利实施方式，壳体节段具有与叶片翼梢摩擦地相容的内表面。
根据本发明又一个有利实施方式，所述壳体节段的内表面具有为叶片翼梢与所述内表面摩擦的情况而设置的脆性涂层。
本发明还涉及一种轴向涡轮机压缩机，其包括：转子；设有至少一排叶片；定子，具有容纳转子的外罩，其特征在于外罩是根据本发明而构造的。
根据本发明的一个有利实施方式，当转子旋转轴与转子轴对准时，在正常运行中，在叶片翼梢与所述壳体之间有机械间隙。
与背景技术中所讨论的现有技术不同，本发明具有允许节段之间径向位移从而补偿定子和转子之间的偏差的优势，特别是在飞行器姿态改变的情况下或者因为外来物体吸入。已认定的现有技术关注于涡轮的热问题而没有以任何方式解决偏差的问题。例如在姿态变化期间，偏差问题可能突然出现，然后消失。所建议的方案通过使主体分割成节段并用弹性件使这些节段维持状态，从而使壳体能顺应偏差后再回复到其原始圆形形状。
人造橡胶材料块的使用具有人造橡胶的固有的高阻尼系数的优势。
附图说明
图1是飞行器发动机类型的双转子轴流涡轮风扇的示意性截面视图，飞行器发动机的低压和/或高压压缩机可能装备有一个或多个本发明描述的密封装置。
图2是图1中发动机的低压压缩机的部分截面视图，所述低压压缩机装配有本发明描述的密封装置。
图3是图2中压缩机的密封装置之一的截面视图。
图4是图3中弹性元件之一的细节视图，所述弹性元件在壳体和外罩之间连接。
图5是图4中的弹性元件处于被压缩状态的视图。
图6是图2中一个压缩机部分的截面视图，描述了本发明的密封装置。
图7是可替换图3所示密封装置的密封装置的截面视图。
具体实施方式
在下面的描述中，用来描述壳体和外罩壁的表面的术语“内部”和“外部”与形成在套筒(sleeve)和外罩壁之间的封套相关；“内部”于是意味着在封套内侧，“外部”意味着在封套外侧。
相反，请注意，针对壳体(不是对于其表面)的术语“外部”涉及大致环形流体流；“外壳体”是指仅仅在流体流的外或外侧边界内的壳体，而“内壳体”是指仅仅在流体流的内或内部边界外侧的壳体。
如图1所示轴向涡轮机2是双转子飞行器喷气发动机。从上游到下游，它包括低压压缩机4、高压压缩机6、燃烧室8和涡轮10。低压和高压压缩机是不受高温影响的，涡轮是承受高温的。因此，使用具有较低熔点的材料来制造压缩机的各构件是有可能的。图2示出图1中的低压压缩机4如。图2所示的是具有数排所谓转子叶片24的转子20。定子由外罩12和壁16组成，壁16标示出二级空气流的边界。外罩12支撑着一系列固定叶片(即所谓定子)26。每个圆周排的定子叶片与一个圆周排的转子叶片一起构成一个压缩级，其目的是增加穿过该压缩级的流体(在此为空气)的压力。因为压力梯度通常是在轴向方向的，所以有必要在旋转和固定部分之间沿着流体流自始至终提供密封装置。外壳体22以一定量的接触配合在每排转子叶片24的外翼梢之上，以此来确保密封。
图3是装有本发明描述的密封装置的外罩的截面视图。该外罩壁12包括成型凹槽32，其以凹进外罩内表面而成的通道形式存在。该凹槽包含一系列固定到其底部表面并固定到壳体22上的弹性变形元件30。弹性变形元件30部分地位于凹槽内。壳体22单独地通过弹性变形元件30定位且固定到箱体上。
壳体具体化为一系列分开的节段22，以便在转子和定子之间有偏差的情况下其可以独立地移动。事实上，弹性变形元件30保证在这些不同节段和外罩之间的弹性连接，以便在叶片翼梢与壳体内表面接触的情况下，在叶片接触力下受该接触影响的壳体节段可以通过弹性变形元件30的变形向凹槽移动。
元件30的变形效果如图4和图5所述。在图4中，可以观察到元件30在其正常状态，在该状态下壳体的节段22的外表面与箱体12的凹槽的底部表面相距距离e。该距离e是元件30的高度。在图5中，同一个元件30在由叶片翼梢与壳体节段22的内表面接触而产生的力的影响下处于变形状态。元件30具有高度为e’的桶状，e’小于e，e’对应于壳体节段22的外表面和在外罩12上的凹槽的内表面之间的新距离。
弹性变形元件30优选地由人造橡胶材料制成。这些弹性变形元件30优选是分别粘合到外罩上和壳体上。也可以通过扩散、螺钉或其它本领域技术人员已知的连接方法连接。弹性变形元件优选由固有弹性变形材料制成，这些材料赋予这些弹性变形元件弹性变形的能力。弹性变形元件也可以是机械变形元件，机械变形元件的弹性变形能力是基于弹性变形材料和诸如弹簧等特定几何结构的组合。
如图3中所示，壳体节段优选是通过轴向布置的几个弹性变形元件连接到外罩。
图6是图2中压缩机外罩的一部分的截面视图。从中可以看出，壳体被分割成为一系列分立的部分或节段，这些部分或节段彼此分立。每个节段22的两个圆周方向端部以相同的方向斜切，以保证不同节段之间连接的连续性。应当注意到所述斜切是相对于转子旋转的方向定向的，这是为了避免连接处的突出部分与移动的叶片可能的正面接触。从图6可见，斜切所成的角度使任何节段的任何向外的径向移动能够引起随后的节段与其一起沿转子旋转方向移动。在前一个节段尾端的斜切面向外推动在随后节段前端的斜切面。因此，在连接处的壳体的内表面基本上保持连续。尽管壳体静止时为圆形，但是它可以变形以与转子和定子之间的任何偏差相匹配。
节段的斜切端通常优选是大致平面。然而，它们可以取各种的形状以保证相邻节段可以互锁，从而如上面所述，当转子的旋转对某些节段施压时，能够保证在节段之间的连接处的壳体内表面的连续性。例如，所述端部可以在垂直于机器旋转轴的平面上具有阶梯状轮廓。
弹性变形元件30位于专设的基底上，并且这些弹性变形元件彼此相距几个圆周方向的排。使弹性变形元件30轴向地和/或圆周方向地彼此间隔开，从而允许单独的弹性变形元件自由地和独立地变形。因此，这样的布置方式意味着：在穿过压缩机的流体流中的位于叶片排上游的一点与在该流体流中的位于下游的另一点之间不存在密封。在壳体的上游边缘和下游边缘与凹槽32的相应边缘之间(见图3)分别设置最小间隙，以保证得到可接受的密封。
但是，有可能在壳体上游边缘和下游边缘与外罩中的相应凹槽之间设置密封装置。实际上，如图7所述，，通过例如粘合将密封件34固定于凹槽32的与壳体22的上游边缘和下游边缘对应的边缘。除了提供密封之外，所述密封件还可以用于衰减壳体不同节段的移动。
通常，应当注意的是壳体在其内表面上可能有脆性材料涂层，当涂层与转子叶片摩擦接触时，涂层能够碎裂。这样的涂层称为“可磨损的”，为本领域技术人员所熟知。壳体移动和变形以匹配定子和转子之间的偏差的能力可以意味着更薄和/或更硬的涂层、甚至没有涂层都是可以的。实际上，由于密封装置的优势，可以理解，能够使用没有任何类型的可磨损涂层的光滑表面金属壳体材料。较硬材料的使用意味着，在耐磨涂层和移动的转子翼梢之间的接触中没有或很少颗粒会脱落，这些颗粒能损坏发动机。
通常，也要注意到的是作为本文主题的密封装置是不需要提供完全密封的，特别是由于叶片翼梢和壳体内表面之间的物理间隙的存在。
还值得注意的是，对于弹性材料的元件或固体块30存在许多可能的替代物。实际上，存在许多具有较大或较小阻尼系数的弹性装置和器件。

Claims (15)

1.一种用于覆盖轴向涡轮机压缩机转子叶片排的端部的外罩，包括：
结构壁(12)；
分节段的壳体(22)，用于围绕所述叶片排并被所述壁支撑；
其中，所述外罩进一步包括：
弹性装置(30)，位于所述壁(12)和所述壳体的节段(22)之间，以所述节段在与转子叶片翼梢(24)接触的情况下，特别是在转子旋转轴相对于外罩轴有偏差的情况下，允许所述节段移动。
2.根据权利要求1所述的外罩，其特征在于：所述弹性装置(30)支撑所述节段(22)。
3.根据权利要求1或2所述的外罩，其中，所述弹性装置(30)包括一个或多个由可弹性变形的材料制成的元件，所述元件的弹性主要基于所述材料的弹性，所述材料优选是人造橡胶。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的外罩，其中，所述弹性装置(30)包括圆周方向地和/或轴向地分布的多个弹性元件。
5.根据权利要求4所述的外罩，其中所述多个弹性元件(30)是彼此间隔分开的，以使它们可以自由地变形。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的外罩，其中所述多个弹性元件(30)包括多个均具有附接到所述壁的第一端和附接到壳体节段的第二端的弹性元件。
7.根据权利要求6所述的外罩，其中，所述第一端和/或所述第二端是通过粘合，尤其是通过扩散和/或通过胶合附接的。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的外罩，其中，所述壁(12)具有内凹槽(32)，所述弹性装置(30)至少部分地被容纳在所述凹槽内。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的外罩，其中，所述壳体的节段(22)各自具有相对于套筒在圆周方向上斜切的端部。
10.根据权利要求9所述的外罩，其中，所述节段的端部具有大体上相对于切线在30°与60°之间倾斜的横截面，所述横截面优选是平直的。
11.根据权利要求9或10所述的外罩，其中，所述壳体的每个节段的端部在圆周方向上以相同方向斜切。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的外罩，其中，所述壳体的节段具有与叶片端部摩擦地相容的内表面。
13.根据权利要求12所述的外罩，其中，所述壳体的节段的内表面具有为叶片翼梢与所述内表面摩擦的情况而设置的脆性涂层。
14.一种轴向涡轮机压缩机，包括：
转子(20)，设有至少一排叶片(24)；
定子，具有容纳转子的外罩(12)；
其中，所述外罩是根据权利要求1到11中任一项所述的外罩。
15.根据权利要求14所述的轴向涡轮机压缩机，其中，当转子旋转轴与转子轴对准时，在正常运行中，在叶片(24)的端部和所述壳体(22)之间有机械间隙。
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