CN103038454B - 一种涡轮发动机压缩机定子的角扇形片及包含该角扇形片的涡轮发动机定子和涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种涡轮发动机压缩机定子角扇形片(18)，并包括：外环(24)和内环(22)；和在所述内外环(22，24)之间径向延伸并在其径向端部连接到所述环上的至少一个叶片(26)。在其中一个轴向端部处，外环(24)带有向所述轴向端部打开并在叶片(36)径向外端与之连接的外环(24)径向内舌部(36)和装有安装装置(46)的外环(24)的径向外舌部(28)之间延伸的腔室(42)，所述安装装置用来将定子角扇形片(18)安装到发动机的壳体(20)上。形成对接的嵌入件(607)至少局部地置放在腔室(42)内，所述形成对接的嵌入件(607)可通过接触来限制径向内舌部的径向移动，从而可改变所述径向内舌部(36)的振动特性。

Description

一种涡轮发动机压缩机定子的角扇形片及包含该角扇形片的涡轮发动机定子和涡轮发动机
技术领域
本发明涉及涡轮发动机压缩机定子的一般领域，诸如飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机。
背景技术
涡轮发动机压缩机包括多个压缩级，每个压缩级都包括环形的一排安装在发动机轴上的动叶片，同时还包括安装在发动机外环形壳体上的定子。
压缩机定子可以为环状构成，或者可以是扇形片形状(即，由多个角扇形片组成，这些扇形片围绕压缩机纵轴沿圆周方向首尾相接)。在整个本申请中，术语“定子角扇形片”(或更简洁称之为“定子扇形片”)都是用来表示定子的任何角扇形片，所呈角度小于或等于360°。
每个定子扇形片带有外环和内环，一个同轴布置在另一个之内，一个(或多个)叶片在两个环之间径向延伸并通过其径向端部而连接到环上。
例如，通过所述扇形片外环的每个轴向端上的安装凸部，每个定子角扇形片安装在发动机外环形壳体上，目的是与壳体内对应的环形沟槽相衔接。
工作时，这种定子扇形片会受到很高程度的机械应力，包括静态应力和振动应力。
在先前技术中，连接到外环部分上的叶片前缘和后缘都很厚，且很坚硬，这些机械应力最初是通过与定子扇形片外环相连接的前缘和后缘区来承受。因为这些连接区域很薄，且不够十分结固，从而存在前缘和后缘损坏或甚至破坏的风险。
专利文件EP 1 811 131提出了通过降低定子叶片连接部分刚性来减轻作用在定子扇形片叶片前缘和后缘上的应力，目的是优化来自叶片的各种力过渡到外环。为此，叶片前缘和/或后缘都连接到外环区域上，这些区域的刚性比外环区域低，特别是连接到安装凸部的外环区域。然而，该提议并没有令人满意地减小叶片前缘和后缘与外环连接区域内振动，目的是有效地避免叶片振动所导致的断裂。
发明内容
本发明旨在提出一种定子角扇形片，该扇形片可有效限制工作时定子扇形片每个叶片所承受的机械应力，特别是在叶片前缘和/或后缘处。
该目的可以通过涡轮发动机压缩机的定子角扇形片来实现，所述扇形片围绕径向对称轴线而延伸，并包括：一个外环和一个内环，一个同轴布置在另一个内；和至少一个在所述环之间径向延伸的并在其径向端部连接到其上的叶片；其中，外环在其每个轴向端带有安装装置，用来将定子角扇形片安装到发动机的壳体上；所述扇形片的特征在于，外环在至少一个轴向端处包括向所述轴向端打开的腔室，所述腔室在叶片径向外端与之连接的外环径向内舌和装有安装装置的外环的径向外舌之间延伸，所述安装装置用来将定子角扇形片安装到发动机的壳体上；而且其特征还在于，至少一个形成对接的嵌入件至少部分地置于所述腔室内，所述形成对接的嵌入件通过接触可限制径向内舌的径向移动，从而改变了所述径向内舌的振动特性。
在本申请中，且除非另有规定，“上游”和“下游”的定义是相对于发动机内气体正常流动方向(从上游至下游)。此外，发动机的轴线为发动机径向对称轴线。轴线方向对应于发动机轴线沿此延伸的方向，而径向方向为垂直于该轴线的方向。同样，“轴向”平面是含有发动机轴线的平面，而“径向”平面是垂直于该轴线的平面。除非另有规定，形容词和副词“轴向的”，“径向的”，“轴向地”和“径向地”都是参照上述轴线方向和径向方向而使用的。最后，除非另有规定，形容词“内”和“外”的使用是相对于径向方向，即嵌入件的内部或表面(即，径向内部或表面)较之同一嵌入件的外表面或外部(即，径向外表面或外部)更靠近发动机轴线。
在本发明中，形成对接的嵌入件(以下称之为“对接嵌入件”)构成了位于外环径向内舌部和外舌部之间的刚性垫片。
在第一使用方式中，对接嵌入件径向地紧紧抵住径向内舌部和/或径向外舌部。换句话说，在静止状态时，在对接嵌入件和径向内舌部之间和/或对接嵌入件和径向外舌部之间存在小量的预应力。然而，最大夹紧可以优化，使得对接嵌入件可方便安装和拆除。
在本发明的另一个实施方式中，刚性嵌入件则非常轻松地与外环的径向内舌部和/或径向外舌部相接触。
根据本发明的再一个实施方式，在静止状态时，在对接嵌入件和径向内舌部之间和/或对接嵌入件和径向外舌部之间存在小量间隙。然而，最大间隙进行优化，保证了系统足够有效性，避免会由此而产生的撞击和磨损的风险。值得关注的是，间隙会降低叶片和发动机壳体之间的连接刚性。
在所有这些情况下，对接嵌入件和径向内舌部和/或径向外舌部之间的衔接必须足够宽松，以便允许内舌部运行时(即，在定子振动的情况下)的径向微小移动。为此，通过外环和对接嵌入件而构成的组件是一种并不完全刚性的组件(即，不是刚性的)。换句话说，径向内舌部必须能够前后移动，以便使得对接嵌入件和外环之间接触连续断开和恢复。所以，在工作时，当定子受到振动时，径向内舌部会分开(即径向地离开径向外舌部)，从而改变了外环和对接嵌入件之间的衔接，而后，返回其初始位置，依次循环。对接嵌入件和外环之间的捶击会改变振动方式的频率，进而避免形成谐振。
根据本发明，对接嵌入件可限制外环径向内舌部的移动，从而也就限制了叶片沿径向的移动，使得振动级保持在最大可接受值之下。为此，本发明可使叶片更能有效地承受机械应力，降低由于振动疲劳导致的叶片断裂的风险。
形成对接的嵌入件可以很容易地拆除和/或更换，这样，外环的磨损情况可以很容易地得到监测，其支撑表面也可很容易地得到修整。
根据本发明的一个实施方案，外环包括向外环上游端打开的上游腔室和向外环下游端打开的下游腔室，至少一个形成对接的嵌入件置入至少其中一个所述腔室内。在实施方案中，至少一个形成对接的嵌入件置入在外环的每个上游和下游腔室内。
根据本发明的实施方案，外环采用整体部件制造而成。换句话说，径向内舌部、径向外舌部，和将其连接到一起的中间部分，都是构成了同一个整体部件。例如，外环可以直接铸造获得。在另一个不同实施方案中，也可以采用机械加工获得。
在另一个实施方案中，整个定子扇形片可以做成整体部件。换句话说，由外环、内环、和叶片构成的单元构成了一个整体结构件，该结构件容易制作，且比几个部件相互装配在一起的更坚固。
在另一个实施方案中，对接嵌入件的至少其中一个径向端部通过互补形状而与外环相配合，这样，所述嵌入件就沿轴向而保持定位。
例如，形成对接的嵌入件可以是沿轴向平面呈长方形的环的一部分，径向内端和径向外端分别与径向内舌部和径向外舌部上形成的环状沟槽部分相匹配。
在一个实施方案中，对接嵌入件经由钎焊连接而固定到外环上。
根据本发明的实施方案，对接嵌入件为环状部分，其中一个径向端部与外环上的互补形状的环形沟槽部分相匹配，其另一个径向端部通过钎焊连接到外环上。
根据本发明的另一个实施方案，对接嵌入件为环状部分，带有面向径向内舌部布置的圆柱形底座，而中间部分则从所述底部径向向外延伸至外环的径向外舌部。构成圆柱形部分的底部可以在其径向内端面上包括至少一个凹部。该凹部节省了重量，并可在对接嵌入件和外环径向内舌部之间接触实现较好定位。
本发明还提供了采用上述一个或多个定子角扇形片制成的涡轮发动机定子。该发明还提供了一种包括至少一个这种定子的涡轮发动机。通过阅读以非限定示例给出的本发明实施方案的如下说明，本发明的其它特性和优点会显现出来。所述说明参照附图。
附图说明
图1为涡轮发动机压缩机纵向剖面局部示意图，所述压缩机包括本发明第一实施方案的至少一个定子角形扇形片；以及
图2到图4为根据本发明其他实施方案的角形定子扇形片的局部轴向剖面示意图。
具体实施方式
图1局部示出的压缩机10包括了多个压气级，所示仅为其中的两个，每个压气级包括环形的一排安装在由涡轮发动机转子轴(图中未示)所携带的轮盘14上的动叶片12，和由发动机外壳体20所携带的并由沿周向端对端布置的一个或多个角形定子扇形片构成的静止定子18。图1中的压缩机径向对称轴线用A表示。
图1所示的这种定子扇形片18带有内环22和外环24，例如，构成汽缸部分，一个在另一个内延伸，并通过一个或多个径向叶片26而连接到一起。每个这种叶片26带有凹下面或压力面，和凸起面或吸力面，这些面在其上游端和下游端而连接到一起，从而形成了前缘28和后缘30，用于空气流过压缩机10。
内环22在其内表面上带有耐磨涂层32，所述内表面与转子轴(图中未示)所携带的径向滑动片(radial wiper)34相匹配，目的是避免内环22下方可能出现的气体倒流。
在图1所示示例中，定子扇形片18的外环24为整体制成，带有径向内舌部，叶片26的外径向端部与该舌部相连接，和径向外舌部38，该舌部围绕所述径向内舌部36为共轴形式，这些舌部通过中间部分40而连接到一起。
还是在所示示例中，中间部分40位于外环24的上游端，这样，径向内舌部36和径向外舌部38的上游端直接固定到其上面。于是，形成了向外环36的下游端打开的腔室42，该腔室是由径向内舌部36和径向外舌部38(这些构成了腔室的壁)和中间部分40(这个构成了腔室的端壁)所形成的。
在外环24的每个轴向端部，带有将定子扇形片18安装到发动机壳体20上的装置。在图1中，这些安装装置包括了圆柱形部分形式的上游安装凸舌44，从中间部分40向上游延伸，和在径向外舌部端部形成的呈圆柱形形式的下游安装凸舌46。这些安装凸舌44和46中的每一个都沿轴向延伸并可与外壳20内的对应沟槽52,54相互匹配。
在本发明中，外环24的腔室42用来安装形成对接的嵌入件(以下称之为“对接嵌入件(abutment insert)”)。
在图1所示示例中，对接嵌入件为环状部分607，沿周向在角形定子扇形片的仅仅一部分上或整个上面延伸。如图1所示，沿周向平面，环状部分607为长方形状。
例如，通过在两个环形沟槽部分96和98之间切向滑动，安装在角形定子扇形片上，所述环形沟槽分别在外环径向内舌部和径向外舌部，沿径向平面彼此面对而形成。
沿轴向平面，每个环形沟槽部分的外形与环状部分607其中一个径向端部的外形形成互补。采用这种方式安装可确保环状部分607在腔室42内轴向定位。有利的是，环形沟槽部分96和98可以涂覆保护，防止因为摩擦和与对接嵌入件607撞击而产生磨损，例如，润滑油、清漆、或实际上是碳化物的沉积。
对接嵌入件607为刚性嵌入件。在所述示例中，其可与径向内舌部36和径向外舌部38轻松接触。在其它实施方案中，在对接嵌入件和径向内舌部之间和/或对接嵌入件和径向外舌部之间留有小量间隙。在另一个实施方案中，对接嵌入件可以沿径向方向在径向内舌部和径向外舌部之间稍稍夹紧。
由于对接嵌入件和径向内舌部之间的相互衔接不是完全刚性的，在出现振动应力的情况下，该舌部会径向分离。其微小移动会连续出现与对接嵌入件的接触消失和重新恢复，从而修改了振动方式的频率，避免形成谐振。
径向内舌部移动幅度越大，减振作用改善越大。此外，外环和对接嵌入件之间的间隙(在制造时留出的或因为可能的磨损形成的)会在径向内舌部移动较大时很容易地予以填补。
值得关注的是，因为舌部厚度小和/或在定子扇形片各个叶片之间外环上设置狭槽(图中未示)，所以方便了的径向内舌部36的径向移动。这些狭槽因阻止弯曲动作的继续，从而方便了径向内舌部的倾斜。
对接嵌入件607，位于径向内舌部和径向外舌部之间，呈刚性隔片形式，用来抵抗叶片26的振动模式。其可起到阻尼作用，在径向上可限制叶片的最大移动和叶片使用时所承受的机械应力。
图2示出了另一个实施方案，在这个实施方案中，对接嵌入件是一个环形部分608，与参照图1所述的大体上相同，但其径向外端上带有平面100，适合抵靠在径向外舌部38的内表面上，并通过钎焊(如钎焊点104所示)而固定到其上。径向内端固定到径向内舌部36内的互补形状环状狭槽部分96内。
如图2所示，径向外舌部内形成的突肩102可使环状部分608在进行钎焊前轴向正确定位，而环状部分608径向外端顶在突肩102上。
在该示例中，环状部分采用钎焊固定在外环24的腔室42内。这种连接可以避免使用切向或轴向止动件来将嵌入件定位。通常在内环22耐磨涂层32上进行钎焊作业的同时，可进行所述钎焊作业。此外，在进行钎焊的同时，对接嵌入件可压抵在其与之相互作用的外环的舌部上。特别是，接触压力可在钎焊时向对接嵌入件施加应力而得到调节。这样，可形成较为宽松的制造公差。最后，外环通过钎焊连接而得到加强，从而可使得来自叶片26的部分力传输给壳体，这种情况可在正常和意外(浪涌，等)运行时或仅在异常情况下发生。
另外，对接嵌入件608的工作原理与参照图1嵌入件607所述相同。
图3示出了本发明的第三个实施方案，在这个实施方案中，对接嵌入件为环状部分609，呈T形轴向截面，该截面由位于面对径向内舌部36外端面的圆柱体106的一部分形状所构成，和中间部分108，从构成圆柱体一部分的底部106处大体径向向外延伸，一直延伸到径向外舌部38处。在所述示例中，中间部分108的径向外端采用钎焊连接到径向外舌部38上。
如图2实施方案所示，径向外舌部38内形成的突肩102在钎焊之前可使环状部分609轴向定位。
在图3示例中，凹下部分110位于底座106的内表面上，可改善对接嵌入件609和外环24之间的接触部分的定位。另外，对接嵌入件609的工作原理与图1所示嵌入件607相同。
在图4示出的另一种实施方式中，底座106的内表面构成了圆柱体的一部分，无需带有任何凹下部分。为了减轻重量，在外环24径向外舌部38上设置开口，而这些开口向发动机盲腔(dead cavity)(即，气体无法流过的发动机区域)内打开时，这种布局特别适合。图4所示对接嵌入件609的布局可改善通向所述盲腔的密封，同时改善外环空闲一侧上的密封，从而可避免循环现象。
在上面所示和所述的所有示例中，叶片26后缘30均固定到径向内舌部36的远端(在该示例中，系指下游端，该端与加强件中间部分相隔开)。为此，后缘30固定到外环24的一部分上，该部分并不像叶片前缘28所固定的那部分那么坚固。当叶片26后缘30在使用时承受径向移动时，且这些移动大于前缘28所承受的径向移动时，这种布置形式则特别适合。
另外，还可以设想外环24在其下游端设中间部分和向其上游端打开的腔室。在这种情况下，叶片26前缘28会固定到一部分外环24上(径向内舌部26的远端)，该部分的刚性低于叶片26后缘39与之连接的那部分(即连接到中间部分40上的径向内舌部的端部)。当叶片26前缘28在使用时承受的径向移动大于后缘30所承受的径向移动时，这种布置则特别适合。
另外，还可以设想，中间部分40的位置与外环24轴向端部相隔一定距离，且沿其轴向测量时，优选大体上在所示外环24的中央。
在这种情况下，外环24带有两个腔室，上游腔室向外环上游端打开，而下游腔室向其下游端打开。为此，外环的每个径向舌部采用两个舌形部分构成，一个为上游部分，一个为下游部分，这些部分通过中间部分而连接到一起。上游腔室由一部分上游径向内舌部、一部分上游径向外环，和中间部分形成。同样，下游腔室则是由一部分下游径向内舌部、一部分下游径向外舌部，和中间部分构成。
可以设想，一个或多个构成减振器的嵌入件只布置在其中一个腔室内。另外，还可以设想，至少一个减振嵌入件件安装在外环的每个腔室内。
当叶片26前缘28和后缘30均承受较大程度振动时，这样，完全解耦的振动模式分别在前缘和后缘28和30处进入谐振，这种布置则特别适合。
值得关注的是，当腔室的高度和深度较大时，可以很方便地将形成对接的嵌入件插入外环的腔室内。
为此，在所示实施方案中，在发动机壳体20上安装定子扇形片18的上游和下游安装装置44和46都可在径向方向上相互偏置。在图1中，特别是，人们可以看出，下游安装凸部46(即径向外舌部38所携带的且位于腔室42旁边的安装凸部)和壳体内的相应沟槽54之间的结合部分被抬高了。
这种布置可以增加外环的高度(沿径向看去)，且进而增加了腔室42的高度。
当通过机加工来形成该腔室时，这种布置还可增加腔室42的深度。因为与机加工相关的约束因素(特别是与所使用专门工具相关的约束条件)，腔室42的高度可决定其深度。腔室42的高度越大，可以制作的腔室深度则会越大，且减振器所能作用的径向移动也就会越大。

Claims (15)

1.一种涡轮发动机压缩机定子角扇形片(18)，所述扇形片围绕径向对称轴线(A)延伸，并包括：
·外环(24)和内环(22)，共轴布置，一个在另一个之内；以及
·至少一个叶片(26)，其在所述内环(22)和外环(24)之间径向延伸并在该至少一个叶片(26)的径向端部连接到所述外环(24)和内环(22)上；
其中，外环(24)在其每个轴向端部带有安装装置(44,46)，可将定子角扇形片(18)安装到发动机壳体(20)上；
所述扇形片的特征在于，外环(24)在其至少一个轴向端处包括向所述轴向端打开的腔室(42)，所述腔室(42)在叶片(26)径向外端与之连接的外环(24)径向内舌部(36)和带有安装装置(46)的外环(24)的径向外舌部(38)之间延伸，所述安装装置将定子角扇形片(18)安装到发动机壳体(20)上；以及
至少一个形成对接的嵌入件(607,608,609)至少局部地置于所述腔室(42)内，所述形成对接的嵌入件(607,608,609)可通过接触来限制径向内舌部的径向移动，并因此而改变了所述径向内舌部(36)的振动特性。
2.根据权利要求1所述的定子角扇形片，其特征在于，外环(24)包括向外环上游端打开的上游腔室和向外环下游端打开的下游腔室，至少一个形成对接的嵌入件(607,608,609)置放在所述上游腔室和所述下游腔室其中至少一个内。
3.根据权利要求1或2所述的定子角扇形片，其特征在于，外环(24)采用整体制成。
4.根据权利要求1或2所述的定子角扇形片，其特征在于，在形成对接的嵌入件(607,608,609)和外环(24)径向内舌部(36)之间和/或形成对接的嵌入件和外环径向外舌部(38)之间存在间隙。
5.根据权利要求1或2所述的定子角扇形片，其特征在于，形成对接的嵌入件(607,608,609)可以很轻松地与外环(24)的径向内舌部(36)和/或径向外舌部(38)接触。
6.根据权利要求1或2所述的定子角扇形片，其特征在于，形成对接的嵌入件(607,608,609)径向地紧紧抵在外环(24)的径向内舌部(36)和/或径向外舌部(38)上。
7.根据权利要求1或2所述的定子角扇形片，其特征在于，形成对接的嵌入件的至少其中一个径向端部采用互补形状而与外环(24)相匹配，从而将所述嵌入件沿轴向保持定位。
8.根据权利要求1或2所述的定子角扇形片，其特征在于，形成对接的嵌入件(608,609)的径向端部通过钎焊连接而固定到外环(24)上。
9.根据权利要求8所述的定子角扇形片，其特征在于，所述钎焊连接可将形成对接的嵌入件(608,609)连接到外环(24)的径向外舌部(38)上。
10.根据权利要求1或2所述的定子角扇形片，其特征在于，形成对接的嵌入件带有在轴向平面上呈长方形的环状部分(607)，所述环状部分(607)的径向内端和外端分别与径向内舌部和径向外舌部内形成的环形沟槽部分相匹配。
11.根据权利要求1或2所述的定子角扇形片，其特征在于，形成对接的嵌入件为环状部分(608)，环状部分的其中一个径向端部与外环(24)上互补形状的环形沟槽部分相匹配，而其另一径向端部则通过钎焊连接到外环上。
12.根据权利要求1或2所述的定子角扇形片，其特征在于，形成对接的嵌入件为环状部分(609)，环状部分带有底座(106)，构成了面向径向内舌部(36)布置的圆柱体的一部分，和中间部分(108)，从所述底座(106)部分径向向外延伸到外环(24)的径向外舌部(38)上。
13.根据权利要求12所述的定子角扇形片，其特征在于，构成圆柱体一部分的所述底座(106)包括在其径向内表面上的至少一个凹部(110)。
14.一种涡轮发动机定子，包括至少一个根据权利要求1或2所述的定子角扇形片。
15.一种涡轮发动机，包括至少一个根据权利要求14所述的定子。
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