CN103089337B - 用于轴流涡轮机压缩机的共同注射的复合壳体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于轴流涡轮机压缩机的分段复合壳体。每个壳段18、20由第一种聚合物材料形成，并且包括至少一个由第二种聚合物材料形成的工作面28，所述第二种聚合物材料与所述壳段的第一种聚合物材料共同注射。所述工作面可以是具有叶片的接触面。在这种情况下，所述工作面具有唇形轮廓并且由弹性材料制成。所述工作面也可以是用于结合耐磨材料的内面28。在这种情况下，所述材料可以是硅树脂，以便于将所述耐磨材料结合至硅树脂基底。所述工作面也可以是所述壳体的前侧面或后侧面，该侧面用于与配套的固定面接触。在这种情况下，所述材料可包括特氟纶，以形成具有干摩擦特性的工作面。

Description

用于轴流涡轮机压缩机的共同注射的复合壳体

技术领域

本发明涉及轴流涡轮机定子壳体或定子套圈领域。更具体地，本发明涉及由复合材料制成的分段壳体领域，特别地，所述复合材料包括聚合物。本发明涉及所述壳体的段，涉及所述壳体并且涉及壳段的制造方法。

背景技术

专利EP2196629A1公开了一种轴流涡轮机压缩机的分段式内壳或套圈。该内壳具有以下的特性：构成该内壳的壳段的末端具有与叶片轮廓对应的外形，以在压缩机上的壳体的组装过程中在壳段之间的结合处与叶片结合。叶片与这些轮廓之间的连接是通过手动涂覆弹性材料来提供的。这也是用于连接叶片和缺口的方法，所述缺口沿所述壳段分布并且用于容纳所述叶片。因此，在压缩机的组装期间，所述需要费时的手动参与。壳体组装之后，耐磨材料被喷涂在所述壳体的内面上，以为压缩机转子的唇式密封提供密封。需要提前打磨所述壳体的表面并且涂覆底漆，以确保耐磨材料满意地结合至所述壳体。这也是费时的。

美国专利US4655682中公开了一种轴流涡轮机压缩机的内壳。该内壳由复合材料制成，并包括单一的环以及支撑在该环上的壳段。叶片的端部与壳段上的对应外壳之间涂覆有硅树脂。如前所述，手动涂覆硅树脂的操作是费时的。所述环是包括多层聚酰胺纤维的层压结构，所述聚酰胺纤维浸渍有环氧树脂。如前所述，需要提前打磨所述环的表面以及涂覆底漆来确保耐磨材料和所述环之间的满意的结合。

发明内容

技术问题

本发明旨在提供针对上述缺点中的至少一个的解决方案。更具体地，本发明旨在提供由非金属材料制成的涡轮机定子壳体，该壳体是经济的并且易于组装的。

技术方案

本发明涉及轴流涡轮机的叶片定子壳段，包括具有弧形横截面的主体并且主要由聚合物材料制成；所述主体的至少一个工作面用于直接或间接地与涡轮机的部件配套和/或协作；其中，所述工作面或至少一个工作面是由与第一种材料共同注射的第二种聚合物材料制成的。

第一材料可以是热塑性的或热硬化的。特别地，所述第一种材料可包括聚乙烯亚胺(PEI)或聚酰胺酰亚胺(PAI)。所述第二材料可以是热塑性的或热硬化的。所述第二种材料可包括硅树脂和/或特氟纶(Teflon)。优选地，所述第二材料是弹性的。

根据本发明的有利实施例，第二种聚合物材料具有比第一种聚合物材料更低的硬度，优选低于第一材料的硬度的80％。

根据本发明的另一个有利实施例，所述工作面或至少一个工作面对应于所述壳体内面，并且制成所述工作面的第二种聚合物材料主要包括硅树脂。

有利地，壳体是环形带并且壳段形成了所述带的部分。有利地，所述壳体和壳段的横截面大体是U形的，具有指向壳体中心的U形臂。于是，所述U形的中空形成了用于保持耐磨材料的空间。

根据本发明的另一个有利实施例，所述工作面或至少一个工作面与所述壳体的侧面配合，并且形成该工作面的第二种聚合物材料主要包括特氟纶。

优选地，所述侧面是前侧面和/或后侧面(取决于涡轮机中的流体流的方向)。所述侧面可以是环形的，和/或在大体正交于涡轮机的旋转轴线的平面内。

根据本发明的又一个有利实施例，所述工作面或至少一个工作面是与定子叶片的轮廓匹配的表面，并且制成该工作面的第二种聚合物材料能够提供与所述叶片的紧密配合，所述第二材料优选包括硅树脂。换句话说，所述工作面对应于叶片与壳段之间的结合面。

根据本发明的又一个有利实施例，工作面具有横向的唇形轮廓，在所述壳体组件期间当该工作面与叶片接触时，该工作面可发生变形。

根据本发明的又一个有利实施例，所述工作面或至少一个工作面是沿壳段的弧形轮廓在壳段末端的表面，该述工作面与叶片轮廓匹配。

根据本发明的又一个有利实施例，所述壳段至少包括一个用于沿大体径向方向容纳定子导叶的缺口，所述工作面或至少一个工作面与叶片表面面对面地位于所述缺口中。换句话说，所述工作面对应于叶片和壳段之间的结合面。

根据本发明的又一个有利实施例，所述壳段包括多个沿所述壳段的弧形轮廓分布的缺口，所述缺口中的每一个都适于沿大致径向方向容纳定子叶片。所述壳段可包括至少3个，优选至少4个，更优选至少5个缺口。

本发明还涉及轴流涡轮机的分段式定子叶片壳，其中所述壳段与本发明一致。所述壳体可包括至少2个，优选至少4个，更优选至少8个壳段。

本发明还涉及用于制造轴流涡轮机的叶片定子壳段的方法，其中，所述壳段与本发明一致。

根据本发明的一个有利实施例，通过注射第一种聚合物材料以及注射第二种聚合物材料，所述壳段得以模制而成，所述第一和第二材料的注射被调节，使得当所述第一种和第二种材料中的一种与所述材料接触时，所述第一种和第二种材料中的另一种材料仍然是粘性的。

根据本发明的另一个有利实施例，所述第二材料在所述第一材料之后被注射。

根据本发明的又一个有利实施例，所述壳段在恒定容积的模具中得以注射模制。

根据本发明的又一个有利实施例，所述壳段在可变容积的模具中得以注射模制，所述模具的可变部分对应于所述工作面或至少一个工作面。

有益效果

本发明的特征使得在所述壳段的模制期间，在由所述壳段构成的壳体上直接形成了若干个工作面。共同注射允许在壳段体的材料和工作面一种或多种材料之间形成最佳粘合，所述工作面与所述壳段体共同注射而成。

附图说明

图1是在其它部分中具有本发明的内壳的轴流压缩机的局部横截面图。

图2是根据本发明的图1中的分段壳体的一部分的透视图。

图3是图1中与叶片成直角的壳体的一部分的截面图，该部分位于两个壳段之间的结合处，位于沿壳段分布的其中一个孔处，图3对应于本发明的第一实施例。

图4是类似于图3的横截面，然而，对应于本发明的第二实施例。

图5是根据使用本发明第一实施例的方法，在制造壳段的第一个步骤中的模具的截面图。

图6是根据使用本发明第一实施例的方法，在制造壳段的第二个步骤中的模具的截面图。

图7是根据使用本发明第二实施例的方法，在制造壳段的第一个步骤中的模具的截面图。

图8是根据使用本发明第二实施例的方法，在制造壳段的第二个步骤中的模具的截面图。

附图标记列表

2：压缩机

4：外壳

6、106：定子叶片

8：转子叶片

10、12：内壳

14：唇形密封

16：转子旋转轴线

18、118：第一壳段

20、120：第二壳段

22：叶片插入缺口

24：第一壳段的成形端部

26：第二壳段的成形端部

28、128：耐磨材料结合面

30、130：耐磨材料

32、132：手动挤压弹性结合处

40、140：模具

42、142：模具的第一部分

44、144：模具的第二部分

46、146：模具的基底，

48、148：第一注射器

50、150：第二注射器

52、152：模具空腔

54、154：用于壳段结构的原料

56、156：用于使表面结合的耐磨材料的原料

具体实施方式

图1示出了轴流压缩机2的一部分的截面图，通常是喷气发动机或涡轮发动机的轴流压缩机。压缩机2包括绕轴线16旋转的转子8。所述转子包括固定在其与压缩机台架对应的圆周上的一系列的叶片10。被压缩的流体的流动方向由箭头示出。外壳4或压缩机定子具有一系列的在其根部得以附接的叶片6。所述一系列叶片包括位于两个转子排之间的流体流中的定子，未示出上游排。转子叶片排和下游定子组包括压缩机台架。叶片6的内端连接于壳体12。该壳体大体上是环形的并且匹配转子8的形状。壳体12确定了通过定子的流体流的下圈(或内圈)。壳体12通过叶片保持在适当位置，并且为转子8提供密封。所述壳体在其内面上具有一层耐磨材料30。转子8包括两个与耐磨材料层30接触的周肋，一般称为唇式密封14。该层材料被涂覆并且随后被加工，以具有与唇式密封14接触的密封表面。所述材料具有摩擦特性，于是，唇式密封的耐磨材料表面11中的金属构成了曲径式密封。

图2中示出了根据本发明的壳体的建造和组装。壳体12由若干壳段(segment)组成，图2中示出了所述若干壳段中的两个壳段18和20。原则上，这些壳段都是相似的，并且共计有两个或多个。可基于不同标准随意选择壳段的数目，比如基于所要建造的壳体直径、所要使用的材料以及定子上叶片的数目。所述壳段的横截面大体呈倒“U形”。所述壳段包括大体平的底部，尽管其轮廓是从空气动力学角度形成的，但是当通过组装所述壳体的所有壳段来形成壳体时，所述平的部分会形成环形带。所述壳段包括相对于流体流方向的上游边缘和下游边缘。所述壳段从上游边缘到下游边缘的宽度本质上是恒定的。所述壳段的横截面还具有向下指向或指向由所述底部形成的环形带的里面的两个较短的部分，每一部分位于上游边缘和下游边缘中的一个处。所述两个部分至少大体正交于所述平的部分并且大体具有恒定高度。

每个壳段18、20都在所述平的部分的表面中具有缺口22。这些缺口沿所述壳段确定的圆弧分布。所述缺口之间的间距由叶片的位置决定，所述叶片刚性固定至定子或凹入定子中。通常，每个叶片在其上端具有底台(baseplatform)，该底台随后置于定子的对应的缺口中，以通过焊接得以固定。通常，叶片都是完全相同的，并且沿着定子的圆周与壳体是等距的。其它的布置也是有可能的，然而，不可改变本发明的原理。所述缺口的轮廓对应于所述壳体中的叶片的轮廓，也就是叶片下端的轮廓。然而，允许有一定公差，以便将所述壳段安置在叶片上。所述壳段被制成适当尺寸，使得叶片的下端可在所述壳段的组装期间穿过缺口22，以形成壳体。取决于所选择的设计，所述叶片的末端既可与所述壳段的平的部分的内面平齐，也可略高于该内面以相对于所述内面突出，所述突出不超过所述边缘的上游和下游末端。相对于机器的轴线，缺口22大致居于所述壳段的中间，就是说，沿着机器的轴线在缺口22的每个端部与对应的边缘之间所测得的距离大致相等。缺口可关于所述中间位置沿着机器的轴线偏移，如果所述缺口不侵占上游边缘和下游边缘的腿的话。

壳段18的端部形状制成与在壳段18和20之间位于结合处的叶片6相符。对于壳段20的端部也是如此。实际上，壳段18和20每一个都分别包括部分24和26，所述部分24和26的轮廓对应于叶片6的轮廓。除了与叶片匹配的部分24和26之外，壳段18和20的末端还包括在部分24和26的两侧上的接合区，所述接合区的轮廓便于叶片的上游接合区和下游接合区闭合。所述叶片的上游接合区和下游接合区是在直线型的。所述叶片的结合上游(在图2中的左边)相对于壳体的边缘是倾斜的，并且倾斜约45°角。

在涂覆液体或膏体形式的耐磨材料之后，向下指向或指向由所述壳体的底部形成的环形带的里面的两个较短的部分与所属平的部分的内面一起构成了适于保持壳体组件的空间或容积。

由壳体12形成的带的内表面28是工作面，该工作面适于用作结合面，耐磨材料涂覆于该结合面上。

内表面28还包括除了构成壳体12的壳段18和20的主体的材料之外的另一层材料。更具体地，该层由至少主要包括硅树脂的材料制成，在壳段的制造期间，该材料与构成壳段的材料被共同注射。壳段由聚合物材料制成，优选包含碳和/或玻璃纤维以及聚合物粘结剂的复合材料。所述聚合物材料可以是热固的或热塑性的。所述聚合物材料提供了必要的硬度和刚度，以使壳段具有其功能所需要的结构稳定性，这对本领域的技术人员是公知的。将要喷涂或模制的耐磨材料主要由硅树脂-铝基制成，此外，所述耐磨材料还可包括用作添加剂的聚合物复合材料。至少部分地并且优选主要地由硅树脂构成的表面的存在使该表面可自然地与硅树脂基耐磨涂层化学相容。

共同注射是用于将多种不同类型的聚合物注射到相同的模具中的工艺。更具体地，共同注射允许在构成所述共同注射的物体的不同材料之间形成最佳的粘合，因为当不同类型的聚合物材料至少部分地呈膏状时，它们会在模具中彼此接触。

硅树脂的硬度通常在20°与80°邵尔A之间，而所述壳段的材料硬度在80°与100°邵尔A之间。

图3是图2中的根据本发明第一实施例的壳体12的一部分的截面图。图3是两个壳段之间的结合处的截面。应当注意的是，所述壳段的缺口22中的每一个的截面都是同样地相似的。可以看到，使用手动涂覆的弹性结合物或焊料将叶片6固定且密封至壳体。所述壳体的内面上的硅树脂表面28充当用于耐磨材料30的结合面。

图4是与图3中的壳体对应的壳体的一部分的截面图。然而，图4示出了本发明的第二实施例，与叶片的轮廓表面相邻的表面也设有像柔性唇132那样的工作面，该柔性唇也是与所述壳段的构成材料共同注射的。所述工作面避免了手动涂覆弹性材料来密封叶片和壳体的需要。在图4的情况中，需要注意的是，工作面132与壳体内面上的工作面128是连续的。然而，这些工作面不需要是连续的；它们可被单独制造并且也可能是由不同材料构成的。

如图3中所示，需要注意的是，图4中的截面图同样对应于壳段的缺口22中的一个的截面。

图5和6示出了第一种制造根据本发明的壳段的方法。图5示出了第一个步骤，而图6示出了第二个步骤。模具40包括一起形成了空腔52的第一部分42和第二部分44，该空腔的形状大致对应于所期望的壳段的形状。模具40还包括用于输送要注射的原料的基底46。所述基底46连接有用于壳段材料的第一注射器48，以及用于工作面材料的第二注射器50。

在图5所示出的第一个步骤中，所述壳段材料通过注射器48注射到模具中，直到空腔52注满到特定水平。

在第二个步骤中，如图6中所示，形成工作面的材料通过注射器50注射到所述模具中。材料56与仍然是粘性的第一材料54进行接触，并且将第一材料54推向所述空腔的两个末端。随后，材料56注满了位于入口中间的并且由模具40的对应表面界定的空腔的一部分。由此，材料56在所述第一种材料的下侧形成了层。

需要注意的是，为表述清楚，已经特意简化了与图5和6相关的描述。毫无疑问，在其它方面，本领域的技术人员将认识到：所述模具必须具有匹配所述弧形段的几何形状，并且需要有多个原料供应输送器。所述输送器的布局，特别是它们的注射参数可通过技术发展过程的状况来获得，所述状况对本领域技术人员是公知的。

图7和8示出了第二种制造根据本发明的壳段的方法。图7示出了第一个步骤，而图8示出了第二个步骤。模具140大致类似于图5和6中的模具40。模具140包括一起形成了可变容积空腔152的第一部分142和第二部分144，空腔152的形状大致对应于所期望的壳段的形状。模具140还包括用于输送要注射的原料的基底146。所述基底146连接有用于壳段材料的第一注射器148，以及用于工作面材料的第二注射器150。

模具140的第一部分142和第二部分144彼此相对移动的能力提供了空腔152的尺寸变化，所述移动产生了空腔容积的变化。在图7中所示的第一个步骤中，空腔具有与所述壳段的结构部分(也就是由第一材料154制成的壳段的部分)的容积大致精确对应的容积。在图8中所示的第二个步骤中，空腔152已经变成具有增大的容积，从而使已在第一个步骤中部分地形成的壳段的下侧上的空间自由增减。所述空间可注满工作面材料156。由于选定的几何尺寸，所述材料将只能填满该间隙，从而形成一薄层该材料，该薄层是与所述壳段的结构部分的材料154共同注射的。正如图5和6中的制造示例一样，当所述工作面材料156注射到所述模具中时，当该材料仍然是膏状时或处于可确保两种材料之间的分子粘合的状态时，工作面材料156开始与段结构材料154接触。

与关于图5和6所描述的制造壳段的第一实施例的方式类似，应当理解的是，为清楚起见，关于图7和8的描述也被刻意简化了。

还应注意的是，根据关于图7和8所描述的原理，能够以不同的方式实现用于共同注射材料的模具空腔的可变尺寸，所述材料用于壳段本身和/或其工作面。除了所述模具的至少一个部分相对于其余部分的平移运动，还可以设想用模具的另一个部分替换形成所述空腔部分的模具的一部分，所述模具的另一个部分将改变因此而形成的空腔。所述替换可通过某些旋转运动得以实现。这个原理对于本领域的技术人员是公知的。

一般来说，需要注意的是，所述壳体的一个壳段或每个壳段可包括若干个与段体的主要材料共同注射的工作面。如已经关于图2、3和4所描述的那样，这些工作面可位于与叶片接触的面上，并且位于所述壳段的内面上。因此，这些表面中的每一个的材料是根据所述表面的功能来选择的。所述壳体的前侧面或后侧面也可是工作面。所述壳体的前侧面或后侧面可与对应的定子表面接触。对于低压压缩机的最后阶段，情况尤为如此，其中所述后侧面能够根据发动机的作业参数与作为外壳一部分的对应的环形表面摩擦接触。在这种情况下，用诸如特氟纶之类的适宜干摩擦的材料制造工作面是有利的，所述材料与所述壳段的结构材料以类似于上述方式的方式被共同注射。

Claims (15)

1.轴流涡轮机的叶片定子壳体的壳段(12)，包括：具有大体弧形轮廓并且由第一种聚合物材料制成的主体(18、20；118、120)；

所述主体上的至少一个工作面(28、32；128、132)；

其中，

所述工作面或至少一个工作面(28、32；128、132)由第二种聚合物材料制成，所述第一种聚合物材料和第二种聚合物材料被注射，所述注射被调整，使得当所述第一种聚合物材料和第二种聚合物材料中的一种材料与另一种材料接触时，所述第一种聚合物材料和第二种聚合物材料中的另一种材料仍然是粘性的。

2.如权利要求1所述的壳段，其中，所述第二种聚合物材料具有的硬度低于所述第一种聚合物材料的硬度的80％。

3.如权利要求2所述的壳段，其中，所述工作面或至少一个工作面(28、128)对应于所述定子壳体的内面，并且制成所述工作面的第二种聚合物材料主要包括硅树脂。

4.如权利要求2所述的壳段，其中，所述工作面或至少一个工作面对应于所述定子壳体的侧面，并且制成所述工作面的第二种聚合物材料主要包括特氟纶。

5.如权利要求1至4中任一项所述的壳段，其中，所述工作面或至少一个工作面(132)是用于配合定子叶片(106)的轮廓的表面，并且制成所述工作面的第二种聚合物材料能够确保与所述叶片的密封，所述第二种聚合物材料优选包括硅树脂。

6.如权利要求5所述的壳段，其中，所述工作面(132)具有横向唇形轮廓，当被安装在所述定子壳体上时，当与所述定子叶片(106)接触时，所述唇形轮廓可变形。

7.如权利要求1至4中任一项所述的壳段，其中，所述工作面或至少一个工作面是沿着所述壳段的弧形轮廓在所述壳段的一个末端处的表面，所述表面对应于叶片轮廓。

8.如权利要求1至4中任一项所述的壳段，其中，所述壳段至少包括一个能够沿大致径向方向容纳定子叶片(6)的缺口(22)，所述工作面或至少一个工作面相对于所述叶片的表面位于所述缺口中。

9.如权利要求1至4中任一项所述的壳段，其中，所述壳段包括若干个沿所述壳段的弧形轮廓分布的缺口(22)，所述缺口中的每一个都能够沿大致径向方向容纳定子叶片(6)。

10.轴流涡轮机的分段定子叶片壳体，其中，壳段与权利要求1至9中的一项所述的壳段一致。

11.一种制造轴流涡轮机的分段定子叶片壳体的方法，其中，壳段与权利要求1至9中的一项所述的壳段一致。

12.如权利要求11所述的方法，其中，通过注射第一种聚合物材料(54、154)以及注射第二种聚合物材料(56、156)，所述壳段得以模制，所述第一种聚合物材料和第二种聚合物材料的注射被调整，使得当所述第一种聚合物材料和第二种聚合物材料中的一种材料与另一种材料接触时，所述第一种聚合物材料和第二种聚合物材料中的另一种材料仍然是粘性的。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述第二种聚合物材料(56、156)在所述第一种聚合物材料(54、154)之后被注射。

14.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，所述壳段通过在具有恒定尺寸的空腔(52)的模具(40)中的注射得以模制。

15.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，所述壳段通过在具有可变容积的空腔(152)的模具(40)中的注射得以模制，所述模具的可变部分对应于工作面，或对应于工作面中的至少一个。