CN103154524B - 轴向涡轮机压缩器的外壳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外壳，特别是轴向涡轮机压缩器的外壳。外壳包括由复合材料制成的柱形整体形状的支撑件(34)、通过结合至支撑件(34)的内表面而安装的金属环(36)以及通过将等离子体喷涂到金属环(36)的内表面上而安装的可磨耗材料层(22)。金属环(36)最好由不锈钢制成，并最好被穿孔。穿孔允许更好地键入粘合剂并允许对其除气。金属环(36)的外表面在结合之前最好被喷砂。其内表面在等离子喷涂可磨耗材料之前也最好被喷砂。

Description

轴向涡轮机压缩器的外壳

技术领域

本发明涉及一种具有旨在提供旋转密封的可磨耗材料层的轴向涡轮机的外壳，特别针对轴向涡轮机压缩器(axial turbomachine compressor)的外壳。本发明还涉及一种配备有这样的壳的轴向涡轮机压缩器。本发明还涉及一种制造这样的壳的方法。

应当注意到，形容词“可磨耗的(abradable)”常用来指能够提供一定程度的密封来防止表面相对于材料移动的脆性材料。能够以各种方式来构成、形成或构造该材料。例如，配备有该材料层的轴向涡轮机压缩器的外壳会确保对所述压缩器的转子叶片的末端的旋转密封。这能够实现要维持的整体气密性，不论涡轮机中固有的多么轻微的任何扭曲，特别是由于离心力所产生的叶片延长的任何变形。通过最小化移动叶片和流体流的壳体之间的间隙，提高了涡轮喷气发动机的有效性和效率。

特别针对航空发动机中的轴向涡轮机压缩器，研发并发展了复合材料的使用，特别是具有有机基质的那些复合材料。使用这样的材料，尤其作为外壳的一部分带来了新的约束。

背景技术

专利US2009/0277153A1公开了一种具有支撑可磨耗材料层的复合填料的燃气涡轮发动机的定子。该可磨耗材料层的作用在于给讨论中的发动机定子壳体的内表面加内衬，以摩擦接触旋转叶片的末端。壳体的内侧内衬有复合多孔材料层，该复合多孔材料层设计成在发生“风机叶片关闭”的情况下吸收来自冰冻或叶片碎片的潜在影响。衬层通过中间壁被涂覆有可磨耗材料层。该中间壁具有直径大于1mm的一系列孔。中间壁被粘接至复合衬层，并且优先由用玻璃纤维增强的聚酯制成。使用键入到孔中的粘合剂将可磨耗材料层固定至中间壁。这些孔允许除气发生，特别是朝向复合衬层的单元除气，并且能够实现可磨耗材料层和中间壁之间的机械结合。

在简略的专利US 2009/0277153A1中提出了一种将可磨耗材料固定至多孔支撑件的方法。因此，该解决方案的范围严重受限。

专利US4329308公开了一种具有拥有“U”型横截面的边缘的金属环，中空部分填充有可磨耗材料。该可磨耗材料通过在环中模制它而成型，或者是预成型的然后布置在环中。然后，可磨耗层被压到齿轮上，以便在焙烧之前形成空腔。如之前阐述的，可磨耗材料由预成型的聚合物制成。该专利中陈述的是，该环可以插入到定子壳体中或者形成定子壳体的一部分。然而，将环固定至定子的方法未加以限定。

该阐述所提出的解决方案需要一种生产以及固定可磨耗层的特定方法。此外，所提出的解决方案没有提出将环固定至壳体。

专利US 4867639公开了一种包括蜂窝金属结构和陶瓷部件的可磨耗层。蜂窝状结构直接钎焊到定子的内壁上，或者钎焊到附接至定子壁的支撑件上。该可磨耗层是更强壮的，特别是比上述的可磨耗聚合物更耐温度。然而，如之前阐述的，在固定支撑件之前，可磨耗层由于其本质被设置到合适的位置。另外，相对结实的支撑件被固定至具有机械接头的壳体中，机械接头不与复合材料制成的壳体兼容。

除之前专利的阐述之外，现在使用等离子喷涂将高性能的可磨耗层沉积在金属壳上，尤其是在低压压缩器中。这些可磨耗材料包含金属部件，当直接施加到复合支撑件上时，由于金属和合成物的膨胀系数的显著差异，并且由于接口的易碎特性，这带来了保留问题。

发明内容

本发明旨在提出一种配备有可磨耗层的壳以及一种用于制造这样的壳的方法，这克服了上面提到的至少一个问题。更具体地，本发明旨在提出一种具有通过等离子喷涂沉积的可磨耗层的复合壳以及一种制造这样的壳的简单且有效的方法，这提供了一种减小压缩器的质量(mass)的方式。

本发明由轴向涡轮机的壳组成，包括：具有大致圆形内表面的大致环形或柱形支撑件；环，具有内表面和与所述内表面相对的附接至所述支撑件内表面的外表面；附接至所述环的内表面的可磨耗材料层；其中所述支撑件由有机基质复合材料制成；并且所述环由金属材料制成。

支撑件和/或环可以是大致柱形的，然而却具有轴向涡轮机的压缩器壳 体的形状所固有的(轻微的)固有锥度。优选地，支撑件是确保涡轮机刚性的结构元件。

环可以是闭合的、打开的或者由若干段组成，段然后被先后地布置在支撑件上以便形成环。

优选地，金属环被穿孔或结构化。

虽然使用复合材料来降低重量通常为人所知，但使用热膨胀特征与复合支撑壁和可磨耗层匹配的中间金属环的构思却并非不值一提的。在US 2009/0277153A1的阐述中，主体的结构部分(亦即壳体壁)由金属材料制成。由合成物制成的中间穿孔层被用在复合的可磨耗层和中间多孔的金属层之间。在本文描述的本发明中，使用金属环会引起复合壳和可磨耗材料的热膨胀系数之间的较少的突变，以确保可磨耗层的机械强度。还能够实现通过等离子喷涂施加的高性能可磨耗材料。另外，该金属环还作为用于复合支撑件的保护层。金属材料的存在补偿了复合材料的典型的缺乏延展性，并保护复合支撑件免受剧烈的机械应力，如腐蚀或由发生诸如风机叶片损耗所造成的叶片行为。该保护层针对部件的可修复也是有利的。当通过诸如喷砂或水射流的已知方法移除可磨耗层时，壳的复合部分被保护。

根据本发明的第一实施方式，环包括分布在其表面上的一系列孔。孔一般均匀分布和/或规则地分布在环的表面上，优选地分布在环的整个表面上。孔大致是圆形的，并且具有的直径小于或等于1mm，优选地小于或等于0.6mm。该环可以由金属环的若干箍构成。孔不仅能够实现粘合剂的除气，还能够实现更好的机械结合。

根据本发明的第二实施方式，环由丝网制成。

优选地，环的金属材料由如下材料构成：不锈钢、钛、镍-铁合金、殷钢(铁-镍36％)。

根据本发明的第三实施方式，环由多孔材料制成，优选地由金属泡沫制成，更优选地由镍泡沫制成。

优选地，针对上述的三个实施方式，环段由具有0.1mm和1mm之间厚度的条制成，该厚度优选地介于0.15和0.5mm之间，更优选地介于0.15mm和0.3mm之间。

优选地，针对上述的三个实施方式，壳包括布置在支撑件和环之间确保它们的结合的胶粘层。

优选地，胶粘层与支撑件表面和环的相应表面直接接触。

优选地，针对上述的三个实施方式，可磨耗层包括具有金属部件的使用等离子体喷涂的可磨耗材料。

优选地，针对上述的三个实施方式，可磨耗层包括使用等离子体喷涂的铝硅聚酯可磨耗材料。

优选地，可磨耗层被直接施加至环，优选地通过喷涂被直接施加至环。

根据本发明的又一有利实施方式，支撑件包括涡轮机的压缩器壳体的结构部分，所述部分优选地对应于所述压缩器的至少一排定子叶片和一排转子叶片。

本发明还由轴向涡轮机压缩器组成，该轴向涡轮机压缩器包括配备有所谓的转子叶片排的叶片的转子、具有所谓的定子叶片排的叶片的壳体，其中所述壳体包括具有如上面限定的至少一个壳的壳或组件，所述壳成为具有可磨耗层的所述壳体的一部分，可磨耗层为所述转子叶片的末端提供密封。

本发明还由制造轴向涡轮机的壳的方法组成，该轴向涡轮机最好是轴向涡轮机压缩器，该方法包括如下步骤：

a)为由具有有机基质的复合材料制成的大致环形或柱形的支撑件提供大致圆形内表面；

b)将金属环固定至所述支撑件上，所述环具有内表面和外表面，该外表面与所述内表面相对，并且优选地通过粘接而固定在所述支撑件的内表面上；

c)将可磨耗材料层施加在所述环的内表面上。

根据本发明的有利实施方式，通过等离子喷涂来执行步骤c)，可磨耗材料最好是铝硅聚酯。

根据本发明的再一有利实施方式，该方法包括在步骤c)之前进行的步骤：通过喷砂或者化学蚀刻来制备环的与固定至支撑件的表面相对的表面。

人们还可以考虑本发明的另外的实施方式过程。环可以由若干部分制成，其可以在制造复合外壳期间通过共同模制而结合。

附图说明

图1是双转子轴流式涡扇发动机的示意性截面图，该类型航空发动机的低压和/或高压压缩器可能装备有本发明描述的外部和/或内部壳。

图2是图1中发动机的低压压缩器的部分截面图，低压压缩器配备有本发明描述的壳。

图3是压缩器定子阶段(stator stage)的透视图，包括根据本发明的壳。

图4是图3的壳的截面图。

图5是图4的壳的显著放大图，图示金属环中一个孔的作用。

具体实施方式

在以下说明中，用于描述支撑件及环的表面的术语“内部”和“外部”涉及由支撑件和/或环形成的包层；“内部”则意味着包层的内侧，而“外部”意味着包层的外侧。

应注意，针对壳，术语“外部”对比之下指的是大致环形流体流，“外壳”表示流体流的外缘或外表面侧的壳，而“内壳”指定了流体流的内缘或内表面侧的壳。

图1所示的轴向涡轮机2是双流涡扇喷气式航空发动机。它从上游到下游包括低压压缩器4、高压压缩器6、燃烧室8和涡轮10。低压和高压压缩器不承受高温，涡轮承受高温。因此，可以使用有机基质复合材料来生产这些压缩器的各种部件，诸如定子的外壳。

图1中的低压压缩器4被示出在图2中。人们可以看到承载多个所谓的转子叶片排24的转子20、由壳体12和壁16形成的限定辅助气流的定子。壳体12支撑一系列所谓的定子叶片排的固定叶片26。沿圆周的每排定子叶片形成定子阶段。沿圆周的每排定子叶片连同沿圆周的一批转子叶片构成压缩阶段，其功能是增加通过它的流体的压力，在该案例中流体为气体。因为压力梯度处于大致轴向方向，需要提供旋转和静止部分之间沿着流体流的密封装置。可磨耗材料层22相对于每排转子叶片24的末端进行定位，以便提供一定程度的接触以确保密封。

图3图示了图2中定子壳体的段30，段30对应于压缩阶段。壳体部包括承载一排定子叶片26的大致柱形壁34以及直接位于定子叶片26下游的可磨耗材料层22，定子叶片26面对直接邻近下游的转子叶片的末端进行定位。

形成支撑的壁的结构以及壁的可磨耗材料层被示出在图4中。这是截面图。应注意，相对于形成所谓的外壳的壳体的壁34来图示并描述该构造。

形成壳支撑的壁34是具有有机基质的复合材料，诸如涂覆有环氧树脂的碳纤维，其使用树脂传递模塑(RTM)制成-将加压树脂注入到包含预制的或密实的加强件的封闭模具中。当树脂固化时，可以打开模具并移除合成物。

呈现为大致柱形环的形式的金属环36借助胶粘层38被压到壁34的内表面上。该条可由形成完整的环或若干段的单件组成。该条被穿孔，以允许最适宜地机械结合粘合剂。孔还允许粘合剂在施用之后进行除气，另外提供了改进的固定时的延展性。

材料的该布置还降低了裂纹扩展。

例如，粘合剂或粘合物可以是环氧基的。它可以施加为例如金属环外表面上的薄膜。

可磨耗层22附接至金属环36的内表面。可磨耗材料是具有可磨耗性特征的材料，确保转子末端接触材料时保持完好。更具体地，可磨耗材料可由三个主要部件组成：

-确保涂层结构刚性和耐腐蚀性的部件，

-用于润滑叶片末端的接触部的非结构部件(该部件有时称为固体润滑剂)，

-允许涂层颗粒在接触时容易地分离的多孔结构。

该实施方式基本上由具有金属相的非均质材料组成，通过热喷涂，尤其通过等离子喷涂来沉积非均质材料。该材料可以是铝硅聚酯。

等离子喷涂技术是冶金粉末制造技术；它用于产生大量的高可磨耗性材料。通过施加高直流电下的同心电极之间的大的电位差来产生等离子体；这使惰性气体(氮、氩、氦)离子化，使之达到高压和非常高的温度(在1,000A电流下超过16,000℃)。然后，一股粉末流注入到等离子体射流中。由于所达到的高温，该技术允许任何金属被熔化，即使是最耐火的。

为了确保最适宜地结合可磨耗材料，建议对金属环的内表面喷砂。

该条中的孔理想地分布在其整个表面上，以便确保均匀结合。该条相对较薄，例如介于0.1mm和1mm之间，优选地约是0.2mm。它可以是诸如316L级的不锈钢。它同样可以是钛或(铁(64％)和镍(36％)的合金，具有低的碳和铬含量，其主要性质是具有非常低的膨胀系数)。或者，它可以是丝网或是诸如镍或镍-铬泡沫的泡沫。

优选地，金属环的外表面，也就是说将要结合至壳的结构性复合壁的表 面可以在施用之前被喷砂。该喷砂有部分地闭合孔的效果，允许更好的机械结合。该效果在图5中进行了图示，图5是环中的孔、粘合物以及可磨耗层的显著放大图。它很好地示出了金属环36的一个孔中的粘合剂38的蘑菇形状。该效果对 金属环36的另一侧也是正确的，即，将要附接至可磨耗层22的那侧。

Claims (21)

1.轴向涡轮机的壳，包括：

具有大致圆形内表面的大致环形或柱形的支撑件(34)，所述支撑件是确保涡轮机刚性的结构元件；

具有内表面和外表面的环(36)，所述外表面与所述环的内表面相对并且附接至所述支撑件(34)的内表面；

附接至所述环(36)的内表面的可磨耗材料层(22)；

其中

所述支撑件(34)由具有有机基质的复合材料制成；

所述环(36)由金属材料制成；并且

所述壳包括布置在支撑件(34)和环(36)之间确保它们的结合的胶粘层(38)。

2.根据前述权利要求所述的轴向涡轮机的壳，其中，环(36)包括分布在其表面上的一系列孔，孔具有小于或等于1mm的直径。

3.根据权利要求2所述的轴向涡轮机的壳，其中，所述孔具有小于或等于0.6mm的直径。

4.根据权利要求1所述的轴向涡轮机的壳，其中，环(36)由丝网组成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的轴向涡轮机的壳，其中，环(36)的金属材料由如下材料构成：不锈钢、钛、镍-铁合金、殷钢。

6.根据权利要求1所述的轴向涡轮机的壳，其中，环(36)由多孔材料制成。

7.根据权利要求6所述的轴向涡轮机的壳，其中，所述环(36)由金属泡沫制成。

8.根据权利要求6所述的轴向涡轮机的壳，其中，所述环(36)由镍泡沫制成。

9.根据权利要求1至4和6至8中任一项所述的轴向涡轮机的壳，其中，环(36)由厚度介于0.1mm和1mm之间的条制成。

10.根据权利要求9所述的轴向涡轮机的壳，其中，所述环(36)由厚度介于0.15mm和0.5mm之间的条制成。

11.根据权利要求9所述的轴向涡轮机的壳，其中，所述环(36)由厚度介于0.15mm和0.3mm之间的条制成。

12.根据权利要求1至4和6至8中任一项所述的轴向涡轮机的壳，其中，环(36)由若干段制成。

13.根据权利要求1至4和6至8中任一项所述的轴向涡轮机的壳，其中，胶粘层(38)与内部支撑件(34)表面以及环(36)的相应表面直接接触。

14.根据权利要求1至4和6至8中任一项所述的轴向涡轮机的壳，其中，可磨耗材料层(22)包括使用等离子体喷涂的铝硅聚酯可磨耗材料。

15.根据权利要求1至4和6至8中任一项所述的轴向涡轮机的壳，其中，支撑件(34)构成了涡轮机的压缩器(4,6)的壳体(12)的结构部分(30)，所述部分对应于所述压缩器的至少一排定子叶片和一排转子叶片。

16.轴向涡轮机的压缩器(4,6)，包括配备有被称为转子叶片排的叶片的转子(20)、配备有被称为定子叶片排(26)的叶片的壳体(12)，其中，所述壳体(12)包括根据前述权利要求中任一项所述的壳，所述壳成为具有可磨耗材料层(22)的壳体(12)的一部分，可磨耗材料层(22)为所述转子叶片的末端提供密封。

17.一种制造轴向涡轮机的壳的方法，包括如下步骤：

a)为由具有有机基质的复合材料制成的大致环形或柱形的支撑件(34)提供大致圆形内表面，所述支撑件是保证所述涡轮机的刚性的结构元件；

b)将金属环(36)固定在所述支撑件(34)上，所述环具有内表面和外表面，所述外表面与所述环的内表面相对并且通过粘接被固定在所述支撑件(34)的内表面上；

c)将可磨耗材料层(22)施加在所述环的内表面上。

18.根据权利要求17所述的制造轴向涡轮机的壳的方法，其中，所述壳是轴向涡轮机压缩器的壳。

19.根据权利要求17或18所述的制造轴向涡轮机的壳的方法，其中，通过等离子喷涂来执行步骤c)。

20.根据权利要求19所述的制造轴向涡轮机的壳的方法，其中，所述可磨耗材料层是铝硅聚酯。

21.根据权利要求17或18所述的制造轴向涡轮机的壳的方法，其中，在步骤c)之前进行步骤：通过喷砂或者化学蚀刻来制备环(36)的内表面。