CN103429850A - 涡轮发动机级 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮喷气发动机级，其包括带有多个叶片(18)的转子叶轮，叶片外部周围为机匣(66)环绕，机匣在面对叶片(18)自由端的内表面上设有一耐磨材料层(70)，该级的特征在于，机匣(66)内表面上使用了至少一个用来测量叶尖间隙的平面传感器(64)，并由该耐磨材料层(70)所覆盖。

Description

涡轮发动机级
技术领域
本发明涉及涡轮发动机的一个级，包括转子叶轮和监测叶尖间隙的装置。
背景技术
通常，旁路式涡轮发动机包括，从上游到下游：风扇，在风扇出口处，气流分为流过压缩机、燃烧室和涡轮在涡轮喷气发动机内流动的主气流，和围绕涡轮喷气发动机流动的副气流。
风扇由转子叶轮构成，后者包括在其外围携带的多个叶片，这些叶片围绕轮盘轴线有规律地间隔。机匣环绕在叶片的外部。为了避免空气在叶片尖部上方流过，这会降低发动机的效能，在风扇机匣内表面上使用了一层耐磨材料，该耐磨材料布置成与风扇叶片平齐。
运行时，重要的是，监测叶片径向外端和机匣之间的间隙，为的是持续地保持叶片自由端和机匣之间的间隙，该间隙被降到最小，但是，又能足以避免任何接触，因为接触会损伤风扇叶片机械完整性，进而缩短使用寿命。另外，重要的是，了解旋转叶片的振动特性。
为此，人们提出了在机匣外表面上形成多个凸起，每个凸起都带有孔口，向机匣内部和外部打开，以便安装电容式圆柱形传感器，从而使得其内表面大体上与机匣内表面平齐。面向叶片径向外端的机匣内表面上覆盖有耐磨材料，但装有传感器的区域除外。于是，在每个传感器的工作面和叶片径向外端之间形成一个空腔。这些腔室是必须的，因为可避免叶片径向外端和传感器之间的任何接触。
在风扇叶轮旋转期间，这些空腔会产生很大的噪声，这是因为风扇叶片径向外端会以高速通过这些空腔。
另外，如果机匣采用复合材料制成时，在机匣凸起上形成的孔口还会引起机械强度的问题，而且，这会造成很难获取合格证书，而合格证书的获取又是销售涡轮发动机所要求的。
最后，传感器的这种布置可能会引起其工作面堵塞，而堵塞则会带来测量误差。为了解决这个困难，人们提出了采用聚氨酯泡沫塑料来填充这些空腔。然而，这种 泡沫塑料在运行时会断裂。
发明内容
本发明的一个具体目标是提供解决这些问题的方案，这个方案简单，成本低，且有效。
为此，本发明提供了一种涡轮发动机级，其包括带有多个叶片的转子叶轮，外部周围是机匣，该机匣在面向叶片自由端的内表面上带有一层耐磨材料，所述级的特征在于，测量叶尖间隙的至少一个平面传感器设在机匣的内表面上，由该层耐磨材料覆盖。
现有技术的相对沉重且庞大的圆柱形传感器可用轻型平面传感器取代，其径向尺寸非常小，从而可使其直接置放在机匣的内表面上。此外，平面传感器的使用避免了在机匣上制作凸起的需要，或者在机匣上制作孔口的需要，从而使得机匣的机械强度得以改善，噪声降低，因为面向叶片径向外端的空腔没有了。还有，传感器的堵塞也会避免，因为其采用耐磨材料保护。最后，将传感器覆盖在耐磨材料层内，可保护其不会受潮。
有利的是，平面传感器是一种电容式传感器。其呈圆形，直径约30mm，厚度小于1mm。
有利的是，传感器上覆盖一层耐磨材料，厚度为大约5mm到7mm。
根据本发明的一个具体实施例，机匣携带有三个上述平面传感器。
根据具体实施例，第一个传感器置放在侧向位置，另外两个传感器对称置于第一个传感器两侧的机匣上。
另外两个传感器可以布置在机匣的顶部或底部。
根据本发明的另一个特性，机匣包括至少一个孔口，供电缆穿过，连接到传感器上，所述孔口轴向位于叶片旋转的区域外部，这样，可避免因在叶片径向外端通过的轴向区域内形成空气腔室而增加的噪声。
有利的是，上述孔口在叶片前缘上游形成。
本发明还提供了一种风扇或压缩机，包括至少一个上述级。
本发明还提供了一种涡轮发动机，诸如飞机涡轮喷气发动机，包括至少一个风 扇或压缩机级，安装有上述类型的测量叶尖间隙的传感器。
通过阅读以非限定性示例并参照附图给出的如下说明，本发明的其他优点和特性会显现出来。
附图说明
图1为涡轮喷气发动机风扇轴向截面半视图；
图2为图1所示风扇的机匣所携带的现有技术传感器轴向截面的示意图；
图3为本发明实施例的示意图；以及
图4为图3实施例上使用的平面传感器的前视图。
具体实施方式
首先参照图1，该图示出了沿轴线2涡轮发动机的风扇10，所述风扇包括由轮盘14组成的转轮，在其周围带有多个叶片16，叶片根部安装在轮盘14的狭槽中，叶片叶型18径向向外延伸到风扇机匣20，而机匣又与短舱22(nacelle)为一体，后者在外部环绕叶片16。风扇转轮由轴24带动围绕发动机轴线12旋转，所述轴24通过螺栓26固定到截头圆锥形壁28上，后者则又固定到风扇转轮上。轴24由轴承30支撑并导向，而轴承30则安装在环形支架32的上游端，环形支架32固定到中间机匣(图中未示)的下游，而中间机匣布置在低压压缩机34的下游，后者的转子36经由连接壁38固定到风扇转轮上。
在内表面上，风扇机匣20带有一层耐磨材料40，布置成与风扇叶片16齐平，这样，在与叶片径向外端接触时被磨损掉。这层耐磨材料40可以减少叶片16尖部和风扇机匣20之间的间隙，从而优化发动机的性能。
低压压缩机34包括外机匣44所携带的静止叶片42,其与转子36所携带的转轮46相互交错.每个转轮46带有多个叶片,有规律地分布在发动机轴线12周围并由一层48耐磨材料在外边包围,耐磨材料附着在低压压缩机机匣44的内表面上。
为了测量风扇10叶尖的间隙，在风扇10机匣20上布置了多个传感器。机匣20的外表面上带有凸起50，凸起沿圆周彼此相互隔开。每个凸起50带有孔口52，向机匣20内部打开，进入通道，气流沿该通道流动，孔口内装有传感器54，其呈大体圆柱形，由电缆连接到处理器装置56上。每个传感器54包括位于其径向外端的环形底座57。环形垫片58置于底座57和凸起50的外表面之间。该垫片58用来 调节传感器插装到孔口内的深度范围。每个传感器54都从机匣外部插入到孔口52的内部，垫片58的厚度程度可使传感器工作面在孔口52内向后，从孔口开口处进入空气流动通道内。耐磨材料40层覆盖着机匣的内表面，孔口52的出口除外。为此，在叶片18径向外端和每个传感器54的工作面62之间设有空腔60。
如上所述，圆柱形传感器54的这种布局形式会产生很高的噪声，因为叶片会高速通过空腔60所致。
本发明通过用平面传感器64来取代圆柱形传感器，并在传感器上覆盖一层耐磨材料70（图3），从而试图解决上述的这种缺陷。
每个传感器64安装在机匣66的内表面上，与叶片径向外端部齐平，传感器通过扁平电缆68连接到布置在机匣66外部的处理器装置56上。电缆68布置在耐磨材料层70和机匣66之间机匣66的内表面上，然后，经由位于叶片18前缘上游的孔口72穿过机匣。这样，供传感器64电缆68穿过的孔口72在上游偏离叶片18旋转区域，从而避免因叶片高速通过时产生的噪声。
在传感器64和机匣66内表面之间使用薄薄一层耐磨材料，从而在安装耐磨材料层70之前，在传感器64和机匣66之间形成初步粘合。
根据本发明的具体实施例，传感器64为圆形，覆盖传感器的耐磨材料层70的厚度在5mm至7mm的范围内。传感器64的直径大约30mm，厚度小于1mm，例如，可在0.4至0.7mm的范围内。传感器的工作部分74的直径大约8mm至9mm。
有利的是，风扇带有三个传感器，第一个位于机匣的顶部位置，即12点位置，另一个传感器布置在底部，即第一个传感器的正对面，第三个传感器布置在另外两个传感器之间，彼此相距90°。
例如，测量叶片顶部间隙的传感器64为电容式。与现有技术相比，通过用耐磨材料覆盖电容式传感器，可以提高叶尖间隙的测量效果，因为耐磨材料的电容率是原来空气的大约两倍。例如，耐磨材料可以是以室温硫化(RTV)所获得的树脂，或者其可以是Minnesota Ec 3524®。
上述参照涡轮发动机风扇10给出的说明同样适用于发动机的任何其它部分，如上所述，只要该部分可使测量叶尖间隙的传感器64能够安装在耐磨层内。特别是，本发明适用于图1所示低压压缩机34，该压缩机在面对其叶片径向外端使用了耐磨材料48层。
供传感器64电缆68穿过的孔口72的直径大约3mm，该直径大大小于现有技 术中安装传感器的孔口52的直径，后者大约30mm。为此，孔口72的截面很小，不会在运行时对机匣66机械强度造成影响。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机级，包括带有多个叶片(18)的转子叶轮(16, 46)，叶片外部由机匣(66)环绕，机匣在其面向叶片(18)自由端的内表面上带有一耐磨材料层(70)，所述级的特征在于，机匣(66)内表面上使用了至少一个测量叶尖间隙的平面传感器(64)，并由耐磨材料层(70)覆盖。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机级，其特征在于，平面传感器(64)为一种电容式传感器。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机级，其特征在于，平面传感器(64)为圆形，直径大约30mm，厚度小于1mm。
4.根据前面任一项权利要求所述的涡轮发动机级，其特征在于，传感器(64)被一层厚度大约5mm至7mm的耐磨材料所覆盖。
5.根据前面任一项权利要求所述的涡轮发动机级，其特征在于，至少三个上述平面传感器(64)由机匣(66)携带。
6.根据权利要求5所述的涡轮发动机级，其特征在于，第一传感器(64)布置在侧向位置，另外两个传感器对称位于第一传感器两侧的机匣上。
7.根据权利要求6所述的涡轮发动机级，其特征在于，另外两个传感器布置在机匣的顶部位置和底部位置上。
8.根据前面任一项权利要求所述的涡轮发动机级，其特征在于，机匣(66)包括至少一个供电缆(68)穿过的孔口(72)，以便连接到传感器(64)上，孔口(72)轴向位于叶片(18)转动的区域外部。
9.根据权利要求8所述的涡轮发动机级，其特征在于，上述孔口(72)位于叶片(18)前缘的上游。
10.一种涡轮发动机，诸如飞机涡轮喷气发动机，其特征在于，其包括至少一个级，该级装有根据前面任一权利要求所述的测量叶尖间隙的传感器。
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