CN103534443B - 叶轮及装配和平衡叶轮的方法 - Google Patents

叶轮及装配和平衡叶轮的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涡轮发动机的叶轮（2），包括：盘（1），在盘（1）的外圆周处形成有至少一个用于安装叶片（2）的根部（4）的凹槽（3）；垫片（5），被安装在每个叶片根部（4）和凹槽（3）的底部之间。垫片（5）是双稳态的并且因此可以在用于安装或移除而其中该垫片不对叶片根部（4）施加力的第一稳定位置中或者在其中该垫片对叶片根部（4）施加径向力以便固定叶片（2）并且将其稳定在最后位置中的第二稳定位置中。

Description

叶轮及装配和平衡叶轮的方法
本发明涉及一种涡轮发动机转子叶轮。
转子叶轮通常包括携带在其外周边处的风扇叶片的盘，这些叶片具有根部，该根部接合在该盘的外周边中的基本轴向的狭槽中。该风扇叶片通过在它们根部的形状和在盘中的狭槽的形状之间的协作被径向地保持在该盘上，该叶片根部例如具有楔形榫的类型。叶片间平台被安装在风扇叶片之间的盘上或者它们形成盘的整体部分。这种类型的叶片在以申请者的名义的例如文件FR2881174中被描述。也可以被称为套筒的狭槽可以是直的或弯曲的，并且，在叶片的根部和狭槽的内壁之间的接触表面被称为支承表面。
叶片被安装成在它们根部和狭槽壁之间，具有缝隙。为了缩小该缝隙，已经提出了建议，将弹性压紧部安装在狭槽的底部和叶片根部之间，以使叶片根部被保持并径向地挤压该盘的支承表面。然而，只可以对大尺寸的叶片使用压紧部，诸如，风扇叶片，因为大的尺寸使其可以制造压紧部，并且可以使它们具有足够的硬度，以便能够通过施加力被安装，而不会变形。
压紧部也必须非常准确，以使叶片被保持，但是，如果没有完全地被卡在位置中，其就不能够使叶片根部正常地挤压狭槽的支承表面。
那种类型的转子叶轮存在以下所述的缺点。
在涡轮发动机运行期间转子叶轮的转动导致高水平的径向力被施加到叶片，从而将它们保持在它们的操作位置或“工作”位置中。举例来说，重达17克(g)的高压压气机叶片可以承受大约500千克(kg)的离心力，而重达大约4.5kg的风扇叶片可以承受超过60(公)吨(t)的力。
不存在压紧部或者当压紧部没有被充分地预加应力时，每次转子叶轮停止，其都会占据不同的角位置，并且叶片在它们自己的重力作用下改变位置。
平衡转子叶轮在于消除叶轮中的任何不平衡，并且这在低速下实施，然而，因为叶片的位置和因此转子叶轮的不平衡在每次该叶轮启动的情况下都是不相同的，所以，要想足够精确地实施该平衡是不可能的。
此外，在叶片的低加载下，在每次涡轮发动机启动时发生的小幅度移动都造成对用于安装叶片根部的狭槽的内表面的磨损。这被称为“微振”磨损，其可以防止通过使用涡电流对盘和叶片的完整性实施检测，那可能导致盘和/或叶片被废弃，即使它们仍然正常地是可使用的。
在变体中，叶片可以具有这样的类型，所述类型具有锤头状附接部，叶片根部然后被安装在圆周形狭槽中。以与以上相同的方式，叶片通过在它们根部的形状和在盘中的圆周形狭槽的形状之间的协作被径向地保持在该盘上。举例来说，那种类型的扇叶以申请者的名义在文献FR2900989中被描述。
叶片根部通过在盘中的单一凹口被径向地插入到圆周形狭槽中，叶片然后沿着该狭槽圆周地滑动到它们最后的位置。该叶片由闩件保持，叶片之间的圆周形空隙被维持，以便在涡轮发动机运行期间适应热膨胀。
将压紧部安装在叶片根部和圆周形狭槽的底部之间是不可能的。
一旦叶片被安装，它们就在与叶片之间的圆周形空隙的总值相对应的距离内沿着狭槽是可移动的。
因此，每次叶轮停止时，因为叶轮的角位置不必需是相同的，所以，叶片可以改变位置。叶片然后在可用空隙的极限内、在它们的自重下、以任意方式被重新定位。叶片位置的这些改变对转子叶轮的平衡及其有效期限有几种直接的影响。
在平衡时，叶片位置的改变导致从一个发动机启动到另外一个的不平衡测量出现离差。该离差使可能实施平衡所使用的精度受到限制，并且其对被传递到轴承的力以及所察觉到的振动水平具有极大的影响。
另外一个影响是平台的侧向磨损，所述平台随着每次启动时的相对移动而彼此挤压。该磨损进一步地扩大了叶片之间的切向空隙，从而导致更大的不平衡以及盘的支承表面和叶片根部的磨损。
以与以上相同的方式，叶片的移动也可能造成叶片根部安装狭槽的内壁的微振磨损，从而使其难以通过使用涡电流针对裂缝检测它们。
最后，存在使用被制成为单件的叶片盘的可能，其中，该叶片和该盘通过加工被制成为单件。
然而，尤其因为热应力、机械应力和重应力的作用，因此该技术并不能总是被应用到所有的转子叶轮，并且，该技术在制造和维护方面存在非常高的成本。
如果可能，也难以在单件叶片盘或“整体叶盘”的叶片中加工冷却回路。
文献JP2007-120460、DE3236021、JP1-237304和JP61-129405描述了使用形状记忆的压紧部，其适合用于根据温度在两个位置之间变形。
实施和控制那些压紧部的冷却和加热是相对困难的。
本发明的目的特别是为了提供以上所述问题的简单、有效和廉价的解决方案。
为了这个目的，本发明提供了一种涡轮发动机转子叶轮，该转子叶轮包括：盘，该盘具有形成在其外周边中用于安装叶片根部的至少一个狭槽；以及，压紧部，该压紧部被安装在每个叶片根部和狭槽的底部之间，该压紧部具有在适当位置处是双稳态的类型，其能够占据用于装配和拆卸而其中不会对该叶片根部施加力的第一稳定位置以及其中其对该叶片根部施加径向力以便保持该叶片静止并且以便将其稳定在最后位置中的第二稳定位置，该叶轮的特征在于，该压紧部的形状和重量被确定，这样例如，通过以超过2000转/分钟(rpm)的速度旋转该叶轮，通过离心作用实施从第一稳定位置到第二稳定位置的通过。
以这种方法，可以将压紧部和在盘的狭槽中的叶片一起安装在第一位置中，并且可以随后以足够的速度旋转该盘，以便使该压紧部和叶片占据它们的最后位置，同时每个压紧部以这种方式变形，以便从其第一位置通过到达其第二位置，该叶片随后被压紧部保持在其最后位置，甚至当该盘已经停止或以低速旋转时。该转子叶轮然后可以以低速以精确的方式被平衡。
如果压紧部对该盘施加小的应力或力，则就不需要对该盘的尺寸进行任何特定的再设计。
根据本发明的特征，压紧部包括在上述两个位置之间可变形的弹性叶片。
有利地，该弹性叶片在其端部处抵靠该狭槽的底部并且包括在适当位置处是双稳态的可变形中心区。
弹性叶片的端部可以具有弯曲边缘，该弯曲边缘朝向中心区被折叠，以这种方式以便避免损坏狭槽的底部。
在本发明的另外一个特征中，弹性叶片的中心区包括离心配重。
该离心配重因此可以被设计尺寸，以便准确地调整旋转速度，超过该旋转速度，发生从第一稳定位置到第二稳定位置的通过。
在本发明的一个实施方式中，该盘包括圆周形狭槽，在所述圆周形狭槽中，叶片根部和压紧部接合。
优选地，每个压紧部的至少一个圆周形端部包括至少一个用于抵靠相应叶片根部的舌部。
该舌部用于将压紧部准确地定位在叶片根部的下方。
该压紧部可以由具有形状记忆的材料制成，该材料在机械应力、热应力或电应力下是可变形的。
该压紧部然后可以通过施加适当的应力从一个稳定位置到另外一个稳定位置被变形。
本发明还提供了一种装配和平衡上述类型的叶轮的方法，所述方法的特征在于，其包括由以下步骤组成的步骤：
将叶片和压紧部安装在盘的狭槽中安装位置中；
使叶轮以足够快的速度旋转，以便通过离心作用将叶片移动进正常操作位置中，并且，以便使每个压紧部进入其第二稳定位置中从而将叶片稳定在它们的操作位置中；以及
平衡叶轮以便消除任何失衡。
因此可以以非常准确和可靠的方式来实施平衡，即使万一涡轮发动机实施连续的停止和重启，叶片也总是维持在相同的位置中，并且与转子叶轮的角位置无关。
优选地，例如，在定位叶片的端部的操作期间，通过以比2000rpm更快的速度旋转以使压紧部进入它们的第二稳定位置中。
此外，在叶片被压紧部保持之前，垫片可以被圆周地安装在至少一些叶片之间，垫片在叶片被垫片保持之后被移除。
叶片的分隔可以在扇区中实施，即，垫片可以被布置在仅仅一些叶片之间，该垫片限定在彼此之间的角扇区。
这使其可以当涡轮发动机被启动时并且在叶片被压紧部保持成静态之前限定在圆周形狭槽内侧的叶片根部的移动。
借助非限制性的实施例和参考附图，以及通过阅读以下描述，本发明可以更好地被理解并且本发明的其他细节、特征和优点将显而易见，其中：
图1是本发明的转子叶轮的截面局部视图，其中，压紧部是在第一稳定位置中；
图2是相应于图1的视图，示出了从其第一稳定位置通过到达其第二稳定位置的压紧部；
图3是相应于图1的视图，示出了在其第二稳定位置中的压紧部；以及
图4是压紧部的透视图。
图1至3示出了涡轮发动机的转子叶轮，所述转子叶轮包括具有外周边的盘1，该外周边由多个基本轴向的狭槽形成或由圆周形凹槽或狭槽3形成。
各叶片2包括翼面和楔形榫形叶片根部4，所述叶片根部接合在盘1中的互补形状的狭槽3中，目的在于径向地将叶片2保留在盘1上。叶片2也具有限定流体流动通道的内表面的连续平台，该连续平台径向地被定位在叶片根部4和翼面之间。
压紧部5被安装在每个叶片根部4和狭槽3的底部之间。压紧部5具有在适当位置处是双稳态的类型，其能够占据用于装配和拆卸而其中不会对叶片根部4施加任何力的第一稳定位置(图1)以及其中其对叶片根部4施加径向力以便保持叶片2静止并且以便将其稳定在最后位置中的第二稳定位置(图3)。更特别地并且如可以在图4中所看到的，压紧部5是以弹性叶片的形式，所述弹性叶片在上述两个位置之间是可变形的。弹性叶片经由其端部6抵靠狭槽3的底部，其端部包括朝向中心区7延伸的弯曲边缘。离心配重8例如借助于螺丝钉或通过压接被固定到弹性叶片的中心区7。
弹性叶片和离心配重8的形状和重量被确定，以当该叶轮以超过2000rpm的速度旋转时，通过离心作用使其自动地从第一稳定位置(图1)通过到达第二稳定位置(图3)。
当安装在圆周形狭槽3中时，压紧部5的每个圆周端部具有一个或两个用于抵靠叶片根部的舌部10(图4)，以便确保该压紧部相对于相应的叶片根部被适当地定位。
压紧部5可以由具有机械特性的金属材料制成，所述机械特性是充分的且与有关区域所达到的温度兼容。该压紧部5也可以由形状记忆材料制成，该材料在机械应力、热应力或电应力下变形。
以下详细地描述安装和平衡本发明的转子叶轮的方法。
首先，叶片2和压紧部5通过在盘1中的单一凹口被接连地安装在圆周形狭槽3中，并且，它们然后沿着狭槽3圆周地被移动到它们的最后位置。在该移动发生的同时，舌部10使压紧部5能够被保持在叶片2下方的适当位置中。闩件然后被安装在圆周形狭槽3中，以便防止任何叶片2飞脱，维持叶片2之间的圆周形空隙，以便在涡轮发动机运行时适应热膨胀。
在该装配期间，压紧部5在它们的第一位置中，如图1所示，在压紧部5的边缘和叶片根部4之间设置有径向空隙j。
临时垫片被圆周地安装在一些叶片2的平台之间，以便在角扇区中组织叶片2，例如，取决于尤其在叶片2之间的切向空隙的幅度、盘1的直径和叶片2的数量，是两个、三个或四个扇区。
其后，使叶轮以足够的速度旋转，以便通过离心作用将叶片2带进它们的最后操作位置，并且以便使每个压紧部5进入到它的第二稳定位置。举例来说，该旋转速度可以具有3000rpm或4000rpm的数量级。
叶轮的该初始旋转可以例如相对应于在它们尖端(即它们的径向外端部)处的叶片2的定位操作。
在该旋转期间，边缘挤压叶片根部4(图2)，并且然后压紧部5变形，以便从第一稳定形状通过到达第二稳定形状(图3)。
在它们的第二稳定位置中，压紧部5使用力挤压叶片根部4，所述力径向地向外传递并且足够将叶片2保持在它们的操作位置中。该力被确定以便补偿叶片2的重量并且也补偿当启动涡轮发动机时发生的惯性效应。
其后，叶轮的旋转被停止或减缓，叶片2被压紧部5保持和稳定在它们的操作位置中。垫片然后可以被移除，而不具有移动叶片2的风险。
其后，转子叶轮可以以低速和以准确的方式被平衡，因为压紧部5防止了叶片2的任何圆周移动或任何倾斜。
例如，对于重量为17g的叶片2，用于改变压紧部5位置的速度可以选择是大约2500rpm或实际上是大约3500rpm，被施加在第二稳定位置中的叶片根部4的残余力然后是0.5牛顿(N)。如果相应于位置改变的旋转速度是2500rpm，则离心配重8可以重达约0.15g；或者，如果该旋转速度是3500rpm，则该离心配重8可以重达大约0.075g。
在变体中，叶片根部4可以被容置在基本地轴向的狭槽中，如文献FR2881174中所描述的。在这种情况下，压紧部5不需要必须具有舌部10。本发明操作所根据的原理仍然保持与以上所描述的类似。

Claims (11)

1.一种涡轮发动机转子叶轮，包括：盘(1)，所述盘(1)具有形成在其外周边中用于安装叶片(2)的根部(4)的至少一个狭槽(3)；压紧部(5)，所述压紧部(5)被安装在每个叶片根部(4)和狭槽(3)的底部之间，压紧部(5)能够占据用于装配和拆卸而其中不会对叶片根部(4)施加力的第一稳定位置以及其中它对叶片根部(4)施加径向力以便保持叶片(2)静止并且以便将它稳定在最后位置中的第二稳定位置，叶轮的特征在于：压紧部(5)的形状和重量被确定，以通过离心作用实施从第一稳定位置到第二稳定位置的通过。
2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于：压紧部(5)包括弹性叶片，所述弹性叶片在第一稳定位置和第二稳定位置之间可变形。
3.根据权利要求2所述的叶轮，其特征在于：弹性叶片在其端部(6)处抵靠狭槽(3)的底部并且包括在适当位置处的可变形中心区(7)。
4.根据权利要求3所述的叶轮，其特征在于：弹性叶片的端部(6)具有朝向中心区(7)被折叠的弯曲边缘。
5.根据权利要求3所述的叶轮，其特征在于：弹性叶片的中心区(7)包括离心配重(8)。
6.根据权利要求2至5中任何一项所述的叶轮，其特征在于：盘(1)包括圆周形狭槽(3)，在所述圆周形狭槽(3)中，叶片根部(4)和压紧部(5)接合。
7.根据权利要求6所述的叶轮，其特征在于：每个压紧部(5)的至少一个圆周形端部包括至少一个用于抵靠相应的叶片根部(4)的舌部(10)。
8.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于：压紧部(5)由具有形状记忆的材料制成，所述材料在机械应力、热应力或电应力下是可变形的。
9.一种用于装配和平衡根据权利要求1至8中任何一项所述的叶轮的方法，所述方法的特征在于：其包括由以下步骤组成的步骤：
将叶片(2)和压紧部(5)安装在盘(1)的狭槽(3)中的安装位置中；
使所述叶轮以足够快的速度旋转，以便通过离心作用将叶片(2)移动进正常操作位置，并且以便使每个压紧部(5)进入它们的第二稳定位置中，从而将叶片(2)稳定在它们的操作位置中；以及
平衡叶轮以便消除任何失衡。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：在定位叶片(2)的端部的操作期间，通过以比2000rpm更快的速度旋转使压紧部(5)进入它们的第二稳定位置。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于：在叶片(2)被压紧部(5)保持之前，垫片被圆周地安装在至少一些叶片(2)之间，垫片在叶片(2)被垫片保持之后被移除。
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