CN103835771A - 具有分节段的内壳体的轴向涡轮机定子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有分节段的内壳体的轴向涡轮机定子。一种轴向涡轮机的压缩机定子包括：内壳体(28)，由首尾相连布置的多个环形节段(32)形成；施加在壳体内表面上的可磨损的材料层(30)；以及连接到所述壳体的环形叶片(26)阵列。所述定子包括至少一个条(38)，其位于可磨损的材料层中，并且从两个相邻的环形节段(32)之间的接合处的任一侧延伸。叶片(26)的内翼梢具有与条(38)机械地匹配的钩(40)。

Description

具有分节段的内壳体的轴向涡轮机定子

技术领域

本发明涉及一种轴向涡轮机。更具体地说，本发明涉及一种包括分节段的(segmented)内壳体的轴向涡轮机定子。本发明还涉及一种定子组装工艺。本发明还涉及一种轴向压缩机。

背景技术

为了引导环形流，轴向涡轮机装配有限定出所述流的内侧和外侧的同轴壳体。在定子中，内部壳体实际上连接到定子叶片翼梢。它们形成具有开口的柱形壁，定子叶片翼梢经由所述开口插入从而固定它们。

为了便于插入叶片翼梢，开口较大，那么必须密封间隙。

为了确保压缩机级之间的密封，可磨损的材料层沉积在内壳体的每个内表面上。这些层意在与形成在转子上的径向肋(fin)的顶端平齐。内壳体的截面可以形成U形，以形成保持可磨损的材料层的内环形沟槽。

专利EP2196629A1公开了一种涡轮机的叶片定子的内环。壳体具有U形横截面，在横截面中，凹槽保持可磨损的材料层。内壳体包括首尾相连的多个壳体节段。它们的界面具有设计为与叶片的空气动力学表面配合的表面。这些节段具有位于一侧的凸起和位于另一侧的凹槽。位于一个节段上的凸起能与相邻节段的凹槽匹配，使得它们能够互锁。

由于可磨损的材料的相对挠性以及凸起的构造，所述节段可以基本上相对于彼此移动。然而，在操作时，这种壳体会遭受频繁的激振。结果，内壳体会产生破坏性的振动模式。此外，凸起和凹槽具有较大的径向厚度，其影响了节段的厚度。这种对于增加材料量的需要增加了壳体的重量，因此影响了它的振动响应。

发明内容

技术问题

本发明旨在解决现有技术中存在的至少一个问题。更具体地，本发明旨在改进具有分节段的内壳体的定子的振动行为。本发明旨在改进定子的构造，尤其是在叶片和内壳体之间的连接方面进行改进。

技术方案

本发明涉及一种轴向涡轮机压缩机的定子，包括沿径向延伸的环形的叶片排和内壳体，叶片的内翼梢通过内壳体，所述环形壳体由首尾相连布置的节段形成，其中，所述定子还包括至少一个条，其沿壳体的内表面周向地延伸，并且与位于叶片的内翼梢上的接合装置匹配，以保持叶片，所述条沿着至少两个相邻的环形节段连续地延伸。

根据本发明的有利实施例，所述条与壳体的内表面间隔开，所述表面优选地覆盖有包围所述条的可磨损的材料层。

根据本发明的有利实施例，所述条基本上平行于内罩延伸。

根据本发明的有利实施例，内壳体具有向内部敞开的环形沟槽，其容纳可磨损的材料层。

根据本发明的有利实施例，可磨损的材料层在所述节段之间的接合处范围内是连续的。

根据本发明的有利实施例，内壳体由金属或者复合材料制成。

根据本发明的有利实施例，所述或至少一个条具有扁平截面，所述扁平截面优选地是实心的。

根据本发明的一个替代实施例，所述或至少一个条具有圆形截面，或者，所述或至少一个条可以是线或者绳。

根据本发明的有利实施例，所述条或者每个条延伸超出两个相邻环形节段之一的至少四分之一，优选地三分之一，更优选地二分之一。

根据本发明的有利实施例，条形成开环。

根据本发明的有利实施例，用于接合叶片内翼梢的装置包括与条匹配的开口和/或钩。

根据本发明的有利实施例，接合装置远离壳体的上游边缘和下游边缘，接合装置优选地基本上沿轴向位于壳体中心。

根据本发明的有利实施例，匹配条的接合装置的一部分具有沿轴向的长度，所述长度大于条宽度的100％，优选200％，从而允许接合装置沿所述方向的定位改变。

根据本发明的有利实施例，所述条的轮廓匹配壳体的轮廓。

根据本发明的有利实施例，两个相邻叶片之间的条的轮廓对应于壳体的轮廓。

根据本发明的有利实施例，壳体包括至少四个环形节段，所述条或者条之一跨越内壳体的至少二十分之一，优选至少八分之一，更优选四分之一。

根据本发明的有利实施例，条由金属材料制成，优选由钛、钢或者铝制成。

根据本发明的有利实施例，接合叶片内翼梢的装置包括钩，钩的喉部沿轴向方向取向。

根据本发明的有利实施例，钩具有位于它们喉部的唇部，唇部设计成轴向地限制条。

根据本发明的有利实施例，钩可以是在叶片内翼梢上横向地制成的槽口。

根据本发明的有利实施例，定子包括位于开口和叶片翼梢之间的接合处的边界密封件，其焊珠(bead)从内壳体的内表面径向向内延伸，条与所述密封件间隔开。

根据本发明的有利实施例，条截面的宽度大于内壳体截面宽度的10％，优选大于20％，甚至优选大于30％。

根据本发明的有利实施例，定子包括若干条，它们的末端沿径向重叠，并且所述末端可在重叠处焊接起来。或者，定子可以包括若干条，它们的末端彼此间隔开。

根据本发明的另一有利实施例，条的材料基本上不会产生塑性变形。

本发明还涉及一种压缩机，包括轴向涡轮机的压缩机，所述压缩机包括至少一个叶片定子，其中所述或至少一个定子如本发明所述，压缩机优选是低压压缩机。

有益效果

本发明可基本上通过改变内壳体在两个节段之间连接处的硬度来改变内壳体的频率响应。所述条保持挠性，并且不会形成完全妨碍节段之间的接合的任何变硬部分。保留一些挠性的选择足够遏制内壳体的破坏性振动模式。

所述条实际上是细长的。其保持轻量，当壳体被振动地激振时，这不会改变影响壳体频率响应的壳体质量或惯性。本发明能对最有害的低频振动模式产生作用。选择细长且轻的条是可取的，因为它与可磨损层互补，可磨损层的潜在粘弹性能够用于抑制高频振动。

本发明利用叶片的存在来改善所述条的锚定效果，同时改善叶片本身的锚定。这样，整个结构更具有刚性，并且避免了低频振动模式。因此，本发明有助于组装定子。

附图说明

图1示出依照本发明的轴向涡轮机。

图2是在依照本发明的图1中的涡轮机的压缩机的截面图。

图3示出图1中的压缩机的定子的两个环形节段，该定子如本发明所述。

图4是图3所示定子的壳体的截面图。

具体实施方式

在下面的描述中，术语“内”或“内部”以及“外”或“外部”指的是相对于轴向涡轮机的旋转轴线的位置。

图1示出轴向涡轮机。在该情况下，它是双路式涡轮喷气发动机。涡轮喷气发动机2包括第一压缩级(所谓的低压压缩机4)、第二压缩级(所谓的高压压缩机6)、燃烧室8以及一个或多个涡轮级10。在运行中，涡轮机10的机械动力通过中心轴传递到转子12，并驱动两个压缩机4和6。减速机构可以增加传递到压缩机的旋转速度。而且，不同的涡轮级能够通过同心轴连接到压缩机级。压缩机包括与定子叶片排相关联的多个转子叶片排。因此转子的旋转会产生气流，并且逐渐地将空气压缩到燃烧室8的入口。

入口风扇，通常称为“涡轮风扇”16，联接到转子12，并产生气流，该气流分为一次流18和二次流20，一次流18通过上面提及的涡轮机的各级，二次流20沿机器的长度通过环形导管(部分地示出)，然后在涡轮机出口处与一次流汇合。一次流18和二次流20是环形流，并被引导通过涡轮机的外罩。为此，外罩具有可以设在内部或者外部的柱形壁或壳体。

图2是例如图1的轴向涡轮机2的低压压缩机4的截面图。可以看到涡轮风扇16的一部分，同样可以看到位于一次流18和二次流20之间的分流器鼻部(splitter nose)22。转子12包括若干转子叶片排24，例如三排。

低压压缩机4包括若干定子，例如四个，每个定子包括定子叶片26排。定子与风扇16或者转子叶片排相关联，用于使气流变直，从而将所述流的动压力转换为压力。

定子叶片26基本上从外壳体沿径向延伸，并且固定有暗榫。定子叶片彼此均匀地间隔开，并且相对于所述流具有相同的角取向。有利地，这些叶片是相同的。可选地，叶片之间的间隔能局部地变化，它们的角取向也能局部地变化。一排中的一些叶片可以不同于其它叶片。

定子均包括内壳体28，以引导一次流18。壳体28均具有环形开口排。这些开口均匀地分布在内部壳体的周界上，并且叶片内翼梢通过这些开口以固定壳体。内部壳体28具有U型横截面，其中，中空部分向内指向。内部壳体28可以由金属(例如钛合金)或者复合材料制成。

定子都具有容纳在内部壳体28的中空处的环形的可磨损材料层30。可磨损层30可以具有基本恒定的厚度，从而形成条带。这些可磨损层30意在通过磨损与唇形密封件或者周向肋匹配，从而提供密封。可磨损的材料层充当填料，并且是结构上的。

图3示出图2的压缩机定子的一部分。内壳体28主要由多个环形节段32形成。它分为环形部分或者环形节段，优选地是规则的。环形节段32是弓形的。它们都具有多个开口34，定子叶片26的内翼梢插入开口中。例如，每个环形节段32可链接到四个叶片26。然而，它可以链接到多于或少于四个的叶片。环形节段具有内壳体28的U型截面，它们的中空内部容纳环形的可磨损材料层(未示出)。

环形节段32之间具有间隙。它们能靠在一起或者隔开一定距离。然而，由于可磨损的材料层，它们彼此构成一体。这个层在相邻的环形节段之间产生物理界面36。可选地，叶片翼梢可以通过环形节段32之间的界面。

环形节段32相对于可磨损的材料层是足够刚性的，使得在内壳体28变形或者振动的情形下，任何变形都集中在位于环形节段32之间的界面36处的可磨损的材料层部分中。

根据运行状况，振动能够放大到使定子受到可变成破坏性的临界模式振动的影响。为了控制这些临界模式的影响，定子装配有条38，所述条通过环形节段32之间的界面36。它们容纳在可磨损的材料30层的厚度中。

优选地，相同的条通过若干环形节段。可选地，定子包括沿着它的整个周向的一个条。

条38包括金属材料。可以选择钛合金或者铝合金以减少重量。可以使用等级钢以减少成本。条38可以是挤压条，例如具有矩形横截面。这样的条可以具有小于0.50mm的厚度和在2.00mm和10.00mm之间的宽度。条还可以是圆形的，可以包括金属线或者绳。

条是实心的。当加工时它们是直的。为了安装在定子中，它们随内壳体的曲率而弯曲。当条在组装期间弯曲时，制成条的材料以及条截面能使条有足够的挠性来弹性变形。

叶片26的内翼梢具有接合装置40。接合装置可以包括开口和/或钩40。它们钩住条38，还允许相对于壳体28径向保持叶片26，并且可选地还沿轴向锁定所述条。所述钩可以是形成在叶片的上游或下游侧的横向槽口，槽口具有基本恒定的宽度。

图4示出图3的定子的壳体28的横截面。钩40限定出可以容纳条38的轴向纵长的空腔42。钩40具有沿轴向位于空腔中的喉部42，以允许条在其纵长方向的横向方向上或者沿定子轴线轴向地插入。到喉部42的唇部可以形成位于喉部中的断面收缩。

喉部42的形状通常适配于条的截面，使得其具有类似于条的截面的形状。然而，喉部的尺寸大于条的截面。该特性使得它适应叶片位置的变化，尤其是钩40的位置的变化。钩40的轴向位置相对于标准位置的最大变化可以超过3.00mm。钩40的径向位置相对于标准位置的最大变化可以超过2.0mm。

所述钩40中的一个不必接触所述条。所述钩40中的一个可以基本上沿轴向或沿径向接触所述条。

条38定位在可磨损的材料层30的深度中。所述条定位在可磨损层的中心，允许在所有侧包封所述条。所述条形成可磨损的材料层的核心，并且改变可磨损的材料层的行为。因此，所述条可以改变由可磨损的材料层30形成的物理接合的弹性。

相比于壳体和可磨损的材料的结合质量，所述条的质量是可以忽略的。这个质量小于壳体和可磨损的材料的结合质量的5％，优选小于1％。因此，添加所述条不会显著地改变整体质量，并且不会引入任何新的临界模式频率。如果已经增加了质量，那么可能发生位于那些已经存在的临界模式频率之下的新临界模式频率。这些新模式和它们的谐频增加了损坏的风险。

硅树脂密封件44形成在叶片26和开口之间的接合处。其改进了密封，并在组装时将环形节段32暂时保持在叶片26上。在插入所述条38之前，形成焊珠。有利地，硅树脂密封件44的内侧与所述条38间隔开。这个特征改进了条嵌入可磨损的材料中。

由于允许容易地组装定子，所以整体构造是特别有利的。这种组装方法基于下述步骤：

a.组装或者使用装配在外部介质上的预组装的环形叶片排以及装配到叶片的内翼梢的内壳体；

b.在叶片的内翼梢处插入条，所述条定位在钩喉部的轴向侧。其末端都接触叶片内翼梢，并且其中心部分与叶片相距一段距离。

c.弯曲所述条38的中部，使得所述条沿着它的整个长度接触叶片的内翼梢。因此所述条弯曲成与钩喉部的线平行。

d.使条沿轴向滑入钩中，然后释放它。

e.将可磨损的材料层装配在内壳体中。

需要强调，可在几秒钟内完成步骤b)、c)和d)以使条与十二个叶片接触。减少了安装时间并且减少了劳动成本。

Claims (15)

1.一种轴向涡轮机(2)的压缩机(4，6)的定子，包括：

-沿径向延伸的环形的叶片(26)环；

-内壳体(28)，叶片(26)的内翼梢通过所述内壳体，所述壳体包括首尾相连布置的环形节段(32)；

其中所述定子还包括：

至少一个条(38)，沿所述壳体(28)的内表面的长度周向地延伸，并与位于叶片(26)的内翼梢上的接合装置(40)匹配，以保持叶片，所述条(38)沿着至少两个相邻的环形节段(32)连续地延伸。

2.如权利要求1所述的定子，其中所述条(38)与壳体(28)的内表面间隔开，所述表面优选地由包围所述条的可磨损的材料层(30)覆盖。

3.如权利要求1或2所述的定子，其中所述条(38)或者所述条之一具有扁平截面，所述扁平截面优选地是实心的。

4.如权利要求1至3任一项所述的定子，其中所述条(38)或者每个条(38)延伸超出两个相邻环形节段(32)中的每个的至少四分之一，优选地三分之一，更优选地二分之一。

5.如权利要求1至4任一项所述的定子，其中所述条(38)形成开环。

6.如权利要求1至5任一项所述的定子，其中叶片(26)的内翼梢的接合装置(40)包括与条(38)匹配的开口和/或钩。

7.如权利要求1至6任一项所述的定子，其中接合装置(40)与壳体(28)的上游和下游间隔开，接合装置(40)优选地基本上沿轴向方向位于壳体(28)的中心。

8.如权利要求1至7任一项所述的定子，其中匹配所述条(38)的接合装置(40)的部分具有沿轴向的长度，所述长度超过条(38)的宽度的100％，优选200％，使得允许改变接合装置(40)沿所述方向的定位。

9.如权利要求1至8任一项所述的定子，其中所述条(38)具有匹配壳体(28)的轮廓的环形轮廓。

10.如权利要求9所述的定子，其中两个相邻叶片(26)之间的条(38)的轮廓匹配壳体(28)的轮廓。

11.如权利要求1至10任一项所述的定子，其中壳体(28)包括至少四个环形节段(32)，所述条(38)跨越内壳体(28)的至少四分之一，优选内壳体(28)的至少二分之一，更优选整个内壳体(28)。

12.如权利要求1至11任一项所述的定子，其中所述条(38)由金属材料制成，优选由钛、钢或者铝制成。

13.如权利要求1至12任一项所述的定子，其中叶片(26)的内翼梢的接合装置包括钩(40)，所述钩的喉部沿轴向方向取向。

14.如权利要求13所述的定子，其中所述钩(40)具有位于钩的喉部的唇部，所述唇部设计成沿轴向限制所述条(38)。

15.一种压缩机，尤其是轴向涡轮机的压缩机，包括至少一个叶片定子，其中所述定子或至少一个定子如权利要求1至14任一项所述，所述压缩机优选是低压压缩机(4)。

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