CN103836002A

CN103836002A - 轴流式涡轮压缩机的定子叶片及其制造工艺

Info

Publication number: CN103836002A
Application number: CN201310757144.7A
Authority: CN
Inventors: X·查尔斯
Original assignee: Techspace Aero SA
Current assignee: Safran Aero Boosters SA
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2014-06-04
Also published as: RU2568353C2; EP2735706B8; CA2832772A1; EP2735706A1; RU2013151836A; CA2832772C; US20140294574A1; EP2735706B1

Abstract

本发明涉及轴流式涡轮压缩机的定子叶片及其制造工艺。一种轴流式涡轮机压缩机的定子(24)包括外壳(28)，外壳具有一排开口和设计为保持耐磨材料的环形层(36)形成一条的内部环形槽。定子(24)还包括邻接这排开口的一排定子叶片(26)。定子叶片(26)包括具有与开口配合的表面的平台(38)，所述平台(38)安装在开口中以将其遮盖。焊缝将平台(38)与开口在它们的连接处固定。在这排定子叶片(26)的一侧，一部分焊缝轴向地定位在内部环形槽中。

Description

轴流式涡轮压缩机的定子叶片及其制造工艺

技术领域

本发明涉及轴流式涡轮机的定子。本发明还涉及一种包括安装有定子的压缩机和涡轮的轴流式涡轮机。本发明还涉及一种轴流式涡轮机定子的制造工艺。

背景技术

为了获得高的压缩比，轴流式涡轮机压缩机通常具有多个级。每一级基本上由一排转子叶片紧接着一排定子叶片组成。这些级累积的长度构成了压缩机的长度。

专利FR2404102A1公开了一种轴流式涡轮机的叶片的固定环。所述环具有外壳，外壳具有以环形排布置的开口。叶片包括焊接到外壳的开口中的外部平台。外壳包括填充有耐磨材料的环形空腔，所述空腔靠近孔和平台。外壳的横截面因此具有在外壳和平台之间的靠近焊接区域的一段可变厚度。在焊缝附近的材料的可变厚度产生不均匀，这在进行焊接过程中会导致产生问题。

专利FR2958323公开了一种涡轮机的包括若干叶片定子级的低压压缩机。定子级具有外壳，外壳中形成有对准的开口。叶片具有与外壳中的开口的内缘轮廓匹配的平台。在它们的连接点处通过焊接将叶片通过它们的平台固定到外壳。平台的大小确保叶片的主体在焊接操作期间不暴露。

然而，为了通过焊接实现良好的固定，必须遵从空间和几何的限制。在其它部件之间，焊接必须布置成均匀的介质。这使得焊接必须不弯曲地进行，并可优选地使各部分具有恒定的厚度。为克服这些限制，弯曲的区域必须远离叶片，这导致叶片平台的延长，从而导致压缩机的延长。

在涡轮机背景中，低压压缩机占据了很多空间。延长它会对涡轮机壳体的大小和设计造成影响。所述壳体的重量会增加。当这样的涡轮机用作推进飞机的装置时，机载重量将增加，用于支撑其的设备的重量也会增加。主动力需求和机翼表面积必须修正。

专利EP2202388A1公开了一种重叠装配的涡轮机定子。定子凸缘的两个柱状部分在定子叶片处重叠。这种装配方法基于使用盲孔螺栓来固定。尽管减小了轴向长度，但该方案增加了径向直径。而且，这种方案不适于焊接，因为肉眼无法观察到焊接的两面。由于焊接中存在叶片，因此这种构造本身不适用电子束焊接。

发明内容

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，本发明旨在减轻涡轮机的重量。更具体地，本发明旨在使涡轮机更加紧凑。本发明同样旨在改善发动机尤其是其压缩机的性能。

技术方案

本发明涉及一种轴流式涡轮机的定子，该定子包括：外壳，具有环形阵列的开口和设计为保持耐磨材料的环形层的至少一个内部环形槽；具有平台的一排定子叶片，该平台位于开口中并由平台和开口之间的一个或多个焊缝固定，其中这排开口与内部槽部分地重叠，使得焊缝的一部分轴向地定位在内部槽中。

根据本发明的有利实施例，所述叶片平台形成了限定内部槽的唇部。

根据本发明的另一有利实施例，所述平台在内部槽的底部的一部分上延伸。

根据本发明的又一有利实施例，所述开口穿过外壳和槽。

根据本发明的又一有利实施例，所述平台具有平行四边形的大致形状，可优选地具有长方形的大致形状，具有上游侧和下游侧，焊缝的轴向地定位在内部槽中的部分沿着平行四边形的上游侧和下游侧之一延伸。

根据本发明的又一有利实施例，所述开口沿着主要沿定子轴取向的主方向延伸，所述主方向优先地与所述轴形成小于45°的角度，更可优选地形成小于30°的角度，甚至更可优选地形成小于15°的角度。

根据本发明的又一有利实施例，所述外壳可优选地包括单件的环形壁，单件的环形壁具有包括内部槽的第一部分和包括一排开口和叶片的第二部分，所述壁在所述部分之间形成肩部。

根据本发明的又一有利实施例，所述平台具有增加到开口上的表面。

根据本发明的又一有利实施例，所述外壳和/或所述定子叶片平台具有大致恒定的厚度。

根据本发明的又一有利实施例，所述叶片平台基本上嵌入外壳的开口中。

根据本发明的又一有利实施例，所述内部槽的部分沿着大致与定子轴对应的主方向延伸，并且具有的大致恒定深度大于1.00mm，可优选地大于2.00mm，甚至更可优选地大于3.00mm。

根据本发明的又一有利实施例，所述内部环形槽具有两个肩部，其中两个肩部中的至少一个相对于内部环形槽的底部的垂直方向倾斜。

根据本发明的又一有利实施例，所述定子具有通过其它非焊接的手段附接至外壳的叶片。

根据本发明的又一有利实施例，所述定子是压缩机定子，可优选地是低压压缩机定子。

低压压缩机指的是布置在涡扇下游的压缩机。其进口压力与飞机机动期间所处的高度的大气压相似。

根据本发明的又一有利实施例，所述内部环形槽具有的长度大于5.00mm，可优选地大于10.00mm，可优选地大于20.00mm。该长度沿着定子轴进行测量。

根据本发明的又一有利实施例，至少一个平台的材料和外壳的材料为大致相同的合金牌号或适于相互焊接的合金牌号。

根据本发明的又一有利实施例，所述外壳具有两个内部环形槽，一个位于开口的上游，另一个位于开口的下游，焊缝的第一部分位于上游槽中，而焊缝的第二部分位于下游槽中。

根据本发明的又一有利实施例，所述平台具有的厚度大于外壳在开口处的厚度。

根据本发明的又一有利实施例，所述焊接在外壳的环形槽的边缘上具有中断焊接(break in the weld)。

根据本发明的又一有利实施例，所述平台具有沿着外壳的外表面延伸且被轴向地焊接到内部槽中的所述表面的部分。

本发明还涉及一种涡轮机，其包括：具有至少一个定子的至少一个压缩机和具有至少一个定子的至少一个涡轮，其中所述或至少一个压缩机和/或涡轮定子依据本发明而定。

本发明还涉及一种制造根据本发明的定子的方法，包括以下步骤：(a)供应外壳和叶片，(b)在外壳的开口中定位和焊接平台，(c)在内部槽中固定耐磨材料层。

根据本发明的有利实施例，该方法在步骤(b)和步骤(c)之间包括以下阶段：加工外壳的内表面以形成内部槽。

有益效果

本发明可以缩短作为压缩机的涡轮机的长度。与耐磨材料条结合的每个定子级节省几毫米。整个低压压缩机可以节省一厘米。

由于上游侧的焊接被耐磨材料覆盖，本发明还提供了空气动力学的优点。实际上，焊接在流中带有的某些不规则现在被耐磨材料覆盖。这借助在一步骤中延伸焊接以及构建平台和外壳来实现。

本发明简化了涡轮机的设计，且不需要在固定和移动的叶片排之间存在未使用空间。根据需要，这些排可以更接近彼此而移动，以改善流动管理，从而优化发动机性能。

制造这类定子的方法得以简化。由于焊接与叶片相隔较远且位于开放的喉部中，焊接的可实现度得以改善。槽的尺寸使造成温度有些上升的焊接得以进行。

附图说明

图1示出了根据本发明的轴流式涡轮机的截面图；

图2示出了根据本发明的轴流式涡轮机压缩机。

图3示出了根据本发明的压缩机定子部分的简化示意图。

图4示出了本发明的第一实施工艺的定子制造步骤。

图5示出了本发明的第二实施工艺的第一定子制造步骤。

图6示出了本发明的第二实施工艺的第二定子制造步骤。

具体实施方式

在下面的描述中，术语“内部”和“外部”指的是相对于轴流式涡轮机的旋转轴的位置。这适用于术语“内部的”和“外部的”。长度沿着涡轮机的旋转轴进行测量，高度径向地测量，宽度与高度成直角进行测量。

图1示出了轴流式涡轮机。在该例子中，其为双流涡轮喷气机。涡轮喷气机2包括第一压缩级即所谓的低压压缩机8、第二压缩级即所谓的高压压缩机10、燃烧室12和一个或多个涡轮级14。在操作中，涡轮14的机械动力通过中心轴传递到转子4并驱动两个压缩机8和10。减速机构可以增加传递到压缩机的旋转速度。另外，不同的涡轮级可以通过同心轴连接到压缩机级。这些压缩机级包括多个与定子叶片排相关联的转子叶片排。转子的旋转因而产生了空气流，并逐级地将其压缩直至燃烧室12的进口。通常称为涡扇6的进口风扇联接到转子4并产生空气流，该空气流分成流过上述提及的涡轮机的不同级的主空气流16和流过沿机器长度延伸的环形通道(部分示出)然后在涡轮出口与主空气流汇合的副空气流18。

图2是如图1所示的轴流式涡轮机的低压压缩机的截面图。图中示出了进口风扇或涡扇6的一部分和分流器鼻部20，分流器鼻部20分离主空气流16和副空气流18。转子4包括多排转子叶片22。壳体包括与转子叶片排22相关联的多个定子24。每个定子包括一排定子叶片26。每对转子和相关联的定子叶片排形成了压缩机8的一个压缩机级。

图3示出了涡轮机的定子24的一部分。定子24形成为具有轴的环，该轴为涡轮机的旋转对称轴。它包括外壳28，在其中固定有定子叶片26。外壳28具有内表面来导通主空气流。其内表面是回转表面。它大致是柱形的并且显示有变化的直径，例如在流动方向上有减小的直径。外壳具有从回转轮廓发展成的回转主体。回转轮廓具有由弯曲区域34连接的第一部分30和第二部分32。第一部分30和第二部分32可以在弯曲区域34处交错。

第一部分30可以是上游部。它具有内部环形槽，在内部环形槽中具有耐磨材料的环形层36。当转子叶片端部22与其接触时，该材料能够被摩擦侵蚀。耐磨材料层36可以形成大致恒定厚度的环形带，以使其实现流线化和简单化。耐磨材料层36的内表面与定子叶片26的平台内表面平齐。该构造优化了流体并且没有创建扰乱流体的不连续表面。

耐磨材料层36的长度取决于与其对置的转子叶片22的端部的长度。上游和下游的边界可以增加到该长度中，以考虑涡轮机的服务变化。这些长度沿着涡轮机的旋转轴进行测量。耐磨材料层36的长度可以考虑为涡轮机几何特性的固定基准。

第二部分32可以是下游部。它具有形成环形凹部的外部环形槽。该凹部将会减轻外壳的重量。

第二部分32具有穿过外壳28的开口。定子叶片具有平台38，该平台38具有配合开口的表面从而将开口遮盖。平台38与开口在其连接处固定，可优选地在其边缘处固定，可优选地沿着其全部边沿固定。

固定通过焊接来进行，可优选地通过缝焊来进行，可优选地连续地进行。焊缝形成在开口的全部周界上，以形成密封。焊接与上游部分40和下游部分42以及侧部(未示出)形成了焊缝。该焊接可以通过电子束焊接实现。

有利地，第二部分32包括保持一排定子叶片平台的一排开口。可优选地，平台38的外边缘延伸开口的内边缘的长度。可优选地，开口的形状与平台38相似。

焊接的上游部分40位于耐磨材料层36之下。在该位置，外壳28的主体形状大致是直的。焊接的上游部分40定位成克服任意的几何限制。焊接的位置可以不再位于弯曲区域34和定子叶片主体之间。因此，为了在弯曲区域34和叶片主体之间延伸平台而施加的限制不再存在。另外，焊接的上游部分40的长度小于耐磨材料层36的长度，并且焊接的上游部分40的存在不再影响外壳28的长度。

因此，相比于现有技术已知的定子，平台在定子叶片主体和弯曲区域34之间的部分得以缩短。该轴向长度的缩短影响到外壳28。为此，所有位于同一级的焊接定子叶片都必须将其焊接的上游部分40布置在同一个槽中。长度的大致减小可以在耐磨材料层28下的每一个上游或下游焊接处实现。该减小可以大于2.00mm，可优选地大于3.00mm。在包括多级压缩例如3级压缩的压缩机上，本发明可以产生大于10.00mm的减小量。发动机壳体也可以缩减。这些减小使涡轮机变得轻同时更坚固。

本发明的教导也可以应用到涡轮机涡轮定子。定子叶片平台上的焊接可以轴向地移动，以将其移出具有限制的区域。因此，通过将本发明的教导应用到涡轮机的压缩机和涡轮两者之中，可以长度上获得显著的减小。在该例子中，耐磨材料可以是蜂窝结构的材料。

各种工艺可以实施定子24。

图4示出了第一制造工艺的中间定子24实施步骤。定子24由具有开口的外壳形成，平台容纳在所述开口中。外壳28和平台38显示了它们的完成尺寸。

焊缝制成于平台和外壳的开口之间的连接处。该焊缝基本上是薄的，其厚度接近外壳28的厚度。由于其横截面很小因此制造廉价。加厚部44可以在弯曲区域34中增加到平台处。焊接后，加厚部44例如通过车削进行力口工。

用于制造定子的第一方法包括如下步骤：

a.将外壳28和叶片26制造到它们的完成尺寸；

b.将平台38定位和焊接到外壳28的开口中，使得它们的内表面平齐；

c.将平台38焊接到外壳中的开口。

图5示出了制造图3所示的定子24的第一中间步骤。对于相同或相似的元件，图5具有与前面附图相同的标注方式，但是所述标记增加100。在该实施例中，具体的标记将用于具体的部件。

在该工艺中，定子由粗加工的平台138和粗加工的叶片126制成，其具有带有径向加厚部的粗加工的外壳128。它们可以在它们的连接处具有相同的厚度。粗加工的平台138和粗加工的叶片126安装到粗加工的外壳128的开口中，然后在它们的连接处焊接。图5示出了焊缝的粗加工的上游部分140和粗加工的下游部分142。装配后即获得粗加工的定子124。

图6示出了第二定子制造工艺的第二中间阶段。该第二中间步骤包括：在图5所示的粗加工定子上进行加工操作。该加工操作可以包括粗加工和/或最终加工。

内部加工通道(intemal machining pass)102在粗加工定子124的内表面上进行。其创建环形槽，耐磨材料层可以沉积到其中。可以制成多个轴向布置的环形槽，以容纳耐磨材料的多个环形层。内部加工102在粗加工外壳128和一部分粗加工平台138上轴向延伸。它也将材料从焊缝的上游部分102去除。

一个或多个外部加工通道104可以在粗加工定子124的外表面上进行。这些加工通道使定子通过去除材料而得到减轻。这样的加工通道可以在粗加工定子叶片平台138上以及在焊缝的下游部分142中执行。

有利地通过车削来进行内部和/或外部加工通道，以改善其圆度和圆柱度。

用于制造定子的第二方法包括如下步骤：

a.制造粗加工的外壳128和粗加工的叶片126以及粗加工的平台138；

b.在粗加工的外壳128的开口中定位和焊接粗加工的平台138；

c.在粗加工的外壳128的内表面上进行内部加工102，在粗加工的外壳128的外表面上进行外部加工104；

d.在内部槽中固定耐磨材料层。

第二制造工艺具有在平表面上焊接的优点。该焊接将更为均匀，从而更加耐久。另外，焊接可以改变材料的晶体结构并使它们更脆。这种脆化与弯曲区域一起可以缩短这样形成的部件的寿命。热和振动应力会加速机械故障。通过将焊接定位在耐磨材料条之下，远离弯曲区域，外壳变得更为耐久。

Claims

1.轴流式涡轮机定子(24)，包括：

外壳(28)，具有环形阵列的开口和设计为保持耐磨材料的环形层(36)的至少一个内部环形槽，

具有平台(38)的一排定子叶片(26)，所述平台位于所述开口中并由所述平台(38)和所述开口之间的一个或多个焊缝固定，

其中，这排开口与内部槽部分地重叠，使得焊缝的一部分(40，42)轴向地定位在所述内部槽中。

2.根据权利要求1所述的定子(24)，其中，所述叶片(26)的平台(38)形成了限定所述内部槽的唇部。

3.根据权利要求1和2之一所述的定子(24)，其中，所述平台(38)在所述内部槽的底部的一部分上延伸。

4.根据权利要求1和3之一所述的定子(24)，其中，所述开口穿过外壳(28)和内部槽。

5.根据权利要求1至4之一所述的定子(24)，其中，所述平台(38)具有平行四边形的大致形状，可优选地具有长方形的大致形状，具有上游侧和下游侧，焊缝的轴向地定位在所述内部槽中的部分(40，42)沿着所述平行四边形的上游侧和下游侧之一延伸。

6.根据权利要求1至5之一所述的定子(24)，其中，所述开口沿着主要沿所述定子(24)的轴取向的主方向延伸，所述主方向优先地与所述轴形成小于45°的角度，更可优选地形成小于30°的角度，甚至更可优选地形成小于15°的角度。

7.根据权利要求1至6之一所述的定子(24)，其中，所述外壳(28)可优选地包括单件的环形壁，所述单件的环形壁具有包括所述内部槽的第一部分(30)和包括一排开口和叶片(26)的第二部分(32)，所述壁在所述第一部分和第二部分之间形成肩部。

8.根据权利要求1至7之一所述的定子(24)，其中，所述平台(38)具有增加到所述开口上的表面。

9.根据权利要求1至8之一所述的定子(24)，其中，所述外壳(28)和/或所述定子叶片(26)的平台(38)具有大致恒定的厚度。

10.根据权利要求1至9之一所述的定子(24)，其中，所述叶片(26)的平台(38)大致嵌入所述外壳(28)的开口中。

11.根据权利要求1至10之一所述的定子(24)，其中，所述槽的内部部分沿着大致与所述定子(24)的轴对应的主方向延伸，并且具有的大致恒定深度大于1.00mm，可优选地大于2.00mm，甚至更可优选地大于3.00mm。

12.根据权利要求1至11之一所述的定子(24)，其中，所述内部环形槽包括两个肩部，两个肩部中的至少一个相对于所述内部环形槽的底部的垂直方向倾斜。

13.涡轮机，至少包括：具有至少一个定子的压缩机(8，10)和具有至少一个定子的至少一个涡轮(14)，其中所述或至少一个压缩机(8，10)和/或涡轮(14)定子(24)依据权利要求1至12之一而定。

14.一种制造根据权利要求1至12之一所述的定子(24)的方法，包括以下步骤：

(a)制成外壳(28)和叶片(26)；

(b)在外壳(28)的开口中定位和焊接平台(38)；

(c)在内部槽中安装耐磨材料层(36)。

15.根据权利要求14所述的制造定子(24)的方法，其中，所述方法在步骤(b)和步骤(c)之间包括以下步骤：

加工外壳(28)的内表面以形成内部槽。