CN104251232A - 具有双重叶片固定方式的轴流式涡轮机压缩机鼓轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴流式涡轮机的低压压缩机的转子鼓轮(40)。所述鼓轮(40)包括绕其轴线(14)基本上旋转对称并且遵循基本上弯曲轮廓的壁(42)。所述壁(42)设计成支撑数个叶片排(24、26、28)。第一叶片排(24)借助于位于壁(42)轮廓的相对于轴线(14)的最高点处的、与壁(42)一体形成的环形平台(46)形成；而所述第一叶片排(24)正下游的第二叶片排(26)和所述第一叶片排(24)正上游的第三叶片排(28)借助于形成在所述壁上的一个或多个叶片保持沟槽(54)形成。所述第一叶片排(24)和所述鼓轮形成整体总成，消除了某些振动。锚定叶片是复合的或者混合的。所述转子可安装在于具有环形定子的壳体中。

Description

具有双重叶片固定方式的轴流式涡轮机压缩机鼓轮

技术领域

本发明涉及一种轴流式涡轮机的转子。更具体地，本发明涉及一种轴流式涡轮机压缩机的转子鼓轮。本发明涉及一种配装有低压压缩机转子鼓轮的轴流式涡轮机。

背景技术

涡轮机使气体能被压缩、燃烧以及膨胀。通过这种方式涡轮机提供机械能。为执行这些步骤，涡轮机包括配装有转子和壳体的透平和压缩机。

壳体的内表面和转子的外表面限定主流路径的轮廓。其在其环形截面上具有变化。其内外轮廓可以沿着发动机的轴线直径增加和减小。在压缩机中，特别是低压压缩机中，外部壳体通常具有在下游减小的直径。从上游到下游，转子的直径可增加然后减少。这种表面的组合能实现宽阔的入口区以及输出的高压缩比。

为了将机械功传输到液体，壳体和压缩机转子各包括多个环形排叶片。转子叶片排和定子叶片排沿轴向交替。

壳体可包括多个环形定子，每个都包括环形叶片排。这些定子形成轴向邻靠彼此以便将它们组装的环。在这种情况下，转子排中的每个叶片通过插入到在转子上形成的环形沟槽中的根部附接于转子。

在压缩机与鼓轮形转子的装配过程中，第一叶片排安装在转子上然后定子轴向面对该第一排进行装配。只有这样第二叶片才能相对于第一叶片排在定子之后安装在转子上。由此装配继续进行，一个接一个之后地装配转子叶片排和定子。这种装配模式是需要的，因为各定子被制成一个件并且它们的内直径不允许带有其叶片的转子插入。

专利FR2845436B1公开了一种轴流式涡轮机压缩机。压缩机包括由若干个轴向组装的定子形成的外部壳体。它还包括各自设在定子之间的各环形排叶片。转子叶片通过被插入到形成在转子中的环形沟槽中的根部固定。该实施方式使得可以制造易于装配的压缩机。但是，转子承受振动。它形成难以分析和抑制的复杂振动模式。另外，其实施需要复杂和昂贵的机加工。此外，它的结构庞大笨重。

发明内容

本发明旨在解决至少一个现有技术中存在的问题。更特别地，本发明旨在减少轴流式涡轮机转子中的振动。本发明还旨在减轻轴流式涡轮机的转子的重量。

本发明涉及一种轴流式涡轮机的、特别是低压压缩机的转子鼓轮，所述鼓轮包括绕其轴线基本上旋转对称的壁并具有基本上弯曲的轮廓，所述壁用以支撑多排叶片；其中第一叶片排通过位于壁轮廓的相对于轴线的最高点处的、与壁形成一体的环形平台形成；而所述第一叶片排正下游的至少一个、优选的是每个第二叶片排和所述第一叶片排紧上游的至少一个、优选的是每个第三叶片排通过形成在所述壁上的一个或多个叶片保持沟槽形成。

根据本发明的有利实施方式，所述保持沟槽的外表面距离轴线的平均距离小于从第一排的平台到所述轴线的平均距离。

根据本发明的有利实施方式，所述壁在其外表面上包括成组的环形肋，环形肋用以与可磨损材料的环形层配合以便提供密封，所述成组的环形肋轴向地位于所述第一叶片排和第二叶片排之间和/或第一叶片排和第三叶片排之间。

根据本发明的有利实施方式，一组肋的最高点相对于所述轴线的最小距离大于从所述轴线到相邻保持沟槽的外表面的最大距离。保持沟槽是第二和/或第三叶片排的沟槽。

根据本发明的有利实施方式，所述第一排叶片焊接于所述排的平台。

根据本发明的有利实施方式，所述第一叶片排的平台包括叶片延伸部焊接其上的叶片短桩，优选地叶片短桩的高度大于所述第一排叶片径向高度的10％，更优选地大于25％。

根据本发明的有利实施方式，所述第一排叶片至少部分地被切入到未加工鼓轮的主体中。

根据本发明的有利实施方式，所述壁的基本上弯曲的轮廓伸过所述鼓轮的大部分长度和/或具有指向主轴线并且伸过所述鼓轮的长度的主要部分的主凹面，所述轮廓相对于所述轴线的半径在所述第一叶片排处最大。

根据本发明的有利实施方式，所述第一叶片排的平台相对于所述排的正上游和正下游的壁被抬高。

根据本发明的有利实施方式，所述壁包括在所述第一排的平台下面基本上径向延伸的两个部分，使得所述壁在所述平台处的纵向截面具有π形轮廓。

根据本发明的有利实施方式，所述壁包括在所述第一叶片排处、优选地处于至少一个所述径向部分的延伸部的向内径向延伸的至少一个环形加强件。

根据本发明的有利实施方式，所述第一排的正上游和正下游的所述壁包括大致恒定厚度部分，大致恒定厚度部分限定用于装设定子内罩壳的环形空间。

根据本发明的有利实施方式，转子鼓轮包括第二排叶片和/或第三排叶片，每个所述叶片包括装设在保持沟槽中的根部。

根据本发明的有利实施方式，所述保持沟槽沿着所述鼓轮周边是环形的。

根据本发明的有利实施方式，第一排中的叶片和环形平台形成整体单元。

根据本发明的有利实施方式，所述鼓轮由金属材料制成，优选的是钛。

根据本发明的有利实施方式，所述壁由固体材料经锻造和机加工而成。

根据本发明的另一有利实施方式，环形平台和保持沟槽是一体的。

根据本发明的有利实施方式，鼓轮在第一排叶片和壁之间表现出材料连续性。

根据本发明的有利实施方式，成组的环形肋轴向分布在环形连接部上。

根据本发明的有利实施方式，除了第一鼓轮叶片排之外，所有鼓轮叶片排包括用于将它们装配在鼓轮上的叶片保持沟槽。

本发明还涉及轴流式涡轮机，包括转子鼓轮，其中所述鼓轮是根据本发明所述的鼓轮；优选地所述转子是包括基本上三个环形转子叶片排的低压压缩机转子。

本发明还旨在减少轴流式涡轮机转子的振动。为了实现这个目标，它去除了第一排中的叶片和环形壁之间的任何运动自由度。本发明还改善了鼓轮总体刚性。所提出的结构还能够使转子重量减轻，从而影响鼓轮和叶片两者。

加工叶片和鼓轮的表面得到简化。所有这些对于鼓轮的改进是可行的，同时保持转子与由环形定子形成的壳体的兼容性。

本发明应用于设有环形肋的鼓轮，环形肋用作压缩级之间的密封手段。这方面不是限制性的，因为本发明也应可用于与轴向刷式密封配合的鼓轮。这种密封对于本领域技术人员是周知的并且例如可对应于专利DE102005042272A1所公开的那些。

附图说明

图1表示根据本发明的轴流式涡轮机(axial turbomachine)。

图2表示根据本发明的涡轮机压缩机的图。

图3表示根据本发明的转子鼓轮(rotor drum)的截面图。

具体实施方式

在以下说明中，术语内部或外部指的是相对于轴流式涡轮机的旋转轴线的位置。

图1表示轴流式涡轮机的示意图。在本例中，它是双重流涡轮喷气发动机(double-flow turbojet)。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；以及一个或多个透平级(turbinestage)10。在运行中，透平10的机械动力通过中心轴传输给转子12并驱动两个压缩机4和6。变速机构会增加传输给压缩机的旋转速度。可替代地，不同的透平级各自可通过各同心轴与压缩机级偶联。压缩机级包括若干与定子叶片排关联的转子叶片排。转子绕其旋转轴线14的旋转产生气流并且逐渐将其压缩直至到燃烧室8的人口。

进口风扇、通常标记为风扇16，联接于转子12并产生气流，气流被分成流过涡轮机的上述各级的主流18和沿着机器的长度流过环形管道(局部示出)而后在涡轮机出口再加入到主流的副流20。主流18和副流20是环形流并且被引导通过涡轮机的壳体。为此，壳体具有可以是内部的或外部的圆柱形壁或罩壳。

图2是如图1所示的轴流式涡轮机2的压缩机的剖面视图。压缩机可以是低压压缩机4。本发明的教导也可应用于透平10的转子鼓轮。

在压缩机4上可见主气流18和副气流20的分流前端缘22。转子12包括数排环形转子叶片，在图2的情况下有三排。可以设置其他的叶片排。该三排是轴向相继的。具有第一排转子叶片24、位于第一排24下游的第二排转子叶片26，和在第一排24上游的第三排转子叶片28。

转子叶片24、26、28从转子12基本上径向向外伸展。一排上的叶片彼此等距间隔开，并且相对于气流具有相同的角度取向。可选地，叶片之间的间隔如同它们的角度取向可局部地改变。一排中的一些叶片可与其余的不同。

压缩机4包括外部壳体。外部壳体包括多个定子，例如四个，每个定子包括外罩壳30、定子叶片排32以及可选地内罩壳34。可磨损材料的环形层36可施加于定子的内罩壳和外罩壳的内侧。相同定子的定子叶片32从它们的外罩壳30向它们的内罩壳34径向延伸。各定子形成闭合的圆环。它们轴向地紧靠彼此进行装配并且通过径向凸缘38彼此固定。

各定子与风扇或转子叶片排24、26、28相关联，用于校直气流以便将流动速度转化成压力。

转子12包括鼓轮40。鼓轮40具有绕其旋转轴线14基本上旋转对称的壁42，所述轴线与涡轮机的轴线相同。壁42可具有绕旋转轴线14的总体旋转轮廓或平均旋转轮廓。总体轮廓可包括在壁42的各部分的厚度中，各部分相对于定子叶片排轴向上呈直角。

总体轮廓基本上是弯曲的并且可以具有连续的曲率和/或连续变化的曲率。径向上它匹配主流18的内表面的变化。总体轮廓的外部外凸。从上游到下游，内表面的半径增加并随后减小，从而壁的轮廓具有最大值。壁42基本上是薄的。它的厚度基本上不变。它的厚度小于10.00mm，优选地小于5.00mm，更优选地小于2.00mm。壁42形成中空体，限定具有拱形或桶形的空腔。鼓轮40和/或转子叶片24、26、28由金属材料制成，优选的是钛。

鼓轮40包括环形肋44或唇形密封。它们形成径向延伸的狭窄的环形条。它们设计成与定子上的可磨损材料环形层36研磨配合以提供密封。通常，一个可磨损层36与两个环形肋44配合。

图3是图2的鼓轮的详细剖面视图。鼓轮也可以是高压压缩机的转子鼓轮。它也可以是透平转子鼓轮。

第一排叶片24通过环形平台46整体形成在壁上。环形平台46与壁42一体形成。环形平台46形成在壁42的轮廓顶上。环形平台46具有基本上直的或基本上弯曲的旋转轮廓。

第二排26和第三排28的转子叶片每一个包括限定主流内侧的叶片平台48、从叶片平台48向外径向延伸的叶片50、以及从叶片平台48向内径向延伸的保持根部52。保持根部52可以被燕尾接合。它可以具有这样的形式，其轴向尺寸随着它靠近内侧而增加，使其能锁定就位。

鼓轮40的壁42包括使用保持沟槽固定叶片的两个区域。每个固定区域包括环形沟槽54，第二排叶片26的第三排叶片28的保持根部52被插入到其中。环形沟槽54包括与叶片平台48相接触的环形外表面。第二叶片排26的叶片平台48与第二外表面56接合，而第三叶片排28的叶片平台48与第三外表面58接合。

保持根部52通常具有与相应保持沟槽匹配的形状以便确保径向保持。保持沟槽54具有在其外面带有颈缩的轮廓。因而，第二排叶片26和第三排叶片28可逆地被保持。在环形壁42和第二和第三排的转子叶片之间形成机械间隙，以便允许叶片的些许移动。但是，转子被设计成使得压缩机操作期间出现的离心力迫使叶片进入到它们缩口部的位置。

根据本发明的可替代实施方案，保持沟槽可以是轴向沟槽。于是环形壁包括分布在它圆周上的环形排轴向沟槽，并且各自形成环形叶片排。

至少一个环形沟槽48的外表面56、58距离轴线14的平均距离小于第一排24的环形平台46与所述轴线之间的算术平均距离。优选地，环形平台46的轴向端部的每个半径大于相对设置的外表面56、58的最大半径。

第一排叶片24与其它排26、28的叶片以不不同方式锚定于鼓轮。叶片保持或附接是多样化的或混合的。第一排叶片24通过焊接固定于环形平台46。它们可通过摩擦被焊接，例如通过轨道式焊接(orbital welding)工艺。因此鼓轮40用作用于固定两种类型叶片的支承。

为此，对应于第一排的叶片24附接于裸鼓轮并且焊接于环形平台46。这些叶片可直接或间接地配装到环形平台46上。环形平台46可包括从它的外表面径向延伸的叶片短桩60。在此情况下，焊接于第二表面的每个叶片有效地形成最终叶片的径向部分。短桩和叶片部分之间的焊缝62设定在环形平台46上方。

根据本发明的可替代实施方式，第一排叶片24可整体地被加工到其中壁也予以机加工的未加工鼓轮的主体中。

因此，鼓轮40的壁和第一排叶片形成整体单元。它们表现出材料的连续性。它们的金属材料在它们的交界面处具有结晶连续性。它们至少部分地可以整体地形成。锚定叶片是不可逆的。第一叶片24与环形壁42成为一体。该实施方式消除了第一排叶片24和鼓轮40的壁42之间的振动。

此外，锚定叶片的方法简化了要进行的机加工，因为环形平台46和任何短桩60比环形沟槽或多个轴向沟槽更容易制造。确实，沟槽必须用小工具在基本上难以接近的空间进行切割，这增加了制造时间。可替代地，轴向沟槽可通过拉削加工。但是，这种去除材料的方法需要昂贵的工具并且不适合所有类型的鼓轮。

在第一叶片排24的紧上游和紧下游的鼓轮的壁42至少包括大致恒定厚度的部分64或轴向环形接合部64，优选的是大致恒定厚度的两个部分64。每个恒定厚度部分64从环形平台46轴向地延伸向第二叶片排26或第三叶片排28。环形平台46径向始自恒定厚度部分64。恒定厚度部分64限定第一叶片排24和第二叶片排26或第三叶片排28之间的环形空间，环形空间向外径向地开放。它们设计成容纳内部定子罩壳。

壁42包括大致径向延伸的两个部分65。它们从环形平台46向内延伸。它们可位于环形平台46的轴向边缘的每个边缘处。因而，壁可具有基本上π形轮廓。径向部分的轮廓基本上与环形平台46的轮廓垂直地延伸。

环形肋44位于恒定厚度部分64上。每组肋包括数个肋44。在环形平台46的每一侧，从环形平台46、肋44和环形沟槽的外表面56、58在外部半径上递减。这些元件的最高点形成阶梯。这种构造使得带有叶片的各定子可以固定在第一叶片排24的两侧、以及随后第二排26和第三排28得以配装。

图3表示分别在第一叶片排24的上游和下游的两个定子的内罩壳36和叶片32。图3还用虚线图示了在围绕鼓轮轴向装配期间处于中间位置的这些定子。

鼓轮的环形壁42包括环形加强件66。环形加强件66可包括向内径向延伸的环形凸缘。这些凸缘轴向设置在环形平台46的端部，优选地在径向部分65的径向延伸方向上。

鼓轮通常从未加工的、其壁包括已制成的鼓轮的鼓形毛坯开始通过车削进行加工。鼓轮毛坯必须径向包围环形沟槽54的外表面、环形平台46、内部加强件66、以及任何叶片短桩60。根据具体情况，它可包括沿着它们的全部径向高度的第一叶片排24。

Claims (15)

1.一种轴流式涡轮机(2)的、特别是低压压缩机(4)的转子鼓轮(40)，所述鼓轮(40)包括绕其轴线(14)基本上旋转对称的壁(42)并具有基本上弯曲的轮廓，所述壁(42)用以支撑多个叶片排(24、26、28)；其中

第一叶片排(24)借助于位于壁(42)轮廓的相对于轴线(14)的最高点处的、与壁(42)一体形成的环形平台(46)形成；而所述第一叶片排(24)正下游的至少一个、优选的是每个第二叶片排(26)和所述第一叶片排(24)正上游的至少一个、优选的是每个第三叶片排(28)借助于形成在所述壁上的一个或多个叶片保持沟槽(54)形成。

2.根据权利要求1所述的转子鼓轮(40)，其中，所述保持沟槽(54)的外表面(56、58)距离轴线(14)的平均距离小于从第一排(24)的平台(46)到所述轴线的平均距离。

3.根据权利要求1或2所述的转子鼓轮(40)，其中，所述壁(42)在其外表面上包括成组的环形肋(44)，环形肋用以与可磨损材料的环形层(36)配合以便提供密封，所述成组的环形肋(44)轴向地位于所述第一叶片排(24)和第二叶片排(26)之间和/或第一叶片排(24)和第三叶片排(28)之间。

4.根据权利要求3所述的转子鼓轮(40)，其中，一组肋(44)的最高点相对于所述轴线(14)的最小距离大于相邻保持沟槽(54)的外表面(56、58)距离所述轴线(14)的最大距离。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的转子鼓轮(40)，其中，所述第一排叶片(24)焊接于所述排的平台(46)。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的转子鼓轮(40)，其中，所述第一叶片排(24)的平台(46)包括叶片延伸部焊接其上的叶片短桩(60)，优选地叶片短桩(60)的高度大于所述第一叶片排(24)径向高度的10％，更优选地大于25％。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的转子鼓轮(40)，其中，所述第一排叶片(24)至少部分地被切入到未加工鼓轮的主体中。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的转子鼓轮(40)，其中，所述壁(42)的基本上弯曲的轮廓伸过所述鼓轮的大部分长度和/或具有指向主轴线并且伸过所述鼓轮的长度的主要部分的主凹面，所述轮廓相对于所述轴线的半径在所述第一叶片排(24)处最大。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的转子鼓轮(40)，其中，所述第一叶片排(24)的平台(46)相对于所述排的正上游和正下游的壁被抬高。

10.根据权利要求9所述的转子鼓轮(40)，其中，所述壁(42)包括在所述第一排(24)的平台(46)下面基本上径向延伸的两个部分(65)，使得所述壁(42)在所述平台(46)处的纵向截面具有π形轮廓。

11.根据权利要求10所述的转子鼓轮(40)，其中，所述壁(42)包括在所述第一叶片排(24)处、优选地处于至少一个所述径向部分(65)的延伸部的向内径向延伸的至少一个环形加强件(66)。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的转子鼓轮(40)，其中，所述第一排(24)的紧上游和紧下游的所述壁(42)包括大致恒定厚度部分(64)，大致恒定厚度部分(64)限定用于容纳定子内罩壳(34)的环形空间。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的转子鼓轮(40)，其中，它包括第二排叶片和/或第三排叶片，每个所述叶片包括装设在保持沟槽(54)中的根部(52)。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的转子鼓轮(40)，其中，所述保持沟槽(54)沿着所述鼓轮(40)周边是环形的。

15.一种轴流式涡轮机(2)，包括转子鼓轮(40)，其中所述鼓轮(40)是根据权利要求1至14中任一项所述的所述鼓轮；所述转子(12)优选地是包括基本上三个环形排转子叶片(24、26、28)的低压压缩机转子(4)。