CN104285035A - 捕集式弹簧平衡配重和转子组件 - Google Patents

Abstract

一种用于涡轮转子的平衡配重，包括：块状中心体(62)；从中心体的相对的侧部沿侧向延伸的一对有弹性的弹簧臂(64)，中心体和弹簧臂共同限定弓形形状；从平衡配重的径向外表面延伸的至少一个定位结构；以及从弹簧臂中的各个的远侧端沿径向向内延伸的限制凸块(170，271)。

Description

捕集式弹簧平衡配重和转子组件

相关申请的交叉引用

本申请是2009年6月16日提交的申请系列No. 12/485,122的部分延续。

技术领域

本发明大体涉及旋转机器，并且更特别地涉及用于使转子平衡的设备。

背景技术

燃气涡轮发动机典型地包括若干个转子级，各个转子级具有转子盘，该转子盘承载成阵列的翼型件，即，压缩机或涡轮的叶片。涡轮转子必须是平衡的，以阻止轴承和支承结构上的损伤和过度负载，以及由失去翼型件和周围结构之间的间隙而引起(例如由护罩刮擦引起)的效率损失。

尽管首先努力使它们的组成构件平衡，但涡轮转子在组装之后仍然需要动态平衡。出于该目的，使用平衡配重是合乎需要的，该平衡配重可重新定位，以按需要重新分配转子的质量，以及允许对系统不平衡进行微调，以满足精确要求。可分离的平衡配重是大型燃气涡轮发动机中的习惯作法。这些可分离的平衡配重包括螺栓、垫圈、螺母和其它大小不同的紧固件。

在一些燃气涡轮转子中，特别是较小的发动机中的那些，使用横跨组件的长度的单个螺栓或一组螺栓(被称为“系杆”或“系紧螺栓”)来组装CURVIC联接件和摩擦接头。系紧螺栓构造在重量上小于常规的螺栓式接头，但没有螺栓孔会消除转子盘上的原本可用来附连可分离的平衡配重的便利特征。因此，较小的涡轮发动机的现有技术的目前状态是通过在旋转部件上选择性地加工出牺牲表面来使组件平衡。在峰值不平衡的位置处移除材料，以使转子的质量绕着旋转轴线重新分配。该过程是不可逆的，并且存在损伤构件(诸如一体式叶片转子或“整体叶盘”)的风险，这不安全且昂贵。

发明内容

现有技术的这些和其它缺点由本发明解决，本发明提供一种用于涡轮转子的捕集式弹簧平衡配重。

根据本发明的一方面，一种用于涡轮转子的平衡配重包括：块状中心体；从中心体的相对的侧部沿侧向延伸的一对有弹性的弹簧臂，中心体和弹簧臂共同限定弓形形状；从平衡配重的径向外表面延伸的至少一个定位结构；以及从弹簧臂中的各个的远侧端沿径向向内延伸的限制凸块。

根据本发明的另一方面，一种涡轮转子组件包括：转子元件，其包括环形毂表面和包围毂表面的环形凸缘，该环形凸缘与毂表面间隔开，以便限定凹穴；以及设置在凹穴中的至少一个平衡配重，其包括：块状中心体；从中心体的相对的侧部沿侧向延伸的一对有弹性的弹簧臂，中心体和弹簧臂共同限定弓形形状；从平衡配重沿径向向外延伸的至少一个定位特征；以及从弹簧臂中的各个的远侧端沿径向向内延伸的限制凸块；其中，弹簧臂和中心体分别有弹性地承载抵靠凸缘和毂表面，以便将平衡配重固持在凹穴中。选定限制凸块的径向高度，以便在弹簧臂偏转超过预定极限的情况下，阻止平衡配重插入到凹穴中。

附图说明

参照结合附图进行的以下描述，可最佳地理解本发明，其中：

图1是根据本发明的方面构建的燃气涡轮发动机的横截面图；

图2是图1中显示的发动机的压缩机的前部部分的放大图；

图3是图1中显示的发动机的压缩机的后部部分的放大图；

图4是根据本发明的方面构建的平衡配重的透视图；

图5是图4的平衡配重的后部立视图；

图6是安装在图1的发动机的转子盘中的图4的平衡配重的透视图；

图7是用于与平衡配重一起使用的扳手工具的正视图；

图8是图7的扳手工具的侧视图；

图9是图7的扳手工具的后视图；

图10是使用中的图7的扳手工具的视图；

图11是根据本发明的另一方面构建的平衡配重的透视图；

图12是图11的平衡配重的后部立视图；

图13是安装在图1的发动机中的图11的平衡配重的透视图；

图14是燃气涡轮发动机的压缩机的一部分的横截面图，其中平衡配重安装在其中；

图15是图14的平衡配重的透视图；

图16是图15的平衡配重的后部立视图；以及

图17是处于安装状态的图15的平衡配重的透视图。

具体实施方式

参照附图，其中，同样的附图标记遍及各个视图表示相同元件，图1描绘示例性燃气涡轮发动机10，其具有全部以连续流关系布置的压缩机12、燃烧器14、高压或燃气发生器涡轮16和工作涡轮18。压缩机12、燃烧器14和燃气发生器涡轮16共同被称为“核心”。压缩机12提供压缩空气，该压缩空气传送到燃烧器14中，在燃烧器14中燃料被引入并且燃烧，产生热的燃烧气体。热的燃烧气体排放至燃气发生器涡轮16，其中，热的燃烧气体膨胀，以从其抽取能量。燃气发生器涡轮16通过叶轮轴20驱动压缩机12。从燃气发生器涡轮16离开的加压空气排放至工作涡轮18，其中，加压空气进一步膨胀，以抽取能量。工作涡轮18驱动内部轴22。

在示出的示例中，发动机是涡轮轴发动机，并且内部轴22将联接于外部负载，诸如减速齿轮箱或推进器。但是，本文中描述的原理同样适用于涡轮螺桨飞机、涡轮喷气飞机和涡轮风扇发动机，以及用于其它交通工具或固定应用的涡轮发动机。这些原理也适用于需要平衡的任何其它类型的旋转机器(例如轮子、齿轮、轴等)。

在示出的示例中，压缩机12包括五个轴向流转子级和紧接地定位在燃烧器14的上游的一个混合流级。如在图2中最佳地看到的，压缩机12的第一级转子24是一体式叶片转子或“整体叶盘”，其中，转子盘26和多个翼型状压缩机叶片28形成为一个整体构件。转子盘26的后部端包括环形毂表面30和在毂表面30上面延伸的环形凸缘32。毂表面30和凸缘32共同限定凹穴34(在图6中最佳地看到)。凸缘32的内表面36具有形成于其中的成阵列的凹槽38(再次参见图6)。

如在图3中看到的，压缩机12的最后一级包括转子盘40，转子盘40承载多个叶片42。环形叶轮轴20从转子盘40沿轴向向后延伸。叶轮轴20的中间区段包括环形毂表面46和在毂表面46上面延伸的环形凸缘48。毂表面46和凸缘48共同限定凹穴50(在图13中最佳地看到)。凸缘48包括形成于其中的成环形阵列的孔口。在示出的示例中，如在图13中看到的，该阵列包括与孔54交错的开端式槽口52。

一个或更多个前部平衡配重60安装在第一级转子24的凹穴34中，并且一个或更多个后部平衡配重160安装在叶轮轴20的凹穴50中。配重的确切数量、位置和分布将随单独的发动机改变。在示出的特定发动机中，仅使用了两个平衡配重。通过按需要重新定位配重来完成纠正转子失衡。

图4和5更详细地示出前部平衡配重60中的一个。其大体为弓形，并且包括块状中心体62，其中，有弹性的弹簧臂64从块状中心体62沿侧向向外延伸。凹口66形成于中心体62的径向内部端中。在各个弹簧臂64的远侧端处，沿轴向伸长轨道68沿径向向外延伸。与各个轨道68相反，止动块70沿径向向内延伸。前部平衡配重60可由密度合适且能够形成可有弹性地偏转的弹簧臂的任何材料构建。例如，可使用金属合金。

参照图6，前部平衡配重60像下面那样安装到第一级转子24中。弹簧臂64相对于中心体62沿径向向内偏转。可由合适的工具或夹具将它们保持在该位置。接着，前部平衡配重60沿轴向滑动到凹穴34中，在合适的位置处。接着，释放弹簧臂64。在释放之后，残余弹簧力沿径向向外推弹簧臂64抵靠凸缘32，并且推中心体62抵靠毂表面30。轨道68接合凸缘32的内表面中的凹槽38，以防止切向移动。匹配构件(在该情况下，在图2中看到的环形轴72的前部端)邻接凹口66，以阻止前部平衡配重60沿轴向移动。图6显示前部平衡配重60中的一个处于安装状态。在发动机运行期间，离心负载使前部平衡配重60重新承坐抵靠凸缘32。

如果像平衡运行所指示的那样有必要，则在例如通过使用活动扳手工具组装压缩机12时，可沿周向重新定位前部平衡配重60。例如，图7-9示出适当的工具74，其具有伸长把手76和弯头78，其中，扳手指部80沿径向向内和沿侧向向外从其远侧端延伸。如图10中显示的，工具74插入到凹穴34中，并且用于使弹簧臂64沿径向向内偏转，从而使轨道68与凹槽38脱开。接着，工具74可沿箭头方向沿切向移动，从而使扳手指部80接触前部平衡配重60，并且将其推到新位置。一旦工具74移除，则轨道68在新位置处重新接合凹槽38。在该运行期间，如果试图使弹簧臂64偏转得太远，则止动块70接触环形轴72。这防止弹簧臂64永久变形。

图11和12更详细地示出后部平衡配重160中的一个。其大体为弓形，并且包括块状中心体162，其中，有弹性的弹簧臂164从其沿侧向向外延伸。抗旋转突出部166从中心体162沿径向向外延伸。在各个弹簧臂164的远侧端处，剪切销168沿径向向外延伸。与各个剪切销168相反，止动块17沿径向向内延伸。后部平衡配重160的前部面172具有与叶轮轴20中的凹穴50的横截面轮廓互补的凸形外形。后部平衡配重160可由密度合适且能够形成可有弹性地偏转的弹簧臂的任何材料构建。例如，可使用金属合金。

如在图13中看到的，使用类似于前部平衡配重60的方法，像下面那样安装后部平衡配重160。弹簧臂164相对于中心体162沿径向向内偏转，如由图12中的箭头显示的。可由合适的工具或夹具将它们保持在该位置。接着，后部平衡配重160沿轴向滑动到凹穴50中，在合适的位置处。止动块170在大小和形状上设置成以便在弹簧臂164偏转得太远时阻止插入到凹穴50中，并且因而防止弹簧臂164永久变形。接着，释放弹簧臂164。在释放之后，残余弹簧力沿径向向外推弹簧臂164抵靠凸缘48，并且推中心体162抵靠毂表面46。抗旋转突出部166接合凸缘48中的槽口52中的一个。剪切销168接合凸缘48中的孔54，以阻止轴向移动。图13显示后部平衡配重160中的一个处于安装状态。在发动机运行期间，离心负载使后部平衡配重160重新承坐抵靠凸缘48。如有必要，在组装压缩机转子时，可移除和重新定位后部平衡配重160，不需要任何独特的夹具或工具。

虽然已经将平衡配重60和160描述为“前部”和“后部”配重，但将理解的是，这些用语仅用来方便描述特定实施例。取决于特定的发动机应用和匹配的硬件，可在涡轮转子盘或轴的前部面或后部面上使用任一设计。此外，可修改抗旋转和轴向约束特征，或者按不同的组合使用它们，以产生适合特定应用的平衡配重。

图14示出在运行原理上类似于上面描述的发动机10的燃气涡轮发动机的压缩机区段的一部分。压缩机区段中的第一级转子224是一体式叶片转子或“整体叶盘”，其中，转子盘226和多个翼型状压缩机叶片228形成为一个整体构件。转子盘226的后部端包括环形毂表面230和在毂表面230上面延伸的环形凸缘232。毂表面230和凸缘232共同限定凹穴234(在图17中最佳地看到)。凸缘232的内表面236具有形成于其中的成阵列的凹槽238(再次参见图17)。

一个或更多个平衡配重260安装在第一级转子224的凹穴234中。配重的确切数量、位置和分布将随单独的发动机改变。通过按需要重新定位配重来完成纠正转子失衡。

图15和16更详细地示出平衡配重260中的一个。其大体为弓形，并且包括块状中心体262，其中，有弹性的弹簧臂264从其沿侧向向外延伸。凹口266形成于中心体262的径向内部端中。在各个弹簧臂264的远侧端处，沿轴向伸长轨道268沿径向向外延伸。与各个轨道268相反，止动块270沿径向向内延伸。限制凸块271从各个止动块270沿径向向内延伸。平衡配重260可由密度合适且能够形成可有弹性地偏转的弹簧臂的任何材料构建。例如，可使用金属合金。

参照图17，平衡配重260像下面那样安装到第一级转子224中。弹簧臂264相对于中心体262沿径向向内偏转。可由合适的工具或夹具将它们保持在该位置。接着平衡配重260沿轴向滑动到凹穴234中，在合适的位置处。选定各个限制凸块271相对于止动块270的径向高度"H"(参见图15)，以阻止弹簧臂264偏转超过预定极限。更特别地，设定高度H，使得限制凸块271将在弹簧臂264可偏转得足以使其塑料变形之前干涉毂表面230。在插入之后，弹簧臂264释放。在释放之后，残余弹簧力沿径向向外推弹簧臂264抵靠凸缘232，并且推中心体262抵靠毂表面230。轨道268接合凸缘232的内表面中的凹槽238，以阻止切向移动。匹配构件(在该情况下，在图14中看到的环形轴272的前部端)邻接凹口266，以阻止平衡配重260沿轴向移动。图17显示平衡配重260中的一个处于安装状态。在发动机运行期间，离心负载使前部平衡配重260重新承坐抵靠凸缘232。平衡配重260可如上面针对平衡配重60和160描述地重新定位。还注意到，关于平衡配重260所描述的限制凸块特征可并入在平衡配重60或160中。

本文中描述的平衡配重设计具有若干个优于小型发动机的现有技术的优点。与直接从第一级转子24移除材料(这在高应力的关键旋转部件上引入局部应力集中)相比，过程控制得到改进。将使用精确的加工技术来产生在平衡配重60、160或260上存在的任何应力集中特征，并且因此更好地控制这些特征。发动机清洁度也得到加强，因为平衡配重不需要对发动机组件进行任何加工，并且因此不产生可污染发动机系统的灰尘或碎粒。最后，平衡过程的循环时间减少，因为在将转子装入平衡机中时可容易地重新定位平衡配重，从而消除与材料移除平衡过程相关联的再加工循环。

前面已经描述了用于涡轮转子的平衡配重和平衡转子组件。虽然已经描述了本发明的特定实施例，但对本领域技术人员将显而易见的是，可对本发明作出各种修改，而不偏离本发明的精神和范围。因此，提供本发明的优选实施例和用于实践本发明的最佳模式的前述描述仅是为了说明而非限制，本发明由权利要求限定。

Claims (13)

1. 一种用于涡轮转子的平衡配重，包括：

块状中心体；

从所述中心体的相对的侧部沿侧向延伸的一对有弹性的弹簧臂，所述中心体和所述弹簧臂共同限定弓形形状；

从所述平衡配重的径向外表面延伸的至少一个定位结构；以及

从所述弹簧臂中的各个的远侧端沿径向向内延伸的限制凸块。

2. 根据权利要求1所述的平衡配重，其特征在于，抗旋转突出部从所述中心体沿径向向外延伸。

3. 根据权利要求1所述的平衡配重，其特征在于，剪切销从所述弹簧臂中的各个的远侧端沿径向向外延伸。

4. 根据权利要求1所述的平衡配重，其特征在于，沿轴向伸长轨道从所述弹簧臂中的各个的远侧端沿径向向外延伸。

5. 根据权利要求1所述的平衡配重，其特征在于：

止动块从所述弹簧臂中的各个的远侧端沿径向向内延伸；并且

限制凸块从所述止动块中的各个沿径向向内延伸。

6. 根据权利要求1所述的平衡配重，其特征在于，所述中心体包括形成于其径向内部端处的凹口。

7. 一种涡轮转子组件，包括：

转子元件，其包括环形毂表面和包围所述毂表面的环形凸缘，所述环形凸缘与所述毂表面间隔开，以便限定凹穴；以及

设置在所述凹穴中的至少一个平衡配重，其包括：

       块状中心体；

       从所述中心体的相对的侧部沿侧向延伸的一对有弹性的弹簧臂，所述中心体和所述弹簧臂共同限定弓形形状；

       从所述平衡配重沿径向向外延伸的至少一个定位特征；以及

       从所述弹簧臂中的各个的远侧端沿径向向内延伸的限制凸块；

其中，所述弹簧臂和所述中心体分别有弹性地承载抵靠所述凸缘和所述毂表面，以便将所述平衡配重固持在所述凹穴中；并且

其中，选定所述限制凸块的径向高度，以便在所述弹簧臂偏转超过预定极限的情况下阻止所述平衡配重插入到所述凹穴中。

8. 根据权利要求7所述的涡轮转子组件，其特征在于，抗旋转突出部从所述中心体沿径向向外延伸，并且接合所述凸缘中的孔口，以便阻止所述平衡配重相对于所述转子盘沿轴向移动。

9. 根据权利要求7所述的涡轮转子组件，其特征在于，所述弹簧臂中的各个包括从其远侧端沿径向向外延伸的剪切销，所述剪切销接合所述凸缘中的孔口，以便阻止所述平衡配重相对于所述涡轮转子沿轴向移动。

10. 根据权利要求7所述的涡轮转子组件，其特征在于，所述弹簧臂中的各个包括从其远侧端沿径向向外延伸的沿轴向伸长轨道，所述轨道接合所述凸缘中的凹槽。

11. 根据权利要求7所述的涡轮转子组件，其特征在于，止动块从所述弹簧臂中的各个的远侧端沿径向向内延伸，并且限制凸块从各个止动块沿径向向内延伸。

12. 根据权利要求7所述的涡轮转子组件，其特征在于，所述涡轮转子组件进一步包括额外的部件，其邻接所述凹穴，以便沿轴向方向将所述平衡配重固持在所述凹穴中。

13. 根据权利要求12所述的涡轮转子组件，其特征在于，所述中心体包括形成于其径向内部端处的凹口，所述凹口邻接所述额外的部件。