CN104603397A - 涡轮机的涡轮转子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮机的一种涡轮转子，包括带安装叶根的槽的轮盘(21)，每个槽都由轮盘(21)的两个邻近的齿(5)所形成，叶根包括抵靠在轮盘(21)的齿(5)的接触面上的接触面。叶型(24)安装在轮盘(21)的齿(5)上，每个叶型(24)呈大体U形，包括插入叶根和轮盘(21)的齿(5)的相应接触面之间的横向支撑部分，以及面向轮盘(21)的相应齿(5)的齿顶并在所述齿顶和叶型(24)之间形成腔室(27)的中央部分(26)。涡轮转子还包括向所述腔室(27)提供冷却空气的装置(28)。

Description

涡轮机的涡轮转子
技术领域
本发明涉及一种涡轮机的涡轮转子，特别是低压涡轮转子。
背景技术
在传统的涡轮发动机上，涡轮转子包括轮盘，轮盘周缘带有安装叶根的槽，每个槽均由轮盘的两个相邻齿所形成。叶根包括接触面，在离心力作用下，这些接触面在运行时会支撑在轮盘的齿的接触面上。
轮盘以涡轮机的轴线为中心，并通过凸缘连接到一起并连接到涡轮轴上。
上游轮盘可以包括下游环形凸缘，用来通过螺栓螺母式装置固定到下游轮盘的上游环形凸缘上。环形外壳(shroud)安装在上游轮盘和下游轮盘之间，并至少包围着下游轮盘的上游凸缘，从而通过用其下游端部支撑在叶根上而将叶片轴向固定在下游轮盘上。这种环形外壳另外还带有密封装置，该密封装置可与由耐磨材料制成的垫块(blocks)相配合，所述垫块安装在分配器的固定叶片上，所述分配器轴向位于上述上游和下游盘之间。密封构件和垫块构成迷宫式密封装置。
当上游和下游轮盘通过其凸缘而固定到一起时，环形外壳包括轴向插在盘的凸缘之间的环形凸缘。
在环形外壳和下游轮盘的上游凸缘之间形成环形空间，该空间在上游提供有冷却空气，冷却空气被引向下游轮盘的槽内以便对这些槽进行通风。
特别是，冷却空气抵达位于槽的底部、叶根和轮盘之间的空腔内。
申请人所进行的研究说明，轮盘齿顶(peaks)处会出现高温。目前，受到高应力的这些区域的高温会造成蠕变。事实上，在运行时和在离心力的作用下，叶根会施加相当大的剪应力，特别是在接触面区域。
这种蠕变会大大缩短涡轮盘的使用寿命，并会影响涡轮机的性能。
为了避免这种现象，一般都是在槽的底部提供相当大的冷却流量，以便对轮盘齿进行充分冷却。然而，这种冷却流量是来自压缩机的空气，而且，这会影响涡轮机的性能。
发明内容
本发明的具体目的是提供一种针对这些问题的简单、有效、成本低廉的解决方案。
为此，本发明提出了一种涡轮机的涡轮转子，包括带有安装叶片根部的槽，每个槽由轮盘的两个邻近齿构成，叶根包括支撑在轮盘的齿的接触面上的接触面，其特征在于，叶型(foils)安装在轮盘的齿上，每个叶型为大体U形，包括插在叶根和轮盘的齿的相应接触面之间的横向支撑部件，以及面向轮盘的相应齿的齿顶并在所述齿顶和叶型之间形成腔室的中央部分，涡轮转子包括向所述腔室提供冷却空气的装置。
为此，在轮盘的齿的齿顶处提供冷却空气，而不是在槽的本底区。然后，由于空气流量较低且能更好控制，从而可以有效冷却可能会被蠕变影响的区域。这可以提高发动机的性能，因为冷却空气引出流量比现有技术要小。本发明还可大大提高轮盘的使用寿命，因为不再暴露于蠕变现象中。
根据本发明的一个实施方式，至少每个叶型的中央部分包括至少一个导气孔(orifice)，用于冷却空气流过，在进入相应齿和叶型之间的腔室并对齿顶进行冲击前，适合径向向外提供冷却空气的冷却空气供气装置，穿过叶型的所述导气孔。
冲击冷却比较有效，而且要求的冷却空气流量较低。
叶片优选每个都包括带有轮叶的平台，轮叶与叶根通过柄脚(tang)连接，柄脚之间形成空间，该空间可容纳减振器，以便在叶片平台径向内表面上接触，以消除叶片平台的振动，减振器形成沿上游方向张开并且径向向内张开的腔室，并与空气流过叶型的导气孔相对，来自上游的冷却空气流入减振器形成的腔室，以及，通过叶型的导气孔，流入叶型与轮盘的齿之间形成的腔室。
根据本发明的另一个实施方式，轮盘包括由环形外壳包围的上游凸缘，环形外壳与该凸缘一起形成环形空间，供冷却空气循环，环形外壳的下游部分抵靠在轮盘的上游端面上并形成固定叶根的止动部分(stop)，所述下游部分包括提供冷却空气的通道，将上游凸缘和环形外壳之间形成的环形空间与由减振器形成的腔室相连通。
在这种情况下，上游凸缘可在上游封闭由减振器所形成的腔室，而凸缘下游部分的供气通道仅在减振器所形成的腔室的上游张开。
根据本发明的一个特性，涡轮转子包括压抵在轮盘下游端面上的下游凸缘，以便在下游封闭轮盘的齿和叶型之间的腔室，所述下游凸缘带有标定的导气孔，用来将空气排出所述腔室。
标定的导气孔可以更好地控制冷却空气流量。
根据本发明的另一个实施方式，轮盘包括由上游环形外壳包围的上游凸缘，环形外壳与该凸缘一起形成环形空间，供冷却空气循环，环形外壳带有下游部分，其支撑在轮盘的上游端面上并形成固定叶根的止动部分，所述下游部分包括冷却空气供气通道，该通道将上游凸缘和环形外壳之间形成的环形空间与叶型和轮盘的齿之间形成的腔室相连通。
在这个实施方式中，空气并不会径向流过叶型的导气孔，但却会经由环形外壳内形成的通道直接流入叶型和轮盘的相应齿之间形成的腔室。
在这种情况下，轮盘还可包括冷却空气供气通道，该通道将凸缘下游部分的通道与叶型和轮盘的齿之间的形成的腔室连通起来。
向凸缘和/或轮盘提供冷却空气的通道优选经过标定，以便控制冷却空气流量。
本发明还涉及一种涡轮机，诸如飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，其特征在于，其包括上述类型的涡轮转子。
附图说明
通过参照附图阅读以非限定性示例给出的如下说明，可以更好地理解本发明，本发明的其它细节、特性和优点会显现出来，附图如下：
图1为现有技术涡轮转子纵向剖面的半视图；
图2为现有技术涡轮转子沿径向平面的剖面图，
图3为根据本发明第一个实施方式的涡轮转子局部沿径向平面的剖面图；
图4为图3所示涡轮转子的局部的纵向剖面图；
图5所示为本发明的第二个实施方式的对应于图4的示意图；
图6所示为本发明的第三个实施方式的对应于图4的示意图；
图7为图6所示转子局部透视图；
图8为外壳属于图6和图7的转子的环形外壳的局部透视图；
图9所示为本发明的第四个实施方式的对应于图4的示意图。
具体实施方式
首先参照图1和图2，这些图示出了现有技术的低压涡轮转子，所示转子均带有多个轮盘1,2，在轮盘周缘，形成有安装叶根4的槽3。每个槽由两个邻近的齿5形成。轮盘1,2以涡轮机轴线A为中心，通过环形外壳6,7连接到一起并连接到涡轮轴上。叶根4的顶部覆盖着平台8，平台彼此相邻，以便形成燃气循环管路的内壁。齿9自平台8处径向向内伸出。
图1仅示出了两个轮盘，分别是上游轮盘1和下游轮盘2。上游轮盘1包括下游环形凸缘7，用来将下游轮盘6固定到上游环形凸缘2上。连接形式为螺栓。
安装叶根4的环形外壳10安装在凸缘6周围，并在轮盘1,2之间轴向地延伸到下游轮盘2的槽3处，以便形成该轮盘2叶根4的轴向止动部分。
环形外壳10在其上游端带有内环形凸缘11，其轴向插入凸缘6,7之间，并通过螺栓固定在其上面。凸缘11包括径向导气孔12，用于冷却空气流过。
外壳的径向外周缘包括齿13，齿13与平台8的齿9相配合，从而将环形外壳10固定到位。另外，分别在环形外壳10和盘2上还提供有附加连接齿14,15。
环形外壳10还带有密封构件16，与耐磨材料17制成的垫块相配合，垫块安装在轴向位于轮盘1,2之间的分配器的静止叶片18上。密封构件16和垫块17形成了迷宫式密封装置。
环形外壳10与凸缘6一起形成环形空间19，供通风空气循环。环形外壳10的下游端面支撑在轮盘2的上游端面上，从而对环形空间19实现密封。
在运转时，通风空气经由凸缘11的导气孔12而流入外壳10和凸缘6之间形成的环形空间19，并由外壳10引向叶根4下方位于下游轮盘2的槽3底部处的腔室。
如上所述，这些腔室的冷却并不能有效地对齿5和暴露于高剪应力下的叶根4的区域进行冷却，以及这些区域都位于接触面20处。为此，在这些区域，存在着蠕变的风险，这种风险会引起轮盘2的性能下降。为避免这种情况，在槽3的底部应该提供相当大的冷却空气流量，而这会影响涡轮机的性能。
图3和图4示出了根据本发明第一个实施方式的低压涡轮转子，低压涡轮转子包括带有用来安装叶根4的槽3的轮盘21，每个槽3都由轮盘21的两个相邻齿5形成，叶根4带有接触面22，其抵靠在轮盘5的齿21的接触面23上。
叶型24安装在轮盘5的齿21上，每个叶型24呈大体的倒U字形，包括：横向支撑部分，这些支撑部分插到叶根和轮盘齿的相应接触面之间；和中央部分26，其面向轮盘相应齿5的齿顶并在所述齿顶和叶型24之间形成腔室27。每个叶型24的中央部分26包括径向导气孔28。
同现有技术一样，轮盘21包括由环形外壳29包围的上游凸缘，环形外壳与该凸缘一起形成环形空间19，用于冷却空气循环，以及上游凸缘用来沿上游方向固定叶根4。转子进一步包括压到轮盘21下游端面上的下游外壳30，该下游外壳用来沿下游方向固定叶根4。
每个叶型24中央部分26的上游边缘衔接在上游外壳29外周缘的凸出部(shoulder)31，而每个叶型24中央部分26的下游边缘则衔接在下游外壳30外周缘的凸出部32上。于是，腔室27就分别由上游外壳29和下游外壳30在上游和下游被封闭。
下游外壳30进一步包括标定的导气孔33，用来将空气排出所述腔室27。
这些叶片均包括带有轮叶34并通过柄脚35连接到叶根4上的平台8，柄脚35在其间形成空间，用来置放减振器36，减振器36接触叶片平台8径向内表面，从而消除叶片平台的振动。例如，这些减振器36在以本申请者名义提交的FR2,963,382文件中已有介绍。
减振器36形成了沿上游方向张开并径向向内张开的腔室，该腔室与导气孔28相对。
在运行时，来自压缩机的空气从上游流向下游方向，其流动压力大于在叶片平台8内形成的管子内部循环的燃气流压力。
然后，来自压缩机的空气从上游进入减振器36(箭头)所形成的腔室37内，然后，经由叶型24的导气孔28，进入叶型24和轮盘21齿5之间形成的腔室27内。
该空气直接冲击轮盘21的齿5的齿顶，以便对齿5进行冷却。然后，腔室27内所容纳的空气，经由下游外壳30的导气孔33，沿下游方向流出。
图5示出了本发明的第二个实施方式，其中，上游外壳29的下游部分的外周缘39径向向外延伸直到其密封地支撑在从平台8径向向内延伸的轮缘40上。
上游外壳的下游部分进一步包括从环形空间19径向延伸并在腔室37上游张开的凹槽41。
在这个实施方式中，叶型24中央部分26的上游边缘支撑在轮盘21突出部分43内形成的凸出部42上。特别是，突出部分43自轮盘21的齿5的齿顶径向向外延伸。
于是，在运行时，来自环形空间19的冷却空气经由凹槽41流入腔室37内，然后经由导气孔28而流入腔室27内，从而对轮盘21的齿5的齿顶进行冷却。该空气然后通过导气孔33在下游被排出。
图6至图8示出了本发明第三个实施方式，其中，每个腔室27径向向下游张开，下游外壳30不再封闭腔室。
上游外壳29还包括径向凹槽41，该凹槽一方面向环形空间19内张开，另一方面与轮盘21的齿5内提供的凹槽43相对。后者则向腔室27的上游部分张开。
外壳29凹槽41和/或轮盘21凹槽43都经过标定以便控制冷却空气流量。
凹槽41当然也可直接通向腔室27。在这种情况下，齿5则无凹槽43。
在运行时，来自环形空间19的空气流过凹槽41,43，进入腔室27，此时，在通过腔室27的向下游张开的端部被排出之前，空气对轮盘21的齿5的齿顶进行冷却。
图9示出了本发明第四个实施方式，该方式不同于图6至图8所示实施方式，因为能够将来自外壳29凹槽41的冷却空气送至腔室27的导气孔44被用来取代轮盘21的凹槽43。导气孔44的定向斜向径向平面并相对于涡轮机的轴线。
本发明的所有可替换实施方式都可以将冷却空气与轮盘21的齿5的齿顶直接接触，从而更好地控制这些区域的温度，因为这些区域承受着巨大的剪应力。轮盘21的所有蠕变现象和性能过早下降都会因此而避免。这些实施方式还可限制并有效控制冷却空气流量，从而不会影响涡轮机的性能。
虽然通过实施例描绘了本发明，但本领域普通技术人员知道，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，就可使本发明有许多变形和变化，本发明的范围由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种涡轮机的涡轮转子，包括带安装叶根(4)的槽(3)的轮盘(21),每个槽(3)由轮盘(21)的两个邻近齿(5)形成，叶根(4)包括抵靠在轮盘(21)的齿(5)的接触面(23)上的接触面(22)，其特征在于，叶型(24)安装在轮盘(21)的齿(5)上，每个叶型(24)呈大体U形，包括插入叶根(4)和轮盘(21)的齿(5)的相应接触面(22，23)之间的横向支撑部分(25)，以及面向轮盘(21)的相应齿(5)的齿顶并在所述齿顶和叶型(24)之间形成腔室(27)的中央部分(26)，涡轮转子包括向所述腔室(27)提供冷却空气的装置。
2.根据权利要求1所述的涡轮转子，其特征在于，至少每个叶型(24)的中央部分(26)包括至少一个导气孔(28)，导气孔供冷却空气流过，提供冷却空气的装置适合在叶型(24)外部(37)径向提供冷却空气，以便空气在进入相应齿(5)和叶型(4)之间的腔室(27)并冲击齿(5)的齿顶前，流过叶型(24)的所述导气孔(28)。
3.根据权利要求2所述的涡轮转子，其特征在于，每个叶片均包括带有轮叶(34)并通过柄脚(35)连接到叶根(4)上的平台(8)，柄脚(35)在彼此之间形成用来置放减振器(36)的空间，以便减振器(36)接触叶片平台(8)的径向内表面，以消除叶片平台的振动，减振器(36)形成在上游方向张开和径向向内张开的腔室(37)，与供空气流过叶型(24)的导气孔(28)相对，由上游提供的冷却空气流入由减振器(36)所形成的腔室(37)，并经由叶型(24)的导气孔(28)流入叶型(24)和轮盘(21)的齿(5)之间形成的腔室(27)内。
4.根据权利要求3所述的涡轮转子，其特征在于，轮盘(21)包括由环形外壳(29)包围的上游凸缘，该环形外壳与凸缘一起形成供冷却空气循环的环形空间(19)，环形外壳(29)的下游部分抵靠在轮盘(21)的上游端面上并形成固定叶根(4)的止动部分，所述下游部分包括提供冷却空气的通道(41)，该通道为上游凸缘和环形外壳(29)之间形成的环形空间(19)与所述减振器(36)形成的腔室(37)提供冷空气连接。
5.根据权利要求4所述的涡轮转子，其特征在于，上游环形外壳在上游封闭由减振器(36)所形成的腔室(37)，凸缘(29)下游部分的供气通道(41)仅向由减振器(36)所形成的腔室(37)的上游张开。
6.根据权利要求1到5其中一项所述的涡轮转子，其特征在于，其包括压向轮盘(21)下游端面的下游外壳(30)，以便在下游封闭位于轮盘(1)的齿(5)和叶型(24)之间的腔室(27)，所述下游环形外壳(30)带有标定的导气孔(28)，用来将空气排出所述导气孔(27)。
7.根据权利要求1所述的涡轮转子，其特征在于，所述轮盘(21)带有由上游环形外壳(29)所包围的上游凸缘，所述上游环形外壳(29)与该凸缘一起形成供冷却空气循环的环形空间(19)，环形外壳(29)的下游部分支撑在轮盘(21)的上游端面并形成安装叶根(4)的止动部分，所述下游部分包括冷却空气供给通道(41)，所述冷却空气供给通道将上游凸缘和环形外壳(29)之间形成的环形空间(19)与叶型(24)和轮盘(21)的齿(5)之间形成的腔室(27)连通。
8.根据权利要求7所述的涡轮转子，其特征在于，轮盘(21)包括冷却空气供给通道(43)，所述冷却空气供给通道将环形外壳(29)下游部分的通道(41)与叶型(24)和轮盘(21)的齿(5)之间形成的腔室(27)连通。
9.根据权利要求7或8所述的涡轮转子，其特征在于，向环形外壳(29)和/或轮盘(21)提供冷却空气的通道(41，43)都是标定的，以便控制冷却空气流量。
10.一种涡轮机，诸如涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，其特征在于，其包括根据权利要求1到9其中一项所述的涡轮转子。
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