CN104704244A - 涡轮发动机外壳和转子轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合件，所述组合件包括涡轮发动机外壳(12)和布置在所述外壳中的转子轮(14)。所述外壳(12)包括内壁(20)，该内壁(20)具有可磨耗材料的周向条带(24)。面向所述叶片的尖端，所述外壳在上游具有所述可磨耗材料的条带，并且在下游具有周向凹槽(30)。所述可磨耗材料的条带在下游由周向凹槽(30)界定。所述周向凹槽(30)的下游端与所述叶片(18)的后边缘(18B)配准或位于所述后边缘的下游。此布置优化了涡轮发动机的所述外壳中的可磨耗材料的使用。

Description

涡轮发动机外壳和转子轮

技术领域

本发明涉及一种组合件，所述组合件包括涡轮发动机外壳和布置在所述外壳中的带叶片的转子轮。

背景技术

所述外壳可以容纳一个或多个转子轮，所述转子轮安装成在外壳内部旋转。

为了优化涡轮发动机的效率，叶片大体上以使它们的尖端尽可能接近于外壳的内壁穿过的方式布置。

具体来说，特别是在用于飞机或直升机的航空发动机的头几个小时的操作期间内，由于叶片的热膨胀或是在离心力的作用下的叶片伸长，有时会导致叶片的尖端与外壳的内壁接触。

为了避免损坏外壳的壁的此类接触，公知的是，涡轮发动机外壳的内表面有时配备有可磨耗材料(即，放置在该处以经受磨耗的材料)的条带，所述条带布置在外壳内部与叶片的尖端配准。

接着以当涡轮发动机以全速运行时使叶片与可磨耗材料的条带接触的方式确定叶片的长度。

在此摩擦的作用下，在涡轮发动机的初始几小时的操作期间，可磨耗材料的条带磨损，直至所述条带达到能使其不再与叶片接触的形状为止。以此方式获得的形状是提供叶片尖端与外壳之间的最小间隙的形状。

然而，在可磨耗材料的条带与叶片的尖端之间发生的接触和摩擦会导致磨损、振动，或者实际上导致对涡轮发动机的长寿命和良好操作带来不利的影响。

因此，需要使那些事件的量值最小化。

出于此目的，在国际申请WO2012/025357号描述了含有转子轮的外壳，其中叶片的尖端布置成以使在所述尖端的下游端的长度实质上比在所述尖端的上游端的长度短。该解决方案能够确保间隙至少存在于叶片尖端的下游部分与外壳之间。

然而，这需要减小叶片的表面积，进而会减少叶片在流体上所做的功，由此降低了转子轮的效率。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种用于外壳和/或叶片的布置，所述布置能使叶片与外壳之间的间隙最小化，尽可能地限制叶片与外壳之间的接触和摩擦，并且保留叶片的最大效率。

此目的通过包括涡轮发动机外壳和布置在所述外壳内部的带叶片转子轮的组合件实现，所述外壳包括内壁，所述内壁具有可磨耗材料的周向条带，其中，与叶片的尖端配准的所述外壳在上游具有可磨耗材料的条带，并且在下游具有周向凹槽，所述可磨耗材料的条带在下游由周向凹槽界定，并且周向凹槽的下游端布置成与叶片的后边缘轴向配准或位于叶片的后边缘的下游。

具有与叶片的尖端配准的上游的可磨耗材料的条带和下游的周向凹槽的如上所述的外壳和转子轮组合件具有以下优点。

可磨耗材料的条带放置成在它们的上游部分上与叶片的尖端配准。具体来说，所述条带位于叶片的尖端的上游部分上方，这对减小叶片的尖端与外壳之间的间隙是最有用的。

因此，可磨耗材料的条带位于叶片的尖端的上游部分处，使得所述条带的使用是最为合理化的。在此区域中，所述条带有可能获得叶片的尖端与外壳之间的最小间隙。

相反地，在叶片的尖端的下游部分处，叶片的尖端与外壳之间的间隙的存在是不太重要的。有利的是，根据本发明，给予此区域优先权以避免叶片的尖端与外壳之间的碰撞。

出于此目的，在本发明中，外壳具有紧靠可磨耗材料的条带的下游布置的凹槽。因此，凹槽的底部与可磨耗材料的条带相比是中空的。换句话说，凹槽具有比可磨耗材料的条带的半径大的半径(并且更确切地说大于所述条带的内表面)。

上述半径的差异意味着具有从叶片的前边缘到叶片的后边缘大致恒定的半径的叶片可以具有尖端，所述尖端具有：上游部分，所述上游部分非常接近于可磨耗材料的条带，使得在使用涡轮发动机的同时所述上游部分以已知的方式起作用来磨损条带；以及下游部分，所述下游部分极少与凹槽的表面接触或根本不与凹槽的表面接触，进而极少与外壳的表面接触或根本不与外壳的表面接触。

为了优化转子轮的空气动力效率，周向凹槽的下游端可以位于与叶片尖端的下游端配准或基本上与叶片尖端的下游端配准的位置。

在一个变型中，为了避免叶片与外壳之间的任何影响，还可能将周向凹槽的下游端轴向布置在叶片的后边缘的下游。

随后，周向凹槽的下游端优选地位于距离叶片的后边缘在叶片的轴向弦的5％到20％的范围内的轴向距离处，如在叶片的尖端处所测量到。此距离使得周向凹槽为叶片的尖端提供用于相对于它们的标称位置移动的足够范围。

借助于本发明，外壳具有优化的接触表面并且有利地包括具有最小轴向范围的可磨耗材料的条带，由此有可能使叶片与外壳之间的接触和摩擦最小化。

以下各种改进可以有利地单独或组合提供：

·除了由可磨耗材料的条带所形成的凹槽表面之外，凹槽可具有呈凹形的轴向部分；

·凹槽的底部可包括圆柱形部分；

·除了由可磨耗材料的条带所形成的凹槽表面之外，凹槽可具有在从上游到下游的所有点处呈凹形的轴向部分；

·凹槽可在其下游侧通过凹形连接倒圆角连接到外壳的内壁，具体来说，具有圆拱形部分；

·凹槽可在其下游侧上通过大致截头圆锥形的表面连接到外壳的内壁；

·凹槽的底部可具有比可磨耗材料的条带的最大半径小的半径；

·凹槽表面可由可磨耗材料的条带形成，且可以是截头圆锥形的，截头的圆锥角度为至少45°，优选为至少60°。通过延伸，由可磨耗材料的条带形成的凹槽的所述表面可形成在相对于外壳横向延伸的平面中，并且可垂直于外壳的轴线；

·凹槽可以是防漏的，或者可具有防漏的底部。换句话说，凹槽未连接到用于使气流或流体通过的管道。所述凹槽不允许提取或输送气体，而是仅用于允许叶片的尖端通过避免它们与外壳之间的任何撞击而自由地旋转；以及

·可磨耗材料的条带覆盖叶片的轴向范围的30％到70％。

本发明还提供如上文所定义的用于包括外壳或组合件(外壳加上转子轮)的涡轮发动机的轴流式压缩机。

最后，本发明提供一种具有至少一个如上所述的外壳的涡轮发动机。

附图说明

在阅读作为非限制性实例给出的实施例的以下详细描述之后本发明可以得到很好的理解并且其优点将更好地呈现。所述描述参考附图，在附图中：

·图1是具有本发明的外壳的压缩机的一部分的图解视图；

·图2是在本发明的第一实施例中的压缩机的一部分和叶片的图解轴向部分；

·图3是与图2的部分相似的部分，其示出了本发明的第二实施例；

·图4是与图2的部分相似的部分，其示出了本发明的第三实施例；

·图5是与图2的部分相似的部分，其示出了本发明的第四实施例；

·图6是与图2的部分相似的部分，其示出了本发明的第五实施例；以及

·图7是与图2的部分相似的部分，其示出了本发明的第六实施例。

具体实施方式

图1示出了用于涡轮发动机的轴流式压缩机10。所述轴流式压缩机包括外壳12，所述外壳12具有安装在其中的转子轮14。在常规方式中，转子轮14本身包括转子盘16，所述转子盘16具有以轴对称方式紧固到其上的径向叶片18。转子轮布置成能够在外壳12内部围绕旋转轴线A旋转。

外壳12具有界定气流通道的内壁20。此内壁形成旋转表面，所述旋转表面通常基本上为圆锥形形状的，并且在本发明实例中是圆柱形的，其中所述旋转表面与转子轮14轴向配准。

在图2至图7中针对各实施例，示出了本发明的叶片18的布置和外壳12的内壁20的布置。

在各图中，相同或类似的元件标注有相同的附图标记。此外，在图3至图7中分别示出的各外壳与在图2中示出的外壳除了在本文中提到的差异之外，是相同的。

在图2至图7中的每一者中，外壳12的上游端(相对于想要流过外壳的气体的流动方向)位于图的左手侧上。

叶片18中的每一者具有前边缘18A、后边缘18B和尖端19。

与转子轮14轴向配准的外壳12的径向内部部分主要由两个部分构成：(a)由金属或金属合金(钛、铝、钢等合金)制成的大致圆柱形的套管22和(b)可磨耗材料的条带24，所述可磨耗材料不同于套管22的材料，其例如由基于Al-Si的合金制成。

在叶片18的上游和下游，套管22具有大致圆柱形的径向内表面23。此表面的半径R稍大于在叶片18的尖端处测量到的转子轮14的最大半径。套管22不具有用于输送经过转子轮14的气流的内部通路或通道。

与叶片18的端部配准或面向所述叶片的端部的套管22包含壳体26。此壳体呈圆形周向凹槽的形式，其具有围绕轴线A的旋转表面，在套管22中是挖空的。此壳体26具有在形状上通常呈大致圆柱形的底部表面27。

类似地呈套管形式的条带24布置在壳体26中并且占据其上游部分。

因此，面向叶片18的尖端，外壳在上游具有可磨耗材料的条带24，并且在下游具有周向凹槽30，所述周向凹槽仅仅是壳体26的下游部分。

条带24具有径向内表面25。套管22的内表面23和条带24的内表面25彼此连续的方式确定套管24(在径向方向上)的厚度，套管22的内表面23和条带24的内表面25具有相同半径R(图2)。因此，在条带24的水平处，(位于套管22的内部的)表面23与壳体26的底部27的表面之间的半径差等于条带24的厚度。

条带24的表面25的上游端布置成大致与叶片18的前边缘18A轴向配准，或可能位于该位置稍靠上游的位置。

应观察到在本发明的背景下，条带24的表面25可以具有相对于表面23的(位置的和/或切线的)不连续性。举例来说，条带24可以具有比套管22的表面23的半径R稍小或稍大的内径。

条带24的下游端沿轴线A位于叶片18的前边缘18A与后边缘18B之间的大约一半处。一般来说，优选的是由可磨耗材料制成的条带24覆盖叶片的轴向范围的至少30％。此外，占据叶片的轴向范围的70％以上几乎没有任何意义。

紧靠条带24的下游，存在凹槽30。所述凹槽在上游由条带24界定，并且在其底部和在其下游侧上由套管22界定。

一般来说，从上游到下游，凹槽30具有由条带24界定的上游部分32、底部34和下游部分36这三个连续部分。

上游部分由条带24的下游表面形成。相反地，底部34和下游部分36并非由可磨耗材料制成。

它们直接形成在套管22中。

在图2至图6的实施例中，此表面布置在相对于外壳12的轴线A横切的平面中。因此，上游表面32在凹槽30的上游端处形成“向外的”台阶，其中用于流体的通道的直径突然增大。

底部表面34是壳体26的底部表面的一部分。在图2至图4及图7的实施例中，壳体26具有圆柱形的底部表面，因而在这些实施例中，底部表面27是圆柱形的。

最后，类似于表面32，凹槽30的下游表面36可以布置在横切于外壳12的轴线A的平面中(图2中所示的实施例)。因此，凹槽30的下游表面36在凹槽30的下游端处形成“向内的”台阶，其中流体流道的直径依次再次突然减小到与套管22的内表面的直径相等。

凹槽30的表面36的下游端布置成大致与叶片18的后边缘18B轴向配准，或实际上位于该位置的稍靠下游的位置处。

因此，凹槽30具有呈凹形的轴向部分。

图3至图7示出了凹槽30的各种实施例。

图3和图4的实施例不同于图2的实施例，不同之处在于凹槽30的下游表面36的布置：

·在图3中，下游表面36是围绕轴线A的截头圆锥形形状。因此，凹槽30在其下游端处经由大致截头圆锥形的表面连接到外壳的内壁20，从而在将底部34连接到外壳的壁20的轴向部分中形成恒定的斜率。此形状有利地限制了在叶片18的尖端的下游端处形成湍流。

·在图4中，下游表面36是具有呈圆弧形式的部分的凹形连接倒圆角。此连接圆角的上游端在适当位置上是连续的并且与凹槽30的底部34相切。

此外，在这两个实施例中，底部表面34的轴向范围小于在第一实施例中的轴向范围，并且相反地下游表面36的轴向范围更大。在这些实施例中，表面34从叶片18的后边缘的上游终止并且未与其配准。因此，凹槽30的下游表面36从位于叶片18的后边缘上游的底部表面34的下游端轴向延伸直至后边缘或是其下游的位置处。

此外，在图3、图4和图6的实施例中，周向凹槽的下游端的位置未与叶片的后边缘18B配准，而是位于其下游的位置处。

在这些各种实施例中，周向凹槽的下游端位于沿轴线A且从叶片的后边缘18B测量到的在叶片的轴向弦的5％到20％的范围内的轴向距离处，如在叶片尖端测量到。叶片的“轴向弦”的值如图所示对应于沿轴线A在叶片的前边缘18A与后边缘18B之间的距离。

图5的实施例类似于图4的实施例。唯一的差异在于壳体26的底部的形状。

不同于图2到图4的实施例，在图5的实施例中，壳体26的底部被细分成收纳条带24的上游部分和形成凹槽30的下游部分这两个部分。这两个部分都是圆柱形的；上游部分具有大于下游部分的内径，因而这两个部分由肩部38间隔开。

肩部38用以将条带34固持在适当位置上，具体来说是在轴向方向上。

图6示出了一个实施例，其中底部表面24和下游表面36是连续的；在它们之间不存在可察觉的边界。

表面34和36结合在一起构成单个表面40。

此表面40在从上游到下游的所有点处具有局部为严格凹的轴向部分，因而此表面部分并不具有任何直线区段。其形状可以是任意的，并且应该理想地通过实验或通过计算来确定，以便确保在涡轮发动机的所有操作模式中，表面34和36(以及因此表面40)仍然不会接触叶片18。

最后，图7示出了不同于图3中所示的一个实施例，不同之处在于凹槽30的上游表面32的形状。

代替于此上游表面垂直于外壳的轴线A，上游表面32是绕轴线A的截头圆锥形的。相对于此轴线，其在顶点α处形成等于45°的角度。

为了避免无意义的过度放大可磨耗材料的条带24的尺寸，角度α优选地不低于45°。

在所描述的各种实施例中，叶片18的尖端19径向地严格位于壁20内部。此外，叶片的长度(在径向方向上测量到)是恒定的。

这两个特征都不是本发明所必需的。

在本发明的背景下，叶片可以具有根据沿转子轮的轴线的位置变化的(在径向方向上测量的)长度。因此，叶片可以具有在轴向方向上变化的总半径(当安装在转子轮上时叶片的整体半径)。

在本发明的背景下，叶片还可以具有可能比紧靠在转子轮的上游或下游的外壳的内表面的半径大的总半径，或者至少局部比该半径大的总半径(即，沿转子轮的轴线仅在某个轴向范围内)。叶片的尖端随后至少局部地穿透到外壳的壁中。

叶片还可以相对于外壳具有不均匀的径向间隙，如在上述实施例中具体示出。

因此，叶片的总半径可以比紧靠在叶片的上游或下游的外壳的表面的内径(R)小或大。叶片的总半径还可以根据沿转子轮的轴的位置在这两个配置之间变化。

Claims (11)

1.一种组合件，所述组合件包括涡轮发动机外壳(12)和布置在所述外壳内部的带叶片的转子轮(14)，所述外壳(12)包括内壁(20)，该内壁(20)具有可磨耗材料的周向条带(24)，所述组合件的特征在于，

与所述叶片的尖端配准的所述外壳在上游具有所述可磨耗材料的条带，并且在下游具有周向凹槽(30)，所述可磨耗材料的条带在下游由所述周向凹槽(30)界定，并且所述周向凹槽(30)的下游端布置成与所述叶片(18)的后边缘(18B)轴向配准或位于所述后边缘(18B)的下游。

2.根据权利要求1所述的组合件，其特征在于，

除了由所述可磨耗材料的条带所形成的凹槽表面(32)之外，所述凹槽具有呈凹形的轴向部分。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的组合件，其特征在于，

所述凹槽的底部(34)包括圆柱形部分。

4.根据权利要求2所述的组合件，其特征在于，

除了由所述可磨耗材料的条带所形成的凹槽表面之外，所述凹槽(30)具有在从上游到下游的所有点处呈凹形的轴向部分。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的组合件，其特征在于，

所述凹槽在其下游侧上通过凹形连接倒圆角(36)连接到所述外壳的所述内壁(20)，具体来说，具有圆拱形部分。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的组合件，其特征在于，

所述凹槽在其下游侧上通过大致截头圆锥形的表面(36)连接到所述外壳的所述内壁。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的组合件，其特征在于，

所述凹槽的底部(34)具有比所述可磨耗材料的条带的最大半径小的半径。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的组合件，其特征在于，

由所述可磨耗材料的条带所形成的凹槽表面是截头圆锥形的，截头的圆锥角度(α)为至少45°，优选为至少60°。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的组合件，所述凹槽(30)具有防漏的底部。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的组合件，其特征在于，

所述可磨耗材料的条带覆盖所述叶片的轴向范围的30％到70％。

11.一种涡轮发动机，包括至少一个根据权利要求1至10中任一项所述的组合件。