CN105673524B - 离心压缩机设备 - Google Patents

Abstract

一种压缩机具有轴向部分和离心部分。提供一种盘结构，用于支撑该离心部分，并且被连接至具有槽口接合的离心部分。

Description

离心压缩机设备

关于联邦发起的研究和发展的声明

依照军队部门授予的W911W6-11-2-009号合同，美国政府在本发明中具有一定的权利。

技术领域

本发明大体涉及涡轮机压缩机，并且更特定地涉及这样的压缩机的离心级。

背景技术

燃气涡轮发动机连续流连通地包括：压缩机、燃烧器和涡轮。涡轮机械联接至压缩机，并且这三个部件限定了涡轮机芯部。该芯部以已知的方法可操作，来产生热的、增压的燃烧气体流，以操作发动机并且执行有用功，例如，提供推进推力或机械功。

一种已知的压缩机的构造是“轴向-离心”压缩机，其包括上游轴向流部分，该部分被排放到下游的离心流部分。在一些设计中，期望在离心流部分的入口处具有相对大的半径。但是，因为由速度引起的应力与环半径的平方成比例，因此，半径的相对小的增加可导致在离心叶轮向轴向流部分的附接附近的在离心叶轮中的切向应力的显著增加。结果是，离心叶轮，由于它半径和轮速的结合，不能自己支撑其自身的速度引起的负载。在两个压缩机部分之间的现有技术连接方法，包括CURVIC面联接和螺栓连接，不能在可接受应力水平下在该高半径和轮速下运行。

因此，仍然存在对轴向离心压缩机的需求，其可在可接收应力水平下在高半径和轮速下运行。

发明内容

根据一个实施例，压缩机具有轴向部分和离心部分。提供了一种盘结构，来支撑离心部分，并且利用槽口接合连接至离心部分。

附图说明

本发明可通过参考结合附图做出的下列说明而被最好地理解，其中：

图1是结合根据本发明的实施例构造的压缩机设备的燃气涡轮发动机的剖视、示意图；

图2是图1的压缩机设备的一部分放大剖视图；以及

图3是图2的一部分的放大图。

附图标记

A 轴线

F 流动方向

D 距离

10 压缩机

12 燃气涡轮发动机

14 燃烧器

16 燃气涡轮机

18 轴

20 动力涡轮

22 轴

24 轴向部分

26 离心部分

28 拉杆

30 壳体

32 外裙

34 叶片

36 静叶

38 叶轮

40 前端

42 后端

44 叶轮盘

46 毂

48 叶轮臂

50 近身端

52 开放间隙

54 钩部

56 径向内表面

58 径向腿

60 轴向腿

62 槽口

64 内流路表面

66 叶轮叶片

68 分流器叶片

70 罩组件

72 外流路表面

74 涡流扰流器

76 盘

78 毂

80 前臂

82 后臂

83 槽口接合

84 流路表面

86 通道

88 近身端

90 开放间隙

92 远端

94 后面

96 内面

97 颈部。

具体实施方式

参照附图，其中遍及附图，相同的标号指代相同的元件，附图1和2绘出了根据本发明的一方面构造的示例性压缩机10。在示出的实例中，压缩机10合并入带有中心纵向轴线“A”的燃气涡轮发动机12，并且连续流顺序地包括，压缩机10、燃烧器14和燃气涡轮机16(示意性地示出了压缩机10和燃烧器14)。如在本文中所使用的，用语“轴向”和“纵向”均意指平行于轴线A的方向，而“径向”意指垂直于轴向方向的方向，而“切向”或“周向”意指互相垂直于轴向和切向方向的方向。如在本文中所使用的，用语“向前”或“前面”意指在穿过或绕部件行进的空气流中的相对上游的位置，而用语“后部”或“后面”意指在穿过或环绕部件行进的空气流中的相对下游的位置。该流动方向在图1中用箭头“F”显示。这些方向用语仅仅用于描述的便利性，而不需要因此描述的结构的特定朝向。

压缩机10提供了压缩空气，其最初流入燃烧器14，以支持燃烧，并且部分地环绕燃烧器14，在燃烧器中其被用于冷却燃烧器衬套和进一步下游的涡轮机两者。燃料被引入燃烧器14的前端，并且以常规的方式与空气混合。所得的燃料空气混合后流入燃烧器14，在燃烧器中其被点燃以产生高温燃烧气体。热燃烧气体被排放到燃气涡轮机16，在燃气涡轮机中它们膨胀，使得能量被提取出。燃气涡轮机16通过轴18驱动压缩机10。在示出的实例中，发动机12是涡轮轴发动机，并且工作涡轮机(也称为动力涡轮)20定位于燃气涡轮机16的下游，并且联接至输出轴22，该输出轴连接至机械负载。但是，在本文中描述的原理同样可用于任何轴向离心压缩机。例如，它们可应用于由外部原动力驱动的压缩机。

压缩机10包括轴向部分24和离心部分26。两个部分24和26以已知的方式使用拉杆28用平行于轴线A的相当大的力夹在一起(仅仅示出了拉杆28的一部分)。环形壳体30围绕整个压缩机10。如剖视图中所示，壳体30的后部分包括外裙32，其从壳体30的剩余部分径向向外发散，从而形成“Y”形。压缩机10的轴向部分24构造用于轴向流体流。其包括多个级，每个级包括一组旋转的翼形件或叶片34，和一组静止的机翼或叶片36。叶片36用来使在空气流在进入叶片34的下游组之前，使离开叶片34的上游组的空气流旋转。

压缩机10的离心部分26构造用于离心或混合的轴向离心流体流。其包括安装用于与轴18一起旋转的叶轮38，并且具有轴向前端40和后端42。叶轮38包括环形叶轮盘44，带有设置在它的径向内端的毂46。环形叶轮臂48从叶轮盘44轴向向前延伸。叶轮臂48从叶轮盘44悬臂，即，仅仅其近身端50附接至叶轮盘44，而叶轮臂48的剩余部分是没有支撑的，在叶轮臂48和叶轮盘44的内部之间存在没有支撑结构的开放的间隙52。

叶轮臂48包括从它的径向内表面56延伸、从前端40轴向向后延伸短距离的钩部54。钩部54半截面是L形，具有径向腿58和轴向腿60，并且限定了槽口62。

共同地，叶轮臂48和叶轮盘44限定了大体凹入弯曲的内流路表面64。内流路表面64朝向前端40在大体纵向方向上延伸，并且在后端42附近在大体径向方向上延伸。翼形件形叶轮叶片66的环形排列从内流路表面64径向向外延伸。叶轮叶片66关于它们的尺寸、横截面形状、朝向、间隔以及其它参数(根据常规实践)构造为，当叶轮38旋转时，为流动穿过它们的空气提供递增的速度增加。分流器叶片68的环形排列与叶轮叶片66交替环绕叶轮38。分流器叶片68与叶轮叶片66形式类似，但是轴向长度更短。

环形的罩组件70围绕叶轮38。罩组件70限定了大体凸起弯曲的外流路表面72，其紧密地环绕叶轮和分流器叶片66和68的顶部。内外流路表面64和67一起限定了穿过离心部分26的主流路。罩组件70的前端邻接壳体30。

支撑盘结构设置在轴向部分24和离心部分26之间。在该特定实例中，支撑盘结构是涡流扰流器74的形式。这是一种环形结构，其一般在半截面上为大体T形，具有环形盘68，带有设置在它的径向内端处的毂78和在其径向外端处的前和后臂80、82。涡流扰流器74的径向外端限定了流路表面84，其与在上面描述的内流路表面64连续。径向对准通道86的排列延伸穿过涡流扰流器74，与流路表面84连通。它们的目的是从流路中抽取空气，以用作在发动机12内的次级空气(例如，用于机翼冷却，油箱增压等)。

在涡流扰流器74和叶轮臂48之间的连接将参考附图3更详细地被描述。后臂82从涡流扰流器74的盘76径向向后延伸。后臂82从盘76悬臂，即，仅仅其近身端88附接至盘76，而后臂82的剩余部分是没有支撑的，在后臂82和盘76的内部之间有不带有支撑结构的开放间隙。后臂82的远端92容纳在槽口62中，并且叶轮臂48的一部分在轴向方向上与后臂82重叠。作为结果，在两个部件之间的有效的机械连接在叶轮38的前端40的轴向后部的短间距“D”处形成。该连接大体称为“槽口接合”83，并且可以称为从叶轮38的前端40“轴向偏移”为特征。

后臂82的远端92包括后面94和内面96。接合尺寸确定为使得，在静止组件处，在钩54的内面96和轴向腿60之间有一个微小的径向干涉，并且后面94接触钩54的径向腿58。在后臂82的径向外表面和叶轮臂48之间存在小间隙。在后面94和钩54之间在分界面处存在显著的轴向压缩负载，从而导致在槽口接合83处有大摩擦负载，其允许在叶轮38和涡流扰流器74之间的扭矩传递(并且因此传递到轴向部分24)。

后臂82的形状和尺寸定制成既不太大又不太小的硬度。在示出的实例中，后臂82合并颈部97，其具有相对于后臂82的剩余部分的减少的径向厚度。这降低了后臂82的硬度。

在运行中，叶轮38高速旋转，使叶轮臂48遭受显著的切向应力。由于其半径和轮速的特定组合，叶轮38不能自己支撑其自身的速度导致的负载。在缺少合适的支撑的情况下，这将导致在叶轮叶片66中的无法接受的应力集中。但是槽口接合连接接合涡流扰流器74，其提供了在径向方向上的弹性的、定制的支撑或对叶轮臂48的约束。将否则由叶轮臂48承载的切向应力的一部分，因而传递到涡流扰流器74的孔。

在本文中描述的槽口接合连接允许如下压缩机架构：其中十分高的叶轮入口半径允许从转子移除显著的轴向长度。这导致了显著的发动机级重量节省。包括CURVIC面连接和螺栓连接的更传统的附接方法不能在可接受应力水平的情况下在该大的半径和轮速下运行。

前面已经描述了一种压缩机，其带有通过槽口接合支撑至相邻的盘的叶轮臂。在说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求，摘要和附图)，和/或所公开的任何方法或过程的所有步骤，可以任意组合结合，除了其中这样的特征和/或步骤中的至少一些互相排除的组合之外。

在说明书中公开的特征(包括任何所附权利要求，摘要和附图)可被用于相同、等同或类似目的备选特征替换，除非另外明确地说明。因此，除非另外明确地说明，公开的每个特征仅仅等同或类似特征的一般系列的一个实例。

本发明不限于(多个)前面的实施例的细节。本发明扩展为在本说明书中(包括任何所附权利要求，摘要和附图)公开的特征的任何新颖的特征，或任何新颖特征的组合，或者是所公开的任何方法或过程的任何新颖的特征，或任何新颖特征的组合。

Claims (10)

1.一种压缩机设备，包括：

离心叶轮，其安装用于绕中心线轴线的旋转，并且承载多个叶轮叶片，所述叶轮具有前端和后端，并且包括盘和悬臂的、环形叶轮臂；以及

支撑盘结构，其设置成轴向邻接所述叶轮，其中，所述支撑盘结构通过槽口接合联接到所述叶轮；

其中，所述支撑盘结构包括悬臂的环形后臂，所述环形后臂接合在所述叶轮臂中形成的槽口，以此形成所述槽口接合。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述槽口接合构造成抑制所述叶轮臂的径向向外移动。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述槽口接合从所述叶轮的所述前端轴向偏移。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述压缩机设备的轴向部分设置在所述支撑盘结构的上游，并且机械联接至所述支撑盘结构。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述支撑盘结构包括盘，所述后臂从所述盘径向向后延伸，所述后臂从所述盘悬臂。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述后臂具有近身端和远端，该后臂带有设置在所述近身端和远端之间的减少的径向厚度的颈部。

7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述后臂以干涉配合适配至所述槽口。

8.根据权利要求5所述的设备，其中，所述叶轮臂包括带有共同地限定所述槽口的轴向和径向腿的环形钩部。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述叶轮臂轴向向前延伸超过所述环形钩部。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述支撑盘结构是环形的涡流扰流器，其半截面为大体t形，具有盘，所述盘带有设置在其径向内端处的毂，和设置在其径向外端处的前臂和后臂。