CN106460530A - 用于涡轮发动机转子的旋转对称部件，以及相关的涡轮发动机转子、涡轮发动机模块和涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮发动机转子的旋转对称部件，例如盘(24')。所述部件具有旋转轴线(A)并且在其周缘上包括齿(22')的环形的列，所述齿在它们之间限定出用于将杉树形的转子叶片根部(10'，10″)保持在其中的凹槽(34'，34″)。每个齿包括第一侧面(40″)和第二侧面(40')，该第一侧面包括至少两个凸出部分，该至少两个凸出部分用于保持叶片根部并且被凹陷部分彼此分隔开，该第二侧面包括至少两个凸出部分(42)，该至少两个凸出部分用于保持相邻的叶片根部并且通过凹陷部分彼此分隔开。第一侧面的所述至少两个凸出部分位于以旋转对称部件的旋转轴线为中心的圆周(C3，C7)上，第二侧面的所述至少两个凸出部分位于以所述旋转轴线为中心的圆周(C4，C8)上。所述部件的特征在于，每个齿大体在其整个的纵向尺寸上关于大体的径向中间纵向平面(P2)不对称。每个齿的第二侧面的凸出部分的所述圆周中的至少一个(C4)位于第一侧面的凸出部分的圆周(C3，C7)之间，并且从所述圆周径向地偏移。

Description

用于涡轮发动机转子的旋转对称部件，以及相关的涡轮发动 机转子、涡轮发动机模块和涡轮发动机

技术领域

本发明涉及一种用于涡轮发动机转子的旋转对称部件，并且尤其涉及在其周缘上包括齿的环形列的部件，这些齿在它们之间限定出用于保持转子叶片根部的凹槽。该类型的部件例如是转子盘。

背景技术

现有技术包括文件EP-A2-2 549 061、FR-A-485 943、US-A-4 093 399、US-A-2920 864、US-A1-2007/020102和US-A-5 474 421。

涡轮发动机转子盘在其周缘上包括枝状凹槽的环形的列，转子叶片根部紧固地装配在该枝状凹槽中。每个叶片通常均包括由平台部连接到根部的轮叶。所述根部包括两个部分，被称为球状部的径向内部部分和被称为支柱部的径向外部部分。根部的球状部由该根部的支柱部连接到叶片的平台部。

叶片的根部的形状可以被设置为类似于杉树或者楔形榫。在楔形榫的叶片根部的情况下，该根部的球状部包括一个凸瓣，以及在杉树形的叶片根部的情况下，该根部的球状部包括两个或三个凸瓣。每个凸瓣均由颈部(换言之，具有较小的横截面或厚度的部分)连接到另一个凸瓣或者连接到根部的支柱部。

该类型的具有枝状的紧固件的盘可被用于涡轮发动机压缩机中或涡轮中。

传统地，枝状的杉树形的紧固件用于相对高负载的涡轮，换言之，用于高速涡轮或具有大的管道横截面的涡轮，因为由于更强的离心力而有更大的应力。

在所述紧固件中必须遵守若干个机械准则：

-绝对准则，换言之，是叶片的和盘的齿的在弹性范围内的强度，以及在所有的常规飞行情况下对振动疲劳、低频(oligocyclic)疲劳和蠕变的耐受性；

-相对准则，其对应于整个转子的断裂层级(breakage hierarchy)。这是因为在叶片和盘中必须遵守应力的层级。如果发动机发生故障，具有最大的张拉应力的横截面是最易于断裂的横截面。包围涡轮的外壳必须留存住任何可能从涡轮射出的碎片，这就是为什么叶片碎片的数量越大，外壳的体积将越大，是为了能够容纳所述碎片。此外，在盘的齿中一定不能有断裂，因为所述断裂可能引起导致大比例的叶片松脱的连锁反应。总之，参照图3，具有最大的应力的横截面应当位于叶片10的轮叶中，球状部16的下颈部12和上颈部14的横截面应当具有低于轮叶的应力(σbi＜σbs＜σbp(低轮叶应力))，并且齿22的下颈部18和上颈部20的横截面比叶片10应当具有相对较小的应力，所述横截面被减小到盘24的材料在紧固件的温度下的的弹性极限(盘的σdi,s/σe(盘的材料的弹性极限)＜叶片的σbp/σe(叶片的材料的弹性极限))。

在某些涡轮发动机中，遵守绝对准则而非断裂层级，因为球状部16中的而非齿22中的横截面是足够大的，或者齿22中的而非球状部16中的横截面是足够大的。

该问题的解决方案可能在于增加球状部16的颈部12、14中的横截面的尺寸，同时增加齿22中的颈部的尺寸。然而，紧固件(齿加上球状部)的宽度或总体圆周尺寸直接由管道的形状以及叶片10的数量决定。修改管道将引起涡轮性能的损失，这将导致发动机性能的损失。

本发明对该问题提出了一种简单、有效以及经济的解决方案。

发明内容

本发明涉及一种诸如盘之类的用于涡轮发动机转子的旋转对称部件，该部件具有旋转轴线并且在其周缘上包括齿的环形的列，所述齿在它们之间限定出用于保持杉树形的转子叶片根部的凹槽。每个齿均包括第一侧面和第二侧面，该第一侧面包括至少两个凸出部分，该至少两个凸出部分用于保持叶片根部并且通过凹陷部分彼此分隔开，该第二侧面包括至少两个凸出部分，该至少两个凸出部分用于保持相邻的叶片根部并且通过凹陷部分彼此分隔开。第一侧面的所述至少两个凸出部分位于以旋转对称部件的旋转轴线为中心的圆周上，第二侧面的所述至少两个凸出部分位于以所述旋转轴线为中心的圆周上。所述部件的特征在于，每个齿大体在其整个的纵向尺寸上关于大体的径向中间纵向平面均不对称。每个齿的第二侧面的凸出部分的所述圆周中的至少一个位于第一侧面的凸出部分的圆周之间，并且从所述圆周径向地偏移。

在本申请中，旋转对称部件的元件(诸如齿或凹槽)的“大体的径向中间纵向平面”被理解为是沿着元件的纵向轴线延伸并且大体经过所述元件的中点的平面。所述平面相对于部件的纵向轴线或旋转轴线具有大体径向的定向。元件的纵向轴线可以大体平行于部件的纵向轴线或旋转轴线。在该情况下，前述的平面沿着部件的纵向轴线延伸。

在现有技术中，诸如盘之类的旋转对称转子部件的齿中的每个关于大体的径向中间纵向平面对称。相反，根据本发明，转子部件的每个齿相对于大体的径向中间纵向平面是非对称的。这样就通过有助于将部件的齿中的应力的集中度进行更好地分布而使得能够解决前述的问题。这例如使得在盘的齿的颈部处能够具有更大的宽度或圆周尺寸。盘的齿的横截面可以增大而叶片根部的球状部的横截面不减小。

本发明尤其使得能够设计一种负载远比现有技术高的涡轮。本发明进一步使得具有相似的根部(杉树形的)但具有尺寸差异的叶片能够被装配和保持。

在现有技术中，对同一转子盘的具有有着大的径向尺寸的支柱部的叶片和具有有着较小的径向尺寸的支柱部的叶片做出了规定，不同于现有技术，在该情况下支柱部可具有相似的径向尺寸。对最大的支柱部而言，在不同的高度处设置紧固件是不利的，因为造成了额外的质量，因此该额外的质量必须由更大的紧固件来抵消。这就是为什么限制偏移(shift)是尤其有利的：以实现对盘的齿进行更大程度的增大，而不使具有最大的支柱部的叶片过大程度地出现重量增长的不利后果。通过将齿如主权项中所描述的进行布置，实现了本发明的目的。

部件的每个凹槽大体在其整个的纵向尺寸上可以关于大体的径向中间纵向平面对称。

在本发明的特殊实施例中，第二侧面的所述凸出部分中的至少一个的圆周大体经过第一侧面的凹陷部分。每个齿的第二侧面的两个相邻的凸出部分的圆周可大体经过所述齿的第一侧面的两个相应的凹陷部分。

凹槽可具有不同的深度或径向尺寸。

优选地，凹槽包括围绕部件的旋转轴线均匀地分布的第一系列的相同的凹槽，以及在该第一系列的相同的凹槽之间的第二系列的相同的凹槽，该第二系列的相同的凹槽不同于第一系列的凹槽并且围绕部件的旋转轴线均匀地分布，每个第一系列的凹槽位于两个第二系列的凹槽之间，并且每个第二系列的凹槽位于两个第一系列的凹槽之间。

本发明还涉及一种涡轮发动机转子，该转子包括如上文所描述的环形部件和叶片的环形的列，每个该叶片包括连接到杉树形的根部的轮叶，该根部紧固地装配在部件的凹槽中，每个根部包括径向外部支柱部和径向内部球状部，该转子的特征在于，叶片的列包括具有径向尺寸为D5的支柱部的第一系列的叶片和具有径向尺寸为D6的支柱部的第二系列的叶片，该径向尺寸D6大于D5，每个第一系列的叶片位于两个第二系列的叶片之间，并且每个第二系列的叶片位于两个第一系列的叶片之间。

本发明还涉及一种涡轮发动机模块，所述涡轮发动机模块例如为压缩机或涡轮，该模块包括至少一个如上文所描述的环形部件或转子。

本发明最后涉及一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括至少一个如上文所描述的环形部件或转子。

附图说明

通过参照附图阅读以下作为非限制性示例给出的说明，本发明将被更好地理解，并且本发明的其它细节、特征和优点将更为清楚地显现，在附图中：

图1为根据现有技术的涡轮发动机转子的示意性透视图，并且尤其为转子轮的示意性透视图；

图2为图1的转子轮的盘的更大比例的局部示意性透视图；

图3为根据现有技术的转子盘的齿的示意性视图；

图4为根据本发明的转子盘的齿的示意性视图；以及

图5为与图4的视图类似的示意性视图并且示出了本发明的变型。

具体实施方式

首先参照示出了涡轮发动机的转子轮26的图1和图2，所述轮包括盘24，所述盘在其周缘上带有叶片10的环形列。

每个叶片10均包括通过平台30连接到根部32的轮叶28，该根部紧固地装配在盘24的周缘上的凹槽34中。

盘24在其周缘上包括齿22的环形列，这些齿在它们之间限定出用于接纳叶片10的根部32的凹槽34。因此，盘24的凹槽34的数量或齿22的数量等于该盘能够带有的叶片10的数量。

通过对盘24的外周缘进行拉削来得到凹槽34，并且在该情况下，该凹槽被定向为大体平行于盘24的纵向轴线或旋转轴线A。

如在图3中更清楚可见的，在该情况下叶片根部32呈杉树的形状，具有两个凸瓣(lobe)36。叶片根部32包括径向外部的支柱部38和径向内部的球状部16，该球状部由支柱部38连接到叶片10的平台。

每个叶片根部32均包括两个颈部12、14(或具有较小的厚度或横截面的部分)：位于球状部16的两个凸瓣36之间的下颈部12，和位于上凸瓣与支柱部38之间的上颈部14。每个根部32关于大体的径向中间纵向平面P1对称。

盘24的每个齿22均包括两个侧面40，这两个侧面被成形为与相邻的叶片10的根部32配合并将该根部径向地保持在凹槽34中。

在此情况下，齿22的每个侧面40包括两个表面42，这两个表面分别为上表面和下表面。上表面42构成了用于叶片根部的上凸瓣的侧面的支承面，下表面42构成了用于所述叶片根部的下凸瓣的侧面的支撑面。

如在图1中可见的，侧面40的表面42由凸出部分构成，该凸出部分大体延伸经过齿22的整个纵向尺寸。侧面40的表面42被凹陷部分彼此分隔开，该凹陷部分也大体延伸经过齿22的整个纵向尺寸。

在现有技术中，如在图3中可见的，每个齿22关于大体的径向中间纵向平面P2对称。由于所述对称，一个齿22的侧面40的凹陷部分大体位于以轴线A为中心的同一圆周C1上。所述凹陷部分限定齿22的上颈部20。齿22包括下颈部18，所述下颈部位于齿的下表面42与凹槽34的底部之间。

应当理解的是，不能在增加齿22中的颈部18、20的尺寸的同时增加球状部16的颈部12、14中的横截面的尺寸。还应当理解的是，在齿的凹陷部分的区域中(圆周C1)，齿的宽度较小，这趋于使得齿是易损坏的。

如在图4中可见的，本发明通过下述事实克服该问题：盘24'的每个齿22'大体在其整个的纵向尺寸上关于大体的径向中间纵向平面P2不对称。

如先前所描述的，每个齿22'均包括两个侧面40'、40”，这两个侧面的形状被成形为与相邻的叶片10'、10”的根部32配合并将所述根部径向地保持在凹槽34'、34”中。

齿22'的每个侧面40'、40”均包括两个表面42，这两个表面分别为上表面和下表面。上表面42构成了用于叶片根部的上凸瓣的侧面的支撑面，下表面42构成了用于所述叶片根部的下凸瓣的侧面的支撑面。

如在图1中可见的，齿侧面40'、40”的表面42由凸出部分构成，该凸出部分大体延伸经过齿的整个纵向尺寸。侧面40'、40”的表面42被凹陷部分彼此分隔开，该凹陷部分也大体延伸经过齿的整个纵向尺寸。侧面40'、40”的下表面42与相应的凹槽34'、34”的底部通过另一个凹陷部分来分隔开，该凹陷部分也大体延伸经过齿的整个纵向尺寸。

如在图中可见的，一个齿22'的侧面40'、40”的上部凸出部分不位于同一个圆周上。对该侧面的凸出的下部部分、上部凹陷部分和下部凹陷部分而言，也是这样的情况。相反，在示出的示例中，第一侧面40”(在该情况下为齿22'的左侧面)的上部凸出部分位于圆周C3上，该圆周具有大于经过第二侧面40”(齿22'的右侧面)的上部凸出部分的圆周C4的直径。所述圆周C4具有大于经过第一侧面40”的上部凹陷部分的圆周C5的直径，该圆周C5自身具有大于经过第二侧面40'的上部凹陷部分的圆周C6的直径。所述圆周C6具有大于经过第一侧面40”的下部凸出部分的圆周C7的直径，该圆周C7自身具有大于经过第二侧面40'的下部凸出部分的圆周C8的直径。所述圆周C8大体经过第一侧面40”的下部凹陷部分，并且具有大于经过第二侧面40'的下部凹陷部分的圆周C9的直径。

每个齿的侧面的凹陷部分之间的径向偏移使得能够在所述凹陷部分的区域内增大齿的宽度，并且因此能够改善齿的机械强度。

此外，如在图中可见的，盘24'的凹槽34'、34”不是完全相同。盘24包括具有深度或径向尺寸D1的凹槽34”和具有大于D1的深度或径向尺寸D2的凹槽34'。

凹槽34'围绕盘24'的纵向轴线均匀地分布，并且每个凹槽34'位于两个凹槽34”之间。相似地，凹槽34”围绕盘24'的纵向轴线均匀地分布，并且每个凹槽34”位于两个凹槽34'之间。

如同在现有技术中，盘24'的每个凹槽34'、34”大体在其整个的纵向尺寸上关于其大体的径向中间纵向平面P1对称。

与盘24'共同构成转子轮的叶片10'、10”不是完全相同的。轮包括叶片10'和叶片10”，该叶片10'的每个根部具有径向尺寸D3，该叶片10”的每个根部具有大于D3的径向尺寸D4。

叶片10'围绕盘24'的纵向轴线均匀地分布，并且每个叶片10'位于两个叶片10”之间。相似地，叶片10”围绕盘24'的纵向轴线均匀地分布，并且每个叶片10”位于两个叶片10'之间。

叶片10'的球状部16'与叶片10”的球状部大体相同。因此，叶片10'的根部与叶片10”的根部的不同之处在于支柱部38'、38”，并且尤其在于支柱部38'、38”的径向尺寸。叶片10'的支柱部38'具有小于叶片10”的支柱部38”的径向尺寸D6的径向尺寸D5。

如同在现有技术中，以如下方式通过将叶片的根部紧固地装配在盘22'的凹槽34'、34”中来将叶片10'、10”安装在盘24'上：根部具有最大的径向尺寸D4的叶片10”被装配在具有最大的径向尺寸D2的凹槽34'中，并且因此使得根部具有最小的径向尺寸D3的叶片10'被装配在具有最小的径向尺寸D1的凹槽34”中。

图5示出了本发明的与图4的实施例相似的变型。若先前的参照图4进行的说明不与下述内容矛盾，则可将该说明应用于图5。

在示出的示例中，每个齿的侧面40'、40”中的一个的凸出部分与所述齿的另一个侧面的凹陷部分大体沿圆周的方向对齐，并且该一个侧面的凹陷部分也与另一个侧面的凸出部分大体沿圆周的方向对齐。

第二侧面40'的上部凸出部分位于经过第一侧面40”的上部凹陷部分的圆周上。第一侧面40”的下部凸出部分位于经过第二侧面40'的凹陷部分的圆周上。第二侧面40'的下部凸出部分位于经过第一侧面40”的下部凹陷部分的圆周上。

该构型使得每个齿均能够在该齿的整个的径向范围内具有相对恒定的宽度或圆周尺寸，这在齿的机械强度方面是有利的。

Claims (9)

1.用于涡轮发动机转子的旋转对称部件，所述旋转对称部件例如为盘(24')，所述旋转对称部件具有旋转轴线(A)并且在其周缘上包括齿(22')的环形的列，所述齿在它们之间限定出用于保持杉树形的转子叶片根部(10'，10”)的凹槽(34'，34”)，每个齿包括第一侧面(40”)和第二侧面(40')，所述第一侧面包括用于保持叶片根部并且通过凹陷部分彼此分隔开的至少两个凸出部分，所述第二侧面包括用于保持相邻的叶片根部并且通过凹陷部分彼此分隔开的至少两个凸出部分(42)，所述第一侧面的所述至少两个凸出部分位于以旋转对称部件的旋转轴线为中心的圆周(C3，C7)上，所述第二侧面的所述至少两个凸出部分位于以所述旋转轴线为中心的圆周(C4，C8)上，其特征在于，每个齿大体在其整个的纵向尺寸上关于大体的径向中间纵向平面(P2)不对称，每个齿的所述第二侧面的凸出部分的所述圆周中的至少一个(C4)位于所述第一侧面的凸出部分的圆周(C3，C7)之间，并且从所述圆周径向地偏移。

2.根据权利要求1所述的旋转对称部件，其特征在于，每个凹槽(34'，34”)大体在其整个的纵向尺寸上关于大体的径向中间纵向平面(P12)对称。

3.根据权利要求1或2所述的旋转对称部件，其特征在于，每个齿的所述第二侧面(40')的所述凸出部分中的至少一个的圆周(C8)大体经过所述齿的第一侧面(40”)的凹陷部分。

4.根据前述权利要求中任一项所述的旋转对称部件，其特征在于，每个齿的所述第二侧面的两个相邻的凸出部分的圆周大体经过所述齿的第一侧面的两个相应的凹陷部分。

5.根据前述权利要求中任一项所述的旋转对称部件，其特征在于，所述凹槽(34'，34”)具有不同的深度或径向尺寸(D1，D2)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的旋转对称部件，其特征在于，所述凹槽(34'，34”)包括围绕所述部件的旋转轴线均匀地分布的第一系列的相同的凹槽(34')，以及位于所述第一系列的相同的凹槽之间的第二系列的相同的凹槽(34”)，所述第二系列的相同的凹槽不同于所述第一系列的凹槽并且围绕所述部件的旋转轴线均匀地分布，每个所述第一系列的凹槽位于两个所述第二系列的凹槽之间，并且每个所述第二系列的凹槽位于两个所述第一系列的凹槽之间。

7.涡轮发动机转子，所述转子包括根据前述权利要求中任一项所述的旋转对称部件和叶片(10'，10”)的环形的列，每个所述叶片包括连接到杉树形的根部的轮叶，所述根部紧固地装配在所述部件的凹槽中，每个根部包括径向外部支柱部(38'，38”)和径向内部球状部，所述转子特征在于，叶片的列包括具有径向尺寸为D5的支柱部的第一系列的叶片和具有径向尺寸为D6的支柱部的第二系列的叶片，所述径向尺寸D6大于D5，每个所述第一系列的叶片位于所述两个第二系列的叶片之间，并且每个所述第二系列的叶片位于两个所述第一系列的叶片之间。

8.涡轮发动机模块，所述涡轮发动机模块例如为压缩机或涡轮，所述模块包括至少一个根据权利要求1至6中任一项所述的旋转对称部件或至少一个根据权利要求7所述的转子。

9.涡轮发动机，所述涡轮发动机包括至少一个根据权利要求1至6中任一项所述的旋转对称部件或至少一个根据权利要求7所述的转子。