CN106930975B - 用于在涡扇发动机中使用的转子组件和组装的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在涡扇发动机中使用的转子组件和组装的方法。具体而言，提供了一种用于在涡扇发动机(10)中使用的转子组件(100)。转子组件(100)包括环形转轴(102)，其包括限定在其中的叶片开口(104)，以及可穿过叶片开口(104)沿径向插入的转子叶片(112)。转子叶片(112)包括可穿过叶片开口(104)沿径向插入的转子叶片(112)。转子叶片(112)包括具有燕尾形状的根部部分(114)，且根部部分(114)相对于叶片开口(104)尺寸较小。至少一个辅助燕尾部件(118)定位在叶片开口(104)内且构造成利用过盈配合将根部部分(114)联接在叶片开口(104)内。

Description

用于在涡扇发动机中使用的转子组件和组装的方法
技术领域
本公开大体涉及涡扇发动机，且更特别地涉及保持转子叶片与环形转轴接合的系统和方法。
背景技术
至少一些已知的燃气涡轮发动机(诸如涡扇发动机)包括风扇、核心发动机和动力涡轮。核心发动机包括以串流关系联接在一起的至少一个压缩机、燃烧器和高压涡轮。更特别地，压缩机和高压涡轮通过第一驱动轴联接以形成高压转子组件。进入核心发动机的空气与燃料混合且点燃以形成高能气流。高能气流流过高压涡轮以可旋转地驱动高压涡轮，使得轴可旋转地驱动压缩机。气流在其流过定位在高压涡轮的后方的动力或低压涡轮时膨胀。低压涡轮包括具有联接至第二驱动轴的风扇的转子组件。低压涡轮通过第二驱动轴可旋转地驱动风扇。
许多现代商业涡扇包括低压压缩机，也称作增压器，其定位在风扇的后方且沿第二驱动轴联接。低压压缩机包括增压器转轴和多个转子叶片，叶片与增压器转轴整体地形成或利用一个或多个保持特征联接至增压器转轴。例如，转子叶片可单独地插入到周向槽口中且在周向槽口内沿周向旋转，槽口限定在增压器转轴内以用于将转子叶片定位在最终承座位置。然而，随着涡轮发动机的构件越来越多由轻量材料(诸如碳纤维强化聚合物(CFRP))制造，可期望用于保持转子叶片的更加有效且重量高效的手段。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于在涡扇发动机中使用的转子组件。转子组件包括环形转轴，其包括限定在其中的叶片开口，以及可穿过叶片开口沿径向插入的转子叶片。转子叶片包括具有燕尾形状的根部部分，且根部部分相对于叶片开口尺寸较小。至少一个辅助燕尾部件定位在叶片开口内且构造成利用过盈配合将根部部分联接在叶片开口内。
在另一个方面，提供了一种涡扇发动机。涡扇发动机包括低压压缩机，低压压缩机包括环形转轴，其包括限定在其中的叶片开口，以及可穿过叶片开口沿径向插入的转子叶片。转子叶片包括具有燕尾形状的根部部分，且根部部分相对于叶片开口尺寸较小。至少一个辅助燕尾部件定位在叶片开口内且构造成利用过盈配合将根部部分联接在叶片开口内。
在还有另一个方面，提供了一种组装用于在涡扇发动机中使用的转子组件的方法。该方法包括将叶片开口限定在环形转轴内，且将转子叶片从环形转轴的径向内侧穿过叶片开口插入。转子叶片包括具有燕尾形状的根部部分，且根部部分相对于叶片开口尺寸较小。该方法还包括将至少一个辅助燕尾部件定位在叶片开口内。该至少一个辅助燕尾部件尺寸确定成使得根部部分利用过盈配合联接在叶片开口内。
技术方案1. 一种用于在涡扇发动机中使用的转子组件，所述转子组件包括：
环形转轴，其包括限定在其中的叶片开口；
可穿过所述叶片开口沿径向插入的转子叶片，所述转子叶片包括具有燕尾形状的根部部分，且其中所述根部部分相对于所述叶片开口尺寸较小；以及
至少一个辅助燕尾部件，其定位在所述叶片开口内且构造成利用过盈配合将所述根部部分联接在所述叶片开口内。
技术方案2. 根据技术方案1所述的转子组件，其中，所述叶片开口包括限定在所述环形转轴的径向内部部分处的叶片入口，以及限定在所述环形转轴的径向外部部分处的叶片出口，其中所述叶片开口从所述叶片入口向所述叶片出口在截面尺寸上逐渐减小。
技术方案3. 根据技术方案2所述的转子组件，其中，所述根部部分相对于所述叶片出口尺寸较小。
技术方案4. 根据技术方案1所述的转子组件，其中，所述转子组件还包括从所述转子叶片定位在径向内侧的保持部件，所述保持部件定位成限制所述转子叶片相对于所述环形转轴的径向移动。
技术方案5. 根据技术方案4所述的转子组件，其中，所述保持部件围绕所述环形转轴的径向内部部分沿周向延伸。
技术方案6. 根据技术方案1所述的转子组件，其中，所述至少一个辅助燕尾部件包括在所述叶片开口内定位在所述根部部分的相对两侧的第一辅助燕尾部件和第二辅助燕尾部件。
技术方案7. 根据技术方案1所述的转子组件，其中，所述转子叶片由非金属材料制造。
技术方案8. 根据技术方案1所述的转子组件，其中，所述转子叶片和所述至少一个辅助燕尾部由非金属材料制造。
技术方案9. 一种涡扇发动机，包括：
低压压缩机，包括：
环形转轴，其包括限定在其中的叶片开口；
可穿过所述叶片开口沿径向插入的转子叶片，所述转子叶片包括具有燕尾形状的根部部分，且其中所述根部部分相对于所述叶片开口尺寸较小；以及
至少一个辅助燕尾部件，其定位在所述叶片开口内且构造成利用过盈配合将所述根部部分联接在所述叶片开口内。
技术方案10. 根据技术方案9所述的涡扇发动机，其中，所述叶片开口包括限定在所述环形转轴的径向内部部分处的叶片入口，以及限定在所述环形转轴的径向外部部分处的叶片出口，其中所述叶片开口从所述叶片入口向所述叶片出口在截面尺寸上逐渐减小。
技术方案11. 根据技术方案10所述的涡扇发动机，其中，所述根部部分相对于所述叶片出口尺寸较小。
技术方案12. 根据技术方案9所述的涡扇发动机，其中，所述涡扇发动机还包括从所述转子叶片定位在径向内侧的保持部件，其中所述保持部件定位成限制所述转子叶片相对于所述环形转轴的径向运动。
技术方案13. 根据技术方案12所述的涡扇发动机，其中，所述保持部件围绕所述环形转轴的径向内部部分沿周向延伸。
技术方案14. 根据技术方案9所述的涡扇发动机，其中，所述至少一个辅助燕尾部件包括在所述叶片开口内定位在所述根部部分的相对两侧的第一辅助燕尾部件和第二辅助燕尾部件。
技术方案15. 根据技术方案9所述的涡扇发动机，其中，所述转子叶片由非金属材料制造。
技术方案16. 一种组装用于在涡扇发动机中使用的转子组件的方法，所述方法包括：
将叶片开口限定在环形转轴内；
将转子叶片从所述环形转轴的径向内侧穿过所述叶片开口插入，其中所述转子叶片包括具有燕尾形状的根部部分，且其中所述根部部分相对于所述叶片开口尺寸较小；以及
将至少一个辅助燕尾部件定位在所述叶片开口内，所述至少一个辅助燕尾部件尺寸确定成使得所述根部部分利用过盈配合联接在所述叶片开口内。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其中，限定叶片开口包括：
在所述环形转轴的径向内部部分处限定叶片入口；以及
在所述环形转轴的径向外部部分处限定叶片出口，其中所述叶片开口从所述叶片入口向所述叶片出口在截面尺寸上逐渐减小。
技术方案18. 根据技术方案16所述的方法，其中，所述方法还包括从所述转子叶片的径向内侧定位保持部件，其中所述保持部件定位成限制所述转子叶片相对于所述环形转轴的径向移动。
技术方案19. 根据技术方案18所述的方法，其中，所述方法还包括使所述保持部件围绕所述环形转轴的径向内部部分沿周向延伸。
技术方案20. 根据技术方案16所述的方法，其中，定位至少一个辅助燕尾部件包括将第一辅助燕尾部件和第二辅助燕尾部件在所述叶片开口内定位在所述根部部分的相对两侧。
附图说明
本公开的这些和其它特征、方面和优点在参照附图阅读以下详细描述时将变得更好理解，其中相似的符号贯穿附图表示相似的部分，在附图中：
图1是示例性涡扇发动机的示意图；
图2是可在图1中所示的涡扇发动机中使用的示例性转子组件的部分透视图；
图3是可与图2中所示的转子组件一起使用的示例性转子叶片的部分透视图；
图4是沿线4-4截取的图2中所示的转子组件的示例性部分的截面视图。
除非另外指出，本文提供的附图意在说明本公开的实施例的特征。相信这些特征可在包括本公开的一个或多个实施例的各类系统中应用。因而，附图不意在包括由本领域的普通技术人员已知的对于本文公开的实施例的实践需要的所有常规特征。
零件清单
10 涡扇发动机
12 风扇组件
14 增压压缩机
16 高压压缩机
18 燃烧器组件
20 高压涡轮
22 低压涡轮
24 风扇叶片
26 转子盘
28 第一驱动轴
30 第二驱动轴
32 吸入口
34 排放口
36 中心线
100 转子组件
102 环形转轴
104 叶片开口
106 中心线
108 第一端部
110 第二端部
112 转子叶片
114 根部部分
116 叶片部分
118 辅助燕尾部件
120 叶片入口
122 径向内部部分
124 叶片出口
126 径向外部部分
128 侧壁
130 第一辅助燕尾部件
132 第二辅助燕尾部件
134 保持部件
136 径向外表面。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求中，将对若干用语进行参照，其应限定成具有以下含义。
单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数参照，除非上下文另外清楚地指出。
“可选”或“可选地”意指随后描述的情况或情形可发生或可不发生，且描述包括情况发生的情形和其不发生的情形。
如本文贯穿说明书和权利要求使用的近似语言可用于修饰可允许在不导致其涉及的基本功能变化的情况下改变的任何数量表达。因此，由一个或多个诸如“大约”、“大概”和“大致”的用语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些场合下，近似语言可对应于用于测量值的器具的精度。这里以及贯穿说明书和权利要求，范围限制可组合和/或互换。此范围是确定的且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。
如本文所使用，用语“轴向”和“轴向地”指大致平行于涡轮发动机的中心线延伸的方向和定向。此外，用语“径向”和“径向地”指大致垂直于涡轮发动机的中心线延伸的方向和定向。另外，如本文所使用，用语“周向”和“周向地”指关于涡轮发动机的中心线弧形地延伸的方向和定向。
本公开的实施例涉及涡轮发动机(诸如涡扇)及其制造方法。更特别地，本文描述的涡轮发动机包括环形转轴，其包括多个叶片开口以用于通过其接收可径向插入的转子叶片。转子叶片包括具有保持特征(诸如燕尾形状)的根部部分。根部部分相对于叶片开口尺寸较小地形成以助于增加转子叶片的重量效率和可制造性。转子组件还包括定位在叶片开口内的至少一个辅助燕尾部件以确保转子叶片仍牢固地联接在其中。当由多层复合材料制造时，形成带有较大根部部分的转子叶片可为复杂和费力的过程。因而，该至少一个辅助燕尾部件有助于适当地将转子叶片承座在叶片开口内，同时还减小组装转子组件的复杂性，且降低制造转子叶片的复杂性。
图1是示例性涡扇发动机10的示意图，包括风扇组件12、低压或增压压缩机14、高压压缩机16以及燃烧器组件18。风扇组件12、增压压缩机14、高压压缩机16和燃烧器组件18流连通地联接。涡扇发动机10还包括与燃烧器组件18和低压涡轮22流连通地联接的高压涡轮20。风扇组件12包括从转子盘26沿径向向外延伸的一系列风扇叶片24。低压涡轮22经由第一驱动轴28联接至风扇组件12和增压压缩机14，且高压涡轮20经由第二驱动轴30联接至高压压缩机16。涡扇发动机10具有吸入口32和排放口34。涡扇发动机10还包括中心线36，风扇组件12、增压压缩机14、高压压缩机16以及涡轮组件20和22围绕其旋转。
在操作中，穿过吸入口32进入涡扇发动机10的空气穿过风扇组件12向增压压缩机14引导。压缩的空气从增压压缩机14向高压压缩机16排出。高度压缩的空气从高压压缩机16向燃烧器组件18引导，与燃料混合，且混合物在燃烧器组件18内燃烧。由燃烧器组件18产生的高温燃烧气体向涡轮组件20和22引导。燃烧气体随后经由排放口34从涡扇发动机10排出。
图2是可在涡扇发动机10(图1中所示)中使用的示例性转子组件100的部分透视图。在示例性实施例中，转子组件100包括环形转轴102，其包括限定在其中的多个叶片开口104。更特别地，叶片开口104关于环形转轴102的中心线106沿周向间隔开。环形转轴102还包括前部第一端部108和相比于第一端部108具有较大径向尺寸的后部第二端部110。在一个实施例中，转子组件100设计成用于在增压压缩机14(图1中所示)中使用。因而，当在增压压缩机14中使用时，环形转轴102定向成使得第一端部108接近风扇组件12定位，且第二端部110接近高压压缩机16定位。此外，虽然示出为具有半圆形形状，但应当理解的是，环形转轴102可由完全环形的结构形成或由两个或更多弧形区段联接在一起形成以形成完全环形的结构。
转子组件100还包括可穿过各个叶片开口104沿径向插入的至少一个转子叶片112。如将在下文更加详细地描述的那样，叶片开口104相对于转子叶片112的保持特征尺寸较大。更特别地，在示例性实施列中，转子叶片112的至少一部分具有扭曲的轮廓，从而造成转子叶片112的定向在穿过叶片开口104沿径向插入时改变。因而，转子叶片112的非对称形状造成叶片开口104相对于转子叶片112尺寸较大。
图3是可与转子组件100(图2中所示)一起使用的示例性转子叶片112的部分透视图，且图4是沿线4-4截取的转子组件100的示例性部分的截面视图。参照图3，在示例性实施例中，转子叶片112包括根部部分114以及从根部部分114延伸的叶片部分116。如上文所描述，叶片部分116具有扭曲的轮廓(未示出)。此外，根部部分114包括用于确保转子叶片112在转子组件100的操作期间仍适当地承座在叶片开口104(图2中所示)内的保持特征。根部部分114可包括使转子组件100能够如本文描述起作用的任何保持特征。在示例性实施例中，根部部分114具有燕尾形状且相对于叶片开口104尺寸较小。燕尾形状渐缩以助于利用根部部分114和周围的结构之间的平稳负载过渡来抵消由环形转轴102的旋转造成的离心力。
参照图4，转子叶片112沿径向插入叶片开口104内，且转子组件100还包括定位在叶片开口104内的至少一个辅助燕尾部件118。更特别地，叶片开口104包括限定在环形转轴102的径向内部部分122处的叶片入口120，以及限定在环形转轴102的径向外部部分126处的叶片出口124。叶片入口120相比于叶片出口124具有较大尺寸，且叶片开口104从叶片入口120向叶片出口124在截面尺寸上逐渐减小。如上文所描述，转子叶片112的根部部分114相对于叶片开口104尺寸较小，使得至少一个间隙(未示出)限定在根部部分114和叶片开口104的侧壁128之间。在一个实施例中，根部部分114相对于叶片出口124尺寸较小，使得根部部分114的保持特征不能够将转子叶片112保持在叶片开口104内。
在示例性实施例中，该至少一个辅助燕尾部件118定位在叶片开口104内以填充限定在根部部分114和叶片开口104的侧壁128之间的至少一个间隙。更特别地，该至少一个辅助燕尾部件118包括定位在叶片开口104内的根部部分114的相对两侧的第一辅助燕尾部件130和第二辅助燕尾部件132，使得第一辅助燕尾部件130和第二辅助燕尾部件132定位在根部部分114和侧壁128之间。该至少一个辅助燕尾部件118尺寸确定成使得根部部分114利用过盈配合联接在叶片开口104内。例如，第二辅助燕尾部件118具有一定厚度且轮廓确定成确保转子叶片112牢固地联接在叶片开口104内。因此，在操作中，由环形转轴102的旋转造成的离心力造成根部部分114在径向向外方向上相对于辅助燕尾部件118偏置，其造成辅助燕尾部件118相对于叶片开口104的侧壁128偏置且确保转子叶片112在叶片开口104内。在备选实施例中，单个辅助燕尾部件118定位在叶片开口104内，使得单个辅助燕尾部件118在其第一侧上联接在侧壁128和根部部分114之间，且根部部分114在根部部分114的相对侧上直接地联接至侧壁128。
转子叶片112和辅助燕尾部件118可由使转子组件100能够如上文描述起作用的任何材料制造。在示例性实施例中，转子叶片112和辅助燕尾部件118由类似的材料形成以确保其之间的兼容性。例如，当转子叶片112由非金属材料(诸如碳纤维强化聚合物(CFRP))形成时，辅助燕尾部件118也同样地由非金属材料形成。然而，转子叶片112和辅助燕尾部件118不需要由相同的非金属材料制造。在示例性实施例中，用于制造辅助燕尾部件118的材料为轻量的且具有有利的抗压模量性质。在一个实施例中，用于制造辅助燕尾部件118的材料相比于用于制造转子叶片112的材料密度较小以助于增加转子组件100的重量效率。可用于制造辅助燕尾部件118的示例性材料包括但不限于复合材料、热塑性材料和塑料材料。在备选实施例中，转子叶片112由金属材料制造且辅助燕尾部件118同样地由金属材料制造。
在示例性实施例中，转子组件100还包括从转子叶片112的径向内侧定位的保持部件134。在操作中，当环形转轴102以小于预先确定的阀值的速度旋转时，造成根部部分114相对于辅助燕尾部件118偏置的离心力不能够将转子叶片112维持在叶片开口104内。保持部件134定位成限制转子叶片112相对于环形转轴102的径向运动。更特别地，在一个实施例中，保持部件134具有大致环形的形状且包括相对于转子叶片112的根部部分114偏置的径向外表面136。因而，保持部件134有助于在环形转轴102的旋转速度小于预先确定的阀值时将转子叶片112维持在叶片开口104内。
本文还描述了一种组装用于在涡扇发动机10中使用的转子组件100的方法。该方法包括将叶片开口104限定在环形转轴102内，且将转子叶片112从环形转轴102的径向内侧穿过叶片开口104插入。转子叶片112包括具有燕尾形状的根部部分114，且根部部分114相对于叶片开口104尺寸较小。该方法还包括将至少一个辅助燕尾部件118定位在相应叶片开口104内。该至少一个辅助燕尾部件118尺寸确定成使得根部部分114利用过盈配合联接在叶片开口104内。
本文描述的系统和方法的示例性技术效果包括以下至少一者：(a)减少涡扇发动机的总体重量；(b)减少组装包括各个转子叶片的转子组件所需要的时间和复杂性；(c)使复合材料能够结合在涡扇发动机的增压压缩机内；(d)改进组件的阻尼性质，这是由于来自复合/聚合物材料的使用的改进的耗散；以及(e)减少转轴中的各个转子叶片的维护和服务的复杂性。
上文详细描述了涡扇发动机和相关构件的示例性实施例。该系统不限于本文描述的特定实施例，而是，系统的构件和/或方法的步骤可从本文描述的其它构件和/或步骤独立和单独地使用。例如，本文描述的构件的构造也可与其它过程组合使用，且不限于带有如本文所描述的涡扇发动机和相关方法来实践。而是，示例性实施例可与期望容易地组装转子组件的许多应用结合来实施和使用。
虽然本公开的各个实施例的特定特征可能在一些附图中示出且在其它附图中未示出，但这仅为了方便。根据本公开的实施例的原理，附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合来参照和/或要求保护。
此书面描述使用示例来公开本公开的实施例，包括最佳模式，并且还使任何本领域的技术人员能够实践本公开的实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本文描述的实施例的可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种用于在涡扇发动机中使用的转子组件，所述转子组件包括：
环形转轴，包括限定在其中的叶片开口；
可穿过所述叶片开口沿径向插入的转子叶片，所述转子叶片包括具有燕尾形状的根部部分，且其中所述根部部分相对于所述叶片开口尺寸较小，所述叶片开口包括限定在所述环形转轴的径向内部部分处的叶片入口，以及限定在所述环形转轴的径向外部部分处的叶片出口，其中所述叶片开口从所述叶片入口向所述叶片出口在截面尺寸上逐渐减小；以及
至少一个辅助燕尾部件，其定位在所述叶片开口内且构造成利用过盈配合将所述根部部分联接在所述叶片开口内。
2.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述根部部分相对于所述叶片出口尺寸较小。
3.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述转子组件还包括从所述转子叶片定位在径向内侧的保持部件，所述保持部件定位成限制所述转子叶片相对于所述环形转轴的径向移动。
4.根据权利要求3所述的转子组件，其特征在于，所述保持部件围绕所述环形转轴的径向内部部分沿周向延伸。
5.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述至少一个辅助燕尾部件包括在所述叶片开口内定位在所述根部部分的相对两侧的第一辅助燕尾部件和第二辅助燕尾部件。
6.根据权利要求1所述的转子组件，其特征在于，所述转子叶片和所述至少一个辅助燕尾由非金属材料制造。
7.一种涡扇发动机，包括：
低压压缩机，包括：
环形转轴，其包括限定在其中的叶片开口；
可穿过所述叶片开口沿径向插入的转子叶片，所述转子叶片包括具有燕尾形状的根部部分，且其中所述根部部分相对于所述叶片开口尺寸较小，所述叶片开口包括限定在所述环形转轴的径向内部部分处的叶片入口，以及限定在所述环形转轴的径向外部部分处的叶片出口，其中所述叶片开口从所述叶片入口向所述叶片出口在截面尺寸上逐渐减小；以及
至少一个辅助燕尾部件，其定位在所述叶片开口内且构造成利用过盈配合将所述根部部分联接在所述叶片开口内。
8.根据权利要求7所述的涡扇发动机，其特征在于，所述涡扇发动机还包括从所述转子叶片定位在径向内侧的保持部件，其中所述保持部件定位成限制所述转子叶片相对于所述环形转轴的径向移动，其中所述保持部件围绕所述环形转轴的径向内部部分沿周向延伸。
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