CN107002504A - 用于涡轮发动机的控制可变设置轮叶的级的环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制涡轮发动机的可变设置轮叶的级的环(36)，包括至少一个用于靠置在壳体上的构件(40)和用于附接所述构件的附接装置(52，64)，附接装置包括插口(64)，插口包括用于穿过所述构件或支撑所述构件的支撑元件(52)的轴向孔(66)、通向所述孔并且构造为允许插口的基本径向变形的贯通狭缝(68)、和用于将插口旋拧到所述主体的开口(56)的互补螺纹(58)中的外螺纹(70)，所述插口被构造为使得在其旋拧期间从第一位置变形直到第二位置为止，在所述第一位置，所述构件或安装件可安装到所述孔中和在所述孔中移动，在所述第二位置，所述插口被径向地压紧并牢固地安装到所述构件或安装件上，所述构件或安装件由此相对于所述插口固位。本发明还涉及一种用于涡轮发动机的可变设置轮叶(14)的级以及一种包括该控制环(36)的涡轮发动机。

Description

用于涡轮发动机的控制可变设置轮叶的级的环
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮发动机的可变节距轮叶的级的控制环。
背景技术
现有技术包括特别是EP-A2-1 696 134、EP-A1-1 820 942、FR-A1-2 882 577和EP-A1-0 375 593。
这种类型的级包括环形排的可变节距定子轮叶(还称为VSV，可变定子轮叶的首字母缩写)，该可变节距定子轮叶被涡轮发动机的压缩机的总体上的外环形壳体支撑。每个轮叶包括叶片，叶片在其径向外端部处通过具有基本圆形轮廓的板连接到径向圆柱形枢轴，该径向圆柱形枢轴限定了轮叶的旋轴轴线并且在外壳体中的相应的孔口中被旋转地引导。每个轮叶的叶片的径向内端部总体上包括第二圆柱形枢轴，该第二圆柱形枢轴沿着轮叶的旋转轴线延伸并且在压缩机的内部壳体中的孔口中被旋转地引导。
每个轮叶的外枢轴的径向外端部通过连接杆被连接到控制环，控制环通过圆柱体致动装置或类似的致动装置围绕外壳体旋转。控制环的旋转通过连接杆被传递至轮叶的外枢轴并导致所述轮叶围绕它们的轴线旋转。
涡轮发动机中的定子轮叶的角节距趋向于使压缩机的几何形状适应于其操作点，以便特别是优化该涡轮发动机的效率和喘振裕度，并减少各种飞行构造中涡轮发动机的燃料消耗。
这些轮叶中的每个可围绕其轴线在第一“打开”或“完全打开”位置与第二“关闭”或“几乎完全关闭”位置之间旋转，在第一“打开”或“完全打开”位置，每个轮叶基本平行于涡轮发动机的纵向轴线延伸，在第二“关闭”或“几乎完全关闭”位置，轮叶相对于涡轮发动机的轴线倾斜并因此减小穿过轮叶级的空气流横截面。
控制环必须被定心和围绕其旋转轴线被旋转地引导。在现有技术中，外壳体包括轨道，环的内周界可通过摩擦接合到轨道上。壳体包括用于支承在轨道上且在轨道上被引导的构件，诸如衬垫。衬垫一方面通过调节衬垫/壳体间隙而被用于确保环围绕壳体的同心性，另一方面限制由在操作期间对运动学特性起作用的可变节距轮叶上的气动力引起的环的变形。
实际上，在衬垫与壳体的轨道之间提供冷径向间隙是重要的，以便允许壳体的热膨胀并允许在所有发动机构造中的良好的节距运动学特性。然而，已经注意到，特别是在单圆柱体致动装置的情况下，取决于可变节距轮叶的打开和关闭范围，冷间隙导致控制环关于壳体的偏心，这负面地影响节距的精确性。该偏心不均匀地使用根据节距角的冷间隙。
衬垫通过固定装置被固定到环的主体。已经提出衬垫借助调节螺钉而固定，每个调节螺钉穿过环的主体中的径向孔口，并包括旋拧到衬垫中的内螺纹孔口中的第一径向内螺纹端部和旋拧到环中的第二径向外螺纹端部，螺母被旋拧在该第二径向外螺纹端部上，靠置环的主体。第二螺纹端部具有标准节距螺纹，而第一螺纹端部具有允许精细调节衬垫下面的间隙的公制小节距螺纹。由于该螺纹连接不被锁定，因此在衬垫与调节螺钉之间存在间隙。
在操作期间，该间隙的存在周围振动的作用下导致部件之间的相对位移，导致螺纹连接的破坏。因此，衬垫功能不再被提供。此外，该磨损直接影响操作期间的轮叶的节距角，这可影响发动机的正确操作(在相同级上存在大量磨损的衬垫的情况下喘振)。
本发明对于上述问题中的至少一些提出了一种简单、有效且经济的解决方案。
发明内容
本发明提出一种用于涡轮发动机的可变节距轮叶的级的控制环，包括趋向于围绕壳体延伸的环形主体、被设计为连接到所述轮叶的枢轴的装置、以及被设计为与所述壳体配合以为所述主体定心和引导所述主体并且包括至少一个用于支承在所述壳体上的构件的装置，所述用于支承在所述壳体上的构件通过固定装置被固定到所述主体，其特征在于，所述固定装置包括至少一个套管，所述套管包括：
-轴向孔，用于所述构件或支撑所述构件的元件的通过；
-贯通狭缝，敞开到所述孔中并被设计为允许所述套管的基本径向的变形；和
-外螺纹，用于将所述套管旋拧到所述主体中的孔口的互补的螺纹中；
所述套管被设计为使得当其被旋拧时与所述主体配合，以便基本径向地从第一位置变形至第二位置，在所述第一位置，所述构件或支撑件能被安装到所述孔内并在所述孔内移动，在所述第二位置，所述套管被径向地约束并紧固地安装到所述构件或支撑件上，所述构件或支撑件由此关于所述套管被固位。
因此应理解的是，旋拧套管使得支承构件或其支撑件关于壳体固定。在松脱或未旋拧位置，套管是自由且未受约束的，并且其内部孔的内部直径允许构件或支撑件被安装和移动，并且其特别地允许其关于壳体被精确地定位。在旋拧和上紧位置，套管被径向地约束且其内部孔的内部直径被限制。因此，套管被紧固地安装到构件或支撑件上以便使构件或支撑件关于壳体固位在精确位置。该技术具有通过限制扭矩直接传输到环上来限制环损坏的风险的优点。
根据本发明的环可单独或彼此结合地包括下述特征中的一个或多个：
-所述构件或支撑件包括轴向地接合到所述孔中的圆柱形杆；
-所述构件包括至少一个用于支承到所述壳体上的衬垫；
-所述衬垫被刚性地连接到所述杆并且与例如所述杆形成为单件；
-可弹性变形装置介于所述衬垫与所述主体之间，以便驱使所述衬垫抵靠所述壳体；
-所述可弹性变形装置包括至少一个围绕所述杆安装的压缩弹簧，例如，螺旋弹簧；
-所述套管包括至少一个基本截头圆锥形的部分，所述基本截头圆锥形的部分被设计为与所述主体中的所述孔口的截头圆锥形部分配合，以安装所述套管；
-所述套管包括圆柱形部分，所述圆柱形部分包括所述外螺纹；
-所述主体包括被设计为连接到使所述主体围绕涡轮发动机的壳体旋转的致动装置的装置。
本发明还涉及一种用于涡轮发动机的可变节距轮叶的级，包括环形排的可变节距轮叶，每个可变节距轮叶包括叶片和在其径向外端部处的圆柱形枢轴，所述级还包括环形壳体，所述环形壳体包括用于所述轮叶的枢轴的安装孔口，其特征在于，所述枢轴通过操纵杆连接到如上所述的环。
本发明还涉及一种涡轮发动机，其特征在于，该涡轮发动机包括至少一个如上所述的环或至少一个如上所述的级。
附图说明
通过阅读借助非限制性实例且参照附图给出的下文中的描述，将会更好地理解本发明，并且本发明的细节、特征和优点将变得更加明显，在附图中：
-图1为涡轮发动机的可变节距轮叶的级的轴向剖面中局部示意性半视图；
-图2为根据现有技术的用于涡轮发动机的可变节距轮叶的控制环的局部示意性横截面视图；
-图3为根据本发明的用于涡轮发动机的可变节距轮叶的控制环的局部示意性横截面视图；
-图4a和图4b为沿着图3中的线IV-IV的示意性的剖视图，且分别示出根据本发明的固定装置的套管的两个位置。
具体实施方式
图1为涡轮发动机，特别是飞行器涡轮发动机的高压压缩机10的一部分的示意性轴向剖视图，该涡轮发动机具有多个级，每个级包括由涡轮发动机的转子(未示出)支撑的环形排的可移动轮叶12，和由涡轮发动机的定子的壳体16支撑的形成校正器的环形排的固定轮叶14，轮叶14的角方向可调节以优化压缩机10中的气体流动。
每个轮叶14包括叶片18和径向外圆柱形枢轴20，径向外圆柱型枢轴20在壳体16的相应容置部26中通过垂直于轮叶的轴线24延伸的盘或“板”22连接。盘的径向内表面28与壳体的内壁30对齐，以便不阻碍气体流动。
每个轮叶14的圆柱形枢轴20在壳体16的径向圆柱形腔室32内延伸，并且其径向外端部通过连接杆34连接到控制环36，控制环36环绕壳体16并且与致动装置(未示出)相关联，允许控制环围绕壳体16的纵向轴线在一个方向或另一个方向上旋转，以便使环形排的轮叶14围绕它们的轴线24旋转。
轮叶14可围绕它们的轴线24在关闭或几乎完全关闭位置与打开或完全打开位置之间旋转。
在关闭位置，轮叶的叶片18相对于涡轮发动机的纵向轴线倾斜并且一起限定出管路中的最小气流横截面。轮叶14在涡轮发动机处于低速或怠速时被带至该位置，因此在压缩机中流动的空气的流量具有最小值。
在打开位置，轮叶的叶片18基本平行于涡轮发动机的轴线延伸，使得叶片之间的气流横截面最大。轮叶14在涡轮发动机处于最快操作时被带至该位置，因此在压缩机中流动的空气的流量具有最大值。
在现有技术中，壳体16在其外周界上包括突出的轨道38，用于使环36定心和引导环36，该轨道在此通过虚线示意性地示出。每个环36环绕其一个或多个引导轨道38。附图标记J表示设置在环36与其一个或多个轨道38之间的冷径向间隙。这些间隙J必须大到足以允许壳体16的热膨胀，但是不允许轮叶14的角位置被精确地调节。
如图2中更清楚地示出的，这些间隙J借助引导衬垫40被调节，引导衬垫40被固定到环36的主体并被设计为通过支承抵靠轨道38和在轨道38上滑动而与轨道38配合，以便确保环围绕壳体的同心性，并限制操作期间轮叶14上气动力导致的环的任何变形。
在图2中所示的现有技术中，每个衬垫40被支撑元件42支撑，支撑元件42包括接合在环36的主体中的径向孔口中的矩形轴。支撑元件42借助于调节螺钉44被固定到环的主体，调节螺钉44基本径向地延伸到环的主体中的孔口中，并包括旋拧到支撑元件42的轴中的内螺纹孔口中的第一径向内螺纹端部46和旋拧到环中的第二径向外螺纹端部48，螺母50旋拧在该第二径向外螺纹端部48上，并且该第二径向外螺纹端部48靠置在环36的主体上。第二螺纹端部具有标准节距螺纹，而第一螺纹端部具有允许精细调节衬垫下面的间隙J的公制小节距螺纹。由于该螺纹连接未被锁定，因此在衬垫与调节螺钉之间存在间隙，如上所述的，该间隙会成为问题。
本发明使得能够通过新的将构件或引导衬垫固定到环的主体上的装置来克服该问题。
图3、图4a和图4b示出了本发明的实施例，其中，上文已经描述的元件使用相同的附图标记来标识。
在此情况下，控制环36包括环形主体，环形主体可被分段并且由周向上端对端布置且连接到彼此的至少两段形成。
如图1和图2中示出的现有技术的情况，环36的主体包括径向孔口，圆柱形销被容纳在该径向孔口中，圆柱形销被连接杆支撑。每个销通过安装在孔口中的至少一个套筒轴承而在孔口中被大体上定心和旋转地引导。
如上文所述，环36的主体还包括用于连接到致动器的装置，该装置可包括例如支承芯轴的U形夹，例如当所述致动器是圆柱体时，致动器的活塞杆的端部铰接到芯轴上。
环36还包括用于支承到壳体上且具体地支承到壳体的轨道上的构件，诸如衬垫40。在所示的实例中，每个衬垫40被连接到圆柱形杆52并且与该杆52形成为单件。在一变型中，衬垫40可由支撑元件支撑，这与图2中的情况类似。该支撑元件在此情况下将被刚性地连接到例如圆柱形杆52，并且将与圆柱形杆52形成为单件。
圆柱形杆52在其整个纵向范围上是基本光滑的。圆柱形杆通过其径向内端部连接到衬垫40，并且在其径向外端部处包括外螺纹54。杆52优选地从环的内部径向地接合到环36的主体中的基本径向的孔口56中。
螺母57被旋拧到杆52的外螺纹54上，以防止其从环的主体拆下，这将在下文中进行更详细的解释。
在所示的实例中，环的主体中的孔口56基本上包括三个相继的轴向区段56a、56b、56c。孔口56包括第一径向外区段56a，该第一径向外区段56a具有总体上基本圆柱形的形状并且包括内螺纹58。该区段56a在其径向外端部处敞开到环的主体的外周界上。孔口56包括第二径向内区段56b，第二径向内区段56b是基本圆柱形的并具有比第一区段56a的直径更小的直径。该区段56b在其径向内端部处敞开到环的主体的内周界上。最后，孔口56包括第三中间区段56c，第三中间区段56c是基本截头圆锥形的并且在区段56a、56b之间延伸。该区段的直径从内向外径向地减小。区段56c的具有最大直径的径向外端部连接到区段56a的径向内端部并且与区段56a具有基本相同的直径。区段56c的径向内端部具有的直径小于区段56a的直径，并且通过环形肩部60连接到区段56a，该环形肩部60朝向内部径向地指向。区段56a、56b、56c是基本同轴的。
如图3中可见，可弹性变形装置，诸如压缩弹簧62，在本案中的螺旋弹簧，被安装在环36的主体与衬垫40之间，以便朝向壳体驱使所述衬垫并允许衬垫相对于所述壳体定心。在此情况下，弹簧62围绕杆52安装，与杆52同轴，并且包括靠置在衬垫40的径向外面上的径向内端部和靠置子在上述肩部60上的径向外端部。在此情况下，弹簧62至少部分地容纳在孔口56的区段56b中。
同样如图中可见，杆52的纵向长度或尺寸大于环的主体的径向尺寸或厚度。该长度可在衬垫40与螺纹54之间测得，并且对应于杆的光滑圆柱形部分的长度。因此，杆可相对于壳体的主体在径向方向上移动，并且通过将螺母56邻接到壳体的主体上而被向内锁定和通过将衬垫40邻接到所述主体上而被向外锁定(该方案中的衬垫40具有的横向尺寸大于孔口的横向尺寸)。
根据本发明，用于固定衬垫40或其支撑元件的装置包括套管64，诸如图3、图4a和图4b中示出的套管。
套管64包括：
-轴向孔66，用于所述杆52的通过；
-贯通狭缝68，通到所述孔66中并被设计为允许所述套管的基本径向的变形；和
-外螺纹70，用于将所述套管旋拧到所述孔口56的区段56a的螺纹58中。
孔66具有总体上圆柱形的形状。当套管64处于自由且不受约束的状态时，孔的直径D大于杆52的一部分的直径d(图4a)。孔66在套管64的整个纵向尺寸上延伸，并且在套管的纵向端部处敞开。
狭缝68具有细长的直线形形状，并且沿着套管64的纵向轴线延伸。狭缝在套管的整个纵向范围上延伸并且在整个径向厚度上延伸，所述径向厚度包括在孔66与套管的周界外表面之间。
狭缝68在面向套管的两个纵向边缘72之间延伸。这些边缘72彼此分开距离L，该距离L对应于狭缝68的宽度。
在所示的实例中，套管64包括两个相邻的区段64a、64b，即上或径向外区段64a和下或径向内区段64b。上区段64a具有总体上圆柱形的形状并且包括外螺纹70。下区段64b具有总体上截头圆锥形的形状，下区段64b的直径从外向内地并且以基本补充环36的主体中的孔口56的区段56c的方式而径向地减小。
如图4a和图4b中可见，套管64可在径向方向上变形且具体地可在径向上被约束。套管可从图4a中所示的自由且未受约束的位置变形至图4b中所示的受约束位置，在受约束位置，边缘72已经被带至更靠近到一起并且孔66具有的直径相当于杆52的直径d。在该最终位置，套管64径向地上紧到杆52上并且使杆相对于环的主体径向地固位。由此使得衬垫40相对于环的主体固位。
根据本发明，套管64通过将其旋拧到壳体的主体中的孔口56中而变形，这将在下文中详细描述。
套管64从外侧接合到环的主体中的孔口56中，套管的区段64a被部分旋拧到孔口56的螺纹58中。于是套管处于图4a中所示的位置，即处于自由且未受约束的状态。如上所述，杆52从内侧径向地接合到环的主体中的孔口56中，以及套管64的孔66中，直到其螺纹54位于套管64的径向外侧且可接纳螺母57。弹簧62在前文中围绕杆52安装在衬垫40与环的主体的肩部60之间。环36于是可围绕涡轮发动机的壳体安装，以便精确地调节上述的间隙J。这些间隙由介于衬垫40与壳体的轨道之间的临时填隙片产生。安装这些填隙片导致弹簧62压缩，这驱使衬垫40抵靠填隙片并由此确保间隙J恰好对应于使用的填隙片的厚度。套管64于是可在孔口56中被旋拧和上紧地更远，使得其区段64b对孔口的区段56c的周界壁进行邻接抵靠，这导致套管64的径向收缩以及其向图4b中所示的位置的平移。套管64于是牢固地安装到杆52上。杆52和衬垫40于是通过摩擦被固位在该位置，填隙片可被移除。
例如，套管64由金属或复合材料制成。
优选地通过确保套管的上部不伸出到控制环的上表面之外，本发明还可适用于环的主体的扇段的连接桥下面的衬垫。
本发明的实施使得能够消除当前在机群中可见的衬垫中的任何磨损，由此确保发动机的正确操作。
调节衬垫下面的间隙的过程在本案中被简化，这是由于间隙不再需要通过旋拧和不旋拧衬垫来调节。

Claims (10)

1.用于涡轮发动机的可变节距轮叶(14)的级的控制环(36)，包括趋向于围绕壳体延伸的环形主体、被设计为连接到所述轮叶的枢轴的装置、以及被设计为与所述壳体配合以为所述主体定心和引导所述主体并且包括至少一个用于支承在所述壳体上的构件的装置，所述用于支承在所述壳体上的构件通过固定装置(52，64)被固定到所述主体，其特征在于，所述固定装置包括至少一个套管(64)，所述套管(64)包括：
-轴向孔(66)，用于所述构件或支撑所述构件的元件(52)的通过；
-贯通狭缝(68)，敞开到所述孔中并被设计为允许所述套管的基本径向的变形；和
-外螺纹(70)，用于将所述套管旋拧到所述主体中的孔口(56)的互补的螺纹(58)中；
所述套管被设计为使得当其被旋拧时与所述主体配合，以便基本径向地从第一位置变形至第二位置，在所述第一位置，所述构件或支撑件能被安装到所述孔内并在所述孔内移动，在所述第二位置，所述套管被径向地约束并紧固地安装到所述构件或支撑件上，所述构件或支撑件由此关于所述套管被固位。
2.根据权利要求1所述的控制环(36)，其中，所述构件或支撑件包括轴向地接合到所述孔(66)中的圆柱形杆(52)。
3.根据权利要求1或2所述的控制环(36)，其中，所述构件包括至少一个用于支承到所述壳体上的衬垫(40)。
4.根据从属于权利要求2的权利要求3所述的控制环(36)，其中，所述衬垫(40)被刚性地连接到所述杆(52)并且与例如所述杆形成为单件。
5.根据权利要求3或4所述的控制环(36)，其中，可弹性变形装置(62)介于所述衬垫(40)与所述主体之间，以便驱使所述衬垫抵靠所述壳体。
6.根据权利要求5所述的控制环(36)，其中，所述可弹性变形装置包括至少一个围绕所述杆(52)安装的压缩弹簧(62)，例如，螺旋弹簧。
7.根据前述权利要求中任一项所述的控制环(36)，其中，所述套管(64)包括至少一个基本截头圆锥形的部分(64b)，所述基本截头圆锥形的部分(64b)被设计为与所述主体中的所述孔口(56)的截头圆锥形部分(56c)配合，以安装所述套管。
8.根据权利要求7所述的控制环(36)，其中，所述套管(64)包括圆柱形部分(64a)，所述圆柱形部分(64a)包括所述外螺纹(70)。
9.用于涡轮发动机的可变节距轮叶(14)的级，包括环形排的可变节距轮叶(12)，每个可变节距轮叶包括叶片(18)和在其径向外端部处的圆柱形枢轴(20)，所述级还包括环形壳体(16)，所述环形壳体(16)包括用于所述轮叶的枢轴的安装孔口，其特征在于，所述枢轴通过操纵杆连接到根据前述权利要求中任一项所述的控制环(36)。
10.涡轮发动机，其特征在于，该涡轮发动机包括至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的控制环(36)或至少一个根据权利要求9所述的级。
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