CN107061344A - 用于涡轮发动机的离心压缩机组件和组装方法 - Google Patents

用于涡轮发动机的离心压缩机组件和组装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于燃气涡轮发动机的流体传送组件，其包括转子轴、围绕所述转子轴的静态组件以及与所述转子轴连接并径向置于所述静态组件内部的旋转部件。所述旋转组件包括与所述转子轴连接的轮毂、多个与所述轮毂连接的转子叶片以及与所述多个转子叶片连接的防护罩。

Description

用于涡轮发动机的离心压缩机组件和组装方法
背景技术
本发明公开大体涉及涡轮发动机，以及尤其涉及控制涡轮发动机的离心压缩机中转子叶片间隙的系统和方法。
已知涡轮发动机经历多个不同工作阶段，包括，但不限于，启动阶段、预热阶段、稳定工作阶段、关闭阶段以及冷却阶段。至少一些已知的涡轮发动机包括旋转压缩机和涡轮机，其在转子叶片和周围的密封元件的内面之间限定间隙。控制这些间隙，以加强对工作效能的提升。一般情况下，这些间隙会随着所述涡轮机或压缩机从一个工作阶段到另一个工作阶段的转换而变化。尤其是，每个工作阶段都具有与其相关的工作环境，比如温度、压力和旋转速度，这些将会引发包括所述涡轮发动机内静态和动态部件之间的部件之间间隙的变化。
在至少一些已知的涡轮发动机中，也控制压缩机和/或涡轮转子叶片支架与所述密封元件的所述间隙，以避免由于所述涡轮机和压缩机在不同工作阶段之间的转换而产生的与接触相关的损伤。例如，在至少一些已知的涡轮发动机中，冷却时或是安装时，设定间隙不大于稳定状态工作所需的大小，以在不同工作阶段转换时，弥补所述涡轮发动机中热度和机械的差异。此外，如上所述，涡轮发动机效能至少部分依据所述旋转叶片的尖端和与周围的静态部件连接的密封元件之间的间隙。如果所述间隙过大，增强的燃气流会通过间隙缺口不必要地泄漏，一次降低了所述涡轮发动机的效能。很多已知的涡轮机和压缩机包括可变间隙机构，其在高压涡轮部分、低压涡轮部分和压缩机部分中。然而，一般来说，困难的是，实施间隙控制系统，该系统根据所述部件和制造限制的复杂几何形状与所述涡轮机和压缩机一体形成。
发明内容
一方面，本发明提供一种用于燃气涡轮发动机的流体传送组件。一种用于燃气涡轮发动机的流体传送组件，其包括转子轴、围绕所述转子轴的静态组件以及与所述转子轴连接的并径向置于所述静态组件内部的旋转部件。所述旋转组件包括与所述转子轴连接的轮毂、多个与所述轮毂连接的转子叶片以及与所述多个转子叶片连接的防护罩。
另一方面，本发明提供一种用于燃气涡轮发动机的并包括转子轴的离心压缩机。所述离心压缩机包括与所述转子轴连接的轮毂、与所述轮毂连接的多个转子叶片，其中，所述多个转子叶片包括外缘和与所述多个转子叶片的外缘连接的防护罩，从而在所述防护罩之间和所述轮毂之间形成流动通道。
其中，所述多个转子叶片与所述轮毂和所述防护罩一体形成。
其中，所述防护罩相对于所述多个转子叶片周向延伸，以形成圆盘状。
其中，所述防护罩包括与所述多个转子叶片的外廓线互补的拱形。
其中，所述多个转子叶片中的每一个转子叶片包括前缘和相对的后缘，所述相对的前缘和后缘限定了其间的转子叶片长度，其中，所述防护罩大体上延伸所述转子叶片长度的整个距离。
其中，所述多个转子叶片中的每一个转子叶片包括前缘和相对的后缘，所述相对的前缘和后缘限定了其间的转子叶片长度，其中，所述防护罩从所述前缘和所述后缘中的至少一个延伸小于所述转子叶片的长度的距离至防护罩端。
所述离心压缩机进一步包括至少一个与所述防护罩连接的密封齿，所述至少一个齿构造为与静态组件一起形成密封，所述静态组件置于所述燃气涡轮发动机中的所述防护罩附近。
又一方面，提供一种制造用于燃气涡轮反动机的离心压缩机的方法。所述方法包括与轮毂一体形成多个转子叶片，其中，所述轮毂构造为与转子轴连接。所述方法又包括与所述多个转子叶片的外缘一体形成防护罩，以形成限定于所述防护罩和所述轮毂之间的流动通道。
其中，一体形成所述防护罩包括一体形成所述防护罩，从而使所述防护罩大体上延伸所述转子叶片长度的整个距离。
其中，一体形成所述防护罩包括一体形成所述防护罩，从而所述防护罩沿所述多个转子叶片延伸小于所述转子轴的整个长度。
附图说明
在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中：
图1是示例性涡轮发动机的示意图。
图2是高压压缩机的截面示意图，根据本发明公开的第一个实施例，所述高压压缩机可以用于图1所示的涡轮发动机。
图3是高压压缩机的部分截面示意图，为清除起见，移除了所述涡轮发动机。
图4是图3所述的高压压缩机的部分截面透视图；以及
图5是高压压缩机的截面示意图，根据本发明公开的第二个实施例，所述高压压缩机可以用于图1所示的涡轮发动机。
除非另外指明，否则本发明所提供的附图将旨在展示本发明公开实施例的特征。应该认为，这些特征可应用于多类包括一个或多个本发明公开实施例的系统。这样，附图并不意图包括本发明公开的实施例的实践所需的、本领域的技术人员已知的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明和随附权利要求中，将参考多个术语，这些术语的定义如下。
单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数形式，除非上下文另外明确指出。
“可选”或“可选地”意指后续描述的事件或情况可能会或可能不会发生，并且所述说明同时包括事件发生或者不发生的情况。
本说明书全文和权利要求书中所用的近似语言可以用于修饰能够合理改变而不改变相关对象的基本功能的任何数量表示。因此，被一个或多个术语，例如“约”和“大体上”修饰的值并不限于所指出的精确值。在至少一些情况下，近似语言可能与用于测量值的仪器的精度对应。在通篇说明书和权利要求书中，可以结合和/或互换使用范围界限。除非另有背景或语言指出，否则这样的范围是被确定的并包括所有包含在其中的子范围。
本说明书中所用的术语“轴向”和“轴向地”是指大体平行于涡轮发动机的中线延伸的方向和定向。此外，术语“径向”和“径向地”是指大体垂直于涡轮发动机的中线延伸的方向和定向。此外，本说明书中所用的术语“周向”和“周向地”是指围绕涡轮发动机的中线拱形延伸的方向和定向。
本发明公开的实施例设计用于控制涡轮发动机的离心压缩机中转子叶片间隙的系统和方法。具体地，本发明所述系统包括利息压缩机，其包括轮毂、多个与所述轮毂连接的转子叶片以及与所述多个转子叶片连接的防护罩。所述防护罩设计为适应离心压缩机中转子叶片复杂的几何形状。具体地，所述防护罩与所述转子叶片和所轮毂一体形成，从而在所述转子叶片的径向外缘和所述防护罩之间不存在间隙缺口。这样，所述轮毂、转子叶片和防护罩沿着所述转子叶片限定多个密封的流动通道，从而处理或传送整个流体进入到所述离心压缩机内，并且在所述转子叶片周围不存在有流体泄漏。相应地，提升了所述涡轮发动机的整体性能和效能。
图1是示例性涡轮发动机10的示意图，其包括风扇组件12、低压或增压压缩机14、高压压缩机16以及燃烧室组件18。在一个实施例中，高压压缩机16以离心压缩机组件的形式实施。连接风扇组件12、增压压缩机14、高压压缩机16和燃烧室组件18，以完成流体连通。涡轮发动机10还包括高压涡轮机20，其与燃烧室组件18和低压涡轮机22连接，以完成流体连通。风扇组件12包括风扇叶片24阵列，其从转子盘26向外径向延伸。低压涡轮机22通过第一驱动轴28，与风扇组件12和增压压缩机14连接，低压涡轮机20通过第二驱动轴30，与高压压缩机16连接。涡轮发动机10具有进气口32和排气口34。涡轮发动机10进一步包括中线36，风扇组件12、增压压缩机14、高压压缩机16和涡轮机20以及22围绕其旋转。
工作时，空气通过进气口32进入到涡轮发动机10内，通过风扇组件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排放。高度压缩的空气从高压压缩机16向燃烧室组件18引导，与燃料混合，并且在燃烧室组件18内燃烧该混合物。高温燃气有燃烧室组件18生成，向涡轮机组件20和22引导。随后，燃气通过排气口34从涡轮发动机10排放出去。
图2是高压压缩机部分16的截面图，其具有离心压缩机100，根据本发明公开的第一个实施例，该离心压缩机可以使用于涡轮发动机10(图1为示出)中。在示例性实施例中，高压压缩机部分16包括离心压缩机100，其与轴30和围绕离心压缩机100的静态组件102连接。尽管图2展示和描述了具有离心压缩机100的压缩机部分16，但这仅仅作为示例。可选地，图2所示的离心压缩机是用于涡轮发动机的高压压缩机部分20中的离心压缩机。一般来说，图2展示了燃气涡轮发动机10的任何流体传送组件。图3是离心压缩机100的部分截面示意图，为清楚起见，移除了静态组件102；以及图4是图3所述的离心压缩机100的部分截面透视图。
离心压缩机100包括轮毂104、与轮毂104连接的多个转子叶片106以及与多个转子叶片连接的防护罩108。可以通过中等到高的压力比分级将完整的叶片和部分的(分开的)叶片或和两排串联叶片组成转子叶片106。在示例性实施例中，转子叶片包括与轮毂104连接的叶片内沿110和与防护罩108连接的外缘112，从而在叶片内沿112和防护罩108之间不存在缺口或间隙。另外，防护罩108相对于多个转子叶片106周向延伸，以形成圆盘形状，并且其包括拱形，与叶片外缘112的外廓线形成互补。这样，离心压缩机100在防护罩108和轮毂104之间，于转子叶片106附近之间，限定多个流体流动通道114。
转子叶片106进一步包括旋转部件100的径向内部118上的前缘116和位于离心压缩机100的径向外缘122上的后缘120。在前缘116和后缘120之间限定拱形转子叶片长度。在示例性实施例中，防护罩108大体上沿着转子叶片106，在前缘116和后缘120之间完整地延伸，从而防护罩108包括大体上等于所述转子叶片长度的防护罩长度。可选地，如下面进一步详细所述，防护罩从前缘116和后缘120中的至少一个，沿转子叶片106延伸小于转子叶片106完整长度的距离。
在示例性实施例中，静态组件102包括径向位于临近离心压缩机100的内部118处的第一静态构件124和径向位于临近离心压缩机100的外部122处的第二静态构件126。第一静态构件124包括第一密封元件128，其位于转子叶片106的前缘116附近。类似地，第二静态构件126包括第二密封元件130，其位于转子叶片106的后缘120附近。密封元件128和130与离心压缩机100一起形成密封，从而整个流体通过进气口132，沿着流动通道114进入到压缩机100内，并且通过排气口134，从离心压缩机100排放出去。具体地，在示例性实施例中，离心压缩机100包括与防护罩108连接的第一齿136和第二齿138，其分别与密封元件128和130接触，以形成密封。
使用添加剂加工或放电加工，由钛基合金或镍基合金将离心压缩机100制成单片部件。材料和制造方法是基于离心压缩机100的大小和离心压缩机100在工作时所显现的温度决定的。可选地，如本发明所述，离心压缩机100由任何可以促进离心压缩机100工作的材料和方法制成。
在示例性实施例中，将离心压缩机100制成整体、单片式部件，从而多个转子叶片106与轮毂104一体形成，防护罩108则与多个转子叶片106一体形成。可选地，防护罩108通过任何其他方式，如通过焊接，与转子叶片106的外缘112连接。一般来说，通过任何将防护罩108连接至转子叶片106的方式制成离心压缩机100，从而在这之间不存在任何缺口或间隙，并且防护罩108、转子叶片106以及轮毂104限定多个流动通道114，该流动通道在进气口132和出气口134出现异常时封闭起来。
图5是高压压缩机部分16的截面图，其用于燃气涡轮发动机10(如图1所示)中，该涡轮发动机包括可选的离心压缩机200和静态组件202。然而，如图2到图4所示，离心压缩机200和静态组件202与离心压缩机100和静态组件102相类似，同样，离心压缩机100和200以及静态组件102和202的部件标号也是一样的。
离心压缩机200包括轮毂104、与轮毂104连接的多个转子叶片106以及第一防护罩206和第二防护罩208。防护罩206和208与防护罩108类似，与多个转子叶片106连接。转子叶片106包括与轮毂104连接的叶片内沿110和与防护罩206和208连接的外缘112，从而在叶片内沿112和防护罩206和208之间不存在缺口或间隙。另外，防护罩206和208相对于多个转子叶片106周向延伸，以形成圆盘形状，并且其包括拱形，与叶片外缘112的外廓线形成互补。这样，离心压缩机200在防护罩206和208与轮毂104之间，于临近转子叶片106处之间，限定多个流体流动通道114。
转子叶片106进一步包括前缘116和后缘120，其二者限定二者之间的拱形转子叶片长度。在该实施例中，第一防护罩206从前缘116延伸至前缘116和后缘120之间的防护罩端210。类似地，第二防护罩208从后缘120延伸至后缘120和前缘116之间的防护罩端212。这样，防护罩206和208分别限定前缘116和防护罩210之间的防护罩长度以及后缘120和防护罩端212之间的防护罩长度，该长度小于防护罩206和208所连接的转子叶片106的长度。虽然，如图5所示和所述，离心压缩机200具有两个单独的防护罩206和208，但应该考虑的是，离心压缩机200只包括防护罩206和208的其中一个。另外，防护罩端210和212的位置只作了示例性的示出，应该考虑的是，可沿着转子叶片外缘112，在前缘116和后缘120之间，将端210和212定位于任何位置。额外地，虽然离心压缩机200包括从前缘116和后缘120中的一个延伸的防护罩206和208，但应该考虑的是，防护罩206和208可沿着转子叶片外缘112的任何部分延伸。
在示例性实施例中，静态组件202包括第一静态构件124、第二静态构件126和第三静态构件214，该三者径向位于临近离心压缩机200的中间部分216处。第一静态构件124包括第一密封元件128，其位于转子叶片106的前缘116附近。类似地，第二静态构件120包括第二密封元件130，其位于转子叶片106的后缘120附近。密封元件128和130与离心压缩机200一起形成密封，从而整个流体通过进气口132，沿着流动通道114进入到压缩机200内，并且通过排气口134，从离心压缩机200排放出去。具体地，在示例性实施例中，离心压缩机200包括与防护罩206和208连接的第一齿136和第二齿138，其分别与密封元件128和130接触，以形成密封。
第三静态元件214包括密封元件218，其径向位于转子叶片106的外缘112附近。具体地，密封元件218与外缘112径向隔开，限定了其间的间隙缺口。密封元件218沿着外缘112，在防护罩端210和212之间径向延伸，以沿着转子叶片106将流动通道114密封。一般来说，密封元件218位于防护罩206和/或208附近，并远离防护罩端210或212，向前缘116或后缘120延伸，直到密封元件218到达前缘116或后缘120，或其他防护罩206或208处。也就是说，密封元件218沿着不与防护罩206或208连接的径向外叶片沿112的任何部分延伸。
如上所述，至少一些已知的涡轮发动机包括具有多个转子叶片的旋转部件，该转子叶片由静态部件所围绕，该静态部件带有密封元件，该密封元件位于所述转子叶片附近，但与其隔开，以限定这之间延伸整个所述转子叶片长度的缺口或间隙。在缺口避免了所述旋转部件和所述静态部件之间的接触的同时，由于热膨胀和其他因短期操纵载荷而产生的弯曲，该间隙缺口使得所述旋转部件增大。涡轮发动机的效能至少部分取决于旋转叶片的尖端和密封元件之间的间隙的大小，该密封构件与周围的静态部件连接。如果所述间隙过大，增强的燃气流会通过间隙缺口不必要地泄漏，一次降低了所述涡轮发动机的效能。与转子叶片106的至少一部分一体形成密封元件，比如防护罩108、206和208，消除了这之间的间隙缺口，并且抵消了该间隙缺口对涡轮发动机效能产生的不期望的效果，该不期望的效果会导致性能缺失。通过与转子叶片106一体形成防护罩108、206和208，通过进气口132进入离心压缩机100和200的全部量的流体，由压缩机100和200处理，通过出气口134排放，从而改良了燃气涡轮发动机10的效能。
此处所述的系统、方法和设备的示范性技术效应包括以下各项中的至少一项：(a)改良压缩机性能；(b)改良燃气涡轮发动机效能。
以上已详细说明了燃气涡轮发动机及相关部件的示例性实施例。所述方法和系统并不限于本专利申请文件所述的具体实施例，相反，系统的部件和/或方法的步骤可独立于本专利申请文件所述的其他部件和/或步骤单独使用。例如，也可以不结合其他过程使用本发明所述的部件的构造，该构造不限于仅仅实践在本发明所述的燃气涡轮发动机及相关部件上。同时，示范性实施例可与许多其他应用结合实施和使用，以改良燃气涡轮机所期望的效能。
尽管本发明各个实施例的具体特征可能在一些附图中示出而并未在其他附图中示出，但这仅是出于方便的考量。根据本发明的原理，附图中的任何特征可结合其他任何附图的任何特征来参考和/或提出权利要求。
本说明书使用了各种实例来揭示本发明的某些实施例，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践那些实施例，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明所述的可获专利的范围有权利要求书所述限定，并且可以包括本领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则其他此类实例也旨在属于权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机的流体传送组件，所述流体传送组件包括：
转子轴；
静态组件，所述静态组件围绕所述转子轴；以及
旋转部件，所述旋转部件与所述转子轴连接并径向置于所述静态组件内部，所述旋转组件包括：
轮毂，所述轮毂与所述转子轴连接；
多个转子叶片，所述多个转子叶片与所述轮毂连接；以及
防护罩，所述防护罩与所述多个转子叶片连接。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述防护罩与所述多个转子叶片一体形成。
3.根据权利要求1所述的组件，其中，所述防护罩相对于所述多个转子叶片周向延伸，以形成圆盘状。
4.根据权利要求1所述的组件，其中，所述防护罩包括拱形，所述拱形与所述多个转子叶片的外廓线互补。
5.根据权利要求1所述的组件，其中，所述多个转子叶片中的每一个转子叶片包括前缘和相对的后缘，所述相对的前缘和后缘限定了位于其间的转子叶片长度，其中，所述防护罩大体上延伸所述转子叶片长度的整个距离。
6.根据权利要求1所述的组件，其中，所述多个转子叶片中的每一个转子叶片包括前缘和相对的后缘，所述相对的前缘和后缘限定了位于其间的转子叶片长度，其中，所述防护罩从所述前缘和所述后缘中的至少一个延伸小于所述转子叶片的长度的距离至防护罩端。
7.根据权利要求6所述的组件，其中，所述静态组件包括设置于临近所述多个转子叶片处的密封元件，其中，所述密封元件在所述防护罩端和所述前缘或所述后缘中的一个之间远离所述防护罩进行延伸。
8.根据权利要求1所述的组件，其中，所述静态组件包括设置于所述前缘和所述后缘中至少一个附近的至少一个密封元件。
9.根据权利要求8所述的组件，其中，所述旋转部件包括与所述防护罩连接的至少一个齿，所述至少一个齿构造为与所述至少一个密封元件一起形成密封。
10.根据权利要求1所述的组件，其中，所述旋转部件包括至少一个离心压缩机和离心涡轮机。
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