CN107109956B - 航空器涡轮发动机的涡轮组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮发动机(1)的涡轮组件(10)，该涡轮组件至少包括：被顺序地布置的第一带有叶片的转子(12)、带有叶片的定子(13)和第二带有叶片的转子(14)，转子(12，14)被安装在轴(2)上；密封板(20)，该密封板在定子(13)与轴(2)之间延伸并且将被布置在第一转子(12)与定子(13)之间的第一凹部(C1)与被布置在定子(13)与第二转子(14)之间的第二凹部(C2)分隔开；以及压力减小装置(300，31)，该压力减小装置被置于第一凹部(C1)内部，组件的特征在于，所述压力减小装置(300，31)包括延伸到第一凹部(C1)中的多个大致为径向的再次压缩翅片(300)。

Description

航空器涡轮发动机的涡轮组件
技术领域
本发明涉及一种涡轮发动机的涡轮。
背景技术
为了排出足够质量的空气量，通过吸入式压气机提供以恒定的速度增加压力。之后由通常是煤油的燃料在穿过机器的空气的氧气中进行燃烧引起释放相当大的能量。
涡轮发动机包括涡轮，该涡轮对由燃料燃烧所释放的能量中的一部分进行回收，以驱动包括位于进气口处的压气机的某些旋转元件。
在图1中示出的涡轮发动机的类型的旁路式涡轮发动机中，涡轮通常由一个或多个高压(HP)级(定子-转子)和一个或多个低压(BP)级构成。
特别地，所注意到的是，在HP涡轮中，具有两个级的涡轮在具有最佳性能的涡轮之中。
然而，一个特定于HP涡轮(例如是两级式HP涡轮)的问题是控制两个内盘状凹部之间的流体密封性。参照图2，该附图代表已知的两级式涡轮10，示出了由带有叶片的定子11和第一带有叶片的转子12(带有叶片的盘)构成的第一级，以及由第二带有叶片的定子13和第二带有叶片的转子14(另一个带有叶片的盘)构成的第二级。定子11、13的组件构成了固定的叶栅(定子11、13被附接到涡轮发动机1的壳体)，并且转子12、14的组件构成了可移动的叶栅(转子12、14被安装在轴2上)。
所提及的两个内盘状凹部被布置在第二定子13的两侧：第一凹部C1处于该第二定子的上游(即，在第一转子12与第二定子13之间)，并且第二凹部C2处于下游(即，在第二定子13与第二转子14之间)。
第一凹部(或上游凹部)C1和第二凹部(或下游凹部)C2被密封板(定子/罩)20分隔开，该密封板从第二定子13的平台部(板20被附接到该平台部)延伸到轴2。板20是大致为环形形状的板。
出于冷却的目的，流体被喷射通过第二定子13的平台部到第一凹部C1中，该流体穿过第一转子12和第二定子13的平台部之间的空隙从该第一凹部再次离开。
然而，如在图2中还可见的，该流体的一部分在板20与轴2之间的结合点处逸出，并且进入第二凹部C2，该流体的一部分经由第二转子14与第二定子13的平台部之间的空隙从该第二凹部再次离开。这个流使第二定子13出现短路并且因此导致轻微的效率损失。
为了防止这个现象，例如通过增加迷宫式密封件21来尝试改善板20与轴2之间的结合点处的流体密封性。然而，控制该点处的流体密封性是复杂的，因为板20和轴2相对于彼此是可动的。
本发明通过简单和有效地解决两个内盘状凹部C1与C2之间的流体密封性的问题而对情况进行了改善。
发明内容
本发明提出了一种涡轮发动机的涡轮组件，该涡轮组件至少包括被相继地布置的第一带有叶片的转子、带有叶片的定子和第二带有叶片的转子、密封板、压力减小装置，转子被安装在轴上，该密封板在定子与轴之间延伸并且将被布置在第一转子与定子之间的第一凹部与被布置在定子与第二转子之间的第二凹部分隔开，该压力减小装置被置于第一凹部内部。
组件的特征在于，压力减小装置包括延伸到第一凹部中的多个大致为径向的再次压缩翅片。
在这里，涡轮尤其意指任何高速涡轮，用于该高速涡轮的对两个内盘状凹部之间的流体密封性进行的控制需要设计与制造方面的努力。高速涡轮的意思指的是，以与航空器涡轮发动机的高压涡轮中产生的压力相似的压力运行的任何涡轮。与还具有较慢的低压涡轮的涡轮发动机的高压涡轮相比，这种涡轮可被表征为高速涡轮。
根据其它有利的和非限制性的特征：
·所述翅片被布置在第一转子的下游面上；
·翅片被布置在第一转子的变薄的部分处；
·第一转子包括多个叶片，涡轮组件对第一转子的每个叶片均包括一个翅片；
·翅片具有弯曲的远端端部；
·在第一凹部内部的所述压力减小装置还包括辅助密封板，该辅助密封板被布置到第一凹部中、面对再次压缩翅片；
·翅片和辅助密封板具有互补的形状；
·在第一凹部内部的压力减小装置被构造成将第一凹部与第二凹部之间的压力差减小至少50％；
·在第一凹部内部的压力减小装置被构造成将第一凹部与第二凹部之间的压力差减小至少90％；
·所述带有叶片的定子为第二定子，涡轮组件还包括第一带有叶片的定子，该第一带有叶片的定子被布置在第一转子的上游。
·定子的上游压力大于定子的下游压力。
附图说明
通过阅读下文的对优选实施例进行的说明，本发明的其它特征和优点将会显现。该说明将参考附图来给出，在该附图中：
之前描述过的图1示出了已知的涡轮发动机；
之前描述过的图2示出了根据现有技术的两级式涡轮；
图3a示出了根据现有技术的两级式涡轮的细节；
图3b示出了根据本发明的涡轮的实施例；
图4a-4b示出了根据本发明的涡轮的第一转子的实施例。
具体实施方式
流体密封性
参照图3a，内盘状密封件的可透性在很大程度上取决于内盘状凹部C1和C2中占优势的压力环境，该占优势的压力环境由当穿过第二定子13时流的膨胀程度来决定。事实上，通过定义在涡轮的每个构件11、12、13、14处减小的压力，尤其是第二定子13的上游压力因此小于第二定子13的下游压力。在实践中，该第二定子13的下游压力P下游大约总计达到定子13的上游压力P上游的0.4到0.8倍(有利地为大约0.5倍)。典型地，P上游和P下游为几巴的量级。这种强烈的差异增大了在迷宫式密封件21处泄漏的可能性。
总是能够改善该密封件的固有性能，但是在诸如最小装配间隙、NIDDA型的耐磨筒的一体性或使用内盘状部内部的空间方面，确实将永远不能做到完美。
本次创新提出了不是通过进一步地增强在密封件21处的密封性能，而是通过针对该问题的成因，即两个腔C1和C2之间的压力差来解决内盘状部可透性的问题。
更明确地，提出了涡轮发动机1的涡轮组件10，该涡轮组件至少包括被相继地布置的第一带有叶片的转子12、带有叶片的定子13和第二带有叶片的转子14。在实践中，带有叶片的定子13为第二定子(如在前言中说明的)，涡轮10还包括被布置在上游的第一定子11。以“上游”或“下游”的方式，流体的流动方向被考虑为：离开压缩室，流体将顺次穿过第一定子11，之后穿过第一转子12，之后穿过第二定子13并且最后穿过第二转子14。第一定子11和第一转子12构成了涡轮10的第一级，第二定子13和第二转子14构成了第二级。优选地，涡轮10是有两个级的，但替代地，该涡轮可包括额外的级。
应当理解的是，在本涡轮组件10的范围内仅仅第二定子13是必不可少的，并且在说明书的后文中该第二定子将被称为“定子”13。
转子12、14被安装在轴2上。该转子具有在其整个周界上延伸的多个径向的叶片，该多个径向的叶片从平台部开始延伸，该平台部具有空气贴着进行流通的限定了流的内壁/外壁。
特别地，转子12、14可以是以一个部件的形式(并且因此支承部件1的所有叶片)或者由多个基本构件构成，该多个基本构件各自支承单个叶片(叶片“根部”)以构成轮叶。在第一种情况下所使用的术语是整体叶盘，在第二种情况下是带有叶片的轮。在第一种情况下，因为是以叶片的形式，所以转子12、14在其平台部下方通常具有变薄的部分120(出于减轻质量的目的)。
在定子11和13的情况下，叶片被附接到外壳体。该定子具有平台部，该平台部限定了部件1的径向外壁(气体在该径向外壁内部流动，叶片朝向中心延伸)并且可能通过限定如用于转子12、14的毂部而限定了部件1的径向内壁(气体围绕该径向内壁流通)。
定子11、13也可以是单个部件或者不是，并且具有固定的或可移动的叶片。
此外，密封板20在定子13与轴2之间延伸并且将被布置在第一转子12与定子13之间的第一凹部C1与被布置在定子13与第二转子14之间的第二凹部C2分隔开。如之前所说明的，该密封板是具有大致环形形状的板，通常该板终止于迷宫式密封件21。
并且本涡轮组件10解决了内盘状部可透性的问题，因为该涡轮组件在第一凹部C1内部还包括压力减小装置300、31。
压力再次平衡
参照图3b，在第一凹部C1内部的压力减小装置300、31引起凹部C1内部的压力减小p巴，并且减小到远小于凹部C2内部的压力(减小p’巴，p＞＞p′。出于这个原因，在本说明书的后文中，p’将被假设为零)的程度。应该注意的是，到此(insofar as)凹部C1和C2中的每一个中的压力可能是不均匀的，这意味着“第一凹部C1内部的压力”和“第二凹部C2内部的压力”为分别在迷宫式密封件21的两侧的每个凹部的最中心部分内部的压力。
返回到前述的示例，得到各自的压力为PC1＝P上游-X和PC2＝P下游(当装置300、31启动时)。
两个凹部C1与C2之间的压力差Δ(即，在迷宫式密封件21的端部处的压力梯度)从Δi＝P上游-P下游被减小到Δf＝PC1-PC2＝P上游-P下游-X<P上游-P下游＝Δi。
优选地，压力减小使得压力差(pressure delta)被显著地减小，即，趋势是朝向第一凹部C1与第二凹部C2的压力处于平衡，即，Δf→0，即X→P上游-P下游。
因此，有利地，在第一凹部C1内部的压力减小装置300、31被构造成使得压力差Δ至少被除以二(即，Δf≤0.5Δi，换言之X≥0.5×(P上游-P下游))，或许至少被除以十(即，Δf≤0.1Δi，换言之X≥0.9×(P上游-P下游))。
第一凹部C1与第二凹部C2之间的压力差的减小或甚至消除减小了或甚至消除了密封性的问题：如果压力相等，则即使当密封性不完善时也不再有从第一凹部C1到第二凹部C2的流。
应理解的是，从在第一凹部C1内部进行机械抽吸开始，在第一凹部C1内部的压力减小装置300、31的大量实施例是可行的。
优选地，使用多个再次压缩翅片300，该多个再次压缩翅片重新产生了如图3b所示的“局部”离心式压气机的效果。
离心式压气机
离心式压气机是一种下述的机构：该机构驱动流体围绕轴线2进行旋转，并且结果是通过离心力驱动流体从凹部C1的底部(中心)朝向顶部(外部，在与流的结合处)进行受迫转移，即，使该流体进行径向移动。因此，这样产生了压力梯度。
更明确地，回想起对于处于旋转的流体系统，通过下述等式给出了静态压力平衡定律：
其中：
ρ：空气的每单位体积的质量，单位为kg/m3
r：半径，单位为m
w空气：空气的旋转速度，单位为rad/s
w转子：固体的旋转速度，单位为rad/s
Ke：
因此，离心式压气机通过使流体进行旋转产生了不利于平衡第一凹部中的离心效应的压力梯度，当Ke被最大化时该压力梯度被最大化。
因此，应理解的是，虽然压气机被定义成一种被设计为使得指定的区域(在这里是凹部C1与定子13的上游流之间的结合部)中的压力升高的设备，但该压气机也具有使得另一区域(在这里是凹部C1的内部，即，对于中心的最远处)中的压力减小的效果，在该另一区域处流体被“抽吸”。因此，使用压气机作为压力减小装置可能看起来是自相矛盾的，但不会导致任何问题。
翅片
优选地，通过延伸到第一凹部C1中的多个大致为径向的再次压缩翅片300来得到离心式压气机的效果。换言之，压力减小装置300、31包括所述多个再次压缩翅片300。
到此第一转子12已经构成了凹部C1的旋转固体，足以将翅片300布置在第一转子12的下游面上。因此，转子12的旋转自然地以及自动地推动所需的离心压缩的效果和第一凹部C1内部的压力减小的效果。翅片300被构造成使系数Ke最大化。
应注意的是，已经已知将再次压缩翅片布置在涡轮中，但绝不是布置在第一凹部C1中，即使在第一转子12的下游面上布置得较少，更不用说为了减小第一凹部C1内部的压力的目的。
例如，专利申请US4759688提出了面对第一转子的上游面的再次压缩翅片。出于增进第一转子中的流体流通并且因此对该第一转子进行冷却的目的，这种翅片(应注意该翅片与定子是一体的)仅被用于抽吸流体。该翅片与随第一转子12转动的本翅片300不相干。
参照图4a，其示出了转子12，翅片300优选地被布置在第一转子12的变薄的部分120处。在该变薄的部分的端部处，翅片300具有弯曲的远端端部301。继续使这些翅片尽可能地靠近流是可取的。
这种构造在由转子12进行所谓的空气流通(ventilation)的情况下(即，在第一凹部C1的底部处)或者在由定子13进行空气流通的情况下(如在前言中提及的)是优选的。事实上，翅片300在这里直接在第一转子12的馈送孔(用于冷却)的出口处(在迷宫式密封件21附近)。翅片300的出口半径是质量/机械强度/性能收益折中的结果。
替代地，在“穿过单体的底部”即在第一转子的平台部下方进行所谓的空气流通的情况下，可取的是将翅片300安置成高于变薄的部分120，即，在升高期间从单体的底部的半径开始直至流使得保持Ke＝1，以限制由翅片产生的“管道”中的进入水头损失。
在任一情况下，优选的是，具有与围绕转子12的叶片一样多的翅片300(即，如在图4中的，如果有孔，则转子是能够接纳叶片的轮，这些叶片是分隔开的)。此外，优选的是，径向通过横截面较大(对水头损失进行限制)并且翅片300较薄(对质量增加进行限制)。
应注意的是，增加翅片300将会减小空气与第一转子12之间的交换系数(Ke尽可能接近1，所以转子12的盘与流体之间的相对切向速度实际上为零)，这样导致转子对下游面上的空气的温度的“敏感度”降低，这样使得能够：
-对第一转子12进行热控制；
-在上游面上可能具有额外的再次压缩翅片的情况下减小轴向热梯度，因此减小了盘溢出量并且改善了转子/定子间隙。
此外，翅片300增加了第一转子12的反应时间，这样使得能够在加速阶段和减速阶段期间使第一转子12减慢，因此减少转子/定子间隙的使用峰值以及减小相关的磨损的风险。
辅助板
为了增大其效果，翅片300可附带有辅助密封板31，该辅助密封板在第一凹部C1中被布置成面对所述翅片300。在图3b和图4b中可见的这种辅助板31减小了气隙、降低了水头损失并且使得能够更容易地使Ke接近于1(因为流体被约束为以第一转子12的速度旋转)。

Claims (11)

1.一种涡轮组件(10)，用于航空器涡轮发动机(1)，所述涡轮组件至少包括：被相继地布置的第一带有叶片的转子(12)、带有叶片的定子(13)和第二带有叶片的转子(14)；密封板(20)；压力减小装置，所述转子(12，14)被安装在轴(2)上，所述密封板在所述带有叶片的定子(13)与所述轴(2)之间延伸并且将被布置在第一带有叶片的转子(12)与所述带有叶片的定子(13)之间的第一凹部(C1)与被布置在所述带有叶片的定子(13)与第二带有叶片的转子(14)之间的第二凹部(C2)分隔开，所述压力减小装置被置于所述第一凹部(C1)内部，其特征在于，所述压力减小装置包括延伸到所述第一凹部(C1)中的多个大致为径向的再次压缩翅片(300)。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述再次压缩翅片(300)被布置在所述第一带有叶片的转子(12)的下游面上。
3.根据权利要求2所述的组件，其中，所述再次压缩翅片(300)被布置在所述第一带有叶片的转子(12)的变薄的部分(120)处。
4.根据权利要求2和3中的一项所述的组件，其中，所述第一带有叶片的转子(12)包括多个叶片，所述涡轮组件(10)对所述第一带有叶片的转子(12)的每个叶片均包括一个再次压缩翅片(300)。
5.根据权利要求2和3中的一项所述的组件，其中，所述再次压缩翅片(300)具有弯曲的远端端部(301)。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的组件，其中，在所述第一凹部(C1)内部的所述压力减小装置还包括辅助密封板(31)，所述辅助密封板被布置到所述第一凹部(C1)中并面对所述再次压缩翅片(300)。
7.根据权利要求6所述的组件，其中，所述再次压缩翅片(300)和所述辅助密封板(31)具有互补的形状。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的组件，其中，在所述第一凹部(C1)内部的所述压力减小装置被构造成将所述第一凹部(C1)与所述第二凹部(C2)之间的压力差减小至少50％。
9.根据权利要求8所述的组件，其中，在所述第一凹部(C1)内部的所述压力减小装置被构造成将所述第一凹部(C1)与所述第二凹部(C2)之间的压力差减小至少90％。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的组件，其中，所述带有叶片的定子(13)为第二定子，所述涡轮组件还包括第一带有叶片的定子(11)，所述第一带有叶片的定子被布置在所述第一带有叶片的转子(12)的上游。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的组件，其中，所述带有叶片的定子(13)的上游压力大于所述带有叶片的定子(13)的下游压力。
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