CN107109958A - 具有主动间隙控制的转子叶片、旋转组件及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮发动机的转子叶片，其包括主体(170)，所述主体局部地限定一叶片，所述叶片在径向外端设有一根部(33)，该转子叶片还包括至少一个密封元件(39)，所述密封元件(39)延伸越过所述根部的径向外端，并通过一可移动的机械连杆(37)与所述根部的一区域相连。

Description

具有主动间隙控制的转子叶片、旋转组件及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种用于飞机涡轮发动机的转子叶片、用于涡轮发动机的包括多个此种叶片的旋转组件、用于操作这种旋转组件的方法以及用于制造该种叶片的方法。

背景技术

优选的涡轮发动机是飞机涡轮风扇发动机。

文献EP0708227公开了一种现有技术，并且审查了与涡轮发动机的转子叶片的密封有关的各种可能的问题。

因此，为了确保飞机涡轮发动机的最大性能，必须使这种涡轮发动机的多个固定零件和旋转零件之间的气体泄漏最小。

文献EP2182174公开了一种间隙控制器，其中叶片的一端设置有固定密封件。与围绕叶片的壳体连接的万向节可以通过包括机械铰接件的可移动机械连接器与固定密封件接触。

文献DE102004050739公开了一种涡轮发动机的转子叶片，该涡轮发动机的转子叶片的一端通过能够沿径向平移运动的机械连杆设置有与叶片头部的区域相关联的密封件。

在本文献中，如在相关技术领域中，术语上游(AM)和下游(AV)被定义为使得上游沿着轴向定位在其中来自涡轮发动机的一般流动流所来自的一侧上，下游沿着轴向定位在相同流流动到的一侧上。并且术语“内”和“外”相对于上述旋转元件围绕其旋转的轴线(下面的轴线7)沿着径向限定，“轴向”和“径向”相对于相同的轴线7被限定。

示意性地，沿着所述轴线和下游方向，飞机涡轮发动机通常具有风扇、低压压缩机、高压压缩机、燃烧室和连续的高压和低压涡轮机。

特别是，涡轮机各自包括固定零件或定子以及围绕限定也设置有叶片的转子的纵向中心轴线旋转的零件。

因此，众所周知，图1的涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机的低压涡轮机1包括几个布置在壳体5内部的涡轮机叶轮3，并围绕涡轮发动机的中心轴线7旋转，该涡轮发动机在固定的喷嘴环9的下游设置有一系列固定叶片。各叶轮3包括在其外周设置有移动叶片13的盘11。

如图2最佳所示，其也示例了现有技术，各盘11包括在其外周边与凹槽或凹部25交替设置的齿23，其中叶片根部26沿着轴向接合并沿着径向保持，该叶片从在来自燃烧室15的热气流的环形流动喷口27中的凹部25沿着径向延伸。

更具体地，各叶片体17从外侧向内沿着径向包括叶片19、基本上垂直于叶片伸长轴线而延伸的平台29和将该平台连接到叶片根部26的柱31。叶片根部沿着径向固定在凹部25中。平台29沿着周向端部对端部排列设置，以便一起限定在涡轮机中循环的热气流动流的参考内部极限。

如以前在文献EP0708227中所述，各叶片13可以由纤维织物制成，在在叶片外部的该纤维织物的一部分是刷子(或刷密封件)21。

当叶片6旋转时，刷子21摩擦壳体5的轨道，该壳体围绕叶片限定由一个或多个部分制成的固定的圆周包络线。

为了促进如图3中示意性所示的密封，由内部地连接到壳体5的耐磨材料制成的一系列块22可超过其外周边沿着径向面对刷密封件21。

这里提出的本发明是一种替代方案，具体涉及使用可能难以在工业上实现的刷子的这种已知的解决方案，更重要的是，在低压涡轮机的情况下，热应力可能是额外的挑战。事实上，必须考虑到刷子的耐温性问题，对于该刷子，选择材料是一个问题。

还考虑了预测两个接触零件之间的磨损和计划维护的问题。

关于文献EP2182174和DE102004050739，还考虑了以下内容：

易于安装叶片，

在实施和/或维护方面应用是实用的解决方案。

发明内容

这就是为什么本发明提供了一种发动机叶片，该叶片包括局部地限定在径向外端处设置有叶片头部的叶片的主体，并且还包括至少一个密封元件，该密封元件通过一个机械连杆与叶片头部的区域连接，该机械连杆能够在静止位置和活动位置之间移动，其中该密封元件沿着径向从叶片头部突出，该可移动机械连杆包括密封件。

因此，在过大的径向力的情况下，密封元件将能够脱出，从而避免其接触和/或损坏密封元件本身的材料的任何不适当的磨损。

包括优选地自由的枢转连杆的可移动机械连杆将能够进行“自我调节”，无论叶片是绕轴线7旋转还是静止。

为了有利于和确保这种叶片的生产，推荐叶片头部限定根部，这些根部整合在所制造的叶片中，或者连接并固定至其。以已知的方式，根部是一种围绕叶片的外端形成边缘的小平台。因为它们通常围绕一套叶片沿着周向并排放置，因此根部一起限定了通过叶片之间的气体流动流的外部边界，该叶片的根部连接到驱动这种叶片的中心盘。

还为了帮助控制接触零件之间的磨损并因此进行维护，还建议移动的密封元件应由复合材料制成。

在结构上，还建议，对于所述可移动机械连杆：

密封元件应具有基部并且叶片头部具有突出部，

基部和突出部中的一个应当限定凹形碗，其中突出部和基部中的另一个的外部凸形将被接合。

因此，提供了在平移和联合中的固定。

为了有利于密封元件基部的基部的整体和固体制造，建议该密封元件基部应该具有外部凸形，外部凸形然后可移动地接合到叶片头部的凹形碗中。

再次以结构说明，所述凹形碗优选地具有开口，其中所述外部凸形将被接合，该开口的边缘相对于所述叶片头部限定用于所述外部密封元件的移动性的邻接部分。关于涡轮发动机的旋转组件也在此涉及，建议其应包括：

转子盘，所述转子盘安装成使得其能够围绕发动机的纵向轴线旋转并且在其外周上具有凹槽，

如上所述的一系列转子叶片，每个转子叶片都连接到转子盘，以及

固定壳体，所述固定壳体设置有例如由耐磨材料制成的围绕叶片密封元件的接触块，这些元件可相对接触块移动，而不一定弯曲。

根据密封元件/叶片头部的期望的移动性，在每个转子叶片上，该密封元件或各密封元件优选可相对于叶片头部至少沿着基本上横向于轴线的轴线移动，转子盘可围绕该轴线旋转地安装。

关于本发明的一个方面进一步涉及的这种旋转组件的操作方法，有利地设置的是，所述可移动的密封元件均将仅以叶片的预定旋转速度与接触块接触。

而且，另外或不除此之外，所述可移动密封元件应当有利地可变地倾斜，而不必相对于接触块弯曲，

基于所述叶片旋转速度、所述叶片中的至少一个的温度和所述块体内部固定到其的壳体的冷却中的至少一个，和/或

根据耐磨材料的磨损，该耐磨材料将比制成密封元件的材料柔软。

关于上述类型的转子叶片的制造，在本申请中建议如下：

转子叶片应通过使凹形碗横向于叶片的纵向轴线定向来提供，

各密封元件应分开制造，以及

凹形碗和外部凸形应通过滑动接合在一起。

这种滑动有利地是自由的，使得优选通过抵靠相邻叶片来获得最终锁定的固定。

附图说明

应当更好地理解本发明，并且在参照附图的同时在阅读通过非限制性示例给出的以下描述时，本发明的其它细节、特征和优点将显而易见，其中：

涉及现有技术的图1、图2和图3因此分别是低压涡轮机的轴向截面示意性半视图、各通过它们的下端接合到一个转子盘的凹部中的叶片的立体图以及如EP0708227中公开的刷密封件的前视图；

图4是根据本发明的叶片顶部的截面的轴向局部示意图，该叶片与然后静止的固定低压涡轮机壳体的有关部分相对；

图5是与图4相同的区域的局部立体图，其中涡轮旋转；

图6和7是与图4相同的视图，但涡轮分别以中等速度和最高速度旋转；以及

图8是可替代实施例。

具体实施方式

根据本发明，如上所述，在此公布的方案因此需要以另一方案来替换图1和3的实施例中的刷密封件，该另一方案不使用如EP0708227中提到的复合材料来制造各叶片。

图4和下文示意性地示出了这种方案的可能的实施例。与前面附图中相同的元件在仍然使用相同的附图标记，但叶片的修改部分具有增加一百的附图标记。因此，叶片13变为130，其可以代替图1中的叶片，并且各叶片关于它们的内部部分如图2中示意性地进行设计。

除了它可以是金属的，例如锻造或铸造的事实外，各转子叶片130，当然绕轴线7旋转，均包括主体170，该主体170局部地限定叶片190，叶片190在径向外端处设置有叶片头部33，即，该端部适于(整体地或附加地)设置有至少一个密封元件39。

优选地，各叶片头部33将由根部330限定或包括根部330，更具体地可以在图5中看到其可能的图示。

因此，存在一个小平台，其限定了在所考虑的叶片的径向外端处的一个边缘。

通常，所有这些根部330形成一围绕辐射叶片190的环，并将环形流动流27向外引导。

在下面的描述中，已经结合图4至图7所示的实施例而不限制地考虑了这样的根部存在于各叶片上。

因此，在其根部的径向外端之外，各叶片130包括至少一个，这里是两个的密封元件，其中所述密封元件39延伸，使得所考虑的外部密封元件的自由端可以或多或少地从根部沿着径向向外间隔开，如比较图4、6和7时所看到的那样。

具体说，这种能力在这里由至少一个，这里是两个的可移动的机械连杆37提供，所述机械连杆37设置在根部的至少一个区域35，这里是两个区域35，与密封元件39之间。

因此，通过经由其可移动的机械连杆37改变密封元件39的特定径向位置，可以在每个根部330与由耐磨材料制成的块22所考虑的优选示例中限定的相对壳体或外壳的轨道之间适应周边密封件。

预测两个接触零件之间的磨损以及计划维修的问题也将不再是一个问题，如图所示，各可移动的机械连杆37均包括一密封件，该密封件通过枢转在过度力的情况下使所涉及的密封元件39缩回。

在图4至图6的优选实施例中，各可移动的机械连杆37因此包括一销密封件，各机械连杆分别围绕基本上横向于轴线7的轴线41a，41b可旋转地安装。

此外，为了在结构上实现所述可移动的机械连杆或各可移动的机械连杆，特别推荐如图6和8中所示的结构：

-密封元件39应当具有基部39a，根部330在其外表面33b上具有突出部33a，

-基部和突出部中的一个应限定一凹形的碗43，突出部和基部中的另一个的外部的凸形45接合于该碗43中。

另外，也为了确保良好的机械强度和容易的制造和维修，推荐各密封元件39均应替代地具有如图4至图7的实施例中所示的外部凸起的基部39a，该外部凸起的基部39a可移动地接合到根部330的凹形的碗43中。

各基部39a优选径向向外通过具有叶片形状的部分39b延伸，所述部分39b适于在其自由端处与圆形扇形件一起接靠与相邻其的轨道相对的面22a，在该优选例子中其属于所涉及的块22。

为了促进密封运动，或者更通常地，为了确保外部的密封元件39相对于根部330的移动性，匹配的凹形的碗43应优选具有一开口47，外部的凸形45将接合在该开口47中。

各开口47的边缘可以相对于根部330沿着横向限定外部密封元件39的邻接部分，例如图6中的49a，49b。

如图4至图6中所示，转子叶片130的各根部330优选包括两个外部密封元件39，一个在上游，另一个在下游，从而形成双重屏障。

为了结合亮度、机械强度以及易于制造和维修，还建议每个密封元件39应由例如陶瓷基复合物或CMC的复合材料制成。

这种方案将更具体地并与上述现有技术中的刷21的方案相反，使得密封元件39可相对于由耐磨材料制成的块22移动，而不一定弯曲，上述移动性不必须引起弯曲。

当静止时，如图4中所示，密封元件39所显示的元件通过重力抵靠它们的一个邻接部分49a，49b上。

相反，当转子旋转时，匹配的密封元件39进一步沿着径向提升，如图6，7中所示。

下游邻接部分49b也可以如此定位，使得匹配的密封元件39不能超过径向方向51，使得其在转子正在旋转时总是阻止气体沿着下游方向在该区域中流动。

作为该操作的一部分，所述可移动的密封元件39将根据叶片130的旋转速度，优选相对于主体170，特别是相对于所涉及的根部330倾斜，同样不必弯曲，特别是相对于由耐磨材料制成的所考虑的块22变化地。

在这方面，图5，6中显示，相对于图4的静止位置，当涡轮以中等速度旋转时(图6)，而不是以较高速度旋转(图7)，特别是以满额定速度(假定密封块22处于良好状态)旋转时，可移动的密封元件39于是在操作位置相对于径向轴线51更向外倾斜。这是由于所发生的不均匀膨胀，以及随后在根部33与密封块22之间发生的径向近似。还应注意，叶片头部与匹配的耐磨环之间的由块22的圆周布置限定的距离将取决于叶片的旋转速度，但经由或多或少的燃料的喷射和/或高负荷的持续时间和/或涡轮高转速也取决于其他的操作条件，例如预期的发动机功率输出。

因此，图7中的上述距离比图6中的距离短，因此该可移动的密封元件39在图6中比在图7中更倾斜于径向方向51。

而且，相同的移动的密封元件39将根据耐磨材料的磨损而相对于密封块22可变地倾斜，同样不必弯曲。下游邻接部分49b的位置使得匹配的密封元件39将不能超过有关的径向方向51。

作为图4至7的实施例的替代方案，图8显示一(非优选的)方案，其中：

-密封元件39具有基部39a，根部330在其外表面33b上具有一突出部33a，

-该基部限定一凹形的碗43，根部的突出部33a的外部凸形45接合在该碗43中。

现在讨论关于接合的密封元件39，特别是对于所示的销密封件的安装将通过配合滑动各密封元件(轴线41a，41b)获得，这如在燕尾安装的情况下符合枢转(优选自由地旋转)所需的微小间隙。优选通过所考虑的密封元件接靠相邻的叶片而获得滑动锁定，如在图5中可以理解的那样。

关于可以制造各接触块22的耐磨材料，其优选由比密封元件39的材料更软的材料制成。这些可以由陶瓷基质复合物或CMC制成，具有与上面提到的相同的优点。

Claims (11)

1.一种用于涡轮发动机的转子叶片，包括主体(170)和至少一个密封元件(39)，所述主体局部地限定一个叶片，所述叶片在径向外端处设置有叶片头部(33，330)，所述密封元件借助于可在一静止位置与一活动位置之间移动的机械连杆(37)与所述叶片头部(33，330)的一区域相连，其中所述密封元件(39)从所述叶片头部(33,330)沿着径向突出，其特征在于，所述可移动的机械连杆(37)包括密封件。

2.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述叶片头部(33，330)限定一根部(330)。

3.根据权利要求1或2所述的转子叶片，其中所述可移动的机械连杆(37)包括一销接头。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的转子叶片，其中对于所述可移动的机械连杆：

所述密封元件(39)具有一基部(39a)，所述叶片头部(33，330)具有一突出部(33a)，

所述基部和所述突出部中的一个限定一凹形碗(43)，所述突出部和所述基部中的另一个的外部凸形(45)接合在该凹形碗中。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的转子叶片，其中所述密封元件(39)具有一基部(39a)，所述基部具有一外部凸形，该外部凸形可移动地接合在所述叶片头部(33，330)的凹形碗(43)中。

6.根据权利要求4或5所述的转子叶片，其中所述凹形碗(43)具有一开口(47)，所述外部凸形接合在该开口中，所述开口的边缘相对于所述叶片头部(33，330)限定用于所述外部密封元件(39)的移动性的邻接部分(49a,49b)。

7.一种用于涡轮发动机的旋转组件，包括：

转子盘(11)，所述转子盘(11)围绕一轴线(7)可旋转地安装，

一连串根据权利要求1至6中任一项所述的转子叶片(130)，各转子叶片(130)均固定到所述转子盘上，

固定壳体(5)，所述固定壳体设置有块(22)，所述块用于与由所述块包围的所述转子叶片的密封元件(39)相接触，所述密封元件(39)可相对于所述接触块移动。

8.根据权利要求7所述的组件，其中在各转子叶片上，所述密封元件(39)或各所述密封元件(39)被安装成自由运动，使得旋转所述叶片(130)的所述转子盘(11)朝向主动位置移动所述密封元件(39)。

9.一种用于操作根据权利要求7或8所述的用于涡轮发动机的旋转组件的方法，其中：

所述转子叶片(130)的所述移动的密封元件(39)仅以所述叶片的一预定的旋转速度与所述接触块(22)接触，和/或

所述转子叶片(130)的所述移动的密封元件(39)根据所述叶片的旋转速度可变地倾斜，而不必相对于所述接触块(22)弯曲。

10.一种用于操作根据权利要求7或8所述的用于涡轮发动机的旋转组件的方法，其中根据所述叶片的旋转速度、至少一个所述叶片的温度和所述块(22)固定到其内部的壳体(5)的冷却中的至少一项，所述转子叶片(130)的所述移动的密封元件(39)相对于所述接触块(22)可变地倾斜，而不必弯曲。

11.一种用于制造根据权利要求4或者根据权利要求4与权利要求5、6中的一个相结合所述的用于涡轮发动机的转子叶片的方法，其中：

所述转子叶片(130)通过横向于所述叶片的一纵向轴线(31)而定向所述凹形碗(43)来设置，

实现了所述密封元件(39)

所述凹形碗(43)和所述外部凸形(45)通过滑动接合在一起。