CN107806367B - 用于防止转子盘超速的可旋转机器和涡轮风扇发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带有防止转子盘超速的可旋转机器和涡轮风扇发动机。涡轮组件(128)包括轴(134)、多个转子盘(202)、多个叶片(170)和至少一个切割机构(210)。转子盘(202)沿着轴(134)沿轴向间隔开，并且联接到轴(134)上，并且包括径向外部部分。叶片(170)围绕径向外部部分沿周向间隔开。切割机构(210)构造成在盘超速状况期间从转子盘(202)上切下叶片(170)。

Description

用于防止转子盘超速的可旋转机器和涡轮风扇发动机
技术领域
本公开的领域大体涉及燃气涡轮发动机，并且更特别地，涉及转子超速保护。
背景技术
燃气涡轮发动机包括转子组件，转子组件可相对于固定发动机结构旋转。转子组件包括多个级，各个级包括可旋转盘和固定导叶组件。各个盘和导叶组件包括多个沿周向间隔开的叶片或导叶。各个级联接到轴上的转子安装结构上，轴构造成驱动相应的机器，诸如涡轮。热燃烧气体通过叶片来驱动转子组件。转子组件的一个已知失效机制是使盘的一部分与转子脱开。当后一级与转子安装结构分开时，后面的级发生脱开。热燃烧气体仍然对分开的级提供功率，但分开的转子盘级可能不再对轴传递功率。分开的级可比在正常运行期间旋转得快得多，因为它没有负载且仍然接收来自燃烧气体的功率输入，从而引起盘超速状况，盘超速状况可导致单独的级的结构完整性失效，以及导致转子盘级的部件弹出。
发明内容
一方面，提供一种可旋转机器。涡轮组件包括轴、多个转子盘、多个叶片和至少一个切割机构。转子盘沿着轴沿轴向间隔开，并且联接到轴上，并且包括径向外部部分。叶片围绕径向外部部分沿周向间隔开。切割机构构造成在盘超速状况期间从转子盘上切下叶片。
另一方面，提供一种涡轮风扇发动机。涡轮风扇发动机包括多级压缩机、轴和涡轮组件。轴联接到多级压缩机和涡轮组件上。涡轮组件构造成通过轴来驱动多级压缩机。涡轮组件包括轴、多个转子盘、多个叶片和至少一个切割机构。转子盘沿着轴沿轴向间隔开，并且联接到轴上，并且包括径向外部部分。叶片围绕径向外部部分沿周向间隔开。切割机构构造成在盘超速状况期间从转子盘上切下叶片。
又一方面，提供一种在转子盘的超速状况期间切断围绕涡轮的转子盘沿周向间隔开的成排的叶片中的至少一个叶片的方法。方法包括在转子盘与涡轮的轴分开之后，用发动机燃烧气体驱动转子盘。方法还包括使用转子盘的离心力来沿着轴沿轴向平移转子盘。方法进一步包括接合转子盘与至少一个切割机构。方法还包括使用切割机构来从转子盘上切断至少一些叶片。
技术方案1. 一种可旋转机器，包括：
轴134；
转子盘202，其联接到所述轴134上，并且具有径向外部部分；
围绕所述径向外部部分沿周向间隔开的多个叶片170；以及
至少一个切割机构210，其构造成在转子盘超速状况期间使所述多个叶片170中的至少一些与所述转子盘202脱开。
技术方案2. 根据技术方案1所述的可旋转机器，其特征在于，所述至少一个切割机构210包括楔302和楔保持器304。
技术方案3. 根据技术方案2所述的可旋转机器，其特征在于，所述楔保持器304包括上臂318和下臂320，所述上臂318和所述下臂320构造成在非转子盘超速状况期间将所述楔302保持在第一位置上，所述上臂318和所述下臂320构造成在转子盘超速状况期间将所述楔302重新定位到所述多个叶片170的旋转路径中。
技术方案4. 根据技术方案3所述的可旋转机器，其特征在于，所述楔302包括尖锐切割刃314，所述切割刃314构造成使所述多个叶片170中的至少一些与所述转子盘202脱开。
技术方案5. 根据技术方案4所述的可旋转机器，其特征在于，所述可旋转机器进一步包括构造成允许所述转子盘202在转子盘超速状况期间向后平移的多个弱化密封件206，208。
技术方案6. 根据技术方案5所述的可旋转机器，其特征在于，所述至少一个切割机构210包括十二个切割机构210。
技术方案7. 根据技术方案3所述的可旋转机器，其特征在于，所述下臂320包括转子盘接合臂328，所述转子盘202构造成在转子盘超速状况期间对所述转子盘接合臂328应用轴向力。
技术方案8. 一种涡轮风扇发动机110，包括：
压缩机124；
轴134；以及
涡轮组件128，其通过所述轴134联接到所述压缩机124上，所述涡轮组件128构造成通过所述轴134驱动所述压缩机124，所述涡轮组件128包括：
多个转子盘202，各个转子盘202包括径向外部部分，并且沿着所述轴134沿轴向间隔开且联接到所述轴134上；
围绕所述径向外部部分沿周向间隔开的多个叶片170；以及
至少一个切割机构210，其构造成在转子盘超速状况期间使所述多个叶片170与所述转子盘202脱开。
技术方案9. 根据技术方案8所述的涡轮风扇发动机110，其特征在于，所述至少一个切割机构210包括楔302和楔保持器304。
技术方案10. 根据技术方案9所述的涡轮风扇发动机110，其特征在于，所述楔保持器304包括上臂318和下臂320，所述上臂318和所述下臂320构造成在非转子盘超速状况期间将所述楔302保持在第一位置上，所述上臂318和所述下臂320构造成在转子盘超速状况期间将所述楔302重新定位到所述多个叶片170的旋转路径中。
技术方案11. 根据技术方案10所述的涡轮风扇发动机110，其特征在于，所述楔302包括尖锐切割刃314，所述切割刃314构造成脱开所述多个叶片170。
技术方案12. 根据技术方案11所述的涡轮风扇发动机110，其特征在于，所述涡轮风扇发动机110进一步包括构造成允许第二级200的所述转子盘202在转子盘超速状况期间向后平移的多个弱化密封件206，208。
技术方案13. 根据技术方案12所述的涡轮风扇发动机110，其特征在于，所述楔302包括凹口316，所述上臂318包括凹口接合钩324，所述凹口接合钩324、所述上臂318和所述下臂320构造成在非转子盘超速状况期间将所述楔302保持在第一位置上。
技术方案14. 根据技术方案12所述的涡轮风扇发动机110，其特征在于，所述至少一个切割机构210包括十二个切割机构210。
技术方案15. 根据技术方案10所述的涡轮风扇发动机110，其特征在于，所述下臂320包括转子盘接合臂328，第二级200的所述转子盘202构造成在转子盘超速状况期间挤压所述转子盘接合臂328。
附图说明
当参照附图来阅读以下详细描述时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中相同符号在图中表示相同部件，其中：
图1是根据本公开的示例实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性横截面图。
图2是图1中显示的燃气涡轮发动机的示例性高压涡轮的示意性横截面图。
图3是沿着区域3得到的图2的一部分的放大视图。
除非另有指示，否则本文提供的图意于示出本公开的实施例的特征。相信这些特征适用于包括本公开的一个或多个实施例的各种各样的系统中。因而，图不意于包括本领域普通技术人员知道的为了实践本文公开的实施例所需的所有传统特征。
部件列表：
110涡轮风扇发动机
112纵向中心线
114风扇组件
116燃气涡轮发动机
118外壳
119内壳
120环形入口
122低压(LP)压缩机
124高压(HP)压缩机
126燃烧区段
128HP涡轮
130LP涡轮
132喷嘴区段
134HP轴或轴杆
136LP轴或轴杆
138空气流路径
140风扇
142风扇叶片
144盘
146可旋转前毂
150机舱
152出口导叶
154下游区段
156旁通空气流道
158一定量的空气
160相关联的入口
162第一空气部分
164第二空气部分
166燃烧气体
168HP涡轮定子导叶
170HP涡轮转子叶片
172LP涡轮定子导叶
174LP涡轮转子叶片
176风扇喷嘴排气区段
178热气体路径
200第二级
202HP涡轮转子盘
203HP转子安装结构
204HP涡轮轮空间
206第一密封件
208第二密封件
210切割机构
212框架
302楔
304楔保持器
306三角形本体
308第一侧
310第二侧
312第三侧
314切割刃
316凹口
318上臂
320下臂
322底侧
324凹口接合钩
326第二侧接合表面
328盘接合臂
330箭头。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求中，将参照多个用语，它们应限定成具有以下含义。
单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数个所指物，除非上下文另有明确的指示。
“可选的”或“可选地”表示后面描述的事件或情形可能发生或者可能不发生，而且该描述包括发生该事件的情况和不发生该事件的情况。
如本文在说明书和权利要求中使用，近似语可应用来修饰可允许改变的任何数量表示，而不导致与其有关的基本功能改变。因此，由诸如“大约”、“大致”和“基本”的用语或多个用语修饰的值不是要局限于所规定的确切值。在至少一些情况下，近似语可对应于用于测量该值的仪器的精度。在这里和在说明书和权利要求中，范围限制可结合和/或交换；确认这样的范围，而且这样的范围包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。
本文描述的涡轮组件的实施例提供一种可防止高压涡轮转子盘超速状况的系统。特别地，本文描述的涡轮组件系统和方法提供至少一个切割机构，当转子盘已经变得与转子安装结构脱开时，切割机构从转子盘上切下涡轮叶片。当涡轮叶片已经从转子盘上切下时，转子盘不再能够将来自热燃烧气体的能量转化成旋转能。移除涡轮叶片会移除涡轮的驱动力，并且防止盘超速状况的形成。
图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。在示例性实施例中，燃气涡轮发动机是高旁通涡轮风扇喷气发动机110，在本文称为“涡轮风扇发动机110”。如图1中显示的那样，涡轮风扇发动机110限定轴向方向A(平行于为了参照而提供的纵向中心线112延伸)和径向方向R(垂直于纵向中心线112延伸)。大体上，涡轮风扇发动机110包括风扇组件114和设置在风扇组件114下游的燃气涡轮发动机116。
燃气涡轮发动机116包括限定环形入口120的基本管状外壳118。燃气涡轮发动机116还包括由外壳118包围的基本管状内壳119。内壳119和外壳118以连续流关系包围：压缩机区段，其包括增压或低压(LP)压缩机122和高压(HP)压缩机124；燃烧区段126；涡轮区段，其包括高压(HP)涡轮128和低压(LP)涡轮130；和喷气排气喷嘴区段132。高压(HP)轴或轴杆134将HP涡轮128传动地连接到HP压缩机124上。低压(LP)轴或轴杆136将LP涡轮130传动地连接到LP压缩机122和风扇140上。压缩机区段、燃烧区段126、涡轮区段和排气喷嘴区段132共同限定空气流路径138。
在示例性实施例中，风扇组件114包括风扇140，风扇140具有多个风扇叶片142，它们以间隔开的方式联接到盘144上。如描绘的那样，风扇叶片142大体沿着径向方向R从盘144向外延伸。风扇叶片142和盘144可通过LP轴136围绕纵向中心线112共同旋转。虽然被描述成具有多个叶片的风扇盘，例如，风扇盘144和叶片142，但风扇组件114可改为形成有整体叶盘或整体带叶片的转子。
仍然参照图1的示例性实施例，盘144被可旋转前毂146覆盖，可旋转前毂146的空气动力学轮廓设置成促进空气流通过多个风扇叶片142。另外，示例性风扇组件114包括环形风扇壳或外部机舱150，它沿周向包围风扇140和/或燃气涡轮发动机116的至少一部分。应当理解，机舱150可构造成相对于燃气涡轮发动机116得到出口导叶组件152的支承。此外，机舱150的下游区段154可在燃气涡轮发动机116的外部部分上面延伸，以便在它们之间限定旁通空气流道156。
在涡轮风扇发动机110的运行期间，一定量的空气158通过机舱150和/或风扇组件114的相关联的入口160进入涡轮风扇发动机110。随着空气158经过风扇叶片142，由箭头指示的空气158的第一部分被引导或发送到旁通空气流道156中，并且由箭头指示的空气158的第二部分被引导或发送到空气流路径138中，或者更特别地被引导或发送到增压压缩机122中。第一空气部分162和第二空气部分164的之间的比通常称为旁通比。然后第二空气部分164的压力在发送通过HP压缩机124且进入到燃烧区段126中时提高，在燃烧区段126中，第二空气部分164与燃料混合和燃烧，以提供燃烧气体166。
燃烧气体166发送通过HP涡轮128，在HP涡轮128中，来自燃烧气体166的热能和/或动能的一部分通过成连续级的联接到内壳119上的HP涡轮定子导叶168和联接到HP轴或轴杆134上的HP涡轮转子叶片170而被抽取，因而使HP轴或轴杆134旋转，从而支持压缩机124的运行。然后燃烧气体166发送通过LP涡轮130，在LP涡轮130中，通过成连续级的联接到内壳119上的LP涡轮定子导叶172和联接到LP轴或轴杆136上的LP涡轮转子叶片174从燃烧气体166中抽取热能和动能的第二部分，因而使LP轴或轴杆136旋转，从而支持增压压缩机122的运行和/或风扇140的旋转。燃烧气体166随后发送通过燃气涡轮发动机116的喷气排气喷嘴区段132，以提供推力。同时，在第一空气部分162发送通过旁通空气流道156，包括通过出口导叶组件152时，第一空气部分162的压力显著提高，之后其从涡轮风扇发动机110的风扇喷嘴排气区段176排出，从而也提供推力。HP涡轮128、LP涡轮130和喷气排气喷嘴区段132至少部分地限定热气体路径178，以将燃烧气体166发送通过燃气涡轮发动机116。
但应当理解的是，图1中描绘的示例性涡轮风扇发动机110仅仅作为示例，而且在其它示例性实施例中，涡轮风扇发动机110可具有任何其它适当的构造。还应当理解的是，在另外的其它示例性实施例中，本公开的各方面可结合到任何其它适当的燃气涡轮发动机中。例如，在其它示例性实施例中，本公开的各方面可结合到例如涡轮螺旋桨发动机、军用发动机和基于海洋或陆地的航空衍生发动机中。
图2是涡轮风扇发动机110(在图1中显示)的HP涡轮128的示意性横截面图。HP涡轮128包括联接到内壳119上的定子导叶168和HP涡轮转子叶片170，HP涡轮转子叶片170通过HP涡轮转子盘202联接到HP转子安装结构203上。HP涡轮128的第二级200包括一个HP涡轮定子导叶168和一个HP涡轮转子叶片170。HP涡轮128的第二级200典型地通过HP安装结构203来联接到HP涡轮128的第一级(未显示)上。HP涡轮的第一级传动地联接到HP轴134上。HP涡轮轮空间204包括多个密封件，例如第一密封件206和第二密封件208，它们沿径向连续地布置在轮空间204内。第一密封件206和第二密封件208是弱化密封件，其构造成在HP涡轮转子盘202已经变得与HP转子安装结构203脱开(在下文称为“脱开事件”)的情况下，允许HP涡轮转子盘202向后移动。至少一个切割机构210联接到框架212上，并且构造成在脱开事件期间从HP涡轮转子盘202切下HP涡轮转子叶片170。
在正常运行期间，燃烧气体166发送通过HP涡轮128，其中通过成连续级的联接到HP涡轮转子盘202和HP轴或轴杆134上的HP涡轮转子叶片170中抽取来自燃烧气体166的热能和/或动能的一部分，因而使HP轴或轴杆134旋转，从而支持HP压缩机124的运行。但是，在示例性脱开事件期间，第二级200HP涡轮转子盘202可变得与HP转子安装结构203脱开，从而允许第二级200HP涡轮转子盘202旋转，而不将能量传递给HP轴或轴杆134。但是，第一级HP涡轮128仍然联接到HP安装结构203上，并且仍然驱动HP压缩机126。然后第二级200HP涡轮转子盘202在脱开事件期间被驱动而显著更快地旋转，因为HP轴或轴杆134和HP压缩机不提供阻力来减慢HP涡轮转子盘202，从而引起盘超速状况。
根据本发明的一个实施例，切割机构210构造成在脱开事件期间从HP涡轮转子盘202切下HP涡轮转子叶片170。反作用力在脱开事件期间使HP涡轮转子盘202向后平移。密封件206和208被弱化而允许HP涡轮转子盘202在脱开事件期间沿轴向向后平移。切割机构210构造成延伸到HP涡轮转子叶片170的旋转路径中，并且在脱开事件期间切下HP涡轮转子叶片170。当HP涡轮转子叶片170已经从HP涡轮转子盘202切下时，来自燃烧气体166的驱动涡轮转子盘202的力不再存在。移除HP涡轮转子叶片170会消除通往转子盘202的输入功率，从而减轻盘超速状况。
图3是沿着区域3得到的图2的放大视图。图3是切割机构210的透视图。切割机构210包括楔302和楔保持器304。楔302包括三角形本体306，三角形本体306包括第一侧308、第二侧310和第三侧312。第一侧308和第二侧310的相交部形成切割刃314。第三侧312包括凹口316。
楔保持器304构造成使楔302保持就位，并且包括上臂318和下臂320。上臂318和下臂320两者都联接到框架212上，并且从框架212沿轴向方向A向前延伸。上臂318包括底侧322和凹口接合钩324。底侧322接合第一侧308且防止楔302沿径向方向R向外移动。凹口接合钩324接合凹口316且防止楔302沿轴向方向A向后移动。下臂320包括第二侧接合表面326和盘接合臂328。盘接合臂328从第二侧接合表面326延伸，第二侧接合表面326从下臂320延伸。第二侧接合表面326沿着第二侧310接合楔302，并且防止楔302沿轴向方向A向前移动和沿径向方向R向内移动。
在正常运行期间，楔302定位在HP涡轮转子叶片170的旋转路径之外。第二侧接合表面326构造成通过将三角形本体306压靠到底侧322和凹口接合钩324上，来保持楔302的正常运行位置。在脱开事件期间，HP涡轮转子盘202沿轴向向后平移，并且压靠到盘接合臂328上，盘接合臂328又使第二侧接合表面326压靠到三角形本体306上。第二侧接合表面326对三角形本体306的压力使楔302移动到HP涡轮转子叶片170的旋转路径中，如箭头330指示的那样。切割刃314在HP涡轮转子叶片170旋转时切入HP涡轮转子叶片170中。在转子叶片170已经从HP涡轮转子盘202切下之后，HP涡轮转子盘202不再接收来自燃烧气体166的旋转能。楔302由楔保持器304固持在径向位置上，并且楔302由转子叶片170和楔保持器304固持在轴向位置上。
在示例性实施例中，HP涡轮128包括十二(12)个切割机构210，它们围绕框架212沿周向间隔开，一个切割机构210位于燃气涡轮发动机116中的十二(12)个框架支柱中的各个上。但是，HP涡轮128可包括使得能够HP涡轮128能够如本文描述的那样运行的任何数量的切割机构210。另外，不要求切割机构210位于框架支柱上，切割机构210可位于允许切割机构210如本文描述的那样运行的任何装备上。
涡轮组件的上面描述的实施例提供一种可减轻高压涡轮转子盘超速状况的系统。特别地，本文描述的涡轮组件系统和方法提供至少一个切割机构，当转子盘已经变得与转子安装结构脱开时，切割机构从转子盘切下涡轮叶片。当涡轮叶片已经从转子盘切下时，转子盘不再能够将来自热燃烧气体的能量转化成旋转能。移除涡轮叶片会移除涡轮的驱动力和防止盘超速状况的形成。
用于涡轮组件的方法、系统和设备的示例性实施例不限于本文描述的具体实施例，而是相反，系统的构件和/或方法的步骤可独立于本文描述的其它构件和/或步骤使用且与它们分开来使用。例如，方法还可与需要防止盘超速状况的其它系统和相关联的方法结合起来使用，而且不限于仅仅用本文描述的系统和方法实践。示例性实施例而是可与可受益于防止盘超速状况的许多其它应用、装备和系统结合起来实现和使用。
虽然可在一些图中显示本公开的各种实施例的具体特征，而在其它图中不显示，但是这仅仅是为了方便。根据本公开的原理，图的任何特征可与任何其它图的任何特征结合起来引用和/或声明。
本书面描述使用示例来公开实施例，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践实施例，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本公开的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (11)

1.一种可旋转机器，包括：
轴(134)；
转子盘(202)，其联接到所述轴(134)上，并且具有径向外部部分；
围绕所述径向外部部分沿周向间隔开的多个叶片(170)；以及
至少一个切割机构(210)，其构造成在转子盘超速状况期间使所述多个叶片(170)中的至少一些与所述转子盘(202)脱开，其中，所述至少一个切割机构(210)包括容纳在楔保持器(304)中的渐缩的楔(302)，
其中，所述楔保持器(304)包括上臂(318)和下臂(320)，所述上臂(318)和所述下臂(320)构造成在非转子盘超速状况期间将所述楔(302)保持在第一位置上，所述上臂(318)和所述下臂(320)构造成在转子盘超速状况期间将所述楔(302)重新定位到所述多个叶片(170)的旋转路径中。
2.根据权利要求1所述的可旋转机器，其特征在于，所述楔(302)包括尖锐切割刃(314)，所述切割刃(314)构造成使所述多个叶片(170)中的至少一些与所述转子盘(202)脱开。
3.根据权利要求2所述的可旋转机器，其特征在于，所述可旋转机器进一步包括构造成允许所述转子盘(202)在转子盘超速状况期间向后平移的多个弱化密封件(206，208)。
4.根据权利要求3所述的可旋转机器，其特征在于，所述至少一个切割机构(210)包括十二个切割机构(210)。
5.根据权利要求1所述的可旋转机器，其特征在于，所述下臂(320)包括转子盘接合臂(328)，所述转子盘(202)构造成在转子盘超速状况期间对所述转子盘接合臂(328)应用轴向力。
6.一种涡轮风扇发动机(110)，包括：
压缩机；
轴(134)；以及
涡轮组件，其通过所述轴(134)联接到所述压缩机上，所述涡轮组件构造成通过所述轴(134)驱动所述压缩机，所述涡轮组件包括：
多个转子盘(202)，各个转子盘(202)包括径向外部部分，并且沿着所述轴(134)沿轴向间隔开且联接到所述轴(134)上；
围绕所述径向外部部分沿周向间隔开的多个叶片(170)；以及
至少一个切割机构(210)，其构造成在转子盘超速状况期间使所述多个叶片(170)与所述转子盘(202)脱开，
其中，所述至少一个切割机构(210)包括容纳在楔保持器(304)中的渐缩的楔(302)，其中，所述楔保持器(304)包括上臂(318)和下臂(320)，所述上臂(318)和所述下臂(320)构造成在非转子盘超速状况期间将所述楔(302)保持在第一位置上，所述上臂(318)和所述下臂(320)构造成在转子盘超速状况期间将所述楔(302)重新定位到所述多个叶片(170)的旋转路径中。
7.根据权利要求6所述的涡轮风扇发动机(110)，其特征在于，所述楔(302)包括尖锐切割刃(314)，所述切割刃(314)构造成脱开所述多个叶片(170)。
8.根据权利要求7所述的涡轮风扇发动机(110)，其特征在于，所述涡轮风扇发动机(110)进一步包括构造成允许第二级(200)的所述转子盘(202)在转子盘超速状况期间向后平移的多个弱化密封件(206，208)。
9.根据权利要求8所述的涡轮风扇发动机(110)，其特征在于，所述楔(302)包括凹口(316)，所述上臂(318)包括凹口接合钩(324)，所述上臂(318)和所述下臂(320)构造成在非转子盘超速状况期间将所述楔(302)保持在第一位置上。
10.根据权利要求8所述的涡轮风扇发动机(110)，其特征在于，所述至少一个切割机构(210)包括十二个切割机构(210)。
11.根据权利要求10所述的涡轮风扇发动机(110)，其特征在于，所述下臂(320)包括转子盘接合臂(328)，第二级(200)的所述转子盘(202)构造成在转子盘超速状况期间挤压所述转子盘接合臂(328)。
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