CN107849932A - 用于接头组件的顺应性挠曲内部防护罩 - Google Patents

用于接头组件的顺应性挠曲内部防护罩 Download PDF

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Abstract

一种涡轮发动机管槽组件和接头组件具有：外部防护罩，至少部分地限定所述接头组件的内部；内部防护罩，至少部分地收纳在所述外部防护罩内且与其形成界面且限定所述接头组件的所述内部的其余部分，且具有用于所述管槽组件在所述发动机的操作期间的动态移动的柔性部分。

Description

用于接头组件的顺应性挠曲内部防护罩
组件组件
技术领域
本公开涉及接头组件。
背景技术
涡轮发动机，且尤其是燃气或燃烧涡轮发动机，是从燃烧气体流提取能量的旋转发动机，所述燃烧气体流传递通过包括成对的旋转叶片和静止轮叶的一系列压缩机级中的发动机，并通过燃烧器，接着到同样包括成对的旋转叶片和静止轮叶的多个涡轮级上。
在涡轮发动机周围设置管槽组件，所述管槽组件提供用于各种工作流体流动到涡轮发动机和从涡轮发动机流动的管道。工作流体中的一个是放气。在压缩机级中，产生放气并通过馈线管槽从压缩机获得放气。可以各种方式利用来自燃气涡轮发动机中的压缩机级的放气。例如，放气可向飞机座舱提供压力，保持飞机的关键部件无冰，或可用于启动其余发动机。用于从压缩机获得放气的馈线管槽组件的配置在动态载荷下需要具有刚度，且在热载荷下需要具有挠性。在一个实例中，馈线管槽组件系统在管槽中使用球形接头或轴向接头以满足对挠性的要求，这损害了系统动态性能且增加了所述系统的重量。
发明内容
在一个方面中，本文所描述的各种方面涉及一种放气管槽组件，其具有第一管槽、第二管槽以及接头组件，所述接头组件将所述第一管槽连接到所述第二管槽，且包括：外部防护罩，至少部分地限定所述接头组件的内部；内部防护罩，至少部分地收纳在所述外部防护罩内且与其形成界面且限定所述接头组件的所述内部的其余部分，其中所述内部防护罩包括限定位于所述界面处的一组挠曲部的一组狭缝；以及波纹管，安置在所述外部防护罩和内部防护罩内部且流体连接所述第一管槽与所述第二管槽。
在另一方面中，本文所描述的各种方面涉及一种接头组件，其具有：外部防护罩，至少部分地限定所述接头组件的内部；内部防护罩，至少部分地收纳在所述外部防护罩内且与其形成界面且限定所述接头组件的所述内部的其余部分，其中所述内部防护罩包括处于所述界面处的柔性部分；以及波纹管组件，安置在所述外部防护罩和内部防护罩内部。
附图说明
在附图中：
图1为具有放气管槽组件的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。
图2为具有多个接头组件的放气管槽组件的透视图。
图3为可用于图2的空气管槽组件中的示范性接头组件的透视图
图4为图3的接头组件的横截面图。
图5为图3的接头组件的内部防护罩的一部分和外部防护罩的一部分的透视图。
图6和7为图3的内部防护罩的不同透视图。
具体实施方式
本文中所公开的方面是针对提供用于在高温放气管槽系统的组装和热生长期间减小对涡轮发动机的风扇壳体的反应载荷的带波纹管的挠曲接头。更具体来说，当前设计归因于接头中由各种处理人为效应造成的不同压力量级而可能具有高旋转刚度。对内部防护罩的挠曲修改在随非一致性外部防护罩表面旋转期间具有动态顺应性。所述挠曲部可在内部防护罩与外部防护罩之间的运动界面处均匀地分配负载。
出于说明的目的，将相对于飞机燃气涡轮发动机来描述本发明。燃气涡轮发动机一直用于陆地和航海运动及发电，但最常用于航空应用，例如飞机，包括直升飞机。在飞机中，燃气涡轮发动机用于飞机的推进。然而，应理解，本发明不限于此，且在非飞机应用中可具有一般适用性，所述应用例如其它移动应用和非移动工业、商业和住宅应用。
如本文所使用，术语“前部”或“上游”指代在朝向发动机入口的方向上移动，或一个部件与另一部件相比相对更靠近发动机入口。与“前部”或“上游”结合使用的术语“后部”或“下游”指代相对于发动机中心线朝向发动机的后部或出口的方向。另外，如本文所使用，术语“径向”或“径向地”指代在发动机的中心纵向轴线与外部发动机圆周之间延伸的维度。
所有方向性参考(例如，径向、轴向、近侧、远侧、上部、下部、向上、向下、左、右、橫向、前、后、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、后部等)仅用于识别目的以辅助读者对本发明的理解，且具体地说，并不产生关于位置、定向或本发明的使用的限制。除非另外指明，否则连接参考(例如，附接、连接(coupled、connected)和接合)应在广义上来解释，且可包括一系列元件之间的中间构件以及元件之间的相对移动。因此，连接参考不一定推断两个元件直接连接且彼此成固定关系。示范性附图仅仅是出于说明的目的，且本发明的附图中反映的尺寸、位置、次序和相对大小可变化。
图1是用于飞机的燃气涡轮发动机10的示意性横截面图。发动机10具有从前部14向后部16延伸的大体上纵向延伸的轴线或中心线12。发动机10以下游串联流动关系包括：风扇区段18，其包括风扇20；压缩机区段22，其包括升压器或低压(LP)压缩机24和高压(HP)压缩机26；燃烧区段28，其包括燃烧器30；涡轮区段32，其包括HP涡轮34和LP涡轮36；以及排气区段38。
风扇区段18包括围绕风扇20的风扇壳体40。风扇20包括围绕中心线12径向安置的多个风扇叶片42。HP压缩机26、燃烧器30和HP涡轮机34形成发动机10的核心44，其产生燃烧气体。核心44由核心壳体46包围，所述核心壳体可与风扇壳体40连接。
围绕发动机10的中心线12同轴地安置的HP轴或转轴48将HP涡轮机34以传动方式连接到HP压缩机26。在较大直径环状HP转轴48内围绕发动机10的中心线12同轴地安置的LP轴或转轴50将LP涡轮机36以传动方式连接到LP压缩机24和风扇20。发动机10中安装到转轴48、50中的任一个或两个上且与转轴48、50中的任一个或两个一起旋转的部分还被单独或统称为转子51。
LP压缩机24和HP压缩机26分别包括一组压缩机级52、54，其中一组压缩机叶片58相对于对应的一组静态压缩机轮叶60、62(也被称为喷嘴)旋转以使传递通过所述级的流体流压缩或加压。在单个压缩机级52、54中，多个压缩机叶片56、58可以成环提供，且可以从叶片平台向叶片顶端相对于中心线12径向向外延伸，同时对应的静态压缩机轮叶60、62定位在旋转叶片56、58的下游且邻近于所述旋转叶片56、58。应注意，图1中所示的叶片、轮叶和压缩机级的数目仅是出于说明性目的而选择，且其它数目是可能的。用于压缩机的级的叶片56、58可安装到盘53，所述盘分别安装到HP转轴48和LP转轴50中的对应一个，其中各级具有其自身的盘。轮叶60、62以围绕转子51的周向布置安装到核心壳体46。
HP涡轮机34和LP涡轮机36分别包括多个涡轮机级64、66，其中一组涡轮机叶片68、70相对于对应一组静态涡轮机轮叶72、74(也被称为喷嘴)旋转以从通过所述级的流体流提取能量。在单个涡轮机级64、66中，多个涡轮机叶片68、70可以成环提供，且可以从叶片平台到叶片顶端相对于中心线12径向向外延伸，同时对应的静态涡轮机轮叶72、74定位于旋转叶片68、70的上游且邻近于所述旋转叶片。应注意，图1中所示的叶片、轮叶和涡轮机级的数目仅是出于说明性目的而选择，且其它数目是可能的。
在操作中，旋转风扇20向LP压缩机24供应环境空气，所述LP压缩机24接着向HP压缩机26供应加压环境空气，所述HP压缩机26进一步加压所述环境空气。来自HP压缩机26的加压空气与燃烧器30中的燃料混合且被点燃，进而产生燃烧气体。HP涡轮机34从这些气体提取一些功，这驱动HP压缩机26。燃烧气体被排放到LP涡轮机36中，所述LP涡轮机提取额外的功以驱动LP压缩机24，且废气最终经由排气区段38从发动机10排放。对LP涡轮机36的驱动驱动了LP转轴50以使风扇20和LP压缩机24旋转。
来自压缩机区段22的空气中的一些可经由一个或多个放气管槽组件80排出且用于冷却多个部分，尤其是热部分，例如HP涡轮机34，和/或用于产生动力或运行飞机的环境系统，例如座舱冷却/加热系统或除冰系统。在涡轮发动机的情形中，发动机的热部分通常在燃烧器30的下游，尤其是涡轮机区段32，其中HP涡轮机34是最热的部分，因为其直接在燃烧区段28的下游。从压缩机抽出且用于这些目的的空气被称为放气。
参考图2，示范性放气管槽组件80包括径向内部第一管槽82和径向外部第二管槽84。第一管槽82和第二管槽84可固定于其位置。可包括但不限于球形接头、轴向接头等的接头组合件86连接第一管槽82和第二管槽84。可通过第二管槽84将放气流88从压缩机区段22抽吸到第一管槽82中，并将所述放气流88提供到排气管槽90以用于发动机10或飞机的各个其它部分。放气流88可用以加热和膨胀放气管槽组件80的多个部分。由于第一管槽82和第二管槽84可固定，因此接头组件86能减小或缓解作用于放气管槽组件80上的力，例如振动或热膨胀，同时实现放气管槽组件80的操作挠曲。
图3说明具有外部防护罩100和内部防护罩108的示范性接头组件86。接头组件86可用以流体连接所需第一管槽和第二管槽，包括图2的那些管槽。示范性接头86为球形接头，且在图4的横截面图中更详细地示出。更具体来说，圆形壳体或外部防护罩100被说明为包括至少部分地限定接头内部104的内表面102。外部防护罩100可为单个一体式零件，或可为用以形成环形防护罩100的多个零件的组合。内部防护罩108的部分106位于内表面102的径向内部，且进一步限定接头内部104。内部防护罩108的外表面110邻接外部防护罩100的内表面102以形成界面112。内部防护罩108的其余部分114可延伸超出外部防护罩100。
波纹管组件或波纹管120安置于在外部防护罩100和内部防护罩108两者的径向内部的接头内部104内。波纹管120具有与第二末端124隔开的第一末端122。数个卷绕部126可包括于第一末端122与第二末端124之间。尽管卷绕部126已说明为具有正弦轮廓，但无需如此。波纹管120可由柔性材料形成，且其中的卷绕部126可准许波纹管120的膨胀或收缩。
波纹管120可以包括但不限于第一配件128和第二配件129的任何合适方式固持在接头内部104的适当位置。第一配件128和第二配件129可干涉配合、压配或以其它方式安装在接头组件86内。在所说明实例中，第一配件128将波纹管120的第一末端122保持在内部防护罩108内，且第二配件129将波纹管120的第二末端124保持在外部防护罩100内。应理解，接头组件86可以任何合适方式安装或以其它方式可操作地连接到第一管槽和第二管槽，例如图2的第一管槽82和第二管槽84，包括利用第一配件128和第二配件129或额外或替代连接机构。
图5示出收纳在外部防护罩100的一部分内且接头组件86的其余部分被移除的内部防护罩108的一部分的横截面。内部防护罩108可分离成纵向部分130和张开部分132。纵向部分130和张开部分132可包括过渡部分133，所述过渡部分将纵向部分130连接到张开部分132。内部防护罩108可包括位于界面112处的柔性部分。应理解，外部防护罩100和内部防护罩108的包括处于界面112处的部分可为球形或具有轻微失圆度的相对球形，且柔性部分可辅助解决此类失圆度。在所说明实例中，张开部分132包括一组狭缝134，所述狭缝限定沿着内部防护罩108在界面112处安置的一组挠曲部136。应理解，“一组”可包括任何数目，包括仅一个。此类挠曲部136可限定内部防护罩108的柔性部分。此外，所述组狭缝134可包括一组狭槽或孔隙以限定所述组挠曲部136。狭缝134可沿着张开部分132的长度部分或完全地延伸，或甚至延伸到过渡部分133或纵向部分130中以限定预定长度的挠曲部136。尽管挠曲部136说明为沿着整个张开部分132均匀地隔开(参见图6)，但还可预期，挠曲部136可不均匀地隔开或设计为较大、较小、较宽、较薄，具有类似或相异长度，或以其它方式定向以适于特定接头组件86的特定需要。
尽管内部防护罩108已说明为连续内部防护罩，但应理解，内部防护罩108可替代地不接合或可包括多个零件。借助于另外非限制性实例，内部防护罩108可由多个弓形零件形成。此类弓形零件可以可操作方式连接在一起。
归因于在制造期间产生的失圆度错误、局部表面瑕疵和在操作期间的不对称热生长畸变，摩擦力存在于外部防护罩100与内部防护罩108之间的界面112处。这些畸变和瑕疵在制造过程期间难以量化和控制，且可能在界面处产生间隙，这可引起界面载荷和振动在系统内的不均匀分布。宏观水平的畸变和微观水平的瑕疵动态地更改内部防护罩108与外部防护罩100之间的界面处的表面交互几何构型，从而影响局部磨损和摩擦。动态负载和温度相依性改变对于每个组件是独特的，且可能难以测量和预测。
在外部防护罩100于内部防护罩108上的形成过程期间，可能形成残余界面预载。残余预载在张开管120的挠曲期间存储，所述张开管在外部防护罩100的形成期间被加负载。在移除用于外部防护罩的形成负载时，张开管120将回弹以使运动环128抵靠外部防护罩100的内表面102。此负载的量值取决于成形模具几何构型和内部防护罩几何构型的相关联预载。此外，所形成的推进负载和波纹管120的操作几何构型与操作压差和热生长有关。此类几何构型可在模具成形过程期间使用以将运动环128驱动到张开管120中。张开管120的弹簧元件被预加负载以维持运动环128与外部防护罩100的内表面102之间的接触。此交互产生零反冲界面。
在于界面112处使用类似热生长材料的情况下，压差负载主导这些效应。在波纹管120轴向膨胀时，界面112上的推进负载增大。表面瑕疵和成形畸变错误也促成了总体表面界面负载。总界面负载为这些效应的组合，且直接促成界面摩擦。
在操作期间，振动或热膨胀可引起接头组件86的部件的移动，包括波纹管120的压缩或膨胀。波纹管120实现放气管槽组件80的移动和挠曲，其中过大的系统刚性原本将导致管槽组件80的损坏或故障。然而，波纹管120并不为额外宏观水平畸变和微观水平瑕疵作准备，例如外部防护罩100与内部防护罩108之间的摩擦力的量值、外部防护罩100和内部防护罩108在制造期间的圆度错误、局部表面瑕疵，或接头组件86的不对称热生长。
挠曲部136减小外部防护罩100与内部防护罩108之间的最大摩擦力，所述摩擦力是归因于在制造过程期间的失圆度错误、局部表面瑕疵和外部防护罩100或内部防护罩108的不对称热生长畸变。内部防护罩108的柔性部分，具体地说是本文中所描述的挠曲部136，提供动态顺应性界面表面以解决这些宏观水平形状畸变和微观水平表面特征。顺应性挠曲部136添加独立的、动态更改的界面特征，其在外部防护罩100与内部防护罩108之间的界面112处连续地保持一致。集中峰值表面接触负载得以减小且分散，且与其它挠曲部136分担。另外，接头组件86的旋转刚度减小。
挠曲部136可作为偏置元件或弹簧而操作，从而以运动方式约束且动态地符合外部防护罩100与内部防护罩108之间的界面112。举例来说，挠曲部136可作为离散弹簧而操作，其可基于接头组件86基于宏观水平和微观水平畸变和瑕疵的局部移动或生长而挠曲。由此，内部防护罩108可动态地符合接头组件86在操作期间的局部改变，且挠曲部136减小管槽组件80的旋转或扭转刚度，从而实现接头组件86处的较大可变移动。
此外，挠曲部136最小化内部防护罩108与外部防护罩100之间的两个配合表面的残余界面失配。接头组件86可针对高循环疲劳而加以优化。可精确地控制内部防护罩108的宏观水平形状，包括但不限于，总指示偏摆(TIR)可小于.127毫米(0.005英寸)且表面将修整到作为非限制性实例小于16uin的粗糙度。摩擦系数与表面粗糙度直接相关。例如，添加合适表面处理物可用来进一步减小摩擦系数。另外或替代地，由石墨箔和浸渍铁丝网制成的一致性和顺应性界面模具成形层压体衬垫可固定到挠曲部136的界面表面。图7进一步说明此类衬垫或表面处理物140可包括在内部防护罩108的一部分上。或者，衬垫或表面处理物可提供在外部防护罩100的至少一部分上。
以上公开内容提供多种益处，包括可提供带波纹管的接头，所述接头添加顺应性以解决几何处理变化性和表面界面失配。沿着内部防护罩的膨胀周界包括独立挠曲元件缓解大部分处理人为效应和归因于压差量级的最大直接旋转刚度耦合效应。界面压力负载分布的均一性得以增大，且高局部表面负载和相关联摩擦力得以最小化。可利用界面处的材料的表面处理物或额外衬垫来减小界面处的摩擦系数。
在尚未描述的程度上，各种实施例的不同特征和结构可根据需要彼此组合使用。一个特征未在所有实施例中说明并不意味着被解释为它不能这样，而是为了简化描述才这样。因此，必要时可以混合和匹配不同实施例的各种特征以形成新的实施例，而无论是否已明确描述所述新的实施例。本发明涵盖本文所描述的特征的所有组合或排列。
本书面描述用实例来公开包括最佳模式的本发明，且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求限定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则此类其它实例希望在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于燃气涡轮发动机的放气管槽组件，包括：
第一管槽；
第二管槽；以及
接头组件，将所述第一管槽连接到所述第二管槽且包括：
外部防护罩，至少部分地限定所述接头组件的内部，
内部防护罩，至少部分地收纳在所述外部防护罩内且与其形成界面且限定所述接头组件的所述内部的其余部分，其中所述内部防护罩包括限定位于所述界面处的一组挠曲部的一组狭缝；以及
波纹管，安置在所述外部防护罩和内部防护罩内部且流体连接所述第一管槽与所述第二管槽。
2.根据权利要求1所述的放气管槽组件，其特征在于：所述内部防护罩进一步包括张开部分，且所述组狭缝沿着所述张开部分的长度的一部分延伸。
3.根据权利要求2所述的放气管槽组件，其特征在于：所述挠曲部均匀地隔开。
4.根据权利要求2所述的放气管槽组件，其特征在于：所述内部防护罩进一步包括过渡部分和纵向部分。
5.根据权利要求4所述的放气管槽组件，其特征在于：所述组狭缝延伸穿过所述张开部分的所述长度且进入所述过渡部分中。
6.根据权利要求1所述的放气管槽组件，其特征在于：所述组狭缝形成不同长度的挠曲部。
7.根据权利要求1所述的放气管槽组件，其特征在于：进一步包括将所述波纹管安装在所述接头组件的所述内部内的至少一个配件。
8.根据权利要求1所述的放气管槽组件，其特征在于：所述接头组件为球形接头组件。
9.根据权利要求1所述的放气管槽组件，其特征在于：所述外部防护罩和所述内部防护罩在所述界面处为球形。
10.一种接头组件，包括：
外部防护罩，至少部分地限定所述接头组件的内部，
内部防护罩，至少部分地收纳在所述外部防护罩内且与其形成界面且限定所述接头组件的所述内部的其余部分，其中所述内部防护罩包括处于所述界面处的柔性部分；以及
波纹管组件，安置在所述外部防护罩和内部防护罩内部。
11.根据权利要求10所述的接头组件，其特征在于：所述柔性部分包括一组均匀隔开的狭缝，所述狭缝包括于所述内部防护罩中且限定位于所述界面处的一组挠曲部。
12.根据权利要求11所述的接头组件，其特征在于：所述挠曲部被配置成在所述内部防护罩与所述外部防护罩之间的所述界面处均匀地分配负载。
13.根据权利要求11所述的接头组件，其特征在于：所述内部防护罩包括可操作地连接在一起的多个弓形零件。
14.一种接头组件，包括：
外部防护罩，至少部分地限定所述接头组件的内部，
内部防护罩，至少部分地收纳在所述外部防护罩内且与其形成界面且限定所述接头组件的所述内部的其余部分，其中所述内部防护罩包括限定位于所述界面处的一组挠曲部的一组狭缝；以及
波纹管组件，安置在所述外部防护罩和内部防护罩内部。
15.根据权利要求14所述的接头组件，其特征在于：所述内部防护罩进一步包括与所述外部防护罩形成界面的张开部分，且所述组狭缝沿着所述张开部分的长度的一部分延伸。
16.根据权利要求15所述的接头组件，其特征在于：所述内部防护罩进一步包括延伸经过所述外部防护罩的纵向部分和在所述纵向部分与所述张开部分之间的过渡部分。
17.根据权利要求16所述的接头组件，其特征在于：所述组狭缝延伸穿过所述张开部分的所述长度且进入所述过渡部分中。
18.根据权利要求14所述的接头组件，其特征在于：所述挠曲部均匀地隔开。
19.根据权利要求14所述的接头组件，其特征在于：进一步包括将所述波纹管组件安装在所述接头组件的所述内部内的至少一个配件。
20.根据权利要求14所述的接头组件，其特征在于：所述外部防护罩和所述内部防护罩在所述界面处相对为球形。
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