CN108884714B - 包括通风间隔件的涡轮转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮机(1)的构件(7)的转子(3)，例如涡轮(7)的转子，所述转子(3)包括：‑第一元件(30)，‑第二元件(20)，所述第二元件与所述第一元件一起限定出通风腔(9)，所述转子(3)的特征在于，所述转子进一步包括间隔件(40)，所述间隔件被引到并固定在第一元件(30)和第二元件(20)之间，并且包括一排贯通通道(42)，所述贯通通道被构造成允许冷却流体(F)注入到所述通风腔(9)中。

Description

包括通风间隔件的涡轮转子

技术领域

本发明一般涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及涡轮、例如涡轮机的低压涡轮的级的通风。本发明的应用领域是航空器涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨发动机以及工业燃气涡轮。

背景技术

涡轮机的一个示例如图1所示。

涡轮机1通常包括舱室，该舱室形成用于允许预定的空气流进入发动机本身中的开口。通常，气体通过涡轮机从上游流到下游。

通常，涡轮机包括用于对被允许进入发动机中的空气进行压缩的一个或多个部段4(通常是低压部段和高压部段)。如此压缩的空气被允许进入燃烧室5中并与燃料混合，然后在燃烧室中燃烧。

然后，源自该燃烧的热燃烧气体在不同的涡轮级中膨胀。第一次膨胀在在下游紧接燃烧室5的高压级6中完成，该燃烧室接收最高温度的气体。通过被引导通过称为低压级7的涡轮级，气体再次膨胀。

低压涡轮7或高压涡轮6通常包括一个或多个级，每个级由一排固定的涡轮轮叶(也称为分配器)构成，之后是一排移动式涡轮叶片，该涡轮叶片形成转子3。该分配器2使在燃烧室5处收集的气体以适当的角度和速度朝向可移动的涡轮叶片偏转，以便驱动这些移动式叶片和涡轮的转子旋转。

转子包括多个盘，例如四个盘，该盘通常包括诸如槽口的周向凹槽，移动式叶片在该周向凹槽中互锁。

涡轮的转子经受非常热的远大于转子的部件可承受的最大温度的热环境。

这就是转子通常包括附接到每个盘的毂部的旋转刀缘状密封环的原因，面向该密封环定位有具有钻孔的静止部分，该钻孔包括能够耐受高温的耐磨材料，以减少来自气流的热空气流与转子之间的对流交换。

此外还安装了特定于转子盘的通风设备，该通风设备包括在涡轮上游(通常在高压压气机4处)收集的加压空气流，该加压空气流被引入转子以便冷却转子盘，特别是冷却转子的槽口。

为此，在密封环的径向凸缘的下游面上周向地形成半月部(lunules)(或径向凹槽)，以便使加压空气流通过由下游盘的毂部和密封环界定的腔到达槽口。该半月部是相对于涡轮机的轴线X基本上径向延伸的凹陷部，并且该半月部通常被加工到密封环的质量中。作为变型，该半月部可以被直接加工到盘的质量中。然而，事实证明，半月部的生产是要极其仔细的并且不能被精确控制，因此必须使它们尺寸过大，以便保证使槽口的底部能够通风的最小横截面。

在实践中，实际上注意到校准的横截面的强烈分散，即由于半月部的几何形状及其复杂的生产而使槽口充分通风所需的半月部的最小横截面。事实上，这种分散可以在最小允许横截面和为半月部获得的横截面之间达到40％。目前还没有一种简单可靠的控制手段能够验证半月部的横截面足以使盘正确通风。

因此，通常通过增加半月部的标称横截面来使半月部的横截面尺寸过大，以保证盘的充分通风。然而，在涡轮上游收集的加压空气的量远大于必要的量，这大大降低了涡轮机的性能。

因此，在申请人名下的文献FR 3 019 584中提出了一种通风系统，该通风系统包括形成在两个相邻盘的连接处的通孔。然后，该通风系统的定尺寸部段对应于通孔的定尺寸部段，其比半月部更容易且更精确地产生。因此，该通风系统能够保证盘的充分通风，同时仍然限制为通风收集的空气流，从而改善涡轮机的性能。

然而，在使用过程中，事实证明，这种加工由于强大的离心力和热力而在盘中产生非常高的应力，这可能会限制这些部件的寿命，所述这些部件是至关重要的，因为它们对于涡轮机的正确操作是必要的。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提出机器的元件(诸如低压涡轮)的通风系统，其不会降低转子的寿命并且不会削弱它，同时仍然保证这些盘的充分通风和限制了为该通风收集的空气的流。

为此目的，本发明提出了一种涡轮机构件的转子，例如涡轮转子，所述转子包括：

-第一元件，

-第二元件，所述第二元件与所述第一元件一起限定出通风腔，和

-间隔件，所述间隔件被施加和附接在所述第一元件和所述第二元件之间，并且包括一系列贯通通道，所述贯通通道被构造成允许冷却流体注入到通风腔中。

间隔件包括径向外部边缘和径向内部边缘，所述径向外部边缘通向通风腔，所述径向内部边缘在与通风腔隔开一距离处通向第一元件。每个通道包括贯通开口，该贯通开口形成在间隔件中并且在与通风腔隔开一距离处通向第一元件。凹槽在贯通开口和径向外部边缘之间延伸，贯通开口的横截面大于凹槽的横截面。

上述转子的某些优选但非限制性的特征如下，这些特征可被单独或组合使用：

-间隔件是环形的，并且所述间隔件被施加并附接在内部径向凸缘和第一元件之间，

-间隔件是不连续的并且包括附接在内部径向凸缘和第一元件之间的多个子部件，这些通道通过在两个相邻的子部件之间留出间隔而获得，

-第一元件包括环形盘，该环形盘包括毂部和周缘，所述周缘被构造成接纳构件的叶片，

-第二元件包括密封环，该密封环包括附接到毂部的内部径向凸缘和与周缘接触的外部径向凸缘，密封环与盘一起限定出周缘的通风腔，

-每个通道的贯通开口在与通风腔隔开一距离处通向毂部，

-径向内部边缘通向毂部，

-凹槽是贯通凹槽，

-在第二元件中形成一系列的半月部(lunules)，并且间隔件附接在第一元件和第二元件之间，使得通道面向所述半月部，

-在密封环的内部径向凸缘中形成一系列的半月部，并且间隔件被附接在毂部和内部径向凸缘之间，使得通道面向所述半月部，

-密封环的内部径向凸缘是弯曲的并包括与外部径向凸缘相邻的轴向部分，间隔件是弯曲的并包括肩部，该肩部形成为面向内部径向凸缘的轴向部分，并且通道的凹槽延伸至间隔件的肩部，和/或

-内部径向凸缘包括一系列凸片并通过所述凸片连接到毂部上，并且间隔件被附接到内部径向凸缘上，使得通道在两个相邻的凸片之间延伸。

根据第二方面，本发明还提出了一种涡轮，特别是涡轮机的低压涡轮，该涡轮包括如上所述的转子。

附图说明

通过阅读下面的详细描述并参考通过非限制性示例给出的附图，本发明的其他特征、目的和优点将更清楚地显现，并且在附图中：

图1示出了本发明适用的涡轮机的示例，

图2是根据本发明的转子的第一实施例的盘的剖视图，

图3是根据本发明的转子的第二实施例的盘的剖视图，

图4是可以用在图3的转子中的360°间隔件的实施例的透视图，

图5a是图4的间隔件的局部透视图，从间隔件的下游面观察，该间隔件位于示例密封环上，

图5b是图5a的组件的上游面的视图，

图6是位于示例密封环上的在小于360°的角扇区中的间隔件的另一实施例的透视图。

具体实施方式

本发明将最特别参考低压涡轮7进行描述，该低压涡轮包括沿涡轮机1的旋转轴线X交替的一系列分配器2(或定子)，以及转子3的一系列移动3的盘30。然而，这不是限制性的，因为涡轮7可包括不同数量的级，并且还发现本发明可应用于涡轮喷气发动机的构件的任何转子中，该转子包括第一元件和第二元件，该第二元件与该第一元件一起限定通风腔，该任何转子例如是(可以是单级或多级)高压涡轮6的转子或甚至是高压压气机或低压压气机的转子。

涡轮7通常包括一个或多个级(参见图1)，每个级包括分配器2和之后的转子3(或移动轮)。

转子3具有回转轴线X，该回转轴线对应于涡轮机1的主轴线，并且转子包括多个盘30，例如四个盘30，该多个盘各自包括沿着轴线X的方向朝向内部径向延伸的毂部31。在毂部31的周缘33中形成有诸如槽口32的外周凹槽，可移动的叶片34在该外周凹槽中互锁。

转子3的不同的盘30特别可以通过螺栓连接同轴地组装。转子3的每个盘30可以通过套管36连接到相邻的盘30。

例如，如图2和图3所示，第二盘和第三盘30(沿气体在涡轮机中的流动方向)各自都包括套管36，该套管从其下游径向面延伸并且附接到在下游紧邻的盘30(即分别为第三盘和第四盘30)。因此，该套管36与在下游紧邻的毂部31一起界定径向内部腔。套管36尤其可以通过螺栓连接进行附接。

在下文中，将结合涡轮7的第二盘和第三盘30描述本发明。然而，本发明适用于涡轮7的所有盘30，更具体地说，适用于介于涡轮7的第一盘30和最后一个盘30之间的盘，因为这些盘都通过该上游盘30的套管36连接到在下游紧邻的盘30。

提供盘30的周缘33的冷却空气通道F的密封的环形密封环20也附接到每个盘。在一个实施例中，密封环20还可确保可移动叶片的下游侧与上游紧邻的固定轮叶的上游侧之间的密封。为此，对于给定的盘30，密封环20包括内部径向凸缘22和外部径向凸缘24，该内部径向凸缘附接到盘30的毂部31，外部径向凸缘与该盘30的周缘33接触。因此，密封环20的内部径向凸缘22和外部径向凸缘24与该盘30一起限定出盘30的周缘33的通风腔9。

密封环20可以以传统方式包括刀缘。

在图中所示的示例性实施例中，第三盘30的密封环20的内部径向凸缘22附接在第二盘30的套管36和第三盘30的毂部31之间。

在一个实施例中，第二盘30的套管36可包括相对于轴线X的基本上轴向部分36a和相对于轴线X的径向部分36b，该轴向部分朝向第三盘30延伸并界定内腔8，该径向部分对应于套管36的自由端部并且附接到第三盘30的毂部31。

为了使转子3的盘30的周缘33通风，可以在涡轮7的上游、通常在涡轮机1的高压压气机4处收集加压空气流F，并将该加压空气流引入到其周缘33的槽口32中以便冷却盘30。为此目的，转子3包括用于每个盘30的通风系统，该通风系统被适配成使径向内部腔8和通风腔9进入流体连通。

为此，转子3包括环形间隔件40，该环形间隔件被施加并附接在密封环20的内部径向凸缘22和盘30的毂部31之间，该间隔件包括一系列轴向贯通通道42，该贯通通道被构造成允许将起始自径向内部腔8的冷却流体F注入到通风腔9中。

通道42从环形间隔件40的径向内部区域(邻近轴线X)朝向径向外部区域(该径向外部区域在第一元件包括毂部30时邻近周缘33)相对于轴线X基本上至少部分地径向地延伸。因此，通道52形成冷却流体F从径向内部腔8到通风腔9的流通槽道。事实上，密封环20在第一元件(在本文中是毂部31)上的附接是密封的，使得加压空气F的流只能遵循由此形成的流通槽道。

因此，所施加的间隔件40的附接允许精确校准引入到通风腔9中的冷却流体F(加压空气)的量，通道42可在与制造盘30不同而且并不必须对盘30(或密封环20)进行机加工的步骤期间例如通过机加工来制造。因此，通道42不再构成盘30的薄弱区域，这使得能够增加盘的寿命，同时确保盘被适当地冷却。

这种间隔件40的实施还使得能够显著降低转子3的制造成本，因为它允许限制甚至消除使周缘33通风的需要并且对该通风进行控制特别昂贵。而且，间隔件40易于生产并且成本较低。最后，可选地，间隔件40允许调节每个通道42处的通风流的横截面。

间隔件40例如可以通过螺栓连接(螺钉和螺母系统35)固定在毂部31上并且借助于形成在所述内部径向凸缘22中的附接孔22c通过螺栓连接固定在内部径向凸缘22上。这种附接方式特别是当内部径向凸缘22本身通过螺栓连接附接到毂部31时会是有利的，在这种情况下，足以将间隔件40插在内部径向凸缘22和毂部31之间。

作为变型，间隔件40可以通过过盈配合、螺纹连接、夹持等方式附接。

如图6所示，在第一实施例中，间隔件40可以是不连续的并且包括多个子部件40'，该多个子部件通常在每个螺栓连接点处分别附接在密封环20的内部径向凸缘22和毂部31之间。在这种情况下，子部件40'被附接以便在两个相邻的子部件40'之间提供间隔E，所述间隔E限定了用于将冷却流体F从径向内部腔8注入通风腔9中的通道42。子部件40'可以具有相同的形状和尺寸，或者作为变型，子部件可以是不同的，以便根据具体情况调节所需的通风流速。

作为变型，在图4所示的第二实施例中，间隔件40可以是连续的，即单一部件，并且如果合适的话，该间隔件形成为一体件(如图4、图5a和图5b中特别示出的)。在这种情况下，通道42例如通过机加工、钻孔等形成在间隔件40中。

如图5a所示，每个通道42可包括轴向贯通开口43和凹槽44，轴向贯通开口形成在间隔件40中并且通向内部腔8，即，位于毂部31处并且与通风腔9隔开一距离(径向朝向转子的轴线X)，该凹槽从开口43相对于轴线X基本上径向地延伸并通向通风腔9。

更确切地说，间隔件40包括通向通风腔9的径向外部边缘46和在毂部31处通向内部腔8的径向内部边缘45。于是，贯通开口43形成在与两个边缘45、46隔开一距离处，而凹槽44形成在开口43和径向外部边缘46之间。

凹槽44的横截面被选择成通过收集涡轮7上游的最小空气流来允许转子3的盘30的充分通风，从而不会有损涡轮机的效率。因此，凹槽44的横截面是定尺寸的(校准的)。开口43的横截面被简单地选择为大于凹槽44的横截面，以确保在内部腔8中充分收集冷却流体F。此外，可选地，该横截面也可以被选择成保持小于面对的内部径向凸缘22中的孔的横截面，以便限制在将螺钉组装到孔中时的误差风险。因此，横截面较小的开口43可以用作防错部。开口43还允许减小应力。实际上，这些开口43对应于排泄孔。由于开口的半径，开口还允许通过使应力流逐渐偏转来减小在间隔件40中循环的切向机械应力(主要在旋转部件中)。实际上，在边缘突断裂的情况下，流非常快速地偏转，这产生相当大的机械应力，使得对部件的寿命是不利的。应注意，特别是在图4的实施例中存在这样的形状：其中间隔件40是以360°连续的一体式部件。另一方面，如果间隔件40符合图6中所示的实施例，则这些开口43不是必需的。

根据盘30(第二盘30、第三盘30等)的相应的级、涡轮7的温度、通过涡轮机的空气流的流速等来选择凹槽44的横截面。该选择是本领域技术人员的一般工作的一部分，在本文将不作进一步详述。

凹槽44的横截面可以是矩形的。与难以加工和复制的具有半径的半月部相比，这样的截面事实上易于生产。此外，凹槽44可仅包括凹部(单个凹槽44)或由多个平行或不平行的凹部(多个凹槽44)组成。

贯通开口43可具有圆形横截面。事实上，已证明，当开口是圆形的时目前容易控制开口的横截面，因为这足以确定开口直径。

然而，这不是限制性的，凹槽44和贯通开口43能够具有不同的横截面(三角形、椭圆形或任何其他截面形状)。

凹槽44可以是贯通型，或者作为变型，是盲型的。

可选地，密封环20的内部径向凸缘22可包括基本上环形的条带22a(图5b)，从该条带延伸出一系列用于将密封环20附接到毂部31上的凸片22b或凸耳。在一个实施例中，条带22a和突片22b是一体件并且由单个部件制成。密封环20可以用螺栓固定到毂部31上，在这种情况下，每个凸片22b包括通孔22c，该通孔被构造成接纳该附接系统的一个轴柄。

然后，间隔件40可以旨在内部径向凸缘22和毂部31之间附接到盘30，使得通道42的每个开口43位于两个相邻的凸片22b之间。在该示例性实施例中，通道42的开口43因此从两侧通向内部腔8中。

在图中所示的示例性实施例中，密封环20在外部径向凸缘24和内部径向凸缘22之间包括基本上轴向的凸缘23，该基本上轴向的凸缘与内部径向凸缘22一起形成肘状弯部。此外，毂部31包括在该轴向凸缘23处的环形突起38，该环形突起面向(图2)并且抵靠(图3)所述轴向凸缘23。

在这种情况下，间隔件40还包括弯曲部分48，该弯曲部分的形状和尺寸分别对应于密封环20的弯曲部的形状和尺寸，以具有内部径向凸缘22的形状和轴向凸缘23的形状并至少部分地覆盖轴向凸缘23。因此，这种结构允许将冷却流体F引入通风腔9中，尽管存在毂部31的环形突起38(参见图2和图3)。为此，间隔件40可包括沿着内部径向凸缘22附接的环形板47，和从环形板47延伸以便面向轴向凸缘23的肩部48。间隔件40的径向外部边缘46于是对应于肩部48的边缘并且面向轴向凸缘23的径向外部表面延伸，使得通道42实际上通向通风腔9。因此，在通道42包括凹槽44的情况下，所述凹槽44可以在间隔件40的环形板47和肩部48中形成并且如果合适的话，延伸到间隔件的边缘46。

可选地，参与冷却流体F注入通风腔9的半月部26(图3和5a)也可以形成在密封环20中，更确切地说，形成在密封环20的面向间隔件40的部分中。

这些半月部26(lunules)于是可以具有比间隔件40的通道42的横截面更大的横截面，从而增加它们的制造公差。然后是针对通过半月部26注入到通气腔9中的冷却流体F的量对在间隔件40中形成的通道42的横截面定尺寸(或校准)。然后，半月部26的横截面可以被选择成大于通道42的横截面，以便使加压空气F从通道42流到通风腔9。

半月部26形成在内部径向凸缘22的下游面中(图5a)。

当密封环20包括轴向凸缘23时，半月部26也可以形成在轴向凸缘23中，以便通向通风腔9并允许冷却流体F的通道42。

在这种情况下，间隔件40可以仅沿内部径向凸缘22延伸并且基本上是平的，或者包括弯曲部分(肩部48)，该弯曲部分的形状对应于密封环20的弯曲部的形状。

可以通过在内部径向凸缘22(并且如果合适的话，为轴向凸缘23)的质量中进行铣削来获得半月部26。

间隔件40可包括防旋转抵接部，该防旋转抵接部被构造成防止间隔件40(或间隔件40的子部件40')在转子3的操作期间旋转。例如，在间隔件40包括肩部48的情况下，所述肩部48能够限制间隔件40的径向运动并因此形成防旋转抵接部。

可选地，间隔件40可具有以下特征中的一个或多个：

-可以将补充加工应用于间隔件40，以便满足质量增加目的。

-可以用间隔件40形成被构造成减小间隔件40内的应力的扇贝形或任何其他形状，

-通道42可以在相同的间隔件40内具有不同的横截面，以便根据它们围绕转子3的轴线X的角位置来改变注入到通风腔9中的空气的量。例如，当密封环30的附接螺栓20在毂部31上的的分布是不均匀的或者如果转子3的通风规格改变时，这样的构造可以证明是值得的。

-间隔件40可以具有多个级，即包括一个抵靠另一个放置以便叠覆的多个板。

-当间隔件40由镍基超合金类型的材料制成时，该间隔件可以是薄的并且具有约1mm的厚度。然后容易将间隔件插入在径向凸缘和毂部31之间，这占用很小的空间并且不会对转子3的总质量不利。

应注意，本发明的通风间隔件40可应用于涡轮机的需要校准通风的其他部件，并且不限于其应用于涡轮的转子。

Claims (9)

1.一种涡轮机（1）的构件（7）的转子（3），所述转子（3）包括：

- 第一元件（30），

- 第二元件（20），所述第二元件与所述第一元件一起限定通风腔（9），和

- 间隔件（40），所述间隔件被施加并附接在所述第一元件（30）和所述第二元件（20）之间，并且包括一系列贯通通道（42），所述贯通通道被构造成允许冷却流体（F）注入到所述通风腔（9）中，

所述转子（3）的特征在于，所述间隔件（40）包括径向外部边缘（46）和径向内部边缘（45），所述径向外部边缘通向所述通风腔（9），所述径向内部边缘在与所述通风腔（9）隔开一距离处通向第一元件（30），每个贯通通道（42）包括贯通开口（43）和凹槽（44），所述贯通开口形成在所述间隔件（40）中并且在与所述通风腔（9）隔开一距离处通向所述第一元件，所述凹槽在所述贯通开口（43）和所述径向外部边缘（46）之间延伸，所述贯通开口（43）的横截面大于所述凹槽（44）的横截面，

其中，在所述第二元件（20）中形成一系列半月部（26），并且所述间隔件（40）被附接在所述第一元件（30）和所述第二元件（20）之间，使得贯通通道（42）面向所述半月部（26），以及

所述一系列半月部（26）的横截面大于所述间隔件（40）的贯通通道（42）的横截面，

其中，所述第一元件（30）包括环形盘（30），所述环形盘包括毂部（31）和周缘（33），所述周缘（33）被构造成接纳所述构件的叶片（34），

其中，所述第二元件（20）包括密封环（20），所述密封环包括附接到所述毂部（31）的内部径向凸缘（22）和与所述周缘（33）接触的外部径向凸缘（24），所述密封环（20）与所述盘（30）一起限定出所述周缘（33）的所述通风腔（9），

其中，每个贯通通道的所述贯通开口（43）在与所述通风腔（9）隔开一距离处通向所述毂部（31），

其中，所述径向内部边缘（45）通向所述毂部（31），以及

其中，所述密封环（20）的所述内部径向凸缘（22）是弯曲的并包括与所述外部径向凸缘（24）相邻的轴向部分（23），

所述间隔件（40）是弯曲的并包括肩部（48），所述肩部被形成为面向所述内部径向凸缘（22）的所述轴向部分（23），并且

所述贯通通道（42）的所述凹槽（44）延伸到所述间隔件（40）的所述肩部（48）。

2.根据权利要求1所述的转子，其中，所述间隔件（40）是环形的，并且其中，所述间隔件（40）被施加并附接在所述内部径向凸缘（22）和所述第一元件（30）之间。

3.根据权利要求1或2所述的转子（3），其中，所述间隔件（40）是不连续的，并且包括附接在所述内部径向凸缘（22）和所述第一元件（30）之间的多个子部件（40'），通过在两个相邻的子部件（40'）之间留下间隔（E）来获得所述贯通通道（42）。

4.根据权利要求1所述的转子（3），其中，所述凹槽（44）是贯通凹槽。

5.根据权利要求1或2所述的转子（3），其中，在所述密封环（20）的所述内部径向凸缘（22）中形成一系列半月部（26），并且所述间隔件（40）被附接在所述毂部（31）和所述内部径向凸缘（22）之间，使得所述贯通通道（42）面向所述半月部（26）。

6.根据权利要求1或2所述的转子（3），其中，所述内部径向凸缘（22）包括一系列凸片（22b），并通过所述凸片（22b）附接到所述毂部（31），并且其中，所述间隔件（40）被附接到所述内部径向凸缘（22），使得所述贯通通道（42）在两个相邻的凸片（22b）之间延伸。

7.根据权利要求1所述的转子（3），其中，所述转子为涡轮的转子。

8.涡轮（7），所述涡轮包括根据权利要求1至7中任一项所述的转子（3）。

9.根据权利要求8所述的涡轮（7），所述涡轮是涡轮机的低压涡轮。

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