CN109690028A - 涡轮机定子行进波抑制件 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机组件包括包围转子(44)的环形定子(59)，转子围绕中心线轴线而包绕且可围绕其旋转。一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形加强件(60)围绕定子而设置在定子上，且可为螺旋形的。非轴对称的部分弧形的环形的圆形加强件可围绕圆周的三分之一到一半而延伸、为空心的，且定位在转子的一个或多个叶片级上。一个或多个环形中跨凸缘(70)可附连到定子，且沿轴向定位在空心的部分弧形的环形的圆形加强件内。一个或多个质量块或外部构件可在部分弧形的环形的圆形加强件的端部之间附连到一个或多个环形中跨凸缘中的至少一个或定子。环形定子和转子可具有引起与转子一起旋转的旋转定子波的匹配的频率。定子可为包围风扇转子的风扇壳体或包围迷宫式密封齿的迷宫式密封台(92)。

Description

涡轮机定子行进波抑制件
政府利益
本发明是根据国防部的政府合同No. FA8650-09-D-2922而在政府支持下作出的。政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
本发明大体上涉及包围转子的涡轮机定子(诸如壳体)，并且更具体地涉及设计成通过抑制定子中的行进波来抑制转子与定子之间的破坏性模态相互作用的结构。
背景技术
诸如燃气涡轮发动机的涡轮机可用于发电，且可用于飞行器和船舶推进以及其它应用。涡轮机和其它机器结合在周围具有定子的情况下自旋或旋转的转子，诸如在为定子的风扇壳体内旋转的飞行器燃气涡轮发动机风扇转子。如果转子和定子具有匹配的频率且定子波与转子一起旋转或行进，则由于转子在定子上摩擦而引起的相互作用可引起不稳定的共振。用以避免该问题的一种设计将360度加强环或肋添加到定子，从而使共振移动到运行转子速度以上。
美国专利No. 8684671声明，在现有技术中已知通过周向加强件来加强壳体，以便增加壳体中的旋转波的传播速度。8684671教导了一种形成连续的环形环的涡轮机壳体，环形环围绕叶片轮延伸超过360度，且用作用于旋转波的传播介质，各旋转波由相同频率的两个驻波产生，并且壳体在其外围处包括至少一个纵向加强件，纵向加强件定尺寸且定位成使得将至少一个给定旋转波的两个驻波的频率分开。
然而，对壳体进行加强可能是不够的，或这可导致增加壳体上的材料的厚度，在要满足的重量和/或空间需求方面，增加厚度是不可接受的。
360度加强肋较大，且占据了发动机外部硬件或外部构件通常所需要的重量和宝贵空间。期望使用较轻的重量和较小的结构来避免与行进波相关联的共振问题。
发明内容
一种涡轮机组件包括包围转子的环形定子，转子和定子围绕中心线轴线而包绕。转子可围绕中心线轴线旋转，并且一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形或螺旋形加强件围绕定子而设置在定子上。
一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形加强件可为空心的。一个或多个环形中跨凸缘可围绕定子而设置且附连到定子。诸如涡轮机外部构件的一个或多个质量块可在部分弧形的环形的圆形加强件的周向端部之间附连到定子，或附连到一个或多个环形中跨凸缘中的至少一个。定子可在定子的前凸缘与后凸缘之间沿轴向延伸。
部分弧形的环形的圆形加强件可围绕定子的圆周的大约三分之一到一半而延伸。部分弧形的环形的圆形加强件可定位在转子的一个或多个叶片级上。中跨凸缘可沿轴向定位在空心的部分弧形的环形的圆形加强件内。
环形定子和转子具有匹配的频率，匹配的频率引起与转子一起旋转或行进的旋转定子波。环形定子可由复合材料制成。
飞行器燃气涡轮发动机可结合包围风扇转子的作为环形定子的环形风扇壳体，以及围绕风扇壳体且在风扇壳体上的一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形或螺旋形加强件。
一种飞行器燃气涡轮发动机包括：定子，其具有安装到非旋转壳体的迷宫式密封台；迷宫式密封齿，其安装在转子上而与迷宫式密封台成密封关系；以及围绕非旋转壳体且在非旋转壳体上的一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形或螺旋形加强件。
附图说明
在说明书的结束部分中特别地指出且清楚地要求保护被看作本发明的主题。根据优选的且示例性的实施例，在结合附图得到的以下详细描述中描述了本发明及其进一步的目的和优点，在附图中：
图1是飞行器燃气涡轮发动机的示例性实施例的纵向简图图示，该飞行器燃气涡轮发动机在风扇壳体上具有示例性非轴对称结构，其在本文中示出为非轴对称的肋加强件。
图2是飞行器燃气涡轮发动机的示例性实施例的纵向截面简图图示，该飞行器燃气涡轮发动机在风扇壳体上具有示例性非轴对称结构，其在本文中示出为包围图1中示出的风扇转子的非轴对称的肋加强件。
图3是具有如图2中示出的非轴对称的肋加强件的示例性定子壳体的透视图图示。
图4是安装在图3中示出的定子壳体上的外部构件的示意性简图图示。
图5是具有非轴对称的螺旋肋加强件的第二示例性定子壳体的透视简图图示。
图6是安装到非旋转壳体的示例性迷宫式密封台和安装在壳体上的非轴对称的肋加强件的纵向简图图示。
具体实施方式
图1中示出的是示例性涡轮机，该涡轮机示出为围绕发动机中心线轴线12而包绕的飞行器涡扇燃气涡轮发动机10。发动机10大体上代表涡轮机8，且包括成向下游的串行流连通的风扇区段14、高压压缩机16、燃烧器18、高压涡轮(HPT)20和低压涡轮(LPT)22。HPT或高压涡轮20通过高压驱动轴21连结到高压压缩机16。LPT或低压涡轮22通过低压驱动轴23连结到风扇区段14。紧靠在风扇区段14的后面包围高压压缩机16的分流器24将由风扇区段14加压的风扇空气26分成被导引通过高压压缩机16的为核心空气流15的径向内部流，以及被导引通过旁通管28的为旁通空气流17的径向外部流，旁通管28包围高压压缩机16、燃烧器18、高压涡轮20和低压涡轮22。来自低压涡轮22的废气30以及旁通空气流17被引导至废气区段32中，且然后被引导至废气喷嘴34中。
进一步参照图2，示例性风扇区段14包括风扇转子44，风扇转子44具有各包含成圆形排的风扇叶片42的第一风扇叶片级36、第二风扇叶片级38和第三风扇叶片级40。围绕发动机中心线轴线12而包绕的环形风扇壳体58包围风扇叶片级，并且可在图3中示出的环形风扇壳体58的前凸缘55与后凸缘57之间沿轴向延伸。风扇壳体58可被称为定子59，定子59包围转子44，从而部分地形成组件69。风扇壳体58或定子59可由复合材料或金属材料制成，并且包括分别背离转子44和面向转子44的径向外侧61和径向内侧63。由于转子在定子上摩擦，故转子和壳体的组件可经历相互作用。如果转子和定子具有引起可与转子一起旋转或行进的定子波的匹配的频率，则摩擦可引起不稳定的共振。
参照图2和图3，在本文示出的示例性涡轮机8和发动机10中，第一风扇叶片级36、第二风扇叶片级38和第三风扇叶片级40的风扇叶片42可抵靠着在本文中示出为风扇壳体58的定子59而摩擦。如图4中示出的那样，风扇壳体58上的包括部分弧形的环形的圆形加强件60和诸如发动机外部构件64的质量块的非轴对称结构定位在壳体58或定子59的径向外侧61上。风扇壳体58或定子59上的这些非轴对称结构提供涡轮机定子行进波抑制件。部分弧形的环形的圆形加强件60提供用以将外部构件64定位在部分弧形的环形的圆形加强件60中的各个的周向端部66之间的空间。
部分弧形的环形的圆形加强件60可为空心的，以减轻重量，且还提供用以围绕壳体放置环形中跨凸缘70的空间，并且环形中跨凸缘70用于将外部构件64和其它质量块紧固到壳体58。环形中跨凸缘70可沿轴向定位在空心的部分弧形的环形的圆形加强件60内。部分弧形的环形的圆形加强件60提供对行进波的阻止作用中的大部分，并且定位在壳体58或定子59上的诸如发动机外部构件64的质量块也可用于协助该阻止，这取决于这些质量块的尺寸以及它们的周向位置。
部分弧形的环形的圆形加强件60主要阻止或抑制定子59或壳体58中的行进波。质量块和外部构件以及它们的周向位置也可在较小程度上用于阻止或抑制定子59或壳体58中的行进波。一个实验模型在第一风扇叶片级36和第二风扇叶片级38上使用围绕壳体58的第一部分弧形的环形加强件80和第二部分弧形的环形加强件82，第一风扇叶片级36和第二风扇叶片级38包含风扇叶片42的第一圆形排84和第二圆形排86。第一部分弧形的环形加强件80和第二部分弧形的环形加强件82围绕壳体58的圆周88的大约三分之一到一半而延伸。我们发现这强到足以阻止或抑制N=3-8行进波。
通常存在安装在风扇定子59或壳体58上的具有显著质量的外部构件64。图4示出了若干外部构件64(诸如用于示例的油箱)的示例性圆形位置。我们发现它们也可阻止或抑制行进波。但是，取决于这些质量块的尺寸以及周向位置，它们不一定成功地使所有振型N=3-8停止旋转。这些外部构件可沿周向配合在围绕图3和图4中示出的壳体58的第一部分弧形的环形加强件80和第二部分弧形的环形加强件82的周向端部66之间。
与图3中示出的圆形的部分弧形的环形的圆形加强件60相比，图5示出了部分弧形的环形的螺旋形加强件90。部分弧形的环形的螺旋形加强件90是在风扇壳体58上示出的非轴对称的部分弧形的环形加强件。图6示出了围绕包围转子98的定子59的部分弧形的环形的圆形加强件60的另一实施例。图6示出了围绕发动机中心线轴线12而包绕的迷宫式密封组件78。迷宫式密封组件78包括定子59，定子59具有安装到非旋转壳体96的迷宫式密封台92，至少一个部分弧形的环形加强件94围绕非旋转壳体96。部分弧形的环形加强件94示出为与非旋转壳体96成一体或与非旋转壳体96整体式地形成。迷宫式密封齿100安装在转子98上而与迷宫式密封组件78中的迷宫式密封台92成密封关系。由于转子在定子上摩擦，故迷宫式密封组件可经历相互作用。如果转子和定子具有引起可与转子一起旋转或行进的定子波的匹配的频率，则摩擦可引起不稳定的共振。
尽管本文描述了被认为是本发明的优选的且示例性的实施例的内容，但根据本文的教导，本发明的其它改型对本领域技术人员将是显而易见的，且因此期望在所附权利要求书中保护如落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的改型。因此，期望由美国专利证书保护的内容是如在所附权利要求书中限定和区分的本发明。

Claims (24)

1.一种涡轮机组件，其包括：
包围转子的环形定子，
所述定子和所述转子围绕中心线轴线而包绕，
所述转子可围绕所述中心线轴线旋转，以及
围绕所述定子且在所述定子上的一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形或螺旋形加强件。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括：所述一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形加强件为空心的。
3.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括围绕所述定子且附连到所述定子的一个或多个环形中跨凸缘。
4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括一个或多个质量块，所述一个或多个质量块在所述部分弧形的环形的圆形加强件的周向端部之间附连到所述定子，或附连到所述一个或多个环形中跨凸缘中的至少一个。
5.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述一个或多个质量块包括一个或多个涡轮机外部构件。
6.根据权利要求5所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括：所述定子在所述定子的前凸缘与后凸缘之间沿轴向延伸。
7.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括：所述一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形加强件中的一个或多个围绕所述定子的圆周的大约三分之一到一半而延伸。
8.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括一个或多个质量块和/或一个或多个涡轮机外部构件，其在所述部分弧形的环形的圆形加强件的周向端部之间附连到所述定子，或附连到所述一个或多个环形中跨凸缘中的至少一个。
9.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括：所述一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形加强件中的一个或多个定位在所述转子的一个或多个叶片级上。
10.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括：所述一个或多个环形中跨凸缘沿轴向定位在空心的部分弧形的环形的圆形加强件内。
11.根据权利要求9所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括一个或多个质量块和/或一个或多个涡轮机外部构件，其在所述部分弧形的环形的圆形加强件的周向端部之间附连到所述定子，或附连到所述一个或多个环形中跨凸缘中的至少一个。
12.根据权利要求11所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括：所述一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形加强件中的一个或多个围绕所述定子的圆周的大约三分之一到一半而延伸。
13.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括：所述环形定子和所述转子具有匹配的频率，所述匹配的频率引起与所述转子一起旋转或行进的旋转定子波。
14.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括：所述环形定子由复合材料或金属材料制成。
15.一种飞行器燃气涡轮发动机，其包括：
包围风扇转子的环形风扇壳体，
所述壳体和所述转子围绕中心线轴线而包绕，
所述转子可围绕所述中心线轴线旋转，以及
围绕所述壳体且在所述壳体上的一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形或螺旋形加强件。
16.根据权利要求15所述的发动机，其特征在于，所述发动机进一步包括：所述一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形加强件为空心的。
17.根据权利要求16所述的发动机，其特征在于，所述发动机进一步包括围绕所述壳体且附连到所述壳体的一个或多个环形中跨凸缘。
18.根据权利要求17所述的发动机，其特征在于，所述发动机进一步包括一个或多个质量块或发动机外部构件，其在所述部分弧形的环形的圆形加强件的周向端部之间附连到所述壳体，或附连到所述一个或多个环形中跨凸缘中的至少一个。
19.根据权利要求18所述的发动机，其特征在于，所述发动机进一步包括：所述一个或多个环形中跨凸缘沿轴向定位在空心的部分弧形的环形的圆形加强件内。
20.根据权利要求18所述的发动机，其特征在于，所述发动机进一步包括：所述一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形加强件中的一个或多个围绕所述壳体的圆周的大约三分之一到一半而延伸。
21.根据权利要求15所述的发动机，其特征在于，所述发动机进一步包括：所述环形壳体和所述转子具有匹配的频率，所述匹配的频率引起与所述转子一起旋转或行进的旋转定子波。
22.根据权利要求15所述的发动机，其特征在于，所述发动机进一步包括：所述环形定子由复合材料制成。
23.根据权利要求17所述的发动机，其特征在于，所述发动机进一步包括：所述一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形加强件中的一个或多个定位在所述转子的一个或多个叶片级上。
24.一种飞行器燃气涡轮发动机，其包括：
定子，其包括安装到非旋转壳体的迷宫式密封台，
迷宫式密封齿，其安装在转子上而与所述迷宫式密封台成密封关系，以及
围绕所述非旋转壳体且在所述非旋转壳体上的一个或多个非轴对称的部分弧形的环形的圆形或螺旋形加强件。
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