CN110506150A - 涡轮发动机和制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮发动机，其包括：转子组件，其包括多个转子叶片；外壳，其从多个转子叶片沿径向向外定位；以及环形圈，其联接到外壳，并且定位于多个转子叶片与外壳之间。环形圈构造成限制外壳朝向多个转子叶片的热收缩。

Description

涡轮发动机和制造方法
技术领域
本公开大体上涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及限制涡轮发动机的外壳相对于转子组件的热收缩的系统和方法。
背景技术
至少一些已知的燃气涡轮发动机(诸如，飞行器发动机)包括围绕涡轮发动机的转子组件沿周向延伸的发动机壳体。例如，已知的转子组件包括从叶片根部沿径向向外延伸的至少一排转子叶片，并且，转子叶片包括接近涡轮发动机的定子组件而经过的叶片末梢。径向末梢空隙限定于旋转的叶片末梢与环绕转子组件的固定构件之间。
在发动机操作的期间，涡轮发动机中的热环境的变化可引起转子组件和定子组件的热膨胀或热收缩。这样的热膨胀或热收缩可能并非在量值或速率上均一地发生。因此，可发生转子叶片末梢与周围的固定构件之间的意外的摩擦。此外，可在转子叶片末梢与周围的固定构件之间产生比可接受的设计空隙更宽的径向空隙。意外的摩擦和更宽的空隙可对发动机性能造成不利影响。
发明内容
在一个方面，提供了一种涡轮发动机。涡轮发动机包括：转子组件，其包括多个转子叶片；外壳，其从多个转子叶片沿径向向外定位；以及环形圈，其联接到外壳，并且定位于多个转子叶片与外壳之间。环形圈构造成限制外壳朝向多个转子叶片的热收缩。
在另一方面，提供了一种制造涡轮发动机的方法。该方法包括使环形圈定位于外壳的径向内侧上，其中，外壳构造成围绕涡轮发动机的转子组件沿周向延伸。该方法进一步包括对环形圈预加应力，使得在外壳上沿沿径向向外的方向引起阻力，并且使得外壳的热收缩受到限制。
在又一方面，提供了一种涡轮发动机。涡轮发动机包括：风扇组件，其包括多个风扇叶片；风扇壳，其从多个风扇叶片沿径向向外定位；以及环形圈，其联接到风扇壳，并且定位于多个风扇叶片与风扇壳之间。环形圈构造成限制风扇壳朝向多个风扇叶片的热收缩。
附图说明
当参考附图来阅读以下详细的描述时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同的字符表示遍及附图的相同的部件，其中：
图1是示例性涡轮发动机的示意性图示；
图2是可在图1中所显示的涡轮发动机中使用的风扇组件的横截面视图；
图3是根据本公开的第一实施例的沿着区域3截取的在图2中显示的风扇组件的部分的放大的横截面视图；以及
图4是根据本公开的第二实施例的沿着区域4截取的在图2中显示的风扇组件的部分的放大的横截面视图。
除非另外指示，否则本文中所提供的附图意在示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为可适用于包括本公开的一个或多个实施例的广泛种类的系统中。因此，附图不意在包括本领域普通技术人员已知的实践本文中所公开的实施例所需的所有常规的特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将提到许多用语，它们应被限定为具有以下含义。
除非上下文另外清楚地规定，否则单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数个引用对象。
“任选的”或“任选地”意味着随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
如本文中遍及说明书和权利要求书而使用的近似语言可适用于修饰可容许变化的任何定量表示，而不造成其所涉及的基本功能的改变。因此，由诸如“大约”、“大致”和“基本上”的一个或多个用语修饰的值将不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。在这里且遍及说明书和权利要求书，范围限制可组合和/或互换。除非上下文或语言另外指示，否则这样的范围被标识且包括包含在其中的所有子范围。
如本文中所使用的，用语“轴向的”和“沿轴向”指代基本上与涡轮发动机的中心线平行而延伸的方向和取向。此外，用语“径向的”和“沿径向”指代基本上与涡轮发动机的中心线垂直而延伸的方向和取向。另外，如本文中所使用的，用语“周向的”和“沿周向”指代围绕涡轮发动机的中心线弓状地延伸的方向和取向。
本公开的实施例涉及限制涡轮发动机的外壳相对于转子组件的热收缩的系统和方法。更具体地，本文中所描述的涡轮发动机包括：外壳(诸如，风扇壳)，其包括多个转子叶片；以及环形圈，其联接于外壳的径向内侧上。环形圈和多个转子叶片由同种材料制备，使得环形圈和转子叶片以类似的速率和量值热膨胀和热收缩。另外，外壳由与环形圈和转子叶片不同的材料制备，使得外壳以与环形圈和转子叶片不同的速率热膨胀和热收缩。因此，使环形圈联接到外壳促进限制外壳朝向多个转子叶片的热收缩，由此降低转子叶片末梢与周围的固定组件之间的意外摩擦的可能性。
虽然在涡轮风扇发动机的情境下描述了以下实施例，但应当理解，本文中所描述的系统和方法还可适用于例如涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机、陆基涡轮发动机。
图1是示例性涡轮发动机10的示意图，涡轮发动机10包括风扇组件12、低压或增压压缩机组件14、高压压缩机组件16以及燃烧器组件18。风扇组件12、增压压缩机组件14、高压压缩机组件16以及燃烧器组件18成流连通而联接。涡轮发动机10还包括低压涡轮组件22和与燃烧器组件18成流连通而联接的高压涡轮组件20。风扇组件12包括从转子盘26沿径向向外延伸的成阵列的风扇叶片24。低压涡轮组件22通过第一驱动轴28而联接到风扇组件12和增压压缩机组件14，并且，高压涡轮组件20通过第二驱动轴30而联接到高压压缩机组件16。涡轮发动机10具有进气口32和排气口34。涡轮发动机10进一步包括中心线36，风扇组件12、增压压缩机组件14、高压压缩机组件16以及涡轮组件20和22围绕中心线36旋转。
在操作中，通过进气口32而进入涡轮发动机10的空气通过风扇组件12朝向增压压缩机组件14而被引导。压缩的空气从增压压缩机组件14朝向高压压缩机组件16排放。高度压缩的空气从高压压缩机组件16朝向燃烧器组件18而被引导、与燃料混合，并且，混合物在燃烧器组件18内燃烧。由燃烧器组件18生成的高温燃烧气体朝向涡轮组件20和22而被引导。燃烧气体随后经由排气口34而从涡轮发动机10排放。
图2是可在涡轮发动机10(在图1中显示)中使用的风扇组件12(在下文中也被称为“转子组件”)的横截面视图。如上文所描述的，风扇组件12包括相对于中心线36而旋转的多个风扇叶片24(在下文中也被称为“转子叶片”)。各个风扇叶片24包括前缘38、后缘40以及叶片末梢42，叶片末梢42从转子盘26沿径向向外定位。更具体地，叶片末梢42接近于定子组件44而定位，定子组件44围绕风扇组件12沿周向延伸。定子组件44包括从多个风扇叶片24沿径向向外定位的护罩48和风扇壳46(在下文中也被称为“外壳”)。护罩48与叶片末梢42隔开一定的距离，使得在其之间限定空隙间隙50。虽然在风扇组件12的情境下描述本文中所描述的实施例，但本文中所描述的实施例可适用于任何转子组件(诸如但不限于涡轮组件20和22(在图1中显示))。
图3是沿着区域3(在图2中显示)截取的风扇组件12的部分的放大的横截面视图。在示例性实施例中，风扇组件12进一步包括环形圈52，环形圈52联接到风扇壳46，并且定位于多个风扇叶片24与风扇壳46之间。风扇壳46包括径向内侧54和径向外侧56，并且，环形圈52联接到风扇壳46的径向内侧54且沿着风扇壳46的径向内侧54沿周向延伸。因此，如下文将更详细地解释的，环形圈52限制风扇壳46在风扇壳46的温度小于预先确定的阈值时朝向多个风扇叶片24沿径向向内的热收缩。
例如，风扇叶片24、风扇壳46以及环形圈52由促进维持叶片末梢42与护罩48之间的空隙间隙50的任何材料制备。在一个实施例中，风扇壳46由具有第一热膨胀系数的第一材料制备，并且，环形圈52和多个风扇叶片24由具有与第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数的第二材料制备。第一材料是金属材料，并且，第二材料是复合材料。如本文中所使用的，“金属”指代单金属材料或金属合金材料。此外，复合材料包括但不限于碳纤维增强聚合物材料和陶瓷基体复合材料。因此，在一些实施例中，第一热膨胀系数大于第二热膨胀系数，使得第一材料以比第二材料更大的速率和量值热膨胀和热收缩。因此，使环形圈52定位于风扇壳46的径向内侧54上促进限制风扇壳46免于以比环形圈52更大的速率或量值朝向风扇叶片24热收缩。
如上文所描述的，各个风扇叶片24包括前缘38。在示例性实施例中，环形圈52具有轴向长度，并且定位成相对于涡轮发动机10的中心线36(两者都在图1中显示)而沿轴向横过前缘38。前缘38处的空隙间隙50由于在前缘38处接收的高速空气流而大体上小于相对于中心线36的其它轴向位置处的空隙间隙50，并且用以促进提高涡轮发动机10的性能。因此，使环形圈52定位成横过前缘38向风扇壳46提供局部化并且策略性地定位的硬化。
在示例性实施例中，粘合剂层58定位于风扇壳46与环形圈52之间，以促进使环形圈52联接到风扇壳46。使涡轮发动机10能够如本文中所描述的那样起作用的任何粘合剂材料都定位于风扇壳46与环形圈52之间。例如，在一个实施例中且如下文将更详细地解释的，粘合剂材料是在高于大约200℉的温度(诸如，在风扇壳46和环形圈52的共粘结期间达到的温度)下可固化的粘合剂。此外，紧固件60联接于风扇壳46与环形圈52之间，并且，紧固件60促进使环形圈52联接到风扇壳46。另外，环形圈52包括围绕环形圈52沿周向延伸的至少一个渐缩边缘部分62。渐缩边缘部分62促进限制风扇壳46与环形圈52之间的脱离(disbond)，并且促进增强在整个环形圈52上的载荷分布。
图4是沿着区域4(在图2中显示)截取的风扇组件12的部分的放大的横截面视图。如上文所描述的，各个风扇叶片24包括后缘40。在示例性实施例中，环形圈52具有轴向长度，并且定位成相对于涡轮发动机10的中心线36(在图1中显示)而沿轴向横过前缘38和后缘40。因此，环形圈52横过风扇叶片24的整个轴向长度，使得在出现非预期的叶片脱落(blade-out)状况的情况下提供补充的封闭(containment)。
本文中还描述了一种制造涡轮发动机10的方法。该方法包括使环形圈52定位于风扇壳46的径向内侧54上，其中，风扇壳46围绕风扇组件12沿周向延伸。该方法还包括对环形圈52预加应力，使得在风扇壳46上沿沿径向向外的方向引起阻力64，并且使得风扇壳46的热收缩受到限制。
使用使涡轮发动机10能够如本文中所描述的那样起作用的任何技术来对环形圈52预加应力。例如，对环形圈52预加应力包括：将环形圈52形成于风扇壳46的径向内侧54上，其中，环形圈52在未固化的状态下形成；以及使环形圈52和风扇壳46共粘结。在一个实施例中，环形圈52和风扇壳46在高压釜中在至少大约200℉的高温下共粘结。因此，环形圈52从未固化状态转变成固化状态，并且原位联接到风扇壳46。另外，该方法进一步包括使粘合剂层58定位于环形圈52与风扇壳46之间，以促进使环形圈52联接到风扇壳46。
备选地，对环形圈52预加应力包括将风扇壳46加热到第一温度，使得风扇壳46在径向尺寸上增大。该方法进一步包括将环形圈52插入于风扇壳46内。在这样的实施例中，环形圈52预成型并且处于固化的状态下。然后，风扇壳46在被允许冷却到比第一温度更低的第二温度时朝向环形圈52缩窄。
更具体地，该方法进一步包括：确定风扇壳46在第一温度下的内径；以及将环形圈52形成为具有比风扇壳46的内径更大的外径。因此，当风扇壳46朝向环形圈52缩窄时，在风扇壳46与环形圈52之间限定过盈配合。
本文中所描述的系统和方法的示例性技术效果包括下者中的至少一个：(a)减少涡轮发动机的转子组件与定子组件之间的低温起飞挤压(pinch)，并且改进巡航空隙；(b)改进涡轮发动机的燃料消耗率；(c)延长转子组件和定子组件的使用寿命；(d)在出现非预期的叶片脱落状况的情况下提供补充的封闭；以及(e)在出现非预期的叶片脱落状况的情况下限制碎片免于沿向前的方向前进。
上文详细地描述了用于与涡轮发动机一起使用的环形圈及相关构件的示例性实施例。该系统不限于本文中所描述的具体实施例，而相反，系统的构件和/或方法的步骤可独立于本文中所描述的其它构件和/或步骤并且与其分开来利用。例如，本文中所描述的构件的构造还可与其它过程组合来使用，并且不限于仅与涡轮发动机的风扇区段一起实践。相反，示例性实施例可与期望减少环形结构的热收缩的许多应用结合来实施并且利用。
尽管本公开的多种实施例的具体特征可在一些附图中显示而不在其它附图中显示，但这仅仅是为了方便起见。根据本公开的实施例的原理，附图的任何特征都可与任何其它附图的任何特征组合来引用和/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开本公开的实施例(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本公开的实施例(包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法)。本文中所描述的实施例的可取得专利的范围由权利要求书限定，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书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种涡轮发动机，包括：
转子组件，其包括多个转子叶片；
外壳，其从所述多个转子叶片沿径向向外定位；以及
环形圈，其联接到所述外壳，并且定位于所述多个转子叶片与所述外壳之间，所述环形圈构造成限制所述外壳朝向所述多个转子叶片的热收缩。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述外壳由具有第一热膨胀系数的第一材料制备，并且，所述多个转子叶片和所述环形圈由具有与所述第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数的第二材料制备。
3.根据权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第一材料是金属材料，并且，所述第二材料是复合材料。
4.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，各个转子叶片包括前缘，所述环形圈定位成相对于所述涡轮发动机的中心线而沿轴向横过所述前缘。
5.根据权利要求4所述的涡轮发动机，其特征在于，各个转子叶片进一步包括后缘，所述环形圈进一步定位成相对于所述涡轮发动机的所述中心线而沿轴向横过所述后缘。
6.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机进一步包括定位于所述外壳与所述环形圈之间的粘合剂层。
7.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机进一步包括构造成使所述环形圈联接到所述外壳的紧固件。
8.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述环形圈包括围绕所述环形圈沿周向延伸的渐缩边缘部分。
9.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，对所述环形圈预加应力，使得在所述外壳上沿沿径向向外的方向引起阻力。
10.一种制造涡轮发动机的方法，所述方法包括：
使环形圈定位于外壳的径向内侧上，其中，所述外壳构造成围绕所述涡轮发动机的转子组件沿周向延伸；以及
对所述环形圈预加应力，使得在所述外壳上沿沿径向向外的方向引起阻力，并且使得所述外壳的热收缩受到限制。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对所述环形圈预加应力包括：
将所述环形圈形成于所述外壳的所述径向内侧上，其中，所述环形圈在未固化状态下形成；以及
使所述环形圈和所述外壳共粘结。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使所述环形圈和所述外壳共粘结包括使粘合剂层定位于所述环形圈与所述外壳之间。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对所述环形圈预加应力包括：
将所述外壳加热到第一温度，使得所述外壳在径向尺寸上增大；以及
将所述环形圈插入于所述外壳内，其中，所述外壳构造成在被允许冷却到比所述第一温度更低的第二温度时朝向所述环形圈缩窄。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
确定所述外壳在所述第一温度下的内径；以及
将所述环形圈形成为具有比所述外壳的所述内径更大的外径。
15.一种涡轮发动机，包括：
风扇组件，其包括多个风扇叶片；
风扇壳，其从所述多个风扇叶片沿径向向外定位；以及
环形圈，其联接到所述风扇壳，并且定位于所述多个风扇叶片与所述风扇壳之间，所述环形圈构造成限制所述风扇壳朝向所述多个风扇叶片的热收缩。
16.根据权利要求15所述的涡轮发动机，其特征在于，所述风扇壳由具有第一热膨胀系数的第一材料制备，并且，所述多个风扇叶片和所述环形圈由具有与所述第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数的第二材料制备。
17.根据权利要求16所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第一材料是金属材料，并且，所述第二材料是复合材料。
18.根据权利要求15所述的涡轮发动机，其特征在于，各个风扇叶片包括前缘，所述环形圈定位成相对于所述涡轮发动机的中心线而沿轴向横过所述前缘。
19.根据权利要求18所述的涡轮发动机，其特征在于，各个风扇叶片进一步包括后缘，所述环形圈进一步定位成相对于所述涡轮发动机的所述中心线而沿轴向横过所述后缘。
20.根据权利要求15所述的涡轮发动机，其特征在于，对所述环形圈预加应力，使得在所述风扇壳上沿沿径向向外的方向引起阻力。
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