CN110785541A - 涡轮机转子旋转系统和涡轮机转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使涡轮机转子相对于静子壳体旋转的系统，转子包括环形排的叶片。该旋转系统包括：支撑臂(100)，其包括第一端(101a)和第二端(101b)，第一端(101a)布置成用于夹持环形排的第一叶片的前缘，第二端(101b)布置成用于夹持第一叶片的后缘；电动机(110)，其包括轴和附接到支撑臂(110)的主体(111)；以及轮(120)，其联接至电动机(110)的轴并设置有滚动带(121)，该轮还被布置为当支撑臂(100)安装在第一叶片上时，使得滚动带(121)可与静子壳体的环形壁接触。

Description

涡轮机转子旋转系统和涡轮机转子

技术领域

本发明一般涉及涡轮机领域，诸如用于飞行器的双转轴涡轮风扇发动机领域。本发明更具体地涉及一种在涡轮机的质量控制或维护操作期间使涡轮机转子能够旋转的系统。

背景技术

双转轴涡轮风扇发动机通常包括在气体流动的方向上从上游到下游的风扇、低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和燃烧气体排气喷管。风扇、压气机和涡轮中每个都由固定部件的第一组件，称为静子和可相对于静子旋转的部件的第二组件，称为转子组成。

涡轮喷气发动机的转子尤其包括一个或多个圆盘，在该圆盘的外围上附接有叶片。通过不同的传输系统可以联接它们。例如，低压压气机的转子和低压涡轮的转子形成低压转轴，并通过低压轴彼此连接。类似地，高压压气机和高压涡轮形成高压转轴，并且通过围绕低压轴布置的高压轴彼此连接。低压轴和高压轴在涡轮喷气发动机的纵轴上居中，并且没有机械连接。由风扇壳体径向包围的风扇转子由低压轴直接或间接(借助于减速齿轮)驱动。

压气机和涡轮的静子尤其包括外部环形壳体和由环形壳体支撑的固定叶片环。这些静子叶片环径向地朝向环形壳体的内部延伸，并用作整流器或气流导向叶片元件(取决于是否涉及压气机或涡轮)。

在向飞行器制造商交付涡轮喷气发动机之前，始终要进行质量控制，以确保涡轮喷气发动机符合要求。该质量控制尤其包括内窥镜检查步骤，以便检查涡轮喷气发动机的各个隔室内没有缺陷(撞击、裂纹等)。通过内窥镜检查寻找尤其是在(低压和高压)压气机以及(低压和高压)涡轮的叶片、圆盘和风扇的壳体上的缺陷。

为了检查风扇、压气机或涡轮的所有叶片，必须旋转相应的转子。为此，可以使用用于旋转涡轮机转子的驱动系统。当前的驱动系统包括配备有驱动电动机的第一部分，该第一部分附接至风扇轴的端部；以及第二部分(动力杆)，该第二部分附接至风扇壳体的凸缘。

然而，该驱动系统不实用，因为将其安装在涡轮喷气发动机中并将其从涡轮喷气发动机中移除是漫长而复杂的操作。特别是在将第一部分附接在风扇轴端部之前，必须先拆卸涡轮喷气发动机的机头圆顶。由于系统笨重，因此处理系统也特别困难。处理需要两名操作员以减少职业风险。

因此，通常不使用当前的驱动系统，而是手动旋转风扇转子。该解决方案还需要两名操作员，一名使用内窥镜检查部件，另一名使用叶片手动旋转转子。

发明内容

因此，需要一种用于使涡轮机转子旋转的系统，该系统紧凑、快速并且易于安装在涡轮机中，以便可以由一个人操作而没有风险。

根据本发明的第一方面，通过提供一种用于使涡轮机转子相对于静子壳体旋转的驱动系统，可以满足这种需求，该转子包括环形排的叶片，该驱动系统包括：

-支撑臂，其包括第一端和第二端，所述第一端布置成用于夹持所述环形排的第一叶片的前缘；所述第二端布置成用于夹持所述第一叶片的后缘。

-电动机，其包括轴和附接到支撑臂的主体；

-轮，其连接至电动机的轴并设置有胎面带，该轮还被布置成当支撑臂安装在第一叶片上时，使得胎面带与静子壳体的环形壁接触。

由于其支撑臂，根据本发明的驱动系统可以直接安装在转子的叶片上。更具体地，支撑臂设置在叶片(头部或根部)的一端，以便可以通过静子壳体的环形(外或内)壁来支撑系统的轮，并且可以使转子旋转。由于转子的叶片，特别是风扇转子的叶片易于接近，因此驱动系统的安装简单而迅速。特别地，它不需要诸如机头圆顶的事先拆卸。从涡轮机上卸下驱动系统也很容易。另外，由于支撑臂长度与叶片的宽度(即，将叶片的前缘和后缘分开的距离)的数量级相同，因此根据本发明的驱动系统相对紧凑。因此可以很容易地由一个人来处理。

在第一实施方式中，驱动系统包括至少一个电池，该至少一个电池固定至支撑臂并电连接至电动机。

在第二实施方式中，驱动系统还包括：

-电池托盘，其被配置为安装在环形排的第二叶片上，第二叶片与第一叶片径向相对；和

-至少一个电池，其固定至电池托盘并电连接至电动机。

根据第二实施方式的一个改进，电池托盘包括第一端和第二端，所述第一端布置成用于夹持第二叶片的前缘，所述第二端布置成用于夹持第二叶片的后缘。

根据第二实施方式的另一改进：

-支撑臂、电动机和轮属于旨在安装在第一叶片上的元件的第一子组件；

-电池托盘和所述至少一个电池属于旨在安装在第二叶片上的元件的第二子组件；和

-元件的第一和第二子组件具有实质上相同的质量。

根据本发明的第一方面的驱动系统还可以具有单独或以所有技术上可能的组合考虑的以下一个或多个特征：

-电动机和轮位于支撑臂的第一端和第二端之间；

-支撑臂的第一端包括夹具，并且支撑臂的第二端成形为钩子；

-电动机为步进式；

-轮配备有减速器；和

-支撑臂由诸如聚乳酸(PLA)的聚合物材料制成。

本发明的第二方面涉及一种涡轮机转子，并且更具体地涉及一种涡轮风扇发动机的风扇转子，其配备有根据本发明的第一方面的驱动系统。

附图说明

通过参考附图以示例性而非限制性的方式给出的以下说明，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：

-图1是根据本发明的第一实施方式的涡轮机转子驱动系统的透视图；

-图2表示安装在涡轮风扇发动机的风扇叶片上的图1的驱动系统；

-图3表示安装在涡轮风扇发动机的风扇中的根据本发明第二实施方式的驱动系统；

-图4表示图3的驱动系统的子组件，该组件包括位于风扇的第二相对叶片上的电池和它们的托盘。

为了更加清楚，在所有附图中，相同或相似的元件用相同的附图标记表示。

具体实施方式

在以下说明中，术语“上游”和“下游”必须考虑相对于涡轮机中的气体的主要流动方向(从上游到下游)。此外，涡轮机的(纵向)轴线称为涡轮机的“旋转轴线”。涡轮机的轴向是涡轮机轴线的方向。涡轮机的径向是垂直于涡轮机轴线的方向。除非另有说明，否则轴向、径向、轴向地和径向地的形容词和副词均参照上述轴向和径向方向使用。另外，除非另有说明，否则术语“内部”(内部的)和“外部”(外部的)是相对于径向方向使用的，使得元件的内部比相同元件的外部更靠近涡轮机的轴线。

图1示出了系统的第一实施方式，该系统使得例如在涡轮机的质量控制或涡轮机的维护操作期间，能够使涡轮机转子旋转。如果该驱动系统包括至少一个配备有环形排叶片的转子和带有环形壁的静子壳体，则该驱动系统适用于所有类型的涡轮机，无论是陆地或航空(涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、陆地燃气轮机等)。

在双转轴涡轮风扇的特殊情况下，驱动系统可用于驱动涡轮喷气发动机的风扇的转子、低压压气机(或“增压器”)的转子、高压压气机的转子、低压涡轮的转子和/或高压涡轮的转子。这些各种转子通常绕给定轴线旋转，该给定轴线称为涡轮喷气发动机的旋转轴线或纵向轴线。此外，多个转子可以通过传动系统彼此联接，以便同时旋转。通常，由驱动系统将风扇转子的旋转传递到低压压气机，然后传递到低压涡轮的转子。

参考图1，驱动系统包括大体细长形状的支撑臂100、电动机110，电动机的主体111附接到支撑臂100，以及连接到电动机110的轴的轮120。

如图2所示，支撑臂100配置成安装在要旋转的转子的叶片200上。臂100的第一端101a布置成能够夹持叶片200的前缘201a(或上游边缘)和臂的第二端101b，位于第一端101a的相对面，配置为夹持同一叶片的后缘201b(或下游边缘)。在其第一端101a和第二端101b之间，臂100弯曲的曲线与叶片200的空气动力学轮廓基本相同。

在图2的安装示例中，叶片200属于涡轮风扇发动机的风扇转子。风扇转子的叶片被环形的外壳210包围。外壳210是风扇的固定部分，或者换句话说，是风扇静子的部分。支撑臂100安装在叶片200的头部，即相对于涡轮喷气发动机的轴线的叶片的远端，使得轮120能够与外壳210的内表面接触。因此，在该示例中，支撑臂100的长度基本等于叶片200在其头部的宽度。在这种情况下，叶片的“宽度”是指将其前缘201a与其后缘201b分开的距离。

为了将驱动系统安装在风扇转子的叶片200上，操作员自己将控制位置置于风扇的上游。由于风扇的后缘201b比其前缘201a更难以接近(因为它离操作者更远)，因此臂的第二端101b优选首先位于叶片200上并且不具有调节机构。例如，它以钩子的形状向后折叠，从而可以附接到后缘201b。相反地，臂的第一端101a可以配备有调节机构，以将臂100紧紧地保持靠在叶片200上。第一端101a包括例如具有固定爪102和可动爪103的夹子，其中可动爪103(相对于固定爪102)的位置可以借助于螺钉104进行调节。

为了将支撑臂100更好地保持在叶片200上，可以通过连接叶片200的前缘和后缘201a-201b的壁来支撑臂的中间部分。

轮120被布置成使得当支撑臂100被安装在叶片200上时，其胎面带121能够与外壳210的环形壁接触。因此，轮120的外径及其在支撑臂100上的位置取决于臂的几何形状(其本身由叶片200的几何形状决定)以及臂在叶片上的位置。轮120的胎面带121优选地具有高的粘附系数，从而有助于滚动而不滑动。因此，由于胎面带121在外壳210的环形壁上的滑动而导致的功率损失被显著减小。

减速器122可以结合在轮120中以增加由电动机110传递的转矩。该减速器122包括例如位于轮120内部的齿轮，该齿轮与布置在轮120的内周上的齿123配合。减速器122的入口轴线对应于电动机轴线，优选地平行于其出口轴线，即轮120的轴线。

电动机110和轮120有利地位于支撑臂100的两端101a-101b之间，并且优选地与这两端等距。这样的布置防止电动机的主体111与叶片200接触。此外，电动机的主体111和轮120有利地定位在臂100的平行六面体部分105的任一侧。电动机110的轴(未示出)然后穿过驱动臂100。在这种配置下，图1的驱动系统处于整体平衡状态。

电动机110优选是步进电动机。这种类型的电动机可以使电动机轴精确、精细地旋转，例如以1.8°(200步/每转电动机轴)的步长旋转。步进电动机产生的扭矩也高于其他相同功率的电动机(例如直流电刷电动机)，特别是在低速时。与这些其他电动机不同，它具有保持扭矩，可使涡轮喷气发动机的转子停止旋转(并保持在停止状态)。最后，它使得能够精确地知道电动机轴线的角位置，从而使叶片200相对于外壳210的角位置精确地知道。

图1的驱动系统还包括例如呈电子卡(未示出)形式的电子控制器130，以及至少一个电池140。电子控制器130和电池140两者均电连接至电动机110。电子控制器130控制电动机110的运转，而电池140为电动机110供电并使驱动系统在电气方面自给。电子控制器130实现以下基本功能：接通和断开电动机，调节旋转方向和调节转速。它还可以实现其他“智能”功能，诸如通过释放保持扭矩而紧急停止，完成完整的转子旋转(通过记录初始设定点)以及控制电池140的充电。

在该第一实施方式中，电子控制器130和电池(或多个电池)140被固定到支撑臂100。它们可以被容纳在如图1所示的单个壳体中，或者被容纳在分离的壳体中。一个或多个壳体附接到支撑臂100。

电子控制器130包括例如微控制器，该微控制器优选地是可重新编程的，其配备有可以在其中存储一个或多个程序的存储器。由微控制器的处理器执行的程序可以特别地根据涡轮喷气发动机的类型、静子壳体的内径、压气机和低压涡轮的级数、以及压气机和低压涡轮的每个级的叶片的数量而变化。微控制器有利地与例如以存储卡形式的存储空间相关联。该存储空间包含令人满意地执行程序所需的数据，诸如减速器的齿轮比、电动机110每转的步数、涡轮喷气发动机的类型、静子壳体的内径、压气机和低压涡轮的级数、以及压气机和涡轮各级的叶片数量。

电子控制器130以及因此电动机110的运转可以优选地由远程控制设备控制。该远程控制设备使单个操作者能够控制转子的旋转，并且同时例如使用内窥镜来检查涡轮喷气发动机的部件。它具有例如开/关按钮、用于调节电动机速度和/或旋转方向的电位计、用于记录转子位置(设定点)的按钮和“紧急停止”按钮。

远程控制设备优选是无线的。因此，可以在操作员相对于涡轮喷气发动机定位的任何位置使用它。然后，电子控制器130和远程控制设备均包括例如蓝牙类型的无线通信装置。

图3示出了安装在涡轮风扇发动机的风扇中的根据本发明的驱动系统的第二实施方式。该第二实施方式与第一实施方式(图1-2)的不同之处在于，电池140(在这种情况下为两个)被远程地安装在与第一叶片200直径地相对的第二叶片300上，该第二叶片300支撑支撑臂100。电池140借助于电池托盘150安装在第二叶片300上。

换句话说，图3的驱动系统由元件的两个子组件组成：

-第一子组件，其安装在第一叶片200上并且包括支撑臂100、电动机110和轮120；

-第二子组件，其安装在第二叶片300上并且包括电池140和电池托盘150。

两个子组件，更具体地说是电动机110和电池140，例如借助于被护套310包围的电线电连接。

将电池140与支撑臂100相对放置可以使第一子组件(支撑臂100–电动机110–轮120)的重量平衡，并使通过转子的某些角度位置(通常为3H和9H)的扭矩更容易被克服。然后可以使用比第一实施方式的功率小的电动机110(因此它更小并且更轻)。因此，在该第二实施方式中，系统的电功率消耗较低(电动机电流等于0.5A，而不是第一实施方式中的2.8A)，这增加了电池140的自给。

为了使这种平衡效果最大化，两个子组件优选具有基本相同的质量(±10％)。

鉴于其重量与系统的其他元件相比可以忽略不计，电子控制器130可以属于第一子组件，或者也可以属于第二子组件。

图4是电池140和它们所附接的电池托盘150的特写图。电池托盘150优选地以与支撑臂100相同的方式制造。换言之，其形状与第二叶片300的空气动力学轮廓匹配，并且包括布置成用于夹持第二叶片300的前缘和后缘301a-301b的两端151a-151b。两端151a和151b可以以与支撑臂100相同的方式布置，分别具有夹子和钩子。

支撑臂100、轮120和电池托盘150优选地基本上由诸如聚乳酸(PLA)的聚合物材料制成。选择这种材料使得根据本发明的驱动系统的重量能够显著降低。该系统重约3kg(相比于现有技术的驱动系统的20kg)，其中仅电池为1.5kg。此外，聚合物材料在正常使用条件下具有抵抗力，不会有损坏涡轮喷气发动机附近部件，诸如风扇叶片、风扇壳体或覆盖风扇盒内部的耐磨材料的风险。

由于它借助于支撑臂100附接至转子的叶片环(如果适用，还附接至电池托盘150)，因此根据本发明的驱动系统特别易于使用。如果操作员可以接触到转子叶片，将其安装在涡轮机转子上无需事先拆卸。出于同样的原因，将其从转子上卸下同样快捷方便。它又轻又紧凑，这意味着它可以由一个人操作。对于风扇转子，其最大尺寸(在这种情况下为长度)约为32厘米的量级。对于直径测量为195cm的外壳，轮120具有例如9cm的直径。测量的胎面带121的宽度例如为3.5cm。

由于其紧凑性、轻便性和自给性，根据本发明的驱动系统可以用于跑道上的维护操作(无需移除推进系统)。当然，它也可以在车间中用于交货前的质量控制或维护操作。

上面已经以涡轮风扇发动机的风扇做为示例应用来描述了本发明，该涡轮风扇发动机的风扇包括外壳210(即限定空气动力学脉络外部的壳体)。如前所述，图1至图4的驱动系统与其他类型的转子和/或其他类型的涡轮机兼容。在某些应用中(例如，对于“开放式转子”型的涡轮喷气发动机)，轮120可以与内部(环形)壳体(即限定空气动力学脉络内部的壳体)而不是外部壳体接触。然后，支撑臂100和电池托盘150如果适用将安装在叶片的根部(相对于涡轮机轴线的近端)。

最后，本领域技术人员将想到根据本发明的驱动系统的许多变型和修改。例如，如果希望从下游而不是从上游进入转子叶片的环形排，通常除风扇转子外的其他转子，则可以颠倒支撑臂100(以及电池托盘150)的第一和第二端的配置。在这种情况下，臂的第二端101b将优选地配备有夹持机构，并且将最后夹持叶片的后缘。

Claims (11)

1.一种用于使涡轮机转子相对于静子壳体(210)旋转的驱动系统，该转子包括环形排的叶片(200、300)，该驱动系统的特征在于，其包括：

-支撑臂(100)，其包括第一端(101a)和第二端(101b)，所述第一端(101a)布置成用于夹持环形排的第一叶片(200)的前缘(201a)，所述第二端(101b)布置成用于夹持第一叶片的后缘(201b)；

-电动机(110)，其包括轴和附接到支撑臂(100)的主体(111)；和

-轮(120)，其连接至电动机(110)的轴并设置有胎面带(121)，该轮还被布置成当支撑臂(100)安装在第一叶片(200)上时，使得胎面带(121)能够与静子壳体(210)的环形壁接触。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，电动机(110)和轮(120)位于支撑臂(100)的第一端和第二端(101a-101b)之间。

3.根据权利要求1和2中的任一项所述的系统，其包括至少一个电池(140)，所述至少一个电池(140)固定到支撑臂(100)并且电连接至电动机(110)。

4.根据权利要求1和2中的任一项所述的系统，进一步包括：

-电池托盘(150)，其被配置为安装在环形排的第二叶片(300)上，第二叶片(300)与第一叶片(200)直径地相对；和

-至少一个电池(140)，其固定到电池托盘(150)并电连接至电动机(110)。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，电池托盘(150)包括第一端(151a)和第二端(151b)，所述第一端(151a)布置成用于夹持第二叶片(300)的前缘(301a)，所述第二端(151b)布置成用于夹持第二叶片(300)的后缘(301b)。

6.根据权利要求4和5中的任一项所述的系统，进一步包括：

-支撑臂(100)、电动机(110)和轮(120)属于旨在安装在第一叶片(200)上的元件的第一子组件；

-电池托盘(150)和所述至少一个电池(140)属于旨在安装在第二叶片(300)上的元件的第二子组件；和

-元件的第一和第二子组件具有实质上相同的质量。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，支撑臂(100)的第一端(101a)包括夹具，并且支撑臂的第二端(101b)成形为钩子。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，电动机(110)是步进式的电动机。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，轮(120)配备有减速器(122-123)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，支撑臂(100)由诸如聚乳酸(PLA)的聚合物材料制成。

11.涡轮机转子，更具体地是涡轮风扇发动机的转子，其配备有根据权利要求1至10中任一项所述的系统。

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