CN111075755A - 用于推进转子的平台设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于推进转子的平台设备，具体而言涉及一种用于在相邻推进转子翼型件之间使用的连结到转子盘以提供内部流径边界的平台，包括：沿轴向延伸的工字梁，该工字梁支承具有流径表面的径向外表皮；工字梁包括设置在沿轴向延伸的工字腹板的内缘处的内工字凸缘和设置在工字腹板的外缘处的外工字凸缘；工字梁包括在工字腹板的前端处的侧向延伸的前端凸缘和在工字腹板的后端处的侧向延伸的后端凸缘；以及径向外表皮，其设置在径向外工字凸缘的顶部上并与之连结，使得前端凸缘和后端凸缘邻接外表皮。

Description

用于推进转子的平台设备
技术领域
本发明大体上涉及飞行器推进，并且更特别地涉及设置在飞行器发动机中的相邻转子叶片之间的气流平台(platform)。
背景技术
用于为飞行中的飞行器提供动力的涡扇燃气涡轮发动机通常包括成串联流动连通的风扇组件、低压压缩机或增压器、高压压缩机、燃烧器、高压涡轮和低压涡轮。燃烧器产生燃烧气体，燃烧气体连续地导引到高压涡轮，在那里它们膨胀以驱动高压涡轮，并然后到达低压涡轮，在那里它们进一步膨胀以驱动低压涡轮。高压涡轮经由第一转子轴传动地连接到高压压缩机，并且低压涡轮经由第二转子轴传动地连接到风扇组件和增压器两者。
风扇组件包括多个沿周向间隔开的风扇叶片，风扇叶片从转子盘沿径向向外延伸。在发动机操作期间，环境气流在旋转叶片之间导引并被加压，从而产生用于为飞行中的飞行器提供动力的推力。用于在叶片之间导引的气流的径向内部流径边界由位于相邻风扇叶片之间的风扇平台提供。平台是小构件，其充当两个相邻的燃气涡轮发动机风扇叶片之间的"填充物"。平台的外表面限定两个风扇叶片之间的流径的大体上圆锥形状的一部分。平台物理地附接到转子。
平台的常见构造是所谓的"工字梁构造"。在这种类型的构造中，平台的形状类似工字梁。梁的腹板沿径向方向定向。梁的凸缘中的一个是流径表面，而另一个凸缘位于内侧，邻近转子。平台的前端和后端由连续的环形挡圈保持。
在操作中，平台上存在显著的沿径向向外的离心体负载。因此，平台趋于在中弦位置处沿径向向外挠曲。已经发现，由于工字梁部分的挠曲，该挠曲引起施加到流径构件上的高轴向应力。
发明内容
通过用于涡轮机械转子的平台解决了该问题，该平台包括具有内部和外部凸缘的工字梁以及限定流径表面的外表皮。工字梁还包括为外表皮提供支承的端部凸缘。
根据本文描述的技术的一个方面，一种用于在相邻推进转子翼型件之间使用的连结到转子盘以提供内部流径边界的平台包括：沿轴向延伸的工字梁，该工字梁支承具有流径表面的径向外表皮；工字梁包括设置在沿轴向延伸的工字腹板的内缘处的内工字凸缘和设置在工字腹板的外缘处的外工字凸缘；工字梁包括在工字腹板的前端处的侧向延伸的前端凸缘和在工字腹板的后端处的侧向延伸的后端凸缘；以及径向外表皮，其设置在径向外工字凸缘的顶部上并与之连结，使得前端凸缘和后端凸缘邻接外表皮。
根据本文描述的技术的另一方面，一种推进转子组件包括：从转子盘沿径向向外延伸的多个沿周向间隔开的转子叶片；在每个相邻成对的叶片之间并连结到转子盘的平台，每个平台包括：沿轴向延伸的工字梁，该工字梁支承具有流径表面的径向外表皮；工字梁包括设置在沿轴向延伸的工字腹板的内缘处的内工字凸缘，以及设置在工字腹板的外缘处的外工字凸缘；工字梁包括在工字腹板的前端处的侧向延伸的前端凸缘和在工字腹板的后端处的侧向延伸的后端凸缘；以及径向外表皮，其设置在径向外工字凸缘的顶部上并与之连结，使得前端凸缘和后端凸缘邻接外表皮。
技术方案1. 一种用于在相邻推进转子翼型件之间使用的连结到转子盘以提供内部流径边界的平台，所述平台包括：
沿轴向延伸的工字梁，其支承具有流径表面的径向外表皮；
所述工字梁包括设置在沿轴向延伸的工字腹板的内缘处的内工字凸缘和设置在所述工字腹板的外缘处的外工字凸缘；
所述工字梁包括在所述工字腹板的前端处的侧向延伸的前端凸缘和在所述工字腹板的后端处的侧向延伸的后端凸缘；以及
所述径向外表皮设置在所述径向外工字凸缘的顶部上并连结到所述径向外工字凸缘，使得所述前端凸缘和所述后端凸缘邻接所述外表皮。
技术方案2. 根据任意前述技术方案所述的平台，其特征在于：
所述外表皮包括前端壁和后端壁；以及
所述前端凸缘和所述后端凸缘分别邻接所述前端壁和所述后端壁。
技术方案3. 根据任意前述技术方案所述的平台，其特征在于，所述工字梁是包括所述工字腹板、所述工字凸缘和所述端部凸缘的整体式整体。
技术方案4. 根据任意前述技术方案所述的平台，其特征在于，所述工字梁由热塑性材料制成。
技术方案5. 根据任意前述技术方案所述的平台，其特征在于，所述工字梁由非金属复合材料制成。
技术方案6. 根据任意前述技术方案所述的平台，其特征在于，所述工字梁包括从所述工字腹板延伸到所述端部凸缘中的增强材料。
技术方案7. 根据任意前述技术方案所述的平台，其特征在于，所述工字梁包括彼此连结的背对背的第一C型梁和第二C型梁。
技术方案8. 根据任意前述技术方案所述的平台，其特征在于：
所述第一C型梁包括设置在第一内C型凸缘和外C型凸缘之间的沿轴向延伸的第一C型腹板，并且包括其轴向端处的第一前端突片和后端突片；
所述第二C型梁包括设置在第二内C型凸缘和外C型凸缘之间的沿轴向延伸的第二C型腹板，并且包括其轴向端处的第二前端突片和后端突片；
所述第一C型梁和所述第二C型梁在相对的第一侧方向和第二侧方向上敞开；以及
所述第一C型腹板和所述第二C型腹板沿平面界面背对背设置。
技术方案9. 根据任意前述技术方案所述的平台，其特征在于，所述平台还包括所述第一C型梁和所述第二C型梁中的每个是整体式整体，包括相应的C型腹板、C型凸缘和端部突片。
技术方案10. 根据任意前述技术方案所述的平台，其特征在于，所述C型梁的每个由热塑性材料制成。
技术方案11. 根据任意前述技术方案所述的平台，其特征在于，所述C型梁的每个由非金属复合材料制成。
技术方案12. 根据任意前述技术方案所述的平台，其特征在于，所述C型梁的每个包括从所述C型腹板延伸到相应的所述端部突片中的增强材料。
技术方案13. 根据任意前述技术方案所述的平台，其特征在于，所述工字梁关于所述工字腹板的中心平面不对称。
技术方案14. 根据任意前述技术方案所述的平台，其特征在于，所述平台还包括设置在所述工字腹板中的减重孔。
技术方案15. 一种推进转子组件，包括：
从转子盘沿径向向外延伸的多个沿周向间隔开的转子叶片，
在每个相邻成对的叶片之间并连结到所述转子盘的平台，每个平台包括：
沿轴向延伸的工字梁，其支承具有流径表面的径向外表皮；
所述工字梁包括设置在沿轴向延伸的工字腹板的内缘处的内工字凸缘和设置在所述工字腹板的外缘处的外工字凸缘；
所述工字梁包括在所述工字腹板的前端处的侧向延伸的前端凸缘和在所述工字腹板的后端处的侧向延伸的后端凸缘；以及
所述径向外表皮设置在所述径向外工字凸缘的顶部上并连结到所述径向外工字凸缘，使得所述前端凸缘和所述后端凸缘邻接所述外表皮。
技术方案16. 根据任意前述技术方案所述的组件，其特征在于：
每个平台的所述外表皮包括前端壁和后端壁；以及
所述前端凸缘和所述后端凸缘分别邻接所述前端壁和所述后端壁。
技术方案17. 根据任意前述技术方案所述的组件，其特征在于：
所述工字梁包括背对背的第一C型梁和第二C型梁；
所述第一C型梁包括设置在第一内C型凸缘和外C型凸缘之间的沿轴向延伸的第一C型腹板，并且包括其轴向端处的第一前端突片和后端突片；
所述第二C型梁包括设置在第二内C型凸缘和外C型凸缘之间的沿轴向延伸的第二C型腹板，并且包括其轴向端处的第二前端突片和后端突片；
所述第一C型梁和所述第二C型梁在相对的第一侧方向和第二侧方向上敞开；以及
所述第一C型腹板和所述第二C型腹板背对背设置并沿平面界面连结在一起。
技术方案18. 根据任意前述技术方案所述的组件，其特征在于，所述组件还包括所述第一C型梁和所述第二C型梁中的每个是整体式整体，包括相应的C型腹板、C型凸缘和端部突片。
技术方案19. 根据任意前述技术方案所述的组件，其特征在于，所述C型梁的每个由非金属复合材料制成。
技术方案20. 根据任意前述技术方案所述的组件，其特征在于，所述C型梁的每个包括从所述C型腹板延伸到相应的所述端部突片中的增强材料。
附图说明
本发明可连同附图参照以下描述来最佳地理解，在附图中：
图1是包括具有平台的风扇组件的燃气涡轮发动机的示意性横截面视图；
图2是图1的风扇组件的一部分的放大视图，更详细地示出了平台；
图3是穿过图2中的3-3的风扇叶片平台的轴向从后向前看的横截面视图图解；
图4是穿过图2中的4-4的风扇叶片平台的轴向从前向后看的横截面视图图解；
图5是平台的一部分的示意性左侧透视图；
图6是平台的一部分的示意性右侧透视图；
图7为与形成有比第二C型梁更厚的第一C型梁的第一非对称工字梁一起形成的风扇叶片平台的轴向从前向后看的横截面视图图解；
图8为与形成有第一C型梁(其带有比第二C型梁的下C型凸缘更长的下C型凸缘)的第二非对称工字梁一起形成的风扇叶片平台的轴向从前向后看的横截面视图图解；
图9为与形成有第一C型梁(其带有比第二C型梁的C型腹板更长的C型腹板)的第三非对称工字梁一起形成的风扇叶片平台的轴向从前向后看的横截面视图图解；
图10是图1中所示的安装在盘上的风扇叶片平台的放大横截面视图图解。
零件清单
风扇组件 10
转子盘 12
中心轴线 11
风扇叶片 14
前面 16
后面 18
径向外表面 20
涡扇发动机 22
高压压缩机 24
燃烧器 26
高压涡轮 28
低压涡轮 30
风扇轴 32
增压器 34
增压器轴 36
旋转器 38
根部 40
尖端 42
压力侧 44
吸入侧 46
前缘 48
后缘 50
平台 52
外表皮 54
径向外表面 55
前端壁 56
后端壁 58
工字梁 60
工字腹板 62
轴向前端 64
轴向后端 66
内缘 68
外缘 70
内工字凸缘 72
外工字凸缘 74
前端凸缘 82
后端凸缘 84
第一C型梁 86
第二C型梁 88
第一C型腹板 90
第一内C型凸缘 92
第一外C型凸缘 94
第一前端突片(tab) 96
第一后端突片 98
第二C型腹板 100
第二内C型凸缘 102
第二外C型凸缘 104
第二前端突片 106
第二后端突片 108
中心平面 114
前挡圈 115
后挡圈 117
反作用力 118
弯曲形状 120
轴向应力 122。
具体实施方式
参看附图，其中相同的附图标记在各个视图中表示相同的元件，图1示出了用于为飞行中的飞行器供能的示例性风扇组件10。风扇组件10包括转子盘12，转子盘12安装成绕中心轴线11旋转。多个沿周向间隔开的风扇叶片14从转子盘12沿径向向外延伸(图1中仅示出了一个风扇叶片14)。转子盘12包括分别沿轴向间隔开的前面16和后面18，以及在它们之间延伸的径向外表面20。
注意，如本文使用的，用语"轴向"和"纵向"两者是指平行于中心轴线11的方向，而"径向"是指垂直于轴向方向的方向，且"切向"或"周向"是指相互垂直于轴向和径向方向的方向。如本文使用的，用语"前方"或"前"是指穿过或围绕构件的气流中的相对上游的位置，且用语"后方"或"后"是指穿过或围绕构件的气流中的相对下游的位置。该流动方向由图1中的箭头"F"示出。这些方向用语仅用于便于描述，且不需要由此描述的结构的特定定向。
风扇组件10联接到原动机。原动机可为可操作成在预期机械和空气动力负载下在所需的速度下旋转风扇组件10的任何装置。原动机的非限制性实例包括热力发动机、电机(例如，电、液压或气动)或它们的组合(例如，电动混合传动系)。在所示的实例中，风扇组件10结合到涡扇发动机22中，涡扇发动机22是一类燃气涡轮发动机，其包括成串联流动连通的高压压缩机24、燃烧器26、高压涡轮28和低压涡轮30。低压涡轮30经由风扇轴32驱动风扇组件10。
图1中所示的风扇组件10大体上代表包括承载多个翼型件的可旋转转子盘的任何"推进转子"。本文描述的原理适用于任何这样的推进转子，如推进器、导管风扇、无导管风扇和/或压缩机。本文描述的原理适用于具有单独翼型件的推进转子以及集成叶片的转子或"叶盘"。
设置在风扇组件10下游的是常规的低压压缩机或"增压器"34，其具有沿轴向间隔开的导叶和叶片排，其中其叶片连结到增压器转轴或轴36。增压器轴36适当地联接到转子盘后面18。大体上圆锥形的旋转器38连结到转子盘12，以向进入风扇组件10的空气流F提供空气动力学流径。
每个风扇叶片14从根部40延伸到尖端42，并且包括大体上凹入的压力侧44，其在前缘48和后缘50处连结到大体上凸出的吸入侧46。风扇叶片14可由合适的高强度材料如金属合金(例如铁、镍或钛合金)或具有或不具有金属屏蔽的复合材料如环氧树脂基质中的碳增强纤维制成。当风扇叶片14组装到转子盘12时，在相邻的风扇叶片14之间限定空间。
多个平台52(图1中仅示出一个)设在风扇叶片14之间，其中各个平台52均设置在风扇叶片14的相应的相邻的风扇叶片之间，且从转子盘12沿径向向外设置。
参看图2-4，每个平台52均具有顶部或外表皮(skin)54，其具有在相应的相邻风扇叶片14之间延伸的顶部或径向外表面55，以便共同地限定用于风扇叶片14之间导引空气流F的内流径边界。外表皮54分别在其轴向前端和后端处包括前端壁56和后端壁58。前端壁56和后端壁58可大体平行于径向方向延伸。
参看图2-4，每个平台52包括沿轴向延伸的工字梁60，该工字梁60支承外表皮54。工字梁60包括工字腹板62，工字腹板62在轴向前端64和轴向后端66之间沿轴向延伸，并且在内缘68和外缘70之间沿径向延伸。工字腹板62设置在内工字凸缘72和外工字凸缘74之间，并且分别在内缘68和外缘70处与内工字凸缘72和外工字凸缘74一体形成并成整体。备选地，这些可称为下和上或第一和第二工字凸缘。径向外表皮54位于外工字凸缘74的顶部上并与之连结。如本文所使用的，用语"连结"或"连结的"是指彼此具有牢固的物理连接的两个或更多个构件。用于连结构件的合适装置的实例包括但不限于：机械紧固件、机械接头、粘结工艺(例如热粘结、超声粘结、溶剂焊接)、粘合剂或其组合。在一个实例中，径向外表皮54使用粘合剂连结到径向外工字凸缘74。
工字梁60包括工字腹板62的轴向前端64和轴向后端66处的侧向延伸的前端凸缘82和后端凸缘84。这些可与工字腹板62一体形成并且成整体。如在图2、5和6中最佳看到的那样，前端凸缘82和后端凸缘84分别邻接外表皮54的前端壁56和后端壁58。端部凸缘82,84的功能在下面更详细地描述。
为了减小平台52的总重量同时保持其适合的强度，工字梁60可由非金属、复合物或热塑性材料制成。例如，一种适合的复合材料将为嵌入环氧树脂中的石墨纤维。工字梁60可为一体的整体部件，或可由连结在一起的构件制成。
参看图3和4，工字梁60可由相对面向或背对背的第一C型梁86和第二C型梁88构成，且包括它们。第一C型梁86包括沿轴向延伸的第一C型腹板90，该第一C型腹板90设置在第一内C型凸缘92和外C型凸缘94之间。第一C型梁86还包括分别在第一C型腹板90的轴向前端和轴向后端处侧向延伸的第一前端突片96和后端突片98。这些可与第一C型腹板90一体地形成并且成整体。
第二C型梁88包括设置在第二内C型凸缘102和外C型凸缘104之间的沿轴向延伸的第二C型腹板100。第二C型梁88还包括分别在第二C型腹板100的轴向前端和轴向后端处侧向延伸的第二前端突片106和后端突片108。这些可与第二C型腹板100一体地形成并且成整体。
第一C型梁86和第二C型梁88在相对的第一和第二周向或侧面方向上敞开，并且第一C型腹板90和第二C型腹板100沿中心平面或界面114背对背。第一C型腹板90和第二C型腹板100可沿中心平面114连结在一起。工字梁60的外工字凸缘74包括第一和第二外C型凸缘94,104或由其形成。内工字凸缘72包括第一和第二内C型凸缘92,102或由其形成。工字梁60的前端凸缘82包括第一前端突片96和第二前端突片106，或由它们形成。工字梁60的后端凸缘84包括第一后端突片98和第二后端突片108，或由它们形成。工字腹板62由第一C型腹板90和第二C型腹板100形成。
第一C型梁86和第二C型梁88可通过提供热塑性材料(例如，具有短切纤维、单向增强带或其组合的嵌入热塑性聚合物中的复合材料)的扁平坯料而形成。可使用常规方法在模具之间在加热和加压下形成扁平坯料，以限定侧向延伸的部分，即C型凸缘和端部突片，而无需复杂的多轴工具。
为了进一步减轻重量，如图2中所示，可在工字腹板62或第一和第二C型腹板90,100中形成多个减重孔116。如图3中所示，第一C型梁86和第二C型梁88可关于中心平面114对称。由非金属、复合物或热塑性材料制成的工字梁可具有后固化形成的减重孔116。
备选地，如图7-9中所示，工字梁60可关于工字腹板62的中心平面114不对称，以抵消由于向前和向后的轴向偏移引起的固有扭转负载。第一C型梁86和第二C型梁88可如图7中所示是非对称的，具有穿过本文所示的C型梁凸缘和腹板的不等或非对称的梁厚度"T"，其中第一C型梁比第二C型梁更厚。第一C型梁86和第二C型梁88可包括沿轴向延伸的第一和第二C型腹板90,100、第一和第二外C型凸缘94,104、以及第一和第二内C型凸缘92,102中的至少一个的不相等或不对称的工字梁厚度T。
备选地，图8中的第一和第二C型梁86,88具有不等或非对称的第一和第二内C型凸缘92,102。第一内C型凸缘92示出比第二内C型凸缘102更长，由长度" L"表示。图9中的第一和第二C型梁86,88具有不等或非对称的第一C型腹板90和第二C型腹板100。第一C型腹板90示出比第二C型腹板100更大或更高，由高度" H"表示。
在操作中，平台52上存在显著的沿径向向外的离心体负载。如图10中所示，其由常规的前挡圈115和后挡圈117限制。箭头118示出了由挡圈115,117施加的反作用力的方向。因此，平台52趋于在中弦位置处沿径向向外挠曲。请见由虚线120描绘的扩大的弯曲形状。已经发现，由于工字梁部分的挠曲，该挠曲引起施加到流径构件上的高轴向应力(见标为122的箭头)。最终这在外表皮54中产生高拉伸应力。端部凸缘82,84的存在通过提供平坦的表面积以增加工字梁60与外表皮54之间的接触表面积而减小了应力，并因此对于给定的力减小了应力。
作为备选，通过包括隔板、平板或类似结构代替端部凸缘82,84，如上所述可能在物理上减小应力。然而，期望使用源自形成为C型梁86,88的平坦坯料的材料来增加表面积。用于C型梁86,88的材料的坯料通常包括沿轴向方向伸延的连续的增强纤维。尽管这些纤维未在附图中示出，但应理解，根据常规实践，它们在内部嵌入材料中。通过用相同的材料形成端部突片，结果是增强纤维从C型腹板90连续伸延穿过第一端部突片96,98，并且类似地从C型腹板100连续伸延穿过第二端部突片106,108，因此确保了良好的强度。
这里描述的平台设备具有优于现有技术的优点。其将减少平台应力，并因此提高耐用性。其可简单且经济地制造。
前面已经描述了用于推进转子的平台设备。本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或工艺的所有步骤可以以除至少一些此类特征和/或步骤互斥的组合外的任何组合来组合。
本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中公开的每个特征可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非明确另外指出。因此，除非明确另外指出，则公开的每个特征仅为普通的一系列等同或类似特征的一个实例。
本发明不限于前述的一个或多个实施例的细节。本发明扩展至本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或扩展至如此公开的任何方法或工艺的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合。

Claims (10)

1.一种用于在相邻推进转子翼型件之间使用的连结到转子盘以提供内部流径边界的平台，所述平台包括：
沿轴向延伸的工字梁，其支承具有流径表面的径向外表皮；
所述工字梁包括设置在沿轴向延伸的工字腹板的内缘处的内工字凸缘和设置在所述工字腹板的外缘处的外工字凸缘；
所述工字梁包括在所述工字腹板的前端处的侧向延伸的前端凸缘和在所述工字腹板的后端处的侧向延伸的后端凸缘；以及
所述径向外表皮设置在所述径向外工字凸缘的顶部上并连结到所述径向外工字凸缘，使得所述前端凸缘和所述后端凸缘邻接所述外表皮。
2.根据权利要求1所述的平台，其特征在于：
所述外表皮包括前端壁和后端壁；以及
所述前端凸缘和所述后端凸缘分别邻接所述前端壁和所述后端壁。
3.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述工字梁是包括所述工字腹板、所述工字凸缘和所述端部凸缘的整体式整体。
4.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述工字梁由热塑性材料制成。
5.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述工字梁由非金属复合材料制成。
6.根据权利要求5所述的平台，其特征在于，所述工字梁包括从所述工字腹板延伸到所述端部凸缘中的增强材料。
7.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述工字梁包括彼此连结的背对背的第一C型梁和第二C型梁。
8.根据权利要求7所述的平台，其特征在于：
所述第一C型梁包括设置在第一内C型凸缘和外C型凸缘之间的沿轴向延伸的第一C型腹板，并且包括其轴向端处的第一前端突片和后端突片；
所述第二C型梁包括设置在第二内C型凸缘和外C型凸缘之间的沿轴向延伸的第二C型腹板，并且包括其轴向端处的第二前端突片和后端突片；
所述第一C型梁和所述第二C型梁在相对的第一侧方向和第二侧方向上敞开；以及
所述第一C型腹板和所述第二C型腹板沿平面界面背对背设置。
9.根据权利要求5所述的平台，其特征在于，所述平台还包括所述第一C型梁和所述第二C型梁中的每个是整体式整体，包括相应的C型腹板、C型凸缘和端部突片。
10.根据权利要求7所述的平台，其特征在于，所述C型梁的每个由热塑性材料制成。
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