CN111434892A - 转子，配备有该转子的涡轮和配备有该涡轮的涡轮机 - Google Patents

转子，配备有该转子的涡轮和配备有该涡轮的涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机涡轮的转子(1)，该转子包括转子盘(2)和分布在该转子盘的周边处的多个叶片(3)，所述转子盘(2)包括主要轴向的多个室(23)，每个叶片(3)包括被保持在所述转子盘的室(23)之一中的根部(32)，每个根部的尺寸被设置成以便在室(23)的底部与根部的径向内部面(324)之间形成空间(4)。该转子的特征在于，所述根部包括通到根部的上游面上的主要轴向的盲孔(5)以及主要径向的多个空气喷射孔口(6)，每个空气喷射孔口(6)通入到所述盲孔(5)中并且通到根部的面向室(23)的底部定位的径向内部面(324)上。

Description

转子，配备有该转子的涡轮和配备有该涡轮的涡轮机
技术领域
本发明属于涡轮机涡轮的转子的一般领域。
更具体地，本发明涉及一种转子，该转子包括转子盘，在该转子盘的周边设置有室，该室用于接纳所述转子的叶片的根部，该转子被布置成对这些室进行有效地冷却。
本发明还涉及一种配备有这种转子的涡轮机涡轮以及一种包括这种涡轮的涡轮机。
背景技术
在所附的图1中，可以看到多级B涡轮A(在此例如为低压涡轮)的示例。每个级B相对于所述涡轮中的空气流动的方向(即在图1中从左到右)从上游到下游依次包括分配器C和转子(或转子轮)D。
涡轮A具有纵向轴线XX’。
所有的转子D被组装在一起、被紧固在附图中未示出的旋转轴上并且同时被驱动旋转。
每个转子D包括转子盘E，在该转子盘的周边处紧固有转子叶片F。以本身已知的方式，每个叶片F包括根部G，并且转子盘E在其周边处包括多个轴向室H。
叶片的根部G通过装配到所述室H中(榫舌-榫眼式紧固)而被安装。这允许叶片的径向保持。
当转子盘就位时，该旋转轴线与涡轮的轴线XX’重合。
高速旋转的部件的尺寸设置中的主要问题之一在于离心力和该离心力产生的机械应力。
另一个重要问题在于施加在转子盘的室的底部上的机械应力。实际上，在涡轮机的运行期间，涡轮(其中设置有叶片)的空气流路径被温度非常高的气体横穿。接纳叶片的根部的盘室直接暴露于这些气体，需要对这些盘室进行冷却，以便避免盘的任何损坏。
根据文献FR 2 918 103已知一种用于对涡轮机转子盘的室进行冷却的设备。该设备包括安装在上游并且与转子盘相距一短距离的环形端板，以便与该环形端板形成环形空间，从而形成用于扩散冷却空气的腔。该腔在上游朝向多个进气孔开口，并且在下游通入到所述室的入口中。然而，需要改进该转子盘的室的冷却。
根据文献US 9 745 852已知一种燃气涡轮转子，该燃气涡轮转子包括转子盘，该转子盘设置有多个凹槽，该多个凹槽用于接纳该转子的叶片的根部。安装被实施成使得凹槽的底部与根部的径向内部面之间存在空间。转子盘设置有通道，从而允许将冷却流体供应到凹槽的底部与根部的内部面之间的空间中。
此外，叶片根部设置有径向盲管，该径向盲管被设置在与叶片根部的端面之一相距一短距离处。该径向盲管通入到凹槽的底部与根部的内部面之间的空间中。
密封元件被设置在根部的所述端面的前方的一短距离处以及被设置在叶片根部与凹槽的底部之间的空间的前方的一短距离处。
多个贯通的轴向出口孔被设置在叶片根部的所述端面中。这些出口孔中的每一个在其两个端部之一处通向叶片根部的所述端面并且在其另一个端部处通向所述径向管。
因此，能够将冷却流体引入到形成在转子盘中的通道中。在离开通道之后，该流体依次穿过叶片根部下方的空间、径向管，然后穿过各个出口孔并且撞击密封元件，以冷却该密封元件。
轴向出口孔是贯通的，因此不是盲孔。此外，径向管不穿过出口孔中的每一个的径向内壁开口。
最后，该设备的操作与本发明的操作完全不同，因为该设备不允许沿用于接纳叶片根部的室的底部的方向重新引导来自转子上游的空气。
根据文献EP 3 348 790还已知一种涡轮机转子，该涡轮机转子包括多个叶片，每个叶片被接纳在一个室中。叶片根部具有凹槽，该凹槽与隔热罩配合，以限定出轴向通道。然而，空气喷射孔口将该轴向通道连接到叶片的上部部分而不是连接到叶片根部的径向内部面。因此，这些空气喷射孔口不允许对室进行冷却。
发明内容
因此，本发明的目的在于解决上述问题。
为此，本发明涉及一种涡轮机涡轮的转子，该转子包括转子盘和分布在该转子盘的周边处的多个叶片，所述转子盘包括多个室，该多个室主要轴向地延伸并且围绕转子的轴线规则地分布在该转子盘的周边处，每个叶片包括根部，该根部被安装并保持在所述转子盘的室之一中，每个根部的尺寸被设置成以便在室的底部与根部的径向内部面之间形成空间。
根据本发明，所述根部包括盲孔以及多个空气喷射孔口，该盲孔主要轴向地延伸并且通到根部的上游面上，所述盲孔在叶片根部的轴向长度的主要部分上延伸，并且每个空气喷射孔口主要径向地延伸，并且在其端部之一处通入到所述盲孔中并且在其另一个端部处通到根部的面向室的底部定位的径向内部面上。
由于本发明的这些特征，到达转子盘的上游面上的空气被加速并且朝向室的底部被引导，该空气在该室的底部通过空气射流冲击实现冷却。此外，盲孔的存在允许减小叶片的重量。
根据本发明的通过单独采用或组合采用的其他有利的且非限制性的特征：
-所述盲孔具有优选地是平面的径向内壁，并且每个空气喷射孔口在其端部之一处通到盲孔的所述径向内壁上并且在其另一个端部处通到根部的面向室的底部定位的径向内部面上；
-根部具有枞树的形状，该根部包括径向内波瓣和径向外波瓣，所述盲孔形成在径向内波瓣中，并且所述空气喷射孔口形成在所述径向内波瓣的径向内端部中；
-所述盲孔具有圆顶形的横截面，该横截面的径向外侧是弯曲的，并且该横截面的径向内侧是笔直的；
-盲孔的高度沿盲孔的底部的方向在所述盲孔的长度的至少一部分上减小；
-盲孔的下游端是弯曲的并且终止于一点，并且至少一个空气喷射孔口在该点处开口；
-空气喷射孔口全部对齐；
-空气喷射孔口沿着至少两条平行线延伸；
-一条线的所述空气喷射孔口相对于另一条线的空气喷射孔口轴向地和周向地偏移；
-叶片根部设置有盖，该盖被成形为防止空气轴向地流入形成在室的底部与根部的径向内部面之间的空间中；
-转子包括空气供应回路，该空气供应回路形成在转子盘的上游环形凸缘与环形端板之间，该环形端板被安装成面向上游环形凸缘并且与该上游环形凸缘相距一距离，空气供应回路通入到盲孔中和/或通入到室中。
本发明还涉及一种涡轮机涡轮，该涡轮机涡轮包括至少一个如上所述的转子。
最后，本发明涉及一种涡轮机，诸如飞行器涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，该涡轮机包括至少一个如上所述的涡轮。
附图说明
本发明的其他特征、目的和优点将从以下说明中显现，以下说明仅仅是说明性和非限制性的，并且应参照附图进行阅读，在附图中：
图1是根据现有技术的涡轮机涡轮的纵向(即轴向)截面视图。
图2是根据本发明的第一实施例的转子盘的一部分和叶片的一部分的透视图。
图3是图2的叶片根部的透视图。
图4是叶片根部的变型实施例的透视仰视图。
图5是图3的叶片根部的径向内部部分的透视细节图。
图6是根据本发明的另一变型实施例的叶片根部的径向内部部分的纵向(轴向)截面视图。
图7是叶片根部的径向内部部分、转子盘和空气供应设备的示例性实施例的轴向截面视图。
图8是根据本发明的第二实施例的转子盘的一部分和叶片的一部分的透视图。
图9是图8中示出的叶片根部的一部分的透视图。
具体实施方式
如在图2中可以看出，根据本发明的涡轮转子1包括转子盘2和分布在该转子盘的周边处的多个叶片3(图2中可见单个叶片)。涡轮可以是高压涡轮或低压涡轮。
盘2旨在围绕旋转轴线X1-X’1被驱动旋转，该旋转轴线与该盘的纵向轴线重合。
在转子1的每个点处，定义有：
-轴向方向x，该轴向方向x平行于旋转轴线X1-X’1，
-径向方向y，该径向方向y垂直于轴向方向x沿着转子的半径延伸，以及
-周向方向z，该周向方向z垂直于轴向方向x和径向方向y。
盘2具有相对的上游面21和下游面22，相对于涡轮中的气体流动方向来考虑术语“上游”和“下游”。
盘2在其周边处进一步包括多个室23，该多个室朝向盘2的外部径向地开口并且围绕该盘的旋转轴线X1-X’1规则地分布。这些室主要轴向地延伸，即，这些室是轴向的或者相对于轴向方向x略微地倾斜。
每个叶片3包括空气动力学轮叶31，该空气动力学轮叶由根部32径向向内延伸。
在附图中所示的示例性实施例中，根部32具有本领域技术人员已知的名称为“枞树”的形状。
因此，根部32具有径向内波瓣321和径向外波瓣322，径向内波瓣321在周向方向z上比波瓣322更窄。
室23具有与根部32的形状类似的形状。因此，该室包括径向内部部分231和较宽的径向外部部分232。
室23具有底部233。
根部32的每个波瓣321、322的横截面具有楔形的形状。每个波瓣321、322包括支承表面323，该支承表面支承抵靠室23的保持面234。因此，每个根部被安装并保持在一个室中。
叶片根部32被构造并且设置尺寸成使得：当叶片根部被安装在室23中时，在该叶片根部的径向内部面324(在此是径向内波瓣321的径向内部面324)与室23的底部233之间存在空间4。优选地，径向内部面324是平面的。
根据本发明，盲孔5形成在叶片的根部32中。在附图中所示的根部的实施例中，盲孔5形成在径向内波瓣321中。该盲孔主要轴向地延伸。优选地，该盲孔5沿与室23的底部的方向平行的方向延伸。
同样优选地，如在图6的截面视图中更好地看到的，该盲孔5在叶片根部32的轴向长度的主要部分上延伸。
该孔5是盲孔，使得该孔通到根部32的上游面325上(参见图5)，但是该孔不通到该根部的相对的下游面326上。
优选地，该孔5位于根部的中心处并因此位于径向内波瓣321的中心处，以便减小该根部的机械冲击并且减小施加在根部处的应力集中。
盲孔5的径向内壁具有附图标记500。
优选地，如在图5中更好地看到的，该盲孔5具有圆顶形的横截面，也就是说，盲孔的横截面的径向外侧51是弯曲的(优选地具有大的曲率半径r1)并且其径向内侧52优选地是笔直的。这允许限制经受强牵引力的侧部51处的机械应力。
因此，当盲孔5具有圆顶形的横截面时，该盲孔的径向内壁500是平面的。
根据本发明，该根部32还设置有多个空气喷射孔口6，该多个空气喷射孔口主要径向地延伸穿过根部的径向内端部(在此穿过径向内波瓣321的径向内端部)。每个空气喷射孔口6在其端部之一处通入到所述盲孔5中、更具体地通到该盲孔的径向内壁500上，并且在其相对的端部处通到根部的径向内部面324上，从而当叶片3被插入到转子盘2中时使得盲孔5和室23的底部232进行流体(空气)连通。
这些空气喷射孔口6具有与盲孔5的尺寸成比例的小直径，这允许通过空气射流冲击实现对室的底部233进行冷却。出于仅说明性的目的，这些孔口可以具有约1mm至5mm的直径，而盲孔5具有介于约5mm至20mm之间的宽度。
根据图3中所示的第一实施例，不同的空气喷射孔口6沿单条线对齐、优选地沿轴向线(方向x)对齐。
根据图4中所示的一个变型实施例，空气喷射孔口6被设置在彼此平行的两条线61、62中、优选地被设置在两条轴向线中。优选地，一条线的孔口6相对于另一条线的孔口6偏移例如半节距。
来自转子的上游并且轴向地进入盲孔5的空气经由空气喷射孔口6沿室23的底部233的方向重新被径向地引导。室23还轴向地接纳来自转子上游的空气。这在室处产生湍流现象(由于流交叉)，这允许对室23的底部233进行更有效的冷却。
在考虑叶片根部的机械应力以及避免弱化该根部的同时，根据期望的冷却来调整孔口6的数量。
因此提高了转子盘2的机械阻力。
此外，通过在每个叶片中形成盲孔5而实现的重量增益为每个叶片约一克。另外，室23的底部233被更好地冷却，转子盘2可以用质量较小的盘的轮毂生产。这种轮毂I的示例在图1中可见。作为仅说明性的示例，与叶片根部上的重量增益相结合的轮毂上的重量增益允许涡轮获得每个转子盘2约1kg的增益。
图6中示出了根部的变型实施例。
在这种情况下，盲孔5具有沿该盲孔的底部50的方向从孔5的入口或者从沿着该盲孔的长度的任何点减小的高度h1(在图6的示例中，可以看出高度h1基本上从孔的一半开始减小)。这种形状具有避免压降并且保持足够的空气流(包括在位于盲孔5的底部50附近的孔口6中保持足够的空气流)的效果。
优选地，盲孔5的下游端的上部壁朝向底部弯曲，使得该孔终止于一点(尖端)，并且至少一个空气喷射孔口6在该点处开口(参见图6)。这种形状允许将空气引导到底部和最后的一个或多个孔口6，而没有压降。
根据附图中未示出的一个变型实施例，叶片根部32可以包括被盲孔5和孔口6穿透的单个径向内波瓣。换句话说，该叶片根部不具有波瓣322。
根据附图中未示出的另一个变型实施例，还能够在径向外波瓣322中设置盲孔5和空气喷射孔口，该空气喷射孔口将形成在波瓣322中的盲孔连接到形成在径向内波瓣321中的盲孔5。
根据图8和图9中所示的另一个变型实施例，根部32的径向内波瓣321设置有盖33，该盖被成形为密封所述径向内波瓣321与该波瓣所位于的室23的壁之间的剩余空间。该盖33有利地由设置在根部32的上游侧上的板构成。因此，空气不再能够直接进入室23中，并且所有的空气流被迫穿过盲孔5，然后穿过空气喷射孔口6。因此，强化了对室底部的冷却。
有利地，如在图9中更好地看到的，盖33甚至可以比室23的内部部分231更大，并且允许对叶片3进行轴向止动。于是，盖33抵靠盘的上游面21。
取决于根部32的形状(例如，如果该根部不是枞树形的)，盖33可以被固定到根部的单个波瓣上。
此外，根据本发明的转子1还包括空气供应回路7，该空气供应回路对进入转子的一部分空气进行引导直至盲孔5的入口，如果根部32未配备有盖33，则该空气供应回路可能对进入转子的一部分空气进行引导直至室23的入口。
图7中示出了这种空气回路7的示例性实施例。
在该图中，可以看到，转子盘2在中心轮毂24的两侧上包括上游环形凸缘25和下游环形凸缘26。
上游环形凸缘25包括基本上轴向的环形部分25a，该环形部分由基本上径向的环形部分25b延伸。
回路7包括环形端板70，该环形端板被安装成面向盘2的上游环形凸缘25的上游面并且插入有环形卡环71。
端板70包括基本上轴向的环形部分70a和基本上径向的环形部分70b。
端板70基本上与上游凸缘25的形状一致。该端板被设置在与该上游凸缘相距一短距离处，以便与该上游凸缘形成环形空间72，从而形成用于扩散冷却空气的腔。该腔72在上游通到进入转子的空气的一个或多个进气口上，并且在下游面向盲孔5开口并且可选地面向室23的入口开口。因此，空气在该腔中被引导，以便对室23和叶片根部32进行冷却。

Claims (13)

1.一种涡轮机涡轮的转子(1)，所述转子包括转子盘(2)和分布在所述转子盘的周边处的多个叶片(3)，所述转子盘(2)包括多个室(23)，所述多个室主要轴向地延伸并且围绕所述转子的轴线(X1-X’1)规则地分布在所述转子盘的周边处，每个叶片(3)包括根部(32)，所述根部被安装并保持在所述转子盘的所述室(23)之一中，每个根部(32)的尺寸被设置成以便在所述室(23)的底部(233)与所述根部(32)的径向内部面(324)之间形成空间(4)，其特征在于，所述根部(32)包括盲孔(5)以及多个空气喷射孔口(6)，所述盲孔主要轴向地延伸并且通到所述根部(32)的上游面(325)上，其中，所述盲孔(5)在叶片根部(32)的轴向长度的主要部分上延伸，并且其中，每个空气喷射孔口(6)主要径向地延伸，并且在其端部之一处通入到所述盲孔(5)中并且在其另一个端部处通到所述根部的面向所述室(23)的所述底部定位的所述径向内部面(324)上。
2.根据权利要求1所述的转子(1)，其特征在于，所述盲孔(5)具有优选地是平面的径向内壁(500)，并且其中，每个空气喷射孔口(6)在其端部之一处通到所述盲孔(5)的所述径向内壁(500)上并且在其另一个端部处通到所述根部的面向所述室(23)的所述底部定位的所述径向内部面(324)上。
3.根据权利要求1或2所述的转子(1)，其特征在于，所述根部(32)具有枞树的形状，所述根部包括径向内波瓣(321)和径向外波瓣(322)，所述盲孔(5)形成在所述径向内波瓣(321)中，并且所述空气喷射孔口(6)形成在所述径向内波瓣(321)的径向内端部中。
4.根据前述权利要求中的一项所述的转子(1)，其特征在于，所述盲孔(5)具有圆顶形的横截面，该横截面的径向外侧(51)是弯曲的，并且该横截面的径向内侧(52)是笔直的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的转子(1)，其特征在于，所述盲孔(5)的高度(h1)沿所述盲孔(5)的底部(50)的方向在所述盲孔(5)的长度的至少一部分上减小。
6.根据权利要求5所述的转子(1)，其特征在于，所述盲孔(5)的下游端是弯曲的并且终止于一点，并且其中，至少一个空气喷射孔口(6)在该点处开口。
7.根据前述权利要求中任一项所述的转子(1)，其特征在于，所述空气喷射孔口(6)全部对齐。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的转子(1)，其特征在于，所述空气喷射孔口(6)沿着至少两条平行线(61，62)延伸。
9.根据权利要求8所述的转子(1)，其特征在于，一条线(61)的所述空气喷射孔口(6)相对于另一条线(62)的所述空气喷射孔口(6)轴向地和周向地偏移。
10.根据前述权利要求中任一项所述的转子(1)，其特征在于，所述叶片(3)的根部(32)设置有盖(33)，所述盖被成形为防止空气轴向地流入被设置在所述室(23)的所述底部与所述根部(32)的所述径向内部面之间的空间中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的转子(1)，其特征在于，所述转子包括空气供应回路(7)，所述空气供应回路形成在所述转子盘(2)的上游环形凸缘(25)与环形端板(70)之间，所述环形端板被安装成面向所述上游环形凸缘(25)并且与所述上游环形凸缘相距一距离，所述空气供应回路(7)通入到所述盲孔(5)中和/或通入到所述室(23)中。
12.一种涡轮机涡轮，其特征在于，所述涡轮机涡轮包括至少一个根据权利要求1至11中任一项所述的转子(1)。
13.一种涡轮机，诸如飞行器涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，其特征在于，所述涡轮机包括至少一个根据权利要求12所述的涡轮。
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