CN111448365B

CN111448365B - 用于涡轮机转子轮叶的减振器

Info

Publication number: CN111448365B
Application number: CN201780097578.5A
Authority: CN
Inventors: 利蒂希娅·波莱特
Original assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2023-02-28
Anticipated expiration: 2037-12-12
Also published as: EP3724453A1; CN111448365A; US20210180460A1; US11333027B2; WO2019115886A1

Abstract

一种涡轮机转子，包括带有轮叶的圆盘，每个轮叶包括叶片，叶片通过平台连接到根部，轮叶的平台与圆盘之间限定有凹室，并且所述凹室中的至少一些中安装有减振器，每个减振器包括第一结构部分(102)和第二质量部分(104)，该第一结构部分构造成与需要减弱振动的平台接触，并且该第二质量部分构造成执行减弱这些振动的功能，其特征在于，第二质量部分为粉末的形式，并且第一结构部分为容纳所述粉末的盒子的形式。

Description

用于涡轮机转子轮叶的减振器

技术领域

本发明特别是涉及一种减振器，尤其是用于涡轮机转子轮叶的减振器。本发明特别是适用于涡轮机的涡轮转子，但是也可以适用于具有附接轮叶的风扇或低压压缩机。

背景技术

涡轮机包括用于驱动压缩机的至少一个涡轮，该至少一个涡轮将压缩空气输送到燃烧室的入口。构成涡轮级的转子轮叶通过与燃烧后离开燃烧室的热气体接触而显著升温。然后，热气体在由环形管引导的导管中流通，并驱动布置在该导管中的涡轮转子的轮叶旋转。

因此，轮叶和其上布置有该轮叶的圆盘的外周需要高能冷却。冷却空气来自外部和/或来自与涡轮级相关联的压缩机级的一小部分空气。围绕圆盘的空气流通也会使圆盘的表面冷却。

附接轮叶通常包括叶片，叶片通过平台连接到根部，该根部例如是冷杉树型或燕尾型的，并且旨在通过装配接合在圆盘外周上的互补形插孔中。轮叶的平台形成空气导管在转子处的内部子午线。

前述气流的存在和轮叶旋转的动态激励会产生振动现象。为了限制这些振动，轮叶装有摩擦型减振器，这些减振器支撑在轮叶的平台下方。

这些减振器通常为具有或多或少显著的下降边缘的小的冲压片材的形式，并且由叶片运动产生的能量和平台的振动通过这些片材抵靠平台的摩擦而耗散。在它们的运动中，片材通过离心力被压靠在平台上，摩擦现象在滑动阶段和粘附到平台的阶段之间交替发生。减振器和平台之间的装配性越好，减振就越好。这种弹性摩擦减振器例如在文献FR-A1-2 503 247中有所描述。

根据叶片的振动条件和叶片可能经历的动态激励，尤其是关于其共振速度来在0.2mm至1mm的范围内选择片材的厚度。考虑到涡轮的共振类型以及涡轮的转速范围和其他设计标准(几何形状、材料等)，将最佳质量定义成减弱每种振动环境的精确共振。特别地，在为慢速涡轮或低压空气流的情况下，最佳质量显著高于快速涡轮的最佳质量。

因此，在机械负荷低的具有多级自由涡轮的强大涡轮机中，所谓的慢速涡轮(低于30,000rpm)的速度显著低于单级涡轮的较快速度(约35rpm至45,000rpm)。此外，双级涡轮具有更细长和更多的叶片(例如40个至60个叶片)，并因此这些叶片之间的平台间空间较小。

因此，越来越难以用该技术获得最佳质量并因此难以控制摩擦力。此外，当凹腔允许时，使用较厚(例如，大于1mm)的片材来获得高度理想的质量会妨碍能量耗散和片材的柔韧性，即片材在离心场下变形的能力，并因此是片材的摩擦质量和振动耗散。在平台下方形成非常局部的磨损点则证实了减振器与平台之间的接触面积分布不均。

在这些条件下，在最佳质量方面(在振动环境下定义)和减振器的柔韧性及其摩擦质量方面之间会出现不兼容，对于慢速涡轮而言，该最佳质量倾向于以一般方式增加。实际上，在为慢速涡轮的情况下，使用越来越厚的片材，并将其容纳在平台之间的缩小空间中，会导致减振器的柔韧性以及对叶片/减振器接触的适应性降低，并因此导致诱导减振降低。

因此，申请人寻求通过提供具有最佳质量的减振器来消除这种不兼容，该减振器能够根据涡轮的振动环境，特别是针于慢速涡轮来减弱共振，同时提高对减振器的凹室的承载表面适应的灵活性。为此目的，本发明提供了将质量和灵活性的功能分开。

在这方面，在文献FR-A1-2 970 033中已经提出了一种解决方案，该文献描述了一种将减振叶片安装在气体涡轮的慢速轮盘上的方法，该涡轮在叶片平台下方具有适合于接纳减振器的凹室。该方法包括独立地生产抵靠平台的结构和镀层部分以及用于通过镀层来控制抵靠平台的摩擦力的力的质量集中部分，以可逆的方式将两个部分联接在一起并将由此以这两个部分构成的减振器插入到专用凹室中。

通过用抵靠平台的柔性部分的镀层的至少一个区域至少部分地包绕质量部分来形成两个部分的联接。柔性部分具有足够的柔性，以适应于所需的接触水平，例如以补偿不完美的定位，以适应于平台下方的几何结构从叶片到叶片的分散，或抵消金属铸造公差。质量部分可以通过另一种不同材料的质量来改变，或者可以在减振不足的情况下通过增加额外的质量来增大。

本发明提出了对该技术的改进。

发明内容

本发明提供了一种涡轮机转子，该涡轮机转子包括带有轮叶的圆盘，每个轮叶包括叶片，叶片通过平台连接到根部，在叶片的平台与圆盘之间限定有凹室，并且所述凹室中的至少一些中安装有减振器，每个减振器包括第一结构部分和第二质量部分，该第一结构部分构造成与其需要减弱振动的平台接触，并且该第二质量部分构造成执行减弱这些振动的功能，其特征在于，第二质量部分为粉末的形式，并且第一结构部分为容纳所述粉末的盒子的形式。

因此，该解决方案包括装有粉末的盒式减振器。这是有利的，因为在不参与减振器的刚度的情况下可将围闭的粉末容积调节至预定质量。

根据本发明的转子可以包括以下被彼此单独采用或彼此结合采用的特征中的一个或多个：

-盒子以密封的方式封闭，以防止粉末意外地从盒子中逸出；

-粉末占据所述盒子的内部容积的全部；

-粉末仅占据所述盒子的内部容积的一部分；

-盒子具有基本上平行六面体的总体形状，

-盒子和粉末由同种金属材料制成，

-盒子通过使与盒子中所容纳的粉末相同的粉末熔化来获得。

-盒子包括下降的边缘，以确保当马达停止(即消除离心力)时，盒子保持在其凹室中。

本发明还涉及一种用于生产如上所述的减振器的方法，其中，该方法包括通过在粉末床上进行选择性熔化以通过增材制造来生产所述盒子的步骤，容纳在盒子中的粉末是用于制造该盒子的粉末。

盒子可以通过增材制造来整体生产和以密封的方式封闭，并且可以容纳基本上等于盒子的内部容积的体积的粉末。在替代性实施例中，通过增材制造来制造具有至少一个开口的盒子，该至少一个开口用于排出容纳在盒子中的一些粉末，然后以密封的方式，例如通过焊接将其封闭。

附图说明

通过以下参照附图对本发明的实施例的示例进行的详细描述，本发明的其他特征和优点将显现，这些附图分别表示：

-图1是装有减振器的涡轮转子的示例的示意性纵向横截面图的一半，

-图2是装有减振器的涡轮转子的局部示意性透视图，

-图3是根据本发明的减振器的示意性透视图，

-图4是沿图3的IV-IV线的示意性横截面图；

-图5是用于通过增材制造来生产根据本发明的减振器的机器的非常示意性的视图，

-图6包括类似于图4的示意性横截面图，并且示出了用于生产该减振器的方法的实施例；

-图7至图9是类似于图4的示意性横截面图，并且示出了根据本发明的减振器的替代性实施例；以及

-图10至图12是根据本发明的减振器的另一替代性实施例的示意性透视图和横截面图。

具体实施方式

参照附图，术语“前”和“后”是指相对于由图1的中心旋转轴线X’X定义的方向的“上游”元件和“下游”元件，该中心旋转轴线X’X是涡轮机的纵向轴线。

图1大体上示出了涡轮机的涡轮叶轮1的截面图，该叶轮1包括减振器2。该叶轮1沿涡轮轴线X’X具有周期重复性，并且包括中心圆盘3，在中心圆盘3上的外周处安装有轮叶4，每个轮叶4包括通过平台5连接到根部的叶片，在这里，该根部是冷杉树型的，并且通过装配插入到圆盘3外周中的插孔中，该插孔的形状与根部的形状互补。

叶片的制动衬垫31被插入以将根部锁定在其插孔中。根据该架构，这些衬垫可以有利地用其他轴向制动系统，诸如制动线、铆钉、杆、覆环或等效物来代替。

每个减振器2被集成在凹室20中，该凹室20由平台5、两个相邻的轮叶根部支撑件4(该支撑件是根部的径向外部部分)和后衬垫31界定。平台5具有如下的轮廓，该轮廓在轴向端部处形成在该平台的凹室中的减振器2的前轴向锁定加固件51和后轴向锁定加固件52。

图2示出了叶轮1的局部视图，其中圆盘3的环形外周环30容纳轮叶4的根部40和减振器2。环30的侧面被衬垫31封闭，以便轴向地阻塞轮叶根部40在其插孔中的运动，该衬垫31形成滑入形成在平台5和环30中的凹槽中的区段。平台5形成环形件50，轮叶的叶片从该环形件50径向向外突出。

减振器2在其凹室或腔室中被轮叶根部的支撑件41侧向阻塞、被平台5径向阻塞并且被叶片加固件51和52轴向阻塞(参见图1)。

为了更好地示出减振器2及其凹室20，图2的一部分是透明的，并且已去除了加固件。每个凹室20在两个并置的平台5的内部面51下方形成在叶片4的两个根部40的两个支撑件41和环30的悬垂件或中间突出6之间。然后，减振器还通过减小并置平台之间的平台间泄漏区段而具有密封功能。

减振器2可以具有沿着轴线X’X的轴向自由度，以及在平台5和衬垫6之间并因此是在离心场下在该衬垫和减振器之间的间隙，该间隙例如为十分之一毫米至十分之几毫米。

图3和图4非常示意性地示出了根据本发明的减振器100。在上述示例中，该减振器主要包括两个部分：第一结构部分102，该第一结构部分构造成与以上示例中的轮叶的平台接触；以及第二质量部分104，该第二质量部分构造成执行减弱这些振动的功能。第一部分102是密封的内部腔室盒子106的形式，而第二部分是容纳在该腔室106中的粉末的形式。

在所示示例中，减振器100具有大致平行六面体的形状。该形状由盒子赋予，因此该盒子具有大致平行六面体的形状。盒子包括相对较薄的壁，该壁通过熔化金属粉末而获得，如将在下面更详细地描述的。自然地，减振器及其盒子的形状取决于安装环境。在上述将减振器安装在位于轮叶平台下方的凹室中的特定情况下，减振器构造成插入到该凹室中，并通过其壁之一与两个相邻的轮叶的平台发生接触，以便减弱其振动。

腔室106部分地或全部地填充有粉末，该粉末与用于生产盒子的壁的粉末相同。通过这种方式使得可以通过增材制造来制造盒子。

图5示出了用于通过增材制造，特别是通过借助于高能束选择性地熔化粉末层来制造减振器100的机器。

该机器包括：容纳金属粉末的进料托盘170；辊130，用于从该托盘170转移该粉末并将该粉末的第一层110铺展在构建支撑件180(这可以是固体支撑件、另一部件的一部分或用于促进某些部件构建的支撑格栅)上。

该机器还包括再循环托盘140，该再循环托盘140用于在将粉末层铺展在构建支撑件180上之后回收一小部分用过的粉末(尤其是未熔化或未烧结的粉末)和大部分的多余粉末。因此，再循环托盘中的大部分粉末都是新粉末。而且，该再循环托盘140通常被专业人员称为溢流托盘或烟灰碟。

该机器还包括用于激光束195的发生器190，和控制系统150，该控制系统150可以将光束195导向到构建支撑件180的任何区域上以便扫描粉末层的任何区域。激光束在焦平面上的成形及其直径的变化分别借助于扩束器152和聚焦系统154来完成，其整体构成光学系统。

该机器能够将类似于直接金属沉积(DMD)的方法应用于粉末，并且可以使用任何高能束代替激光束195，只要该光束具有足够的能量以在粉末颗粒与颗粒被搁置的材料的一部分之间熔化或形成颈部或桥接部即可。

辊130可以被能将粉末分层转移和铺展的另一种合适的施加系统代替，诸如与刮刀、刀或刷子相结合的卷轴(或料斗)。

控制系统150包括例如至少一个可定向反射镜155，激光束195在到达粉末层之前在该反射镜上被反射，该粉末层的表面的每个点相对于容纳在聚焦系统154中的聚焦透镜始终位于相同的高度，该反射镜155的角度位置由检流计头控制，使得激光束扫描第一粉末层的至少一个区域，并因此能遵循预先建立的部件轮廓。

机器工作如下。借助于辊130，将材料的第一粉末层110施加到构建支撑件180上，该粉末在辊130向前运动期间从进料托盘170转移，然后在辊130的一个(或多个)来回运动期间被刮展并且可能地被轻微压实。多余的粉末被回收在再循环托盘140中。通过用激光束195进行扫描使该第一粉末层110的区域的温度高于该粉末的熔化温度(液相线温度)。根据用于计算机辅助设计和制造待制造部件的计算机工具的数据库中包含的信息来控制检流计头。以这种方式，在第一层110的该区域中的粉末颗粒160被熔化并形成一件式的第一束带层(cordon)115，该第一束带层115与构建支撑件180成一体，例如，以形成盒子的底部壁。将支撑件180降低与第一层的已限定厚度(在20μm和100μm之间，通常在30μm至50μm之间)对应的高度。待熔融或待固结的粉末层的厚度从一层到另一层仍然是可变的值，这是因为该厚度高度取决于粉末床的孔隙率及其平坦度，而支撑件180的预编程位移为对预设间隙是不变的值。然后将第二粉末层120沉积在第一层110和该第一束带层115上，然后通过暴露于激光束195来加热第二层20的、部分地或完全地位于该第一束带层115上方的区域，使得第二层120的该区域的粉末颗粒与第一元件15的至少一部分一起熔化，并形成一体式的或固结的第二束带层125，这两个束带层115和125的全部形成一体式挡块。为此目的，一旦该第二束带层125的一部分与第一元件115结合，第二束带层125就已经有利地完全结合。如果单个粉末层的熔化不充分，则这能够使盒子的底部壁增厚，或者开始生产盒子的侧壁。然后，通过向已形成的组件上添加额外的粉末层来继续这种逐层构建部件的方法。利用光束195扫描使得能够通过赋予每个层符合要生产的部件的几何形状的形状来构建每个层。随着部件的上部层的建立，使部件的下部层或多或少地快速冷却。这里的最后一步是生产盒子的顶部壁。

可以理解的是，如果在增材制造期间以密封的方式封闭盒子，则盒子的内腔室应完全充满金属粉末，尤其是用于生产盒子的金属粉末。

为了在部件的如上所述的逐层制造期间减少部件被例如溶解氧、氧化物或其他污染物污染，该制造必须在湿度受控的壳体中进行，该壳体适合于方法/材料对，填充有对于所提及的材料的中性气体(非反应性)，诸如氮气(N₂)、氩气(Ar)或氦气(He)，并添加或不添加少量、已知具有还原能力的氢气(H₂)。也可以考虑这些气体中的至少两种气体的混合物。为了防止污染，特别是防止受到来自周围环境的氧的污染，通常会向该壳体施加超压力。

因此，根据当前的现有技术，选择性熔化或选择性激光烧结能够构建具有良好尺寸精确度的低污染部件，这些部件的三维几何形状可以是复杂的。

选择性熔化或选择性激光烧结还优选使用洁净的(即未被合成中的残余元素污染)且非常细的(每个颗粒的尺寸为1μm至100μm，优选地45μm至90μm)具有球状形态的粉末，这使得能够获得具有优异表面光洁度的成品部件。粉末优选由金属合金，例如镍基合金制成。

与铸造部件、注塑部件或机械加工部件相比，选择性熔化或选择性激光烧结还使得缩短了生产时间、减少了制造成本和固定成本。

根据用于制造盒子的粉末的粒径、密度和密实度以及盒子的内部容积，可以确定容纳在盒子中的粉末的质量。可以通过去除盒子中容纳的一部分粉末来改变质量。有多个选择可用于此目的。

第一种选择是在盒子上钻一个开口108(图6-左图)，以便排出预定量的粉末，然后通过焊接110来封闭该开口108，使得盒子被密封。另一种选择是通过增材制造来直接生产具有开口的盒子，然后在排出粉末后如上所述地将该开口密封。另一种选择是生产如图4所示的盒子，然后对该盒子钻孔，以在例如通过焊接将粉末的排出开口封闭之前从该开口排出粉末。

图7示出了本发明的替代性实施例，其中，与具有厚度基本上相同的壁的图4的实施例相反，该盒子具有厚度不同或局部过厚的壁。这特别是盒子的上部壁的情况，当减振器处于位于这些平台下方的凹室中时，该上部壁构造成通过支撑和摩擦与两个相邻轮叶的平台配合。盒子的壁的厚度可以在0.1mm至1mm之间。

作为替代性实施例，并且如图8所示，可以在盒子的上部壁中设置平台间空间E的右侧处的局部过厚，以防止在运行期间平台之间的蠕变现象。

在图9所示的又一替代性实施例中，盒子的底部壁被抬升，以形成底板并在增材制造方法结束时自动调节盒子中容纳的粉末的最大体积。因此，减振器的下部形状可以适于调节封闭的粉末体积，但是也可以确保减振器保留在其凹室中。

图10和图11示出了减振器的另一个替代性实施例，该减振器具有更复杂的盒子形状，这里称为下降边缘。盒子的内部容积可以完全充满粉末。

在图12所示的替代性实施例中，仅盒子的内部容积的一部分填充有粉末。粉末可以位于内部容积的下部部分，或例如通过底板P保持在上部部分，该底板P在增材制造期间与盒子同时生产。

在上述应用中，在离心力的作用下，随着涡轮的旋转，减振器100将压靠平台50的内部面51上，以通过摩擦力，特别是在共振时，促进减振效果。

此外，叶片的根部可以是锤式根部而不是冷杉树式根部，这是因为减振器的凹室总是由轮叶根部的支撑件限定出。

可以将本发明应用于特别是用于飞行器的涡轮机中的任何一组连接的且旋转安装的部件。

Claims

1.一种涡轮机转子，包括带有轮叶的圆盘，每个轮叶包括叶片，所述叶片通过平台连接到根部，所述轮叶的平台与所述圆盘之间限定有凹室，并且所述凹室中的至少一些中安装有减振器，每个所述减振器包括第一结构部分(102)和第二质量部分(104)，所述第一结构部分构造成与需要减弱振动的平台接触，并且所述第二质量部分构造成执行减弱这些振动的功能，其特征在于，所述第二质量部分为粉末，并且所述第一结构部分为容纳所述粉末的盒子，其中，所述凹室由所述平台、两个相邻的轮叶根部支撑件和后制动衬垫界定，所述后制动衬垫构造成被插入以将所述根部锁定在所述圆盘中。

2.根据权利要求1所述的转子，其中，所述盒子以密封的方式封闭，以防止粉末意外地从所述盒子中逸出。

3.根据权利要求1或2所述的转子，其中，所述粉末占据所述盒子的内部容积的全部。

4.根据权利要求1或2所述的转子，其中，所述粉末仅占据所述盒子的内部容积的一部分。

5.根据权利要求1或2所述的转子，其中，所述盒子具有基本上平行六面体的总体形状。

6.根据权利要求1或2所述的转子，其中，所述盒子和所述粉末由同种金属材料制成。

7.根据权利要求1或2所述的转子，其中，所述盒子通过使与所述盒子中所容纳的粉末相同的粉末熔化来获得。