CN111520360B - 带有分段鼓部的混合转子 - Google Patents

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Abstract

一种用于轴流式涡轮机的转子(12)，该转子(12)包括由几个部件形成的鼓部，这些部件包括由复合材料制成的复合环(40)和插在复合环(40)之间的金属环(50)。金属环(50)承载转子叶片(24)。金属环(50)具有轴向重叠于复合环(40)的轴向分支(52)和与复合环(40)接触的至少一个径向分支(54)。

Description

带有分段鼓部的混合转子
技术领域
本发明涉及涡轮机的设计，特别是具有由减速齿轮驱动的风扇的飞机涡轮喷气发动机或飞机涡轮螺旋桨发动机的设计。本发明尤其涉及一种用于压缩机的转子，该转子由几个部件组成，包括由混合材料制成的鼓部(drum)。
背景技术
文献EP 2 818 635 A1描述了一种用于涡轮机的压缩机转子。鼓部布置在该处，支撑几排环形转子叶片，其中至少一个叶片与转子成一体。这种混合式设计在生产和组装过程中节省了时间，因为并非所有叶片都与鼓部成一体。然而，从转子重量的角度来看，这种设计可以得到改进。重量对压缩机转子来说是一个有害的方面，这不仅是因为它需要更多的能量来旋转，降低了发动机的效率，还因为它参与了飞机的总重量，并因此参与了飞机飞行的燃料需求。
文献EP 2 287 445 A1描述了一种由复合材料和金属环段组成的压缩机转子。后者设有燕尾槽，用于接收转子叶片。
这种设计在轴向重量分布上可能有不均匀性，因为燕尾榫需要大块金属冠部。此外，转子的整体尺寸和总重量还有改进的余地。
加工燕尾榫也是昂贵和耗时的。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种更轻的转子，其制造和组装更经济。
解决办法
本发明涉及一种用于涡轮机如飞机涡轮喷气发动机的压缩机的转子，包括:复合环，每个复合环基本上为轴对称形状并由复合材料制成；金属环，每个金属环支撑相应的环形排转子叶片，每个金属环轴向插在两个复合环之间，并且具有带轴向分支的横截面，该轴向分支轴向地部分重叠于复合环中的两个；其中金属环成对连接，并且仅通过其中一个复合环连接。
因此，鼓部通过复合环和金属环沿轴线的连续布置而形成，金属环仅部分轴向重叠于复合环。
根据优选实施例，横截面为T形，并包括径向分支，所述两个复合环中的每一个都具有径向延伸的端部，并邻接金属环的径向分支设置。
根据优选实施例，螺钉或铆钉穿过金属环的径向分支，并穿过两个复合环中每一个的相应端部。
根据优选实施例，径向分支具有内部径向端，该内部径向端包括在径向分支的上游和下游突出的轴向加厚部分，加厚部分限定两个径向外表面，用于将两个复合环的相应端在金属环上对中。
根据优选实施例，横截面为希腊字母π的形状，包括两个径向分支，两个复合环中的每一个都具有径向延伸的端部，并且设置为邻接在金属环的相应径向分支中之一上。
根据优选实施例，轴向分支具有用于将两个复合环对中的内表面。该内表面可以被细分成布置在径向分支每一侧的两个表面，这两个表面中的每一个都与复合环中的一个配合。
根据优选实施例，金属环和转子叶片一体形成。或者，叶片可以焊接到金属环上。
根据一个优选实施例，复合环通常为U形，径向向内或向外打开。
根据优选实施例，复合环具有带有凹槽的外表面，凹槽设置有从凹槽径向突出的金属接触刷。
根据优选实施例，多个J形密封件固定到复合环上，并适于在相应的环形垫上滑动。
根据优选实施例，轴向螺钉将每个J形密封件保持在复合环中的一个和金属环中的一个上。
根据优选实施例，每个金属环具有径向分支，每个复合环具有端部，轴向螺钉将J形密封件保持在相应金属环的径向分支和复合环中相应一个的端部。
根据优选实施例，由耐磨材料制成的层布置在复合环之一上。
根据优选实施例，每个复合环包括带两个轴向端的凹槽，并且其中由耐磨材料制成的层布置在复合环中之一的凹槽的轴向端处。
本发明还涉及一种用于涡轮机(如飞机涡轮喷气发动机)的压缩机的转子，包括:复合环，每个复合环基本上为轴对称形状并由复合材料制成；金属环，每个金属环支撑相应的环形排转子叶片，每个金属环轴向插在复合环中的两个之间，并且具有带轴向分支的横截面，该轴向分支轴向地部分重叠于复合环中的所述两个；其中横截面为希腊字母π的形状，包括两个径向分支，两个复合环中的每一个都具有径向延伸的端部，并且设置为邻接金属环的相应径向分支中之一。
根据优选实施例，轴向分支具有用于将两个复合环对中的内表面。
本发明还涉及一种用于涡轮机(如飞机涡轮喷气发动机)的压缩机的转子，包括:复合环，每个复合环基本上为轴对称形状并由复合材料制成；金属环，每个金属环支撑相应的环形转子叶片排，每个金属环轴向插在两个复合环之间，并且具有轴向分支的横截面，该轴向分支与所述两个复合环轴向地部分重叠，其中复合环大致为U形，径向向内或向外打开。
本发明还涉及一种压缩机，包括:如上所述的转子；至少一排定子叶片轴向布置在两个连续环形排转子叶片之间，定子叶片由轴向重叠于复合环的内部套圈支撑，密封件布置在内部套圈和复合环之间。
根据一个优选实施例，密封件是设有密封刷毛的刷式密封件，每根刷毛的一端固定在内部套圈上，另一端在复合环上滑动。
根据优选实施例，密封件是J形的环密封件，限定了主分支和辅助分支，J的主分支固定到复合环上，辅助分支在内部套圈的环形垫上滑动。或者，J形密封件可以固定到内部套圈上，并且可以在复合环上滑动。
根据优选实施例，密封件由内部套圈上的金属接触刷制成，该接触刷与布置在复合环上的耐磨材料层相互作用。复合环可以具有凹槽，并且耐磨材料层布置在凹槽的每个轴向端部处。
本发明还涉及一种根据上述实施例之一组装转子的方法，该方法包括交替堆叠复合环和金属环。
本发明还涉及一种根据上述实施例之一组装压缩机的方法，该方法包括于内部定子护罩轴向重叠地装配复合环，然后安装与复合环接触的金属环，接着安装抵靠金属环的第二复合环，最后通过螺钉或铆钉将金属环固定到两个复合环上。
优点
与具有完整金属鼓部的转子相比，根据本发明的转子的混合设计允许显著减轻重量。与单件式转子相比，制造时间缩短，因为几个元件在组装在一起之前可以并行制造。此外，轴向重量分布更加均匀。
附图简述
图1显示了轴流式涡轮机；
图2示出了现有技术中已知的压缩机的一部分的示意性截面图；
图3示出了根据本发明第一实施例的转子的截面图；
图4示出了根据本发明第二实施例的转子的截面图；
图5示出了根据本发明第三实施例的转子的截面图；
图6示出了根据本发明第四实施例的转子的截面图；
图7示出了根据本发明第五实施例的转子的截面图；
图8示出了根据本发明第六实施例的转子的截面图；
图9示出了根据本发明第七实施例的转子的截面图。
具体实施方式
在以下描述中，术语“内”(或“内部”)和“外”(或“外部”)指的是相对于轴流式涡轮机旋转轴线的定位。轴向对应于沿着涡轮机旋转轴线的方向。径向垂直于旋转轴线。上游和下游是指涡轮机中的主要流动方向。术语“一体”被理解为一体旋转，特别是刚性相连。
附图示意性地示出了元件，特别是不包括所有的组件或密封元件。为了便于理解附图，夸大了元件的尺寸，特别是径向厚度。
图1显示了轴流式涡轮机2或涡轮喷气发动机。涡轮喷气发动机2包括低压压缩机4和高压压缩机、燃烧室8和一个或多个涡轮10。在操作中，从涡轮机10传递到转子12的机械动力使两个压缩机4和6运动。后者包括与多排定子叶片相关联的多排转子叶片。转子围绕其旋转轴线14的旋转因此能产生气流并朝着燃烧室8的入口逐渐压缩气流。
风扇16连接到转子12，并产生气流，该气流被分成主流18和次流20，它们沿着发动机穿过环形导管(部分示出)，然后在涡轮机的出口处与主流汇合。
减速装置，例如行星减速齿轮22，可以降低风扇和/或低压压缩机相对于相关涡轮机的转速。次流可以加速，从而产生飞机飞行所需的推力反作用力。
图2是已知轴流式涡轮机的压缩机的截面图。压缩机可以是低压压缩机4。可以看到风扇16的一部分以及主流18和次流20的分离喷嘴22。转子12可以包括几排转子叶片24。
低压压缩机4包括至少一个整流器，该整流器包含一排环形定子叶片26。每个整流器与风扇16或一排转子叶片24相关联，以整流气流(补偿气流速度)。
低压压缩机4包括至少一个壳体28。外壳28可以具有大致圆形或管状的形状。它可以是外部压缩机外壳，并且可以由复合材料制成。外壳28可以包括固定凸缘30，例如环形固定凸缘30。环形凸缘30可以由复合材料制成，并且可以包括固定孔(未示出)，以允许通过螺栓固定。
由于复合材料，对于大于1米的直径，外壳28可以是3至5毫米厚。
定子叶片26基本上从壳体28径向延伸到内部套圈(ferrule)32。
在已知转子的这个例子中，转子12与三排环形转子叶片24是一体的，转子叶片24从转子12向壳体28附近径向延伸。
图3示出了根据本发明的转子12的一部分。转子12包括几个由复合材料制成的环40。复合材料可以是具有弹性基体或有机基体的碳纤维类型。每个复合环40是环形的，并且具有大致管状的中心部分42和径向延伸的两端44。在图3的例子中，端部44径向向内延伸，与中心部分42一起形成向内开口的U形轮廓。
转子12还包括介于复合环40之间的金属环50。金属环50是环形的。金属环50具有横截面51，具有至少一个轴向延伸的分支52和至少一个径向延伸的分支54。截面可以是T形或π形的(参见图9中的示例)。轴向分支52至少部分悬于或重叠于复合环40。重叠意味着复合环40的一部分和每个金属环50的一部分共享相同的轴向位置。径向分支54与复合环的端部44接触。因此，径向分支54的表面55通过接触复合环40的表面45而邻接复合环40。表面55和表面45之间的接触是轴向的。
径向分支54在径向内部以加厚部分56结束。该加厚部分56具有表面58，表面58允许复合环40通过它们与端部44的径向内表面48的接触而对中(centering)。
复合环40可以成形为在其外表面47上设置有凹槽46。这可以是环形沟槽的形式。在该凹槽46中设置有金属接触刷60，其可以用作密封件。接触刷60从固定到复合环40的金属环突出。这些接触刷60与安装在内套圈32(其支撑定子叶片26)内部的耐磨材料层34协作。
轴向分支52支撑转子叶片24。转子叶片24可以焊接到轴向分支52上。或者，转子叶片24与金属环50成一体。这种设计可以至少部分地通过铸造然后进行机加工来获得。
可以提供一排环形紧固元件，例如轴向螺钉62，用于将金属环50组装到两个复合环40上。
图4描述了图3的转子12的替代实施例。在该示例中，金属环50上的复合环40的对中(或复合环40上的金属环50的对中)由复合环40外部的表面49产生，该表面49与金属环50的轴向分支52的内表面59接触。
图5描述了图3的转子12的替代实施例。在这个例子中，复合环40的中心部分42没有凹槽，因此具有规则的表面，例如圆锥、圆柱或椭球弧。
图6描述了图3的转子12的替代实施例。与图3相反，金属接触刷70在这里由内部套圈32承载，并且耐磨材料的环72设置有与金属接触刷70协作的环形沟槽74。凹槽46具有两个轴向端部461、462，并且环72优选地布置在这些轴向端部461、462处。
图7描述了转子12的设计的另一个例子。在该示例中，复合环40的横截面轮廓朝向外部呈U形开口。金属接触刷70与环72协作，环72可以布置在复合环40的凸起46上。
图8示出了类似于前述附图的转子12，只是具有不同的密封件。在这个例子中，密封件是刷式密封件(brush seal)80。许多刷毛为每个密封件80径向延伸。刷毛的一端连接到复合环40，另一端在耐磨材料层34上滑动。替代地，刷毛可以在其一端附接到内部套圈32，并且可以在布置在复合环40上的耐磨层上滑动。
图9示出了另一个实施例。该示例显示了套圈和复合环之间密封件的另一种变型。该示例还显示了金属环的不同横截面。因此，图9示出了横截面为希腊字母π形状的金属环。在横截面上，金属环具有轴向分支52和两个径向分支54。金属环的每个径向分支接触复合环40的径向端44。
在复合环40(特别是其径向端44)和定子外壳32之间提供了一个J形截面的密封件90。密封件90包括固定到复合环40的主分支91和在连接到套圈的环形垫94上滑动的辅助分支92。可以提供螺钉96来将主分支91固定到复合环40上。
不同的附图显示了复合环、金属环和密封件的几个可能的实施例。本领域技术人员将会注意到，这三个元件(复合环、金属环、密封件)从一个实施例到另一个实施例是可互换的:特别地，每种类型的密封件可以与每种类型的复合环和金属环一起使用。

Claims (10)

1.一种用于涡轮机(2)的压缩机(4，6)的转子(12)，包括:
复合环(40)，具有轴对称形状且由复合材料制成；
金属环(50)，每个金属环支撑相应的环形排转子叶片(24)，每个金属环(50)轴向插在复合环(40)中的两个之间，并且具有带有轴向分支(52)的横截面(51)，该轴向分支部分地与复合环(40)中的所述两个轴向重叠；
其中金属环(50)仅通过复合环(40)中的一个成对连接。
2.根据权利要求1所述的转子(12)，其中所述横截面(51)为T形，包括径向分支(54)，复合环(40)中的所述两个每一个都具有径向延伸的端部(44)，并且邻接设置在金属环(50)的径向分支(54)上。
3.根据权利要求2所述的转子(12)，其中螺钉(62)或轴向布置的铆钉穿过金属环(50)的径向分支(54)并穿过两个复合环(40)中每一个的相应端部(44)。
4.根据权利要求2或3所述的转子(12)，其中所述径向分支(54)具有内部径向端部，所述内部径向端部包括在所述径向分支(54)的上游和下游突出的轴向加厚部分(56)，所述加厚部分(56)限定了两个径向外表面(58)，用于使所述两个复合环(40)的相应端部(44)在所述金属环(50)上对中。
5.根据权利要求1所述的转子(12)，其特征在于，所述横截面(51)为希腊字母π的形状，包括两个径向分支(54)，复合环(40)中的所述两个每一个都具有径向延伸的端部(44)，并且邻接设置在金属环(50)的相应径向分支(54)中的一个上。
6.根据权利要求1所述的转子(12)，其中，所述复合环(40)具有径向向内或向外打开的U形横截面。
7.根据权利要求1所述的转子(12)，其特征在于，所述复合环(40)具有外表面，所述外表面具有凹槽(46)，所述凹槽设置有从所述凹槽(46)径向突出的金属接触刷(60)。
8.一种压缩机(4，6)，包括:
根据权利要求1至7中任一项所述的转子(12)；
至少一排定子叶片(26)，轴向布置在两个连续的环形排转子叶片(24)之间，
定子叶片(26)由轴向重叠于复合环(40)的内部套圈(32)支撑，密封件(34，60，70，80，90)设置在内部套圈(32)和复合环(40)之间。
9.一种压缩机(4，6)，包括
转子(12)，包括：
复合环(40)，具有轴对称形状且由复合材料制成；
金属环(50)，每个金属环支撑相应的环形排转子叶片(24)，每个金属环(50)轴向插在复合环(40)中的两个之间，并且具有带有轴向分支(52)的横截面(51)，该轴向分支部分地与复合环(40)中的所述两个轴向重叠；
其中金属环(50)仅通过复合环(40)中的一个成对连接；
至少一排定子叶片(26)，轴向布置在两个连续的环形排转子叶片(24)之间，
定子叶片(26)由轴向重叠于复合环(40)的内部套圈(32)支撑，密封件(80)设置在内部套圈(32)和复合环(40)之间；
其中，所述密封件(80)是设有密封刷毛的刷式密封件(80)，每根刷毛在其一端固定到内部套圈(32)上，且在其另一端在复合环(40)上滑动。
10.一种压缩机(4，6)，包括
转子(12)，包括：
复合环(40)，具有轴对称形状且由复合材料制成；
金属环(50)，每个金属环支撑相应的环形排转子叶片(24)，每个金属环(50)轴向插在复合环(40)中的两个之间，并且具有带有轴向分支(52)的横截面(51)，该轴向分支部分地与复合环(40)中的所述两个轴向重叠；
其中金属环(50)仅通过复合环(40)中的一个成对连接；
至少一排定子叶片(26)，轴向布置在两个连续的环形排转子叶片(24)之间，
定子叶片(26)由轴向重叠于复合环(40)的内部套圈(32)支撑，密封件(90)设置在内部套圈(32)和复合环(40)之间；
其中，所述密封件(90)是J形的环密封件(90)，其限定了主分支(91)和辅助分支(92)，J的主分支(91)固定到所述复合环(40)上，并且所述辅助分支(92)在所述内部套圈(32)的环形垫(94)上滑动。
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