CN112585334A - 轴向固定叶片的转子盘，盘和环的组件，以及涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机(10)的转子盘(36)，该盘(36)环绕一轴线(A)沿周向延伸并且具有被构造成接收叶片的根部(58)的多个单元(60)，每个单元(60)均具有一个被构造成在单元(60)中沿轴向锁定叶片根部(58)的下游径向壁(64)，每个下游径向壁(64)均包括单元(60)的通风通道(66)，所述通风通道具有通向所述单元(60)的进气孔(68)和通向盘(36)的下游表面的出气孔(70)。本发明还涉及一种用于涡轮机的组件，包括这种盘(36)和一上游固定环，并且还涉及一种包括这种组件的涡轮机。

Description

轴向固定叶片的转子盘，盘和环的组件，以及涡轮机
技术领域
本发明涉及一种涡轮机的转子盘，例如涡轮喷气发动机的低压涡轮转子盘。
背景技术
以已知的方式，涡轮机包括气动流路，其中从燃烧室产生的气体回收能量的移动叶轮(转子部分)和使气动流路中的气流变直的分配器(定子部分)彼此跟随。活动叶轮通常包括一个绕旋转轴旋转移动的盘，该盘设置有多个叶片。叶片可单独地制造，并通过使叶片的根部在盘空腔中互锁而装配在该盘上。通常通过对每个空腔进行铰孔获得这些空腔的形状。因此，这些空腔为通腔。因此，通常在叶片的上游面和下游面上通过固定环轴向地阻塞这些叶片。
特别是，在涡轮机的低压涡轮中，通常位于叶片根部上游和下游的叶片的轴向固定环承受了可能导致气体泄漏的应力，特别地承受了与上游固定环相比更多应力的下游固定环，因为其受到更大的机械应力和热应力，特别地由于倾向于向下游推动叶片的气动轴向力。此外，也通过一个抵靠在下游固定环上的活动环轴向地阻塞该叶片。该活动环环绕旋转轴与转子一起旋转，并且通常抵靠涡轮机转子的两个连续级，活动环被轴向地夹持在这两个级之间，以确保叶片在盘中的轴向阻塞。此外，固定环，特别地下游固定环，和活动环的使用寿命取决于这些部件在运行中承受的机械应力和热应力。更换这些部件可能是非常复杂、昂贵和耗时的操作。
应该注意的是，相对于空气在涡轮机中的循环方向限定了术语“上游”和“下游”。
发明内容
本发明旨在至少部分地克服这些缺点。
为此，本发明涉及一种涡轮机的转子盘，所述盘环绕一轴线周向地延伸并且包括被构造成接收叶片根部的多个空腔，每个空腔包括一个被构造成在空腔中轴向地阻塞所述叶片根部的下游径向壁，每个下游径向壁包括所述空腔的一个通风通道，所述通风通道包括一个通向所述空腔的进气孔和一个通向所述盘的下游表面的出气孔。
盘的旋转轴限定了与盘的对称轴(或准对称轴)的方向相对应的轴向方向。径向方向是一种垂直于以下轴线并与该轴线相交的方向，所述盘环绕所述轴线周向地延伸。同样，轴向平面是一种包含该盘的轴线的平面，并且径向平面是一种垂直于该轴线的平面。
除非另有规定，参考径向方向使用形容词“内部/内”和“外部/外”，使得与同一元件的外部部分相比，元件的内部部分沿径向方向更接近所述盘的旋转轴。
每个空腔包括一个下游径向壁，其可以在空腔中轴向地阻塞所述叶片，并且无需使用下游固定环。应该理解的是，下游径向壁可以与所述盘整体地形成。
此外，由于没有下游固定环，也可以除去用于保持叶片的下游固定环的挂钩。因此，叶片，特别地叶片根部和内平台，可具有更简单的几何形状。因此，叶片的制造不那么复杂。
此外，由于没有下游固定环，也可以省却活动环的上游部分，即密封刮片上游的活动环部分。实际上，活动盘可能在两个转子级之间不再处于压缩状态，从而保持下游固定环。
装配转子的多个级，特别地在转子的不同级的盘上装配叶片，不太复杂，并且需要使用减少数目的元件。这导致转子的重量减少。
由于通风通道的存在，其进气孔存在于每个下游径向壁中，可以使每个空腔通风，从而确保对盘的所有空腔进行有效和均匀的冷却。
此外，通过通风通道的出气孔的尺寸监测盘的冷却。
通过这种布置，可以减少进入进入冷却流的空气流的泄漏。可以更好地监测和因此降低冷却流的流速，其允许以恒定的总流速(吹扫流和冷却流)增加第一活动叶轮上游的吹扫流速。因此，该布置允许提高涡轮机的效率。
例如，涡轮机可以是涡轮喷气发动机。
例如，所述转子可以是涡轮转子。
例如，涡轮机可以是低压涡轮。
在一些实施例中，所述出气孔通向所述下游径向壁的下游表面。
在一些实施例中，每个下游径向壁包括一个出气孔。
在一些实施例中，所述通风通道连接至少两个进气孔和一个出气孔。
所述通风通道存在于所述下游径向壁中，并且也存在于沿周向方向界定空腔的盘部分中，例如界定所述空腔的盘的齿。
在一些实施例中，所述通风通道连接所有的进气孔。
所述通风通道可以是一种将所有进气孔彼此连接的周向通道。
所述周向方向为沿圆圈的方向，所述圆圈位于径向平面中并且其中心为旋转轴。
应该理解的是，所述通风通道可具有除周向形状以外的形状。
在一些实施例中，所述进气孔具有入口直径，并且所述出气孔具有出口直径，进气孔的数目大于或等于出气孔的数目，并且入口直径大于或等于出口直径。
在一些实施例中，所述进气孔具有从下游到上游扩展的截锥形状。
截锥形状的扩展允许限制通风通道中的压头损失。
在一些实施例中，所述进气孔具有入口直径，并且所述出气孔具有出口直径，进气孔的数目大于或等于出气孔的数目，并且入口直径小于或等于出口直径。
当进气孔的数目大于出气孔的数目时，由于限制了出气孔的数目，有助于盘的制造。
此外，当出口直径大于入口直径时，有助于排出可能存在于气流中的粉尘。
在一些实施例中，所述进气孔的至少一个与所述出气孔的至少一个轴向地对准。
这些孔通常为圆形形状，应该理解的是，当连接进气孔中心和出气孔中心的线段平行于旋转轴时，形成进气孔的圆心和形成出气孔的圆心沿平行于该旋转轴的方向对准。
在一些实施例中，所述进气孔的至少一个相对于所述出气孔的至少一个周向地和/或径向地偏移。
因此，形成进气孔的圆心和形成出气孔的圆心可周向地和/或径向地彼此偏移。
在一些实施例中，所述下游径向壁的厚度大于或等于0.5mm(毫米)并且小于或等于10mm。
所述壁的厚度允许限制盘的质量。
在一些实施例中，所述进气孔的直径大于或等于0.5mm，并且小于或等于10mm。
直径大于或等于0.5mm的进气孔允许限制使通风管道堵塞的风险。
在一些实施例中，出气孔的直径大于或等于0.5mm，并且小于或等于10mm。
直径大于或等于0.5mm的出气孔允许限制使通风管道堵塞的风险。
本发明还涉及一种涡轮机的组件，其包括一个如上所述的盘以及一个上游固定环。
所述组件可包括装配在所述盘上的多个叶片。
本发明还涉及一种包含如上所限定的组件的涡轮机。
应该理解的是，所述涡轮机可包括一个或多个级，所述级包括如上所限定的组件。例如，所述涡轮机可以是涡轮喷气发动机。例如，如上所限定的组件可布置在涡轮喷气发动机的低压涡轮中。
附图说明
参考附图，从通过非限制性示例给出的实施例的以下描述，本发明目的的其他特征和优点将显而易见，其中：
-图1是涡轮喷气发动机的示意性纵剖视图；
-图2是图1的一部分的放大视图；
-图3是根据第一实施例的涡轮盘的局部透视图；
-图4是图3的盘的局部透视图；
-图5是根据第二实施例的涡轮盘的局部透视图；
-图6是沿图5的平面VI-VI的剖视图；
-图7是类似于图5的视图，其中局部剖面示出了通风通道。
在所有附图中，由相同的附图标记标识共同的元件。
具体实施方式
图1表示沿穿过其主轴线A的垂直平面的横截面中的涡轮风扇发动机10，其为涡轮机的一种示例。涡轮风扇发动机10沿气流F的循环从上游到下游包括风扇12、低压压缩机14、高压压缩机16、燃烧室18、高压涡轮20和低压涡轮22。
相对于空气在涡轮机中的循环方向，在这种情况下，根据气流F在涡轮喷气发动机10中的循环，限定了术语“上游”和“下游”。
涡轮喷气发动机10包括风扇罩壳24，所述风扇罩壳24通过中间罩壳26向后延伸，也就是说向下游延伸，所述中间罩壳26包括外护罩28以及沿径向方向R相对于外护罩28在内部设置的平行内护罩30。径向方向R垂直于主轴线A。
相对于径向方向R限定了术语“外”和“内”，使得沿径向方向，元件的内部与同一元件的外部相比更接近主轴线A。
中间罩壳26还包括沿周向分布并且在内护罩30与外护罩28之间沿径向延伸的结构臂32。例如，结构臂32用螺栓固定到外护罩28上以及用螺栓固定在内护罩30上。结构臂32使得可加强中间罩壳26的结构。
主轴线A为涡轮喷气发动机10以及低压涡轮22的旋转轴线。因此，主轴A线平行于轴向方向。
低压涡轮22包括形成低压涡轮22的转子的多个叶片叶轮。
图2表示低压涡轮22的第一级和第二级。第一级包括由第一盘36形成的第一叶片叶轮34，多个叶片38装配在所述第一盘36的周边上。同样地，第二级包括由第二盘42形成的第二叶片叶轮40，多个叶片38装配在所述第二盘42的周边上。第一和第二叶片叶轮34、40通过分配器44彼此分离。
转子的第一和第二盘36、42每个都包括至少一个连接护罩46。
在图2的实施例中，第一盘36包括一个连接护罩46，在这种情况下为下游连接护罩46，并且第二盘42包括两个连接护罩46，上游连接护罩46和下游连接护罩46。第一和第二盘36、42通过沿周向方向C设置在由第一盘36的下游连接罩46和第二盘42的上游连接罩46承载的多个孔中的多个螺栓48彼此安装。这些螺栓48还使得可将活动环50安装到第一叶片叶轮34和第二叶片叶轮40。
在图2中，活动环50包括沿径向方向R延伸的组配腹板52。
活动环50承载有密封刮板54，所述密封刮板54与由分配器44承载的耐磨材料环56密封地配合在一起。
如图2所示，通过将叶片根部58插入一个用于容纳叶片根部的空腔60，叶片38安装在第一盘36上。
如图3可以看出，空腔60由形成第一盘36的多个部分的齿62沿周向方向C限定，所述部分沿周向方向C界定了这些空腔60。每个空腔60包括下游径向壁64。下游径向壁64与盘36的齿62以及因此与盘整体地形成，并且允许在空腔中轴向地阻塞叶片根部58。特别是，通过使叶片根部58的下游面58A紧靠下游径向壁64的上游面64A，实现了该轴向阻塞。
在图2至4的实施例中，每个下游径向壁64均包括一种空腔的通风通道66。空腔60的通风通道66包括进气孔68和出气孔70。通风通道66通过进气孔68通向下游径向壁64的上游面64A，并通过出气孔70通向盘34的下游面34A。在图2至4的实施例中，出气孔70通向径向壁64的下游面，也就是说，每个下游径向壁64包括进气孔68和出气孔70。
在一个未示出的实施例中，出气孔70可以通向盘34的下游面34A的一部分，所述部分并不是下游径向壁64的下游面。
在图2至4的实施例中，每个通风通道66的进气孔68沿平行于主轴A的方向与出气孔70对准，也就是说，平行于第一盘36的旋转轴的方向。此外，进气孔68和出气孔70呈圆形形状，进气孔68具有入口直径D68，出气孔70具有出口直径D70，进气孔68的入口直径D68等于出气孔70的出口直径D70。因此，通风通道66的形状为具有圆形底座的直立圆柱，所述圆形底座的轴平行于涡轮喷气发动机10的主轴A。
第一叶片叶轮34的叶片38包括一个用于保持上游固定环74的挂钩72，所述上游固定环74用于在空腔中轴向地阻塞叶片38。
在图2的实施例中，仅第一盘36包括多个空腔，其每个都包括下游径向壁。将会注意到的是，第二叶片叶轮40的叶片38包括用于保持上游和下游固定环的挂钩72。应该理解的是，第二盘42也可包括多个空腔，其每个都包括下游径向壁以允许轴向地锁定叶片根部。这同样适用于低压涡轮22的其他级。这些盘的叶片38然后仅可包括用于接收上游固定环的单一凹槽72。在图2的实施例中将会注意到的是，活动环50包括一个用作第二叶片叶轮40的叶片38的上游固定环74的部分。
例如，可以通过增材制造生产第一盘36，特别地通过一种基于粉末床的增材制造方法。
在下文中，不同实施例共有的元件由相同的附图标记标识。
图5至7表示第二实施例。在图5至7的实施例中，第一盘36的通风通道66沿周向方向C延伸并环绕第一盘36。
在图5至7的实施例中，通风通道66将所有的进气孔68连接在一起，并将至少两个进气孔68连接到一个出气孔70。
例如，在图5至7的实施例中，每个下游径向壁64不包括出气孔70，每个下游径向壁64包括进气孔68，也就是说，进气孔68通向每个下游径向壁64的上游面64A。例如，两个空腔60之一的下游径向壁64包括出气孔70。该示例并非限制性的。因此，三个或多个空腔60之一的下游径向壁64可包括出气孔70。
在图5至7的实施例中，在其下游径向壁64包括进气孔68和出气孔70的第一空腔60中，进气孔68与第一空腔60的通风通道66的出气孔对准。在第二空腔中，与第一空腔邻近，下游径向壁64包括一种由于通风通道66而与第一空腔的出气孔70连通的进气孔68，并且第二空腔60的进气孔68并未与出气孔70对准，进气孔68沿周向方向C相对于相对于第二空腔60的通风通道66的出气孔70偏移。应该理解的是，第二空腔60的通风通道66将第二空腔60的下游径向壁64的进气孔68连接到第一空腔60的下游径向壁64的出气孔70。
在图5至7的实施例中，进气孔68的入口直径D68小于出气孔70的出口直径D70。
尽管已参照一种具体的示例性实施例描述了本发明，但显而易见的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的通用范围的情况下，可以对这些示例进行多种修改和改变。例如，进气孔可能并不沿平行于主轴A的方向与出气孔对准。
此外，所提及的不同实施例的单独特征可在额外的实施例中组合。因此，应当说明性而非限制性地考虑说明书和附图。

Claims (11)

1.一种用于涡轮机(10)的转子盘(36、42)，所述盘(36、42)环绕一轴线(A)沿周向延伸，并且包括被构造成接收叶片根部(58)的多个空腔(60)，每个所述空腔(60)均包括一个被构造成在所述空腔(60)中沿轴向阻塞所述叶片根部(58)的下游径向壁(64)，每个下游径向壁(64)均包括所述空腔(60)的一个通风通道(66)，所述通风通道(66)包括一个通向所述空腔(60)的进气孔(68)和一个通向所述盘(36、42)的下游表面的出气孔(70)。
2.根据权利要求1所述的盘(36，42)，其中，所述出气孔(70)通向所述下游径向壁(64)的下游表面。
3.根据权利要求1或2所述的盘(36、42)，其中，所述通风通道(66)连接至少两个进气孔(68)和一个出气孔(70)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的盘(36、42)，其中，所述通风通道(66)连接所有的进气孔(68)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的盘(36，42)，其中，所述进气孔(68)具有入口直径(D68)，所述出气孔(70)具有出口直径(D70)，所述进气孔的数目大于或等于所述出气孔的数目，并且所述入口直径(D68)小于或等于所述出口直径(D70)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的盘(36、42)，其中，至少一个所述进气孔(68)与至少一个所述出气孔(70)沿轴向对正。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的盘(36、42)，其中，至少一个所述进气孔(68)相对于至少一个所述出气孔(70)沿周向和/或径向偏移。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的盘(36、42)，其中，所述下游径向壁(64)的厚度大于或等于0.5mm并且小于或等于10mm。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的盘(36、42)，其中，所述进气孔(68)和/或所述出气孔(70)的直径大于或等于0.5mm，并且小于或等于10mm。
10.一种用于涡轮机的组件，包括一个根据权利要求1至9中任一项所述的盘(36、42)以及一个上游固定环(74)。
11.一种涡轮机(10)，包括根据权利要求10所述的组件。
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