CN113366192A - 具有承受高应力的柔性区域的涡轮机定子扇区 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机定子扇区(100)，包括沿径向方向(DR)在第一端(110a)与第二端(110b)之间，以及沿轴向方向(DA)在前缘(111)与后缘(112)之间延伸的多个叶片(110)。该扇区还包括连接到叶片的第一端(110a)的内护罩(120)以及连接到叶片的第二端(110b)的外护罩(130)。该扇区包括形成内护罩或外护罩的全部或部分的至少一个环形部分(140)。该环形部分包括第一隔板(141)和第二隔板(142)，所述第一隔板(141)存在于与叶片(110)的第一端(110a)或第二端(110b)的接合处，所述第二隔板(142)沿径向方向(DR)通过包括多个切口(1430)的三维结构(143)与第一隔板保持间隔。

Description

具有承受高应力的柔性区域的涡轮机定子扇区
技术领域
本发明涉及例如飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机这样的航空涡轮机的压缩机的矫直器的通用领域。
背景技术
涡轮机压缩机包括几个压缩级，每个压缩级都由安装在转子轴上的环形列的叶片以及通过矫直器形成，所述矫直器由径向地安装在涡轮机的环形外壳上的多个叶片形成。
压缩机矫直器通常是扇区化的，即由环绕压缩机的纵轴端对端地周向地设置的几个角扇区组成。更准确地，如图1所示，每个矫直器扇区10包括一个在另一个内侧同轴地布置的内护罩11和外护罩12，以及在这些护罩之间径向地延伸并通过其各自的径向端13a和13b连接到这些护罩的几个叶片13。此外，在每个其轴向端，每个矫直器扇区10的外护罩12分别包括用于将扇区装配到涡轮机的外壳的突出接片121和122。
在操作中，这种类型的矫直器扇区承受静态和振动的许多机械载荷。特别地，在矫直器扇区上观察到强烈的振动响应，矫直器扇区可能随时间致使扇区损坏(裂纹、破裂等)。这些机械载荷基本支撑在叶片的前缘和后缘以及内外护罩之间的接合区域，所述接合区域对应于图2所示的区域Z1、Z2、Z3和Z4。事实上，这些接合区域对应于扇区中的厚重部件和薄部件之间的材料体积的突然变化。这导致接合区域处的刚度，所述区域然后变成坚固机械应力的区域，这可导致矫直器扇区的损坏，甚至破坏。
文件US2007172349中描述了一种用于降低在叶片的前缘和后缘与矫直器扇区的外护罩之间的接合处的机械应力的解决方案。然而，本文件中提到的解决办法并不完全地令人满意。特别地，在振动方面，这种解决方案并不能在叶片的前缘和后缘以及内外护罩之间的接合区域处提供足够的阻尼。
发明目的和概述
因此，本发明的主要目的是通过提出一种涡轮定子扇区来弥补这种类型的缺点，所述定子扇区包括沿径向方向在第一端和第二端之间以及沿轴向方向在前缘和后缘之间延伸的多个叶片，所述扇区进一步包括连接到叶片的第一端的内护罩以及连接至叶片的第二端的外护罩，其特征在于，所述扇区至少包括一个形成所述内护罩或外护罩的全部或部分的环形部分，所述至少一个环形部分包括第一隔板和第二隔板，所述第一隔板存在于与所述叶片的第一或第二端的接合处，所述第二隔板沿径向方向通过包括多个切口的三维结构与所述第一隔板保持间隔。
通过提供额外的柔性，所述环形部分允许明显地改进在叶片端部和所述内外护罩之间的接合处的定子扇区的机械强度。因此，在这些应力较大的接合区域更好地补偿和/或吸收了很大的静应力和动应力。
所述环形部分可沿轴向方向和/或沿涡轮定子扇区的周向方向形成所述内护罩或所述外护罩的全部或部分。
根据本发明的定子扇区的一种特定特征，第一隔板的厚度小于1mm。因此，在与叶片的第一或第二端的接合处具有更大的柔性。
根据本发明定子扇区的另一特定特征，所述三维结构包括横档或空腔的阵列。
根据本发明的定子扇区的另一特定特征，所述外护罩的下游端由环形部分形成，所述环形部分的第一隔板在所述叶片的后缘处连接到叶片的第二端。
根据本发明的定子扇区的另一特定特征，所述内护罩完全地由环形部分形成，所述环形部分的第一隔板连接到叶片的第一端。
本发明还涉及一种涡轮机定子，特别地一种涡轮机矫直器，其由如先前所限定的多个扇区形成，所述定子或矫直器形成涡轮机压缩机的一部分。
本发明还涉及一种涡轮机，其配备有根据本发明的压缩机。
本发明的目的还是一种涡轮机定子扇区的制造方法，所述方法包括制造沿径向方向在第一端和第二端之间以及沿轴向方向在前缘和后缘之间延伸的多个叶片，制造连接到叶片第一端的内护罩和连接到叶片第二端的外护罩，其特征在于，所述方法进一步包括沿轴向方向通过增材制造在内护罩或外护罩的全部或部分上制造至少一个环形部分，所述至少一个环形部分包括第一隔板和第二隔板，所述第一隔板存在于与叶片第一或第二端的接合处，所述第二隔板沿径向方向通过包括多个切口的三维结构与所述第一隔板保持间隔。
根据本发明方法的特定特征，所述第一隔板的厚度小于1mm。
根据本发明方法的另一特定特征，所述三维结构包括横档或空腔的网络。
根据本发明方法的另一特定特征，环形部分在所述外护罩的下游端形成，所述环形部分的第一隔板在所述叶片后缘处连接到叶片的第二端。
根据本发明方法的另一特定特征，环形部分在整个内护罩上形成，所述环形部分的第一隔板连接到叶片的第一端。
附图说明
参考附图，通过以下给出的描述将揭示本发明的其他特征和优点，所述附图示出了本发明的实施例，而没有任何限制性特征。图中：
–图1是根据现有技术的矫直器扇区的示意性透视图；
–图2是图1的矫直器扇区的侧视图；
–图3和4是根据本发明一个实施例的涡轮定子扇区的示意性透视图；
–图5是图3和4的矫直器扇区的侧视图；
–图6和7是根据本发明的另一实施例的涡轮定子扇区的示意性透视图；
–图8是图6和7的矫直器扇区的侧视图。
具体实施方式
图3、4和5显示根据本发明一个实施例的涡轮定子扇区100。在此将形成涡轮中的高压矫直器的一部分的定子扇区100包括沿径向方向DR在第一端110a与第二端110b之间延伸，并沿轴向方向DA在前缘111与后缘112之间延伸的多个叶片110。扇区100还包括连接到叶片110的第一端110a的内护罩120以及连接到叶片110的第二端110b的外护罩130。外护罩130包括沿轴向方向DA偏移的突出接片131和132，用于将扇区组装到外涡轮壳体上。
根据本发明，定子扇区100包括环形部分140，所述环形部分140在此形成沿轴向方向DA定位在与叶片110的后缘112的接合处的外护罩130的下游边缘。环形部分140沿轴向方向DA在小于外护罩130的总宽度的长度D140上(图3和5)，以及在外护罩130的整个圆周长度L130上(图4)延伸。环形部分140包括存在于朝向后缘112与叶片110的第二端110b的接合处的第一隔板141，以及沿径向方向DR通过包括多个切口1430的三维结构143与第一隔板141保持间隔的第二隔板142(图5)。在此处描述的示例中，三维结构142包括横档1431的阵列，所述阵列在横档1431之间限定了切口1430。此处“保持间隔”是指三维结构与第一和第二隔板接触，并且构成了在这两个隔板之间保持间隔的同时连接这两个隔板的元件。
位于叶片110的后缘112与外护罩130之间的接合区域ZJ1(图5)处的第一隔板141具有较小的厚度E141，以便在该应力区域提供柔性。第一隔板141优选具有小于1mm的厚度，更优选地具有大致0.2mm的厚度。三维结构143由于其几何形状，也有助于接合区域ZJ1的额外柔性。
通过提供额外的柔性，部分140使得可在叶片110的后缘112与外护罩130之间的其接合处明显地提高定子扇区100的机械强度。因此，在应力很高的该接合区域更好地补偿和/或吸收了高静应力和动应力。
一类似于已描述的环形部分140的环形部分(在图3至5中未示出)也可用于形成沿轴向方向DA位于与叶片110的前缘111的接合处的外护罩130的上游边缘。根据确定的敏感区域，每个定子扇区的外护罩可在其上游或下游边缘处配备有环形部分，或配备有分别形成外护罩的上游边缘和下游边缘的两个环形部分。
图6至8显示本发明定子扇区的另一实施例，其与上述定子100的不同之处在于，环形柔性部分存在于扇区的内护罩上。
更准确地说，在此用于形成涡轮中的高压矫直器的一部分的定子扇区200包括沿径向方向DR在第一端210a与第二端210b之间以及沿轴向方向DA在前缘211与后缘212之间延伸的多个叶片210。扇区200还包括：连接到叶片210的第一端210a的内护罩220以及连接到叶片210的第二端210b的外护罩230。外护罩230包括沿轴向方向DA偏移的突出接片231和232，用于将扇区组装到外涡轮壳体上。
根据本发明，定子扇区200包括在此形成整个内护罩220的环形部分240。环形部分240沿轴向方向DA在与内护罩230的总宽度对应的宽度D240上(图6和图8)，以及在内护罩220的整个圆周长度L220上(图4)延伸。环形部分240包括存在于与叶片210的第二端210b的接合处的第一隔板241，以及沿径向方向DR通过包括多个切口2430的三维结构243与第一隔板241保持间隔的第二隔板242(图8)。在此处描述的示例中，三维结构242包括横档2431的阵列，所述阵列在横档2431之间限定了切口2430。
位于叶片210的前缘211与内护罩220之间的接合区域ZJ2处，以及叶片210的后缘212与内护罩220之间的接合区域ZJ3处的第一隔板241(图8)具有较小的厚度D241，以便在这些应力区域提供柔性。第一隔板241优选具有小于1mm的厚度，更优选具有大致0.2mm的厚度。三维结构243由于其几何形状，也有助于接合区域ZJ2和ZJ3处的额外柔性。
通过提供额外的柔性，部分240使得可一方面在叶片110的前缘211与后缘212，另一方面与内护罩220之间的其接合处明显地提高定子扇区200的机械强度。因此，在应力很高的这些接合区域更好地补偿和/或吸收了高静应力和动应力。
而且，除了由类似于部分240的环形部分形成的内护罩之外，并且根据所确定的敏感区域，每个定子扇区的外护罩可以在其上游或下游边缘配备有类似于先前描述的环形部分140的环形部分，或配备有分别形成外护罩的上游边缘和下游边缘的两个环形部分。
本发明的环形部分可沿轴向方向和/或沿定子扇区的周向方向形成内护罩或外护罩的全部或部分。
通过增材制造制造了本发明的环形部分。事实上，通过传统的机械加工技术制造在与叶片的前缘和/或后缘的接合处具有小于1mm的厚度的隔板，例如如上所述的隔板141和241，已经证明很难掌握。事实上，由于与机加工相关的制造公差，这些隔板的厚度最终可能太大，以至于无法在相关的区域提供必要的柔性，或者另一方面太薄，以至于无法为该扇区提供良好的机械强度(变形、塑化等)。增材制造提供了更高的尺寸精度，这允许良好地控制隔板在所有环形部分上的厚度。增材制造可用于仅在定子扇区的其他部件上制造用常规技术(如机加工)制造的环形部分，或用于制造整个定子扇区。对于增材制造，尤其可以在粉末床上使用激光熔合增材制造方法。
而且，在上述的示例中，环形部分的三维结构包括横档的阵列。然而，该三维结构可具有除横档以外的其他几何结构。可以考虑可有助于机械柔性的任何三维几何结构。例如，维度结构可具有空腔阵列来代替横档阵列。
除了提供额外的柔性之外，该三维结构由于其切口的阵列使得可通过增材制造在部件的构造过程中有利地减少在环形部分与叶片之间产生的应力梯度。事实上，尽管通过热处理减弱了梯度，但是因为薄部件位于高度加载的区域中，通过薄部件靠近大块部件而导致的梯度对部件的机械强度有害。
在本发明中，环扇区以单件制造，这意味着构成根据本发明的定子扇区的所有元件是一体的。换句话说，根据本发明的定子扇区包括与内护罩和与外护罩一体的叶片，形成内护罩和/或外护罩的全部或部分的环形部分与所讨论的护罩为单一部件。

Claims (13)

1.一种涡轮定子扇区(100)，包括沿径向方向(DR)在第一端(110a)与第二端(110b)之间延伸，以及沿轴向方向(DA)在前缘(111)与后缘(112)之间延伸的多个叶片(110)，所述扇区还包括连接到所述叶片的第一端(110a)的内护罩(120)以及连接到所述叶片的第二端(110b)的外护罩(130)，
其特征在于，它包括至少一个形成所述内护罩或外护罩的全部或部分的环形部分(140)，所述至少一个环形部分包括第一隔板(141)和第二隔板(142)，所述第一隔板(141)存在于与所述叶片(110)的第一端(110a)或第二端(110b)的接合处，所述第二隔板(142)沿径向方向(DR)通过包括多个切口(1430)的三维结构(143)与所述第一隔板保持间隔。
2.根据权利要求1所述的定子扇区，其中，所述第一隔板(141)的厚度(E141)小于1mm。
3.根据权利要求1或2所述的定子扇区，其中，所述三维结构(143)包括横档或空腔的阵列。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的扇区，其中，所述外护罩(130)的下游端由环形部分(140)形成，所述环形部分的第一隔板(141)在所述叶片的后缘(111)处连接到所述叶片(110)的第二端(110b)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的扇区，其中，所述内护罩(220)完全地由一环形部分(240)形成，所述环形部分的第一隔板(241)连接到所述叶片(210)的第一端(210a)。
6.一种涡轮机定子，包括多个根据权利要求1至5中任一项所述的扇区。
7.一种涡轮机压缩机，配备有根据权利要求6所述的定子。
8.一种涡轮机，配备有根据权利要求7所述的压缩机。
9.一种制造定子扇区(100)的方法，包括制造沿径向方向(DR)在第一端(110a)与第二端(110b)之间延伸，以及沿轴向方向(DA)在前缘(111)与后缘(112)之间延伸的多个叶片(110)，制造连接到叶片的第一端(110a)的内护罩(120)和连接到叶片的第二端(110b)的外护罩(130)，
其特征在于，该方法还包括沿轴向方向(DA)通过增材制造在内护罩(120)或外护罩(130)的全部或部分上制造至少一个环形部分(140)，所述至少一个环形部分(140)包括第一隔板(141)和第二隔板(142)，所述第一隔板(141)存在于与叶片的第一端(110a)或第二端(110b)的接合处，所述第二隔板(142)沿径向方向(DR)通过包括多个切口(1430)的三维结构(143)与所述第一隔板(141)保持间隔。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一隔板(141)的厚度(E141)小于1mm。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述三维结构(143)包括横档或空腔的阵列。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，在所述外护罩(130)的下游端形成一环形部分(140)，该环形部分的第一隔板(141)在所述叶片的后缘(112)处连接到叶片(110)的第二端(110b)。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，在整个内护罩(230)上形成一环形部分(240)，所述环形部分的第一隔板(241)连接到叶片(210)的第一端(210a)。
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