CN113710876B - 包括阻尼装置的飞行器涡轮机转子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞行器涡轮机转子(2)，其包括相对纵向轴线X横向延伸的转子盘(20)、多个叶片(21)及阻尼装置(1)，阻尼装置(1)包括：相对纵向轴线X横向延伸并位于转子盘(20)的外周缘上的支撑环(7)，以及与支撑环(7)一体成型并从支撑环(7)向上游伸出的多个阻尼件(8)，每个阻尼件(8)在至少一个叶片(21)的平台(211)下方延伸，从而向外施加径向力，以在涡轮机(T)运行时减小叶片(21)的径向位移。

Description

包括阻尼装置的飞行器涡轮机转子
技术领域
本发明涉及用于推进飞行器的涡轮机领域。本发明更具体地涉及包括转子叶片阻尼装置的飞行器涡轮机转子。
背景技术
已知地，飞行器涡轮机沿着轴线X纵向延伸并可以通过使进入涡轮机的气流从上游向下游流动来驱动飞行器。在下文中，术语“上游”和“下游”是相对于从上游向下游定向的纵向轴线X来定义的。相似地，术语“内部”和“外部”是相对于纵向轴线X的径向方向定义的。已知地，涡轮机包括压缩机、燃烧室和通过转动驱动压缩机的涡轮。压缩机包括一个或多个转子，转子绕纵向轴线X安装，以压缩在涡轮机的主流道中从上游向下游流动的气流。
在实践中，转子包括转子盘，该转子盘相对纵向轴线X横向延伸，其与动力传递轴一体成型。该转子盘包括多个形成在转子盘的外周缘上的壳体，该壳体也被称为蜂窝，叶片沿纵向轴线X插接在这些壳体中。叶片在相对纵向轴线X的同一横截面中延伸。每个叶片相对纵向轴线X径向延伸并依次包括被配置为安装在转子盘的一个壳体中的径向内部安装脚、使预定叶片能够与相邻叶片保持一定距离并重新形成气流道内表面的平台以及径向延伸的径向外部导流叶片。
当涡轮机运行时，每个叶片主要承受三种类型的力，即离心力、气动破坏力和破坏转子盘平衡的力。在离心力的作用下，每个安装脚抵压在其对应壳体的外部，并向其施加与转子转速相关的压力。在涡轮机速度变化过程中，离心力会发生变化，这会导致在壳体处的压力变化以及每个安装脚与其对应壳体之间相对于纵轴线X的相对径向运动的起点处的压力变化。对于气动破坏力而言，其会使得导流叶片气流的应力变化，并导致每一叶片安装脚与其对应的壳体之间的相对运动。最后，当转子盘的重量不平衡时，也就是说存在不平衡时，在每一叶片安装脚与其所在的壳体之间也存在相对运动。
相对运动的重复发生会导致叶片安装脚和转子盘壳体的磨损现象，这会缩短它们的寿命。为了减少这些磨损现象，已知的是在叶片安装脚和其对应的壳体之间引入附加部件。
在专利申请FR2918702A1中，提出采用箔包裹叶片的安装脚，该箔包含粘弹性材料，以吸收相对运动。然而，在其使用过程中，每个箔易于轴向位移，进而与安装箔所对应的转子盘下游的另一个转子盘接触。这种位移易于增加叶片安装脚与下游转子盘的磨损，这成为一个缺点。
可选地，专利申请FR2915510A1中，提出使用安装在转子盘的外周缘上的包括一底部的阻尼器，帮助平衡转子盘重量的飞锤以及连接底部和飞锤以使飞锤安装在两个相邻叶片的平台上的弹簧。该阻尼器还可以减少叶片和壳体之间的相对运动。然而，对于箔来说，每个阻尼器易于轴向位移，进而与位于下游的转子盘接触。如前所述，这种位移易于增加叶片安装脚与下游转子盘的磨损，这成为一个缺点。
在涡轮转子领域，根据专利申请W02012/020195A1，已知的是在转子盘的颈部安装扇形环件，其包括通风孔、径向阻挡楔形件和用于轴向阻挡叶片安装脚的齿形件。然而，这种楔形件只是阻挡叶片安装脚但不适用于减少叶片安装脚在其壳体中的相对运动，因此其安装在每个叶片安装脚下方的壳体中。
同样在涡轮转子领域，根据专利申请US4781534A，已知的是将带有凸耳的环件抵压在转子盘的一个或两个径向面，这些环件安装在每一叶片安装脚下方的壳体中，以减少由于转子盘与叶片的错位导致的空气泄漏，特别是在树形脚的情况下。这种凸耳与先前描述的阻挡楔形件存在同样的缺点。
因此，需要一种阻尼装置，使得可以在不造成磨损的情况下减小转子叶片与其壳体之间的相对运动。
发明内容
本发明涉及一种用于涡轮机转子的阻尼装置，所述涡轮机沿轴线X纵向延伸，所述转子包括相对于纵向轴线X横向延伸的转子盘和多个叶片，所述转子盘包括多个形成在所述转子盘的外周缘上的壳体，每个叶片相对于所述纵向轴线X径向延伸并且包括被配置为安装在一个壳体中的径向内部安装脚、平台和径向外部的导流叶片。
本发明的显著之处在于所述阻尼装置包括：
支撑环，其相对所述纵向轴线X横向延伸并位于所述转子盘的外周缘上；和
多个阻尼件，各阻尼件与所述支撑环一体成型并从所述支撑环向上游伸出，每个阻尼件被配置为在至少一个叶片的平台下方延伸，从而向外施加径向力，以在所述涡轮机运行时减小所述叶片的径向位移。
借助本发明，由于阻尼件通过支撑环连接，阻尼件之间有利地不存在相对运动，这减小了磨损。此外，其径向位置是以精确的方式确定的。再者，所述阻尼件能够在安装所述叶片的过程中引导所述叶片的平台并能够在所述涡轮机运行时径向向外抵压所述叶片。这种阻尼装置体积小、重量轻。再者，转子的气密性也得以改善。
优选地，所述阻尼装置由支撑环和多个阻尼件构成。这种阻尼装置结构简单，能够减轻重量、体积和降低成本。
优选地，每个阻尼件以预压缩的方式安装在至少一个叶片的平台下方，以便向外施加径向力，以便在涡轮机运行时减小所述叶片的径向位移。换言之，这些阻尼件与叶片平台接触，并且在离心力的作用下，这些阻尼件对叶片平台施加重要的向外的径向力以高效地减小叶片的位移。通过将阻尼件以预压缩方式安装并抵压叶片平台，可以改善涡轮机运行时叶片的压力。
优选地，每个阻尼件呈弹簧叶片的形式，以便向外施加径向力。这种形式能够在减小重量和体积的同时实现最佳的表面施压。
优选地，各阻尼件均匀地分布在支撑环的圆周上。因此，这些阻尼件的径向力是以均匀的方式施加的。
优选地，阻尼件包括与支撑环连接的近端部、自由安装的远端部以及形成于所述近端部和所述远端部之间的中间部。
根据优选方面，所述近端部的厚度小于所述中间部的厚度。因此，所述近端部有利地形成柔性部分，从而能够相对支撑环铰接阻尼件以实现最优压力。
根据另一个优选方面，所述远端部的厚度大于所述中间部的厚度。所述远端部具有更大的重量，以便在离心力的作用下施加更大的压力。由于所述远端位于平台的中间部分的下方并且因此能够作用于其重心的轴线上，这是有利的。由此，阻尼效果得以改善。
优选地，阻尼件包括平坦外面。由此，该平坦外表面能够形成平坦支撑，以确保均匀地振动。再者优选地，内表面具体为在其远端处包括突起。该突起能够通过增加离心作用来加强施压，由于所述远端位于叶片平台的中间部分的下方，因此这是有利的。此外，该突起构成易加工材料的预留部分，以校正转子的不平衡。
本发明还涉及一种用于涡轮机的转子，所述涡轮机沿轴线X纵向延伸，所述转子包括相对所述纵向轴线X横向延伸的转子盘和多个叶片，所述转子盘包括形成在所述转子盘的外周缘上的多个壳体，每个叶片相对于所述纵向轴线X径向延伸并包括配置为安装在一所述壳体中的径向内部安装脚、平台和径向外部的导流叶片；所述转子包括如前文描述的阻尼装置，所述阻尼装置的支撑环位于所述转子盘的外周缘上，所述阻尼装置的阻尼件从所述支撑环向上游伸出，每个阻尼件在至少一个叶片的平台下方延伸，从而向外施加径向力，并从而在所述涡轮机运行时减小所述叶片的径向位移。
优选地，每个阻尼件在至少两个叶片的平台下延伸。由此，阻尼件能够在两个相邻的叶片之间均匀施加压力。
优选地，转子包括下游转子盘，下游转子盘位于安装有叶片的转子盘的下游，支撑环以抵压所述下游转子盘的方式定位。由此，消除了该阻尼装置的任何下游运动。
优选地，每个阻尼件以悬臂方式向上游延伸。由此，这些阻尼件不会对转子盘的外周缘有任何磨损。
本发明还涉及一种涡轮机，所述涡轮机沿轴线X纵向延伸并包括如前文所述的转子。
本发明还涉及一种使用沿轴线X纵向延伸并包括如前所述的转子的涡轮机的方法，该方法包括以下步骤：
运行涡轮机，在此期间所述转子盘沿纵向轴线X以一定旋转速度旋转并且每个叶片的安装脚因离心作用朝向其壳体的外部径向位移；
通过至少一个阻尼件径向向外朝每个叶片施压，从而减小所述叶片的安装脚在其壳体中的径向位移。
本发明还涉及一种用于制造如前所述的阻尼装置的方法，包括以下步骤：
从薄中板切割出所述阻尼装置的扁平轮廓；
冲压切割出的阻尼件以便赋予其浮雕形状及厚度；
折叠冲压后的阻尼件以使其在轴向方向上朝向上游。
由此，能够以实用、快速且便宜的方式制造阻尼装置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，在附图中，相同的标号指代相似的对象，其中:
图1是本发明实施例的涡轮机的纵向截面示意图；
图2是配备有本发明的阻尼装置和两个叶片的涡轮机的局部立体示意图；
图3是配备有本发明的阻尼装置和透明叶片的涡轮机转子的局部立体示意图；
图4是本发明的阻尼装置的透视图；
图5是配备有本发明的阻尼装置的涡轮机的局部横向剖视图；
图6是本发明的阻尼装置的横向剖视图；
图7是用于制造本发明的阻尼装置的方法示意图。
应当注意，这些附图详细阐述了本发明以实现本发明，如有必要，所述附图显然能够用于更好地定义本发明。
具体实施方式
参考图1，其示出了涡轮机T沿着轴线X纵向延伸并能够通过使进入涡轮机T的气流的从上游向下游流动驱动飞行器。在下文中，术语“上游”和“下游”是相对于从上游向下游定向的轴线X来定义的。类似地，术语“内部”和“外部”是相对于纵向轴线X的径向方向来定义的。已知地，涡轮机T包括压缩机3、燃烧室4和通过转动驱动压缩机3的涡轮。压缩机3包括一个或多个转子2，转子绕纵向轴线X安装，以压缩在涡轮机主流道中从上游向下游流动的气流。
如图2所示，转子2包括相对于纵向轴线X横向延伸的转子盘20及多个叶片21，转子盘20与动力传递轴(未示出)一体成型。转子盘20包括多个也称为蜂窝的壳体200，壳体200形成在转子盘20的外周缘上，叶片21分别沿纵向轴线X插接在这些壳体中。各叶片21在纵向轴线X的同一横截面中延伸。在图2中，叶片21彼此完全相同，但是不言而喻，叶片21可以是不同的。下文中，为了清楚起见，参照图2仅描述了一个叶片21。
已知地，叶片21沿着相对于纵向轴线X定义的轴线Z径向延伸，并且依次包括被配置为沿轴向安装在转子盘20的一个壳体200中的安装脚210，能够使预定叶片21与相邻叶片21保持一定距离并重新生成主流道内表面的平台，以及相对于纵向轴线X径向延伸的导流叶片212。叶片21在安装处径向延伸。由此，相对于纵向轴线X，安装脚210被界定为径向内部，而导流叶片212被界定为径向外部。
为了限制叶片21相对于转子盘20的相对运动，转子2包括阻尼装置1，该阻尼装置位于转子盘20的外周缘与叶片2的平台211之间，从而以径向向外的方式将叶片21压进壳体200中。
图2至图6描述了本发明的阻尼装置1的实施例。如图3所示，阻尼装置1包括支撑环7和与支撑环7一体成型的多个阻尼件8。优选地，阻尼装置1由金属制成，优选为不锈钢，从而具有高机械强度及柔韧性以便提高阻尼。但是，不言而喻，也可以使用其他材料。
优选地，阻尼装置1一体成型。换言之，阻尼件8是由支撑环7的材料得到的。这样能够通过弹簧效应实现最优阻尼的同时降低制造成本。
参考图2至6，支撑环7相对于纵向轴线X横向延伸。由此，纵向轴线X穿过支撑环7的中心。支撑环7被配置为位于转子盘20的外周缘上。由此，阻尼件8可以直接与叶片21的平台211相接。在本实施例中，如图2所示，支撑环7位于壳体200的下游，以便能够抵压在所述转子盘20下游的转子盘20'上。
根据本发明的一个方面，支撑环7的直径略大于转子盘20的直径，以便安装于转子盘20上，该转子盘20靠近随后安装的叶片21的平台211。如图5所示，将叶片21插入转子盘20的壳体200中有利地确保了支撑环7的径向阻挡和纵向阻挡。支撑环7实际上有利地在纵向下游方向上被转子盘20'阻挡，在径向向外方向上被平台211阻挡以及在径向向内方向上被转子盘20阻挡。由此，避免了阻尼装置1与下游转子盘20'之间的任何相对运动，从而避免了磨损的风险。
支撑环7优选呈扁平且厚度小，从而能够以可靠的方式定位在下游转子盘20'上而不增大体积。优选地，支撑环7包括下游平坦表面7A，该下游平坦表面7A优选为以大致径向地顶抵下游转子盘20'的上游表面的方式定位。
参考图2至6，阻尼件8从支撑环7向上游伸出。更确切地，每个阻尼件8被配置为在两个相邻叶片21的平台211下方延伸，以施加向外的径向力，从而减少位于壳体200中所述相邻叶片21的安装脚210的相对径向运动。优选地，每个阻尼件8呈向外施加径向力的弹簧叶片的形式。如图2和图3所示，每个阻尼件8以悬臂方式向上游延伸。
各阻尼件8在支撑环7的周缘上均匀地分布，从而能够实现对所有叶片20的减震。优选地，阻尼件8与叶片21数量相等，以便能够实现均匀的减震。
优选地，参考图4，两个相邻阻尼件8相对于轴线X以角距离Δy切向间隔开来，该角距离大约对应于叶片安装脚210的宽度。换言之，每个阻尼件8被配置为位于形成在相邻叶片21的两个安装脚210之间的腔体中。
仍参考图4，每个阻尼件8具有在50mm至60mm之间的长度Lx，在20mm至25mm之间的宽度Ly，以及在0.5mm至1mm之间的径向厚度。长度Lx被设定为能够实现叶片21的平台211的最优支撑，具体为超过其长度的50％。宽度Ly被设定为两个相邻安装脚211之间的切向间隔的函数。在本实施例中，宽度Ly大致等于相邻叶片21的两个安装脚210之间的间隔，从而同时对两个相邻叶片21的平台211施加应力。然而，不言而喻，阻尼件8也可以在单个叶片21的平台211下方延伸。
优选地，与其它尺寸相比，径向厚度较小，从而减小阻尼装置1的重量，同时具有足够的厚度以确保足够的机械强度和弹簧效应。
借助本发明，当涡轮机T处在运行中时，叶片21的安装脚210与其壳体200之间的相对运动得以大幅减少。此外，由于阻尼件8与支撑环7一体成型且支撑环7本身被转子盘20、20'以及叶片21的平台211阻挡，当涡轮机T处于运行中时，每个阻尼件8不容易移动。由此，阻尼件8不易增加安装脚210或下游转子盘20’的磨损。
根据本发明，阻尼件8的厚度在其长度方向上不是恒定的，以便实现最优减震。如图5和6所示，每个阻尼件8包括连接到支撑环7的厚度为E80的近端部80，自由安装且厚度为E82的远端部82，以及形成于近端部80和远端部82之间的厚度为E81的中间部81。根据本发明的一个方面，近端厚度E80小于中央厚度E81，优选为小至少50％，从而使得中间部81能够具有柔韧性，由此能够依据其柔韧性以弹簧叶片的方式枢转。换言之，近端部80形成铰链，以提高减震性能。近端部80的厚度E80对确保机械强度极为重要。
在本实施例中，远端厚度E82大于中央厚度E81，优选地大至少100％。有利地，远端部82具有增大的厚度以增加其重量，使得在离心力的作用下且由于悬臂安装的杠杆作用而增加远端部82处的压力。借助该特征，即使阻尼件8的长度小于平台210的长度，仍可以最优方式向每个叶片21的平台211施压。
在本实施例中，再次参考图6，阻尼件8包括平坦的上表面8A和内表面8B，该内表面8B对应于厚度较厚的部分形成突起83或珠状体。由此，增加的厚度仅影响内表面8B，而不以任何方式影响预设为与叶片21的平台211接触的上表面8A。以有利的方式，可以有利地将突起83加工成平衡配备有阻尼装置1的转子盘20的重量，即校正与动态阻尼相关的不平衡。
可以较低成本制造这种阻尼装置1。参考图7，制造方法的示例性实施例依次包括切割步骤E1、冲压步骤E2和折叠步骤E3。在切割步骤E1期间，通过切割件从薄金属板上切割出阻尼装置1的平坦轮廓，从而形成支撑环7和阻尼件8，阻尼件8相对于支撑环7的轴线径向延伸。在切割步骤E1之后，对阻尼件8进行冲压以赋予它们浮雕形状和校准的厚度。然后，在冲压步骤E2之后，将每个冲压的阻尼件8折叠，在折叠步骤E3期间使之在轴向方向上朝向上游。在本实施例中，将阻尼件8折叠约90°。
阻尼装置1安装在转子盘20的径向外部，转子盘20的叶片21需要减震。参考图5，支撑环7的下游面7A抵压在转子盘20下游的转子盘20’的上游面。各阻尼件8沿周向布设在壳体200之间，以便不妨碍叶片21的安装。
阻尼装置1安装好后，阻尼件8向上游伸出并能够在叶片21插入转子盘20的壳体200中时对平台211引导。在安装叶片21的安装过程中，柔性的近端部80可对阻尼件8的远端部82施加径向向内的力。由此，由于该预压缩，每个阻尼件8相当于弹簧叶片对叶片21的平台211向外施压。
在叶片21安装好之后，每个阻尼件8在两个相邻安装脚210之间切向延伸，并且在转子盘20的外周缘与相邻叶片21的平台211之间径向延伸。
在叶片21安装好之后，支撑环7一方面在纵向下游被下游转子盘20’阻挡，另一方面在平台211与转子盘20的外表面之间被径向阻挡。
优选地，本发明的阻尼装置1可以用在现有的涡轮机中替代现有的阻尼器。根据优选的方面，叶片21的安装脚210可以通过例如形成凹槽的方式，以使叶片21能够安装在支撑环7上。
当涡轮机T处于运行中时，涡轮机T的压缩机3的转子盘20绕纵向轴线X旋转。由于离心作用，每个叶片21的安装脚210朝向其壳体200的外部径向位移。类似地，每个阻尼件8随转子盘20转动。由于离心作用，每个在两个平台211下方延伸的阻尼件8向外施加径向力，从而能够实现最优的向外施压。
在涡轮机T的速度下降过程中，转子2的转速降低，导致已产生的离心作用降低。然后，叶片21的安装脚210易于在其壳体200中位移。借助根据本发明的阻尼装置1，即使在离心力降低时，叶片21的平台仍受到径向向外的压力。借助阻尼件8的弹簧效应，动态地补偿了所有径向变化。
每个阻尼件8的远端部82的厚度较厚的部分能够实现在离心力作用下的高效施压，具体是在平台211的中间长度处的高效施压。
借助本发明，叶片21与转子盘20处的磨损现象得以大大地减少。再者，有利地，由于阻尼件8与以稳定的方式抵压下游转子盘20’的支撑环7一体成型，阻尼件8不易增加位于转子盘2下游的转子盘20'的磨损。由此，延长了成本高昂的下游转子盘20'的使用寿命。

Claims (12)

1.一种用于飞行器涡轮机(T)的压缩机转子(2)，所述飞行器涡轮机沿轴线(X)纵向延伸，所述转子(2)包括相对所述轴线(X)横向延伸的转子盘(20)和多个叶片(21)，所述转子盘(20)包括形成在所述转子盘(20)外周缘上的多个壳体(200)，每个叶片(21)相对所述轴线(X)径向延伸并包括被配置为安装在其中一个壳体(200)中的径向内部安装脚(210)、平台(211)和径向外部导流叶片(212)；其特征是，所述转子(2)包括阻尼装置(1)，所述阻尼装置包括：
支撑环(7)，其相对所述轴线(X)横向延伸并位于所述转子盘(20)的外周缘上；和
多个阻尼件(8)，各阻尼件(8)与所述支撑环(7)一体成型并从所述支撑环(7)向上游伸出，每个阻尼件(8)在至少一个叶片(21)的平台(211)的下方延伸，从而向外施加径向力，以在所述涡轮机(T)运行时减小所述叶片(21)的径向位移。
2.如权利要求1所述的转子，其特征是，所述阻尼装置(1)由支撑环(7)和多个阻尼件(8)构成。
3.如权利要求1所述的转子，其特征是，每个阻尼件(8)以预压缩的方式安装在至少一个叶片(21)的平台(211)下方，从而向外施加径向力，以在所述涡轮机(T)运行时减小所述叶片(21)的径向位移。
4.如权利要求1所述的转子，其特征是，各阻尼件(8)均匀地分布在所述支撑环(7)的周缘上。
5.如权利要求1所述的转子，其特征是，所述阻尼件(8)包括与所述支撑环(7)连接的近端部(80)、自由安装的远端部(82)及形成于所述近端部(80)和所述远端部(82)之间的中间部(81)。
6.如权利要求5所述的转子，其特征是，所述近端部(80)的厚度小于所述中间部(81)的厚度。
7.如权利要求5或6所述的转子，其特征是，所述远端部(82)的厚度大于所述中间部(81)的厚度。
8.如权利要求5所述的转子，其特征是，所述阻尼件(8)包括与平台(211)相接触的平坦外表面(8A)以及与所述外表面(8A)相对的内表面(8B)，所述内表面(8B)包括突起，具体为在其远端包括突起。
9.如权利要求1所述的转子，其特征是，每个阻尼件(8)在至少两个叶片(21)的平台(211)下方延伸。
10.如权利要求1所述的转子，其特征是，所述转子包括下游转子盘(20’)，所述下游转子盘(20’)位于安装有叶片(21)的转子盘(20)的下游，所述支撑环(7)以抵压所述下游转子盘(20’)的方式定位。
11.如权利要求1所述的转子，其特征是，每个阻尼件(8)以悬臂方式向上游延伸。
12.如权利要求1所述的转子，其特征是，每个阻尼件(8)呈弹簧叶片的形式以向外施加径向力。
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