CN114026332B

CN114026332B - 用于涡轮发动机的压缩机外壳

Info

Publication number: CN114026332B
Application number: CN202080034622.XA
Authority: CN
Inventors: M·维维
Original assignee: Safran Aero Boosters SA
Current assignee: Safran Aero Boosters SA
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2020-04-10
Publication date: 2024-01-16
Anticipated expiration: 2040-04-10
Also published as: US20220251974A1; BE1027280A1; EP3969759B1; EP3969759A1; CN114026332A; US11946384B2; WO2020229069A1; BE1027280B1

Abstract

用于涡轮机械的压缩机外壳(50)，该外壳(50)包括:‑包括径向内表面(52.1)的壳(52)；‑上游套圈(54)；和‑下游套圈(56)；每个套圈(54，56)具有能够限定气流(18)的相应的内表面(54.5，56.5)，并且每个套圈(54，56)具有面向所述壳(52)的内表面(52.1)的外表面(54.1，56.1)，套圈(54，56)以悬臂方式附接到所述壳并被轴向布置以便由轴向间隙(58)分开。本发明还涉及一种涡轮机械，其包括这种外壳和一排(76)可变定子叶片(78)。

Description

用于涡轮发动机的压缩机外壳

技术领域

本发明涉及涡轮机械的设计，特别是飞机涡轮喷气发动机或飞机涡轮螺旋桨发动机的设计。本发明特别地涉及压缩机的外壳(casing)。

背景技术

在轴流式涡轮机械中，特别是在其压缩机中，气流被交替的转子叶片和定子叶片压缩。定子叶片从界定气流路径的罩径向向内延伸。EP 1 426 559A1描述了这种轴流式涡轮机械的压缩机结构的示例。保持定子叶片的罩具有上游和下游凸缘，以将罩附接到位于罩上游的风扇外壳和位于罩下游的压缩机间外壳。因此，罩一方面是在它所附接的各种外壳之间传递轴向力和扭矩的矢量，另一方面它支撑压缩机内部的定子叶片所承受的力。这两个力源会产生应力集中区域，特别是在叶片固定到罩上的区域。确保这些应力区域机械强度的常用方法是为罩提供额外的厚度或提供增强部件，从而提供额外重量。

发明内容

技术问题

本发明的目的是克服上述缺点，特别是提供一种更轻的压缩机和涡轮机械，而不降低它们的机械强度。

技术方案

本发明的目的是一种用于涡轮机械、特别是用于飞机涡轮喷气发动机的压缩机外壳，该外壳的显著之处在于它包括:包括径向内表面的壳；上游套圈；和下游套圈，每个套圈具有能够限定气流的相应内表面，并且每个套圈具有面向壳的内表面的相应外表面，套圈以悬臂方式固定到壳上，并且以在它们之间具有轴向间隙的方式轴向布置，每个套圈包括相应的远端轴向端，这些远端轴向端限定了它们之间的所述轴向间隙，并且套圈仅在与它们的远端轴向相对的它们各自的近端处连接到壳。

换句话说，该技术方案旨在将外壳由于其在涡轮机械中的中间位置而必须传递的外力与由外壳内的叶片引起的力分离。

通过“面向”，我们是指套圈的外表面和壳的内表面之间的径向接近性。套圈的外表面可以在套圈和壳之间的紧固件处接触所述壳，并且可以以少量的安装间隙隔开。这种突出(overhang)避免了套圈的外表面和壳的内表面之间的摩擦，从而避免了力从套圈传递到所述壳。如下所述，悬臂可以是套圈的轴向长度的大约80％。

套圈之间的轴向间隙不仅仅是允许叶片彼此靠近安装以吸收一定制造公差的间隙。该间隙是有意的间隙，旨在防止两个套圈之间的任何轴向接触，以避免力从一个套圈传递到另一个套圈。换句话说，每个套圈仅与套圈的壳和叶片接触；并且每个套圈的力平衡因此受限于套圈上或其支撑的定子叶片上的气流引起的力、附连到所述壳的反作用力和重力。

根据本发明的有利实施例，外壳可以包括一个或多个以下特征，这些特征是孤立的或以任何技术上可能的组合获得的:

-套圈之间的轴向间隙是这样的尺寸的使得当所述壳在压缩机的最大允许热机械条件的作用下被压缩时，套圈保持轴向彼此间隔。由于即使在涡轮机械运行期间也需要轴向间隙，因此其应以这样的方式设计使得间隙即使在极端运行条件下也存在。因此，该间隙被设计为所述壳的极端变形的结果，是针对压缩机允许的最大热机械条件计算的。这些边界条件是本领域技术人员已知的；

-套圈彼此独立地附接在所述壳上。因此，套圈在所述壳的不同区域附接到所述壳上；

-上游套圈和所述壳包括各自的上游径向凸缘，上游套圈通过螺钉元件固定到所述壳，优选轴向取向，将上游套圈的上游径向凸缘固定到所述壳的上游径向凸缘。螺钉元件可以是围绕外壳的对称轴成角度分布的螺钉；

-所述壳包括设有固定孔的下游径向凸缘，并且下游套圈通过固定元件固定到所述壳，该固定元件优选径向取向，穿过所述壳的下游径向凸缘的固定孔。紧固件可以是例如螺钉，其头部嵌入套圈中，从而不改变由套圈的内表面提供的气流引导表面的连续性；

-套圈之间的轴向间隙由密封件，特别是由硅树脂制成的密封件，填充。硅树脂是足够柔性的，不会在两个套圈之间传递任何力，并且无论所述壳处于膨胀还是压缩状态，都能确保空气引导表面的连续性；

-所述壳以各自的重叠长度轴向重叠每个套圈，并且套圈的各自外表面在各自重叠长度的至多20％上与所述壳的内表面重合。因此，如果一方面在空气引导方面，另一方面在所述壳的周围部分方面设计有此要求，则套圈可能径向远离所述壳的表面，由此所述壳和套圈优选具有恒定的厚度；

-外壳包括插入上游和下游套圈之间的附加套圈，轴向间隙将成对的套圈分开；

-每个套圈支撑至少一排，优选正好一排从相应套圈径向向内延伸的定子叶片；

-每个套圈接收布置在一排或每排定子叶片上游并布置在套圈内表面上的一层耐磨材料。该耐磨材料适于与转子叶轮的径向外端协作；

-所述壳包括外表面，该外表面带有加厚形式的加强件，该加强件限定了圆柱形或圆锥形表面。这些加强件用来加固所述壳。出于热均匀性的原因和/或出于振动的原因，可能感兴趣的是在距定子叶片一定距离处轴向地和/或在距耐磨材料层一定距离处轴向地提供这些加强件。

本发明还涉及一种涡轮机械，其包括低压压缩机、高压压缩机和布置在低压压缩机和高压压缩机之间的中间外壳，该涡轮机械的显著之处在于，低压压缩机具有根据上述实施例之一的外壳和外壳上游的一排可变定子叶片，外壳的壳从该排可变定子叶片轴向延伸到中间外壳。

根据一有利的实施例，该排可变定子叶片包括具有径向分支和轴向分支的大致T形横截面的凸缘，径向分支接触上游套圈的径向凸缘，轴向分支轴向重叠上游套圈的径向凸缘并轴向重叠所述壳的上游径向凸缘。

根据有利的实施例，该排可变定子叶片包括上游套圈的定心表面；和/或轴向分支包括上游套圈和/或所述壳的上游径向凸缘的定心表面。

根据有利的实施例，轴向分支包括支撑可变叶片致动机构的圆柱形表面，该圆柱形表面轴向重叠套圈的上游径向凸缘和所述壳的上游径向凸缘。该机构可以由由靴部支撑的同步环制成，该环同步与可变定子叶片成一体的连杆的枢转运动。这种设计允许致动机构的力由几个部分支撑，因此在这一点上可以是较小厚度的。

通常，本发明的每个目的的有利实施例也适用于本发明的其他目的。根据任何技术上可行的组合，本发明的每个目的可与其他目的组合，并且本发明的目的也可与说明书的实施例组合，除非另外明确提及。

优点

在已知的涡轮喷气发动机中，单个罩一方面集中了与其附接的各种外壳之间的轴向力和扭矩，即来自风扇的部分推力，例如经由行星齿轮系，另一方面集中了由空气动力流引起并经由罩内的定子叶片上升的“内部”力。因此，在叶片头部和罩的连接处，罩的某些区域集中了与这两种力相关的应力。

这两个应力源在本发明中通过使用所述壳(shell)和套圈而分离。叶片承受的力不会直接传递到所述壳，而是转移到附接到所述壳的套圈的端部。

在与这种设计相关的优点中，外壳可以被设计成具有更小且因此更轻的部件，因为它受到更小的局部机械应力。

具有不同部件(壳和套圈)的另一个优点是，在制造或使用失败的情况下，可以仅更换这些部件中的一个，而不是更换整个外壳。

附图说明

图1示出了根据本发明的涡轮机；

图2示出了现有技术的压缩机的一部分的示意性截面图；

图3至6分别示出了根据本发明的外壳的第一、第二、第三和第四实施例。

具体实施方式

在以下描述中，术语“内部”(或“内侧”)和“外部”(或“外侧”)指的是相对于涡轮机旋转轴线的定位。轴向方向是沿着涡轮机旋转轴线的方向。径向方向垂直于旋转轴线。上游和下游是指涡轮机中气流的主要流动方向。术语“一体的”被理解为旋转一体的，特别是刚性连接的。术语“单体”等同于“由相同材料制成”，指的是由相同材料块制成的不同元件，而不是“附接的”，后者意味着一个元件在制造后附接到另一个元件。附图示意性地示出了元件，特别是没有所有组件或密封元件的元件。为了便于理解附图，尺寸，特别是所画元件的径向厚度被夸大了。

图1是涡轮喷气发动机2的简化表示。涡轮喷气发动机2包括第一低压压缩机4和第二高压压缩机6、燃烧室8和两个涡轮机10。在操作中，涡轮机10的机械功率通过各自的轴12、13使两个压缩机4和6运动。压缩机4、6具有与定子排(或定子叶片)相关联的多排转子(或转子叶片)。转子15围绕其旋转轴线14的旋转因此产生逐渐被压缩的空气流，直到燃烧室8的入口。

风扇16联接到轴12并产生气流，该气流被分成主流18和二次流20，二次流20沿着机器穿过环形导管(部分示出)，然后在涡轮机的出口处与主流汇合。

减速装置，例如行星齿轮箱17，可以降低风扇16相对于相关涡轮机的转速。

带有支撑臂(或“支柱(strut)”)的上游外壳22保持行星齿轮箱17并支撑涡轮机械的上游部分。压缩机外壳24支撑压缩机4。具有支撑臂的压缩机间外壳5布置在低压压缩机4和高压压缩机6之间。

在操作中，各种外壳承受高负荷。风扇倾向于将整个飞机向前拉。外壳是机械部件，因此每个都必须支撑由风扇产生的至少一部分推力。此外，外壳必须吸收由叶片特别是定子叶片传递的力，其拉直压缩机中的气流。这些力由图1中标记为F的箭头示意性示出，并且可以看到由于力路径在那里相遇而导致应力集中的点。

图2是已知涡轮机械中压缩机4的截面图。可以看到风扇16的一部分和用于分离主流18和二次流20的分离器喷嘴28。转子15可以包括几排转子叶片30。

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32，其目的是整流由旋转叶片偏转的气流的方向。

低压压缩机4包括外壳34。外壳34具有大致轴对称的形状，其可以结合强化加强件、凹槽或肋。外壳34包括固定凸缘36，例如用于固定分离器喷嘴28和/或用于固定到涡轮机械的中间外壳5的环形固定凸缘36。

定子叶片32基本上从外壳34径向延伸到内部罩38。一排定子叶片32可以围绕其轴线40可变地取向。定子叶片32通过平台42附接到外壳34。一层耐磨材料44通常面向转子叶片30设置。在这种构造中，定子叶片锚固区域(围绕平台42)是应力集中区域，因为它们集中了由气流18的拉直引起的定子叶片吸收的力和从风扇16或齿轮箱17传递的力。

图3示出了根据本发明的外壳50的第一实施例。外壳50包括围绕压缩机轴线14的基本轴对称形状的壳52。壳52限定了容纳上游套圈54和下游套圈56的内腔。壳52和套圈54、56可以围绕轴线14延伸360°，或者由多个一起形成360°的角扇区形成。

壳52包括径向内表面52.1并且套圈54、56包括面向壳52的内表面52.1的径向外表面54.1、56.1。外表面54.1、56.1可以具有近似于内表面52.1的轮廓的轮廓。因此，套圈54、56在壳52内布置成具有微小的径向间隙，从而允许它们被组装并且避免在套圈的外表面和外壳的内表面之间传递力。

如图3的放大部分所示，在套圈54、56之间提供轴向间隙58。该间隙58可以可选地填充有弹性材料，该弹性材料为空气引导表面提供连续性，例如硅胶密封件(未示出)。

轴向间隙58是在上游套圈54的远端54.2和下游套圈56的远端56.2之间测量的。

上游套圈54支撑环形的一排定子叶片60。下游套圈56支撑环形的一排定子叶片62。定子叶片60、62从它们各自的套圈54、56朝向轴线14径向延伸。在它们的内端，这些叶片由内罩64、66连接，其内表面涂有耐磨材料68、70，用于接触转子(未示出)。

叶片60、62可以通过平台(类似于图2中的数字42)附接到它们各自的套圈54、56。

上游套圈54包括上游径向凸缘54.3。它位于其近端54.4附近，即轴向与限定间隙58的端部相对的端部。上游径向凸缘54.3可位于上游套圈54的轴向长度的前五分之一内。

上游套圈54经由其上游径向凸缘54.3附接到壳的上游径向凸缘52.3。围绕轴线14成角度分布且主要轴向取向的多个螺钉元件(未示出)将两个凸缘52.3、54.3固定在一起。这是套圈54附接到壳52的唯一位置。

下游套圈56包括布置在其近端56.4附近的径向孔56.3，即轴向与限定间隙58的端部相对的端部。这些孔56.3与设置在壳52的下游径向凸缘52.5中的螺纹孔52.4轴向和周向对准。因此，螺钉元件(未示出)可用于将下游套圈56固定到所述壳上。这些元件优选地是螺钉，其头部嵌入材料中以便不突出到气流中。材料的混合物—例如耐磨类型的——可以填充头部和套圈的内表面56.5之间的任何间隙以完成空气引导表面的连续性。

因此，套圈54、56彼此独立地固定到壳52，并且在两个悬臂端部54.2、56.2之间测量间隙58。没有从一个套圈54到另一个56的力传递。

因此，当壳52在操作中变形(膨胀、压缩、扭转等)时，它不会在套圈54、56上产生应力。

可将一层耐磨材料72、74施加到套圈54、56的内表面54.5、56.5上，该层72、74能够与转子叶片的径向外端(图2中标记为30)相互作用。

壳52可容纳加强区域以使其在扭转和/或张力方面变刚性。例如，以圆柱形或圆锥形表面52.21、52.22的形式提供更厚的材料。

外壳50的直接上游是一排76可变定子叶片78。

叶片78从外环80基本径向地延伸到内环82。叶片78通过销或耳轴84附接到外环80。耳轴84由相应的连杆86绕其轴线88枢转地驱动。连杆86与耳轴84是一体的，例如由螺母90固定。

环形的一排叶片78的连杆86均通过杆连接到同步环92。这些杆可以在内部终止于垫94。该机构可以等同于同一申请人的专利申请BE2018/5429中描述的机构。

环80包括T形横截面的下游凸缘80.1，具有接触上游套圈54的上游径向凸缘54.3的径向分支80.2和伸出上游径向凸缘52.3、54.3的轴向分支80.3。

轴向分支80.3具有圆柱形外表面80.4，同步环92或与其相附接的垫94搁置在该圆柱形外表面80.4上。

环80包括内表面80.5，用于定心上游套圈54的外表面54.1。替代地或附加地，轴向分支80.3可以具有内表面，用于定心上游径向凸缘52.3、54.3，从而定心壳52和上游套圈54。

图4描述了本发明的外壳150的第二实施例。附图标记增加100。这里将仅描述该实施例的区别特征。

在该示例中，下游套圈156支撑两排定子叶片162。这些排中的每一排部分地整流气流，使得在第二排的下游，气流主要是轴向取向的。

图5描述了本发明的外壳250的第三实施例。附图标记增加100。这里将仅描述该实施例的区别特征。在该示例中，附加套圈255位于上游套圈254和下游套圈256之间。相应的间隙258.1、258.2将成对的套圈254、255、256分开。间隙258.1、258.2可以具有不同的轴向长度。

附加套圈255可以用螺钉或铆钉固定在壳252上。附加套圈255优选地由几个角扇区组成。

附加套圈255具有与上游和下游套圈(254，256)相同的属性，即它支撑一个或多个定子叶片，并且它的外部轮廓与壳的外部轮廓一致。

替代地或附加地，附加套圈255可以包括用于附接到壳252的径向凸缘(未示出)，径向凸缘穿透壳252的内部凹槽(未示出)。

图6示出了第四实施例中的壳352和套圈354、356。该图突出了套圈354、356的外表面354.1、356.1和壳352的内表面352.1之间延伸的间隙。该间隙可以优选小于1毫米，并且在轴向长度l354和l356上延伸，该轴向长度l354和l356至多为套圈354、356和壳352之间的重叠长度的80％，该重叠长度记为L354和L356。该间隙可以是可变的，并且显示出偏移394、396，该偏移可用于最佳地配合空气引导表面354.5、356.5，同时满足壳352的几何约束，并且保持套圈354、356和壳352的厚度基本恒定。

已经通过四个实施例描述了本发明，但是本发明不限于此。每个实施例的元件可以与其他实施例的元件组合。例如，耐磨材料层72、74或支承表面52.21、52.22可以集成在图4至6的实施例中。本领域技术人员也清楚，每个套圈的叶片数量可以根据需要进行调整。

Claims

1.一种用于涡轮机械的压缩机的外壳，该外壳包括:

壳，该壳包括径向内表面；

上游套圈，该上游套圈具有引导气流的内表面、面向所述壳的内表面的外表面、近端和远端，上游套圈的近端布置在上游套圈的远端的上游；和

下游套圈，该下游套圈具有引导气流的内表面、面向所述壳的内表面的外表面、近端和远端，下游套圈的近端布置在下游套圈的远端的下游；

其中上游套圈和下游套圈以悬臂方式固定到所述壳，上游套圈和下游套圈仅在它们相应的近端处固定到所述壳；

并且其中上游套圈和下游套圈轴向地定位，使得在它们相应的远端之间形成轴向间隙。

2.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述套圈之间的轴向间隙的尺寸使得当所述壳在所述压缩机的最大允许热机械条件的作用下被压缩时，所述套圈保持彼此轴向地间隔开。

3.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述上游套圈和所述壳包括相应的上游径向凸缘，所述上游套圈通过将所述上游套圈的上游径向凸缘连接到所述壳的上游径向凸缘的螺钉元件附接到所述壳。

4.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述壳包括设置有紧固孔的下游径向凸缘，并且所述下游套圈通过与所述壳的下游径向凸缘中的紧固孔接合的紧固元件被紧固到所述壳。

5.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述上游套圈和所述下游套圈每个都正好支撑一排定子叶片。

6.根据权利要求5所述的外壳，其中，上游和下游套圈中的每个在其内表面上接收轴向地布置在该一排定子叶片的上游的一层耐磨材料。

7.根据权利要求5所述的外壳，其中，所述壳包括外表面，该外表面具有加厚形式的加强件，该加强件限定圆柱形或圆锥形表面。

8.根据权利要求1所述的外壳，还包括布置在所述壳的上游的一排可变定子叶片。

9.根据权利要求8所述的外壳，其中，所述上游套圈和所述壳包括各自的上游径向凸缘，所述外壳还包括具有径向分支和轴向分支的T形凸缘，所述径向分支接触所述上游套圈的上游径向凸缘，并且所述轴向分支轴向地重叠所述上游套圈的上游径向凸缘并且轴向地重叠所述壳的上游径向凸缘。

10.根据权利要求9所述的外壳，其中，所述一排可变定子叶片包括用于上游套圈的定心表面。

11.根据权利要求9所述的外壳，其中，所述轴向分支包括用于所述上游套圈的上游径向凸缘或用于所述壳的上游径向凸缘的定心表面。

12.根据权利要求9所述的外壳，其中，所述轴向分支包括圆柱形表面，该圆柱形表面支撑用于所述一排可变定子叶片的致动机构，所述圆柱形表面轴向地重叠上游套圈的上游径向凸缘和所述壳的上游径向凸缘。

13.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述套圈之间的轴向间隙由硅树脂制成的密封件填充。

14.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述壳与每个套圈轴向地重叠相应的重叠长度，并且所述套圈的相应外表面在不超过相应的重叠长度的20％内与所述壳的内表面重合。

15.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述外壳包括插入在所述上游套圈和下游套圈之间的附加套圈，并且轴向间隙将所述附加套圈与所述上游套圈分开，并且轴向间隙将所述附加套圈与所述下游套圈分开。