CN114508386A - 叶片阻尼器、涡轮和航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种叶片阻尼器、涡轮和航空发动机。本发明的叶片阻尼器，包括：阻尼装置，包括第一阻尼件和第二阻尼件，第一阻尼件和第二阻尼件沿着第一方向间隔布置；和弹性装置，连接于第一阻尼件和第二阻尼件之间，并通过自身的弹性变形，来调节第一阻尼件和第二阻尼件之间的距离和角度中的至少之一。基于此，可以改变叶片阻尼器的固有频率和/或与相邻两转子叶片的贴合程度，有效提升叶片阻尼器的减振效果。

Description

叶片阻尼器、涡轮和航空发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种叶片阻尼器、涡轮和航空发动机。

背景技术

在航空发动机中，涡轮的转子叶片工作于非稳态流场中，振动不可避免。为了减小转子叶片的振动应力，降低转子叶片高周疲劳失效风险，一般在相邻转子叶片之间加入叶片阻尼器，利用叶片阻尼器与转子叶片缘板之间的摩擦，来消耗振动能量，实现减振目的。

传统的叶片阻尼器，一般结构固定，刚度固定，自振频率固定，灵活性较差，一旦叶片阻尼器的减振效果不佳，或者叶片阻尼器与转子叶片发生共振，则需要重新设计阻尼器。

并且，传统的叶片阻尼器，难以同时与相邻的两个转子叶片均良好接触，大多数情况下，由于加工误差以及叶片阻尼器本身的非线性运动特性，叶片阻尼器与一侧转子叶片良好贴合时，与另一侧转子叶片的缘板要么不能完全贴合，要么接触面积较小，导致总有一个转子叶片的减振效果欠佳。

可见，叶片阻尼器的减振效果仍有待提升。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是：提升叶片阻尼器的减振效果。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种叶片阻尼器，其包括：

阻尼装置，包括第一阻尼件和第二阻尼件，第一阻尼件和第二阻尼件沿着第一方向间隔布置；和

弹性装置，连接于第一阻尼件和第二阻尼件之间，并通过自身的弹性变形，来调节第一阻尼件和第二阻尼件之间的距离和角度中的至少之一。

在一些实施例中，弹性装置包括至少一个弹性件。

在一些实施例中，至少一个弹性件包括连接于第一阻尼件和第二阻尼件的沿第二方向的端部的弹性件，第二方向与第一方向垂直。

在一些实施例中，弹性件包括波纹板或弹簧。

在一些实施例中，弹性装置包括至少两个弹性件，至少两个弹性件沿着第二方向间隔布置，第二方向与第一方向垂直。

在一些实施例中，第一阻尼件和/或第二阻尼件上设有通气孔。

在一些实施例中，叶片阻尼器还包括防扭转装置，防扭转装置连接第一阻尼件和第二阻尼件，并防止第一阻尼件和第二阻尼件在第三方向上发生相对扭转，第三方向垂直于第一方向。

在一些实施例中，防扭转装置包括凸部、插槽和连接轴，凸部设置于第一阻尼件上，凸部上设有至少两个第一孔，至少两个第一孔沿着第一方向间隔排布，第二阻尼件上设有插槽，插槽的侧壁上设有第二孔，凸部插入插槽中，连接轴插入第一孔和第二孔中，使得第一阻尼件与第二阻尼件之间沿第二方向可转动地连接，第二方向垂直于第一方向和第三方向。

在一些实施例中，连接轴与第一孔和第二孔中的一个间隙配合。

本发明第二方面提供一种涡轮，其包括两个彼此相邻的转子叶片，并且还包括各实施例的叶片阻尼器，叶片阻尼器设置于两个彼此相邻的转子叶片之间，对两个彼此相邻的转子叶片进行减振。

本发明第三方面提供一种航空发动机，其包括本发明的涡轮。

利用弹性装置调节第一阻尼件和第二阻尼件之间的距离和/或角度，可以改变叶片阻尼器的固有频率和/或与相邻两转子叶片的贴合程度，有效提升叶片阻尼器的减振效果。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一些实施例中涡轮的局部结构示意图。

图2为图1中叶片阻尼器的立体图。

图3为图2的主视图。

图4为图2的俯视图。

图中：

100、涡轮；10、叶片阻尼器；10a、阻尼装置；10b、弹性装置；10c、防扭转装置；20、转子叶片；20a、第一转子叶片；20b、第二转子叶片；20c、叶身；20d、缘板；20e、榫头；20f、凹槽；

1、第一阻尼件；11、第一阻尼表面；1a、第一块体；1b、第二块体；1c、通气孔；

2、第二阻尼件；21、第二阻尼表面；

3、弹性件；3a、波纹板；

4、凸部；41、第一孔；

5、插槽；51、第二孔；

6、连接轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1-图4示例性地示出了本发明涡轮和叶片阻尼器的结构。

涡轮100为航空发动机的重要组成部分。参照图1，一些实施例中，涡轮100包括转子叶片20和叶片阻尼器10。

转子叶片20是一种动叶片，其设置于涡轮100的转子盘(图中未示出)上，并随着转子盘旋转，以将高温高压的气流吸入航空发动机的燃烧器，为航空发动机提供动力。作为转子叶片20的一种结构形式，参照图1，转子叶片20包括叶身20c、缘板20d和榫头20e。叶身20c、缘板20d和榫头20e沿着转子盘的径向由外向内地依次连接。安装时，榫头20e与转子盘的榫槽配合，实现转子叶片20与转子盘的连接。

一般，沿着转子盘的周向，设有多个转子叶片20。沿转子盘周向彼此相邻的两个转子叶片20可以分别称为第一转子叶片20a和第二转子叶片20b，以便于描述和区分。

另外，为了方便后续描述，将转子盘的周向、径向和轴向(或称涡轮100的周向、径向和轴向)分别称为第一方向X、第二方向Y和第三方向Z。也就是说，在未作相反说明的情况下，后续描述中，第一方向X、第二方向Y和第三方向Z分别是指转子盘(涡轮100)的径向、周向和轴向。可以理解，第一方向X、第二方向Y和第三方向Z相互垂直。

叶片阻尼器10用于对转子叶片20进行减振，以减小转子叶片20的振动应力，降低转子叶片20发生高周疲劳失效的风险，以免航空发动机发生严重损伤。

参照图1，叶片阻尼器10设置于相邻的两个转子叶片20之间，并位于相邻两个转子叶片20的两个缘板20d的径向内侧，例如，参照图1，一些实施例中，叶片阻尼器10设置于相邻两个转子叶片20的缘板20d与榫头20e之间的凹槽20f中。此时的叶片阻尼器10是一种缘板阻尼器，其通过与两个缘板20d接触摩擦，来实现对两个相邻转子叶片20的减振。

在转子叶片20随转子盘旋转过程中，叶片阻尼器10受离心力影响，压在两个相邻转子叶片20的缘板20d径向内侧表面上。当转子叶片20发生振动时，缘板20d与叶片阻尼器10之间产生摩擦，摩擦力消耗振动能量，从而减小转子叶片20的振动量，实现减振目的。

叶片阻尼器10的固有频率以及与缘板20d径向内侧表面之间的贴合程度，影响减振效果。然而，传统叶片阻尼器10固有频率不可变，且难以同时与两个相邻缘板20d良好贴合，导致减振效果欠佳。

基于上述发现，本发明对叶片阻尼器10的结构进行改进，以改善减振效果。

参照图1-4，一些实施例中，叶片阻尼器10包括阻尼装置10a和弹性装置10b。

阻尼装置10a包括第一阻尼件1和第二阻尼件2。第一阻尼件1和第二阻尼件2沿着第一方向X间隔布置，换句话说，第一阻尼件1和第二阻尼件2之间具有沿第一方向X的距离。第一阻尼件1位于第一转子叶片20a的缘板20d和榫头20e之间的凹槽20f内。第二阻尼件2位于第二转子叶片20b的缘板20d和榫头20e之间的凹槽20f内。第一阻尼件1具有第一阻尼表面11，用于与第一转子叶片20a的缘板20d的径向内侧表面接触，以摩擦减振。第二阻尼件2具有第二阻尼表面21，用于与第二转子叶片20b的缘板20d的径向内侧表面接触，以摩擦减振。

第一阻尼表面11和第二阻尼表面21的形状与两相邻缘板20d的径向内侧表面相适应，以更充分接触。例如，参见图1和图2，一些实施例中，两相邻缘板20d的径向内侧表面为平直表面，相应地，第一阻尼表面11和第二阻尼表面21为平直表面。再例如，另一些实施例中，两相邻缘板20d的径向内侧表面为倾斜平面，相应地，第一阻尼表面11和第二阻尼表面21为倾斜平面。

弹性装置10b连接于(例如焊接于)第一阻尼件1和第二阻尼件2之间，并通过自身的弹性变形，来调节第一阻尼件1和第二阻尼件2之间的距离和角度中的至少之一。

其中，利用弹性装置10b调节第一阻尼件1和第二阻尼件2之间的距离，可以改变叶片阻尼器10的长度，从而改变叶片阻尼器10的刚度、固有频率和振动特性。

可见，当弹性装置10b被构造为能够调节第一阻尼件1和第二阻尼件2之间的距离时，弹性装置10b可以调节叶片阻尼器10的固有频率，使得叶片阻尼器10的固有频率可调。

而叶片阻尼器10的固有频率可调，有利于叶片阻尼器10根据不同情况，自动改变自身固有频率，实现更好的减振效果。其中，尤其有利于防止叶片阻尼器10与转子叶片20发生共振，避免共振现象影响减振效果，促使叶片阻尼器10实现更优的减振效果。

并且，叶片阻尼器10的固有频率可调，还使得叶片阻尼器10的使用灵活性有效增强。相关技术中，一种叶片阻尼器只能匹配一种转子叶片，当转子叶片设计改变时，叶片阻尼器也需要随之重新设计，研发时间较长，研发成本较高。而将叶片阻尼器10设计为可改变自身固有频率，则使得同一叶片阻尼器10可以适应不同的减振需求，匹配不同的转子叶片20结构，这有利于缩短叶片阻尼器的研发、试制和试验时间，节约研发成本。

同时，利用弹性装置10b调节第一阻尼件1和第二阻尼件2之间的距离，还方便改变叶片阻尼器10与缘板20d的接触位置，便于研究测试叶片阻尼器10与缘板20d的哪个位置接触可以获得更好的减振效果，为叶片阻尼器10和转子叶片20的研发设计提供数据支持。

而利用弹性装置10b调节第一阻尼件1和第二阻尼件2之间的角度，尤其是调节第一阻尼件1和第二阻尼件2之间沿第二方向Y的角度，可以改变叶片阻尼器10与转子叶片2之间的贴合程度，使得叶片阻尼器10能够自适应缘板20d的表面，与相邻两转子叶片2同时良好接触，实现更好的减振效果。

可见，将叶片阻尼件10设置为包括第一阻尼件1、第二阻尼件2和弹性装置10b，并利用弹性装置10b实现第一阻尼件1和第二阻尼件2之间的柔性连接，可以使叶片阻尼器10具有自适应性，通过改变自身频率和/或与相邻两转子叶片20的贴合程度，来提升减振效果。

其中，第一阻尼件1、第二阻尼件2和弹性装置10b的结构可以多样。

例如，参照图1-4，一些实施例中，第一阻尼件1和第二阻尼件2均包括第一块体1a和第二块体1b。弹性装置10b与第一块体1a连接。第二块体1b连接于第一块体1a的远离弹性装置10b的一端。此时，弹性装置10b具体连接于两个第一块体1a之间。前述第一阻尼表面11和第二阻尼表面21分别位于两个第一块体1a上。并且，如图2所示，一些实施例中，第二块体1b为半圆柱块。此时，第二块体1b的背离弹性装置10b的端面为弧面，更适应缘板20d与榫头20e连接处的形状特点。

当然，第一阻尼件1和第二阻尼件2并不限于图示结构，例如，另一些实施例中，第一阻尼件1和第二阻尼件2的外形可以不同。

作为弹性装置10b的可行实施方式，参照图2-4，弹性装置10b包括至少一个弹性件3，即，弹性装置10b包括一个、两个或多个弹性件3。其中，当弹性装置10b包括至少两个弹性件3时，这至少两个弹性件3可以沿着第二方向Y间隔布置，以在第二方向Y的不同位置连接第一阻尼件1和第二阻尼件2，实现第一阻尼件1和第二阻尼件2之间更平稳牢固的连接，并方便更平稳可靠地调节第一阻尼件1和第二阻尼件2之间的距离和/或角度。

参照图2，一些实施例中，弹性装置10b所包括的至少一个弹性件3，包括连接于第一阻尼件1和第二阻尼件2的沿第二方向Y的端部的弹性件3。基于此，安装时，只需将叶片阻尼器10布置为连接于第一阻尼件1和第二阻尼件2的沿第二方向Y的端部的弹性件3朝向缘板10d，即可使在涡轮100工作过程中，叶片阻尼器10不仅能通过第一阻尼件1和第二阻尼件2与转子叶片2接触，同时也能通过弹性件3与转子叶片2接触，有效增加叶片阻尼器10与转子叶片2之间的接触面积，进一步改善减振效果。

上述各实施例中，弹性件3可以包括波纹板3a和弹簧等各种能够弹性变形的部件。

例如，参见图2-4，一些实施例中，弹性装置10b包括两个波纹板3a，这两个波纹板3a连接于第一阻尼件1和第二阻尼件2的沿第二方向Y的两端。

采用波纹板3a作为弹性件3来连接第一阻尼件1和第二阻尼件2，由于波纹板3a可在第一方向X上伸缩，且可在第二方向Y上弯折，因此，使得第一阻尼件1和第二阻尼件2之间沿第一方向X的距离以及沿第二方向Y的角度均可调，这样，叶片阻尼器10不仅频率可调，并且能同时与相邻两缘板10d良好贴合，因此，减振效果更好。

并且，两个波纹板3a连接于第一阻尼件1和第二阻尼件2的沿第二方向Y的两端，使得在调节叶片阻尼器10长度及角度过程中，与第一阻尼表面11和第二阻尼表面21位于同一端的波纹板3a(在图1-4中即为位于径向外侧的一个波纹板3a)，能和第一阻尼表面11和第二阻尼表面21一起，与两个相邻缘板20d接触并摩擦，更充分地减振。

同时，两个波纹板3a连接于第一阻尼件1和第二阻尼件2的沿第二方向Y的两端，可以实现第一阻尼件1和第二阻尼件2之间更平稳可靠地连接。

另外，与弹簧等其他弹性件相比，波纹板3a的刚度更为符合使用需求，能够更可靠地连接并支撑于第一阻尼件1和第二阻尼件2之间。

继续参照图2-4，一些实施例中，叶片阻尼器10不仅包括前述第一阻尼件1、第二阻尼件2和弹性装置10b，同时还包括防扭转装置10c。防扭转装置10c连接第一阻尼件1和第二阻尼件2，并防止第一阻尼件1和第二阻尼件2在第三方向Z上发生相对扭转。这样，受到防扭转装置10c的约束，在弹性装置10b弹性变形的过程中，第一阻尼件1和第二阻尼件2之间不会发生沿第三方向Z的相对扭转，因此，可以更可靠地进行摩擦减振。

作为防扭转装置10c的一种实现方式，参照图2-4，在一些实施例中，防扭转装置10c包括凸部4、插槽5和连接轴6。凸部4设置于第一阻尼件1上，且凸部4上设有至少两个第一孔41，这至少两个第一孔41沿着第一方向X间隔排布。第二阻尼件2上设有插槽5。插槽5可以为U型槽或立方槽等各种形状的槽，其侧壁上设有第二孔51。凸部4插入插槽5中。连接轴6插入第一孔41和第二孔51中，使得第一阻尼件1与第二阻尼件2之间沿第二方向Y可转动地连接。

基于上述设置，一方面，第一阻尼件1和第二阻尼件2可以绕着连接轴6发生相对旋转，不影响弹性装置10b对第一阻尼件1和第二阻尼件2之间在第二方向Y上角度的调节，叶片阻尼器10仍能良好适应两相邻缘板20d的径向内侧表面，在涡轮100运转过程中，与两相邻缘板20d的径向内侧表面严密贴合，更有效地摩擦减振，另一方面，连接轴6与不同的第一孔41配合，可以适应第一阻尼件1和第二阻尼件2之间不同的距离，不影响弹性装置10b对叶片阻尼器10长度的调节，叶片阻尼器10仍能根据不同情况改变自身长度，改变自身频率，避免与转子叶片20发生共振，再一方面，在凸部4、插槽5和连接轴6的配合下，第一阻尼件1和第二阻尼件2之间在第三方向Z上的相对转动受到限制，可以防止第一阻尼件1和第二阻尼件2之间发生相对扭转，避免二者的相对扭转影响减振效果。

可见，基于凸部4、插槽5和连接轴6的配合，防扭转装置10c可以在不影响第一阻尼件1和第二阻尼件2间距离和第二方向Y角度调节的情况下，可靠防止第一阻尼件1和第二阻尼件2在第三方向Z上发生相对扭转。

其中，参照图2，一些实施例中，在第二方向Y上，凸部4位于两个弹性件3之间，这样，结构更加紧凑，且防扭转效果更好。

另外，在一些实施例中，连接轴6与第一孔41和第二孔51中的一个间隙配合。例如，一些实施例中，连接轴6与第二孔51间隙配合，并与第一孔41紧配合。或者，另一些实施例中，连接轴6与第一孔41间隙配合，并与第二孔51间隙配合。这样，一方面便于第一限位件1和第二限位件2更顺畅地绕连接轴6转动，另一方面也便于对连接轴6进行限位，防止连接轴6脱落。

在上述各实施例中，参照图2，第一阻尼件1和第二阻尼件2上可以进一步设置通气孔1c。通气孔1c沿第二方向Y贯穿第一阻尼件1和第二阻尼件2。这样，冷气可以经由通气孔1c穿过叶片阻尼器10，到达缘板20d表面，实现对缘板20d高温段的冷却，有效延长转子叶片20的寿命。

如图2所示，一些实施例中，第一阻尼件1和第二阻尼件2上分别设有多个通气孔1c。且第一阻尼件1和第二阻尼件2上的通气孔1c均呈矩阵排列，例如，均排列为3行4列的矩阵。这样，对缘板20d的冷却效果更好，且结构较为简单。

当然，作为变型，第一阻尼件1和第二阻尼件2上通气孔1c的数量和/或排布方式也可以不同，甚至，一些实施例中，第一阻尼件1或第二阻尼件2上也可以不设置通气孔1c。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种叶片阻尼器(10)，其特征在于，包括：

阻尼装置(10a)，包括第一阻尼件(1)和第二阻尼件(2)，所述第一阻尼件(1)和所述第二阻尼件(2)沿着第一方向(X)间隔布置；和

弹性装置(10b)，连接于所述第一阻尼件(1)和所述第二阻尼件(2)之间，并通过自身的弹性变形，来调节所述第一阻尼件(1)和所述第二阻尼件(2)之间的距离和角度中的至少之一。

2.根据权利要求1所述的叶片阻尼器(10)，其特征在于，所述弹性装置(10b)包括至少一个弹性件(3)。

3.根据权利要求2所述的叶片阻尼器(10)，其特征在于，所述至少一个弹性件(3)包括连接于所述第一阻尼件(1)和第二阻尼件(2)的沿第二方向(Y)的端部的弹性件(3)，所述第二方向(Y)与所述第一方向(X)垂直。

4.根据权利要求2所述的叶片阻尼器(10)，其特征在于，所述弹性件(3)包括波纹板(3a)或弹簧。

5.根据权利要求2所述的叶片阻尼器(10)，其特征在于，所述弹性装置(10b)包括至少两个弹性件(3)，所述至少两个弹性件(3)沿着第二方向(Y)间隔布置，所述第二方向(Y)与所述第一方向(X)垂直。

6.根据权利要求1所述的叶片阻尼器(10)，其特征在于，所述第一阻尼件(1)和/或所述第二阻尼件(2)上设有通气孔(1c)。

7.根据权利要求1-6任一所述的叶片阻尼器(10)，其特征在于，所述叶片阻尼器(10)还包括防扭转装置(10c)，所述防扭转装置(10c)连接所述第一阻尼件(1)和第二阻尼件(2)，并防止所述第一阻尼件(1)和所述第二阻尼件(2)在第三方向(Z)上发生相对扭转，所述第三方向(Z)垂直于所述第一方向(X)。

8.根据权利要求7所述的叶片阻尼器(10)，其特征在于，所述防扭转装置(10c)包括凸部(4)、插槽(5)和连接轴(6)，所述凸部(4)设置于所述第一阻尼件(1)上，所述凸部(4)上设有至少两个第一孔(41)，所述至少两个第一孔(41)沿着所述第一方向(X)间隔排布，所述第二阻尼件(2)上设有插槽(5)，所述插槽(5)的侧壁上设有第二孔(51)，所述凸部(4)插入所述插槽(5)中，所述连接轴(6)插入所述第一孔(41)和所述第二孔(51)中，使得所述第一阻尼件(1)与所述第二阻尼件(2)之间沿第二方向(Y)可转动地连接，所述第二方向(Y)垂直于所述第一方向(X)和所述第三方向(Z)。

9.根据权利要求8所述的叶片阻尼器(10)，其特征在于，所述连接轴(6)与所述第一孔(41)和所述第二孔(51)中的一个间隙配合。

10.一种涡轮(100)，包括两个彼此相邻的转子叶片(20)，其特征在于，所述涡轮(100)还包括如权利要求1-9任一所述的叶片阻尼器(10)，所述叶片阻尼器(10)设置于所述两个彼此相邻的转子叶片(20)之间，对所述两个彼此相邻的转子叶片(20)进行减振。

11.一种航空发动机，其特征在于，包括如权利要求10所述的涡轮(100)。

Images