CN115298415A - 包括环形夹紧部件的涡轮机旋转组件 - Google Patents

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CN115298415A CN202180020849.3A CN202180020849A CN115298415A CN 115298415 A CN115298415 A CN 115298415A CN 202180020849 A CN202180020849 A CN 202180020849A CN 115298415 A CN115298415 A CN 115298415A
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Abstract

公开了一种涡轮机旋转组件，包括转子和定子，转子包括至少两个连续转子级(20a、20b)和环形转子套圈(30)，连续转子级(20a、20b)设有多个可移动叶片，环形转子套圈连接两个连续转子级(20a、20b)，定子具有：至少一个定子级(10)，其设置在两个连续转子级(20a、20b)之间，包括多个固定叶片(13)、涡轮机定子叶片根部(11)、环形夹紧部件(50)和耐磨环形支承件(40)，根部(11)径向延伸并轴向夹紧在环形耐磨支承件(40)之间，并且其中空间(12)分离根部(11)的径向内端和环形耐磨支承件(40)。涡轮喷气发动机(100)，包括如上所述的旋转组件。

Description

包括环形夹紧部件的涡轮机旋转组件
技术领域
本公开涉及一种涡轮机组件，诸如涡轮机或压缩机，其中在操作中在固定到涡轮机的壳体的定子部件(固定部件)和旋转固定在壳体内的转子部件(运动部件)之间建立径向间隙。本公开主要聚焦于飞行器涡轮喷气发动机领域，但可以更一般地应用于任何类型的涡轮机。
背景技术
在涡轮机涡轮中，转子由流动路径中的空气驱动，该空气在转子叶片的高度处膨胀，从而向转子提供其部分能量。然而，经常观察到，流动路径中通常称为“旁路”的部分空气绕过叶片的内平台和外平台，因此并不在叶片的高度处膨胀，这降低了涡轮机的性能。
为了限制这种绕过叶片的低效空气循环，转子叶片的头部通常配备有擦拭器，该擦拭器适于切割由定子承载的耐磨材料的轨迹，从而确保流动路径在叶片(blade)头部处的密封。为轮叶(vane)(或分配器)提供类似装置：实际上，在两个叶片轮之间设置了称为“迷宫”式护罩的护罩，该护罩携带有适于切割轮叶根部所携带的耐磨材料的轨迹的擦拭器，从而确保流动路径在轮叶根部处的密封。
然而，为了使该系统有效，重要的是使分离擦拭器与耐磨材料的径向间隙最小化。然而，在涡轮中普遍存在的高且不均匀的温度下，可能会出现一些元件的差异膨胀现象，并改变一些部件之间的间隙，特别是由不同材料制成的或者或多或少位于空气流动路径附近的一些部件之间，因此或多或少承受高温。例如，迷宫式护罩的径向位移低于轮叶的径向位移，尤其是根部的径向位移：因此，观察到将迷宫式护罩所携带的擦拭器与根部所携带的耐磨材料分开的间隙，根部与耐磨材料不同地膨胀。因此，旁路循环增加，而涡轮性能降低。
当前涡轮的一个缺点在于，迷宫式护罩或携带耐磨材料的环形支承件与它们所安装在其上的构件(此处为根部)之间出现的差异膨胀在这些部件之间的接口处产生显著的机械应力，导致它们的早期损坏，并因此导致它们的寿命缩短。
因此，确实需要一种用于涡轮机的旋转组件，该旋转组件至少部分地没有上述已知构造中固有的缺陷。
发明内容
本公开涉及一种用于涡轮机的旋转组件，其包括：转子，该转子包括：至少两个连续的转子级，其设有多个叶片；以及环形转子护罩，其连接所述两个连续转子级，定子，其包括：至少一个定子级，其设置在所述两个包括多个轮叶的连续转子级之间，每个定子级包括涡轮机定子轮叶根部、环形夹紧部件和耐磨材料的环形支承件，该根部径向延伸并轴向夹紧在耐磨材料的环形支承件与环形夹紧部件之间，并且其中空间径向地分离根部的径向内端和耐磨材料的环形支承件。
在本公开中，轴向方向对应于涡轮喷气发动机(或风扇轮盘)的旋转轴线A的方向，径向方向是垂直于轴线A的方向。方位角方向对应于描述围绕轴向方向的环的方向。三个轴向、径向和方位角方向分别对应于圆柱坐标系中由边、半径和角度限定的方向。此外，关于流体穿过涡轮喷气发动机的正常流动方向(从上游到下游)来限定上游和下游。
在本申请中，关于流体穿过涡轮喷气发动机的正常流动方向(从上游到下游)来限定上游和下游。此外，轴向方向对应于风扇轮盘的旋转轴线A的方向，而径向方向是垂直于轴线A的方向。最后，除非另有规定，否则形容词“内部”和“外部”指的是径向方向，使得元件的内部(即径向内部)部分比同一元件的外部(即径向外部)部分更靠近轴线A。
因此，根部可沿径向方向自由膨胀，利用从耐磨材料的环形支承件分离其径向内端的空间的优点。实际上，由该空间提供的间隙允许根部自由膨胀，也允许耐磨材料的环形支承件自由膨胀，因此允许定子级的不同元件的径向自调整膨胀。由此，提高了两个转子级之间的密封。
此外，由于该空间允许根部的自由径向膨胀，因此防止了根部与耐磨材料的环形支承件之间的径向接触，从而没有径向应力从根部施加在耐磨材料的环形支承件上。由此，提高了定子级的各部件的寿命。
此外，夹紧部件的使用允许将耐磨材料的环形支承件简单地组装在根部上。此外，这种夹紧部件的制造也比例如FR 3027343的现有技术中已知的用于将耐磨材料的环形支承件固定到根部的装置的制造更简单。
还应注意，本公开更多地侧重于低压涡轮，但其也可应用于高压涡轮或压缩机。
在一些实施例中，夹紧部件是与耐磨材料的环形支承件不同的环。
在该构造中，夹紧部件的制造独立于耐磨材料的支承件的制造。因此，夹紧部件的制造被简化。
在一些构造中，定子级包括多个区段，每个区段包括至少一个由根部延伸的轮叶。
在一些实施例中，耐磨材料的环形支承件包括面向由转子护罩携带的至少一个擦拭器的耐磨部分。
在该构造中，转子级之间的密封比构造对调时更好，即，当转子护罩包括耐磨部分并且由根部承载的支承件包括擦拭器时。
在一些实施例中，耐磨材料的环形支承件由陶瓷基复合材料制成。
这种材料比金属轻，耐热性更好，膨胀系数也比金属低。因此，耐磨材料的环形支承件的膨胀减小。
在一些实施例中，根部包括凹口，该凹口构造成通过与设置在耐磨材料的环形支承件中的突起互锁而进行协配。
在该构造中，耐磨材料的环形支承件相对于根部的切向运动受到限制。还应注意，该突起仅限制切向运动：径向运动、特别是由于膨胀引起的径向运动不受限制。
在一些实施例中，耐磨材料的环形支承件包括至少三个突起，这些突起在耐磨材料的环形支承件上每间隔120°分布。
在该构造中，耐磨材料的支承件容易居中。实际上，耐磨材料的环形支承件在根部中的缠结有助于耐磨材料的环形支承件的定位，使得其与根部同心。
在一些实施例中，耐磨材料的环形支承件包括螺纹部分，而夹紧部件构造成旋拧到耐磨材料的环形支承件上。
该构造允许围绕根部简单地组装夹紧部件和耐磨材料的环形支承件。
在一些实施例中，通过收缩配装围绕根部组装夹紧部件和耐磨材料的环形支承件。
在一些实施例中，通过焊接围绕根部组装夹紧部件和耐磨材料的环形支承件。
前述两个构造允许以替代方式围绕根部组装夹紧部件和耐磨材料的环形支承件。
本发明还涉及一种涡轮喷气发动机，其包括根据前述权利要求中任一项所述的旋转组件。
这种涡轮喷气发动机具有上述优点。
附图说明
通过阅读以下借助非限制示例给出的本发明的不同实施例的详细描述，将更好地理解本发明及其优点。此描述参考附图页，附图中：
[图1]图1示出了根据一个实施例的包括低压涡轮的涡轮喷气发动机。
[图2]图2示出了根据该实施例的低压涡轮的剖视图。
[图3]图3示出了以低压涡轮机的定子级根部为中心的视图，其中省略了夹紧部件。
[图4]图4对应于图3的在平面IV的水平面处切割的视图。
具体实施方式
图1示出了沿穿过根据本发明的涡轮喷气发动机100的主轴线A的竖直平面的剖视图。涡轮喷气发动机100包括风扇2、低压压缩机300、高压压缩机400、燃烧室500、高压涡轮600和低压涡轮700。
图2示出了根据本发明一个实施例的低压涡轮700的一部分沿着同一轴向平面的剖视图。低压涡轮700包括多个转子级。图2示出了从上游到下游围绕定子级10的两个连续转子级20a、20b，转子级20a和20b分别位于定子级10的上游和下游。这些转子级20a、20b和定子级10中的每一个分别包括多个叶片和轮叶。
每个转子级20a、20b包括相应的分配器21a、21b，叶片设置在该分配器上。两个连续转子级的分配器21a、21b通过包括多个擦拭器31的护罩30互相连接。
定子级10包括多个区段，每个区段包括设置在定子轮叶根部11上的一个或若干轮叶13。根部11沿径向方向延伸，而定子级10的每个区段的成组根部11绕涡轮喷气发动机100的轴线A延伸。换言之，该组根部11在垂直于轴线A的平面中延伸。
定子级10还包括耐磨材料的环形支承件40，该环形支承件绕轴线A延伸，并在根部11的下游和上游轴向延伸。耐磨材料40的环形支承件包括设置成面向护罩30的擦拭器31的耐磨部分41。擦拭器31与耐磨材料40的环形支承件接触，该环形支承件阻碍空气在定子级10的根部11的水平处经过。因此，空气较佳地在定子级的叶片13的水平处经过。
由结构为蜂窝结构的材料提供耐磨部分41，该材料例如可以是铝合金。该耐磨部分构造成在使用涡轮喷气发动机100时与擦拭器31接触而磨损。
耐磨材料的环形支承件其本身是由3D编织陶瓷基复合材料(CMC)材料通过称为“编织轮廓”的编织方法制成的。“编织轮廓”是一种用于编织轴对称形状的纤维织物的已知技术，其中，纤维结构使用经纱编织在心轴上，心轴具有基于待制造的织物纤维的轮廓所限定的外部轮廓。
护罩30也可以由3D编织CMC制成。此构造也是有利的，因为其允许确保护罩30和耐磨材料的环形支承件40以相同的方式膨胀。
耐磨材料的环形支承件40还包括沿径向方向延伸的臂42。臂42位于根部11的上游并与其平行延伸。耐磨材料的环形支承件40还包括轴向延伸并位于臂42的径向外端的第一夹紧部42a。该夹紧部42a与根部11轴向接触。在本示例中，与根部11的接触经由夹紧部42a而仅轴向地进行。
与耐磨材料的环形支承件40分离的夹紧部件50设置在根部11的下游，并包括沿径向方向延伸的主体52，该主体52平行于根部11和臂42。夹紧部件50包括轴向延伸的基部51，该基部设置在主体52的径向内端处。夹紧部件50的基部51在根部11的下游侧与耐磨材料的环形支承件40径向接触。
夹紧部件50还包括第二夹持部50a，其设置在主体52的径向外端处。第二夹持部50a与根部11轴向接触，并设置成面向第一夹持部42a。两个夹持部42a、50a沿相反方向在根部11上产生轴向力，使得根部11被轴向夹压在耐磨材料的环形支承件40和夹紧部件50之间。
空间12径向地分离根部11的径向内端和耐磨材料的环形支承件40。实际上，根部11和耐磨材料的环形支承件40之间的接触仅是轴向的。该空间12保留在根部11和耐磨材料的环形支承件40的整个周缘上方。
因此，当涡轮喷气发动机100运行时，根部11可以在温度的作用下在空间12中径向膨胀，而不会在耐磨材料的环形支承件40上施加应力。
此外，根部11还可以与耐磨材料的环形支承件40的臂42和夹紧部件50的主体52轴向地分离。
如图2和图3所示，耐磨材料的环形支承件40可包括轴向定向的突起43，以便轴向刺穿到布置在根部11中的凹口23。为了提高可读性，图3中省略了夹紧部件50。在本示例中，凹口23在根部11的整个轴向宽度上延伸，并因此是贯通凹口。突起43可以在其方位角端的任一侧与根部11方位角接触。
耐磨材料的环形支承件40可包括分布在其整个方位角维度上的多个突起43。具体地，耐磨材料的环形支承件40可包括至少三个突起43，其围绕耐磨材料的环形支承件40每间隔120°分布，这允许极大地促进耐磨材料的环形支承件40对中于根部11。在该构造中，根部11包括对应于这三个突起43的至少三个凹口23。
图4对应于图3在平面IV处的剖视图，该平面是沿径向方向和轴向方向的平面，其在突起43的水平处与耐磨材料的环形支承件相交40。在突起43的水平处还存在径向分离耐磨材料的环形支承件40和根部11的空间12。换言之，空间12径向地分离根部11的径向内端和突起43的径向外端。
夹紧部件50和耐磨材料的环形支承件40通过收缩配合围绕根部11安装。然而，在一些构造中，夹紧部件50可以焊接或旋拧到耐磨材料的环形支承件40上。
在耐磨材料的环形支承件40和夹紧部件50通过旋拧围绕根部11组装的情况下，耐磨材料的环形支承件40包括螺纹部分，该螺纹部分构造成允许夹紧部件50旋拧。
尽管已经参考具体示例性实施例描述了本发明，但是显而易见的是，能够对这些示例进行修改和改变而不脱离权利要求书所限定的本发明的总体范围。具体地，可以将图示/提到的不同实施例的各个特征组合到另外的实施例中。因此，应当以说明性而非限制性的意义来考虑说明书和附图。
同样显而易见的是，参考方法进行描述的所有特征可以被单独或组合地转用于装置，反之，参考设备进行描述的所有特征可以被单独或组合地转用于方法。

Claims (11)

1.一种用于涡轮机的旋转组件，包括：
转子，所述转子包括：
至少两个连续转子级(20a、20b)，所述连续转子级设有多个叶片，以及
环形转子护罩(30)，所述环形转子护罩连接所述两个连续转子级(20a、20b)，
定子，所述定子包括：
至少一个定子级(10)，所述定子级设置在所述两个连续转子级(20a、20b)之间，包括：
多个轮叶(13)，每个轮叶包括涡轮机定子轮叶根部(11)，
环形夹紧部件(50)，以及
耐磨材料的环形支承件(40)，
所述根部(11)径向延伸并轴向夹紧在所述耐磨材料的环形支承件(40)与所述环形夹紧部件(50)之间，并且
其中，空间(12)径向地分离所述根部(11)的径向内端和所述耐磨材料的环形支承件(40)。
2.根据权利要求1所述的旋转组件，其特征在于，所述夹紧部件(50)是与所述耐磨材料的环形支承件(40)不同的环。
3.根据权利要求1或2所述的旋转组件，其特征在于，所述定子级(10)包括多个区段，每个区段包括至少一个由根部(11)延伸的轮叶(13)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的旋转组件，其特征在于，所述耐磨材料的环形支承件(40)包括面向由所述转子护罩(30)携带的至少一个擦拭器(31)的耐磨部分(41)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的旋转组件，其特征在于，所述耐磨材料的环形支承件(40)由陶瓷基复合材料制成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的旋转组件，其特征在于，所述根部(11)包括凹口(23)，所述凹口构造成通过与设置在耐磨材料的环形支承件(40)中的突起(43)互锁而进行协配。
7.根据权利要求6所述的旋转组件，其特征在于，所述耐磨材料的环形支承件(40)包括至少三个突起(43)，所述突起(43)在所述耐磨材料的环形支承件(40)上每间隔120°分布。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的旋转组件，其特征在于，所述耐磨材料的环形支承件(40)包括螺纹部分，而所述夹紧部件(50)构造成旋拧到耐磨材料的环形支承件(40)上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的旋转组件，其特征在于，通过收缩配装围绕根部(11)组装所述夹紧部件(50)和所述耐磨材料的环形支承件(40)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的旋转组件，其特征在于，通过焊接围绕根部(11)组装所述夹紧部件(50)和所述耐磨材料的环形支承件(40)。
11.一种涡轮喷气发动机(100)，所述涡轮喷气发动机包括根据前述权利要求中任一项所述的旋转组件。
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