CN116783369A - 用于涡轮机的涡轮转子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种围绕纵向轴线(X‑X')延伸的涡轮的转子(2)，该转子包括至少一个转子盘(21)，至少一个转子盘在其外周处支承至少一个转子叶片(20)，每个叶片(20)包括翼型件(22)，翼型件在其径向外端部处设置有平台(26)，平台配备有上游唇部(27)和下游唇部(28)，平台(26)具有相对于转子(2)围绕纵向轴线(X‑X')的正常旋转方向的前侧向边缘(260)和后侧向边缘(261)，以及从所述前侧向边缘(260)延伸到翼型件(22)的吸力面的吸力面部分(264)。该叶片值得注意的地方是：上游唇部(27)和下游唇部(28)各自包括锯齿形切口，以便形成邻接的前齿(271，281)和后齿(272，282)；后齿(272，282)具有切割边缘；每个唇部(27，28)的前齿(271，281)设置在平台(26)的吸力面部分(264)上。

Description

用于涡轮机的涡轮转子
技术领域
本发明位于涡轮机领域，特别是用于飞行器的涡轮机领域。
更确切地，本发明涉及涡轮转子、包括这种转子的涡轮、以及配备有这种涡轮的涡轮机。
优选地，涡轮为低压涡轮。
背景技术
用于双转子飞行器的燃气涡轮机从上游至下游连续包括低压压缩机、高压压缩机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮。在说明书的其余部分和权利要求中，上游和下游相对于气体在涡轮机内部并因此在涡轮内部(从上游到下游)流动的大致方向来定义。
涡轮包括数个连续的级，每一级包括转子和定子，定子包括设置有固定叶片的喷嘴。涡轮沿着对应于转子的旋转轴线的纵向轴线延伸。
转子包括转子盘，转子盘在其外周处支承多个叶片，该多个叶片从该盘径向地或基本上径向地延伸。径向方向是垂直于涡轮的轴线并与该轴线相交的方向。
每个叶片包括成型翼型件，成型翼型件在其远端(即，与旋转轴线相距最远的端部)处由径向外跟部延伸。该径向外跟部包括平台，该平台界定在涡轮中在翼型件之间流通的气体的流动路径的外表面，而且该平台还包括上游唇部和下游唇部，该上游唇部和下游唇部从所述平台径向地向外延伸且周向地从该平台的两个侧向边缘中的一个侧向边缘延伸到另一个侧向边缘。
在转子旋转期间，上游唇部和下游唇部通过与在涡轮的外壳的径向内表面上相对地组装的固定可磨耗元件摩擦而相互作用，以确保密封。这些不同的可磨耗元件周向地首尾相连地组装，以形成可磨耗材料环。
因此，形成迷宫类型的密封，迷宫类型的密封能够限制轴向地穿过位于定子和转子的径向外端部之间的空间(更确切地，位于可磨耗材料环和转子的径向外端部之间的空间)的空气的流动。
转子/定子间隙在低压涡轮的合适效率方面发挥重要作用。限制该间隙则能够最大化转子中的工作流并降低泄漏流量。密封还能够最小化在径向外跟部和定子之间流动的泄漏空气与穿过空气路径流通的空气之间的切变，该切变产生所谓的"混合"损失。
然而，在唇部和可磨耗材料环之间保持小的间隙，可通过差异化的热膨胀而导致这些唇部与可磨耗材料之间接触的情况。这种情况甚至可以在一些情况下导致转子锁定。
在现有技术中，具有直边缘的唇部是已知的。在本发明中，设想在唇部的顶部形成切口，使得唇部以最小切割力穿透可磨耗材料，以避免转子锁定现象。然而，使用这些切口的风险在于在转子和定子之间形成额外的间隙，因此导致不规则的泄漏流量。
此外，平台的上游部分和下游部分可具有各种形状并包括凹口，特别是以便减小平台的重量并限制由该平台经历的离心力所产生的力。根据本发明，目的在于在涉及到这些设计的地方进一步减轻重量。
从文献US 2018/010467中还已知一种围绕纵向轴线延伸的涡轮转子，该转子包括叶片装置，叶片装置在其外周处支承至少一个叶片，叶片的翼型件在其径向外端部处设置有跟部，该跟部包括配备有上游唇部和下游唇部的平台。
平台具有相对于转子围绕纵向轴线的正常旋转方向的前侧向边缘和后侧向边缘，以及从所述前侧向边缘延伸到翼型件的吸力面的吸力面部分。
然而，这些唇部不具有锯齿形状，从而限定三角形或者截断矩形形状的齿，该齿配备有垂直于平台的前边缘和径向外端部，径向外端部为直线形且沿着平台的方向从前边缘的顶部向后倾斜。
因此，在唇部的顶部处的泄漏流量不受限制。
发明内容
本发明的目的在于限制在唇部的顶部处的泄漏流量。
为此目的，本发明涉及一种围绕纵向轴线延伸的涡轮的转子，该转子包括至少一个叶片装置，至少一个叶片装置在其外周处支承至少一个叶片，每个叶片包括翼型件，翼型件在其径向外端部处设置有跟部，该跟部包括平台，平台配备有从该平台径向向外延伸的上游唇部和下游唇部，平台具有相对于转子围绕纵向轴线的正常旋转方向的前侧向边缘和后侧向边缘，以及从所述前侧向边缘延伸到翼型件的吸力面的吸力面部分。
根据本发明，上游唇部和下游唇部各自包括锯齿形切口，以便形成相对于转子围绕纵向轴线的正常旋转方向的前齿和后齿；每个唇部的前齿和后齿具有三角形或截断矩形形状；每个唇部的前齿和后齿邻接；唇部的前齿具有垂直于平台的前边缘和径向外边缘，径向外边缘为直线形且沿着平台的方向从前边缘的顶部向后倾斜；唇部的后齿具有垂直于平台的切割边缘和径向外边缘，径向外边缘为直线形且沿着平台的方向从切割边缘的顶部向后倾斜；每个唇部的前齿设置在平台的吸力面部分上。
由于本发明的这些特征，特别是由于以下事实：在每个唇部上，前齿和后齿邻接，且前齿设置在平台的吸力面部分上，这使得位于前齿的径向外边缘与后齿的切割边缘之间的空的空间由此变成了位于泄漏流量密度低的位置，因为唇部的边界处的压力由在空气路径中流通的空气指定。叶片的吸力面侧上的压力小于压力面侧上的压力。
相反，由于本发明的上述特征，后齿反而由此变成了位于泄漏流量密度高的位置。
因此，降低泄漏流量。
根据本发明的单独或组合地采用的其它有利和非限制性的特征：
-下游唇部的后齿的切割边缘设置成比靠近前侧向边缘更靠近吸力面；
-上游唇部的后齿的切割边缘设置成与翼型件的吸力面对齐；
-上游唇部的后齿的切割边缘的高度大于同一上游唇部的前齿的前边缘的高度，和/或，下游唇部的后齿的切割边缘的高度大于同一下游唇部的前齿的前边缘的高度；
-平台包括从上游唇部向上游延伸的上游平台部分，该上游平台部分具有截断平行六面体形状，上游唇部限定截断平行六面体形状的一侧；
-平台包括从所述下游唇部向下游延伸的下游平台部分，该下游平台部分具有截断平行六面体形状，下游唇部限定截断平行六面体形状的一侧。
本发明还涉及一种围绕纵向轴线延伸的涡轮，该涡轮包括外壳，外壳在径向内面上配备有可磨耗材料环。根据本发明，该涡轮包括如上所述的转子，该转子设置成使得上游唇部和下游唇部的后齿的顶部与可磨耗材料环相对地设置，使得对于每个上游唇部和每个下游唇部，由可磨耗材料环、前齿和后齿的切割边缘界定的空间定位成与可磨耗材料环垂直。
最后，本发明涉及一种涡轮机，该涡轮机特别是用于飞行器，该涡轮机包括如上所述的涡轮。
附图说明
本发明的其它特征、目的和优点将通过下面纯粹是说明性和非限制性的且必须参考附图阅读的描述而变得显而易见，在附图中：
-图1示出了涡轮机的低压涡轮的径向外部部分的局部纵向轴线剖视图；
-图2是以透视和局部方式示出根据本发明的涡轮转子的叶片的可能实施例的图示；
-图3是表示根据本发明的叶片的径向外跟部的图示；
-图4是两个邻接的叶片部分及其相应的上游唇部的示意性剖视图；
-图5是两个邻接的叶片部分及其相应的下游唇部的示意性剖视图。
具体实施方式
图1以纵向剖视图(即，沿着涡轮机的低压涡轮的纵向轴线X-X')示出了低压涡轮的一部分。如上文所说明的，该涡轮1包括数个连续的级。每一级包括转子2和定子，转子2设置有叶片20，定子包括设置有固定叶片30的喷嘴3。
如可以在图2上看到的，转子2包括转子盘21(叶片装置)(以虚线示出)，转子盘21在其外周处支承至少一个叶片20，优选地，支承从该盘径向地或基本上径向地延伸的叶片20。
转子2围绕其旋转轴线X-X'旋转地被驱动，且沿着正常旋转方向(由图2中的箭头F示出)被驱动。术语“正常旋转方向”应理解为意思是在涡轮运行期间转子旋转的方向。此外，涡轮的不同转子盘21组装在一起，且围绕纵向轴线X-X'旋转地被驱动。
每个叶片20包括成型翼型件22和径向内根部23，径向内根部23具有例如燕尾形状或类似形状、安装在形成于转子盘21的外周处的对应形状的凹部210中。翼型件22通过径向内跟部24与根部23分离。最后，径向外跟部25从翼型件22的径向外端部(或远端)延伸。
每个翼型件22具有吸力面221和压力面222、前边缘223和后边缘224。
当不同的叶片20附接于转子盘21时，这些叶片20的径向外跟部25以边缘接边缘的方式设置，以形成旋转周向环，该旋转周向环界定围绕盘的旋转轴线X-X'的旋转表面。
更确切地，每个径向外跟部25包括平台26，平台26界定在翼型件22之间穿过涡轮流通的气体的气流路径的外表面，且平台26具有相对的第一侧向边缘260和第二侧向边缘261。边缘260称为“前侧向边缘”，边缘261称为“后侧向边缘”。在说明书的其余部分和权利要求中，术语“前”和“后”相对于转子的正常旋转方向限定。还应注意，前侧向边缘260是位于翼型件22的吸力面侧上的边缘，后侧向边缘261是位于翼型件22的压力面侧上的边缘。
此外，每个径向外跟部25还包括上游密封唇部27和下游密封唇部28，上游密封唇部27和下游密封唇部28从平台26径向地或基本上径向地向外延伸，且周向地从该平台的一个侧向边缘260延伸到另一个侧向边缘261。
当不同的叶片20附接于转子盘21时，如图2所示，这些叶片20各自的径向外平台26首尾相连地设置，使得一个平台的后侧向边缘261与下一个平台的前侧向边缘260接触，随后，不同的上游唇部27(或者不同的下游唇部28)同样以边缘接边缘的方式设置，以形成关于轴线X-X'的上游旋转环(或者下游旋转环)。
如可以在图1中看到的，上游唇部27和下游唇部28与可磨耗材料环4相对地设置，可磨耗材料环在涡轮1的外壳10的径向内表面上相对地附接，以形成迷宫类型的密封。
在图2所示的示例性实施例中，可以看到：前侧向边缘260和后侧向边缘261在平台26的中心区域中，即在两个唇部27和28之间具有折线形状的轮廓。可以设想其它形状，只要前侧向边缘260和后侧向边缘261彼此互补并允许上述组装即可。
此外，平台26具有从所述下游唇部28向下游延伸的下游平台部分262。类似地，平台26具有从所述上游唇部27向上游延伸的上游平台部分263。
图2有意地避免以其整体示出位于图的右侧的叶片的上游唇部和下游唇部，以更好地观察平台26及其上游部分263和下游部分262的形状。这些唇部由虚线示出。
此外，如在图2中更清楚地看到的，平台26具有所谓“吸力面部分”264的部分和所谓“压力面部分”265的部分，吸力面部分264从前侧向边缘260延伸到翼型件22的吸力面221，压力面部分265从翼型件22的压力面222延伸到后侧向边缘261。在图2中，吸力面部分264示出为阴影区域。
如在图3中更清楚地看到的，根据本发明的一个可能的实施例，下游平台部分262具有平行六面体形状，并因此包括位于平台26的下游侧的下游边缘2620、前侧向边缘2621和后侧向边缘2622(参见虚线轮廓)。最后，该平行六面体的最后一侧由下游唇部28界定。
根据本发明的一个可能的实施例，上游平台部分263同样具有平行六面体形状，并包括位于平台26的上游侧的上游边缘2630、前侧向边缘2631和后侧向边缘2632(参见虚线轮廓)。最后，该平行六面体的最后一侧由上游唇部27界定。
根据本发明的其它可能的实施例，形成上游平台部分263的平行六面体和/或形成下游平台部分262的平行六面体被截断并具有一个或多个凹口，以减小平台26的重量。
在图中所示的示例性实施例中，两个部分263和262被截断，凹口的示例在下文描述。
因此，优选地，下游平台部分262包括凹口2623，凹口2623以一定角度形成于下游边缘2620和前侧向边缘2621之间。
优选地，该凹口2623具有直线形的边缘。该轮廓还可以具有其它形状，例如弯曲形状，优选地，凹形的弯曲形状。
还优选地，该凹口2623从前侧向边缘2621的定位成靠近下游唇部28的点延伸到下游边缘2620的定位成与翼型件22的后边缘224垂直的点。
优选地，上游平台部分263包括两个凹口，即前凹口2633和后凹口2634，前凹口2633以一定角度形成于前侧向边缘2631和上游边缘2630之间，后凹口2634以一定角度形成于后侧向边缘2632和上游边缘2630之间。
优选地，这两个凹口2633和2634具有弯曲且凹形的轮廓。可以设想其它形状，例如直线形状。
还优选地，前凹口2633从前侧向边缘2631的定位成靠近上游唇部27的点延伸到上游边缘2630的定位成与前边缘223垂直的点(位于吸力面侧221上)，以从上游平台部分移除最大量的材料，同时保持该上游部分径向地位于翼型件22上方。
还优选地，出于相同的原因，后凹口2634从后侧向边缘2632的定位成靠近上游唇部27的点延伸到上游边缘2630的定位成与前边缘223垂直的点(位于压力面侧222上)。
根据本发明，如可以在图4和图5中更容易看到的，上游唇部27和下游唇部28具有锯齿形切口，以形成两个邻接的齿，即，对于上游唇部27，两个邻接的齿是前齿271和后齿272，以及对于下游唇部28，两个邻接的齿是前齿281和后齿282，前和后相对于转子围绕轴线X-X'的正常旋转方向(箭头F)限定。
如可以在这些图中看到的，前齿271，281各自具有前边缘2710，2810，后齿272，282各自具有切割边缘2720，2820，切割边缘2720，2820还相对于旋转方向向前定向，且构造成在与可磨耗材料4接触的情况下能够剪切可磨耗材料4。
优选地，前齿271，281或后齿272，282具有三角形形状或截断矩形形状。
在图中所示的示例性实施例中，前齿271，281为三角形，后齿272，282具有截断矩形形状。
前齿271具有径向外边缘2711，径向外边缘2711沿着平台26的方向从前边缘2710的顶部向后倾斜到后齿272的切割边缘2720的基部，而前齿281具有径向外边缘2811，径向外边缘2811从前边缘2810的顶部向后倾斜到后齿282的切割边缘2820的基部。
后齿272具有径向外边缘2721，径向外边缘2721沿着平台26的方向从切割边缘2720的顶部倾斜到后齿272的后边缘2722(在图2中更好地可见)。类似地，后齿282具有径向外边缘2821，径向外边缘2821沿着平台26的方向从切割边缘2820的顶部倾斜到后齿282的后边缘2822。
优选地，前边缘2710，2810和后边缘2722，2822垂直于平台26的平面或稍微倾斜，使得当两个平台26首尾相连地放置时，一个平台的上游唇部27的后齿272的后边缘2722与邻接平台的上游唇部27的前齿271的前边缘2710接触，以确保上游唇部在圆周上的连续性。同样的道理适用于下游唇部28。
还优选地，上游唇部27的后边缘2722具有与其前边缘2710相同的高度H2，使得当两个叶片2(并因此两个平台26)并排放置时，一个叶片的后边缘与另一个叶片的前边缘处于相同的水平。优选地，同样的道理适用于前边缘2810和后边缘2822的高度H3。
优选地，切割边缘2720，2820垂直于平台26的平面。
优选地，后齿的切割边缘2720具有大于前齿271的前边缘2710的高度，出于这个原因，切割边缘2720将剪切可磨耗材料4(切割边缘2720的顶部与平台26之间的高度H1大于前边缘2710的顶部与平台26之间的高度H2)。按照相同的方式，优选地，后齿282的切割边缘2820的高度H4大于前边缘2810的高度H3。
在刚刚描述的实施例中，径向外边缘2711，2721，2811，2821具有直线形的轮廓。然而，这些轮廓中的至少一个轮廓可稍微弯曲和凸起。
根据本发明，形成上游唇部的和下游唇部的切口，使得前齿和后齿在如下点上定位在平台26上，这些点使得能够补偿泄漏流量的不规则性。
在空气路径中流通并因此还在平台26和可磨耗材料环4之间流通的空气压力在上游比下游更高，这使得空气能够在涡轮1中流通。此外，施加在压力面222上的压力大于施加在翼型件22的吸力面221上的压力，使得转子2旋转。
因此，由泄漏空气施加在吸力面侧上的上游唇部27上的压力P上游吸力大于施加在压力面侧上的上游唇部27上的压力P上游压力，该压力P上游压力本身大于由泄漏空气施加在吸力面侧上的下游唇部28上的压力P下游吸力，该压力P下游吸力本身大于由泄漏空气施加在压力面侧上的下游唇部28上的压力P下游压力。术语“泄漏空气”应理解为意思是在平台26和可磨耗材料4之间流通的空气。
此外，在图4和图5的右半部分中，混合线示出了当转子2组装在涡轮1中时，可磨耗材料4所处的水平40。
在上游唇部27上，形成切口，使得前齿271定位在平台26的吸力面部分264上。因此，如可以在图4中看到的，由可磨耗材料4、前齿271和后齿272的切割边缘2720界定的空间E1由此变成了定位成与平台26的吸力面部分264垂直，即位于泄漏流量较低的位置。此外，由于前齿271的高度H2优选地小于后齿272的高度H1，因此该空间E1整体更大。
相反，考虑到前齿271和后齿272邻接，后齿272由此变成了主要定位在平台26的压力面部分265上，位于泄漏流量较高的位置，因此限制泄漏。在后齿272和可磨耗材料4(线40)之间延伸的空间E2的表面积减小，这限制了该位置处的泄漏流量。
还优选地，齿定位成使得后齿272的切割边缘2720设置成比靠近前侧向边缘260更靠近翼型件22的吸力面221；还优选地，使得后齿272的切割边缘2720设置成与翼型件22的吸力面221对齐。因此，位于吸力面空间264上方的空间E1尽可能大。
与现有技术相比，总泄漏部分(即区域E1和区域E2之和)保持不变，但是泄漏流量减小。
类似地，在下游唇部28上，形成切口，使得前齿281定位在平台26的吸力面部分264上。因此，如可以在图5中看到的，由可磨耗材料4、前齿281和后齿282的切割边缘2820界定的空间E3由此变成了定位成与平台的吸力面部分264垂直，即位于泄漏流量较低的位置。
还优选地，齿定位成使得后齿282的切割边缘2820设置成比靠近前侧向边缘260更靠近吸力面221。
与现有技术相比，总泄漏部分(即区域E3和区域E4之和)保持不变，但是泄漏流量减小。
如果平台26未被截断，则观察到泄漏流量减小，而且如果平台26具有凹口，例如上述凹口2623，2633和2634，则该改进进一步提高。

Claims (8)

1.一种围绕纵向轴线(X-X')延伸的涡轮(1)的转子(2)，所述转子包括至少一个叶片装置，所述至少一个叶片装置在其外周处支承至少一个叶片(20)，每个叶片(20)包括翼型件(22)，所述翼型件(22)在其径向外端部处设置有跟部(25)，该跟部(25)包括平台(26)，所述平台(26)配备有从该平台(26)径向向外延伸的上游唇部(27)和下游唇部(28)，所述平台(26)具有相对于所述转子(2)围绕所述纵向轴线(X-X')的正常旋转方向的前侧向边缘(260)和后侧向边缘(261)，以及从所述前侧向边缘(260)延伸到所述翼型件(22)的吸力面的吸力面部分(264)，其特征在于，所述上游唇部(27)和所述下游唇部(28)各自包括锯齿形切口，以便形成相对于所述转子(2)围绕所述纵向轴线(X-X')的正常旋转方向的前齿(271，281)和后齿(272，282)；每个唇部(27，28)的前齿(271，281)和后齿(272，282)具有三角形或截断矩形形状；每个唇部(27，28)的前齿(271，281)和后齿(272，282)邻接；所述唇部(27，28)的前齿(271，281)具有垂直于所述平台(26)的前边缘(2710，2810)和径向外边缘(2711，2811)，所述径向外边缘(2711，2811)为直线形且沿着所述平台(26)的方向从所述前边缘(2710，2810)的顶部向后倾斜；所述唇部(27，28)的后齿(272，282)具有垂直于所述平台(26)的切割边缘(2720，2820)和如下径向外边缘(2721，2821)，所述径向外边缘(2721，2821)为直线形且沿着所述平台(26)的方向从所述切割边缘(2720，2820)的顶部向后倾斜；每个唇部(27，28)的前齿(271，281)设置在所述平台(26)的吸力面部分(264)上。
2.根据权利要求1所述的转子(2)，其特征在于，所述下游唇部(28)的后齿(282)的切割边缘(2820)设置成比靠近所述前侧向边缘(260)更靠近所述翼型件(22)的吸力面(221)。
3.根据权利要求1或2所述的转子(2)，其特征在于，所述上游唇部(27)的后齿(272)的切割边缘(2720)设置成与所述翼型件(22)的吸力面(221)对齐。
4.根据前述权利要求中任一项所述的转子(2)，其特征在于，所述上游唇部(27)的后齿(272)的切割边缘(2720)的高度(H1)大于同一上游唇部(27)的前齿(271)的前边缘(2710)的高度(H2)，和/或，所述下游唇部(28)的后齿(282)的切割边缘(2820)的高度(H4)大于同一下游唇部(28)的前齿(281)的前边缘(2810)的高度(H3)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的转子(2)，其特征在于，所述平台(26)包括从所述上游唇部(27)向上游延伸的上游平台部分(263)，该上游平台部分(263)具有截断平行六面体形状，所述上游唇部(27)限定所述截断平行六面体形状的一侧。
6.根据前述权利要求中任一项所述的转子(2)，其特征在于，所述平台(26)包括从所述下游唇部(28)向下游延伸的下游平台部分(262)，该下游平台部分(262)具有截断平行六面体形状，所述下游唇部(28)限定所述截断平行六面体形状的一侧。
7.一种围绕纵向轴线(X-X')延伸的涡轮(1)，包括外壳(10)，所述外壳在径向内面上配备有可磨耗材料环(4)，其特征在于，所述涡轮包括根据前述权利要求中任一项所述的转子(2)；该转子(2)设置成使得所述上游唇部(27)和下游唇部(28)的后齿(272，282)的顶部与所述可磨耗材料环(4)相对地设置，使得对于每个上游唇部(27)和每个下游唇部(28)，由所述可磨耗材料环(4)、所述前齿(271，281)和所述后齿(272，282)的切割边缘(2720，2820)界定的空间(E1，E3)定位成与所述可磨耗材料环(4)垂直。
8.一种涡轮机，特别是用于飞行器，其特征在于，所述涡轮机包括根据权利要求7所述的涡轮(1)。
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