CN116783372A - 涡轮机压缩机定子的内叶片支撑环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对涡轮机的轴流式压缩机定子的可变桨距叶片进行支撑的内环(17)，该内环包括至少两个环扇区(170)，至少两个环扇区被组装以形成所述内环，每个环扇区包括多个容置部(172)，容置部用于接纳所述叶片中的一个叶片的枢转轴。该环的特征在于，在两个连续的环扇区(170)的端部(171)之间的接合平面上，通过将组装销(174)和用于接纳该销的空腔(175)接合来进行组装，所述组装销(174)被固定在所述两个连续的环扇区(170)中的一个环扇区的端部(171)上，所述空腔(175)形成在所述两个连续的环扇区中的另一个环扇区的端部(171)上，空腔(175)被构造并确定尺寸以接纳所述组装销(174)，留有允许通过滑动配合进行组装的安装间隙，所述组装销(174)由热膨胀系数高于构成所述连续的环扇区(170)的材料的热膨胀系数的材料制成。

Description

涡轮机压缩机定子的内叶片支撑环
技术领域
本发明属于涡轮机、特别是飞行器涡轮机的轴流式压缩机领域。
本发明更具体地涉及一种用于对涡轮机的轴流式压缩机定子的可变桨距叶片进行支撑的内环。本发明还涉及设置有这种内支撑环的定子、包括至少一个这种定子的轴流式涡轮机压缩机、以及配备有这种压缩机的涡轮机。
优选地，该压缩机为高压压缩机。
背景技术
图1示出了轴流式涡轮机压缩机的一个可能的示例性实施例。
该压缩机1沿着纵向轴线X-X’延伸。该压缩机包括多个串联布置的轴向级10，每个级包括转子11和带叶片的定子或定子12。
在定子12的每个点处限定有：
-轴向方向x，该轴向方向平行于压缩机的纵向轴线X-X’，
-径向方向y，该径向方向沿着压缩机的半径与轴向方向x垂直地延伸，和
-周向方向z，该周向方向垂直于轴向方向x和径向方向y。
每个定子12包括多个叶片13，该多个叶片在外壳14和内环15之间径向地或大致径向地延伸。这些叶片13是可变桨距叶片，也就是说，这些叶片可以围绕其枢转轴枢转，以占据不同的角度并优化定子内部的气体流动。因此，每个叶片13包括容置在外壳14中的径向外枢转轴131和容置在内环15中的径向内枢转轴132(参见图3)。伺服控制装置16(例如具有旋转周缘和连接杆)使得能够使叶片枢转。
内环15由多个环扇区150(最常见的是两个180°的环扇区，如图2所示)组成，该多个环扇区通过筒状体沿周向端对端(沿着方向z)地组装，一旦这些环扇区接合在一起，就形成完整的360°的环。优选地具有两个180°的环扇区的事实是由于由两个半壳组成的压缩机的组装约束。
如图3所示，每个环扇区150在其相对的两个端部具有接触面151，优选地是平面的接触面。在图2中，可以看出，当两个环扇区150端对端地组装时，它们各自的接触面151彼此接触，并且在这两个扇区之间，更具体地在这两个扇区的两个接触面151之间存在分型线P。
在图2中，用实线表示的内环15对应于该环的正常位置，也就是说，在不使用压缩机时该环的冷态位置。
然而，已经发现，在压缩机运行期间，内环15经常表现出与其机械和/或热环境有关的扭变。因此，由于热膨胀，在这些扇区的分型线P处，可以观察到环扇区150的变形。扇区150的膨胀位置在图2中用虚线表示(变形方向由箭头F表示)。
如在图3和图4中可见，每个环扇区150具有多个容置部152，该多个容置部通向环扇区的径向外部面153，并且每个容置部使得能够接纳枢转叶片13的径向内枢转轴132。为了简化起见，在图3中示意性地示出了单个容置部152。
如在图4中更好地看到的，只要环扇区150支撑枢转叶片13，在每个叶片13的基部133和环扇区150的外部面153之间就存在初始操作间隙J1。然而，环扇区150的扭变和打开(环150的变形位置用虚线表示)导致该操作间隙显著减小。每个叶片13的基部133和环扇区150的径向外部面153之间的减小的间隙被标记为J2。这种减小的间隙J2会导致叶片13的基部与环扇区150之间的接触，并导致对叶片13的阻挡。
由于不同叶片13的入射偏差会导致该压缩机出现泵送现象，即叶片13的气动失速导致压缩机1内的空气流的能量反转，因此这种阻挡会对压缩机造成破坏性影响。
目前，通过增加初始间隙J1来解决这一问题，使得即使环扇区因热膨胀而发生变形，也能避免叶片13的基部133和环扇区150之间的接触。然而，这种解决方案并不令人满意。
发明内容
本发明旨在提出一种用于对涡轮机的轴流式压缩机定子的可变桨距叶片进行支撑的内环，该内环包括至少两个环扇区，在使用压缩机期间，至少两个环扇区均是受热不可分离的(以避免上述问题)，并且在不使用压缩机时，至少两个环扇区能够进行冷组装或冷拆卸，例如用于维护操作。
为此，本发明涉及一种用于对涡轮机的轴流式压缩机的定子的可变桨距叶片进行支撑的内环，内环包括至少两个环扇区，至少两个环扇区沿周向端对端地组装以形成所述内环，每个环扇区包括多个容置部，所述容置部用于接纳所述叶片中的一个叶片的径向内枢转轴。
根据本发明，在两个连续的环扇区的端部之间的每个接合平面上，通过组装销和用于接纳该组装销的空腔的协作进行组装，所述组装销被固定在所述两个连续的环扇区中的一个环扇区的端部上，所述空腔形成在所述两个连续的环扇区中的另一个环扇区的端部上，空腔被构造和确定尺寸以接纳所述组装销，留有允许通过滑动配合进行安装的安装间隙，所述组装销由热膨胀系数大于构成所述连续的环扇区的材料的热膨胀系数的材料制成，使得在由于使用所述轴流式压缩机而导致的温度升高期间，组装销在所述空腔内比空腔本身膨胀得更多，从而确保两个连续的环扇区的不能分离的组装，并且使得在由于停止使用所述轴流式压缩机而导致温度的降低期间，通过允许拆卸所述两个连续的环扇区而使组装销在所述空腔内回缩。
由于本发明的这些特征，因此两个环扇区的组装是可逆的。
这种技术方案也很容易实现，而且价格低廉。
最后，本发明使得能够限制叶片的磨损和降低部件的维护和更换成本。
根据本发明的其它有利且非限制性的特征，这些特征被单独地或组合地采用：
-每个环扇区在其两个端部中的一个端部处具有用于接纳组装销的空腔，组装销被固定到每个环扇区的两个端部中的另一个端部；
-环扇区中的至少一个环扇区在其两个端部中的每一个端部处具有接纳空腔，并且环扇区中的至少另一个环扇区在其两个端部中的每一个端部处具有组装销；
-环包括两个环扇区，所述两个环扇区端对端地组装以形成所述内环；
-构成组装销的材料的热膨胀系数与构成所述环扇区的材料的热膨胀系数之间的比值大于或等于1.3且小于2；
-构成组装销的材料的热膨胀系数与构成所述环扇区的材料的热膨胀系数之间的比值大于或等于2；
-构成组装销的材料选自铝或镍基钢，构成所述环扇区的材料选自钢或钛；
-所述组装销是圆柱形的，并且用于接纳所述组装销的所述空腔是圆柱形的。
本发明还涉及一种轴流式涡轮机压缩机的定子，所述定子包括多个可变桨距叶片，所述多个可变桨距叶片枢转地安装在用于支撑所述叶片的外壳和用于支撑所述叶片的内环之间，所述内环是如上所述的内环。
本发明还涉及一种轴流式涡轮机压缩机，所述轴流式涡轮机压缩机包括至少一个如上所述的定子。
最后，本发明涉及一种涡轮机，所述涡轮机配备有如上所述的轴流式压缩机。
附图说明
根据仅为说明性的而非限制性的并且应当参照附图阅读的以下说明，本发明的其它特征、目的和优点将变得明显，在附图中：
-图1示出了涡轮机压缩机的透视图。
-图2是根据现有技术的用于支撑定子叶片的内环的示意图。
-图3是根据现有技术的环扇区的示意图。
-图4是根据现有技术的环扇区的端部的详细示意图。
-图5是根据本发明的用于对涡轮机的轴流式压缩机定子的可变桨距叶片进行支撑的内环的正视图。
-图6是根据本发明的内环的一部分的详细视图。
具体实施方式
现在将结合图5描述根据本发明的用于对涡轮机的轴流式压缩机定子的可变桨距叶片进行支撑的内环。该环总体用附图标记17表示。
就像前面描述的内环15一样，内环17包括至少两个环扇区170，该至少两个环扇区沿周向端对端地组装，以形成延伸360°的所述完整的环。优选地，内环17仅包括两个环扇区170，每个环扇区延伸180°的角度。然而，该内环17还可以包括更多数量的这种扇区。
每个环扇区170包括两个端部171，这两个端部与相邻环扇区170的端部171构成接触表面。因此在组装两个连续的环扇区时，在这两个连续的环扇区的接触的端部171之间存在接合平面。端部171优选地是平面的。
此外，如上所述，每个环扇区170包括多个容置部172，容置部用于接纳枢转叶片13的径向内枢转轴132。这些容置部172通向每个环扇区170的径向外部面173。
在两个连续的环扇区的相应端部171之间的接合平面(接触平面)处，通过使组装销174与用于接纳该销的空腔175配合来进行组装。
更具体地，将组装销174固定到两个连续的环扇区中的一个环扇区的端部171，将接纳空腔175布置在所述两个连续的环扇区中的另一个环扇区的端部171。
销174沿着与端部171的平面垂直的轴线延伸，并且通向该端部171的空腔175也沿着与端部171的平面垂直的轴线延伸。
优选地，组装销174是圆柱形的，并且接纳空腔175也是圆柱形孔。
销174可以通过过盈配合，即通过收缩配合固定在环扇区170上。在这种情况下，在端部171处形成凹口(图中未示出)，并且销174的尺寸被确定为使销被强制插入凹口中，并且即使在压缩机停止使用时也使销保持固定在凹口中。
销174也可以通过焊接或粘结或旋拧固定在环扇区170上。
此外，根据第一变型，如图5所示，每个环扇区170在其两个端部171中的一个端部处具有空腔175，并且在其两个端部171中的另一个端部处设置有组装销174。
根据第二变型(图中未示出)，也可以具有至少一个环扇区(例如半环)和至少一个另一环扇区(例如另一个半环)，其中，在该至少一个环扇区的两个端部171中的每一个端部处具有组装销174，在该至少一个另一环扇区的两个端部171中的每一个端部处具有空腔175。
此外，如在图6中最佳地可见，空腔175相对于组装销174被构造和确定尺寸以接纳组装销174，留有允许通过滑动配合进行安装的安装间隙J3。换句话说，销174和空腔175非常精细地装配，从而能够仅使销轴向滑动到空腔175中。
作为纯指示性示例，销174的侧壁和空腔175的内壁之间的安装间隙J3非常小，大约百分之几毫米。仍然作为示例，对于直径为几毫米(优选地，直径介于3mm至8mm之间)的圆柱形销，可以使用符合ISO标准的H6g5型配合。
该安装间隙J3非常小，但仍然允许部件的冷态安装。
最后，选择能够一方面制造销174和另一方面制造具有空腔175的环扇区170的材料对，使得构成销174的材料的热膨胀系数大于构成环扇区的材料的热膨胀系数。
因此，在涡轮机和压缩机运行期间，压缩机的温度升高，销174比空腔175膨胀得更多。然后，销174由于其膨胀而在空腔的壁上施加力(参见图6中的箭头F1)，组件因此形成收缩配合，使得两个相邻的(连续的)环扇区不可分离。然后，先前描述的环扇区在分型线处成问题地打开不再成为可能。
相反，当压缩机停止时，部件冷却，销通过反向膨胀恢复其原始直径，这具有消除与环扇区的收缩配合的效果。然后，如果需要，可以拆卸不同的环扇区。
环扇区有利地由钢制成，并且具有12×10-6/℃的平均热膨胀系数。环扇区也可以由钛制成，则具有等于8.6×10-6/℃的较低的热膨胀系数。因此在后一种情况下，通过销174获得更高的膨胀比。
如下所述，钢在热环境中是优选的，钛在冷环境中是优选的。
优选地，为了获得前述技术效果，构成组装销的材料的热膨胀系数和构成所述环扇区的材料的热膨胀系数之间的比值大于或等于1.3。
对于热环境(温度高于150℃)，优选地选择如下比值：构成组装销的材料的热膨胀系数/构成所述环扇区的材料的热膨胀系数大于或等于1.3且小于2。
例如，销174的材料可以是平均膨胀系数为18×10-6/℃的Inconel型的镍基钢或平均膨胀系数为23×10-6/℃的铝，则相对于钢制的环扇区，上述比值分别为1.5和1.91。
对于冷环境(温度低于150℃)，优选地选择如下比值：构成组装销的材料的热膨胀系数/构成所述环扇区的材料的热膨胀系数大于或等于2。
例如，销174的材料可以是平均膨胀系数为23×10-6/℃的铝，则相对于钛制的环扇区，上述比值为2.67。
在高压压缩机的情况下，定子的第一级将处于冷环境中，而最后的级将处于热环境中，压缩机的温度从压缩级到压缩级逐渐升高。
因此，通过将滑动组件间隙与上述膨胀系数比值相结合，通过使销在空腔中膨胀来实现夹紧，这在大约100℃的低温下实现。
本发明还涉及一种定子，例如前述定子12，如前所述，该定子包括叶片13和外壳14，但是，该定子具有根据本发明的环17，该环17取代了内环15，如图1中更好地示出的那样(括号中的附图标记17)。
类似地，本发明涉及包括至少一个级10的压缩机1，每个级包括转子11和定子12，定子12包括包括内环17，最后，本发明涉及一种涡轮机，该涡轮机包括具有环17的这种压缩机1。

Claims (11)

1.一种用于对涡轮机的轴流式压缩机(1)的定子(12)的可变桨距叶片(13)进行支撑的内环(17)，所述内环包括至少两个环扇区(170)，所述至少两个环扇区沿周向端对端地组装以形成所述内环，每个环扇区包括多个容置部(172)，所述容置部用于接纳所述叶片(13)中的一个叶片的径向内枢转轴(132)，
其特征在于，在两个连续的环扇区(170)的端部(171)之间的每个接合平面上，通过组装销(174)和用于接纳所述组装销的空腔(175)的协作进行组装，所述组装销(174)被固定在所述两个连续的环扇区(170)中的一个环扇区的端部上，所述空腔(175)形成在所述两个连续的环扇区中的另一个环扇区的端部上，
其中，所述空腔(175)被构造并确定尺寸以接纳所述组装销(174)，留有允许通过滑动配合进行安装的安装间隙，
并且其中，所述组装销(174)由热膨胀系数大于构成所述连续的环扇区(170)的材料的热膨胀系数的材料制成，使得在由于使用所述轴流式压缩机(1)而导致的温度升高期间，所述组装销(174)在所述空腔(175)内比所述空腔(175)本身膨胀得更多，从而确保所述两个连续的环扇区(170)的不能分离的组装，并且使得在由于停止使用所述轴流式压缩机(1)而导致的温度降低期间，通过允许拆卸所述两个连续的环扇区(170)而使所述组装销(174)在所述空腔(175)内回缩。
2.根据权利要求1所述的内环(17)，其特征在于，每个环扇区(170)在其两个端部(171)中的一个端部处具有用于接纳组装销的空腔(175)，组装销(174)被固定到每个环扇区的两个端部(171)中的另一个端部。
3.根据权利要求1所述的内环(17)，其特征在于，所述环扇区(170)中的至少一个环扇区在其两个端部(171)中的每一个端部处具有接纳空腔(175)，并且所述环扇区(170)中的至少另一个环扇区在其两个端部(171)中的每一个端部处具有组装销(174)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的内环(17)，其特征在于，所述内环包括两个环扇区(170)，所述两个环扇区端对端地组装以形成所述内环。
5.根据前述权利要求中任一项所述的内环(17)，其特征在于，构成所述组装销(174)的材料的热膨胀系数与构成所述环扇区(170)的材料的热膨胀系数之间的比值大于或等于1.3且小于2。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的内环(17)，其特征在于，构成所述组装销(174)的材料的热膨胀系数与构成所述环扇区(170)的材料的热膨胀系数之间的比值大于或等于2。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的内环(17)，其特征在于，构成所述组装销(174)的材料选自铝或镍基钢，构成所述环扇区(170)的材料选自钢或钛。
8.根据前述权利要求中任一项所述的内环(17)，其特征在于，所述组装销(174)是圆柱形的，并且用于接纳所述组装销的所述空腔(175)是圆柱形的。
9.一种轴流式涡轮机压缩机的定子(12)，所述定子包括多个可变桨距叶片(13)，所述多个可变桨距叶片枢转地安装在用于支撑所述叶片(13)的外壳(14)和用于支撑所述叶片的内环之间，其特征在于，所述内环是根据前述权利要求中任一项所述的内环(17)。
10.一种轴流式涡轮机压缩机(1)，其特征在于，所述轴流式涡轮机压缩机包括至少一个根据权利要求9所述的定子(12)。
11.一种涡轮机，其特征在于，所述涡轮机包括至少一个根据权利要求10所述的压缩机。
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