CN1550680A - 用于控制燃气涡轮发动机转子叶片外缘间隙的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮发动机(10)的压缩机(40)，包括一个转子组件(42)，该转子组件包括多个周向间隔的转子叶片(50)。每个叶片均从径向内边缘(58)向外缘(60)径向向外地延伸。每个内缘确定径向内流路表面经过上述压缩机的一部分。一个壳体(80)，周向围绕上述转子组件延伸。该壳体包括至少一个第一环(41)和一个第二环(82)。上述第一环包括一个径向内表面(102)。该内表面确定了径向外流路表面经过上述压缩机的一部分。上述第一环内表面与上述多个转子叶片的外缘径向向外间隔。上述第二环通过一个紧固组件(86)连接到上述第一环。上述第一环径向内表面便于将上述紧固组件与压缩机流路充分隔离。

Description

用于控制燃气涡轮发动机转子叶片外缘间隙的方法和装置

技术领域

总体上本发明涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及用于组装燃气涡轮发动机压缩机的方法和装置。

背景技术

至少一些已知的燃气涡轮发动机包括一个压缩机、一个燃烧室、和至少一个以串联轴流关系连接的涡轮机。压缩机压缩空气，随后压缩的空气通入燃烧室。上述压缩空气在燃烧室内与燃料混合并被点燃，产生燃烧气体，该燃烧气体被通向涡轮机。涡轮机从燃烧气体获得能量以驱动压缩机，同时生成有用功，以推动飞行的飞机或驱动负荷，例如一个发电机。

已知的压缩机包括一个转子组件和一个定子组件。转子组件可以包括从一个轴径向向外延伸的多个转子叶片。上述定子组件可以包括多个定子叶片，它们连接在邻近的转子叶片排之间，以形成用来引导燃烧气体流经到下游转子叶片的喷口。更具体地是，定子组件通过一个固定组件或一个控制体连接到转子组件。保持转子叶片外缘与周围的壳体之间的间隙便于提高压缩机的工作效率。但是，很难控制外缘间隙，因为固定的定子组件比旋转的转子组件以更快的速率热膨胀。

为了便于控制流路偏差，至少一些已知的压缩机利用是分体式壳体、堆叠式连续环壳体或者带有连接到其上的分段的流路表面的连续的壳体。每种压缩机壳体都有优点和缺点。例如，分体式壳体包括一对纵向分离的半部分，它们围绕转子组件栓接在一起。衬垫被连接到分离的部分后形成流路表面。虽然衬垫将受控体与流路隔离，但是装配成本很高，因为铣削、及压力变形和热梯度会导致不圆(out-of-roundness)。相反，堆叠式连续环结构包括一连串的环形圈，它们围着转子组件连接在一起。但是由于流路表面与上述环是整体的，因此上述环会经受附加的热增长，因为它们直接暴露向流路。在连续的壳体结构中，所有的定子叶片在一个单独的连续壳体围绕它们连接之前首先围绕着转子叶片安装。每个定子叶片组件随后被连接到上述用来保持的壳体。虽然上述控制体与流路隔离，但是压缩机更难以组装，并且这样会比前述压缩机壳体组件的成本更高。

发明内容

一方面，提供一种组装燃气涡轮发动机压缩机的方法，该压缩机包括一个定子组件和一个转子组件。该方法包括提供一个由多个环形成的壳体，并围绕上述转子组件连接一个第一壳体环，这样第一壳体环的径向内表面轴向对齐，并且从一排转子叶片径向向外，上述转子叶片从转子组件开始延伸。该方法还包括将一个第二壳体环用一个紧固组件连接到上述第一壳体环，这样上述第一壳体环径向内表面便于将上述紧固组件与压缩机流路分离。

另一方面，提供一种用于燃气涡轮发动机的压缩机。该压缩机包括一个转子组件和一个壳体。上述转子组件包括多个周向间隔的转子叶片，其中每个叶片从径向内边缘径向向外延伸到外缘。每个转子叶片边缘确定了径向内流路表面经过压缩机的一部分。上述壳体围绕上述转子组件周向延伸，并包括至少一个第一环和一个第二环。上述第一环包括一个径向内表面，该内表面确定径向外流路经过压缩机的一部分。上述第一环内表面与多个转子叶片外缘径向向外间隔。上述第二环通过一个紧固组件连接到上述第一环，这样上述第一环径向内表面便于将上述紧固组件与压缩机流路充分隔离。

更进一方面，提供一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括一个转子组件、一个定子组件和一个壳体。上述转子组件包括多排周向间隔的叶片。每个叶片从径向内边缘径向向外延伸至外缘。每个内边缘确定径向内流路表面经过压缩机的一部分。上述定子组件包括至少一排在邻近的转子叶片排之间延伸的叶片组件。每个叶片组件包括一个叶片和一个外段。上述壳体围绕上述转子和定子组件周向延伸，并包括由至少一个紧固组件连接在一起的多个环。多个环的第一个轴向对齐，并且从至少一排多个转子叶片径向向外延伸。上述第一环包括一个径向内表面，该内表面确定了径向外流路经过压缩机的一部分。上述第一环径向内表面便于将至少一个紧固组件与由上述发动机确定的发动机燃烧室流路充分隔离。

附图说明

附图1是一个燃气涡轮发动机的示意图；

附图2是可用于附图1所示的燃气涡轮发动机的压缩机的一部分的横剖面示意图；

附图3是可用于附图2所示的压缩机的一种典型的压缩机壳环的一部分的放大正视图；

附图4是附图3所示的压缩机壳环的放大横剖视图；

附图5是可用于附图2所示的压缩机的压缩机壳环的一个变换的实施例的透视图；

附图6是可用于附图1所示的燃气涡轮发动机上的压缩机的一个变换的实施例的一部分的横剖面示意图；

附图7是附图6中所示的变换的压缩机壳连接环沿着区域7的放大视图。

具体实施方式

附图1是燃气涡轮发动机10的示意图，该燃气涡轮发动机包括一个低压压缩机12，一个高压压缩机14，和一个燃烧室16，该燃烧室确定了一个燃烧的腔(未示出)。发动机10还包括一个高压涡轮机18，以及一个低压涡轮机20。压缩机12和涡轮机20通过一个第一转子轴24相连，且压缩机14和涡轮机18通过一个第二转子轴26相连。在一个实施例中，发动机10是俄亥俄州辛辛那提通用电气飞机发动机厂(General Electric Aircraft Engines，Cincinnati，Ohio)生产的GE90型发动机。

在运行过程中，空气流经过风扇组件12，且压缩空气从风扇组件12被供应到高压压缩机14。上述高度压缩空气被传送到燃烧室16。来自燃烧室16的气流驱动涡轮机18和20旋转，并且经过一个排气系统28排出燃气涡轮发动机10。

附图2是一个可用于燃气涡轮发动机10的压缩机40的一部分的横剖视图。附图3是一个可用于压缩机40的典型的压缩机壳环41的一部分的放大正视图。图4是压缩机壳环41的放大横剖视图。在所示的实施例中，压缩机40是一个高压压缩机。压缩机40包括一个转子组件42和一个定子组件44，两个组件连接在一起确定了一个经过压缩机40的流路46。具体地，压缩机40包括多个阶段(stage)，并且每个阶段都包括一排转子叶片50和一排定子叶片组件52。在所示的实施例中，转子叶片由一个转子盘54支撑。更具体地，每个转子叶片50从转子盘54径向向外延伸，并且包括一个在边缘58和外缘60之间径向延伸的桨叶56。

定子组件44包括多排定子叶片组件52。每排定子叶片组件52都位于邻近的转子叶片50的排之间。上述压缩机的阶段设置的与一种运动流体或工作流体相配合，例如空气，这样该运动流体在连续的阶段中被压缩。当上述运动流体在各阶段之间被压缩时，转子的外边缘58的外表面确定了流路46的径向内流路边界表面的一部分。每个叶片组件52包括一个内段66、一个外段68、以及在其间延伸的一个桨叶70。每个外段68包括一个在上游区安装的凸缘72、一个在下游区安装的凸缘74、以及在其间延伸的一个段体76。外段凸缘组件72和74分别连接到一个围绕着转子和定子组件42和44的压缩机壳体80，以便当运动流体在从一个阶段到另一个阶段被压缩时，形成流路46的径向外流路边界表面。

壳体80是一种堆叠的环形构造，并且包括多个环形圈41和连接器环82，它们由多个紧固组件86连接在一起。在所示的实施例中，每个紧固组件包括多个连接在一起的螺栓88和螺母90，以便形成一个将环41和82固定在一起的控制体。更具体地是，每个环形圈41包括一个凸缘部分100、一个流路表面102和一个在其间延伸的连接体部分104。在所示的实施例中，流路表面102与凸缘部分100和连接体部分104整体形成。

每个环状凸缘部分100是环形的，并且包括多个在凸缘部分100的上游侧112和凸缘部分100的下游侧114之间穿透延伸的周向间隔的开口110。每个开口110的尺寸适于容纳螺栓88穿过，使紧固组件86可以将邻近的环41和82连接在一起。每个凸缘部分100的宽度W1和每个凸缘部分100的高度H1可变地选择使重量和/或热质量最小，同时提供壳体80所需的预定强度和疲劳寿命。

环连接体部分104在凸缘部分100和流路表面102之间延伸。在所示的实施例中，连接体部分104包括多个周向间隔的连接体120，它们在流路表面102和凸缘部分100之间径向延伸。更具体地是，每个连接体120具有一个周向宽度W2，该宽度可变地选择以便于减少从流路表面102到凸缘部分100的热应力传导。相应地，在所示的实施例中，连接体部分104包括多个周向间隔的开口124，这些开口在周向临近的连接体120之间延伸。更具体地是，凸缘部分100和连接体120的尺寸共同可变地选择，以便于控制每个环41的瞬时和稳态热增长。

流路表面102大致垂直于凸缘部分100，并且绕着每排转子叶片50周向分隔，并且如这样，每个流路表面102也被称为转子平台。更具体地是，在所示的实施例中，多个离隙切口130径向延伸通过流路表面102进入一个相应的连接体部分开口124，这样流路表面102在周向被分成多个弓形部分132。在所示的实施例中，30个离隙切口周向等间隔地经过流路表面102。在一个变换的实施例中，流路表面102不包括任何离隙切口130。

在示例的实施例中，流路表面102至少带有一个钩形组件140，其用于将每个环41连接到相应的定子叶片组件52。相应地，每个钩形组件140也被离隙切口130分隔成弓形部分。具体地，每个环的钩形组件140的尺寸适于在其中接收相应的外段凸缘组件72或74。在一个变换的实施例中，流路表面102带有一对钩形组件140。

连接器环82是环形的，并且在邻近的环41之间轴向延伸。更具体地是，每个连接器环82包括一个上游的安装凸缘160、一个下游的安装凸缘162、以及一个在其间延伸的实心的连接器主体164。每个安装凸缘162和160包括多个周向间隔的开口166，开口的尺寸适于在其间接收紧固组件螺栓88。

当压缩机40被组装时，每个定子叶片组件52被连接到壳体80，这样流路46的径向外流路边界由环状流路表面102和定子叶片组件的外段68确定，且流路46的径向内流路边界由定子叶片组件的内段66和转子组件的边缘58确定。此外，当压缩机40被组装时，每个连接器环82位于相应的定子叶片组件外段体76的径向外侧。而且，当全部组装完时，定子叶片凸缘组件72和/或74大致周向穿过连接体部分开口124，以便于限制经开口124的泄漏流量。

在运行过程中，环形流路表面102便于将控制体或紧固组件86与流路46隔离。此外，该隔离效果使环41促进压缩机40在同样的热反应率的情况下质量更轻。而且，由于流路表面102被离隙切口分隔，上述分隔便于防止表面102被不利地冲击或使环41径向变形。另外，连接体120便于控制热增长率，以及定子组件44的稳态增长。因此，转子叶片外缘60与周围的转子平台102之间的间隙便于被保持和控制。

附图5是可以用于附图2所示的压缩机40的一个压缩机壳体环180的一个变换的实施例。压缩机壳体环180与附图2、3和4所示的压缩机壳体环41大致类似，并且壳体环180的组成部分与壳体环41的组成部分相同，其在附图5中使用与附图2、3和4中相同的附图标记表示。相应地，壳体环180包括环状圈凸缘部分100和一个分段的流路表面102。壳体环180还包括在环状凸缘部分100和流路表面102之间延伸的一个连接体部分182。

连接体部分182周向分隔成多个弓形部分，这些弓形部分在凸缘部分100和流路表面102之间大致周向延伸。更具体地是，连接体部分182不包括开口124，而是被多个离隙切口130分隔，上述切口经过流路表面102径向延伸到相应的环状凸缘开口110中。

附图6是可以用于燃气涡轮发动机10中的压缩机200的一个变换实施例的一部分的剖视图。附图7是可以用于压缩机200的一个压缩机壳体连接器环202的一部分的放大视图。在所示的实施例中，压缩机200是一个高压压缩机。压缩机200与附图2、3和4中的压缩机40大致相同，且压缩机200的组成部分与压缩机40的组成部分相同，附图6和7中采用的附图标记与附图2、3和4中的附图标记相同。相应地，压缩机200包括连接在一起以确定压缩机流路46的转子组件42和定子组件204。

定子组件204包括多排定子叶片组件52。每排叶片组件位于邻近排的转子叶片50之间。每个叶片组件52包括一个内段66、一个外段208，以及在其间延伸的一个桨叶70。每个外段208包括一个在上游安装的钩210、一个在下游安装的钩212，以及在其间延伸的一个段体76。外段钩组件210和212连接到一个分别围绕着转子和定子组件42和204的压缩机壳体220，以便当运动流体从一个阶段到另一个阶段被压缩时，形成流路46的径向外流路的边界表面。当运动流体流经叶片组件52时，外段208确定流路46的径向内流路的边界表面。

压缩机壳体220与壳体80(附图2所示)大致类似，且也是一种堆叠环状结构。壳体220包括多个环形圈41和连接器环202，它们通过多个紧固组件86连接在一起。连接器环202是环形的，并且在邻近的环41之间轴向延伸。更具体地是，每个连接器环202包括一个在上游安装的凸缘230、一个在下游安装的凸缘232，以及在其间延伸的一个实心的连接器主体234。每个安装凸缘232和230包括多个周向间隔的开口236，它们的尺寸适于在其间容纳紧固组件螺栓88。

每个下游安装凸缘232的下游表面238包括一个凹进部分240。特别是，每个凹进部分240从径向下角242径向向上朝凸缘开口236延伸，上述径向下角在凸缘232与主体234之间。在一个实施例中，凹进部分240绕着每个环202周向延伸。在另一个实施例中，凹进部分240周向间隔地绕着每个环232，这样每个凹进部分240从相应的离隙切口130(附图4所示)径向向外。相应地，当压缩机200被组装时，每个下游安装凸缘232都靠着相应的环状凸缘部分100，这样在连接的环形圈41和连接器环202之间确定了一个间隙250。更具体地是，间隙250在安装凸缘凹进部分240和环状凸缘部分100之间形成。在运行过程中，间隙250允许环形圈41相对于连接器环202切向增长。

此外，每个环形连接器环202还包括一个上游的钩形组件260和一个下游的钩形组件262。钩形组件260和262是环形的，并且从主体234径向向内延伸。在压缩机200装配过程中，定子叶片组件52通过钩形组件260和262连接到壳体220。更具体地是，连接器环的钩形组件260和260分别连接到定子叶片外段安装钩210和212，以便将定子组件52固定到壳体220。

上述压缩机壳体组件提供了一个成本效率高且可靠的用于控制转子叶片顶端和周围的转子平台之间的叶片外缘间隙的装置。更具体地是，上述压缩机组件利用带有连续的安装凸缘的堆叠的环，但是带有分隔的整体流路表面。该流路表面将控制体或紧固组件与流路的空气隔绝，同时离隙切口便于防止流路表面不利地使上述环径向变形。而且上述环安装凸缘的尺寸和在流路表面与安装凸缘之间延伸的连接体的尺寸是可变的，以便控制壳体环瞬时的和稳态的热增长。相应地，壳体环便于以重量有效且可靠的方式改进压缩机的操作性能。

上面详细地描述了压缩机组件的实施例。压缩机组件不限于此特定的实施例，而是，每个组件的组成部分可以被单独利用并且与在此描述的其它组成部分相分离。例如，每个壳体环组成部分还可以与其它压缩机组件和发动机组成部分结合，并且与在此描述的其他壳体环组成部分结合。

虽然已经根据各种特定的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员会认识到本发明可以在权利要求的主旨和范围内经修改地实践。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机(10)的压缩机(40)，该压缩机包括：

一转子组件(42)，包括多个周向间隔的转子叶片(50)，每个叶片均从径向内边缘(58)向外缘(60)径向向外地延伸，每个内缘确定径向内流路表面经过上述压缩机的一部分；

一壳体(80)，周向围绕上述转子组件延伸，该壳体包括至少一第一环(41)和一第二环(82)，上述第一环包括一径向内表面(102)，该内表面确定了径向外流路表面经过上述压缩机的一部分，上述第一环内表面与上述多个转子叶片的外缘径向向外间隔，上述第二环通过一个紧固组件(86)连接到上述第一环，上述第一环径向内表面便于将上述紧固组件与压缩机流路充分隔离。

2.如权利要求1所述的压缩机(40)，其特征在于，上述壳体第一环41包括多个周向间隔的连接体(104)以及一环形的连接凸缘(100)，上述多个连接体在上述连接凸缘和径向内表面(102)之间径向延伸。

3.如权利要求2所述的压缩机(40)，其特征在于，上述多个连接体(104)的每一个的周向宽度W2可变地选择，以控制上述第一环(41)的热增长。

4.如权利要求1所述的压缩机(40)，其特征在于，上述第一环径向内表面(102)是周向分段的。

5.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，还包括一个定子组件(44)，该定子组件包括多个叶片组件(52)，每个叶片组件包括连接到至少上述壳体第一环(41)和上述壳体第二环(82)之一的一个外段(68)。

6.如权利要求5所述的压缩机(40)，其特征在于，上述壳体第二环(82)包括一环形钩(140)，用来连接到上述叶片组件外段(68)。

7.如权利要求5所述的压缩机(40)，其特征在于，上述壳体第二环(82)包括一个环形凸缘，该凸缘包括多个穿过其间延伸的开口(166)，上述每个紧固组件(86)延伸经过上述每个第二环凸缘开口，以便将上述壳体第二环连接到上述壳体第一环(41)。

8.如权利要求7所述的压缩机(40)，其特征在于，上述壳体第二环(82)的至少一部分(240)是凹进的，这样当上述第一环和第二环连接在一起时，在上述第二环凸缘(160)和上述第一环(41)之间确定一个间隙(250)。

9.一种燃气涡轮发动机(10)包括：

一转子组件(42)，包括多排周向间隔的转子叶片(50)，每个叶片从径向内边缘(58)径向向外延伸至外缘(60)，上述每个内边缘确定径向内流路表面经过上述压缩机的一部分；

一定子组件(44)，包括至少一排叶片组件(52)，其在邻近的转子叶片之间延伸，上述每个叶片组件包括一叶片(70)以及一外段(68)；及

一壳体(80)周向围绕上述转子和定子组件延伸，上述壳体包括多个环(41)和(82)，它们通过至少一个紧固组件(86)相连，上述多个环的第一个轴向对齐，并且从上述多个转子叶片的至少一个径向向外，上述第一环包括一径向内表面(102)，其确定了径向外流路表面经过上述压缩机的一部分，上述第一环径向内表面便于将上述至少一个紧固组件与由上述发动机确定的发动机燃烧流路充分隔离。

10.如权利要求9所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，上述壳体第一环(41)包括一个环状固定凸缘部分(100)以及至少一个在上述凸缘和上述径向内表面之间延伸的连接体(104)，上述凸缘部分包括多个延伸穿过其中的周向间隔的开口(166)。

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