TW201516236A - 用於散熱渦輪機之轉子 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種用於散熱渦輪機(尤其是燃氣渦輪機)之轉子(10)，此種轉子(10)之內部構造係用於引導介質，例如壓縮空氣。為了盡可能降低在轉子內部導引介質所產生的流動損耗，同時又要使轉子(10)的構造變得更為簡單及降低轉子的造價，本發明建議在兩個轉子盤(34、42)的相鄰的輪殼區之間設置一分開製造的葉輪(50)，其中葉輪(50)的第一面(54)緊靠在第二轉子盤(42)的輪殼區(28)上，在葉輪(54)與第一面(54)相對而立的第二面(56)上帶有多個從徑向由外向內伸展的肋片(40)。

Description

用於散熱渦輪機之轉子

本發明涉及一種用於散熱渦輪機之轉子，此種轉子之內部構造係用於引導介質。

在先前技術中已有多種不同構造型之用於渦輪機(例如軸流式壓縮機及燃氣渦輪機)之轉子。例如一種用於燃氣渦輪機焊接成的轉子，其製作方式是將多個不同寬度的輥子焊接成一單片式的轉子。另一種已知的方式是將多個片狀元件(亦稱為轉子盤)堆疊在一起，然後利用一或數根拉伸桿將其張緊成一構造物。當然也可以將上述構造方式組合在一起，以製作轉子。所有的轉子都裝有外渦輪葉片，例如在燃氣渦輪機中，這些外渦輪葉片系配屬於壓縮機群渦輪機單元。不論是何種構造型式的轉子，可以透過設於轉子外殼上的孔洞使介質進入轉子內部，以便將該介質從饋送位置引導到第二軸向位置，使介質在此位置從轉子再度被取出。這種方法最常被用於燃氣渦輪機，目的是在轉子側將冷卻空氣從燃氣渦輪機的壓縮機的主流動路徑取出，並導引到渦輪機單元，使其在渦輪機單元再度從轉子內部向外流出，以作為冷卻空氣及/或阻隔空氣之用。

為了能夠從燃氣渦輪機的壓縮機有效率的吸取空氣，以及在轉子內部有效率的導引空氣，先前技術已發展出各種不同構造型式的轉子。

例如DE 196 17 539 A1揭示的構造方式可以使轉子轉動產生的以渦流方式流入轉子空腔的空氣經由徑向伸展的肋片導引到轉子中心。這個導引作用使從鑽孔流出的空氣的圓周速度隨著半徑變小而減慢，以防止形成過大的渦流。基於這個原因，前述之肋片在英文中被稱為“去旋轉器”(Deswirler)。

本發明的目的是提出另一種解決方案，這種解決方案一方面要能夠進一步降低轉子內部的壓損及流動損耗，另一方面還必須是一種易於執行且低成本的解決方案。

採用具有申請專利範圍第1項之特徵的轉子即可達到上述目的。附屬申請專利項目之內容為本發明之轉子的各種有利的實施方式，而且這些實施方式的特徵是可以彼此結合的。

發明人知道，在先前技術的轉子中，徑向肋片的區域可能會出現壓損，因為這些肋片在切線方向上彼此相距相當遠，因此從渦輪機取出的介質在這個位置會有較大的流動斷面。尤其是由於在已知的肋片之間的流動通道具有相當大的軸向長度，因此這種現象更為明顯。為了排除這個缺點，本發明建議在軸向上對肋片之間的流動通道的流動斷面加以限制。這個軸向限制至少要及於肋片的大部分軸向長度。

基於這個原因，本發明建議在兩個相鄰的轉子盤的輪殼區之間設置一另外製作的葉輪，其中兩個轉子盤中的一轉子盤具有將介質導入轉子內部用的鑽孔，其中葉輪的第一面緊靠在第二轉子盤的輪殼區上，在其與第一面相對而立的第二面上則帶有多個由外向內伸展的肋片。

和先前技術的解決方案不同的是，根據本發明，肋片並非兩個轉子盤中的某一轉子盤的一部分，而是葉輪的一部分，而且葉輪具有一作為肋片承載器用的盤狀的環，肋片就是固定在這個環上。

因此相較於將肋片整合進去的轉子盤，上述方式不但更加簡單，而且製造成本也較低。另一優點是，製造葉輪的材料可以是不同於轉子盤的材料，因為二者的邊界條件(例如最大使用溫度)可能不同。這種構造方式將轉子盤的肋片的複雜的幾何形狀與轉子盤分開，因為發明人知道也可以將肋片設置在一分開的構件(葉輪)上。可以用機械方法將一環製造成葉輪。另一種方式是將由一環及多個肋片製成的葉輪焊接上去。如果肋片的幾何形狀很複雜，也可以利用鑄造法製作葉輪。

此處要說明的是，本文所謂的“軸向”、“徑向”、“外”、“內”等說法都是以轉子盤及/或轉子的旋轉軸為準。所謂轉子內部亦包括轉子內部被轉子盤環繞住的空腔。換句話說：第一轉子盤的鑽孔不算是轉子內部。

根據葉輪的第一種有利的改良方式，肋片承載器的外稜邊所在的半徑大於肋片的外終端，因此在組裝錯誤的狀態下，如果葉輪被安裝在相關的轉子盤的輪殼之間，由於肋片承載器是被徑向向外導引，因此從鑽孔流出的介質能夠更好的被向內導引。

根據本發明的另一種有利的實施方式，每一肋片都具有一面對第一轉子盤的稜邊，而且其徑向輪廓與第一轉子盤的徑向輪廓在輪殼區內彼此配合。這樣就可以使肋片邊緣及第一轉子盤之輪殼輪廓之間的間隙在肋片的整個徑向長度上都保持在相當小的程度，這使得介質能夠有效率的沿著肋片被導引，而不會使介質在肋片及輪殼區之間的間隙產生橫向流動。

根據本發明的另一種有利的實施方式，葉輪不會在切線方向上發生相對於第二轉子盤的移動。此外，葉輪可以在肋片承載器上具有一或多個孔洞，可以將一螺栓插入孔洞，使其伸入相鄰之第二轉子盤內的溝槽。另一種可行的方式是用螺栓將葉輪與第二轉子盤鎖在一起。

較佳是以熱壓方式將葉輪套裝在第二轉子盤上。為此在葉輪面對第二轉子盤的那一面上帶有一立於側面的環形物。如此一來，此面雖然不再是完全平坦，但仍然是沒有肋片。為要與此環形物配合，第二轉子盤在輪殼區帶有一向外張開的圓柱形配合座，環形物能夠被熱壓套裝到此配合座上。此熱壓配合座能夠提供一簡單且可靠的固定。為避免因磨損造成第二轉子盤及葉輪 之間產生相對移動，可在兩個位於熱壓配合座的構件中的一構件上設置凸輪，其作用是與兩個位於熱壓配合座的構件中之另一構件上的缺口形成形狀配合的穩固固定。如果不使用凸輪-缺口形成之固定，也可以使用其他防止相對移動的固定方式，例如使用鎖緊螺絲。

根據一種特別有利的方式，為了改變介質的流動方向，葉輪的第二面是徑向朝內以倒角狀的方式設置在肋片之間。當介質的流動方向必須從徑向被轉換成軸向時，可降低介質內的氣動損耗。當然這也適用於從軸向轉換成徑向的情況。

本發明具有多個優點：第一個優點是簡化製程，也就是可以透過降低構造的複雜性減少可能發生的製造錯誤。另一個優點是無需將複雜的幾何形狀在相對而言較昂貴的構件(轉子盤)上實現，而是可以實現在一分開製造的構件(葉輪)上。這樣做有助於降低負責從主要流動路徑取出介質的轉子盤的製造成本。至於另一轉子盤(第二轉子盤)則可以用傳統方式製作，這是因為葉輪負起了改善轉子內部之流動情況的責任。過這種分離的構造，可以使用不同的材料及將不同的材料結合在一起。

本發明涉及一種用於散熱渦輪機(尤其是燃氣渦輪機)之轉子，此種轉子之內部構造係用於引導介質，例如壓縮空氣。為了盡可能降低在轉子內部導引介質所產生的流動損耗，同時又要使轉子的構造變得更為簡單及降低轉子的造價，本發明建議在兩個轉子盤的相 鄰的輪殼區之間設置一分開製造的葉輪，其中葉輪的平坦的第一面緊靠在第二轉子盤的輪殼區上，在葉輪與第一面相對而立的第二面上帶有多個由外向內伸展的肋片。

10‧‧‧轉子

12‧‧‧壓縮機段落

13‧‧‧旋轉軸

14‧‧‧渦輪機段落

16‧‧‧管子

18‧‧‧轉子盤

20‧‧‧拉伸桿

22‧‧‧前空心軸

23‧‧‧接觸面

24‧‧‧後空心軸

25‧‧‧轉子盤組

26‧‧‧盤形接片

27‧‧‧箭頭方向

28‧‧‧輪殼區

30‧‧‧中心開口

31‧‧‧渦輪葉片

32‧‧‧輪緣區

33‧‧‧凸緣

34‧‧‧第一轉子盤

36‧‧‧鑽孔

38‧‧‧環形面

40‧‧‧肋片

42‧‧‧第二轉子盤

43‧‧‧面對輪殼區的稜邊

50‧‧‧葉輪

52‧‧‧肋片承載器

54‧‧‧第一面

56‧‧‧第二面

58‧‧‧中心開口

60‧‧‧外稜邊

以下將配合圖式及一實施例對本發明的優點及特徵做進一步的說明。其中：第1圖為一通過渦輪機之轉子的縱剖面圖。

第2圖為一通過渦輪機之本發明之轉子的縱剖面圖的一段落，具有一位於兩個轉子盤之間的葉輪。

第3圖為葉輪的立體視圖。

第4圖為葉輪在第二轉子盤上的熱壓配合座的斷面圖。

第5圖為以局部立體剖視之方式呈現的第二轉子盤的輪殼區的一部份。

第6圖為以立體圖之方式呈現葉輪的背面。

在以上的圖式中，相同的特徵均以相同的元件符號標示。

第1圖顯示一散熱渦輪機的轉子10的基本構造，在組裝完成的狀態下，散熱渦輪機能夠繞旋轉軸13轉動。這個實施例顯示的是一種固定式燃氣渦輪機的轉子10。轉子10亦可應用於飛機的燃氣渦輪機。由於是應用於燃氣渦輪機，轉子10具有一壓縮機段落12及一渦輪機段落14。在壓縮機段落12及渦輪機段落14之間 有一根管子16。壓縮機段落12及渦輪機段落14都屬於盤狀構造方式。在這個實施例中，壓縮機段落12具有16個轉子盤18，渦輪機段落14具有4個轉子盤18。一根拉伸桿20穿過所有的轉子盤18及管子16，且在其兩端分別有一所謂的前空心軸22及一後空心軸24旋緊於其上。這兩空心軸22、24將所有的轉子盤18及管子16拉緊在一起，因此可以防止在切線方向的相對移動。這是透過設置於接觸面23上的海司(Hirth)嚙合獲得實現。但此處並未詳細繪出此部分的構造。

第1圖並未顯示本發明的特徵。第2圖有顯示本發明的特徵，第2圖顯示的是由第1圖中的壓縮機段落12的兩個任意的轉子盤18構成的轉子盤組25的放大圖。

在運轉狀態下，作為介質的空氣沿著一未在圖式中詳細繪出的主流動路徑(如箭頭方向27)在轉子10的外面流動，在此過程中，空氣被壓縮機壓縮。

每一轉子盤18都具有一繞旋轉軸13無止盡轉動的盤形接片26。盤形接片26的徑向內終端帶有一輪殼區28，其中輪殼區28具有一與旋轉軸13同心的中央開口30，盤形接片26的徑向外終端帶有一輪緣區32。輪緣區32的任務是固定渦輪葉片31(第1圖)，輪緣區32的兩面都帶有凸緣33，相鄰的轉子盤18彼此靠緊位於凸緣33上。以下將第2圖右邊的轉子盤18稱為第一轉子盤34，將左邊的轉子盤18稱為第二轉子盤42。第一轉子盤34具有穿過盤形接片26從輪緣區向內伸展的 鑽孔，這些鑽孔沿著盤形接片26的周周均勻分佈。第2圖僅顯示其中一鑽孔36代表所有的鑽孔。鑽孔36相對於徑向方向傾斜的方式使其從盤形接片26的一面穿過盤形接片26，到達另一面。鑽孔36的徑向內終端匯入轉子盤34一傾斜於徑向方向的環形面38。

在相鄰的兩個轉子盤34、42的兩個輪殼區28之間有一葉輪50。葉輪50具有一盤形的肋片承載器52，其中肋片承載器52具有一近似平坦的第一面54，以及一位於第一面54對面的第二面56。

如第4圖所示，葉輪50設置在第二轉子盤42之輪殼區28的一圓柱形段落37上。葉輪50的第一面54帶有一環形物39。環形物36的詳細構件繪出第6圖。根據本實施例，環形物39的內面帶有4個沿著圓周均勻分佈的凸輪41。在熱壓配合的葉輪50中，凸輪41會嵌入缺口43(第5圖)，缺口43在第二轉子盤42的輪殼區28內會徑向朝外張開及朝側面張開，但是不會朝切線方向張開。同時位於環形物39內的第一面平坦的緊貼在側面的輪殼區28上。因此葉輪50僅是部分熱壓配合。

如第3圖所示，在第二面56上設有沿著圓周均勻分佈的肋片40。這些肋片40是作為從鑽孔36流出之空氣的導元件。肋片40可以用直線或略微彎的方式由外向內沿徑向方向或略微傾斜的方向伸展。肋片40的每一個面對第一轉子盤34的輪殼區28的稜邊43的徑向輪廓均的與第一轉子盤34的徑向輪廓配合。儘管如此，在稜邊43及輪殼區28之間仍有一很小的間隙，以防止 發生磨損。和其他的轉子盤18一樣，葉輪50也具有一能夠讓拉伸桿20通過的中心開口58。

肋片40的設置方式使其徑向向外止於環形面38。為了使從鑽孔36流出的空氣能夠以可靠且流動損耗很小的方式流入存在於肋片40之間的流動通道，以旋轉軸13為準，肋片承載器52的外稜邊60所在的半徑大於肋片40的外終端。

肋片40的作用是對從鑽孔36流出的空氣進行流動導引及整流，使空氣流入轉子10的內部。第二轉子盤42與第一轉子盤34設有肋片40的面緊靠在一起。由於使用葉輪50的關係，第二轉子盤42的輪殼區28可以採用傳統的構造方式。

由於使用葉輪50的關係，可以在肋片40的整個徑向長度上將流動通道受到徑向局限，其中從鑽孔36流出的冷卻空氣會流入肋片40，並被導引到抗伸桿20。這樣就可以防止空氣在流入流動通道時形成渦流，以改善導引空氣的效率。

由於轉子盤18的中心開口30大於拉伸桿20的直徑，因此在輪殼區28及拉伸桿20之間會形成環形空間，此環形空間使被導引到拉伸桿20的空氣能夠在軸向方向沿著拉伸桿20從壓縮機段落12被導引到渦輪機段落14。

當然也可以利用以上描述的在其間設有葉輪50的轉子盤組25，將沿著拉伸桿20流動的空氣向外導引，例如渦輪機段落14內的轉子盤18就需要進行這個動作。

13‧‧‧旋轉軸

18‧‧‧轉子盤

20‧‧‧拉伸桿

25‧‧‧轉子盤組

26‧‧‧盤形接片

27‧‧‧箭頭方向

28‧‧‧輪殼區

32‧‧‧輪緣區

33‧‧‧凸緣

34‧‧‧第一轉子盤

36‧‧‧鑽孔

38‧‧‧環形面

40‧‧‧肋片

42‧‧‧第二轉子盤

43‧‧‧面對輪殼區的稜邊

50‧‧‧葉輪

52‧‧‧肋片承載器

54‧‧‧第一個面

56‧‧‧第二個面

58‧‧‧中心開口

Claims (8)

1. 一種用於散熱渦輪機之轉子(10)，具有至少一對由彼此相鄰的轉子盤(18)構成的轉子盤組(25)，其中每一個轉子盤(18)均具有一繞其旋轉軸無止盡轉動的盤形接片(26)，以旋轉軸(13)為準，盤形接片(26)的徑向內終端帶有一相對於該盤形接片(26)軸向變寬的輪殼區(28)，其中該輪殼區(28)具有一與旋轉軸(13)同心的中央開口(30)，該盤形接片(26)的徑向外終端帶有一軸向變寬的輪緣區(32)，其作用是支承在相鄰的轉子盤(18、34、42)上，以及容納渦輪葉片(31)，其中兩個轉子盤中的第一轉子盤(34)具有多個沿著圓周分佈的從輪緣區(32)向內伸展並穿過該盤形接片(26)的鑽孔(36)，該些鑽孔(36)匯入該轉子盤(34)的一傾斜於徑向方向的環形面(38)中，其特徵為：在兩轉子盤(34、42)相鄰的該輪殼區(28)之間設置一葉輪(50)，其中該葉輪(50)的第一面(54)緊靠在第二轉子盤(34)的該輪殼區(28)上，在該葉輪(50)與第一面(54)相對而立的第二面(56)上帶有多個在徑向上由外向內伸展的肋片(40)。
2. 如請求項1的轉子(10)，其中該葉輪(50)具有一盤狀的肋片承載器(52)，且該肋片承載器(52)之外稜邊(60)所在的半徑大於該肋片(40)的外終端。
3. 如請求項1或2的轉子(10)，其中每一個肋片(40)都具有一面對該第一轉子盤(18)的稜邊(43)，而且其徑向輪廓與該第一轉子盤(34)的徑向輪廓彼此配合。
4. 如請求項1至3中任一項的轉子(10)，其中該葉輪(50)被固定在該第二轉子盤(42)上。
5. 如請求項4的轉子(10)，其中該葉輪經由一熱壓配合座被固定在該第二轉子盤上。
6. 如請求項4或5的轉子，其中該葉輪(50)被固定住，因此不會在切線方向產生相對於該第二轉子盤的相對移動。
7. 如請求項6的轉子，其中該第二轉子盤在該輪殼區至少在圓周面上帶有一缺口，該葉輪上一與該缺口配合的凸輪可以伸入該缺口。
8. 如前述請求項1至7中任一項的轉子(10)，其中該葉輪(50)的該第二面(56)是徑向朝內以倒角狀的方式設置在該肋片(40)之間，以改變介質的流動方向。