渦輪機的旋轉組件的製作方法

2023-05-11 09:18:27

可以特別地在渦輪機中找到的這種組件包括圓盤，以及葉片，所述葉片從圓盤徑向向外地延伸並且所述葉片根部軸向地接合到圓盤外周邊的狹槽內，並且由交替地布置在所述狹槽中的圓盤齒部徑向地保持。所謂狹槽底部空腔由諸多空間形成，所述空間徑向地位於葉片根部和狹槽底部之間，並且其沿狹槽的下遊方向中軸向地延伸。特別地，當葉片通過離心作用徑向向外地擠壓在圓盤齒部的側承載表面上時，這種狹槽底部空腔特別地在旋轉中出現。

葉片還包括諸多內部平臺，所述內部平臺首尾相連地圓向布置從而一起限定在渦輪機中循環的熱氣流的內部極限。相對於噴嘴位於內側，即在內部平臺和根部之間，的葉片部分被稱為支柱。根據該規定，諸多空間在兩個相鄰支柱之間形成，並形成支柱間或葉片間空腔。

根據慣例，上遊和下遊被認為是沿渦輪機的X軸線，流體向下遊方向主要沿所述X軸線流動。徑向將意味著相對於軸線X是徑向的；軸向將意味著平行於軸線X。軸線X也是旋轉組件的軸線。

為了改進渦輪機的性能，並且為了避免由來自上遊燃燒室並流經噴嘴的熱氣流對圓盤加熱，使用密封設備最少化這些氣體通過狹槽底部空腔的循環是很重要的。事實上，流入狹槽底部空腔的噴射氣體部分並不參與葉片的旋轉驅動並且直接地加熱圓盤。在圓盤齒部和葉片根部的上遊布置密封設備特別地有利，這防止射流到達狹槽底部空腔。

為此，已知使用一種密封凸緣，通常為迷宮環，其被保持在內部部分上，所述內部部分大體上位徑向環形壁，所述內部部分在渦輪的兩個連續圓盤的凸緣之間與後者配合在一起。圓盤凸緣常規地由徑向向內並且軸向地在圓盤兩側延伸的截錐壁支撐。密封凸緣大體包括外密封唇部，該外密封唇部用於與由周向排靜葉片向內支撐的耐磨材料的部分配合，所述靜葉片被布置通過與圓盤的旋轉葉片軸向地交替的噴嘴。密封凸緣還包括一個或兩個環形壁，或環形臂，該環形臂從凸緣的內部部分到齒部以及在相應地圓盤的葉片根部的上遊和/或下遊相對於圓盤向外延伸。這種環形壁的端部被環形地支撐在齒部的軸向端表面以及相應圓盤的葉片根部的軸向端表面。密封凸緣從而保護圓盤和狹槽底部空腔免於熱射流。

然而，該解決方案並不是最佳的，並且具有以下缺陷。

實際上，葉片根部的軸向長度不同於圓盤齒部的軸向長度。由於圓盤上的葉片在製造和裝配公差，因此第一軸向間隙分別在葉片根部軸向端和圓盤齒部軸向端之間形成。此外，在旋轉中，密封凸緣的環形壁在與如上所示圓盤的附接點附近徑向向外地彎曲。根據第二軸向間隙，在這種彎曲時，凸緣的環形壁的端部然後軸向地離開圓盤齒部和葉片根部。射流空氣因此可在凸緣和圓盤/葉片組件之間循環，並循環通過狹槽底部空腔。

本發明提供了一種對密封狹槽底部空腔問題的簡單、高效和經濟的解決方案，同時避免了現有技術解決方案的缺點。

為此，它提供了一種渦輪機的旋轉組件，其包括：

—圓盤，所述圓盤的外周邊具有在圓盤上在下遊方向延伸的交替的狹槽和齒部，

—從圓盤徑向地延伸的葉片，並且所述葉片根部軸向地接合在狹槽中並由圓盤齒部徑向地保持，

—在圓盤的上遊和/或下遊，用於密封空腔的環形密封凸緣，相應地，所述空腔徑向地形成在葉片根部和圓盤的狹槽底部之間，所述凸緣包括由圓盤保持的內部部件，以及軸向地布置的外部部件，該外部部件面對圓盤齒部和葉片根部的相應上遊和/或下遊端；

其特徵在於，它還包括中間環，所述中間環軸向地布置在凸緣和圓盤齒部之間，以及徑向地布置在圓盤的內部部件和外部部件之間；

並且其中，它還包括密封件，該密封件軸向地布置在一方面中間環和另一方面圓盤齒部及葉片根部之間；

中間環和密封凸緣被構造為：在旋轉中一方面在密封凸緣，另一方面在圓盤齒部和葉片根部之間提供密封。

並且為了實現狹槽底部空腔的密封，甚至建議：

—中間環優選地被構造為，在旋轉中以環形支撐與凸緣配合，從而朝圓盤齒部和葉片根部的相應上遊和/或下遊端軸向地受力，和/或

—密封件優選地被構造為，在旋轉中以環形支撐與中間環配合，從而在圓盤齒部和葉片根部的相應上遊和/或下遊端上軸向地受壓。

因此，在旋轉中，由於離心力和凸緣的熱膨脹，凸緣的外部部分與圓盤齒部和葉片根部軸向地間隔。然而，中間環被支撐在凸緣上並將密封件擠壓在圓盤齒部和葉片根部上。從而通過中間環和密封件，一方面在凸緣以及另一方面圓盤齒部和葉片根部之間確保了通過環形接觸的完整密封鏈。

實際上，葉片根部的軸向長度不同於圓盤齒部的軸向長度。由於在圓盤上的葉片的製造和裝配公差，因此在葉片根部和圓盤齒部的相應軸向端之間形成軸向間隙。顯而易見的是，本發明可以使用常規的金屬密封件，其具有足夠小的直徑以使密封件能夠變形並且配合由齒部和葉片根部的軸向端的形狀事故，從而消除所述上述間隙。為了在上述條件下實施其功能，密封件事實上必須具有比累計總軸向間隙大兩倍的直徑。因此確保了密封。

有利地，中間環和密封件在旋轉中徑向地分開和打開。

因此，在旋轉中，中間環和密封件打開，並且從而徑向地延伸，並在密封凸緣和中間環上提供相應的環形徑向支撐，從而優化這些部件之間的密封。

有利地，密封凸緣具有內部截錐表面，所述內部截錐表面朝圓盤並且徑向向外地軸向傾斜，並徑向地布置和軸向地面對中間環，所述內部截錐表面在旋轉中支撐中間環。該內部截錐表面優選地延伸到面對圓盤齒部的密封凸緣的軸向端。

由於離心作用，在這種表面上的徑向支撐在旋轉中被密封，並且提供了一種朝圓盤軸向地推動中間環的機械反作用。

中間環優選地具有外部截錐表面，所述外部截錐表面朝圓盤並且徑向向外地軸向傾斜，並匹配密封凸緣的截錐表面。

密封凸緣和中間環的表面的互補性確保了更好的環形接觸以及這些部件之間的更好密封。

有利地，中間環包括內部截錐表面，所述內部截錐表面朝圓盤並且徑向向外地軸向傾斜，以及與密封件相反地徑向布置，並且所述內部截錐表面在旋轉中支撐密封件。該內部截錐表面優選地延伸到面對圓盤齒部的中間環的軸向端。

在這種表面上的徑向支撐被密封並提供了一種將密封件軸向地擠壓在圓盤齒部和葉片根部上的機械反作用。

根據所涉及的另一特徵，密封件被布置在中間環下遊的環形凹槽中。該環形凹槽然後包括中間環的所述內部截錐壁。

該凹槽在組件的所有操作條件下保持密封件。

在一個優選的實施方式中，密封件具有在0.6和1.2毫米之間的直徑，優選地在0.8到1毫米之間。該密封件在這些條件下可特別地由金屬製成。

該直徑適於使金屬密封件能夠變形並且配合由圓盤齒部的端部和葉片根部的端部所形成的不規則性。因此優化了密封。

為了更好的密封，該密封件可以是中空的。耦合到合適尺寸的該形狀能夠更好地密封，由於它允許最適配圓盤齒部的表面和葉片根部的表面的變形。

為了確保最佳操作，在葉片根部的軸向端和圓盤齒部的軸向端之間的最大間隙，應該小於被粉碎中空密封件的厚度。為此，可以使用總直徑大致1毫米、具有直徑約0.8毫米的中心中空部分的中空密封件。

中間環和密封件優選地完全地布置在狹槽底部空腔外側。

根據一個特定實施方式，與密封凸緣的外部部分相比，密封凸緣的內部部分分別布置在上遊和/或下遊最遠處。

此外，對於開口中間環，可提供一種用於繞所述軸線(X)旋轉地鎖定中間環的元件，從而確保其相對於密封凸緣和/或圓盤的旋轉鎖定，這種元件優選地是一個從密封凸緣的所述外部部分的一端突起的部分和/或從一個從圓盤的上遊徑向壁的軸向突起部分，所述突起部分被接收在中間環的狹槽中。

本發明還涉及一種渦輪機渦輪，其包括在本專利申請中描述的旋轉組件。

本發明最後涉及一種渦輪機，諸如渦輪噴氣發動機或渦輪螺旋槳發動機，其包括在本專利申請中描述的旋轉組件。

參考附圖，在通過閱讀非限制性示例給出的以下描述後，本發明的其他特徵和優點將會顯現，其中：

—圖1是根據現有技術的渦輪機低壓渦輪的軸向橫截面中的局部示意圖；

—圖2是在操作中，根據現有技術的渦輪的旋轉級的軸向橫截面中的局部示意圖；

—圖3是本發明的旋轉組件的軸向截面示意圖；

—圖4是在操作中，根據本發明的旋轉組件的軸向截面中的示意圖；

—圖5更特別地示出了中間環和密封件的開口結構的實現，以及

—圖6是在軸向截面中，沒有葉片的圖4區域VI的修改細節。

具體實施方式

首先參考圖1和2，其示出了一種被布置在高壓渦輪12下遊的根據現有技術的低壓渦輪10。低壓渦輪10包括固定葉片18的環形排的級與旋轉圓盤16的級的軸向交替，這些級被布置在渦輪機的軸線X附近；固定葉片18被稱為上遊引導葉片，所述旋轉圓盤16在它們的周邊包括多個葉片14。

在本文獻中，就技術領域而言，術語上遊(AM)和下遊(AV)被限定為：上遊軸向地位於渦輪機的通用流體來源的側面上，以及下遊軸向地位於相同流體從其流動的側面。

每個圓盤16在其外周邊包括與狹槽(其底部標記為22)交替地布置的齒部(其頂點標記為20)，在所述狹槽中葉片根部(其內端標記為24)軸向地接合併徑向地保持，這些葉片14從狹槽22徑向地延伸到來自上遊燃燒室(未示出)的熱氣流的流體環形噴嘴26內。

更具體地，每個葉片從外側朝內側徑向地包括葉片28、基本垂直於葉片14的伸長部的軸線延伸的平臺30，以及連接平臺到葉片根部24的支柱32。葉片根部24具有例如燕尾等形狀，以確保其在狹槽22中的徑向保持。葉片的平臺30首尾相接地周向布置，從而一起限定流經渦輪的熱氣體的流體流的理想內部限制。根據這一規定，空間在圓周上的相鄰支柱32之間，在從平臺30徑向地延伸到圓盤16的環形區域中形成，並且被稱為支柱間或葉片間34空腔。所謂的狹槽底部空腔36也由分離葉片根部24和狹槽22的底部的徑向空間形成並在圓盤的上遊和下遊打開。壁38、40從平臺的上遊和下遊到葉片根部24徑向地向內延伸，並且形成從平臺30到圓盤16徑向延伸的環形區域以及因此葉片間空腔34的軸向密封設備，並且確保了葉片間空腔34的關閉。

平臺的上遊徑向壁38連接到在上遊延伸的阻流板42，並且下遊徑向壁40連接到在下遊延伸的阻流板44。阻流板42、44在渦輪機的連續級之間軸向地延伸，以局部地保持噴嘴26在每個渦輪級之間的結構完整性，從而限制熱氣體徑向地朝渦輪機內側的流動。

圓盤通過螺栓46、環形凸緣48、50固定在一起，環形凸緣48、50從每個圓盤朝彼此軸向延伸。也稱為密封凸緣的迷宮環52也軸向地定位在每對相鄰圓盤16之間，並且在外部部件中包括兩個環形壁，或軸向地延伸到這些圓盤的上遊和下遊環形臂54、56。環形臂的端部定位成：在狹槽底部空腔外側具有在圓盤齒部和葉片根部上的環形軸向支撐，以防止射流氣體沿圓盤齒部徑向向內流動，以及從而防止到達狹槽底部空腔。圓盤之間的安裝凸緣48、50因此也通過在外側對其覆蓋的迷宮環52的臂54、56被保護免於射流氣體影響。迷宮環52在內部部件中進一步包括用於固定到圓盤的凸緣48、50的螺栓46的內部徑向環形壁58，並通過外部環形唇部60與上遊引導葉片的葉片18內端部配合，以限制射流氣體相對於葉片18向內的軸流。

為了確保渦輪機的正確操作，冷卻空氣A例如從低壓或高壓壓縮機離開，並通過渦輪機的內部部件路線流到在圓盤的凸緣48、50以及迷宮環的臂54、56之間徑向形成的環形空間，直到狹槽底部空腔36，以提供圓盤16的冷卻以及保護後者免於受來自噴嘴26的熱氣體所引起的加熱。為了允許冷卻空氣A在狹槽底部空腔36下遊的循環，後者在下遊相對於由圓盤16軸向支撐的迷宮環52的臂54向內打開。這種結構可以使冷卻空氣A在下遊在迷宮環52和諸多圓盤16之間的附接凸緣48、50之間徑向流動更遠，從而也提供對其冷卻。

如圖2所示，以及以上在本文獻中解釋的操作中，迷宮環52的環形臂54、56向外彎曲並且軸向地移動遠離圓盤齒部20和葉片根部24，這使射流熱氣可以從內側沿圓盤齒部20的上遊和下遊表面徑向地流動，並且到達圓盤16和狹槽底部空腔36。為了限制該現象，現有技術可在支柱的上遊和下遊形成環形鉤(未示出)，通過防止這些端部移動遠離圓盤，所述環形鉤用於在圓盤齒部附近軸向地保持迷宮環的臂的末端。然而，該解決方案僅限制了該問題，並沒有解決它。

根據本申請中以上提到的特徵所提出的解決方案在圖3和圖4中示出。

在所示的實施方式中，根據本發明的密封設備在狹槽底部空腔的上遊形成。這種密封設備可等同地和對稱地定位在這些空腔的下遊。

因此，參考圖3，迷宮環52的下遊臂56的下遊端包括在外側由截錐壁64延伸的徑向壁62，所述截錐壁64徑向向外和沿下遊方向軸向地傾斜，並且所述截錐壁64的外部環形端在靜止時與圓盤齒部20的上遊端表面和葉片根部24的上遊端表面接觸，不管後者部件之間的對齊間隙。該接觸更特別地相對於圓盤齒部20的外端徑向地存在。

一種優選的開口(圖5的狹槽660)中間環66軸向地布置在迷宮環52的下遊臂56的下遊端和圓盤齒部20之間。其尺寸有利地被確定為：在靜止時與後者接觸。該中間環包括上遊和外部表面，所述上遊和外部表面具有與迷宮環的下遊臂56的下遊端62、64匹配的形狀，即分別徑向的和截錐的，所述形狀徑向向外並沿下遊方向軸向傾斜。中間環66的下遊表面為徑向平坦的，從而在圓盤齒部20和葉片根部24上提供恰當的軸向支撐，並且具有環形軸向凹槽68，該環形軸向凹槽68具有截錐外部表面並沿下遊方向並向外傾斜。中間環66的內端部仍徑向地位於狹槽底部外腔36外側。

以形狀配合的方式，在中間環66和迷宮環52的臂56之間的接觸是最佳的，這確保了在這兩個部件之間的緊密密封。此外，當旋轉時，由於離心力，中間環66趨於徑向地打開，由於徑向支撐在臂56的截錐壁64上的機械反作用，所述離心力朝圓盤齒部20軸向地作用中間環66。

可有利地提供一種用於旋轉地鎖定中間環的元件74。如圖6示意性地示出，該旋轉鎖定元件可以是從迷宮環52的臂56的端部突起的部分740和/或從圓盤16的上遊徑向壁160軸向突起的部分741。該突起元件將被有利地接收在中間環的狹槽660中，以確保中間環相對於迷宮環以及相對於圓盤的旋轉鎖定。

一種優選的開口(圖5的狹槽700)密封件70(參見圖3、4)被布置在中間環的凹槽68中。密封件70的直徑有利地位於在0.6和1.2毫米之間，優選地在0.8和1毫米之間。該密封件68可以中空，並且也適於另一類型的材料。密封件70將先驗地由金屬製成。

如圖4所示，在操作中，並且類似於現有技術，迷宮環52的臂56彎曲並軸向地移動遠離圓盤齒部20。然而，在中間環66和臂56的截錐壁64之間的徑向支撐的機械反作用仍然發生，並使中間密封環66在下遊方向沿臂的截錐壁64密封地滑動，從而在圓盤齒部20上軸向地保持面對圓盤齒部20和葉片根部24的凹槽68。

在操作中，密封件70打開，並且由於在中間環66的截錐凹槽68的外壁上徑向支撐的機械反作用，將密封件70軸向地擠壓在圓盤齒部20和葉片根部24上。密封件70因此一方面被環形地支撐在中間環66上，另一方面被環形地支撐在圓盤齒部20和葉片根部24上，從而提供對這兩個部件的密封。

密封件70因此可以提供相同功能並且在狹槽68中具有相同效率，不管迷宮環的臂56是否彎曲。此外，在所有操作條件下保證了臂/中間環、中間環/密封件和密封件/圓盤齒部和葉片根部密封。

類似於現有技術，一種在上遊和向內被定向的環形鉤72可以在平臺的上遊徑向壁38，在迷宮環52的臂56的端部形成的徑向邊緣72附近形成。當在旋轉中彎曲時，該鉤防止臂56在上遊方向軸向地偏離太遠。