轉子輪和葉輪插入件的製作方法
2023-06-22 22:48:16
本發明涉及發動機轉子中的空氣流，且更具體而言涉及用於飛行器或燃氣渦輪發動機中的凸緣之間的葉輪插入件/插銷。
背景技術：
燃氣渦輪廣泛地用於工業和商業操作。典型的燃氣渦輪包括在前部的壓縮機、中部周圍的一個或多個燃燒器以及在後部的渦輪。壓縮機將動能給予工作流體(例如，空氣)以產生處於高度賦能狀態的壓縮工作流體。壓縮工作流體排出壓縮機且流至燃燒器，在那裡其與燃料混合且點燃以生成具有高的溫度和壓力的燃燒氣體。燃燒氣體流至渦輪，在那裡它們膨脹以產生功。例如，燃燒氣體在渦輪中的膨脹可使連接至發電機的軸旋轉以產生電。
壓縮機和渦輪通常共享共同的轉子，該轉子從壓縮機的前部附近延伸穿過燃燒器區段至渦輪的後部附近。
轉子通常構造成將工作流體的一部分引導穿過一個或多個冷卻流通道以冷卻燃氣渦輪的各種構件。
在燃氣渦輪發動機中，通過凸緣從流路獲取空氣到轉子中。此空氣然後引導至渦輪以冷卻渦輪翼型件。在典型的構造中，葉輪/槽位於兩個輪凸緣之間，空氣從輪緣穿過輪凸緣至開孔。葉輪自身的限定/幾何形狀由所需要的流量和壓力決定。
技術實現要素：
在示例性實施例中，一種用於發動機的轉子輪包括多個葉輪導葉和由相鄰的葉輪導葉限定的多個流體通道。流體通道跨過轉子輪的至少一部分沿徑向布置。一個或多個葉輪插入件分別布置在該多個流體通道中的一者或多者內。葉輪插入件限定帶有通道形狀的葉輪通道，通道形狀控制穿過該多個流體通道中的一者或多者的流體流。
在另一個示例性實施例中，一種用於發動機中的轉子輪的葉輪插入件定形成配合在一個或多個流體通道內且包括具有通道形狀的葉輪通道，通道形狀控制穿過該多個流體通道中的一者或多者的流體流。
在還有另一個示例性實施例中，一種調節跨過發動機中的轉子輪的流體流的方法包括以下步驟：將一個或多個葉輪插入件分別定位在多個流體通道中的一者或多者內；在葉輪插入件中限定帶有通道形狀的葉輪通道，通道形狀控制穿過該多個流體通道中的一者或多者的流體流。
技術方案1.一種用於發動機的轉子輪，所述轉子輪包括：
多個葉輪導葉；
多個流體通道，其由所述葉輪導葉中的相鄰葉輪導葉限定，使得所述多個流體通道跨過所述轉子輪的至少一部分沿徑向布置；和
一個或多個葉輪插入件，其分別布置在所述多個流體通道中的一者或多者內，所述一個或多個葉輪插入件限定帶有通道形狀的葉輪通道，所述通道形狀控制穿過所述多個流體通道中的所述一者或多者的流體流。
技術方案2.根據技術方案1所述的轉子輪，其中，所述葉輪通道相比於所述葉輪導葉中的相鄰導葉之間的所述流體通道較窄。
技術方案3.根據技術方案2所述的轉子輪，其中，所述葉輪通道在安裝在所述流體通道中之後通過銑削形成。
技術方案4.根據技術方案1所述的轉子輪，其中，所述葉輪插入件固定在所述流體通道中的燕尾部中。
技術方案5.根據技術方案1所述的轉子輪，其中，所述葉輪插入件通過銷固定在所述流體通道中。
技術方案6.根據技術方案1所述的轉子輪，其中，所述葉輪插入件通過焊接固定在所述流體通道中。
技術方案7.根據技術方案1所述的轉子輪，其中，所述葉輪插入件包括凹穴或孔。
技術方案8.根據技術方案1所述的轉子輪，其中，所述葉輪插入件包括定位在所述流體通道中的插入件、銑削在所述插入件中的所述葉輪通道、銑削在所述插入件中的頂板槽，以及固定在所述頂板槽中的頂板。
技術方案9.根據技術方案1所述的轉子輪，其中，所述葉輪導葉包括構造成適應所述一個或多個葉輪插入件的至少一個槽。
技術方案10.根據技術方案9所述的轉子輪，其中，所述至少一個槽包括加工在所述相鄰葉輪導葉中的一個中的葉輪槽。
技術方案11.根據技術方案9所述的轉子輪，其中，所述至少一個槽包括限定所述一個或多個葉輪插入件和所述葉輪導葉之間的空間的焊接槽以用於接收焊接材料。
技術方案12.一種用於發動機中的轉子輪的葉輪插入件，其中所述轉子輪包括多個葉輪導葉，所述多個葉輪導葉中的相鄰葉輪導葉限定多個流體通道，使得所述多個流體通道跨過所述轉子輪的至少一部分沿徑向布置，所述葉輪插入件定形成配合在所述流體通道中的一者或多者內且包括具有通道形狀的葉輪通道，所述通道形狀控制穿過所述多個流體通道中的所述一者或多者的流體流。
技術方案13.根據技術方案12所述的葉輪插入件，其中，所述葉輪插入件包括凹穴或孔。
技術方案14.根據技術方案12所述的葉輪插入件，其中，所述葉輪插入件包括可定位在所述流體通道中的插入件、銑削在所述插入件中的所述葉輪通道、銑削在所述插入件中的頂板槽，以及固定在所述頂板槽中的頂板。
技術方案15.一種調節跨過發動機中的轉子輪的流體流的方法，所述轉子輪包括多個葉輪導葉以及由所述葉輪導葉中的相鄰葉輪導葉限定的多個流體通道，使得所述多個流體通道跨過所述轉子輪的至少一部分沿徑向布置，所述方法包括：
將一個或多個葉輪插入件分別定位在所述多個流體通道中的一者或多者內；和
在所述葉輪插入件中限定帶有通道形狀的葉輪通道，所述通道形狀控制穿過所述多個流體通道中的所述一者或多者的流體流。
技術方案16.根據技術方案15所述的方法，其中，所述定位步驟包括固定所述葉輪插入件，且其中所述限定步驟包括在所述葉輪插入件中銑削所述葉輪通道。
技術方案17.根據技術方案16所述的方法，其中，所述方法還包括，在銑削所述葉輪通道之後，銑削頂板槽且將頂板固定在所述頂板槽中。
技術方案18.根據技術方案15所述的方法，其中，所述方法還包括，在所述定位步驟之前，將所述葉輪導葉加工成使得用於接收所述葉輪插入件的所述流體通道為較寬或較深中的至少一者。
技術方案19.根據技術方案15所述的方法，其中，所述方法還包括，在所述定位步驟之前，在所述葉輪導葉中加工焊接槽以用於接收焊接材料來固定所述葉輪插入件。
技術方案20.根據技術方案15所述的方法，其中，所述方法還包括，將所述葉輪插入件利用具有不同的葉輪幾何形狀的備選葉輪插入件替換，從而更改或調節跨過所述轉子輪的流量和壓力。
附圖說明
圖1是示例性燃氣渦輪的截面視圖；
圖2是轉子輪的透視圖；
圖3示出了包括安裝在轉子輪流體通道/槽中的示例性葉輪插入件的轉子輪；
圖4示出了描述的實施例的示例性槽構造；
圖5示出了固定在圖4的示例性槽中的示例性葉輪插入件；
圖6-圖11示出了示例性葉輪插入件的頂部透視圖和底部透視圖；
圖12示出了安裝在轉子輪流體通道/槽中的焊接的葉輪插入件；
圖13-圖15示出了用於安裝示例性插入件的過程步驟；
圖16-圖19：另一示例性葉輪插入件的安裝；且
圖20-圖21示出了帶有沿徑向向外和向內延伸的空氣通道的備選配置。
零件清單
10燃氣渦輪
12壓縮機
14燃燒器
16渦輪
18定子導葉
20旋轉葉片
22壓縮機殼
24轉子
26定子導葉
28旋轉輪葉
30渦輪殼
32轉子本體或輪
34軸向開孔
36流體通道
36a第一槽
36b第二槽
40突起部/葉輪導葉
44葉輪插入件
44a燕尾插入件
44b銷固定插入件
44c焊接插入件
46葉輪通道
48燕尾部
50凹槽
52銷
54槽輪廓
56凹穴或孔
57焊接槽
58焊接槽
59焊接材料
60插入件
62頂平面槽
64頂平面
66凹槽
68肩部
70連接孔口
72凹部
74開口
76銷
78勺狀物
80內側延伸部
82內側葉輪。
具體實施方式
圖1是示例性燃氣渦輪10的截面視圖以示出本文的各種實施例。如圖所示，燃氣渦輪10可大體上包括壓縮機12、壓縮機12下遊的一個或多個燃燒器14以及燃燒器14下遊的渦輪16。壓縮機12可大體上包括沿軸向對準的定子導葉18和旋轉葉片20的交替的級。定子導葉18可沿周向連接至壓縮機殼22，且旋轉葉片20可沿周向連接至轉子24。當轉子24轉動時，定子導葉18和旋轉葉片20可逐步地將動能給予工作流體(例如，空氣)以產生處於高度賦能狀態的壓縮工作流體。壓縮工作流體可然後流至沿徑向配置在轉子24周圍的一個或多個燃燒器14，在那裡其可與燃料混合且點燃以產生具有高的溫度和壓力的燃燒氣體。燃燒氣體可排出燃燒器14且沿熱氣體通路流動流動穿過渦輪16。渦輪16可包括沿軸向對準的定子導葉26和旋轉輪葉28的交替的級。定子導葉26可沿周向連接至渦輪殼30，且旋轉輪葉28可沿周向連接至轉子24。定子導葉26的每個級可將燃燒氣體引導且加速到旋轉輪葉28的下遊級上以產生功。
如圖1中繪出的那樣，轉子24可包括沿軸向對準且連接以在渦輪16和壓縮機12之間傳送轉矩的多個轉子本體或輪32。每個轉子本體或輪32可包括一個或多個腔，該一個或多個腔形成穿過轉子24的軸向開孔34。相鄰的轉子輪32中的一個或多個可包括流體通道36，流體通道36提供壓縮機12和開孔34之間的流體連通。以此方式，由於各種原因，來自壓縮機12的壓縮工作流體的一部分可在燃燒器14周圍轉向或旁通燃燒器14且直接供應至渦輪16。例如，轉向的流體可用於將轉子腔加壓以在渦輪16中的熱氣體通路和轉子腔之間產生期望的差別壓力。備選地，或此外，轉向的流體可用於提供冷卻至渦輪16中的各種構件。
圖2繪出了根據一個實施例的輪子輪32的透視圖。轉子輪32的外周可包括構造成接收旋轉葉片20的多個燕尾槽。此外，轉子輪32的徑向面可包括沿徑向布置在轉子輪32上的一個或多個突起部或葉輪導葉40。轉子輪32的表面上的相鄰的突起部或葉輪導葉40可限定沿徑向跨過轉子輪32的槽或流體通道36。葉輪導葉40可使壓縮工作流體的一部分轉向穿過流體通道36至開孔34。
圖3是示出了定位在由葉輪導葉40限定的流體通道36內的葉輪插入件44的局部放大視圖。葉輪插入件44限定帶有通道形狀的葉輪通道46，通道形狀控制穿過流體通道36的流體流。在圖3中所示的示例性插入件44中，葉輪通道46相比於葉輪導葉40中的相鄰葉輪導葉之間的流體通道36較窄。
圖4-圖12示出了用於葉輪插入件44的示例性構造。在圖4中，槽36被再加工得較寬且較深。圖4示出了用於不同的插入件類型/形狀的三種不同的槽構造。第一槽36a被加工成燕尾形狀以用於固定相應地定形的插入件。葉輪槽輪廓54的一部分被加工到輪中。第二槽36b包括可與插入件中的凹槽50配合的凹槽66以用於接收銷52，銷52可為實心銷、彈簧銷、定位螺釘等(見圖5)。插入件44可備選地在任一側上利用螺栓固定在兩個級之間。插入件44可因此通過機械手段(燕尾部、銷等)或通過一些機械手段和摩擦構件從凸緣負載沿徑向約束。第三示例性槽36c被加工成包括焊接槽57以用於與插入件中的焊接槽58配合來接收焊接材料(見圖5和圖10)。
示例性葉輪插入件44包括燕尾插入件44a、銷固定插入件44b和焊接插入件44c。燕尾插入件44a固定在形成於第一流體通道36a中的燕尾部48中。燕尾部48優選地通過從現有的流體通道銑削燕尾形狀來限定。銷固定插入件44b利用插入件44b中的凹口50固定，凹口50接收銷52。流體通道的區段54可被銑削以適應葉輪插入件44b的期望的形狀。
如圖5中所示的那樣，銷固定插入件44b包括凹穴或孔56，凹穴或孔56可通過線edm形成輪廓之後從插入件銑削。凹穴或孔56作用為減少用於插入件的材料的量，且由此減少插入件的重量。
焊接插入件44c可同樣包括凹穴或孔56，且還可設有焊接槽58以用於接收焊接材料59來將插入件固定就位。圖12示出了安裝在第三流體通道/槽36c中的焊接插入件。
圖13-圖15示出了用於安裝示例性插入件44的過程步驟。如圖13中所示，插入件60定位在流體通道中且定位焊以將插入件60固定就位。葉輪通道46銑削在插入件60中，且頂板槽62銑削在插入件60中。如圖所示，插入件可與接收銷52的凹槽50一起形成以將葉輪插入件44固定在流體通道中。圖15示出了加工或銑削成用以接收插入件44的流體通道。凹槽66與插入件中的凹槽50配合以通過銷52將插入件固定就位。如圖14中所示，頂板64附接在頂板槽62中，且板的面磨削得與組件齊平。
圖16-圖19示出了還有另一示例性插入件14的安裝。圖16-圖19中的插入件包括由帶有連接孔口70的肩部68環繞的預先形成的葉輪通道46。圖13中的流體通道/槽36被加工成包括用於接收肩部68的凹部72和對應於插入件44中的連接孔口70的開口74(見圖18)。插入件44被放置到槽36中且如圖19中所示的那樣利用銷76固定。
參照圖20-圖21，圖6-圖7中所示的概念被更改成使空氣通道(46)沿徑向向外和向內延伸。向外延伸部是勺狀物78，其助於以最小的損耗將空氣轉向內側。內側延伸部80通過強制渦流使空氣直接垂直到內側葉輪82，這降低壓力損耗和熱量獲得。此概念控制空氣流超過凸緣高度的徑向約束。
葉輪插入件簡化了用於轉子輪的製造過程，這是由於共同的或核心轉子輪可形成得帶有簡單的流體通道，同時該構造可通過運用各種葉輪插入件幾何形狀而調節到所需要的流量和壓力。現有的轉子輪可通過將現有的葉輪插入件改變成帶有備選幾何形狀的不同葉輪插入件而調節。優選實施例還解決在需要葉輪流量的變化時替換整個輪的問題。另外，該系統可作用為降低到凸緣中的瞬態熱以用於更好的凸緣承靠。該系統還可降低到輪中的瞬態溫度，且利用間隙(standoff)降低導熱率。
雖然本發明已經結合目前認為最實際和優選的實施例進行描述，但將理解的是，本發明不限於公開的實施例，相反，其意在覆蓋包括在所附權利要求的精神和範圍內的各種變型和等同配置。