軸向壓縮機的減小的單塊體的多級鼓輪的製作方法
2023-05-30 18:56:41
專利名稱：軸向壓縮機的減小的單塊體的多級鼓輪的製作方法
技術領域：
本發明涉及軸向渦輪機的壓縮機鼓輪(compressor drum)，更具體地說，涉及這種壓縮機的轉子級，該鼓輪可由與不同的轉子級相應的幾個部件的組件構成。再具體地說，本發明涉及軸向渦輪機的壓縮機鼓輪的結構措施，這些措施意在具體地減小該鼓輪。
背景技術：
一般地，壓縮機鼓輪為相對於其與渦輪機軸線相應的迴轉軸線迴轉的大致對稱的中空體。根據流動形式，該中空體一般為橢圓或卵形線形狀。幾排葉片固定在鼓輪上形成不同的轉子級，而每一個轉子級與由一排定子葉片構成的定子級配合，這樣，每一對轉子和定子級形成壓縮機的一個壓縮級。由轉子葉片作用在鼓輪上的離心應力非常大，特別是當鼓輪直徑大和/或迴轉速度高時。壓縮機設計者經常擔心如何實現在注意減小鼓輪至最大的同時保證鼓輪和葉片的滿意的機械阻力。在美國專利文件4784572中表示了傳統的設計。除了與定子環箍的磨損材料配合的密封件以外，該鼓輪由基本上光滑的幕幛(veil)構成。在轉子葉片的內表面上裝有增強件。這些增強件形成該鼓輪的一個整體部分，並為內部肋的形式，該肋的厚度在它朝向該鼓輪內部的末端處較大。因為其形狀，這些增強件通常稱為「韭蔥」。因為它們又大又重，這些增強件明顯加大該鼓輪的重量。後者是兩個趨向之間優化的結果，即增加材料以提高鼓輪的剛性的趨向和限制在鼓輪上增加材料的趨向，這是因為離心力與考慮這種增加材料因該材料遠離迴轉軸線而造成更嚴重後果的緣故。轉子葉片裝有一系列的圓形肋，它們可擴散焊接在鼓輪的幕幛的外表面上。這些肋均分鼓輪的剛性。這些肋還可使轉子葉片與定子葉片水平一致。在這個文件中提出的結構從剛性觀點來看是有趣的，但太笨重，對壓縮機本身的重量是不利的。專利文件WBC2-059-819A提出了一種壓縮機鼓輪並試圖提出一種減小的鼓輪結構。該鼓輪主要由一系列通過擴散裝配的部分構成。該鼓輪包括幕幛，該幕幛在幕幛的容納轉子葉片的地方的右側上裝有內部肋。該幕幛在其外表面上包括一對肋，每一個部分可容納一排葉片。這一對肋形成一個U形截面的容器，可容納特別設計與這個容器配合的葉片的根部。藉助插入銷子通過U形的翼和葉片根部的翼來實現固定。這個結構肯定能提供良好的剛度，但在連接葉片根部和該容器方面有一定的幾何公差，而且因為肋和連接銷子的關係的緣故，質量大。由本申請的提出人提出的，還沒有公布的歐洲專利申請0817^23. 0號表示一個減小的壓縮機鼓輪，它除了包括幕幛之外，還包括一系列容納一排轉子葉片的部分，這些部分相對於該幕幛升高。確定流體流的這些部分的外表面帶有一系列的孔，這些孔的每一個可容納一個葉片平臺。再將該平臺與壁焊接。這些孔在確定空氣動力學流體流的幾乎整個表面上沿縱向延伸。在壁部分上鑽出的這些孔不好，因為它們部分地削弱該壁部分。
本發明旨在提出消除上述至少一個已知缺點的壓縮機鼓輪轉子級或鼓輪，更具體地說，本發明旨在提出減小的壓縮機鼓輪。
發明內容
本發明由軸向渦輪機壓縮機鼓輪轉子級構成，上述壓縮機在根據迴轉軸線大致定向的方向上與流體流交叉，該轉子級包括相對於迴轉軸線大致迴轉對稱並形成一個中空體的壁，上述壁包括幕幛和支承一排葉片並與該幕幛整體地形成的環形區域；每一個上述的葉片具有前緣和後緣；其特徵在於，上述環形區域包括相對於上述幕幛升高的中心部分，其外表面確定該葉片之間的流體流並全部在一個塊體中，並且在從上述中心部分的上遊邊緣至該排葉片的前緣和/或從上述中心部分的下遊邊緣至該排葉片的後緣的上述環形區域的圓周上整體地形成。這個結構可以得剛性的且減小的壓縮機鼓輪。事實上，升高葉片的支承區域在葉片排下的壁上，即應力最大的地方形成鎖緊肩或半盒。另外，在確定流體流的中心部分上形成連續的表面可避免削弱如此形成的鎖緊肩。與傳統技術比較，這個結構用支承葉片區域上的壁的特別形式代替傳統的緊固件，如螺釘和螺母以及笨重的「韭蔥(leeks)」。鎖緊肩或半盒的內表面優選沒有只用作增強和增加笨重性的例如「韭蔥」形式的肋。該葉片可以與轉子整體地形成或焊接在其表面上。另外，葉片的底面部分可與轉子整體地形成，然後把葉片的其餘部分焊接在這個部分上。中心部分全部在一個塊體中和在從上述中心部分的上遊邊緣至該排葉片的前緣， 和/或從上述中心部分的下遊邊緣至該排葉片的後緣的上述環形區域的圓周上整體地形成的特性肯定是有興趣的，但不是最重要的。這些特性可以將本發明與還沒有公布的可成為潛在的幹擾的歐洲專利申請相區別。根據本發明的一個優選實施例，該環形區域的中心部分的外表面，根據迴轉軸線的不同，在上述表面的長度上，一般為光滑的，優選大致圓柱形的、錐形的或凸起的形式。該中心部分的外表面的相同結構的優點為可保證良好的空氣動力學特性。根據本發明的另一個優選實施例，每一個葉片的至少一部分，優選是全部與該環形區域整體地形成。另外，可將葉片的基座焊接在該環形區域上。可以利用焊接帶有或不帶有與葉片整體形成的平臺的各種形式的連接。根據本發明的又一個優選實施例，該環形區域包括與迴轉軸線大致垂直或傾斜的，優選與迴轉軸線的平均角度超過40°的連接該中心部分和該幕幛的至少一個剛性元件部分。這個剛性元件部分可以為從該幕幛突出並連接支承區域的簡單的肋。根據各種尺寸參數，對一排葉片只可以形成一個中心的剛性元件部分，以保證該幕幛和該環形區域之間的連接。在這種情況下，該剛性元件部分可為與迴轉軸線大致垂直的肋形式，而該環形區域為帶形式。該幕幛在該剛性元件右側的內表面上沒有剛性元件。根據本發明的又一個優選實施例，該環形區域包括連接該中心部分與幕幛的上遊的上遊剛性元件部分和連接該中心部分與幕幛的下遊的下遊剛性元件部分。保證中心部分和幕幛的連接的兩個剛性元件的存在可保證葉片的環形支承區域的最優的穩定性。根據本發明的又一個優選實施例，該剛性元件部分或至少一個剛性元件部分與迴轉軸線大致垂直或以對迴轉軸線大於40°的，優選大於50°的平均角度傾斜。一個或兩個
5剛性元件部分的傾斜可以改善鼓輪的縱向剛度，因而可改善鼓輪的縱向動態。這個措施可以控制相對於轉子和定子元件之間的功能遊隙的振動模態。根據本發明的又一個優選實施例，該中心部分的內表面和該環形區域上遊和下遊的部分形成向著轉子級的中空體內部的開放的環形空腔。這個措施形成可在減小材料消耗的同時，保證增強的鎖緊肩的最優形式。根據本發明的又一個優選實施例，該環形區域在通過迴轉軸線的平面中的截面輪廓為大致U形，其開口朝向迴轉軸線。根據本發明的又一個優選實施例，該剛性元件部分或至少一個剛性元件部分從該幕幛向著該中空體的內部突出。這些突出的部分很好地增加剛性元件部分的剛度。根據本發明的又一個優選實施例，在與迴轉軸線垂直的方向上，上遊的剛性元件部分與該環形區域的中心部分的連接粗略地與該排葉片的前緣和上述中心部分相交處齊平，和/或在與迴轉軸線垂直的方向上，下遊的剛性元件部分與上述環形區域的中心部分的連接粗略地與該排葉片的後緣和上述中心部分相交處齊平。這種設計可以優化迴轉中葉片產生的應力的接收。根據本發明的又一個優選實施例，該上遊和/或下遊的剛性元件部分與該支承區域的中心部分的連接分別設在上述中心部分的上遊和/或下遊邊緣的後面，使上述中心部分的上遊和/或下遊邊緣突出。連接部分設在該中心部分的相應邊緣稍後可以限制在葉片中的應力集中。根據本發明的又一個優選實施例，上遊的剛性元件部分與該環形區域的中心部分的連接設在該排葉片的前緣與上述中心部分的相交點的下遊後面，和/或下遊的剛性元件部分與上述環形區域的中心部分的連接設在該排葉片的後緣與上述中心部分的相交點的上遊後面。根據本發明的又一個優選實施例，根據迴轉軸線，該中心部分從葉片排的前緣延
伸至其後緣。根據本發明的又一個優選實施例，根據迴轉軸線，該中心部分優選唯一地從葉片排的前緣的接合處延伸至其後緣的接合處。本發明還由包括至少一個級，優選是如前所述的幾個級的軸向渦輪機壓縮機鼓輪構成。禾Ij用說明和圖可以更好地理解本發明的其他特徵和優點。
圖1為包括帶有根據本發明的幾個轉子級的鼓輪的壓縮機的部分橫截面圖，圖2為根據本發明的可替換的第一轉子級的部分橫截面圖，圖3為根據本發明的可替換的第二轉子級的部分橫截面圖，圖4為根據本發明的可替換的第三轉子級的部分橫截面圖，圖5為根據本發明的可替換的第四轉子級的部分橫截面圖，圖6為根據本發明的可替換的第五轉子級的部分橫截面圖，
具體實施方式
圖1表示包括根據本發明的鼓輪或轉子(drum or rotor)的壓縮機。它是轉子2 和定子8的橫截面圖。該鼓輪2由圍繞著迴轉軸線迴轉的大致對稱的壁4構成，該壁4形成橢圓形或卵形線形的中空體。該壁4包括確定鼓輪總體形狀的幕幛。為了說明簡單起見，圖1隻表示轉子2和定子組的上半部，其另一下半部相對於迴轉軸線與上半部對稱。對定子8也同樣。根據圖1所示，定子8和轉子2形成氣流從左至右運動和壓縮的環形通道。 為了這個目的，轉子2包括鼓風機10(在圖的最左邊部分地示出)和三個平行排的葉片14。 這些葉片14剛性地固定在鼓輪2上並與它一起轉動。在多排轉子葉片14之間設置多排校正葉片12。這些校正葉片12的最上端剛性地固定在定子8的壁6上。每一排葉片12形成一個校正柵格，其作用是校正直接從上遊的一排轉子葉片14來的流體流動。一排轉子葉片與直接在下遊的一排定子葉片組合形成壓縮機的一個級。例如，在圖1的情況下，壓縮機由三個級構成。一排定子葉片放置在鼓風機10和第一排轉子葉片14之間。這排葉片校正由鼓風機10產生的流體流動。在圖1中看出，校正葉片12固定在形成定子8的壁6的外部環箍上。每一排定子的葉片的最下端分別埋入內部環箍18中。每一個內部環箍18的尺寸使得定子葉片之間連接並與轉子2緊配合。事實上，每一個環箍在其內表面上包括脆性材料，術語更通常稱為 「磨損的」，該材料如其名字所啟示，其具有挖空通路並在與轉子的幕幛的密封件16摩擦的過程中形成迷宮的能力。這些密封件16為相對於內部環箍18分別設在轉子2的外表面上的圓形肋。這些肋在與轉子的迴轉軸線大致垂直的平面上延伸，並形成點形式的外部邊緣， 可以與磨損材料接觸，在減小接觸表面，因而減小摩擦力的同時，保證一定的不可滲透性。圖1所示的鼓輪或轉子是單塊體的，即其壁4全部在一個塊體中形成。轉子葉片 14，至少其根部或底部也與壁4整體地形成。雖然在圖中看不出，每一個轉子葉片可由與轉子整體地形成的底部和優選可用任何傳統的連接方法，例如焊接與底部固定的頂部構成。 轉子的壁4由金屬材料，例如鈦製成。首先，用鍛造粗加工，再機加工。壁4包括形成凸出的大致圓柱形或橢圓或卵形線形並支承密封件6的幕幛。除了幕幛以外，該壁還包括支承轉子葉片的區域。這些區域具有特殊的幾何形狀，以優化轉子的剛度及其質量。轉子包括用同樣方法構成的三個這些區域。這樣，更詳細地說明第一排轉子葉片的支承區域，這個說明也可應用於轉子的其他級。壁4的支承區域為環形形式，並基本上由與迴轉軸線垂直的肋形式的壁的兩個部分20和22與支承該排葉片的中心部分21構成。中心部分21相對於形成該幕幛的鄰近的壁升高。在與迴轉軸線大致垂直並向著中空體外側取向的方向上的這個升高，使該中心部分21的外表面處於鄰近確定流體流的環箍18的內表面的水平。因為密封件的高度和環箍的必要厚度，環箍的這些內表面離該幕幛一個距離。確定流體流的環形區域的中心部分21 和環箍的內表面因此大致補償和對淮，以保證流動儘可能少受擾動。一般而言，環形支承區域的中心部分21是大致直立的或橫截面稍微彎曲的，與轉子的流體流的一般形式相適應。這個中心部分基本上為環形形式，葉片根部與它整體地形成。該中心部分在縱向方向的長度基本上與在這個方向的葉片根部及其連接的寬度相應。 這樣，中心部分21構成葉片排的大致環形平臺。肋形式的上遊橫向部分20和下遊橫向部分22連接這個平臺和該幕幛的其餘部分。在迴轉軸線的方向上，葉片的環形支承區域在該中空體內形成環形空腔，並向著後者開放。在通過迴轉軸線的平面上，該環形區域的截面大致為「U」形輪廓，其開口朝向迴轉軸線。上遊橫向部分20和下遊橫向部分22與中心部分的連接使它們離由該中心部分形成的平臺的相應末端一定距離。該上遊部分20與該中心部分21的連接粗略地與葉片的前緣齊平(與迴轉軸線垂直)，更精確地說，與葉片前緣的延伸和該平臺的交點齊平。同樣的情況適用於壁下遊的部分以及葉片後緣。這樣，由該中心部分形成的平臺具有突出的上遊側邊緣和同樣突出的下遊側邊緣。這個結構可以優化由葉片產生的離心應力的接管。葉片在其所有寬度上都笨重，因此抑制該平臺離其上遊和下遊邊緣一定距離可以避免在連接處的應力集中。另外，這些結構措施可在該上遊邊緣和該幕幛之間，以及同樣在該下遊邊緣和該幕幛之間設置一定空間，這個空間可使轉子和定子葉片排較靠近，從而減小壓縮機的總重量。該環形區域的壁上遊部分20和下遊部分22從該幕幛向著該中空體內部突出，形成在該中空體中的內部肋M和26。這可以增強轉子並具有它們的塊體從幕幛稍靠後設置並更接近迴轉軸線的優點。應當指出，葉片根部不是必需與轉子整體地形成。可以設置帶有開口的光滑的支承區域，以保證或增強以後對葉片的固定。在該支承區域中，在該中心部分21的外表面上可簡單地將葉片根部與支承區域焊接。葉片的根部還可具有可與固定平臺相比較的表面， 以便插入環形區域相應的開口中，再焊接。在這種情況下，這個平臺的尺寸可以很理想地減小，即其中心基本上在葉片上並且與前緣與後緣離開一定距離。還應指出，轉子壁不是必需製成一個件。可以希望將幾個部分裝配在一起。這種結構可以減小機加工的材料，因為首先可通過鍛壓使毛坯形狀更接近最終的形狀。從而可減小機加工除去的材料損失，以及減小機加工時間。圖2表示轉子的環形支承區域的可替換的第一個結構。箭頭表示流體流動的方向。在圖1的轉子的各個級中，該第一個結構與現有結構不同，主要是該上遊橫向部分20和下遊橫向部分22通過倒圓角與該幕幛連接，不再從該幕幛向著該中空體內部突出。壁倒圓角的優點是可減小該橫向部分和該幕幛之間連接處的應力集中。減小應力集中可實現圖1 設計中的內部肋。上遊的側壁部分20和下遊的側壁部分22與該平臺或中心部分21的連接離開相應的上遊邊緣30和下遊邊緣32 —定距離，並稍微向著由前緣27和後緣觀的垂直形成的空腔內部靠後設置。圖3表示轉子葉片的環形支承區域的可替換的第二個結構。箭頭表示流體的流動方向。這個結構與圖1的結構的區別主要在於上遊側壁部分20和下遊側壁部分22相對於迴轉軸線的垂直線傾斜。這個傾斜的優點是，在享有圖1的結構的優點時，可以根據迴轉軸線控制鼓輪的剛度。因為根據這個方向的一定的振動模態，該轉子實際上可為縱向振動動態特性。在支承區域上的一個或另一個側壁部分的傾斜可以保持足夠的縱向剛度。這個措施是有用的，因為在上遊邊緣30或下遊邊緣32與內部環箍的相鄰邊緣之間的機械遊隙減小。圖4為轉子葉片的環形支承區域的可替換的第三個結構。箭頭表示流體流動的方向。這主要是圖2和3的設計的組合，即其特徵在於，上遊橫向部分20和下遊橫向部分22 如圖3那樣傾斜，並如圖2那樣，利用倒圓的部分與該幕幛連接。因此，這個結構具有圖2 和3的實施例組合的優點。
圖5表示轉子葉片的環形支承區域的可替換的第四個結構。箭頭表示流體的流動方向。這個結構相應於圖4的結構，差別是，一個橫向部分，例如下遊部分22與迴轉軸線垂直而不傾斜。在這種情況下，下遊橫向部分22不與該幕幛連接。這個結構對最後一排葉片是好的。它可以在徑向應力大時保持剛性，同時保證必要的縱向剛性。圖6表示轉子葉片的支承區域的可替換的第五個結構。箭頭表示流體的流動方向。這個結構與圖1所示的結構連接，但內部肋對和沈不再向著迴轉軸線突出，而現在是在縱向方向一個向著另一個。重要的是指出，轉子葉片的支承區域的各種可替換的結構純粹是說明性的而不是限制性的。因此，根據本發明可有其他相似的結構。另外，應當注意，每一個轉子級可具有根據各種尺寸參數對該轉子級是特定的葉片的環形支承區域的結構。在以上給出的本發明的說明中，構成該幕幛和轉子級的環形支承區域的壁構造成一體。雖然，這個實施例似乎是最實際的，但應指出，本發明可允許轉子級的壁由例如用焊接裝配的幾個壁部分構成。
權利要求
1.一種軸向渦輪機壓縮機鼓輪轉子級，上述壓縮機與在大致根據迴轉軸線取向的一個方向上的流體流交叉，該轉子級包括相對於迴轉軸線大致迴轉對稱的並形成中空體的壁G)，上述壁包括幕幛和支承一排葉片(14)並與該幕幛整體地形成的環形區域(20，21， 22)；每一個上述葉片具有前緣06)和後緣(觀)，其特徵在於，上述環形區域包括相對於上述幕幛升高的中心部分(21)，其外表面確定葉片(14)之間的流體流，並作為在從上述中心部分的上遊邊緣(30)至葉片(14)的排的前緣06)和/或從上述中心部分的下遊邊緣(3 至該排葉片的後緣08)的上述環形區域的圓周上的一個塊體。
2.如上述權利要求的轉子級，其特徵在於，根據迴轉軸線的不同，該環形區域的中心部分的外表面，在上述表面的長度上，一般為光滑的，優選大致圓柱形的、錐形的或凸起的形式。
3.如上述權利要求中任一項的轉子級，其特徵在於，每一個葉片(14)的至少一部分， 優選是全部與該環形區域00,21,2 整體地形成，或者每一個葉片(14)焊接到上述環形區域 Q0，21，22)。
4.如上述權利要求中任一項的轉子級，其特徵在於，該環形區域包括與迴轉軸線大致垂直或傾斜的、優選與迴轉軸線的平均角度超過40°的連接該中心部分和該幕幛的至少一個剛性元件部分00，22)。
5.上述權如利要求中任一項的轉子級，其特徵在於，該環形區域包括連接該中心部分 (21)與幕幛的上遊的上遊剛性元件部分OO)以及連接該中心部分與幕幛的下遊的下遊剛性元件部分02)。
6.如權利要求4或5中任一項的轉子級，其特徵在於，該剛性元件部分(20，22)或至少一個剛性元件部分與迴轉軸線大致垂直或以對迴轉軸線大於40°的、優選大於50°的平均角度傾斜。
7.如權利要求5或6中任一項的轉子級，其特徵在於，該中心部分的內表面以及該葉片排的支承區域的上遊OO)和下遊0 部分，形成向著轉子級的中空體內部的開放的環形空腔。
8.如權利要求5或7中任一項的轉子級，其特徵在於，該環形區域O0，21，22)在通過迴轉軸線的平面中的截面輪廓大致為U形，其開口朝向迴轉軸線。
9.如權利要求4-8中任一項的轉子級，其特徵在於，該剛性元件部分(20，22)或至少一個剛性元件部分從該幕幛向著該中空體的內部突出。
10.如權利要求5-9中任一項的轉子級，其特徵在於，在與迴轉軸線垂直的方向上，上遊的剛性元件部分OO)與該環形區域的中心部分的連接粗略地與該排葉片的前緣 (27)和上述中心部分相交處齊平，和/或在與迴轉軸線垂直的方向上，下遊的剛性元件部分0 與上述環形區域的中心部分的連接粗略地與該排葉片的後緣08)和上述中心部分相交處齊平。
11.如權利要求5-10中任一項的轉子級，其特徵在於，該上遊OO)和/或下遊02) 的剛性元件部分與該環形區域的中心部分的連接分別設在上述中心部分的上遊 (30)和/或下遊(3 邊緣的後面，使上述中心部分的上遊和/或下遊邊緣突出。
12.如權利要求5-11中任一項的轉子級，其特徵在於，上遊的剛性元件部分OO)與該環形區域的中心部分的連接設在該排葉片的前緣(XT)與上述中心部分的相交點的下遊後面，和/或下遊的剛性元件部分0 與上述環形區域的中心部分的連接設在該排葉片的後緣08)與上述中心部分的相交點的上遊後面。
13.如上述權利要求中任一項的轉子級，其特徵在於，根據迴轉軸線，該中心部分從葉片排的前緣(XT)延伸至後緣08)。
14.如上述權利要求中任一項的轉子級，其特徵在於，根據迴轉軸線，該中心部分優選唯一地從葉片排的前緣(XT)的接合處延伸至其後緣08)的接合處。
15.軸向渦輪機壓縮機轉子0)，包括根據上述權利要求中一項的至少一個級，優選幾個級。
全文摘要
本發明涉及軸向渦輪機壓縮機鼓輪(2)的轉子級。該轉子級包括圍繞迴轉軸線迴轉對稱的壁(4)。該壁(4)包括確定該壓縮機鼓輪的大致形狀和支承一排葉片(14)的環形區域(20，21，22)的幕幛，上述區域與該幕幛整體地形成。這個區域具有特定的形狀，其確定流體流的外表面相對於該幕幛升高。這個區域的橫截面為「U」形，其開放部分朝向迴轉軸線。該環形區域包括兩個壁部分，一個上遊部分(20)和一個下遊部分(22)，保證與該幕幛的連接和用作剛性元件。這些部分優選與迴轉軸線垂直或相對於垂直線傾斜。每一個上遊(20)和下遊(22)的壁部分與該支承區域的中心部分(21)的連接離該中心部分(21)的相應邊緣有一個距離，以避免應力集中。
文檔編號F04D29/26GK102192186SQ201110059219
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月11日 優先權日2010年3月12日
發明者米歇爾.沃拉索夫斯基 申請人:航空技術空間股份有限公司