能夠修正轉子相對於定子偏差的分節段殼體的製作方法

2023-09-14 00:31:00 1

專利名稱：能夠修正轉子相對於定子偏差的分節段殼體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於覆蓋轉子葉片排的翼梢的外罩(housing)，所述外罩具有在葉片翼梢和外罩之間的密封裝置。更具體地，本發明涉及一種用於軸向渦輪機壓縮機(axial turbomachine compressor)的外罩。本發明還涉及一種包括這樣的外罩的軸向潤輪機壓縮機。
背景技術：
美國專利文件6，406，256B1公開了一種位於軸向渦輪機轉子和定子之間的旋轉密封件。具體地說，該文件闡述了解決在覆蓋較寬溫度範圍的運行條件下葉片翼梢和外殼體之間的間隙變化的補償問題，此類間隙變化典型地存在於渦輪機的渦輪部分中。密封裝置包括圍繞轉子葉片翼梢布置的分節段的殼體。每一節段通過指形件而被保持在定子外罩壁內，這些指形件在彼此相對的方向上與外罩壁上相應槽成角度，與在外罩壁上相應的槽一起起作用。在不同節段溫度升高的情況下，外罩壁上相應的槽會輕微地膨脹和延長。這種延長會引起移動指形件遠離它們的初始停止位置。因為指形件與外罩壁上相應的槽是成角度的，所以這些指形件會徑向地從轉子移開，這會有效地拉動節段向上，從而補償由於溫度升高引起的節段葉片翼梢閉合。此補償設備是引人關注的，但是缺乏對除了由溫度變化以外的其它現象引起的間隙變化的補償。實際上，位於轉子葉片排和殼體之間的間隙還會根據它們的旋轉速度而變化，也會受到由於操縱負荷(與渦輪機狀態變化有關的陀螺轉矩)和外來物體(例如鳥)的吸入引起的任何偏差的影響。在轉子和定子之間的偏差會改變葉片翼梢和殼體之間的物理間隙，以致於葉片翼梢在個別區段上會碰到殼體，而在相反區段上間隙會顯著增大。美國專利2008/0159850A1公開了一種在軸向渦輪機的渦輪段的轉子和定子之間的旋轉密封件。該專利闡述了解決殼體溫度高和必須冷卻該殼體的問題。所提及的解決方案大體上由快速緊固裝置、推動組件和殼體拆卸組成。更具體地，它包括提供分節段的殼體，在該殼體中每個節段具有徑向地指向定子外側的楔形橫截面圓周肋。所述肋與相應的大致在定子外罩壁上的凹槽部分結合起作用。可選地，彈簧可以被放置在外罩壁上來向節段施加力，該力朝向轉子旋轉中心大致徑向地作用。此彈簧用於在所述槽表面和相應的楔形截面肋表面之間施加接觸力以確保一定程度的緊密。密封件也可以側向布置在肋上，位於與殼體內表面相對的節段表面和外罩壁的內表面之間。因為渦輪機在高溫下工作，所以這些密封件由固體材料製成。該方案的優勢在於通過相對於外罩壁的簡單平移運動就能夠很容易地替換殼體的不同組成節段。與該專利圖3可能表明的相反，殼體的組成節段不能徑向地移動，更不必說對於任何偏差或任何間隙變化的補償了。 專利FR2636373A1涉及在燃氣輪機中不同的熱膨脹的問題，更具體地，涉及對於在轉子葉片翼梢和相關殼體之間的間隙變化的補償。所提及的方案單個閉合環狀套，該閉合環狀套藉助一系列補償器利用空氣波紋管安裝在轉子箱上。壓縮後的空氣被供向補償器以向殼體施加徑向力，進而控制在葉片翼梢和殼體之間的徑向間隙。雖然該解決方案在技術上令人感舉並且可能有效，但是自身局限於均勻地補償在整個圓周範圍的間隙。因此，在轉子和定子之間有偏差情況下，不能補償間隙變化。另外，該方案需要控制空氣壓力的裝置，這使得實施該方案相對昂貴和容易失效。

發明內容
在渦輪機的壽命中，增大間隙的不可逆因素之一是轉子軸線相對於定子出現偏差，從而間隙在一側縮小而在另一側加大。對於渦輪機，存在至少兩個可逆的並受限於運行持續時間的偏差來源第一，偏差來源與操縱負荷(與渦輪機姿態變化有關的迴轉轉矩)相關，以及第二，與外來物體(例如鳥)的吸入有關。另一方面，可逆的且可修復的輕微偏差可能發生在渦輪機壽命期間。此輕微偏差由與轉子的孤立損壞有關的不平衡引起，不論是偶然或非偶然。當偏差發生時，易碎(可磨損的)材料的薄層不可逆地從工作表面脫落；這導致間隙的不可逆增加，從而同樣導致渦輪機性能不可逆地下降。
除了由空氣動力學的性能損失引起的問題，轉子軸相對於定子的偏差引起在初級流動通道內的可磨損顆粒釋放，這可能引起發動機損壞(具體地，由渦輪上的通風孔被堵塞引起)。此外，如果出現較大偶然偏差，轉子箱必須能保證高能運動部分不會穿透。因此，轉子箱的結構應設計為能夠承受這樣的極限情況。本發明的一個目的是提供在軸向渦輪機的轉子和定子之間的密封件，從而克服至少一個上面提及的問題。更具體地，本發明的目的是提供與轉子和定子之間的偏差相適應的在軸向渦輪機轉子和定子之間的密封件。更具體地，本發明的目的是提出一種解決軸向渦輪機壓縮機的上述問題之方案。本發明涉及覆蓋軸向渦輪機壓縮機的轉子排的葉片翼梢的外罩，包括結構壁；用於圍繞葉片排且由所述壁支撐的分節段的殼體；其中，所述外罩進一步包括布置在所述壁和所述殼體的節段之間的彈性裝置，以在與轉子葉片的翼梢接觸的情況下，特別是在轉子旋轉軸相對於外罩軸偏差的情況下，使所述節段能徑向地移動。根據本發明的一個有利實施方式，彈性裝置支撐節段。節段專有地被彈性裝置保持。可選地，可以通過機械保持力的方式限制節段向翼梢的徑向移動。根據本發明的另一個有利實施方式，彈性裝置包括一個或多個由一種或多種彈性變形材料製成的元件，所述元件的彈性主要基於所述材料的彈性，所述材料優選是人造橡膠。根據本發明又一個有利實施方式，彈性裝置包括多個圓周方向地和/或軸向地分布的彈性元件。根據本發明又一個有利實施方式，彈性元件是彼此間隔分開的，以使它們可以自由地變形。根據本發明又一個有利實施方式，彈性裝置包括多個均具有附接到所述壁的第一端和附接到殼體節段的第二端的彈性元件。根據本發明又一個有利實施方式，所述第一端和/或第二端是通過粘合，尤其是通過擴散和/或膠合附接的。根據本發明又一個有利實施方式，所述壁具有內凹槽，所述彈性裝置至少部分地容納在所述凹槽裡。根據本發明又一個有利實施方式，所述殼體的節段各自具有在殼體圓周方向上斜切的端部。節段的被連接端部優選地彼此關聯，並且被斜切而使得節段朝向箱體的徑向移動通過端部聯接引起相鄰節段沿轉子旋轉方向的類似移動。
根據本發明又一個有利實施方式，節段的端部大體上相對於切線在30°與60°之間傾斜的橫截面，所述橫截面優選是平直的。根據本發明又一個有利實施方式，每個殼體節段的端部在圓周方向上以相同方向傾斜。根據本發明又一個有利實施方式，殼體節段具有與葉片翼梢摩擦地相容的內表面。根據本發明又一個有利實施方式，所述殼體節段的內表面具有為葉片翼梢與所述內表面摩擦的情況而設置的脆性塗層。本發明還涉及一種軸向渦輪機壓縮機，其包括轉子；設有至少一排葉片；定子，具有容納轉子的外罩，其特徵在於外罩是根據本發明而構造的。根據本發明的一個有利實施方式，當轉子旋轉軸與轉子軸對準時，在正常運行中，在葉片翼梢與所述殼體之間有機械間隙。與背景技術中所討論的現有技術不同，本發明具有允許節段之間徑向位移從而補償定子和轉子之間的偏差的優勢，特別是在飛行器姿態改變的情況下或者因為外來物體吸入。已認定的現有技術關注於渦輪的熱問題而沒有以任何方式解決偏差的問題。例如在姿態變化期間，偏差問題可能突然出現，然後消失。所建議的方案通過使主體分割成節段並用彈性件使這些節段維持狀態，從而使殼體能順應偏差後再回復到其原始圓形形狀。人造橡膠材料塊的使用具有人造橡膠的固有的高阻尼係數的優勢。


圖I是飛行器發動機類型的雙轉子軸流渦輪風扇的示意性截面視圖，飛行器發動機的低壓和/或高壓壓縮機可能裝備有一個或多個本發明描述的密封裝置。圖2是圖I中發動機的低壓壓縮機的部分截面視圖，所述低壓壓縮機裝配有本發明描述的密封裝置。圖3是圖2中壓縮機的密封裝置之一的截面視圖。圖4是圖3中彈性元件之一的細節視圖，所述彈性元件在殼體和外罩之間連接。圖5是圖4中的彈性元件處於被壓縮狀態的視圖。圖6是圖2中一個壓縮機部分的截面視圖，描述了本發明的密封裝置。圖7是可替換圖3所示密封裝置的密封裝置的截面視圖。
具體實施例方式在下面的描述中，用來描述殼體和外罩壁的表面的術語「內部」和「外部」與形成在套筒(sleeve)和外罩壁之間的封套相關；「內部」於是意味著在封套內側，「外部」意味著在封套外側。相反，請注意，針對殼體(不是對於其表面)的術語「外部」涉及大致環形流體流；「外殼體」是指僅僅在流體流的外或外側邊界內的殼體，而「內殼體」是指僅僅在流體流的內或內部邊界外側的殼體。如圖I所示軸向渦輪機2是雙轉子飛行器噴氣發動機。從上遊到下遊，它包括低壓壓縮機4、高壓壓縮機6、燃燒室8和渦輪10。低壓和高壓壓縮機是不受高溫影響的，渦輪是承受高溫的。因此，使用具有較低熔點的材料來製造壓縮機的各構件是有可能的。圖2示出圖I中的低壓壓縮機4如。圖2所示的是具有數排所謂轉子葉片24的轉子20。定子由外罩12和壁16組成，壁16標示出二級空氣流的邊界。外罩12支撐著一系列固定葉片(即所謂定子)26。每個圓周排的定子葉片與一個圓周排的轉子葉片一起構成一個壓縮級，其目的是增加穿過該壓縮級的流體(在此為空氣)的壓力。因為壓力梯度通常是在軸向方向的，所以有必要在旋轉和固定部分之間沿著流體流自始至終提供密封裝置。外殼體 22以一定量的接觸配合在每排轉子葉片24的外翼梢之上，以此來確保密封。圖3是裝有本發明描述的密封裝置的外罩的截面視圖。該外罩壁12包括成型凹槽32，其以凹進外罩內表面而成的通道形式存在。該凹槽包含一系列固定到其底部表面並固定到殼體22上的彈性變形元件30。彈性變形元件30部分地位於凹槽內。殼體22單獨地通過彈性變形元件30定位且固定到箱體上。殼體具體化為一系列分開的節段22，以便在轉子和定子之間有偏差的情況下其可以獨立地移動。事實上，彈性變形元件30保證在這些不同節段和外罩之間的彈性連接，以便在葉片翼梢與殼體內表面接觸的情況下，在葉片接觸力下受該接觸影響的殼體節段可以通過彈性變形元件30的變形向凹槽移動。元件30的變形效果如圖4和圖5所述。在圖4中，可以觀察到元件30在其正常狀態，在該狀態下殼體的節段22的外表面與箱體12的凹槽的底部表面相距距離e。該距離e是元件30的高度。在圖5中，同一個元件30在由葉片翼梢與殼體節段22的內表面接觸而產生的力的影響下處於變形狀態。元件30具有高度為e』的桶狀，e』小於e，e』對應於殼體節段22的外表面和在外罩12上的凹槽的內表面之間的新距離。彈性變形元件30優選地由人造橡膠材料製成。這些彈性變形元件30優選是分別粘合到外罩上和殼體上。也可以通過擴散、螺釘或其它本領域技術人員已知的連接方法連接。彈性變形元件優選由固有彈性變形材料製成，這些材料賦予這些彈性變形元件彈性變形的能力。彈性變形元件也可以是機械變形元件，機械變形元件的彈性變形能力是基於彈性變形材料和諸如彈簧等特定幾何結構的組合。如圖3中所示，殼體節段優選是通過軸向布置的幾個彈性變形元件連接到外罩。圖6是圖2中壓縮機外罩的一部分的截面視圖。從中可以看出，殼體被分割成為一系列分立的部分或節段，這些部分或節段彼此分立。每個節段22的兩個圓周方向端部以相同的方向斜切，以保證不同節段之間連接的連續性。應當注意到所述斜切是相對於轉子旋轉的方向定向的，這是為了避免連接處的突出部分與移動的葉片可能的正面接觸。從圖6可見，斜切所成的角度使任何節段的任何向外的徑向移動能夠引起隨後的節段與其一起沿轉子旋轉方向移動。在前一個節段尾端的斜切面向外推動在隨後節段前端的斜切面。因此，在連接處的殼體的內表面基本上保持連續。儘管殼體靜止時為圓形，但是它可以變形以與轉子和定子之間的任何偏差相匹配。節段的斜切端通常優選是大致平面。然而，它們可以取各種的形狀以保證相鄰節段可以互鎖，從而如上面所述，當轉子的旋轉對某些節段施壓時，能夠保證在節段之間的連接處的殼體內表面的連續性。例如，所述端部可以在垂直於機器旋轉軸的平面上具有階梯狀輪廓。彈性變形元件30位於專設的基底上，並且這些彈性變形元件彼此相距幾個圓周方向的排。使彈性變形元件30軸向地和/或圓周方向地彼此間隔開，從而允許單獨的彈性變形元件自由地和獨立地變形。因此，這樣的布置方式意味著在穿過壓縮機的流體流中的位於葉片排上遊的一點與在該流體流中的位於下遊的另一點之間不存在密封。在殼體的上遊邊緣和下遊邊緣與凹槽32的相應邊緣之間(見圖3)分別設置最小間隙，以保證得到可接受的密封。但是，有可能在殼體上遊邊緣和下遊邊緣與外罩中的相應凹槽之間設置密封裝 置。實際上，如圖7所述，，通過例如粘合將密封件34固定於凹槽32的與殼體22的上遊邊緣和下遊邊緣對應的邊緣。除了提供密封之外，所述密封件還可以用於衰減殼體不同節段的移動。通常，應當注意的是殼體在其內表面上可能有脆性材料塗層，當塗層與轉子葉片摩擦接觸時，塗層能夠碎裂。這樣的塗層稱為「可磨損的」，為本領域技術人員所熟知。殼體移動和變形以匹配定子和轉子之間的偏差的能力可以意味著更薄和/或更硬的塗層、甚至沒有塗層都是可以的。實際上，由於密封裝置的優勢，可以理解，能夠使用沒有任何類型的可磨損塗層的光滑表面金屬殼體材料。較硬材料的使用意味著，在耐磨塗層和移動的轉子翼梢之間的接觸中沒有或很少顆粒會脫落，這些顆粒能損壞發動機。通常，也要注意到的是作為本文主題的密封裝置是不需要提供完全密封的，特別是由於葉片翼梢和殼體內表面之間的物理間隙的存在。還值得注意的是，對於彈性材料的元件或固體塊30存在許多可能的替代物。實際上，存在許多具有較大或較小阻尼係數的彈性裝置和器件。
權利要求
1.一種用於覆蓋軸向渦輪機壓縮機轉子葉片排的端部的外罩，包括 結構壁(12)； 分節段的殼體(22)，用於圍繞所述葉片排並被所述壁支撐； 其中，所述外罩進一步包括 彈性裝置(30)，位於所述 壁(12)和所述殼體的節段(22)之間，以所述節段在與轉子葉片翼梢(24)接觸的情況下，特別是在轉子旋轉軸相對於外罩軸有偏差的情況下，允許所述節段移動。
2.根據權利要求I所述的外罩，其特徵在於所述彈性裝置(30)支撐所述節段(22)。
3.根據權利要求I或2所述的外罩，其中，所述彈性裝置(30)包括一個或多個由可彈性變形的材料製成的元件，所述元件的彈性主要基於所述材料的彈性，所述材料優選是人造橡膠。
4.根據權利要求I到3中任一項所述的外罩，其中，所述彈性裝置(30)包括圓周方向地和/或軸向地分布的多個彈性元件。
5.根據權利要求4所述的外罩，其中所述多個彈性元件(30)是彼此間隔分開的，以使它們可以自由地變形。
6.根據權利要求I到5中任一項所述的外罩，其中所述多個彈性元件(30)包括多個均具有附接到所述壁的第一端和附接到殼體節段的第二端的彈性元件。
7.根據權利要求6所述的外罩，其中，所述第一端和/或所述第二端是通過粘合，尤其是通過擴散和/或通過膠合附接的。
8.根據權利要求I到7中任一項所述的外罩，其中，所述壁(12)具有內凹槽(32)，所述彈性裝置(30)至少部分地被容納在所述凹槽內。
9.根據權利要求I到8中任一項所述的外罩，其中，所述殼體的節段(22)各自具有相對於套筒在圓周方向上斜切的端部。
10.根據權利要求9所述的外罩，其中，所述節段的端部具有大體上相對於切線在30°與60°之間傾斜的橫截面，所述橫截面優選是平直的。
11.根據權利要求9或10所述的外罩，其中，所述殼體的每個節段的端部在圓周方向上以相同方向斜切。
12.根據權利要求I到11中任一項所述的外罩，其中，所述殼體的節段具有與葉片端部摩擦地相容的內表面。
13.根據權利要求12所述的外罩，其中，所述殼體的節段的內表面具有為葉片翼梢與所述內表面摩擦的情況而設置的脆性塗層。
14.一種軸向渦輪機壓縮機，包括 轉子(20)，設有至少一排葉片(24)； 定子，具有容納轉子的外罩(12)； 其中，所述外罩是根據權利要求I到11中任一項所述的外罩。
15.根據權利要求14所述的軸向渦輪機壓縮機，其中，當轉子旋轉軸與轉子軸對準時，在正常運行中，在葉片(24)的端部和所述殼體(22)之間有機械間隙。
全文摘要
本發明涉及一種覆蓋軸向渦輪機壓縮機轉子葉片排的端部的外罩，所述外罩具有在葉片翼梢和該外罩之間密封裝置。外罩包括殼體(22)，殼體沿其圓周分割成節段，每個節段通過一系列人造橡膠元件(30)被固定到所述外罩(12)上，這些橡膠元件位於凹進外罩內表面成通道形狀的凹槽內。以這樣的方式，在轉子相對於定子有偏差的情況下，與殼體的節段接觸的所述轉子葉片(24)能夠移動以補償該偏差，同時減少由葉片和殼體之間的接觸而產生的摩擦力。在重新建立對準的情況下，殼體的節段能夠因人造橡膠元件(30)的彈性行為而重返它們的初始位置。
文檔編號F04D29/52GK102654141SQ20121014229
公開日2012年9月5日 申請日期2012年3月5日 優先權日2011年3月3日
發明者J-F·科特奎斯 申請人:航空技術空間股份有限公司