CN104976155B - 用于轴向涡轮压缩机的有小面的壳体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到一种用于轴向涡轮机的压缩机的外部复合壳体，所述壳体具有通常圆形的有基体和纤维增强件的壁。所述壳体(28)包括具有内表面(40)的圆形壁(32)，所述内表面具有围绕所述壁(32)的圆周的连续曲线。所述壁包括与所述壁的内弯曲表面(40)平齐的平坦小面(42)。所述小面(42)被布置成环形的排以便接收定子叶片的环形排。所述小面(42)是平坦的盘，叶片压靠在其上，以优化叶片取向同时降低在平台/壁界面处的机械应力集中。

Description

用于轴向涡轮压缩机的有小面的壳体
技术领域
本发明涉及轴向涡轮机的外部壳体。更具体地，本发明涉及一种涡轮机壳体，该涡轮机壳体包括具有连续曲线的圆形壁。本发明还涉及具有壳体的涡轮机。
背景技术
轴向涡轮压缩机通常也具有外部壳体，成排的叶片附连到外部壳体。它们也可以附连在沟槽中，或者使用装配螺栓穿过所述壳体的壁而附连。如果所述壁本质上是薄的，测定为几个毫米，这种解决方案是特别有利的。每个叶片具有带一个表面与所述壳体壁的内表面接触的附接平台。
由于机械强度的原因，所述叶片和平台可以由金属制成，例如钢或钛合金。为了减轻外壳，所述壁是由复合材料制成的。为了质量节省最优，所述复合材料可包括与混合了碳纤维的增强件结合的聚合物树脂。
文献EP 2 402 615 A1公开了具有由复合材料制成的外部壳体的轴向压缩机。它的壁具有在其平台上被压平的三个环形的叶片排。机械连接通过附接元件提供。这种教导趋于最优化定子的刚性和轻量化。然而，在组装过程中，应力被集中在所述壁与平台之间的界面上，可能导致由硬度差异造成的损害。这里教导的是，在吸入发生时，添加用于吸收在所述壁与平台之间界面上的冲击的接头。然而，接头的弹性降低了刚性，而且接头的加入增加了质量。这种解决方案使装配变得复杂化。
这种教导优化了复合壳体的强度。然而，它的刚性仍然很低，并且如果是外部压缩机壳体的情况刚性可能变得不足，因为这样的壳体承受高的应力。如果风扇叶片的损耗发生，涡轮机经历高幅度的振动，并且壳体因而高度受压。热应力和湿度也显著降低壳体的机械强度。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是克服至少一个现有技术存在的问题。更具体地，本发明旨在减少涡轮机壳体的壁与叶片平台之间的应力集中。本发明还旨在简化接收设有附接平台的叶片的壳体壁。
技术解决方案
本发明涉及轴向涡轮机壳体，特别涉及压缩机的壳体，所述壳体具有带内表面的圆形壁，所述内表面具有围绕所述壁的圆周的连续曲线，值得注意的是，所述壁包括被设计为接收定子叶片平台并且与所述壁的内弯曲表面平齐的平坦小面(facet)。
根据本发明的一个有利实施例，所述小面被布置成至少一个环形排，优选地被布置成在沿所述壁轴向分布的几个环形排，并且/或者来自不同排的小面是轴向对齐的。
根据本发明的一个有利实施例，所述小面和内表面在其交界处具有轴向地和/或周向地连续的表面，所述小面在所述小面交界处相对于内弯曲表面的切线是倾斜的。
根据本发明的一个有利实施例，所述小面绕内表面的圆周有角度地分布。
根据本发明的一个有利实施例，所述壁在小面的旁边具有恒定的厚度，和/或所述壁的外表面在小面旁边包括外平坦部。
根据本发明的一个有利实施例，每个小面具有适合于附连定子叶片的至少一个附接孔，并且可能每个小面仅一个孔；所述孔布置在至少一个环形排中。
根据本发明的一个有利实施例，内表面从每个小面向上游和下游延伸，和/或所述内表面绕所述壁的圆周在小面之间延伸。
根据本发明的一个有利实施例，每一个或至少一个小面是盘状的，并且一些盘可被横向截短(truncated)。
根据本发明的一个有利实施例，至少一排的小面是单独地或沿着接合线邻接的。
根据本发明的一个有利实施例，所述内表面包括锥形部分、和/或球面部分、和/或椭球面部分。
根据本发明的一个有利实施例，所述壁是具有有机基体和纤维增强件的复合壁，所述纤维增强件包括纤维层片的堆叠，其中，所述纤维层片在小面旁边平行于小面，而在小面以外是弯曲的。
根据本发明的一个有利实施例，所述壳体包括至少一个环形排的定子叶片，每个定子叶片具有以平坦承载表面压靠小面的附接平台，在给定排中的叶片的所述平台彼此横向接触；每个叶片还具有从所述平台径向地向内延伸的桨叶。
根据本发明的一个有利实施例，每个叶片平台包括至少一个较薄区域和一个较厚区域，每个平台的承载表面形成在较厚区域上，并且内接在相应的小面内，每个承载表面优选地是圆形的。
根据本发明的一个有利实施例，每个叶片附接平台具有穿过相关小面的装配螺栓。
根据本发明的一个有利实施例，内表面在壁的圆周方向上是连续的和/或光滑的。
根据本发明的一个有利实施例，内表面轴向地和/或周向地延长所述小面，可能是被直接地延长。
根据本发明的一个有利实施例，小面的界限是形成于内表面上的线。
根据本发明的一个有利实施例，小面通过内表面彼此分离。
根据本发明的一个有利实施例，小面被内表面延长，优选地被直接延长。
根据本发明的一个有利实施例，小面和壁的内表面形成连续的表面。
根据本发明的一个有利实施例，至少一个环形排的小面的盘朝向所述排的其它小面被截短。
本发明还涉及一种具有壳体的轴向涡轮压缩机，值得注意的是所述壳体如本发明所要求的那样。
本发明还涉及一种具有壳体的轴向涡轮机，值得注意的是所述壳体如本发明所要求的那样，并且值得注意的是所述涡轮机包括压缩机，所述壳体是压缩机的壳体并且由两个环形半壳体形成，所述环形半壳体各自具有用于组装所述半壳体的轴向凸缘。
根据本发明的一个有利实施例，所述涡轮机包括如本发明所要求的压缩机。
优势
本发明能够减少壳体壁与叶片平台之间的应力集中。这个优势是由小面的与平台的平坦表面一致的平坦形状实现的。由于平台可以简单地通过研磨进行加工，这些表面的生产成本低廉。
此外，因为叶片压靠在精确地形成的平坦表面上，这种附连方法提高了叶片的取向的精度。只要有可能叶片平台的承载表面保持内接在小面内，和/或只要装配螺栓保持接合在相应附接孔中，叶片的取向精度不依赖于叶片相对于其小面的位置。
由于应力集中，所述平坦表面之间的接触便利于调整叶片翼弦(chord)的取向或叶片角度，并因此如果叶片在前述小面上枢转，磨损被减小。
附图说明
图1示出了根据本发明的轴向涡轮机。
图2是根据本发明的涡轮压缩机的图。
图3是根据本发明的涡轮压缩机的壳体的轴向视图。
图4根据本发明示出了具有与所述壳体的小面接触的平台的定子叶片。
图5根据本发明示出了具有环形叶片排的壳体，所述叶片的平台彼此横向接触，所述排是径向向外地观察的。
图6示出了根据本发明的叶片附连到其上的壳体壁部分。
具体实施方式
在下面的描述中，所述术语内部和外部指的是相对于轴向涡轮机的旋转轴线的位置。轴向方向沿旋转轴线延伸，而径向方向垂直于所述轴向方向。横向方向围绕圆周延伸，并且可以垂直于轴线。
图1是轴向涡轮机的简化图示。在这种特定的情况下，它是一种双流涡轮喷气发动机(dual-flow turbojet)。涡轮喷气发动机2具有被称为低压压缩级4的第一压缩级、被称为高压压缩级6的第二压缩级、燃烧室8，以及一个或多个涡轮级10。在操作时，涡轮10的机械功率经由中心轴传送到移动两个压缩机4和6的转子12。
压缩机具有与多排定子叶片相关联的几排转子叶片。转子围绕其旋转轴线14的旋转从而使得空气流能够产生并被逐渐压缩，直到它进入燃烧室10。
入口风扇16耦合到转子12，并产生被分成初级流18和次级流20的空气流，所述初级流18穿过涡轮机的上述不同级，所述次级流20在涡轮的出口处重新加入初级流之前穿过沿所述机器的环形导管(部分地示出)。初级流和次级流18、20是环形流，它们使用可以是内部或外部的圆柱形分隔或护罩输送。
图2是轴向涡轮机的压缩机的横截面，所述轴向涡轮机诸如在图1中的那个。所述压缩机可以是低压压缩机4。风扇16的一部分以及所述初级流18与次级流20的分离器尖端22被示出。转子12可以包括若干排转子叶片24，在本例中是三排。
低压压缩机4可包括至少一个各自包含定子叶片26的一个环形排的导引叶片，优选地包括几个导引叶片，在这种情况下为四个。每个导引叶片与风扇16或一排转子叶片24相关以引导来自前述风扇或转子叶片的气流，诸如将流的速度转换成压力。
所述压缩机具有至少一个壳体28。所述壳体28可具有整体的圆形或管状形状。它可以是外部压缩机壳体，并且可以由复合材料制成，这有助于减少所述壳体的质量，同时优化所述壳体的刚性。壳体28可包括用于附接分离器尖端22和/或用于附连到涡轮机的中间风扇壳体的附接凸缘30，例如环形附接凸缘30。所述壳体然后充当分离器尖端22与中间风扇壳体之间的机械连接。壳体也可用于将分离器尖端22相对于中间壳体定心，例如使用前述壳体的环形凸缘。环形凸缘30可以由复合材料制成，并包括附接孔(未示出)以实现使用螺栓或锁紧螺栓的附接。凸缘30可具有诸如定心孔的定心表面。
壳体28可具有通常圆形或半圆形的壁32，其轴向边缘可通过凸缘30界定。所述壁32可具有绕旋转轴线14的旋转轮廓。所述壁32可由具有基体和增强件的复合材料制成。壁32可以是具有沿轴线14变化的半径的拱形。
定子叶片26在环形叶片的底座区域处基本上径向地延伸离开壁32。这些区域可以包括附接装置，诸如环形槽或附接孔。叶片26可以单独地附连在那里，或形成附连到壁32的叶片区段。所述壁形成在不同排和/或在单个叶片排中的几个叶片之间的机械连接。
至少一个或每个定子叶片26可包括附接平台34，其有可能设置有诸如螺纹杆的装配螺栓36或任何其它等效装置。在操作中，定子叶片26受到来自所述流的应力。除了每个叶片的实际重量外，这些应力可以仅由壁32承受。这种布局意味着壁32可承受循环的应力施加，鉴于所述流在涡轮机运转期间的变化，所述应力是可变的。应力的不规则性造成复合和复杂的变形模式。所述壁在叶片的平台34之间可以包括可磨损材料38的环形层，诸如以形成初级流18与壁32之间的屏障。
壳体28，或至少它的壁32，也可以由复合材料制成。所述复合材料可以使用通过高压釜或注塑硬化的预浸渍纤维增强件制成。注塑可涉及用树脂浸渍纤维增强件，所述树脂可以是有机的，诸如环氧树脂。浸渍可涉及树脂转移模制(resin transfer moulding，RTM)方法。
所述纤维增强件可以是织物预成型件，有可能是三维织物，或包括不同纤维片或纤维层片的堆叠或卷，其可以沿着所述壁延伸、并且越过至少一个或多个凸缘。所述层片可以包括碳纤维，和/或石墨纤维，和/或玻璃纤维以防止电偶腐蚀，和/或芳纶纤维，和/或碳钛纤维。使用上述材料，涡轮机壳体对于超过1米的直径可以具有3-5毫米的厚度。
壳体可以由沿轴向平面分开的半壳或半壳体形成。壳体的半壳使用轴向凸缘接合。
图3示出轴向涡轮壳体的一个半壳，所述壳体例如是外部压缩机壳体，其可以是低压的。所述壳体是从上游侧沿轴向观察的。本教导可以被应用于任何涡轮机的壳体，诸如风扇壳体或涡轮壳体。
所述壁32具有内弯曲表面40。所述内表面40可以包括围绕所述圆形壁圆周的和/或在轴向方向上的连续曲线。内表面40可以是围绕涡轮机旋转轴线14的圆形，并有可能朝向所述轴线取向。所述壁32，或者至少内表面40，可以是环形的，并有可能通常是管状的。围绕所述圆周，内表面40的曲线可以是均匀的，并有可能是不变的。所述曲线可能轴向地变化，例如它可以朝向下游侧更加弯曲。内表面40可以是锥形表面部分、椭球形表面部分或可能是球形表面部分，或者是这些表面的每一个的组合。
所述壁32的轴向长度可以长于所述壁的内表面的最小半径，并且前述壁的轴向长度可以等于或大于所述壁32的内表面的最小半径。所述轴向长度是沿旋转轴线14测得的。
所述壁32包括至少一个小面42，优选地包括几个小面42，可能以围绕壁32圆周的环行排的形式布置。每个小面42具有平坦的表面。一排小面42可以成角度地分布。壁32可以包括若干环形排的小面42，所述排可以沿壁32的轴向长度分布。小面42的至少一个或每个与壁的内表面40平齐。平齐指的是小面与内表面是持平的(level with)，和/或延长所述内表面和/或接触所述内表面。
小面42可以具有不同的形状，并且单排小面可具有相同的形状。每一排可具有不同形状的小面。小面42可以是盘形的、拱形的。小面42的平均直径可以逐渐地变化，它们可能朝向壁32具有最小直径的末端增加。
给定排的小面42可以彼此分离。它们可因此由具有连续曲线的内表面部分分离。在给定排中的每个小面42可能由内表面40包围。在给定排中的小面42可以是彼此相切的，它们可以在接触点相接触。可选地，给定排的小面可以被横向地截短。这些小面沿着接合线44可以是邻接的，所述接合线可以形成截断。这些邻接的小面可形成将壁32的内表面40轴向地切开和/或划分的连续环形表面。内表面40可在相应排的小面42的上游和/或下游延续。
小面42中的一个或每个可包括诸如附接孔46的附接装置，其可以与叶片装配螺栓配合。优选地，每个附接孔46被定位在相关小面的中心。所述附接孔46可以被布置在一个或多个环形排中。这些排可沿壁32轴向地分布。
轴向凸缘48中的至少一个或每个与壁32可成一整体的，连同至少一个或每一个环形凸缘30。可选地，至少一种类型的凸缘，或每个凸缘可附连到壁上。例如，所述壁可以由复合材料制成，而所述凸缘可以是由金属制成的并附连到壁上。
图4示出了涡轮机叶片，例如是低压压缩机导引叶片的定子叶片26。所述叶片还可以是涡轮叶片。
叶片26包括主体、或桨叶，形成设计为延伸到初级流内的成形表面。前述主体的形状使得流动能够被改变。在平台34的相对端的叶片的头部可具有能实现到内部护罩的附接的设备。
所述平台34可以具有整体的平板形状。它可包括至少一个或两个较薄区域52，并且可能包括较厚区域54。较厚区域54可以被较薄区域52包围，或者可定位在两个较薄区域52之间。装配螺栓36可在叶片的桨叶50的相反方向上延伸。所述平台34或每个平台34包括旨在压靠小面以便定位和定向叶片的承载表面56，并且所述承载表面56可以形成在较厚区域54上。
图5从外部示出了的叶片平台的模型。叶片在平台34的另一侧上的桨叶50是用虚线示出的。所述平台模型从一排叶片到另一排可能会变化。
所述平台34可以具有整体的四边形形状，诸如矩形、梯形或平行四边形。所述平台34的轮廓包括两个相对的横向边缘58，其可以与给定行的其它叶片58的相邻横向边缘接触。横向边缘58可弯曲或弯折以在前述平台的附接被拧紧时限制前述平台的旋转。所述平台34可以具有倒“Z”的形状。
该平台34由金属制成，优选地由钛制成。它也可以由有机-基体复合材料制成。它与叶片26的主体可以是一体的。为了确保精密的形状，前述平台的轮廓是机械加工的，并可能被打磨以遵守严格的公差。
较厚区域54可以是盘形的，装配螺栓36可能被放置在盘和/或矩形的中心。盘例如在两侧上可以被横向截短。
图6示出了附连到壁32上的定子叶片26。
所述壁32可具有通常恒定的厚度，例如与至少一个或每个小面42持平。前述壁的外表面60可以是弯曲的，与每个小面42持平，优选地在其穿过每个小面42处具有连续的、和/或周向和/或轴向均匀的曲线。可选地，壁42的外表面60在至少一个小面42旁边可以包括平坦部62，优选地在每个小面旁边包括平坦部62。一个或每个平坦部62可以与相关小面平行。平坦部62形成可以是平滑的平坦表面。它可以形成外表面60的曲线的间断。所述平坦部为装配螺栓36的夹紧装置提供了平坦表面。
所述或每个平台34可以只在前述平台在较厚区域54中的承载表面56处与壁32的内表面40接触。所述或每个较薄区域可以从所述壁有形地分离。耐磨材料38可以被***在较薄区域与壁之间，并且耐磨材料38可停止在所述或每个较厚区域的边缘处。
所述或每个小面42形成在内表面40中的间断。至少一个或每个小面42中的轮廓可以形成在所述内表面的曲线中的断线。在每个小面42周围，内表面的切线相对于小面42可以是倾斜的。所述小面42可以形成在内表面40上的平坦部分，所述平坦部分是朝内的。所述壁在小面与内表面之间具有材料连续性，并有可能具有几何不连续性。

Claims (16)

1.一种轴向涡轮机(2)的壳体(28)，所述涡轮机包括压缩机(4、6)，所述壳体(28)包括带有内表面(40)和外表面(60)的圆形壁(32)，所述内表面和所述外表面都具有围绕所述壁(32)的圆周的连续曲线，
其中，所述壁(32)包括平坦小面(42)的排，其被设计为接收定子叶片(26)的平台(34)，并且小面(42)与所述壁(32)的内弯曲表面(40)平齐，所述壁(32)包括一体形成且恒定的厚度部分，其形成所述小面(42)。
2.根据权利要求1所述的壳体(28)，其特征在于，所述小面(42)被布置成沿所述壁(32)轴向地分布的几个环形排。
3.根据权利要求1所述的壳体(28)，其特征在于，所述小面(42)和所述内表面(40)在其交界处具有轴向地和/或周向地连续的表面，所述小面(42)在所述小面交界处相对于内弯曲表面(40)的切线是倾斜的。
4.根据权利要求1至3的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，所述小面(42)绕所述内表面(40)的圆周有角度地分布。
5.根据权利要求1至3的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，所述壁(32)的外表面(60)在小面(42)旁边包括外平坦部(62)。
6.根据权利要求1至3的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，每个小面(42)具有适合于附连定子叶片(26)的至少一个附接孔(46)；所述孔(46)布置在至少一个环形排中。
7.根据权利要求6所述的壳体(28)，其特征在于，每个小面仅包括一个附接孔。
8.根据权利要求1至3的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，所述内表面(40)从每个小面(42)向上游和下游延伸，和/或所述内表面在小面(42)之间、绕所述壁的圆周延伸。
9.根据权利要求1至3的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，每一个或至少一个所述小面(42)是盘状的，并且一些盘可被横向地截短。
10.根据权利要求1至3的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，至少一排的所述小面(42)是单独地或沿着接合线(44)邻接的。
11.根据权利要求1至3的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，所述内表面(40)包括锥形部分、和/或球面部分、和/或椭球面部分。
12.根据权利要求1至3的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，所述壁(32)是具有有机基体和纤维增强件的复合壁，所述纤维增强件包括纤维层片的堆叠，所述纤维层片在小面旁边平行于小面(42)，而在小面(42)以外是弯曲的。
13.根据权利要求1至3的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，它包括至少一个环形排的定子叶片(26)，每个定子叶片具有带平坦承载表面(56)的附接平台(34)，该平坦承载表面压靠在小面(42)上，在给定排中的叶片的所述平台(34)彼此横向接触；每个叶片还具有从所述平台径向地向内延伸的桨叶(50)。
14.根据权利要求12所述的壳体(28)，其特征在于，每个叶片平台(34)包括至少一个较薄区域(52)和一个较厚区域(54)，每个平台的承载表面(56)形成在较厚区域上，并且内接在相应的小面(42)内，每个承载表面(56)是圆形的。
15.根据权利要求12所述的壳体(28)，其特征在于，每个叶片附接平台(34)包括穿过相关小面(42)的装配螺栓(36)。
16.一种包括壳体(28)的轴向涡轮机(2)，其特征在于，所述壳体(28)如权利要求1至15中的其中一项所要求的那样，并且在于，所述涡轮机包括压缩机(4、6)，所述壳体是压缩机的壳体并且由两个环形半壳体形成，所述环形半壳体各自具有用于组装所述半壳体的轴向凸缘(48)。
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