CN105507957A - 具有密封件的轴流式涡轮机压缩机外部壳体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴流式涡轮机压缩机外部壳体(28)。该壳体(28)包括与转子叶片(24)排协作的密封装置(34)。壳体(28)包括具有环形凹槽(38)的壁(30)，密封装置(34)容纳在环形凹槽中。密封装置包括分段的外部护罩(36)和数个压电致动器(46)，其在凹槽(38)中径向地移动护罩(36)，以便打开和关闭功能间隙。本发明还提出了一种控制涡轮喷气发动机的密封装置(34)的方法，该方法包括测量高度的步骤以及根据高度调节间隙的步骤。

Description

具有密封件的轴流式涡轮机压缩机外部壳体
技术领域
本发明涉及一种具有密封装置的轴流式涡轮机外部壳体。更具体地说，本发明涉及一种配备有围绕转子叶片排的密封装置的轴流式涡轮机压缩机外部壳体。本发明还涉及一种轴流式涡轮机。本发明还涉及一种控制轴流式涡轮机密封装置的方法。
背景技术
为了提高效率，涡轮机设置有围绕其叶片排的密封装置。这些设备允许改变壳体的内表面与布置在内部壳体内侧的转子叶片的外部端部之间的间隙。因此，在操作条件下，间隙可以减小，以便限制表面与叶片之间的动态泄漏。
对于通过可变形元件连接至外部壳体的外部护罩，这种装置可以包括作为支撑件的外部壳体。在飞行条件改变的情况下，转子叶片可能会与护罩接触并径向地移动它。通过可变形元件，运动被准许，其压缩的幅度允许调整护罩的位置。
专利文献EP2495399A1公开了一种包括环形壁的轴流式涡轮机外部壳体，其中形成内部环形凹槽。环状凹槽容纳将分段的外部护罩连接至凹槽底部，从而连接至环形壁的弹性元件。当涡轮机的转子相对于其旋转轴线未对准时，转子叶片与护罩相接触并推动它。因此，这样的密封装置可以适应各种飞行条件并且提高了操作安全性。然而，这样的装置提供的效率方面的增益是有限的，其可以适应的配置的数量也是有限的。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于解决现有技术所造成的问题中的至少一个。更具体地，本发明的目的在于增加安装有密封装置的轴流式涡轮机的效率。本发明的另一个目的在于增加密封装置能够适应的配置的数量。
技术方案
本发明的一个主题是轴流式涡轮机，特别是轴流式涡轮机压缩机的外部壳体，该壳体包括：圆形壁，其包括内部环形凹槽；外部密封护罩，其至少部分地布置在凹槽中并且提供外部壳体与涡轮机的转子叶片的环形排之间的密封；连接元件，其将外部护罩连接至壁；值得注意的是，连接元件是配置成使护罩移动和/或变形，以便更改护罩与转子叶片之间间隙的压电致动器。
根据本发明的一有利实施例，压电致动器是整体式的并且以布置成径向变形以便使护罩径向地移动和/或变形。
根据本发明的一有利实施例，壳体包括连接至压电致动器并穿过壁的至少一个电连接件；优选地，电连接件径向地穿过在环形凹槽区域中的轴向的壁。
根据本发明的一有利实施例，至少一个或每个电连接件包括电线，壁包括围绕每个电连接件的密封件。
根据本发明的一有利实施例，壳体包括在外部护罩的上游和下游并且与壁协作的圆形密封件。
根据本发明的一有利实施例，壳体包括配置成测量外部护罩与转子叶片之间间隙的间隙测量模块，该模块轴向地布置在环形凹槽的区域中；模块可能布置在凹槽中。
根据本发明的一有利实施例，壳体包括配置成给每个压电致动器单独供电的电源。
根据本发明的一有利实施例，凹槽包括上游环形表面和下游环形表面，其旋转的轮廓主要径向地延伸，压电致动器轴向地布置在所述径向环形表面之间；优选地，每个压电致动器于每个径向环形表面有一段距离。
根据本发明的一有利实施例，壁包括可能与压电致动器接触的电绝缘层。
根据本发明的一有利实施例，壁包括在上游和下游轴向延伸环状凹槽的环形部分，凹槽和环形部分形成为一体。
根据本发明的一有利实施例，壁包括具有围绕涡轮机的旋转轴线旋转的轮廓的内部整体表面，并且外部护罩包括内部环形表面，护罩的内部环形表面能够在壁的内部一般表面径向内侧的位置与壁的内部一般表面径向外侧的位置之间移动。
根据本发明的一有利实施例，壳体包括用于确定高度的确定模块，压电致动器配置成根据由确定模块所确定的高度来驱动。
根据本发明的一有利实施例，压电致动器布置在环形排和/或轴向行中，以便形成网。
根据本发明的一有利实施例，护罩是分段的，护罩可能由金属制成并且形成条状件；或者护罩形成为一体并且包括环形表面。
根据本发明的一有利实施例，壳体是具有有机基质的复合壳体，壳体可能由半壳形成。
根据本发明的一有利实施例，护罩包括支撑件和耐磨材料的圆形或半圆形层。
根据本发明的一有利实施例，转子叶片的轴向长度大于凹槽的轴向长度。
根据本发明的一有利实施例，护罩轴向和/或径向地布置在环形凹槽中。
根据本发明的一有利实施例，护罩包围转子叶片的环形排。
根据本发明的一有利实施例，环形凹槽的轴向长度大于其径向深度。
根据本发明的一有利实施例，壁具有的厚度沿轴向部分和环形凹槽的整个长度是轴向恒定的。
本发明的另一个主题是包括围绕转子叶片的至少一个环形排的外部壳体的涡轮机，值得注意的是，壳体是依照本发明的，优选地，壳体是压缩机壳体，可能是低压压缩机的壳体。
根据本发明的一有利实施例，涡轮机包括感测转子叶片径向振动的振动传感器，压电致动器配置成根据由振动传感器所测量的叶片的径向振动使外部护罩径向地移动和/或变形。
本发明还涉及一种控制用于密封轴流式涡轮机的外部壳体的装置的方法，该装置包括限定围绕涡轮机的转子叶片的环形排的径向间隙的可移动外部护罩，其特征在于，该方法包括(a)确定涡轮机的高度的步骤，其次(d)根据高度调节间隙的步骤。
根据本发明的一有利实施例，间隙随着高度的增加而减小和/或间隙随着高度的减小而增加。
根据本发明的一有利实施例，当高度超过阈值高度A2时，间隙等于间隙J1，和/或当高度小于或等于阈值高度A2时，间隙大于或等于间隙J2。
根据本发明的一有利实施例，该方法还包括测量外部护罩与转子叶片之间的间隙的步骤(c)，并且在调节间隙的步骤(d)期间，间隙根据测量间隙步骤(c)期间所测量的间隙被最初地调节。
根据本发明的一有利实施例，该方法还包括测量转子叶片的径向振动的振幅的步骤(b)，并且在调节间隙步骤(d)期间，间隙同样根据测量振动振幅步骤(b)期间所测量的叶片的径向振动被调节。
高度相对于海平面来测量。
提供的优点
本发明能够尽可能严格地控制护罩与叶片的径向外部端部之间的间隙。使用压电致动器提供响应速度和很大的位置精度。以这种方式，护罩的位置尽可能准确调节，同时使其快速地移动，从而能够有效地控制在护罩与叶片之间的间隙。
凹槽的形状允许添加径向加强凸缘，能够使壳体径向更硬，例如反抗椭圆化变形。凹槽还形成保护压电致动器的空间。
当涡轮机是航行器涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机时，因为高度的使用意味着有可能预见到涡轮机的操作的条件，所以该方法提高了安全性。根据暴露于随机干扰的概率的风险，安全间隙增大。
附图说明
图1示出了根据本发明的轴流式涡轮机。
图2描述了根据本发明的涡轮机压缩机。
图3示出了用于依据本发明的涡轮机壳体的密封装置。
图4是用于调节所述转子叶片与根据本发明的涡轮机壳体的外部护罩之间的间隙的方法的图。
具体实施方式
在以下的描述中，术语内部的或内部以及外部的或外部是指相对于轴流式涡轮机的旋转轴线的位置。
图1是轴流式涡轮机的简化描述。在这个特定例子中，其是旁路涡轮喷气发动机。涡轮喷气发动机2包括称为低压压缩机4的第一压缩水平、称为高压压缩机6的第二压缩水平、燃烧室8，以及一个或多个涡轮机水平10。在操作中，经由中心轴传输至转子12的涡轮机10的机械动力转动两个压缩机4和6。压缩机包括与定子叶片排相关联的若干排转子叶片。因此，转子关于其旋转轴线14的旋转产生空气流并且逐渐地压缩该流直到其进入燃烧室8。
通常称为风扇16的入口鼓风机被联接至转子12，并且产生空气流，该空气流分成穿过涡轮机的不同上述水平的一次流18以及沿机器穿过环形管道(部分示出)直到当其离开凸轮机时与一次流再结合的二次流20。二次流可以被加速以便产生反冲力。一次流18和二次或旁路流20是环形流并且由涡轮机的壳体来引导。为此，壳体具有可以是内部或外部的圆柱形的壁或护罩。
图2是如图1的轴流式涡轮机的压缩机的横截面的视图。压缩机可以是低压压缩机4。此处，部分风扇16以及将一次流18和二次或旁路流20分离的唇部22是可见的。转子12包括若干排转子叶片24，在当前的例子中是三排。
低压压缩机4包括若干组引导轮叶，在当前的例子中是四组，每组引导轮叶包括一排定子叶片26。各组引导轮叶与风扇16或转子叶片排相关联，以便使空气流变直，从而将流的速度转换成压力。
压缩机包括具有作为机械连接的圆形或环形壁30的外部壳体28，该机械连接将划分唇连接至涡轮机壳体。除此之外，壳体28可以具有固定器件，诸如环形固定凸缘32。壁30还作为用于安装定子叶片26的支撑件，定子叶片26从壁30基本上径向地延伸。壁30可具有形成端部止动件的环形台肩，端部止动件轴向地固定定子叶片26的平台。壁30可以是大致管状的，并且可能具有旋转的弓形轮廓。
壁30可以由复合材料制成，例如有机树脂和碳纤维和/或可能的玻璃纤维层。复合材料提高强度/重量比。玻璃纤维的存在具有创建绝缘层的作用。壁30可具有的厚度大致是恒定的以保持重量轻、其紧凑度，并且简化相应纤维预成形件的创建。
为了优化效率，壳体28配备有与转子叶片24环形排相关联的至少一个密封装置34。每个密封装置34包括外部护罩36，其能够径向移动，以便跟随转子叶片24的外部端部的径向运动。装置34被结合到壁30的厚度中，以提高紧凑度。
图3描述了根据本发明的密封装置34。壳体28的壁30的一部分、转子叶片24的端部，以及旋转轴线14被描述。
壁30具有朝内侧径向开口的环形凹槽38，其轮廓是朝向叶片24开口的。凹槽38包括均主要径向延伸的上游环形表面40和下游环形表面42。这些径向表面(40；42)可以是大致平行的。凹槽38还包括环形接合部分44，其轴向地分离径向表面(40；42)。壁包括在上游和下游轴向延伸环形凹槽并且在凹槽的圆周上也如此的环形侧部部分45。凹槽和侧部部分45可以形成为以便形成流体密闭且均匀的材料块的器件。
密封装置34容纳在环形凹槽38中。其外部护罩36具有面向叶片24的外部端部的表面。护罩36可以圆形地布置在凹槽38中并且可以是分段的，或者可以作为一个单件。在作为单件的情况下，护罩可以变形，使得其直径和其圆周是可修改的。外部护罩36可以沿着，优选倚靠，径向表面(40；42)滑动，以便促进叶片从上游到下游的密封。因此，护罩可限制凹槽38内部环形空间并且限制加热。壳体可以包括置于所述护罩上游和下游的圆形密封件以便倚靠着壁密封，密封件在固定接口处是可能的。
密封装置34包括连接元件46，其将外部护罩36，可能是每个护罩分段，接合到壁30上，其相对于壁30结合护罩36。元件46至少部分地，优选全部地，容纳在环形凹槽38中。
连接元件46是压电致动器46。压电致动器46对于本领域技术人员来说是公知的，并且可以在电磁场、电源的影响下变形。在由环形接合部分44形成的凹槽38的底部中，每个压电致动器具有一面固定至壁30，并且一面固定至外部护罩36。其以这种方式布置，以便能够径向地变形，这意味着径向变厚或变薄，以便径向地移动或变形外部护罩36。因此，护罩36可以朝外侧径向地缩回到凹槽38中，和/或朝内侧部署在凹槽38外。例如，在没有供电时，可以选择占据的静止位置，以便尽量减少间隙，从而提高涡轮机的整体效率。致动器46可以形成为具有多层结构。
因为护罩36热保护压电致动器46，所以该压电致动器保持其性能。围绕凹槽38，壁30还可以有助于调整压电致动器46的温度。壁30可形成流体密闭屏障，用于保护压电致动器46免遭涡轮机固有的化学攻击。
壳体可以包括用于确定高度的确定模块48和/或用于测量外部壳体36与转子叶片24的外部端部之间间隙的间隙测量模块50。由高度确定模块48和/或由间隙测量模块50提供的信息、信号被用于调节叶片与护罩之间的环形径向间隙。高度确定模块48可以与涡轮机的高度确定模块可以是共同的；其可能是将涡轮机安装至其上的航空器的高度确定模块。用于测量壳体36与叶片24之间间隙的连续测量的间隙测量模块50在护罩的圆周上的不同点处测量叶片与护罩之间的间隙。
壳体可以包括电源51和电连接件52，诸如用于为每个压电致动器46供电的电线和/或电插头。每个电线可以通过绝缘护套来绝缘。电连接件52穿过壁30并进入凹槽38。电连接件可能独立地连接至每个压电致动器46。该电源可以是涡轮机的电源。
壳体可包括感测转子叶片径向振动的振动传感器54。传感器54可以测量叶片顶端的径向振动的振幅。该传感器54能够估计叶片24的振动、频散，以及径向位置，并且相应地改变必要的安全余量(saftymargin)。振动传感器54和/或间隙测模块50可以是光学的或磁性的。其可以包括共同的部件，和/或置于凹槽38中的部件。
壳体28可以包括经由电源连接至测量模块、至高度确定模块、至振动传感器、至致动器的中央单元56。中央单元56可以是连接至涡轮机或特定于涡轮机安装在其上的航行器的计算机。
图4是用于控制根据本发明的密封装置的方法的框图。该装置径向地控制围绕转子叶片级的外部密封护罩的位置和/或变形，该护罩和叶片被环形间隙分离。作为选择，该方法是迭代的，并且涉及循环返回以重复上文所述的步骤。
该方法可以包括串在一起的可能是以下述给定顺序以下步骤：
(a)确定涡轮机高度的步骤100，
(b)测量转子叶片径向振动的步骤102，
(c)测量转子叶片与外部护罩之间间隙的步骤104，
(d)通过径向移动和/或变形外部护罩来调节间隙的步骤106。
在调节106步骤(d)期间，对间隙的更改是根据确定步骤(a)所确定的高度来执行的。高度增加的越多，间隙减小的越多。当认为，在例如高于阈值高度A2的较高高度，可能扰乱转子并使其移动或变形壳体的原因有些不可能时，这种选择可以被理解。因此，叶片与护罩之间的接触的危险性是非常有限的，或者甚至不存在，因为原因成为可预测的。阈值A2可以被选择为大于或等于4000米，优选大于或等于8000米，并且阈值A2可能大于或等于10000米。在这样的飞行条件下，间隙小于间隙J1，并且涡轮机的密封和效率成为与光学有关的。
相反地，可以决定的是，在较低的高度，间隙需要被增加，因为涡轮机暴露于可变和难以预测的操作条件。因此，优选的是，低于阈值高度A1，间隙变得大于间隙J2，或安全间隙。阈值A2可以低于6000米，优选低于2000米，更优选低于500米。
在调节106步骤(d)期间，间隙的更改还可以作为在测量振动102的步骤(b)期间和/或根据测量间隙104的步骤(c)期间估计的振动所测得的先前间隙的功能来执行。振动在叶片的位置处展开并且这影响所需的操作安全性。应当注意的是，步骤(b)和(c)是可选的。步骤(c)是可选的，这是因为调节106步骤(d)可以在编程值或基础理论值的基础上来执行。

Claims (23)

1.一种轴流式涡轮机(2)，特别是轴流式涡轮机压缩机(4；6)的外部壳体(28)，所述壳体(28)包括：
圆形壁(30)，其包括内部环形凹槽(38)；
外部密封护罩(36)，其至少部分地布置在所述凹槽(38)中并且用于提供所述外部壳体(28)与所述涡轮机的转子叶片(24)的环形排之间的密封；
连接元件(46)，其将所述外部护罩(36)连接至所述壁(20)；
其特征在于，
所述连接元件(46)是配置成使所述护罩(36)移动和/或变形以便更改所述护罩(36)与所述转子叶片(24)之间的间隙的压电致动器(46)。
2.根据权利要求1所述的壳体(28)，其特征在于，所述压电致动器(46)是整体式的并且布置为径向变形，以便使所述护罩(36)径向地移动和/或变形。
3.根据权利要求1和2中的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，其包括连接至所述压电致动器(46)并穿过所述壁(30)的至少一个电连接件(52)；优选地，所述电连接件(46)径向地穿过所述环形凹槽(38)的区域中的轴向的所述壁。
4.根据权利要求3所述的壳体(28)，其特征在于，至少一个或每个电连接件(52)包括电线，所述壁(30)包括围绕每个电连接件(52)的密封件。
5.根据权利要求1至4中的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，其包括在所述外部护罩(36)的上游和下游并且与所述壁(30)协作的圆形密封件。
6.根据权利要求1至5中的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，其包括配置成测量所述外部护罩与所述转子叶片之间的所述间隙的间隙测量模块(50)，所述模块(50)轴向地布置在所述环形凹槽的区域中；所述模块可能布置在所述凹槽中。
7.根据权利要求1至6中的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，其包括配置成给每个压电致动器(46)单独供电的电源(51)。
8.根据权利要求1至7中的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，所述凹槽(38)包括上游环形表面(40)和下游环形表面(42)，其旋转的轮廓主要径向地延伸，所述压电致动器(46)轴向地布置在所述径向环形表面(40；52)之间；优选地，每个压电致动器(46)与每个径向环形表面有一段距离。
9.根据权利要求1至8中的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，所述壁(30)包括可能与所述压电致动器(46)接触的电绝缘层。
10.根据权利要求1至9中的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，所述壁(30)包括在下游轴向延伸所述环状凹槽(38)的环形部分(45)，所述凹槽(38)和所述环形部分(45)形成为一体。
11.根据权利要求1至10中的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，所述壁(30)包括具有围绕所述涡轮机(2)的旋转轴线(14)旋转的轮廓的内部整体表面，并且所述外部护罩(36)包括内部环形表面，所述护罩(36)的内部环形表面能够在所述壁(30)的内部一般表面径向内侧的位置与所述壁(30)的内部一般表面径向外侧的位置之间移动。
12.根据权利要求1至11中的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，其包括用于确定高度的确定模块(48)，所述压电致动器(46)配置成根据由所述确定模块所确定的高度被驱动。
13.根据权利要求1至12中的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，所述压电致动器(36)布置在环形排和/或轴向行中，以便形成网。
14.根据权利要求1至13中的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，所述护罩(36)是分段的，所述护罩(36)可能由金属制成并且形成条状件；或者所述护罩形成为一体并且包括环形表面。
15.根据权利要求1至14中的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，其是具有有机基质的复合壳体(28)，所述壳体可能由半壳形成。
16.根据权利要求1至15中的其中一项所述的壳体(28)，其特征在于，所述护罩(36)包括支撑件和耐磨材料的圆形或半圆形层。
17.一种涡轮机(2)包括围绕转子叶片(24)的至少一个环形排的外部壳体(28)，其特征在于，所述壳体(28)依照权利要求1至16中的其中一项，优选地，所述壳体是压缩机壳体，可能是低压压缩机(4)的壳体。
18.根据权利要求18所述的涡轮机(2)，其特征在于，其包括感测所述转子叶片(24)的径向振动的振动传感器(54)，所述压电致动器(46)配置成根据由所述振动传感器(54)所测量的所述叶片的径向振动使所述外部护罩(36)径向地移动和/或变形。
19.一种控制用于密封轴流式涡轮机(2)的外部壳体(28)的装置(34)的方法，所述装置(34)包括限定围绕所述涡轮机(2)的转子叶片(24)的环形排的径向间隙的可移动外部护罩(36)，其特征在于，所述方法包括：
(a)确定所述涡轮机的高度的步骤(100)，其次
(d)根据所述高度调节所述间隙的步骤(106)。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述间隙随着所述高度的增加而减小和/或所述间隙随着所述高度的减小而增加。
21.根据权利要求19和20中的其中一项所述的方法，其特征在于，当所述高度超过阈值高度A2时，所述间隙等于间隙J1，并且/或者当所述高度小于或等于阈值高度A2时，所述间隙大于或等于间隙J2。
22.根据权利要求19至21中的其中一项所述的方法，其特征在于，其还包括测量所述外部护罩与所述转子叶片之间的所述间隙(104)的步骤(c)，并且在调节所述间隙(106)的步骤(d)期间，所述间隙根据测量所述间隙(104)的步骤(c)期间所测量的所述间隙被另外地调节。
23.根据权利要求19至22中的其中一项所述的方法，其特征在于，其还包括测量所述转子叶片(24)的径向振动(102)的振幅的步骤(b)，并且在调节所述间隙(106)的步骤(d)期间，所述间隙同样根据测量所述振动振幅的步骤(b)期间所测量的所述叶片(24)的径向振动被调节。
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