CN110582649A - 加强的轴向扩压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种径向或混合压缩机(2)的扩压器(5)，该扩压器包括内护罩(20)、外护罩(30)和一系列叶片(10)，每个叶片(10)的后缘(12)是弯曲的，使得在叶片(10)的中间高度位置(h/2)处在叶片(10)的前缘(11)与后缘(12)之间的距离(di)比在内护罩(20)的位置处在叶片(10)的前缘(11)与后缘(12)之间的距离(d2)短5％至15％，后缘(12)还具有变化的横截面，该横截面包括第一部分、第二弯曲部分和第三部分，该第一部分在外护罩(20)附近形成低的壁(14)，该壁具有等于叶片(10)的高度(h)的至多10％的高度(H)，该第三部分形成与第一部分的低的壁基本上相同的低的壁(14)。

Description

加强的轴向扩压器
技术领域
本发明总体上涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及燃气涡轮的径向或混流压缩机的轴向扩压级。
背景技术
压缩机包括一个或多个带叶片或不带叶片的旋转盘(转子或叶轮)以及一个或多个具有固定叶片(定子叶片级)的轮。
径向(或离心)压缩机具有至少一个径向压缩级，也就是说该径向(或离心)压缩机能够产生与压缩机的中心轴线垂直的气体流。该压缩机包括至少一个叶轮，该叶轮具有轴向地吸入空气的径向叶片，该压缩机在径向力的作用下径向地加速、压缩和排气。于是，该空气在扩压器(固定叶片组件)中被整流，该扩压器通过减慢叶轮的出口处的气体而将该气体的速度的一部分转化为静压。
于是，气体被引向燃烧室。
混流(或螺旋径向)压缩机具有相对于中心轴线倾斜的至少一个压缩级，使得流体以与径向方向成非零角度的方式离开压缩机的叶轮。
径向压缩机的扩压器由轮组成，该轮由两个凸缘形成，气体在该两个凸缘之间径向地流动，或者该轮从中心朝向周边倾斜。通常，扩压器沿气体在压缩机中的流动方向从上游到下游包括径向部分和轴向部分5。在扩压器的径向部分和轴向部分中，翅片10’沿着整个轮分布在凸缘之间。这些翅片10’在这些翅片10’的前缘与它们的后缘之间形成流式叶栅。
扩压器的轴向部分5通常通过对以下三个组件进行钎焊形成：外护罩、内护罩和翅片。外护罩和内护罩形成扩压器的凸缘的下游(和轴向)部分。
然而，已经观察到，在操作中，在多个循环之后，在翅片10’的后缘处可能会形成周向裂缝7。于是，这些裂缝7从在翅片10’与护罩20’中的一个(图1中的内护罩)之间延伸的焊料半径8开始，然后在翅片和护罩20’中周向地扩展。这些裂缝7是由于扩压器经受的高的振动应力而出现并且由于非常小的焊料半径8(其引起了局部过载)而扩大。然而，焊料半径8的几何形状目前在工业上难以控制，因为该焊料半径的几何形状取决于手动操作(焊料膏9的沉积)，因此在生产中具有很大的分散性。
焊料半径8是指由焊料膏9形成且在焊料膏9在热量的作用下由于毛细作用而流动之后沉积在翅片10’与形成在护罩20’中的狭缝之间的圆角。例如在图1中示出了这种焊料半径8。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种解决方案，以用于限制损坏径向或混流压缩机的轴向扩压器的风险，并且特别是用于使扩压器更能承受振动应力和焊料半径值的分散。
为此，本发明提出了一种径向或混流压缩机的扩压器，该扩压器包括内护罩、外护罩和一系列翅片，该一系列翅片相对于扩压器的旋转轴线在内护罩与外护罩之间径向地延伸。每个翅片具有前缘、与前缘相对的后缘以及沿着相对于扩压器的轴线的径向方向介于在翅片处的内护罩与外护罩之间的高度，该高度对应于翅片的最小尺寸。
每个翅片的后缘是弯曲的，使得基本上在翅片的中间高度处在翅片的前缘与后缘之间的距离比在内护罩处在翅片的前缘与后缘之间的距离短5％至15％。
上面描述的扩压器的一些优选但非限制性的特征如下：
-在翅片的中间高度处在翅片的前缘与后缘之间的距离比在内护罩处在翅片的前缘与后缘之间的距离短10％至15％，
-后缘在内护罩和外护罩附近的曲率半径小于该后缘在翅片的中间高度处的曲率半径，
-后缘在内护罩和外护罩附近的曲率半径至少比后缘在翅片的中间高度处的曲率半径小两倍，
-后缘具有能够变化的横截面，该横截面包括第一部分、第二弯曲部分和第三部分，该第一部分在外护罩附近形成壁，该壁具有等于翅片的高度的至多10％的基本上不变的高度，该第三部分形成与第一部分的壁基本上相同的壁，
-内护罩和外护罩各自具有：面向翅片延伸的内部面、与内部面相对的外部面、上游边缘和下游边缘，上游和下游由气体在扩压器中的流动方向限定，外护罩的外部面和内护罩的外部面在每个翅片处各自具有额外厚度，所述额外厚度至少在相关的护罩的下游边缘与翅片的后缘在所述外部面上的突出部之间延伸，
-内护罩和/或外护罩的额外厚度在容纳翅片的相关的狭缝的任一侧上进一步延伸，
-额外厚度在内护罩和/或外护罩的相关的狭缝的至多三分之一的长度上延伸，所述长度基本上对应于在内护罩处在翅片的前缘与后缘之间的距离，
-额外厚度延伸至与相关的护罩的狭缝相距约2mm的距离，和/或
-额外厚度(28，38)具有V形或Y形的形状。
本发明还提出了一种包括这种扩压器的径向或混流压缩机以及包括这种径向或混流压缩机的马达。
附图说明
通过阅读下面的详细描述并参考通过非限制性示例给出的附图，本发明的其他特征、目的和优点将变得更加清楚，其中：
图1示出了翅片的后缘的局部横截面视图，该翅片在其根部处通过钎焊被固定在传统分配器的内护罩的狭缝中，在焊料半径处开始并且在翅片中扩展的裂缝的示例在该图上可见。
图2示出了根据本发明的轴向扩压器的翅片和相关的护罩的实施例的一个示例的局部横截面视图，其中以虚线示出了根据现有技术的轴向扩压器的翅片和相关的护罩。
图3是图2的实施例的示例的更详细的侧视图。
图4a和图4b分别是轴向扩压器的外护罩和内护罩的透视图，根据本发明的额外厚度的实施例的示例在这两个图上可见。
图5是轴向扩压器的(外或内)护罩的局部示意性横截面视图，高度不变或变化的壁的实施例的多个示例在该图上示出。
具体实施方式
根据本发明的轴向扩压器5特别地旨在与径向或混流式压缩机一起使用。
在径向压缩机的情况下，气流首先被吸入进气套筒中，然后在径向压缩机的叶轮的叶片与该径向压缩机的壳体之间被压缩。压缩机关于轴线是轴向对称的。然后，被压缩的气流径向地离开叶轮。如果压缩机是混流压缩机，则气流将相对于径向于轴线的方向以非零角度倾斜地离开。
被压缩的空气在具有动力矩时径向地离开叶轮并且进入压缩机的扩压器5中。扩压器5的作用是通过减慢气体的速度将来自压缩机的气体的动能的一部分转换成静压，并且对从叶轮处获取的气流进行整流。为此，该扩压器特别地包括轴向部分和沿着该扩压器的圆周设置的多个翅片10，该多个翅片在内护罩20与外护罩30之间延伸。
以已知的方式，翅片10中的每一个具有面向扩压器5中的气流设置的前缘11、与前缘11相对的后缘12、通过钎焊被固定在内护罩20的狭缝21中的根部13a、通过钎焊被固定在外护罩30的狭缝31中的头部13b以及沿着相对于扩压器的轴线的径向方向在翅片10处的内护罩20与外护罩30之间的高度h，该高度h对应于翅片10的最小尺寸。通常，高度h对应于翅片10的前缘11的高度。
为了降低形成裂缝的风险，每个翅片10的后缘12是弯曲的，使得在翅片10的中间高度h/2处在翅片10的前缘11与后缘12之间的距离d1比在内护罩20处在翅片10的前缘11与后缘12之间的距离d2(该后一个距离d2通常被称为“弦长(corde)”)短5％至15％。
因此，后缘12具有呈新月形或半月形的弯曲形状。这种弯曲形状可以通过机械加工例如传统扩压器5的翅片10去除材料或者在翅片10的制造期间直接通过铸造来实现。
优选地，在翅片10的中间高度h/2处在翅片10的前缘11与后缘12之间的距离d1比弦长短10％至15％。
因此，这种几何形状使得能够通过改变力的路径并且通过对后缘12进行强烈软化来释放(décharger)翅片10的后缘12处的焊料半径8。申请人已经发现，由于强烈的振动应力而可能损坏的临界区域保留在焊料半径8处，但是后缘12的特定几何形状(在该翅片的高度h的至少一部分上弯曲)允许该临界区域在翅片10较厚并且焊料半径8较大的区域中朝向上游移动。这也使得能够在总体上减少扩压器5的静态负载和动态负载。
应当注意的是，对在翅片10的中间高度h/2处的翅片10的长度(即，前缘11与后缘12之间的距离d1)进行改变的影响在空气动力学上是能够接受的，即，翅片10仍然能够对气流进行充分地整流并且减慢压缩机叶轮的出口处的气体的速度。
在一个实施例中，翅片10的后缘12在内护罩20和外护罩30附近的曲率半径R1小于该后缘在翅片10的中间高度h/2处的曲率半径。例如，在内护罩20和外护罩30附近的曲率半径R1至少比在翅片10的中间高度h/2处的曲率半径R2小两倍，例如小四倍。
因此，这使得能够保持在翅片10的中间高度h/2处在翅片的前缘11与后缘12之间的最小距离(并因此保持对翅片10的空气动力影响)，同时充分地释放焊料半径8。实际上，应当理解的是，当后缘12的弯曲部分的曲率半径在翅片10的整个高度h上保持不变时，在中间高度h/2处在前缘11与后缘12之间的距离d1必然比在曲率半径在翅片10的高度h的至少一部分上变大的情况下的该距离d1更短。
例如，对于高度h约为十毫米并且弦长d2约为三十毫米的翅片10而言，后缘12的弯曲部分的在内护罩20和外护罩30附近的曲率半径R1可以约为1.5mm，然后增加到约为6mm的曲率半径R2，使得距离d1比该翅片10的弦长d2短3.8mm。因此，在翅片10的中间高度h/2处，根据本发明的扩压器5的翅片10的后缘12从传统翅片10’的后缘12’(该后缘因此不具有弯曲部分并且在图2和图3中以虚线示出)延伸到约3.8mm。
在一个实施例中，后缘12的弯曲部分的小曲率半径R1与大曲率半径R2之间的过渡是平缓的。
如在图2和图3中可以看到的，后缘12可以仅在翅片10的高度h的一部分上弯曲。例如，后缘12可以具有能够变化的横截面，该横截面包括第一部分、第二部分以及第三部分，该第一部分在外护罩30附近形成具有基本上不变的高度H的壁14，该第二部分对应于弯曲部分，该第三部分在内护罩20附近形成与第一部分的壁基本上相同的壁14。
壁14的高度H在后缘12的下游端与第二部分(弯曲部分)的开始处之间基本上不变。例如，壁14的高度H在约为1.5mm的轴向长度上可以基本上不变。
可替代地(参见图5)，壁14的高度H是变化的。例如，如图5中所示，高度H可以介于在后缘12的下游端处的0.6mm至在第二部分的开始处的约1mm之间(参见由附图标记14a指示的曲线)。
每个壁14的高度H至多等于翅片10的高度h的10％。因此，在上面给出的示例中，每个壁14的高度H小于一毫米，例如约为0.6毫米。
因此，后缘12在翅片10的高度h的大部分上、此处在该翅片的高度h的至少90％上保持弯曲。
因此，在该实施例中，后缘12的弯曲部分始于壁14处，而不是始于内护罩20和外护罩30处。
在后缘12处形成壁14使得能够在翅片10与护罩20、30之间沿着翅片10一直到后缘12获得连续的焊料圆角。实际上，不存在可能对机械强度或空气动力学造成不利影响的不连续性。壁14进一步有助于扩压器5的制造并且特别是有助于在钎焊之前将翅片10与护罩20、30组装在一起。实际上，与后缘12在翅片10的整个高度h上是弯曲的并且不具有壁14的情况相比，壁14允许翅片10在狭缝21、31中的径向楔入公差更大。实际上，甚至在径向定位处于最大公差的情况下，壁14也不会相对于流动路径回缩(该壁始终通向流动路径)并因此不会在流动路径中产生不连续性(负偏移)。
内护罩20和外护罩30各自具有面向翅片10延伸的内部面22、32以及与内部面22、32相对的外部面24、34。因此，内护罩20的内部面22和外护罩30的内部面32面向彼此并且共同界定了气流在扩压器5中的流动路径。
内护罩20和外护罩30各自进一步包括上游边缘25、35以及下游边缘26、36，上游和下游由气体在扩压器5中的流动方向限定。
可选地，为了进一步减少焊料半径8处的静态负载和动态负载并且改进扩压器5的本征模的频率定位，内护罩20和外护罩30的外部面24、34可以各自在每个翅片10处具有额外厚度28、38。于是，该额外厚度28、38至少在翅片10的后缘12在所述外部面24、34上的突出部与相关的护罩20、30的下游边缘26、36之间延伸。如果必要的话，额外厚度28、38可以延伸超过后缘12的突出部。
额外厚度28、38可以延伸至相关的护罩20、30的下游边缘26、36，在这种情况下，所述额外厚度28、38可以部分地在通常用于对护罩20、30进行机械加工的安装凸缘中实现。可替代地，额外厚度28、38可以终止在安装凸缘附近而不包括安装凸缘。
额外厚度28、38在流动路径之外，因此不会干扰气体在扩压器5中的流动。
在一个实施例中，额外厚度28、38可以进一步延长，以便在容纳翅片10的狭缝21、31的任一侧上延伸。例如，额外厚度28、38可以沿着每个狭缝21、31在距离d3上延伸，该距离d3至多等于翅片10的弦长d2的三分之一。
额外厚度28、38可以具有介于0.5mm至2mm之间的厚度(对应于沿着相对于扩压器5的旋转轴线的径向方向的尺寸)，即具有介于护罩20、30的初始厚度的10％至100％之间的厚度。
为了允许焊料膏9的沉积，以便在减少扩压器5的动态负载和静态负载的同时将翅片10固定在狭缝21、31中，额外厚度28、38延伸到与每个狭缝21、31的边缘相距约两毫米处。
额外厚度28、38可以例如具有V形或Y形的形状。
额外厚度28、38的示例例如已经在附图4a和附图4b中示出。
如在附图4a中可以看到，外护罩30的额外厚度38可以具有V形槽的形式。这些槽可以特别地通过以下方式制成：一方面从下游边缘36对外护罩30进行机械加工以形成V形的下游凸脊，然后另一方面从上游边缘35对该外护罩进行机械加工以形成V形的上游凸脊。
内护罩20可以具有额外厚度28，该额外厚度28的形状和尺寸与外护罩30的额外厚度的形状和尺寸相同。然而，出于可行性以及特别是接近上游边缘25的原因，有可能仅制作下游边缘，可以留下上游材料(参见图4b)。

Claims (12)

1.一种径向或混流压缩机的扩压器(5)，所述扩压器包括内护罩(20)、外护罩(30)和一系列翅片(10)，所述一系列翅片相对于所述扩压器(5)的旋转轴线在所述内护罩(20)与所述外护罩(30)之间径向地延伸，
每个翅片(10)具有前缘(11)、与所述前缘(11)相对的后缘(12)以及沿着相对于所述扩压器(5)的轴线的径向方向介于在所述翅片(10)处的所述内护罩(20)与所述外护罩(30)之间的高度(h)，所述高度对应于所述翅片(10)的最小尺寸，
所述扩压器(5)的特征在于：
-每个翅片(10)的所述后缘(12)是弯曲的，使得基本上在所述翅片(10)的中间高度(h/2)处在所述翅片(10)的所述前缘(11)与所述后缘(12)之间的距离(d1)比在所述内护罩(20)处在所述翅片(10)的所述前缘(11)与所述后缘(12)之间的距离(d2)短5％至15％，和
-所述后缘(12)具有能够变化的横截面，所述横截面包括第一部分、第二弯曲部分和第三部分，所述第一部分在所述外护罩(20)附近形成壁(14)，所述壁具有等于所述翅片(10)的所述高度(h)的至多10％的高度(H)，所述第三部分形成与所述第一部分的所述壁基本上相同的壁(14)。
2.根据权利要求1所述的扩压器(5)，其中，在所述翅片(10)的中间高度(h/2)处在所述翅片(10)的所述前缘(11)与所述后缘(12)之间的距离(d1)比在所述内护罩(20)处在所述翅片(10)的所述前缘(11)与所述后缘(12)之间的距离(d2)短10％至15％。
3.根据权利要求1或2所述的扩压器(5)，其中，所述后缘(12)在所述内护罩(20)和所述外护罩(30)附近的曲率半径(R1)小于所述后缘在所述翅片(10)的中间高度(h/2)处的曲率半径(R2)。
4.根据权利要求3所述的扩压器(5)，其中，所述后缘(12)在所述内护罩(20)和所述外护罩(30)附近的曲率半径(R1)至少比所述后缘(12)在所述翅片(10)的中间高度(h/2)处的曲率半径(R2)小两倍。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的扩压器(5)，其中，在所述第一部分中的壁(14)的高度(H)基本上不变。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的扩压器(5)，其中，在所述第一部分中的壁(14)的高度(H)是变化的。
7.根据权利要求6所述的扩压器(5)，其中，所述壁的高度(H)介于在所述翅片(10)的所述后缘(12)的下游端处的0.6mm至在所述第二部分的开始处的约1.0mm之间。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的扩压器(5)，其中，所述内护罩(20)和所述外护罩(30)各自具有：
-面向所述翅片(10)延伸的内部面(22，32)，
-与所述内部面(22，32)相对的外部面(24，34)，和
-上游边缘(25，35)以及下游边缘(26，36)，其中，上游和下游由气体在所述扩压器(5)中的流动方向限定，
所述外护罩(30)和所述内护罩(20)的所述外部面(24，34)在每个翅片(10)处各自具有额外厚度(28，38)，所述额外厚度(28，38)至少在相关的护罩(20，30)的所述下游边缘(26，36)与所述翅片(10)的所述后缘(12)在所述外部面(24，34)上的突出部之间延伸。
9.根据权利要求8所述的扩压器(5)，其中，所述内护罩(20)和/或所述外护罩(30)的额外厚度(28，38)在容纳所述翅片(10)的相关的狭缝(21，31)的任一侧上进一步延伸。
10.根据权利要求8所述的扩压器(5)，其中，所述额外厚度(28，38)在所述内护罩(20)和/或所述外护罩(30)的所述相关的狭缝(21，31)的至多三分之一的长度上延伸，所述长度基本上对应于在所述内护罩(20)处在所述翅片(10)的所述前缘(11)与所述后缘(12)之间的距离(d2)。
11.根据权利要求9或10所述的扩压器(5)，其中，所述额外厚度(28，38)延伸至与所述相关的护罩(20，30)的狭缝(21，31)相距约2mm的距离处。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的扩压器(5)，其中，所述额外厚度(28，38)具有V形或Y形的形状。
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