CN111663962A - 涡轮发动机的反向旋转式涡轮的转子 - Google Patents

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帕特里克·简·劳伦特·苏塔那
奥利维耶·勒农
劳伦·塞德里克·扎马埃
克莱门特·查尔斯·杰里米·考菲耶
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Abstract

本发明涉及涡轮发动机的反向旋转式涡轮(1)的转子(4)，包括转鼓(9)和安装在内部的叶片装置(10)，所述转鼓(9)包括界定容置部(12)的钩(11)，该容置部具有外壁和内壁，所述叶片装置(10)包括叶片(15)和外平台(16)，外平台设置有置于所述容置部(12)内的扰流板(17)，其特征在于，转子(4)包括翼型件(18)，该翼型件包括弹性的内翼和外翼，所述外翼径向地布置在所述扰流板(17)和所述外壁之间，所述内翼具有关于所述第一内壁的第一支撑部和关于所述扰流板(17)的第二支撑部，所述内翼布置在容置部(12)中，以便对所述扰流板(17)施加力，从而通过所述外翼使所述扰流板(17)压靠所述外壁。

Description

涡轮发动机的反向旋转式涡轮的转子
技术领域
本发明涉及涡轮发动机的反向旋转式涡轮的转子的一般领域。
背景技术
从申请人所申请的文献FR-A1-2942273中知道，在涡轮发动机内安装反向旋转式涡轮。这种反向旋转式涡轮尤其包括构造成在第一旋转方向上旋转的内转子和构造成在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上旋转的外转子。内转子和外转子可绕涡轮发动机的纵向轴线旋转。
每个转子通常包括彼此旋转连接的多个叶轮。每个叶轮包括盘和叶片装置，叶片装置包括一个或多个叶片。根据定义，外转子的叶轮的叶片装置在内部固定在相应的盘(通常称为“转鼓”)上，而内转子的叶轮的叶片装置在外部固定在相应的盘上。外转子的叶轮轴向地***内转子的叶轮之间。
在下面的描述中将更具体地关注外转子。
文献US5307622描述了将叶片装置安装在外转子的叶轮的盘上的示例。叶片装置包括由内平台和部平台沿径向界定的多个叶片。叶片装置通过在外平台中形成的上游扰流板和下游扰流板定位在盘上。上游扰流板和下游扰流板分别被构造成附接到在相应盘中形成的上游钩和下游钩。叶片装置通过螺钉保持就位，螺钉的头部支撑在相应的盘上，并且螺钉的螺纹部分与在外平台上形成的螺纹孔接合。
这样的安装不允许任何自由度，因此具有在涡轮发动机的不同运行状态期间固定叶片装置的优点。实际上，螺钉在此允许消除由涡轮发动机运行期间的残余运动而引起的当前安装间隙。
然而，这种安装显著地给外转子的不同叶轮的盘施加了应力。实际上，施加在叶片装置上的空气动力学力和离心力由盘机械地吸收。此外，施加在叶片装置上的振动应力也被盘吸收，而没有事先阻尼。当叶片装置共振时，这些振动应力最大。
因此，这种安装涉及随之而来的对不同的盘进行尺寸确定，特别是以盘的质量为代价，并且更一般而言，以反向旋转式涡轮的质量为代价。
因此，本发明的目的是提供一种能够克服上述缺点的改进的安装。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于涡轮发动机的反向旋转式涡轮的转子，该转子包括能够围绕纵向轴线X旋转的转鼓以及径向安装在该转鼓内的叶片装置，该转鼓包括界定第一敞开容置部的第一内钩，该容置部具有外壁和内壁，叶片装置包括至少一个叶片和外平台，该外平台设置有置于所述第一容置部内的第一扰流板，
其特征在于，转子包括至少一个固定在第一扰流板上的翼型件，翼型件包括弹性的内翼和外翼，弹性的内翼和外翼通过芯部彼此连接，所述外翼径向地布置在第一扰流板和所述外壁之间，所述内翼具有关于所述内壁的第一支撑部和关于第一扰流板的第二支撑部，所述内翼布置在第一容置部中，以便在所述第二支撑部的水平处对第一扰流板施加力，从而通过所述外翼使所述第一扰流板压靠所述外壁。
因此，在尤其是当转子的转速小于预定阈值时离心力不足以应付叶片装置产生的空气动力学力的运行状态下，翼型件能够使第一扰流板压靠外壁。
此外，翼型件能够阻尼叶片装置并因此减小传递至转鼓的力和振动的幅度。
因此，这种安装大大降低了磨损，从而有利于转子的使用寿命。
根据本发明的转子可以包括被彼此独立地或彼此组合地采用的一个或多个特征和/或以下步骤：
-叶片装置的所述外平台包括第二扰流板，第二扰流板与所述第一扰流板分离并且轴向地布置在所述第一扰流板的下游，所述第二扰流板置于第二容置部内，第二容置部由转鼓内的第二钩界定；
-第一扰流板和第二扰流板各自从下游到上游轴向地定向，所述第一容置部和所述第二容置部轴向地向下游敞开；
-翼型件被夹在所述第一扰流板上；
-第一扰流板包括从内表面突出的突起，所述突起轴向地布置在所述芯部和所述第二支撑部之间；
-翼型件是环或环扇形段；
-所述内翼包括直接连接至所述芯部的第一弯曲部段和经由拐点I连接至所述第一部段的第二弯曲部段，所述第一支撑部和所述第二支撑部分别布置在所述第一部段和所述第二部段的水平处；
-所述第一部段是凹形的，而所述第二部段是凸形的。
本发明还涉及涡轮发动机反向旋转式涡轮，包括如上所述的转子。
本发明还涉及涡轮发动机，包括如上所述的反向旋转式涡轮。
附图说明
通过阅读以下作为非限制性示例的描述并参考附图进行的描述，将最好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将更加清楚地显现，在附图中：
图1是包括反向旋转的内转子和外转子的反向旋转式涡轮的示意性轴向截面图；
图2是详细的示意性轴向截面图，示出了叶片扇形段在外转子的转鼓上的组装；
图3是详细的透视图，示出了通过翼型件将叶片扇形段的上游扰流板组装在转鼓上；
图4是详细的轴向截面图，示出了通过翼型件将上游扰流板组装在转鼓上；
图5是图2至图4所示的叶片扇形段和翼型件的分解透视图；
图6是示出第一实施例变型的分解透视图；
图7是示出第二实施例变型的详细透视图。
具体实施方式
在图1中，示意性地示出了涡轮发动机2的反向旋转式涡轮1，该反向旋转式涡轮1包括内转子3和外转子4，内转子被构造成沿第一旋转方向旋转，外转子被构造成沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向旋转。涡轮1的内转子3和外转子4可绕涡轮发动机2的纵向轴线X旋转。
通常，在本申请中，“轴向”或“轴向地”是指平行于轴线X的任何方向，而“径向”或“径向地”是指垂直于轴线X的任何方向。同样地，在本申请中，术语“内”、“外”、“内部”或“外部”是相对于涡轮发动机2的纵向轴线X定义的。
涡轮1轴向地布置在燃烧室的直接下游，或者布置在高压涡轮的直接下游，高压涡轮本身布置在燃烧室的下游。
如图1中所示，外转子4包括彼此轴向地间隔开的三个叶轮5，这三个叶轮5旋转地联接并连接到第一轴6。以与外转子4相同的方式，内转子3包括彼此轴向地间隔开的三个叶轮7，这三个可移动叶轮7旋转地联接并连接到第二轴8，第二轴在此围绕第一轴6。外转子4的叶轮5***内转子3的叶轮7之间。
因此，来自燃烧室的废气流F接连地通过内转子3的叶轮7、然后通过外转子4的叶轮5。
在本申请中，术语“上游”和“下游”是相对于涡轮机1中的废气流F的流动方向定义的。
在下面的描述中将更具体地关注外转子4的叶轮5。
外转子4的叶轮5包括能够绕纵向轴线X旋转的转鼓9和径向地安装在转鼓9内的叶片装置10。转鼓9包括界定第一敞开容置部12的第一内钩11，容置部12具有外壁13和内壁14。叶片装置10包括至少一个叶片15和外平台16，外平台设置有放置在第一容置部12内的第一扰流板17。
根据本发明，叶轮5包括至少一个固定在第一扰流板17上的翼型件18。翼型件18包括弹性的内翼19和外翼20，弹性的内翼和外翼经由芯部21彼此连接。外翼20被径向地布置在第一扰流板17和外壁13之间。内翼19具有关于内壁14的第一支撑部22和关于第一扰流板17的第二支撑部23。内翼19布置在第一容置部12中，从而在第二支撑部23的水平上对第一扰流板17施加力，以通过外翼20使第一扰流板17压靠外壁13。
根据附图中所示的实施例，外转子4的叶轮5中的每一个的叶片装置10包括成环形排布置的叶片扇形段，这些叶片扇形段周向首尾相连地布置。
在一种变型中，外转子的每个叶轮(或叶轮之一)的叶片装置包括单个环形环。
更具体地，例如如图5和图6所示，每个叶片扇形段在此包括六个有规律地分布的空气动力学叶片15。叶片15中的每一个相对于轴线X径向地延伸。同一叶片扇形段的叶片15由共有的外平台16和共有的内平台24界定。
叶片扇形段的外平台16包括彼此轴向分开的第一上游扰流板17(以下称为上游扰流板)和第二下游扰流板25(以下称为下游扰流板)。上游扰流板17和下游扰流板25在此以环扇形段的形式周向地延伸。上游扰流板17和下游扰流板25在此在扇形段的整个长度上周向延伸。上游扰流板17和下游扰流板25各自从套环26的径向外端部从下游到上游轴向地定向，每个套环26从外平台16的板27径向向外突出。
在一种变型中，上游扰流板和下游扰流板可以例如从上游到下游轴向地定向。
在叶片装置包括单个环形环的情况下，上游扰流板和下游扰流板以环的形式周向延伸。
上游扰流板17和下游扰流板25中的每一个具有基本矩形轮廓的截面，并且因此由外表面28和内表面29界定，外表面和内表面通过上游表面30彼此连接。外表面28和内表面29是同轴的(coaxial)，上游表面30是平坦的。
根据图中所示的实施例，叶片扇形段是一体式的，换句话说，内平台24和外平台16与叶片15一体地形成。
在一种变型中，可以通过组装不同的子组件来获得叶片扇形段。作为示例，扰流板可以与套环一体地形成，以便形成固定在外平台的板上的子组件。
根据图中所示的实施例，外转子4的叶轮5的转鼓9包括第一上游内钩11(以下称为上游钩)和第二下游内钩31(以下称为下游钩)，第一上游内钩和第二下游内钩彼此轴向地分开。上游钩11和下游钩31分别形成第一上游容置部12(以下称为上游容置部)和第二下游容置部32(以下称为下游容置部)。
更具体地说，上游钩11和下游钩31是环形的。钩11、31中的每一个具有基本C形轮廓的截面。容置部12、32向下游敞开。因此，上游容置部12和下游容置部32中的每一个由外壁13和内壁14界定，该外壁和内壁由上游壁33彼此连接。更具体地，外壁13和内壁14是同轴的，且上游壁33是平坦的。
在外转子的叶轮的叶片装置包括成环形排布置的叶片扇形段(这些叶片扇形段首尾相连地周向布置)的情况下，每个叶片扇形段可以包括以环扇形段的形式呈现的单个翼型件，或者各自以环扇形段的形式呈现且沿周向有规律的分布的多个翼型件。
在外转子的叶轮的叶片装置包括单个环形环的情况下，叶片装置可以包括以环的形式呈现的单个翼型件或者以环扇形段的形式呈现且沿周向有规律地分布的多个翼型件。
根据图中所示的实施例，翼型件18可以是环形的或环扇形段。翼型件18具有基本C形或U形轮廓的截面，翼型件的开口向下游敞开。因此，内翼19和外翼20彼此面对地定位。
更具体地，外翼20可以是环形的或环扇形段。芯部21是平坦的，并且可以是环形的或环扇形段。内翼19具有卷曲轮廓的截面。更具体地，内翼19包括直接连接至芯部21的第一凹形部段34和经由拐点I连接至第一部段34的第二凸形部段35。内翼19的凹度/凸度根据从外部朝向内部定向的径向方向确定。第二部段35具有比第一部段34更大的曲率。相对于第一部段34，第二部段35沿外翼20的方向径向偏移。拐点I径向地位于第一支撑部22与第二个支撑部之间23。
内翼19和内壁14之间的第一支撑部22位于第一部段34的水平处。内翼19与上游扰流板17之间的第二支撑部23位于第二部段35的水平处。第一支撑部22和第二支撑部23是线性的和环形的。第一支撑部22布置在翼型件18的径向内端部。第二支撑部23在径向上基本上位于芯部21的中间。
内翼19在闲置状态和负载状态之间弹性变形，在闲置状态，不向翼型件施加外力，在负载状态，向翼型件18的内翼19和外翼20施加相反的外力以使它们移动更接近彼此。
在将翼型件18引入上游容置部12中期间，翼型件18从闲置状态转变为负载状态。在将翼型件18安装在上游容置部12中结束时，内翼19在第二个支撑点23的水平处对上游扰流板17施加预应力(或预加载力)，该预应力从内部向外部径向地定向。该预应力直接与由内翼19在第一支撑部22的水平处对内壁14上施加的恢复力相关，该恢复力从外部向内部径向地定向。
有利地，翼型件由耐热材料制成，例如，由钴和/或镍基合金制成。
根据图中所示的实施例，通过将上游扰流板17和下游扰流板25分别引入到转鼓9的上游容置部12和下游容置部32中，将每个扇形段定位在转鼓9上，预先将翼型件18固定在相应扇形段的上游扰流板17上。
因此，在安装位置，外翼20径向地位于外表面28和外壁13之间。外翼20在自身受到由内翼19的弹性变形产生的预应力和/或受到离心力的上游扰流板17的作用下被压靠在外壁13上。
芯部21轴向地位于上游壁33和上游表面30之间，芯部21可与上游表面30齐平或支承在上游表面30上。
内翼19径向地位于内表面29和内壁14之间。内翼19在第二支撑部23的水平处对上游扰流板17施加预应力，以通过外翼20使上游扰流板17压靠外壁13。
预应力是预定的，以便在尤其是当外转子4的旋转速度小于预定阈值时离心力不足以使上游扰流板17压靠外壁13的操作状态下(即，当施加在叶片装置上的空气动力学力大于离心力时)，使上游扰流板17压靠外壁13。翼型件18因此允许固定扇形段，换句话说，以避免残余运动(诸如扇形段的枢转)，尤其是当外转子4的旋转速度小于预定阈值时。
此外，预应力是预定的，以便阻尼叶片扇形段，从而减小传递到转鼓9的力和振动的幅度。翼型件18因此形成用于相应扇形段的阻尼器。
为了调节预应力，尤其可以改变内翼19的尺寸特征或几何特征和/或内翼19的材料。
在安装位置，下游扰流板25以存在径向间隙的方式安装在下游容置部32中。因此，根据操作状态，内表面29与内壁14齐平或支承在内壁14上，而外表面28与外壁13齐平或支承在外壁13上。
在如图2所示的安装位置，每个扇形段通过至少一个止动环36轴向地保持就位，该止动环36部分地容纳在形成于转鼓9中的环形凹槽37中。该止动环36部分地容纳在凹槽37中并且部分地轴向地支撑抵靠在套环26的与下游扰流板25相关联的下游表面上。
根据图2至图4所示的实施例，每个叶片扇形段包括单个翼型件，换句话说，翼型件18在上游扰流板17的整个长度上沿周向延伸。
根据图6所示的实施例，每个叶片扇形段包括沿周向有规律地分布的多个翼型件18。换句话说，每个翼型件18仅在上游扰流板17的周向部分上延伸。有利地，每个扇形段因此可以包括两个至十个翼型件18。
根据图2至图4所示的实施例，翼型件18被夹在上游扰流板17上。换句话说，在将翼型件18安装在上游扰流板17上期间，内翼19弹性变形，使得内翼19在第二支撑点23处对上游扰流板17施加保持力，该保持力从内部到外部径向地定向。该保持力允许在将扇形段安装在转鼓9上期间将翼型件18保持在扇形段上。
根据图7所示的实施例，上游扰流板17包括从上游扰流板的内表面29突出的突起38。突起38轴向地布置在芯部21和第二支撑部23之间。在将翼型件18安装在上游扰流板17上期间，内翼19弹性变形，以增加内翼19和外翼20之间的距离，因此允许突起38通过。在翼型件18的安装结束时，翼型件18因此被突起38轴向地阻挡。
有利地，突起38具有圆形轮廓的截面，以便于将翼型件18安装在上游扰流板17上。

Claims (10)

1.涡轮发动机(2)的反向旋转式涡轮(1)的转子(4)，所述转子包括能够绕纵向轴线(X)旋转的转鼓(9)和径向地安装在所述转鼓(9)内的叶片装置(10)，所述转鼓(9)包括界定第一敞开容置部(12)的第一内钩(11)，所述容置部(12)具有外壁(13)和内壁(14)，所述叶片装置(10)包括至少一个叶片(15)和外平台(16)，所述外平台设置有置于所述第一容置部(12)内的第一扰流板(17)，
其特征在于，所述转子(4)包括至少一个固定在所述第一扰流板(17)上的翼型件(18)，所述翼型件(18)包括弹性的内翼(19)和外翼(20)，所述弹性的内翼和所述外翼通过芯部(21)彼此连接，所述外翼(20)径向地布置在所述第一扰流板(17)和所述外壁(13)之间，所述内翼(19)具有关于所述内壁(14)的第一支撑部(22)以及关于第一扰流板(17)的第二支撑部(23)，所述内翼(19)布置在第一容置部(12)中，以便在所述第二支撑部(23)的水平处对所述第一扰流板(17)施加力，从而通过所述外翼(20)使所述第一扰流板(17)压靠所述外壁(13)。
2.根据权利要求1所述的转子(4)，其特征在于，所述叶片装置(10)的所述外平台(16)包括第二扰流板(25)，所述第二扰流板远离所述第一扰流板(17)并且轴向地布置在所述第一扰流板(17)的下游，所述第二扰流板(25)置于第二容置部(32)内，所述第二容置部由所述转鼓(9)的第二内钩(31)界定。
3.根据权利要求2所述的转子(4)，其特征在于，所述第一扰流板和所述第二扰流板(17，25)各自从下游到上游轴向地定向，所述第一容置部和所述第二容置部(12，32)轴向地向下游敞开。
4.根据前述权利要求中任一项所述的转子(4)，其特征在于，所述翼型件(18)被夹在所述第一扰流板(17)上。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的转子(4)，其特征在于，所述第一扰流板(17)包括从内表面(29)突出的突起(38)，所述突起(38)轴向地布置在所述芯部(21)与所述第二支撑部(23)之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的转子(4)，其特征在于，所述翼型件(18)是环或环扇形段。
7.根据前述权利要求中任一项所述的转子(4)，其特征在于，所述内翼(19)包括直接连接到所述芯部(21)的第一弯曲部段(34)和通过拐点(I)连接到所述第一部段(34)的第二弯曲部段(35)，所述第一支撑部和所述第二支撑部(22，23)分别布置在所述第一部段(34)和所述第二部段(35)的水平处。
8.根据前一项权利要求所述的转子(4)，其特征在于，所述第一部段(34)是凹形的，并且所述第二部段(35)是凸形的。
9.涡轮发动机(2)的反向旋转式涡轮(1)，包括根据前述权利要求中任一项所述的转子(4)。
10.涡轮发动机(2)，包括根据前一项权利要求所述的反向旋转式涡轮(1)。
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