渦輪機高壓渦輪的通風的制作方法

專利名稱：渦輪機高壓渦輪的通風的制作方法
技術領域：
本發明涉及雙轉子渦輪機(諸如飛機渦輪噴氣發動機)的高壓渦輪的通風，特別涉及高壓渦輪盤的通風。
背景技術：
雙轉子渦輪機具有設置在燃燒室出口處的高壓渦輪，目的是從燃燒室噴出的燃氣流中提取能量，并將旋轉動力傳遞給燃燒室上游的高壓壓氣機，以便向所述燃燒室輸送壓力空氣。這種渦輪機還包括位于高壓渦輪下游的低壓渦輪，目的是從燃氣流中提取附加能量，并向位于高壓壓氣機上游的低壓壓氣機傳遞旋轉動力。
高壓渦輪一般包括位于燃燒室出口處的渦輪盤，該渦輪盤帶有由所述燃燒室噴出的燃氣流帶動旋轉的葉片，所述盤周圍為靜子部件，諸如扇形環，以便對流經渦輪的燃氣的流動段進行密封。
因為燃燒氣體所達到的高溫，靜子密封環和轉子盤都會承受很高程度的一種熱應力，這種熱應力會造成這些部件膨脹。
轉子盤重量較高，因此，對燃氣溫度變化的反應要比密封環慢，溫度的這種變化是由渦輪機運轉速度的變化引起的，因此，會引起不同熱膨脹，特別是，因為轉子盤暴露于燃燒氣體的程度低于其所攜帶的葉片和靜子的密封環。
這種不同的熱膨脹導致渦輪機各個工作階段期間葉片頂部間隙的變化，為此，就必須提供較大量的間隙，但這有損渦輪機的性能。
此外，轉子盤內的溫度不均勻，尤其是在其裝有葉片的徑向外周緣(與燃燒氣體接觸部分)和其輪轂(與燃燒氣體隔開部分)之間。
轉子盤的溫度梯度縮短了其使用壽命，為此，必須使用較厚和較重的轉子盤，然而，這與此類渦輪機的設計所堅持的實現重量節省的做法相違背。
為了限制這些缺陷，轉子盤通常都采用取自上游的空氣來通風處理，目的是當速度增加時能對其加熱，從而加速其熱膨脹，而在轉速降低時對其冷卻，以便加速其收縮。
轉子盤葉片通常都是由專用通風管路來冷卻，這種管路從燃燒室端部引入空氣， 以便將所述空氣通過噴射器送入轉子盤緊上游處形成的環形空間內，該環形腔室與葉片內形成的通風回路相連通。
轉子盤的輪轂接受通常取自高壓壓氣機級的通風空氣，該通風空氣一例如一沿圓柱形護罩或護套向下游流動，所述護罩或護套從壓縮機的上述級軸向延伸，并在上述腔室內徑向地形成環形腔室，而上述腔室向下游延伸一直到高壓渦輪的轉子盤。
然而，來自高壓壓縮機的對轉子盤輪轂通風的空氣溫度與燃燒室端部引入的空氣溫度不同，目的是對所述轉子盤的葉片進行通風，結果，空氣流動的路徑相當長。于是，在轉速改變期間，對轉子盤輪轂進行通風的空氣就經歷了溫度變化，出現了相對于葉片通風空氣和燃燒氣體的延遲。
這樣，就很難控制葉片頂部的間隙，為此，為了限制葉片和葉片周圍密封環過早磨損的風險，必須提供一種較大的間隙量，但這種間隙量有損于渦輪的性能。
此外，這也不利于實現有效降低渦輪轉子盤的溫度梯度。
另外，燃燒室端部引入的用于高壓渦輪葉片通風的空氣壓力也大于來自高壓壓縮機的用于所述渦輪轉子盤輪轂通風的空氣壓力。
葉片通風空氣流經與葉片內部通風回路相連的環形腔室，于是，其就向轉子盤上游側面的徑向外部分施加了壓力，同時，輪轂通風空氣流過轉子盤輪轂兩側的徑向內腔室。
這使得轉子盤受到的壓力不平衡，結果，在轉子盤上造成向下游的軸向推力，使得渦輪機更難控制。

發明內容
本發明的一個具體目標就是提供一種可解決上述問題的方案，這種方案簡單，成本低，有效，可以避免已有技術的缺陷。
本發明的一個具體目標是降低高壓渦輪轉子盤內的溫度梯度，并降低所述轉子盤的溫度響應時間。
另一個目標是平衡施加在轉子盤兩側的壓力，從而限制施加給轉子盤上的軸向力。
為此，本發明提出了渦輪機的一種高壓渦輪，所述渦輪包括至少一個裝有葉片的轉子盤，該轉子盤具有上游和下游環形凸緣，該凸緣將包含轉子盤的輪轂的徑向內環形腔室與兩個徑向外環形腔室分開，其中一個外環形腔室位于轉子盤的上游，該腔室接收來自燃燒室端部的空氣流，對轉子盤葉片通風，另一個外環形腔室位于轉子盤的下游，所述渦輪的特征在于，轉子盤的上游凸緣包括將上游徑向外腔室與徑向內腔室相連通的通道，以便對轉子盤的輪轂進行通風。
結果，高壓渦輪盤的輪轂不再由取自渦輪高壓壓氣機的級的空氣來通風，而是由取自燃燒室端部并噴入轉子盤上游徑向外腔室的一部分空氣來通風，同時，所述空氣的剩余部分用來對轉子盤攜帶的葉片進行通風。
于是，對轉子盤輪轂通風的空氣流動路徑相對較短，類似于對葉片通風的空氣，這樣，空氣溫度就隨著渦輪機的運轉速度變化，實際上不會出現延遲。
這樣，就可以降低高壓渦輪轉子和環繞所述轉子的密封環之間的不同熱膨脹，而當設計渦輪尺寸時，葉片頂部的間隙也可以做成較小，不會出現葉片和密封環過早磨損的風險。
本發明還可以降低高壓渦輪轉子盤內的溫度梯度，從而增加所述轉子盤的使用壽命，并可以使用厚度較小的轉子盤，進而降低了渦輪機的重量，這對飛機渦輪噴氣發動機尤其有利。厚度較小的轉子盤的使用還可以改善轉子盤的溫度響應時間，并更有效地限制上述熱膨脹之差。
此外，對轉子盤輪轂通風的空氣壓力與對轉子盤葉片通風的空氣壓力相同，這樣， 通風空氣施加給上游和下游的轉子盤的壓力就相同，使得作用在轉子盤上的通風空氣的軸向推力得到降低。這就為(特別是)支撐高壓渦輪轉子的滾動軸承的尺寸設計提供了方便。
在本發明的最佳實施例中，將上游徑向外腔室與徑向內腔室相連通的通道包括在轉子盤上游凸緣的上游面上形成的徑向槽，這些槽構成了上游凸緣和該凸緣連接的渦輪機旋轉部件之間的空氣流動通道。
上游凸緣內的槽(有時稱之為新月形槽(crescents))用于使徑向外腔室的空氣流入徑向內腔室，而不會對凸緣機械強度造成損害。
有利的是，轉子盤下游凸緣包括將徑向內腔室與下游徑向外腔室相連通的通道， 該通道優選包括在轉子盤下游凸緣的下游面上形成的徑向槽。這些槽構成了下游凸緣和該凸緣連接的渦輪機的旋轉部件之間的空氣流動通道。
將下游徑向外腔室與徑向內腔室相連通，可以使轉子盤通風空氣的壓力施加到所述轉子盤的所有下游側面，這樣，就盡可能地降低了施加給轉子盤的軸向推力。
下游凸緣的槽在機械特性方面具有與上游凸緣的槽相同的優點。
根據本發明的另一個特性，徑向內腔室由圓柱形護罩或護套徑向向內形成，護罩或護套的上游端固定到帶轉子盤上游凸緣的部件上，而下游端固定到帶轉子盤下游凸緣的部件上。
護套用來以密封方式封閉徑向內腔室，而且其優點是遠遠短于已有技術護套，因為其固定到高壓渦輪轉子盤的上游和下游，且距轉子盤的距離較近。護套的這種縮短不僅實現重量上的節省，而且降低了與護套彎曲模式振動重合的任何風險。
在本發明的最佳實施例中，護套與渦輪機低壓渦輪的軸相配合，以形成環形通道， 輸送取自渦輪機高壓壓氣機級的通風空氣。
例如，該通風空氣可以用來對高壓渦輪下游的低壓渦輪的轉子部件進行通風。
例如，帶有轉子盤上游凸緣的部件是帶有迷宮式密封件的轉子盤，該轉子盤包括用來延伸固定到燃燒室內壁上的噴射器的孔口，以便使取自燃燒室端部的空氣流得以流過。
例如，帶有轉子盤下游凸緣的部件是轉子的驅動錐形體。
本發明還提供了一種包括了上述類型高壓渦輪的渦輪機。


下面結合附圖，閱讀以非限定性示例給出的介紹，可以更好地理解本發明，本發明的其他細節、優點和特性會更清楚地顯現出來，附圖如下 ·圖1為渦輪機軸向截面局部示意圖，其包括了已有技術的高壓渦輪； ·圖2為較大比例的渦輪機軸向截面局部示意圖，其包括了本發明的高壓渦輪。
具體實施例方式圖1示出了已知類型的雙轉子飛機渦輪噴氣發動機10，其特別包括(從上游到下游)高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪。
高壓壓氣機包括由帶葉片16，18的盤12，14組成的轉子，靜子級20置于葉片之間，用來引導流過壓氣機的空氣流。高壓壓氣機在其出口處裝有離心葉輪22，用來輸送壓力空氣給燃燒室。
高壓渦輪基本上包括帶葉片沈的轉子盤24，葉片在燃燒室噴出的燃燒氣體的流動段內延伸，目的是從燃氣流中提取機械能，以便按已知方式將旋轉動力傳遞給高壓渦輪和高壓壓氣機的轉子。轉子盤的葉片26周圍是扇形密封環(圖中未示)，該密封環固定到高壓渦輪外殼上，用來密封燃燒氣體流過所述渦輪的流動段。
高壓渦輪的轉子盤M采用環形凸緣30固定到位于轉子盤M上游的旋轉盤28上， 所述環形凸緣自圓柱形壁32的上游端徑向延伸，而圓柱形壁32則從高壓渦輪轉子盤M的上游側面34向上游延伸。旋轉盤觀帶有迷宮式密封裝置的密封片36，并連接到高壓壓氣機的轉子上。
高壓渦輪的轉子盤同時還采用環形凸緣40連接到位于轉子盤M下游的傳動錐形體38上，所述環形凸緣40在圓柱形壁42的下游端徑向延伸，而圓柱形壁42則從高壓渦輪轉子盤M的下游側面44向下游延伸。傳動錐形體38還帶有迷宮式密封裝置的密封片46。
工作時，因為溫度很高的燃燒氣體流過渦輪，高壓渦輪轉子盤M的葉片沈和環繞在這些葉片周圍的密封環承受很高的熱應力。
為了限制這種熱應力對葉片沈使用壽命帶來的不利影響，葉片包括內部管路，輸送來自燃燒室端部的通風空氣，該通風空氣的溫度低于燃燒氣體的溫度。
該空氣(箭頭48所示)由噴射器52噴到環形腔室50，噴射器圍繞渦輪噴氣發動機軸線按一定角度分布，安裝在彎管M的上游端，而這些彎管則連接到管狀空間56，后者在燃燒室周圍并由所述燃燒室徑向內截頭圓錐形壁58形成。離開噴射器的通風空氣48經由旋轉盤28上的孔口 62進入腔室50。
腔室50由旋轉盤觀、帶有上游凸緣30的圓柱形壁32和轉子盤M上游側面34形成，該腔室50與葉片沈內的通風管路相連通并經由葉根而開口于所述腔室。通風空氣48 沿轉子盤上游側面34徑向向外流過腔室50，一直到葉片沈的通風管路的進氣孔口。
工作時，燃燒氣體的高溫使得葉片沈與環繞其周圍的密封環一起熱膨脹，而且， 高溫氣體還使得帶有葉片的轉子盤M膨脹。
該溫度的變化是渦輪噴氣發動機運轉速度的函數，這樣，當運轉速度增加和降低時，上述部件會膨脹和收縮。
轉子盤的輪轂64的通風來自于渦輪噴氣發動機高壓壓氣機的空氣66，例如，轉子盤12和14之間，這部分空氣沿圓柱形護罩或護套68被導向下游，護罩或護套的上游端連接到高壓壓氣機的轉子盤12上，而其下游端通過凸緣70連接到傳動錐形體38上。空氣66 流過轉子盤M內并圍繞其輪轂64的孔，流入徑向內腔室72，后者具體是由護套68和轉子盤24上下游圓柱形壁32和42形成，該通風空氣66而后經由護套凸緣70和傳動錐形體38 內形成的孔口自下游流出。
通風空氣66用來使轉子盤M保持一定溫度范圍，以限制所述轉子盤內的溫度梯度。
此外，在渦輪噴氣發動機運轉速度增加期間，空氣66的溫度也增加，從而加熱了轉子盤對，進而加速了轉子盤的熱膨脹，限制了高壓渦輪葉片沈頂部間隙的增加，盡管葉片周圍密封環的膨脹較快。
在減速期間，空氣66的溫度也降低，于是，所述空氣冷卻了轉子盤，并加速了轉子盤的熱收縮，從而降低了葉片26的頂部和收縮更快的密封環之間的摩擦風險。
然而，取自高壓壓氣機的空氣66的溫度不同于取自燃燒室端部的空氣48的溫度， 而且，該溫度會以明顯延遲對渦輪噴氣發動機轉速變化而做出反應，結果，影響了這種技術對轉子盤M輪轂通風的效果。
此外，取自燃燒室端部的通風空氣48的壓力高于來自高壓壓氣機的通風空氣66 的壓力，這個壓力被施加到轉子盤M上游側面；34的徑向外部，同時，通風空氣66的較低壓力被應用到轉子盤輪轂64的兩側。結果，形成了一種在下游作用在轉子盤M上的軸向力， 從而使得渦輪噴氣發動機的控制更難。
為了解決這些問題，本發明提出了改進高壓渦輪轉子盤M的通風手段，更確切地說，本發明提出利用一部分來自燃燒室端部的通風空氣48來對轉子盤M的輪轂64進行通風。
圖2示出了根據本發明的渦輪噴氣發動機10的一部分，特別是，所述渦輪噴氣發動機高壓渦輪的轉子盤對，及其臨近周圍部分。
在本發明中，轉子盤M的上游凸緣30包括其上游面上形成的徑向槽74，所述上游面壓靠在旋轉盤觀下游側面上，以便形成通道，使得徑向位于上游圓柱形壁32外部的環形腔室50與徑向位于所述壁32內部的環形腔室72相連通。
這些槽74(有時稱之為新月形槽(crescents))可使一部分76通風空氣48進入到轉子盤M輪轂64延伸的徑向內腔室72內，以便對輪轂進行通風，同時，剩余部分78通風空氣48繼續向葉片沈的內部管路送氣。
徑向內腔室72由圓柱形護套80形成，護套的上游端固定到轉子盤28上，而其下游端固定到傳動錐形體82上，后者安裝在渦輪轉子盤M的下游。于是，該護套提供了軸向長度的優點，該長度要遠遠短于上述已有技術護套68的軸向長度。
此外，類似于槽74的槽84在下游凸緣40的下游面上形成，下游凸緣壓靠在傳動錐形體82的上游徑向壁86上，目的是形成通道，即，使得徑向內腔室72與下游環形腔室88 相連通，下游環形腔室88徑向位于帶下游凸緣40的圓柱形壁42的外部，并由轉子盤M的下游側面44和靜子部件89形成。
如上述已有技術那樣，通風空氣66繼續取自高壓壓氣機，但是，該空氣不再流入徑向內腔室72，而是經由護套80和位于高壓渦輪下游的低壓渦輪轉子軸91形成的環形通道90被導向。該空氣66流向下游，穿過傳動錐形體82內的孔口 92，用來對低壓渦輪的各個部件(諸如轉子盤)進行通風。這樣，不同于已有技術的傳動錐形體38，該傳動錐形體 82沒有開口于徑向內腔室72的孔口。
工作時，取自燃燒室端部的一部分78通風空氣48用來對葉片沈進行通風，而另一部分76空氣流過上游凸緣30內的槽74形成的通道而到達徑向內腔室72。于是，這部分空氣76可對高壓渦輪的轉子盤M進行通風，特別是其輪轂，通過從上游流到下游經過腔室 72，這樣，就流過輪轂64，如圖中箭頭94和96所示。而后，對轉子盤M通風的空氣流過下游凸緣40的槽84形成的通道，直到其進入下游徑向外腔室88，如箭頭98所示，于是，對轉子盤M下游側面44也進行通風。
為此，轉子盤M通風空氣76溫度與葉片沈通風空氣78的溫度相同。該溫度低于從燃燒室噴出的燃燒氣體的溫度，這樣，空氣78就繼續冷卻葉片，該溫度的變化是渦輪噴氣發動機運轉速度的函數，于是，空氣76在轉速增加時加熱轉子盤M，而在轉速下降時冷卻轉子盤24。
從燃燒室端部引出的通風空氣76的溫度對渦輪噴氣發動機轉速變化的反應要快于從高壓壓氣機引出的通風空氣66的溫度。
這樣，高壓渦輪靜子密封環的熱膨脹和所述渦輪轉子的熱膨脹之間就會實現良好同步，從而對轉子盤M上的葉片沈的頂部間隙達到有效控制。
另外，轉子盤M的溫度也會更加均勻，提高了轉子盤的使用壽命，而且，在設計高壓渦輪尺寸時，也可以使用比現有技術更薄的轉子盤，從而實現重量節省，進一步改善了轉子盤溫度響應時間。
此外，在三個環形腔室(分別為徑向外腔室50和88，以及徑向腔室72)內流動的空氣76確保了施加給轉子盤M上游和下游側面34和44上的壓力相同，這樣，通風空氣作用在轉子盤上的軸向推力大體上等于零，從而使得渦輪噴氣發動機的控制更加容易。
最后，護套80比現有技術護套68要短，實現了重量節省，降低了與護套彎曲模式重合的振動風險。
在上述圖2所示示例中，將徑向外腔室50和88與徑向內腔室72相連通的通道是凸緣30和40內形成的徑向槽所形成的通道。這些槽用來使上述腔室相連通，同時，又保持了帶凸緣30和40的圓柱形壁32和42的剛性。
在另一種方式中，或者此外，可以提供穿過這些圓柱形壁32和42的孔口，以便通風空氣流入各個腔室。
權利要求
1.一種渦輪機的高壓渦輪，所述渦輪包括至少一個裝有葉片的轉子盤(M)，該轉子盤具有上游和下游環形凸緣(30，32 ；40，42)，該凸緣將包含轉子盤Q4)的輪轂(64)的徑向內環形腔室與兩個徑向外環形腔室分開，其中一個外環形腔室(50)位于轉子盤的上游，該腔室接收來自燃燒室端部的空氣流G8)，對轉子盤葉片通風，另一個外環形腔室 (88)位于轉子盤的下游，所述渦輪的特征在于，轉子盤的上游凸緣(30,3 包括將上游徑向外腔室(50)與徑向內腔室(7 相連通的通道(74)，以便對轉子盤04)的輪轂(64)進行通風。
2.根據權利要求1所述的高壓渦輪，其特征在于，將上游徑向外腔室(50)與徑向內腔室(7 相連通的通道包括在轉子盤上游凸緣(30)的上游面上形成的徑向槽(74)，這些槽 (74)在上游凸緣(30)和與所述凸緣相連的渦輪機旋轉部件08)之間形成空氣流動通道。
3.根據權利要求1或2所述的高壓渦輪，其特征在于，轉子盤下游凸緣00)包括將徑向內腔室(72)與下游徑向外腔室(88)相連通的手段(84)。
4.根據權利要求3所述的高壓渦輪，其特征在于，將下游徑向外腔室(88)與徑向內腔室(7 相連通的通道包括在轉子盤下游凸緣GO)的下游面上形成的徑向槽(84)，這些槽 (84)在下游凸緣00)和與該凸緣相連的渦輪機旋轉部件(8 之間形成空氣流動通道。
5.根據以上任一項權利要求所述的高壓渦輪，其特征在于，徑向內腔室(7 由圓柱形護罩或護套(80)徑向向內形成，所述護罩或護套的上游端固定到部件08)上，該部件08) 帶有轉子盤04)的上游凸緣(30)，其下游端固定到部件(8 上，該部件(8 帶有轉子盤的下游凸緣(40)。
6.根據權利要求5所述的高壓渦輪，其特征在于，所述護套(80)與渦輪機低壓渦輪的軸(91)相配合，以形成環形通道(90)，該環形通道(90)用于輸送取自渦輪機高壓壓氣機級的通風空氣(66)。
7.根據以上任一權利要求所述的高壓渦輪，其特征在于，帶有轉子盤04)的上游凸緣 (30)的部件是一帶有迷宮式密封件(36)的轉子盤( )，該轉子盤包括供取自燃燒室端部的空氣流(48)流過的孔口(62)。
8.根據權利要求7所述的高壓渦輪，其特征在于，帶有迷宮式密封件(36)的轉子盤 (28)的孔口(62)與固定到燃燒室內壁(58)上的噴射器(52)對齊。
9.根據以上任一項權利要求所述的高壓渦輪，其特征在于，帶有轉子盤的下游凸緣 (40)的部件是轉子的傳動錐形體(82)。
10.一種渦輪機，其特征在于，其包括根據前面任一項權利要求所述的高壓渦輪。
全文摘要
一種渦輪機的高壓渦輪，所述渦輪包括轉子盤(24)，該轉子盤上的上游和下游的環形凸緣(30，32；40，42)將包含轉子盤(24)的輪轂(64)的徑向內環形腔室(72)與兩個徑向外環形腔室分開，其中一個外環形腔室(50)在轉子盤的上游，接收通風空氣流(48)，另一個環形腔室(88)在轉子盤的下游，所述轉子盤上游凸緣(30，32)包括使上游外腔室(50)與內腔室(72)相連通的通道(74)，以便對轉子盤(24)輪轂(64)進行通風。
文檔編號F01D5/08GK102187062SQ200980141788
公開日2011年9月14日 申請日期2009年10月16日 優先權日2008年10月20日
發明者馬蒂厄·達科斯基, 法布里斯·加林, 戴爾芬·盧森-勒魯, 威爾弗里德·施威布林 申請人:斯奈克瑪