轴向压缩机的减小的单块体的多级鼓轮的制作方法

专利名称：轴向压缩机的减小的单块体的多级鼓轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及轴向涡轮机的压缩机鼓轮(compressor drum)，更具体地说，涉及这种压缩机的转子级，该鼓轮可由与不同的转子级相应的几个部件的组件构成。再具体地说，本发明涉及轴向涡轮机的压缩机鼓轮的结构措施，这些措施意在具体地减小该鼓轮。
背景技术：
一般地，压缩机鼓轮为相对于其与涡轮机轴线相应的回转轴线回转的大致对称的中空体。根据流动形式，该中空体一般为椭圆或卵形线形状。几排叶片固定在鼓轮上形成不同的转子级，而每一个转子级与由一排定子叶片构成的定子级配合，这样，每一对转子和定子级形成压缩机的一个压缩级。由转子叶片作用在鼓轮上的离心应力非常大，特别是当鼓轮直径大和/或回转速度高时。压缩机设计者经常担心如何实现在注意减小鼓轮至最大的同时保证鼓轮和叶片的满意的机械阻力。在美国专利文件4784572中表示了传统的设计。除了与定子环箍的磨损材料配合的密封件以外，该鼓轮由基本上光滑的幕幛(veil)构成。在转子叶片的内表面上装有增强件。这些增强件形成该鼓轮的一个整体部分，并为内部肋的形式，该肋的厚度在它朝向该鼓轮内部的末端处较大。因为其形状，这些增强件通常称为“韭葱”。因为它们又大又重，这些增强件明显加大该鼓轮的重量。后者是两个趋向之间优化的结果，即增加材料以提高鼓轮的刚性的趋向和限制在鼓轮上增加材料的趋向，这是因为离心力与考虑这种增加材料因该材料远离回转轴线而造成更严重后果的缘故。转子叶片装有一系列的圆形肋，它们可扩散焊接在鼓轮的幕幛的外表面上。这些肋均分鼓轮的刚性。这些肋还可使转子叶片与定子叶片水平一致。在这个文件中提出的结构从刚性观点来看是有趣的，但太笨重，对压缩机本身的重量是不利的。专利文件WBC2-059-819A提出了一种压缩机鼓轮并试图提出一种减小的鼓轮结构。该鼓轮主要由一系列通过扩散装配的部分构成。该鼓轮包括幕幛，该幕幛在幕幛的容纳转子叶片的地方的右侧上装有内部肋。该幕幛在其外表面上包括一对肋，每一个部分可容纳一排叶片。这一对肋形成一个U形截面的容器，可容纳特别设计与这个容器配合的叶片的根部。借助插入销子通过U形的翼和叶片根部的翼来实现固定。这个结构肯定能提供良好的刚度，但在连接叶片根部和该容器方面有一定的几何公差，而且因为肋和连接销子的关系的缘故，质量大。由本申请的提出人提出的，还没有公布的欧洲专利申请0817^23. 0号表示一个减小的压缩机鼓轮，它除了包括幕幛之外，还包括一系列容纳一排转子叶片的部分，这些部分相对于该幕幛升高。确定流体流的这些部分的外表面带有一系列的孔，这些孔的每一个可容纳一个叶片平台。再将该平台与壁焊接。这些孔在确定空气动力学流体流的几乎整个表面上沿纵向延伸。在壁部分上钻出的这些孔不好，因为它们部分地削弱该壁部分。
本发明旨在提出消除上述至少一个已知缺点的压缩机鼓轮转子级或鼓轮，更具体地说，本发明旨在提出减小的压缩机鼓轮。

发明内容
本发明由轴向涡轮机压缩机鼓轮转子级构成，上述压缩机在根据回转轴线大致定向的方向上与流体流交叉，该转子级包括相对于回转轴线大致回转对称并形成一个中空体的壁，上述壁包括幕幛和支承一排叶片并与该幕幛整体地形成的环形区域；每一个上述的叶片具有前缘和后缘；其特征在于，上述环形区域包括相对于上述幕幛升高的中心部分，其外表面确定该叶片之间的流体流并全部在一个块体中，并且在从上述中心部分的上游边缘至该排叶片的前缘和/或从上述中心部分的下游边缘至该排叶片的后缘的上述环形区域的圆周上整体地形成。这个结构可以得刚性的且减小的压缩机鼓轮。事实上，升高叶片的支承区域在叶片排下的壁上，即应力最大的地方形成锁紧肩或半盒。另外，在确定流体流的中心部分上形成连续的表面可避免削弱如此形成的锁紧肩。与传统技术比较，这个结构用支承叶片区域上的壁的特别形式代替传统的紧固件，如螺钉和螺母以及笨重的“韭葱(leeks)”。锁紧肩或半盒的内表面优选没有只用作增强和增加笨重性的例如“韭葱”形式的肋。该叶片可以与转子整体地形成或焊接在其表面上。另外，叶片的底面部分可与转子整体地形成，然后把叶片的其余部分焊接在这个部分上。中心部分全部在一个块体中和在从上述中心部分的上游边缘至该排叶片的前缘， 和/或从上述中心部分的下游边缘至该排叶片的后缘的上述环形区域的圆周上整体地形成的特性肯定是有兴趣的，但不是最重要的。这些特性可以将本发明与还没有公布的可成为潜在的干扰的欧洲专利申请相区别。根据本发明的一个优选实施例，该环形区域的中心部分的外表面，根据回转轴线的不同，在上述表面的长度上，一般为光滑的，优选大致圆柱形的、锥形的或凸起的形式。该中心部分的外表面的相同结构的优点为可保证良好的空气动力学特性。根据本发明的另一个优选实施例，每一个叶片的至少一部分，优选是全部与该环形区域整体地形成。另外，可将叶片的基座焊接在该环形区域上。可以利用焊接带有或不带有与叶片整体形成的平台的各种形式的连接。根据本发明的又一个优选实施例，该环形区域包括与回转轴线大致垂直或倾斜的，优选与回转轴线的平均角度超过40°的连接该中心部分和该幕幛的至少一个刚性元件部分。这个刚性元件部分可以为从该幕幛突出并连接支承区域的简单的肋。根据各种尺寸参数，对一排叶片只可以形成一个中心的刚性元件部分，以保证该幕幛和该环形区域之间的连接。在这种情况下，该刚性元件部分可为与回转轴线大致垂直的肋形式，而该环形区域为带形式。该幕幛在该刚性元件右侧的内表面上没有刚性元件。根据本发明的又一个优选实施例，该环形区域包括连接该中心部分与幕幛的上游的上游刚性元件部分和连接该中心部分与幕幛的下游的下游刚性元件部分。保证中心部分和幕幛的连接的两个刚性元件的存在可保证叶片的环形支承区域的最优的稳定性。根据本发明的又一个优选实施例，该刚性元件部分或至少一个刚性元件部分与回转轴线大致垂直或以对回转轴线大于40°的，优选大于50°的平均角度倾斜。一个或两个
5刚性元件部分的倾斜可以改善鼓轮的纵向刚度，因而可改善鼓轮的纵向动态。这个措施可以控制相对于转子和定子元件之间的功能游隙的振动模态。根据本发明的又一个优选实施例，该中心部分的内表面和该环形区域上游和下游的部分形成向着转子级的中空体内部的开放的环形空腔。这个措施形成可在减小材料消耗的同时，保证增强的锁紧肩的最优形式。根据本发明的又一个优选实施例，该环形区域在通过回转轴线的平面中的截面轮廓为大致U形，其开口朝向回转轴线。根据本发明的又一个优选实施例，该刚性元件部分或至少一个刚性元件部分从该幕幛向着该中空体的内部突出。这些突出的部分很好地增加刚性元件部分的刚度。根据本发明的又一个优选实施例，在与回转轴线垂直的方向上，上游的刚性元件部分与该环形区域的中心部分的连接粗略地与该排叶片的前缘和上述中心部分相交处齐平，和/或在与回转轴线垂直的方向上，下游的刚性元件部分与上述环形区域的中心部分的连接粗略地与该排叶片的后缘和上述中心部分相交处齐平。这种设计可以优化回转中叶片产生的应力的接收。根据本发明的又一个优选实施例，该上游和/或下游的刚性元件部分与该支承区域的中心部分的连接分别设在上述中心部分的上游和/或下游边缘的后面，使上述中心部分的上游和/或下游边缘突出。连接部分设在该中心部分的相应边缘稍后可以限制在叶片中的应力集中。根据本发明的又一个优选实施例，上游的刚性元件部分与该环形区域的中心部分的连接设在该排叶片的前缘与上述中心部分的相交点的下游后面，和/或下游的刚性元件部分与上述环形区域的中心部分的连接设在该排叶片的后缘与上述中心部分的相交点的上游后面。根据本发明的又一个优选实施例，根据回转轴线，该中心部分从叶片排的前缘延
伸至其后缘。根据本发明的又一个优选实施例，根据回转轴线，该中心部分优选唯一地从叶片排的前缘的接合处延伸至其后缘的接合处。本发明还由包括至少一个级，优选是如前所述的几个级的轴向涡轮机压缩机鼓轮构成。禾Ij用说明和图可以更好地理解本发明的其他特征和优点。


图1为包括带有根据本发明的几个转子级的鼓轮的压缩机的部分横截面图，图2为根据本发明的可替换的第一转子级的部分横截面图，图3为根据本发明的可替换的第二转子级的部分横截面图，图4为根据本发明的可替换的第三转子级的部分横截面图，图5为根据本发明的可替换的第四转子级的部分横截面图，图6为根据本发明的可替换的第五转子级的部分横截面图，
具体实施方式
图1表示包括根据本发明的鼓轮或转子(drum or rotor)的压缩机。它是转子2 和定子8的横截面图。该鼓轮2由围绕着回转轴线回转的大致对称的壁4构成，该壁4形成椭圆形或卵形线形的中空体。该壁4包括确定鼓轮总体形状的幕幛。为了说明简单起见，图1只表示转子2和定子组的上半部，其另一下半部相对于回转轴线与上半部对称。对定子8也同样。根据图1所示，定子8和转子2形成气流从左至右运动和压缩的环形通道。 为了这个目的，转子2包括鼓风机10(在图的最左边部分地示出)和三个平行排的叶片14。 这些叶片14刚性地固定在鼓轮2上并与它一起转动。在多排转子叶片14之间设置多排校正叶片12。这些校正叶片12的最上端刚性地固定在定子8的壁6上。每一排叶片12形成一个校正栅格，其作用是校正直接从上游的一排转子叶片14来的流体流动。一排转子叶片与直接在下游的一排定子叶片组合形成压缩机的一个级。例如，在图1的情况下，压缩机由三个级构成。一排定子叶片放置在鼓风机10和第一排转子叶片14之间。这排叶片校正由鼓风机10产生的流体流动。在图1中看出，校正叶片12固定在形成定子8的壁6的外部环箍上。每一排定子的叶片的最下端分别埋入内部环箍18中。每一个内部环箍18的尺寸使得定子叶片之间连接并与转子2紧配合。事实上，每一个环箍在其内表面上包括脆性材料，术语更通常称为 “磨损的”，该材料如其名字所启示，其具有挖空通路并在与转子的幕幛的密封件16摩擦的过程中形成迷宫的能力。这些密封件16为相对于内部环箍18分别设在转子2的外表面上的圆形肋。这些肋在与转子的回转轴线大致垂直的平面上延伸，并形成点形式的外部边缘， 可以与磨损材料接触，在减小接触表面，因而减小摩擦力的同时，保证一定的不可渗透性。图1所示的鼓轮或转子是单块体的，即其壁4全部在一个块体中形成。转子叶片 14，至少其根部或底部也与壁4整体地形成。虽然在图中看不出，每一个转子叶片可由与转子整体地形成的底部和优选可用任何传统的连接方法，例如焊接与底部固定的顶部构成。 转子的壁4由金属材料，例如钛制成。首先，用锻造粗加工，再机加工。壁4包括形成凸出的大致圆柱形或椭圆或卵形线形并支承密封件6的幕幛。除了幕幛以外，该壁还包括支承转子叶片的区域。这些区域具有特殊的几何形状，以优化转子的刚度及其质量。转子包括用同样方法构成的三个这些区域。这样，更详细地说明第一排转子叶片的支承区域，这个说明也可应用于转子的其他级。壁4的支承区域为环形形式，并基本上由与回转轴线垂直的肋形式的壁的两个部分20和22与支承该排叶片的中心部分21构成。中心部分21相对于形成该幕幛的邻近的壁升高。在与回转轴线大致垂直并向着中空体外侧取向的方向上的这个升高，使该中心部分21的外表面处于邻近确定流体流的环箍18的内表面的水平。因为密封件的高度和环箍的必要厚度，环箍的这些内表面离该幕幛一个距离。确定流体流的环形区域的中心部分21 和环箍的内表面因此大致补偿和对淮，以保证流动尽可能少受扰动。一般而言，环形支承区域的中心部分21是大致直立的或横截面稍微弯曲的，与转子的流体流的一般形式相适应。这个中心部分基本上为环形形式，叶片根部与它整体地形成。该中心部分在纵向方向的长度基本上与在这个方向的叶片根部及其连接的宽度相应。 这样，中心部分21构成叶片排的大致环形平台。肋形式的上游横向部分20和下游横向部分22连接这个平台和该幕幛的其余部分。在回转轴线的方向上，叶片的环形支承区域在该中空体内形成环形空腔，并向着后者开放。在通过回转轴线的平面上，该环形区域的截面大致为“U”形轮廓，其开口朝向回转轴线。上游横向部分20和下游横向部分22与中心部分的连接使它们离由该中心部分形成的平台的相应末端一定距离。该上游部分20与该中心部分21的连接粗略地与叶片的前缘齐平(与回转轴线垂直)，更精确地说，与叶片前缘的延伸和该平台的交点齐平。同样的情况适用于壁下游的部分以及叶片后缘。这样，由该中心部分形成的平台具有突出的上游侧边缘和同样突出的下游侧边缘。这个结构可以优化由叶片产生的离心应力的接管。叶片在其所有宽度上都笨重，因此抑制该平台离其上游和下游边缘一定距离可以避免在连接处的应力集中。另外，这些结构措施可在该上游边缘和该幕幛之间，以及同样在该下游边缘和该幕幛之间设置一定空间，这个空间可使转子和定子叶片排较靠近，从而减小压缩机的总重量。该环形区域的壁上游部分20和下游部分22从该幕幛向着该中空体内部突出，形成在该中空体中的内部肋M和26。这可以增强转子并具有它们的块体从幕幛稍靠后设置并更接近回转轴线的优点。应当指出，叶片根部不是必需与转子整体地形成。可以设置带有开口的光滑的支承区域，以保证或增强以后对叶片的固定。在该支承区域中，在该中心部分21的外表面上可简单地将叶片根部与支承区域焊接。叶片的根部还可具有可与固定平台相比较的表面， 以便插入环形区域相应的开口中，再焊接。在这种情况下，这个平台的尺寸可以很理想地减小，即其中心基本上在叶片上并且与前缘与后缘离开一定距离。还应指出，转子壁不是必需制成一个件。可以希望将几个部分装配在一起。这种结构可以减小机加工的材料，因为首先可通过锻压使毛坯形状更接近最终的形状。从而可减小机加工除去的材料损失，以及减小机加工时间。图2表示转子的环形支承区域的可替换的第一个结构。箭头表示流体流动的方向。在图1的转子的各个级中，该第一个结构与现有结构不同，主要是该上游横向部分20和下游横向部分22通过倒圆角与该幕幛连接，不再从该幕幛向着该中空体内部突出。壁倒圆角的优点是可减小该横向部分和该幕幛之间连接处的应力集中。减小应力集中可实现图1 设计中的内部肋。上游的侧壁部分20和下游的侧壁部分22与该平台或中心部分21的连接离开相应的上游边缘30和下游边缘32 —定距离，并稍微向着由前缘27和后缘观的垂直形成的空腔内部靠后设置。图3表示转子叶片的环形支承区域的可替换的第二个结构。箭头表示流体的流动方向。这个结构与图1的结构的区别主要在于上游侧壁部分20和下游侧壁部分22相对于回转轴线的垂直线倾斜。这个倾斜的优点是，在享有图1的结构的优点时，可以根据回转轴线控制鼓轮的刚度。因为根据这个方向的一定的振动模态，该转子实际上可为纵向振动动态特性。在支承区域上的一个或另一个侧壁部分的倾斜可以保持足够的纵向刚度。这个措施是有用的，因为在上游边缘30或下游边缘32与内部环箍的相邻边缘之间的机械游隙减小。图4为转子叶片的环形支承区域的可替换的第三个结构。箭头表示流体流动的方向。这主要是图2和3的设计的组合，即其特征在于，上游横向部分20和下游横向部分22 如图3那样倾斜，并如图2那样，利用倒圆的部分与该幕幛连接。因此，这个结构具有图2 和3的实施例组合的优点。
图5表示转子叶片的环形支承区域的可替换的第四个结构。箭头表示流体的流动方向。这个结构相应于图4的结构，差别是，一个横向部分，例如下游部分22与回转轴线垂直而不倾斜。在这种情况下，下游横向部分22不与该幕幛连接。这个结构对最后一排叶片是好的。它可以在径向应力大时保持刚性，同时保证必要的纵向刚性。图6表示转子叶片的支承区域的可替换的第五个结构。箭头表示流体的流动方向。这个结构与图1所示的结构连接，但内部肋对和沈不再向着回转轴线突出，而现在是在纵向方向一个向着另一个。重要的是指出，转子叶片的支承区域的各种可替换的结构纯粹是说明性的而不是限制性的。因此，根据本发明可有其他相似的结构。另外，应当注意，每一个转子级可具有根据各种尺寸参数对该转子级是特定的叶片的环形支承区域的结构。在以上给出的本发明的说明中，构成该幕幛和转子级的环形支承区域的壁构造成一体。虽然，这个实施例似乎是最实际的，但应指出，本发明可允许转子级的壁由例如用焊接装配的几个壁部分构成。
权利要求
1.一种轴向涡轮机压缩机鼓轮转子级，上述压缩机与在大致根据回转轴线取向的一个方向上的流体流交叉，该转子级包括相对于回转轴线大致回转对称的并形成中空体的壁G)，上述壁包括幕幛和支承一排叶片(14)并与该幕幛整体地形成的环形区域(20，21， 22)；每一个上述叶片具有前缘06)和后缘(观)，其特征在于，上述环形区域包括相对于上述幕幛升高的中心部分(21)，其外表面确定叶片(14)之间的流体流，并作为在从上述中心部分的上游边缘(30)至叶片(14)的排的前缘06)和/或从上述中心部分的下游边缘(3 至该排叶片的后缘08)的上述环形区域的圆周上的一个块体。
2.如上述权利要求的转子级，其特征在于，根据回转轴线的不同，该环形区域的中心部分的外表面，在上述表面的长度上，一般为光滑的，优选大致圆柱形的、锥形的或凸起的形式。
3.如上述权利要求中任一项的转子级，其特征在于，每一个叶片(14)的至少一部分， 优选是全部与该环形区域00,21,2 整体地形成，或者每一个叶片(14)焊接到上述环形区域 Q0，21，22)。
4.如上述权利要求中任一项的转子级，其特征在于，该环形区域包括与回转轴线大致垂直或倾斜的、优选与回转轴线的平均角度超过40°的连接该中心部分和该幕幛的至少一个刚性元件部分00，22)。
5.上述权如利要求中任一项的转子级，其特征在于，该环形区域包括连接该中心部分 (21)与幕幛的上游的上游刚性元件部分OO)以及连接该中心部分与幕幛的下游的下游刚性元件部分02)。
6.如权利要求4或5中任一项的转子级，其特征在于，该刚性元件部分(20，22)或至少一个刚性元件部分与回转轴线大致垂直或以对回转轴线大于40°的、优选大于50°的平均角度倾斜。
7.如权利要求5或6中任一项的转子级，其特征在于，该中心部分的内表面以及该叶片排的支承区域的上游OO)和下游0 部分，形成向着转子级的中空体内部的开放的环形空腔。
8.如权利要求5或7中任一项的转子级，其特征在于，该环形区域O0，21，22)在通过回转轴线的平面中的截面轮廓大致为U形，其开口朝向回转轴线。
9.如权利要求4-8中任一项的转子级，其特征在于，该刚性元件部分(20，22)或至少一个刚性元件部分从该幕幛向着该中空体的内部突出。
10.如权利要求5-9中任一项的转子级，其特征在于，在与回转轴线垂直的方向上，上游的刚性元件部分OO)与该环形区域的中心部分的连接粗略地与该排叶片的前缘 (27)和上述中心部分相交处齐平，和/或在与回转轴线垂直的方向上，下游的刚性元件部分0 与上述环形区域的中心部分的连接粗略地与该排叶片的后缘08)和上述中心部分相交处齐平。
11.如权利要求5-10中任一项的转子级，其特征在于，该上游OO)和/或下游02) 的刚性元件部分与该环形区域的中心部分的连接分别设在上述中心部分的上游 (30)和/或下游(3 边缘的后面，使上述中心部分的上游和/或下游边缘突出。
12.如权利要求5-11中任一项的转子级，其特征在于，上游的刚性元件部分OO)与该环形区域的中心部分的连接设在该排叶片的前缘(XT)与上述中心部分的相交点的下游后面，和/或下游的刚性元件部分0 与上述环形区域的中心部分的连接设在该排叶片的后缘08)与上述中心部分的相交点的上游后面。
13.如上述权利要求中任一项的转子级，其特征在于，根据回转轴线，该中心部分从叶片排的前缘(XT)延伸至后缘08)。
14.如上述权利要求中任一项的转子级，其特征在于，根据回转轴线，该中心部分优选唯一地从叶片排的前缘(XT)的接合处延伸至其后缘08)的接合处。
15.轴向涡轮机压缩机转子0)，包括根据上述权利要求中一项的至少一个级，优选几个级。
全文摘要
本发明涉及轴向涡轮机压缩机鼓轮(2)的转子级。该转子级包括围绕回转轴线回转对称的壁(4)。该壁(4)包括确定该压缩机鼓轮的大致形状和支承一排叶片(14)的环形区域(20，21，22)的幕幛，上述区域与该幕幛整体地形成。这个区域具有特定的形状，其确定流体流的外表面相对于该幕幛升高。这个区域的横截面为“U”形，其开放部分朝向回转轴线。该环形区域包括两个壁部分，一个上游部分(20)和一个下游部分(22)，保证与该幕幛的连接和用作刚性元件。这些部分优选与回转轴线垂直或相对于垂直线倾斜。每一个上游(20)和下游(22)的壁部分与该支承区域的中心部分(21)的连接离该中心部分(21)的相应边缘有一个距离，以避免应力集中。
文档编号F04D29/26GK102192186SQ201110059219
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月11日 优先权日2010年3月12日
发明者米歇尔.沃拉索夫斯基 申请人:航空技术空间股份有限公司