用于燃气涡轮发动机的定子设备的制作方法

1.本发明大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及这种发动机的定子结构。


背景技术：

2.一种燃气涡轮发动机，包括串联流动连通的压缩机、燃烧器和涡轮。涡轮与压缩机机械联接，这三个部件限定了涡轮机核心。核心能够以已知的方式操作以产生热的、加压的燃烧气体流以操作发动机以及执行有用的功，例如提供推进推力或机械功。
3.通常，压缩机具有多个级并且每个后续级的静压高于上游级，最后级以预期的压缩机排放压力(“cdp”)排放空气。
4.压缩机包括在定子结构内旋转的转子，该定子结构包括壳体和定子轮叶，定子轮叶限定通过转子的流动路径。
5.需要具有简单的构造而没有许多单独部件的定子结构。复杂组件所需的连接特征限制了优化设计的能力，因为它涉及控制转子翼型叶尖间隙、发动机轴向长度以及从主流动路径有效抽取引气以用于其他用途。


技术实现要素：

6.这需要通过一种定子结构来解决，该定子结构将一个或多个特征与压缩机壳体结合成一体。
7.根据本文描述的技术的一个方面，涡轮机定子设备包括：压缩机壳体，该压缩机壳体包括限定弓形流动路径表面和相对背侧表面的壳体壁，流动路径表面限定至少两个间隔开的转子台面(rotor land)；定子轮叶的一排定子轮叶设置在压缩机壳体内；其中壳体壁包括至少一个中空结构；并且其中壳体壁是单个单片式整体。
8.根据本文描述的技术的另一方面，燃气涡轮发动机设备包括：以串联流动关系布置的压缩机、燃烧器和涡轮，其中压缩机包括：压缩机壳体，其包括限定弓形流动路径表面和相对背侧表面的壳体壁，流动路径表面限定至少两个间隔开的转子台面；其中壳体壁包括至少一个中空结构；并且其中壳体壁是单个整体式整体；至少一排定子轮叶设置在压气机壳体内；以及至少一排转子叶片，该转子叶片安装成围绕压缩机壳体内的中心线轴线旋转，并且机械地联接到涡轮。
附图说明
9.结合附图参考以下描述可以最好地理解本发明，其中：
10.图1是结合了一体式定子结构的燃气涡轮发动机的横截面示意图；
11.图2是图1的发动机的压缩机的一部分的示意性半截面视图；
12.图3是图2所示的移除转子后的定子结构视图；
13.图4是图3所示定子结构的一部分的正视图；
14.图5是图3的一部分的放大视图；以及
15.图6是图3的一部分的放大视图。
具体实施方式
16.参考附图，其中相同的附图标记在各个视图中表示相同的元件，图1描绘了示例性燃气涡轮发动机10。虽然所示示例是高旁通涡轮风扇发动机，但本发明的原理也适用于其他类型的发动机，例如低旁通涡轮风扇、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机等，以及具有任意数量的压缩机-涡轮线轴的涡轮发动机。本发明的原理还潜在地适用于其他类型的涡轮机，例如发电涡轮或由单独的原动机驱动的压缩机。
17.发动机10具有纵向中心线或轴线11。注意，如本文所用，术语“轴向”和“纵向”均指平行于中心线轴线11的方向，而“径向”指与轴向方向垂直的方向，“切向”或“周向”是指与轴向方向和径向方向相互垂直的方向。如本文所用，术语“前”或“前部”是指穿过或围绕部件的气流中相对上游的位置，而术语“后”或“后部”是指穿过或围绕部件的气流中相对下游的位置。该流动的方向由图1中的箭头“fl”表示。这些方向性术语仅用于描述方便，并不要求由此描述的结构的特定取向。
18.发动机10具有以串联流动关系布置的风扇14、增压器16、高压压缩机或“hpc”18、燃烧器20、高压涡轮或“hpt”22和低压涡轮或“lpt”24。在操作中，来自压缩机18的出口26的加压空气在燃烧器20中与燃料混合并被点燃，从而产生燃烧气体。通过高压涡轮22从这些气体中提取一些功，高压涡轮22经由外轴28驱动压缩机18。然后燃烧气体流入低压涡轮24，低压涡轮机2经由内轴29驱动风扇14和增压器16。
19.图2是结合定子结构的示例性实施例的hpc18的一部分的半截面视图。hpc18用作示例来说明本发明的原理。所说明的逐级特征旨在显示本发明启用的设计方法的范围的一部分。不同的方法和不同的材料，例如不同的金属合金，可以用在不同的位置，例如，在同一轴向整体结构内的压缩机的不同级。
20.hpc18包括压缩机转子30，其可围绕中心线轴线11旋转，该压缩机转子30机械地联接到上述外轴28。转子包括多个级。每个级包括一排周向间隔开的翼型状转子叶片32。例如，典型的压缩机可包括6-14级。在操作中，每个随后的压缩机级逐渐增加静态空气压力，最后一级以预期的压缩机排放压力(“cdp”)排放空气，以便随后流入燃烧器20(图1)。
21.压缩机18被压缩机壳体34包围，压缩机壳体34支撑如下所述的定子轮叶52。压缩机壳体34包括壳体壁36，该壳体壁具有弓形径向内侧表面38(也称为流动路径表面)和相对的径向外侧表面40。
22.参考图3，流动路径表面38限定了两个或更多个转子台面42，它们是弓形表面，其形状和尺寸被设计成紧密围绕转子叶片32的尖端。每排转子叶片32的外侧定位有一个转子台面42。
23.在所示示例中，提供了单个压缩机壳体34，其可以在压缩机的整个长度上延伸。在这个例子中，显示了七个转子叶片排。将理解的是，压缩机壳体可替代地构造为沿轴向方向串联布置的两个或更多个区段。例如，压缩机壳体可以包括前部区段和后部区段，它们将通过螺栓接头或其他类似的布置接合在一起。为了本发明的目的，这些部分中的每一个都将构成“压缩机壳体”。
24.当组装在发动机10中时，压缩机壳体34通常是环形的，使得流动路径表面38可以
是旋转体。在一个示例性构造中，壳体壁36可以是限定流动路径表面38的单个单一式、整体式或单片式环形结构。或者，压缩机壳体34可沿一个或多个轴向-径向平面划分以限定可以连接在一起的段。例如，图4显示了压缩机壳体34被分成左段44和右段46，左段44、46分别包括弓形壳体壁36。段44、46中的每一个段分别包括彼此抵接的分割线凸缘48。分割线凸缘48由传统的紧固件50夹紧在一起。虽然显示了两个段，应当理解，压缩机壳体34可以分成任意数量的段。将进一步理解的是，分割线凸缘48可位于相对于压缩机壳体34的任何时钟位置。
25.每个壳体壁36可以是单个单一式、一件式或单片式部件。壳体壁36可以使用涉及逐层构造或增材制造的制造处理制造(与传统机加工处理中的材料去除相反)。此类处理可被称为“快速制造处理”和/或“增材制造处理”，术语“增材制造处理”在本文中是一般指此类处理的术语。增材制造处理包括但不限于：直接金属激光熔化(dmlm)、激光净成形制造(lnsm)、电子束烧结、选择性激光烧结(sls)、3d打印，例如通过喷墨和激光喷射、立体光刻(sla)、电子束熔化(ebm)、激光工程净成型(lens)和直接金属沉积(dmd)。可选地，可以使用增材制造处理由多于一种材料或多于一种金属合金制造单一式、一件式或单片式结构。
26.压缩机壳体34支撑多个周向间隔的固定翼型定子轮叶52的定子排。每个定子轮叶排的定子轮叶52从流动路径表面38向内延伸。通常，一个定子排被定位紧接在每个叶片排的下游。
27.一些或所有定子轮叶52可以形成为壳体壁36的一部分作为单个单一式、一件式或单片式部件。这种构造在图3中示出。定子轮叶52可具有围绕压缩机壳体34的圆周均匀的轮叶到轮叶的间距，或者轮叶到轮叶的间距可以是不均匀的。不均匀间距是有便利的，因为单一式、一件式或单片式结构在使用单独的轮叶时避免了对不均匀间距的实际限制，例如增加了独特零件的数量或组装错误的风险。
28.压缩机壳体34包括一个或多个环形、径向延伸的凸缘。一个示例凸缘在图3中标记为54供参考。凸缘用于结构加固、提供热质量和/或提供机械附接等目的。
29.每个壳体壁36可包括作为单一整体的一部分的一个或多个结构，其功能是增强压缩机壳体34的性能，例如通过减轻其重量、改善其热响应特性、减少其零件数量，和/或提高引气提取效率。这些结构共同具有从壳体壁36的外侧表面40的周围区域突出的至少一个部分，以及形成在壳体壁36中的至少一个中空腔。这些在本文中通常可以被称为“中空结构”。
30.压缩机壳体34可包括一个或多个隔热板。通常，隔热罩是薄结构，其限定包围另一结构的一部分并与相关结构隔开的屏障或壳体。
31.在所示示例中，压缩机壳体34包括围绕凸缘54的隔热罩56。隔热罩56是弓形或环形结构(它可以是分段的环带)。它具有相对较小的壁厚，通常基本上小于壳体壁36的平均壁厚“t1”。它的形状通常是“u”或“v”形，径向腿58由轴向腿60(从半截面来看)。径向腿58的内侧端部在整体连接处连接壳体壁36的其余部分。隔热罩56至少部分地围绕相关联的凸缘54并且通常符合凸缘54的横截面形状。因此，凸缘54和周围的隔热罩56都可以被描述为从壳体壁36的外侧表面40的周围部分“突出”。中空腔室62限定在凸缘54和隔热罩56之间并且用作绝热间隙。可选地，中空腔室(未示出)可以被限定在凸缘54内。
32.每个隔热罩56是本文使用的术语“中空结构”的示例。
33.压缩机壳体34可包括一个或多个柔性的尖端护罩组件64。参考图5，邻近流动路径侧38的壳体壁36的的一部分形成为具有流动路径侧68和背侧70的弓形护罩66，流动路径侧
68构造成紧密围绕转子叶片32。一对间隔开的凸缘72从壳体壁36的外侧40突出。它们可以可选地被类似于上述隔热罩56的隔热罩74包围。凸缘的数量可以任选地为一个或多于两个。
34.护罩66的背侧70通过用作弹性弹簧元件的一个或多个韧带或梁76连接到凸缘72和/或壳体壁36的周围部分。这意味着它们的形状、尺寸、材料成分和位置允许它们在施加的载荷下偏转，然后返回到标称位置。应当理解，还有其他几何形状可以用作弹簧元件。韧带76在相对细长的颈部78处连接护罩66的背侧70的中央部分，该颈部78的前后两侧是凹槽80。
35.在操作中，护罩66可以响应于所施加的载荷(例如压缩机叶片尖端的接触，通常称为“擦”)而在一个或多个方向上移动、枢转和/或平移。例如，它可以径向向外移动和/或枢转进入凹槽80中的一个或两个。在去除所施加的载荷后，护罩66通过来自梁76的恢复力返回到标称位置。这种特性被称为护罩66是“柔性”。护罩66、凸缘72和韧带76共同限定了柔性尖端护罩组件64。柔性尖端护罩组件64是本文使用的术语“中空结构”的示例。
36.返回参考图3，压缩机壳体34可包括穿过壳体壁36的厚度的放气槽82。放气槽82可在压缩机壳体34的整个圆周或部分圆周上延伸。在所示示例中，单个放气槽82是一个完整的360
°
槽。放气槽82在流动路径表面38处限定入口84。
37.在发动机操作期间，来自发动机10的主流动路径86的一部分压缩空气通过入口84进入放气槽82并进入部分地由围绕压缩机壳体34的环形外壁90(例如一个歧管或外壳体的一部分)限定的排放腔88。进入排放腔88的空气可以根据需要通过适当的导管、阀等(未示出)被重新定向或输送以用于各种最终用途。
38.放气槽82沿槽轴线92延伸，该槽轴线92设置成与发动机10的中心线轴11成不平行、不垂直的角度θ。更具体地，可以选择角度θ以通过使引气通过相对较低的角度来减少压力损失。如本文所用，术语“低角度”是指约65
°
或更小的角度。例如，角度θ可以在大约30
°
到大约65
°
的范围内。在图示的例子中，角度θ约为37
°
。
39.在所示示例中，结构支柱94的圆周阵列设置在放气槽82内，其间具有空间。通过适当选择其厚度，支柱94起到改善压缩机壳体34的结构刚度、控制相对的通道表面之间的通道宽度以及还可以控制放气槽82的喉部区域的作用。除了上面描述的低角度定向之外，可以通过对支柱94进行成形和定向来进一步改善放气槽82的性能，使得它们用作转向轮叶，即，减小流动的切向速度(或切向速度分量)，也称为流动的“去漩涡”。
40.放气槽82是本文所使用的术语“中空结构”的示例。
41.压缩机壳体34可包括一个或多个中空凸缘。在所示示例中，邻近流动路径侧38的壳体壁36的一部分从外侧表面40突出以限定包括中空内腔98的中空凸缘96。如图6所示，内部腔室98包括格子结构100。格子结构100可以包括多个内部梁102。在所示示例中，梁102以交叉平行排的网格图案布置。梁102的构造可以被定制以适合特定应用。这意味着可以选择它们的形状、尺寸、材料成分和位置以产生特定的机械和/或热特性。例如，梁102的适当构造可导致空心凸缘96具有比由实心材料制成的具有相同材料成分和横截面形状的梁更低的有效热膨胀系数。
42.中空凸缘96是本文所用的术语“中空结构”的一个例子。
43.本文描述的定子结构具有优于现有技术的优点。它可以通过启动减少间隙和使排
放级向前移动的潜力来提供特定的燃料消耗(“sfc”)益处。它可以通过减少零件数量和组装劳动力来降低成本。将定子轮叶一体化到壳体中可以采用更量身定制的方法来处理不均匀的轮叶间距，从而为相邻转子级带来空气机械优势，从而允许使用更多空气动力学转子翼型几何形状来减少燃料消耗。这种一体化可以通过消除固定定子轮叶外部流动路径的冗余和与可分离的定子轮叶相关联的保持特征、减少封装这些保持特征所需的发动机长度、以及通过减少周向螺栓连接的数量和隔热罩的一体化减少紧固件的总数来减少发动机重量。
44.将一体化设计与增材制造相结合提高了采用间隙控制特征的能力，该间隙控制特征针对独特的壳和转子增长组合量身定制。与传统方法相比，使用增材方法制造定子结构也将允许更紧密的排气喉管或添加具有更多空气动力学扩散的排气轮叶，而不是内流表面和外流表面之间的简单支柱。它可以在更短的发动机轴向长度内实现这种更有效的排气几何形状，并且比传统制造方法能够更有效地将排气几何形状一体化到热控制结构中以实现叶尖间隙匹配。总之，足够的二次空气引气静压增加可以允许从较早的压缩机级提取引气，从而整体降低发动机燃料消耗。增材制造的使用允许将柔性的叶尖护罩一体化到壳体中，以减少空气泄漏、减少流动路径几何公差叠加(更紧密的间隙)并避免与壳体的可分离界面处的磨损。
45.上文已经描述了用于燃气涡轮发动机的定子结构。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合进行组合，除非组合中至少有一些这样的特征和/或步骤是相互排斥的。
46.除非另有明确说明，否则在本说明书(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以被用于相同、等效或相似目的的替代特征替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是等效或类似特征的一般系列的一个示例。
47.本发明不限于前述实施例的细节。本发明延伸到本说明书(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合如此披露。
48.本发明的进一步方面由以下编号条款的主题提供：
49.1.一种涡轮机定子装置，包括：压缩机壳体，包括壳体壁，壳体壁限定弓形流动路径表面和相对的背侧表面，流动路径表面限定至少两个间隔开的转子平台；定子叶片排设置在压缩机壳体内；其中壳体壁包括至少一中空结构；并且其中壳体壁是单个整体式整体，其中定子叶片整体形成为整体式整体的一部分。
50.2.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该压缩机壳体包括连接在一起以限定全环形结构的多个壳体壁。
51.3.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该壳体壁是全环形结构。
52.4.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该压缩机壳体在不同位置包括不同材料。
53.5.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该壳体壁包括：穿过该壳体壁的放气槽，该放气槽具有入口，该放气槽沿狭槽轴线延伸；并且一排支柱设置在放气槽中，其中放气槽一体地形成为整体式整体的一部分。
54.6.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该狭槽轴线相对于所述壳体壁的中心
线轴线以大约65
°
或更小的角度设置。
55.7.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该壳体壁包括柔性末端护罩，其中所述柔性末端护罩一体地形成为整体式整体的一部分。
56.8.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该壳体壁包括隔热罩，其中所述隔热罩一体地形成为整体式整体的一部分。
57.9.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该壳体壁包括具有内部格子结构的环形中空凸缘，其中该中空凸缘一体地形成为整体式整体的一部分。
58.10.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该定子叶片围绕所述壳体的圆周具有不均匀的间距。
59.11.一种燃气涡轮发动机装置，包括：以串行流动关系布置的压缩机、燃烧器和涡轮，其中所述压缩机包括：压缩机壳体，该压缩机壳体包括限定弓形流动路径表面和相对的背侧的壳体壁，流动路径表面限定至少两个间隔开的转子台面；其中壳体壁包括至少一中空结构；并且其中壳体壁是单个单片式整体；至少一排静叶设置在压缩机壳体内，其中静叶一体成型为整体式整体的一部分；以及至少一排转子叶片，该转子叶片安装成围绕压缩机壳体内的中心线轴线旋转，并且机械地联接到涡轮。
60.12.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该压缩机壳体包括连接在一起以限定全环形结构的多个壳体壁。
61.13.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该壳体壁是全环形结构。
62.14.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该压缩机壳体在不同位置包括不同材料。
63.15.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该壳体壁包括：穿过所述壳体壁的放气槽，该放气槽具有入口，该放气槽沿狭槽轴线延伸；并且一排支柱设置在放气槽中，其中放气槽一体地形成为整体式整体的一部分。
64.16.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该狭槽轴线相对于所述壳体壁的中心线轴线以大约65
°
或更小的角度设置。
65.17.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该壳体壁包括柔性末端护罩，其中该柔性末端护罩一体地形成为整体式整体的一部分。
66.18.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该壳体壁包括隔热罩，其中所述隔热罩一体地形成为整体式整体的一部分。
67.19.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该壳体壁包括具有内部格子结构的环形中空凸缘，其中该中空凸缘一体地形成为整体式整体的一部分。
68.20.根据前述条款中任一项所述的装置，其中该定子叶片围绕所述壳体的圆周具有不均匀的间距。