用于平衡压缩机转子组件的第一级压缩机盘

摘要

一种燃气涡轮发动机(100)的第一级压缩机盘(221)包括主体(240)。主体(240)包括前端(238)、后端(239)以及外表面(241)。主体(240)还包括多个穿过外表面(241)的前平衡孔(242)。前平衡孔(242)绕着主体(240)周向地对齐。主体(240)还包括多个穿过外表面(241)的后平衡孔(243)。后平衡孔(243)绕着主体(240)周向地对齐且位于前平衡孔(242)的后方。第一级压缩机盘(221)还包括位于主体(240)的后端上的径向凸缘(246)。径向凸缘(246)从主体(240)处径向地向外延伸。径向凸缘(246)包括用于安装翼型件(235)的狭槽(247)。

说明书

技术领域

本发明总体涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及一种用于平衡燃气涡轮发 动机的压缩机转子组件的第一级压缩机盘。

背景技术

燃气涡轮发动机包括压缩机部分、燃烧器部分和涡轮部分。由于在部 件制造方面受到诸多限制，因而，可能需要对燃气涡轮发动机的转动部件 进行平衡。尤其可能需要对压缩机转子组件进行平衡，以减少燃气涡轮发 动机中的振动。较大的压缩机转子组件可采用动平衡系统和方法进行平衡， 从而减少振动，并提高部件的可靠性。

序列号为1602855的J.Przytulski的欧洲专利公开了一种用于转动的 涡轮部件的平衡组件。该平衡组件包括具有圆周外围且其中形成有狭槽的 平衡块保持构件。该狭槽具有底面、开口以及一对相互间隔且相对的侧壁。 侧壁在底面与开口之间向内倾斜。该平衡组件还包括至少一个平衡块，其 构造和尺寸都使其可插入到狭槽的开口中并可定位成在狭槽内移动，并且， 该平衡块还具有一对相互间隔开的向内倾斜的台肩面，这些台肩面能够与 狭槽的侧壁相接合。该平衡组件还包括与至少一个平衡块相关联的平衡块 固定构件。

本发明是为了克服上述一个或多个问题以及由本发明人所发现的其他 问题。

发明内容

燃气涡轮发动机的第一级压缩机盘包括主体。该主体包括前端、后端 以及外表面。该主体还包括多个穿过外表面的前平衡孔。这些前平衡孔绕 着主体周向地对齐。该主体还包括多个穿过外表面的后平衡孔。这些后平 衡孔绕着主体周向地对齐并且位于前平衡孔的后方。第一级压缩机盘还包 括位于主体的后端上的径向凸缘。径向凸缘从主体处径向地向外延伸。径 向凸缘包括用于安装翼型件的狭槽。

一种用于平衡燃气涡轮发动机的压缩机转子组件的方法。压缩机转子 组件包括压缩机盘。压缩机盘包括用于安装翼型件的狭槽。压缩机盘还包 括第一级压缩机盘。第一级压缩机盘包括具有外表面的主体。压缩机转子 组件还包括平衡系统，其具有多个延伸穿过外表面且绕着主体周向地分布 的前平衡孔以及多个延伸穿过外表面且绕着主体周向地分布的后平衡孔。 后平衡孔位于前平衡孔的后方。平衡系统还包括多个平衡块。压缩机转子 组件还包括多个翼型件。

该方法包括测量前焊件的转动平衡。该方法还包括基于所测量的前焊 件的转动平衡，确定平衡块的数量、各平衡块的尺寸以及每个确定的平衡 块在平衡系统内的理想位置。该方法还包括在所确定的位置处安装各平衡 块。该方法还包括将前焊件紧固至后焊件。该方法还包括测量压缩机转子 组件的转动平衡并对多个翼型件进行称重。该方法还包括基于所测量的压 缩机转子组件的转动平衡，确定平衡块的数量、各平衡块的尺寸以及每个 确定的平衡块在平衡系统内的理想位置，并且基于所测量的压缩机转子组 件的转动平衡，确定用以容纳每个翼型件的理想狭槽。该方法还包括在所 确定的位置处安装各平衡块并且在所确定的狭槽中安装各翼型件。

附图说明

图1为示例性燃气涡轮发动机的示意图。

图2为压缩机转子组件的透视图。

图3为第一级压缩机盘的透视图。

图4为前焊件的横截面图。

图5为后焊件的横截面图。

图6为用于平衡压缩机组件的方法的流程图。

具体实施方式

图1为示例性燃气涡轮发动机的示意图。燃气涡轮发动机100通常包 括压缩机200、燃烧器300和涡轮400。空气10作为“工作流体”进入入 口15，并且由压缩机200进行压缩。在燃烧器300中，将燃料35添加至 压缩空气中，然后点燃该燃料以产生高能量的燃烧气体。通过涡轮400将 能量从燃烧的燃料/空气混合物中提取出来，并且，通常是通过功率输出联 轴器5来使得该能量变得可用。所示出的功率输出联轴器5位于燃气涡轮 发动机100的前侧，但是在其它构造中，它可以设置在燃气涡轮发动机100 的后端。废气90可排出系统或者进行进一步的处理(例如，以减少有害排 放物或者从废气中回收热量)。

压缩机200包括压缩机转子组件230。压缩机转子组件230包括前焊 件231。前焊件231包括第一多个压缩机盘220，其中，第一级压缩机盘 221为最前面的压缩机盘220。第一级压缩机盘221包括多个前平衡孔242 和多个后平衡孔243。第一级压缩机盘221可焊接至一个或多个后续的压 缩机盘220上，从而构成前焊件231。

压缩机转子组件230还包括后焊件232。所述后焊件包括第二多个压 缩机盘220，其中，末级压缩机盘222为最后面的压缩机盘220。末级压缩 机盘222可焊接至一个或多个前面的压缩机盘220上，从而构成后焊件 232。前焊件231和后焊件232的压缩机盘220机械耦接至轴120。前焊件 231和后焊件232紧固在一起。压缩机转子组件230还包括多个压缩机转 子叶片(“翼型件”)235，其周向地占据压缩机转子盘220。

涡轮400包括一个或多个机械耦接至轴120上的涡轮转子组件420。 涡轮400可具有单轴或双轴构造。压缩机转子组件230和涡轮转子组件420 为轴流式转子组件。各涡轮转子组件420包括转子盘，其周向地装有多个 涡轮转子叶片。

压缩机固定叶片(“定子叶片”或“定子”)250在轴向上可位于每 个装有翼型件235的压缩机转子盘220之前。涡轮喷嘴450在轴向上可位 于每个涡轮转子组件420之前。涡轮喷嘴450具有周向分布的涡轮喷嘴叶 片。涡轮喷嘴叶片对输送至涡轮转子组件420的转子叶片处的燃烧气体进 行螺旋式重定向，而在这些转子叶片处，燃烧气体中的能量转化为机械能 并驱使轴120转动。

压缩机200的各种部件容纳于可大致呈圆柱形的压缩机壳体201中。 燃烧器300和涡轮400的各种部件分别容纳于燃烧器壳体301和涡轮壳体 401中。前毂210紧固至第一级压缩机盘221上。

图2为压缩机转子组件230的透视图。除非另有说明，否则结合图1 进行的说明和编号适用于图2所示的实施例。压缩机转子组件230可包括 平衡系统255。平衡系统可包括多个前平衡孔242和多个后平衡孔243。第 一组平衡孔可选自前平衡孔242和后平衡孔243。其余的前平衡孔242和 后平衡孔243可包括第二组平衡孔。作为替代方案，前平衡孔242可包括 第一组平衡孔，而后平衡孔243可包括第二组平衡孔。

平衡系统255也可包括平衡块256。平衡块256可能具有各种不同的 尺寸、质量和长度。在示例性实施例中，平衡块256的直径为3/8英寸， 且长度为1/4英寸、1/2英寸或3/4英寸。作为替代方案，也可采用其他直 径。平衡系统255可进一步包括翼型件235。翼型件235的尺寸可由压缩 机盘220的尺寸来确定。

图3为燃气涡轮发动机(如图1所示的发动机)的第一级压缩机盘221 的透视图。第一级压缩机盘221包括主体240。主体240的形状可以是环 形的，并具有前端238和后端239。主体240可包括外轴向凸缘237。外轴 向凸缘237可从主体240处轴向地向前延伸。主体240还可包括从前端238 处朝向主体240的后端239延伸的外表面241。外表面241的一部分可以 是在外轴向凸缘237上。

主体240包括多个延伸穿过外表面241的前平衡孔242。各前平衡孔 242从外表面241处径向地向内延伸。前平衡孔242可周向地对齐并且绕 着主体240均匀地间隔开。主体240还包括多个延伸穿过外表面241的后 平衡孔243。各后平衡孔243从外表面241处径向地向内延伸。后平衡孔 243可周向地对齐并且绕着主体240均匀地间隔开。后平衡孔243也可在 前平衡孔242的后方进行轴向移位，并且可相对于前平衡孔242进行周向 偏移或计程(clocked)。

前平衡孔242和后平衡孔243可位于第一级压缩机盘221的重心附近。 相比起前平衡孔242，后平衡孔243可能更加靠近第一级压缩机盘221的 重心。前平衡孔242和后平衡孔243可以是带螺纹的。在一个实施例中， 这些孔的直径为3/8英寸。作为替代方案，也可采用其他直径。

前平衡孔242的总数可能大于十二，但小于三十。后平衡孔243的总 数可能大于十二，但小于三十。前平衡孔242和后平衡孔243的数量可以 与主体240的直径相对应，或者也可以与第一级压缩机盘221中的狭槽247 的数量相对应。后平衡孔243可以以相邻前平衡孔242之间的角距离的一 半距离进行周向偏移或计程。前平衡孔242和后平衡孔243的深度可与平 衡系统255的平衡块256的尺寸相对应。

在一个实施例中，总共可以有24个前平衡孔242和24个后平衡孔243， 并且，后平衡孔243可相对于前平衡孔242周向地偏移或计程7.5度。后 平衡孔243可在前平衡孔242的后方轴向地移位1.5英寸。在另一个实施 例中，后平衡孔243的深度可以至少是0.75英寸。

主体240还可包括位于前端238的前表面244。前表面244可与外表 面241相邻并且可位于外轴向凸缘237上。主体240可进一步包括多个延 伸穿过前表面244的毂安装孔245。毂安装孔245可从前表面244处向后 延伸。毂安装孔245可位于外轴向凸缘237中。

主体240还可包括内轴向凸缘248。内轴向凸缘248可从主体240的 前端238处轴向地向前延伸。内轴向凸缘248可位于外轴向凸缘237内。

第一级压缩机盘221还包括径向凸缘246。径向凸缘246可从主体240 的后端239处径向地向外延伸。径向凸缘246可包括多个狭槽247，其被 配置成用于将翼型件235安装至第一级压缩机盘221上。狭槽247可具有 枞树形的横截面形状。

第一级压缩机盘221还可包括后焊接构件226。后焊接构件226的形 状可以是环形，并且可从主体240处向后延伸。

第一级压缩机盘221还可包括钻孔249。钻孔249可从前端238上的 内轴向凸缘248处延伸穿过主体240并穿过后端239。如图1所示，轴120 可以穿过第一级压缩机盘221的钻孔249。

图4为包括图3所示的第一级压缩机盘221的前焊件231的横截面视 图。除非另有说明，否则结合图2和图3进行的说明和编号适用于图4所 示的实施例，并且，结合图4进行的说明和编号适用于图2和图3所示的 实施例。前焊件231包括第一多个压缩机盘220。各压缩机盘220包括用 于安装翼型件235的狭槽247。这种多个包括第一级压缩机盘221和前紧 固压缩机盘223。第一级压缩机盘221包括前平衡孔242(两个前平衡孔的 轮廓在图4中以虚线示出)和后平衡孔243。前紧固压缩机盘223可包括 前焊接构件225。前焊接构件225的形状可以是环形，并且可从前紧固压 缩机盘223处向前延伸。前紧固压缩机盘223还可包括多个前焊件安装孔 227。前焊件安装孔227可位于前紧固压缩机盘223的后端上，并且可轴向 地向前延伸。

没有位于前焊件的前端或后端的压缩机盘220可包括前焊接构件225 和后焊接构件226。前焊接构件225的形状可以是环形，并且可从压缩机 盘220处向前延伸。后焊接构件226的形状可以是环形，并且可从压缩机 盘220处向后延伸。第一级压缩机盘221的后焊接构件226可焊接至后一 个压缩机盘220的前焊接构件225上。各后续压缩机盘220可以以类似的 方式焊接至前一个压缩机盘220上。前紧固压缩机盘223也可以以类似的 方式焊接至前一个压缩机盘220上。在一个实施例中，前焊件231可包括 九个压缩机盘220；前紧固压缩机盘223可以是第九级压缩机盘。

图5为后焊件232的横截面视图。除非另有说明，否则结合图2和图 4进行的说明和编号适用于图5所示的实施例，并且结合图5进行的说明 和编号适用于图2和图4所示的实施例。后焊件232包括第二多个压缩机 盘220。各压缩机盘220包括用于安装翼型件235的狭槽247。这种多个包 括末级压缩机盘222和后紧固压缩机盘224。后紧固压缩机盘224可包括 后焊接构件226。后焊接构件226的形状可以是环形，并且可从后紧固压 缩机盘224处向后延伸。后紧固压缩机盘224还可包括多个后焊件安装孔 228。后焊件安装孔228可位于后紧固压缩机盘224的前端上，并且可轴向 地向后延伸。

后紧固压缩机盘224的后焊接构件226可焊接至后一个压缩机盘220 的前焊接构件225上。各后续压缩机盘220可以以类似的方式焊接至前一 个压缩机盘220上。末级压缩机盘222也可以以类似的方式焊接至前一个 压缩机盘220上。在一个实施例中，后焊件232可包括七个压缩机盘220； 后紧固压缩机盘224可以是第十级压缩机盘，而末级压缩机盘222可以是 第十六级压缩机盘。

工业实用性

燃气涡轮发动机等转动机器包括多个转动元件。在转动时，不平衡的 转动元件可能会引起振动。转动元件的振动可能会在转动元件中产生不良 的应力。这种由振动引起的应力可能会在转动元件或其他相关元件中导致 疲劳失效。过大的振动可能会降低可靠性，可能会产生较大的轴承推力， 并且还可能会导致部件故障。在燃气涡轮发动机中，过大的振动还可能会 导致轴弯曲或者出现疲劳失效。

通过大量的研究和测试，已经确定了某些较大的燃气涡轮发动机可能 需要具有更大程度的动平衡系统和方法。通过对平衡系统255中所使用的 部件数量进行限制，可以有效地实现动平衡方法。平衡系统255可能会减 少燃气涡轮发动机中的不平衡，进而使得振动变少并实现更加安静的运行。

具体而言，确定了包括具有多个前平衡孔242和多个后平衡孔243的 第一级压缩机盘221的平衡系统255可以减少振动，并且可增强压缩机转 子组件230、轴120以及其他部件之间的关联轴承的可靠性。

前平衡孔242和后平衡孔243的位置通过研发得以确定。前平衡孔242 和后平衡孔243的错置可降低第一级压缩机盘221的疲劳强度，并且可降 低第一级压缩机盘221的整体可靠性。整个第一级压缩机盘221的横截面 上的变化，比如，由前平衡孔242和后平衡孔243造成的变化，可能会导 致应力集中。这些应力集中可能会导致第一级压缩机盘221破裂。

图6为一种用于平衡压缩机转子组件230的方法的流程图。平衡压缩 机转子组件230可包括使用平衡系统255。图2所示的压缩机转子组件230 包括图4中的前焊件231、图5中的后焊件232以及如图2所示的多个翼 型件235。平衡压缩机转子组件230可包括步骤510，利用平衡机测量前焊 件231的转动平衡或不平衡。

平衡压缩机转子组件230还可包括步骤511，基于所测量的前焊件231 的转动平衡，确定平衡块256的数量、各平衡块256的尺寸以及每个确定 的平衡块256的理想位置。各平衡块256的位置可以是在前平衡孔242中， 或是在后平衡孔243中。即可采用第一组平衡孔，也可采用第二组平衡孔。 在示例性实施例中，平衡块256的长度可以是1/4英寸、1/2英寸或3/4英 寸。步骤511可采用平衡机来完成。

平衡压缩机转子组件230还可包括步骤512，在所确定的位置处安装 各平衡块256。在一个实施例中，1/4英寸、1/2英寸或3/4英寸的平衡块 256用在后平衡孔243中，并且，1/4英寸或1/2英寸的平衡块256用在前 平衡孔242中。在另一个实施例中，步骤511和512仅使用了后平衡孔243 来平衡前焊件231。

平衡压缩机转子组件230还可包括步骤513，将前焊件231紧固至后 焊件232上。将前焊件231紧固至后焊件232上可包括在各前焊件安装孔 227和对应的后焊件安装孔228中安装紧固件，比如螺栓。

平衡压缩机转子组件230还可包括步骤514，利用平衡机测量压缩机 转子组件230的转动平衡或不平衡。步骤514之后可以是步骤515，对多 个可能是压缩机转子组件230的一部分的翼型件235进行称重。由于在制 造方面可能存在有局限性，翼型件235在重量上可能发生变化。平衡压缩 机转子组件230还可包括步骤516，基于所测量的压缩机转子组件230的 转动平衡，确定平衡块256的数量、各平衡块256的尺寸以及每个确定的 平衡块256的理想位置，并且基于所测量的压缩机转子组件230的转动平 衡，确定用以容纳每个翼型件的理想狭槽247。可以使用没有在第一平衡 操作中使用的那组平衡孔。步骤516可采用平衡机来完成。该平衡机可基 于压缩机转子组件230的不平衡、各翼型件235的重量、可用的平衡块256 以及平衡块256和翼型件235的可用位置对步骤516中的参数进行确定。

平衡压缩机转子组件230还可包括步骤517，在所确定的位置处安装 各平衡块256。在一个实施例中，1/4英寸、1/2英寸或3/4英寸的平衡块 256用在后平衡孔243中，并且，1/4英寸或1/2英寸的平衡块256用在前 平衡孔242中。在另一个实施例中，步骤516和517仅使用了前平衡孔242 来平衡压缩机转子组件230。平衡压缩机转子组件230可进一步包括步骤 518，在所确定的狭槽中安装各翼型件235。

平衡压缩机转子组件230还可包括在第一级压缩机盘221焊接至前焊 件231之前，平衡第一级压缩机盘221。平衡第一级压缩机盘221可包括 利用平衡机测量第一级压缩机盘221的转动平衡或不平衡。平衡第一级压 缩机盘221还可包括基于所测量的第一级压缩机盘221的转动平衡，确定 平衡块256的数量、各平衡块256的尺寸以及每个确定的平衡块256的理 想位置。各平衡块256的位置可以是在前平衡孔242中，或是在后平衡孔 243中。即可采用第一组平衡孔，也可采用第二组平衡孔。平衡第一级压 缩机盘221可进一步包括在所确定的位置处安装各平衡块256。在一个实 施例中，1/4英寸、1/2英寸或3/4英寸的平衡块256用在后平衡孔243中， 并且，1/4英寸或1/2英寸的平衡块256用在前平衡孔242中。在另一个实 施例中，仅使用了后平衡孔243来平衡第一级压缩机盘221。平衡第一级 压缩机盘221可以取代步骤510-512。

此外，平衡压缩机转子组件230可包括在运行条件下，测量压缩机转 子组件230的平衡。在燃气涡轮发动机组装成之后，可对该燃气涡轮发动 机进行操作和测试。测试可包括测量压缩机转子组件230的平衡或不平衡。 由于压缩机转子组件230的不平衡，可能需要对压缩机转子组件230进行 配平平衡。对压缩机转子组件230进行配平平衡可包括基于所测量的压缩 机转子组件230的转动平衡，确定平衡块256的数量、各平衡块256的尺 寸以及每个确定的平衡块256的位置。各平衡块256的位置可以是在前平 衡孔242中，或是在后平衡孔243中。对压缩机转子组件230进行配平平 衡还可包括在所确定的位置处安装各平衡块256。在一个实施例中，1/4英 寸、1/2英寸或3/4英寸的平衡块256用在后平衡孔243中，并且，1/4英 寸或1/2英寸的平衡块256用在前平衡孔242中。在另一个实施例中，仅 使用了前平衡孔242来对压缩机转子组件230进行配平平衡。

平衡压缩机转子组件230可包括使用平衡系统255的一个或多个平衡 操作。第一平衡操作可包括步骤510-512。第二平衡操作可包括步骤 514-517。第三平衡操作可包括平衡第一级压缩机盘221。作为替代方案， 平衡第一级压缩机盘221可以取代第一平衡操作中的步骤510-512。第四平 衡操作可包括在运行条件下，测量压缩机转子组件230的平衡，并对压缩 机转子组件230进行配平平衡。

前面的详细描述在本质上仅是示例性的，并非旨在对本发明或者本发 明的应用和用途加以限制。所描述的实施例并不局限于结合特定类型的燃 气涡轮发动机一起使用。因此，尽管出于便于说明的目的，在本发明中示 出并描述了特定的第一级压缩机盘、特定的前焊件、特定的后焊件以及相 关工艺，但是，将会理解的是，根据本发明的其它第一级压缩机盘、前焊 件、后焊件和工艺能够在其他各种压缩机转子组件、其他各种构造和其他 各种类型的机器中实现。此外，并不意图受到存在于前述背景技术或详细 说明中的任何理论的限制。还将理解的是，附图图示可包括放大后的尺寸， 以更好地说明所示出的涉及项目，并且，除非像这样明确说明，否则这些 图示不被视为具有限制性。