一种压气机转子及航空发动机的制作方法

1.本公开涉及航空发动机制造领域，尤其涉及一种压气机转子及航空发动机。


背景技术：

2.在燃气涡轮发动机中，压气机通过高速旋转的转子叶片对空气做功，而转子叶片作为压气机中的高速旋转部件，通常与长轴或前、后轴颈及多个轮盘共同组成转子结构。
3.为满足引气需求，目前航空发动机的高压压气机通常在转子内腔布置有引气结构。而为了减少引气损失，转子内腔的引气结构通常由引气减涡管及支撑支撑环组成：若干个引气减涡管安装在支撑支撑环上，支撑支撑环通过螺栓连接固定转子盘上。
4.然而申请人研究发现，现有的转子内腔引气结构存在以下问题：
5.其一，引气减涡管在内腔引气的激励下不可避免发生振动，使得引气减涡管与支撑支撑环作为一个整体亦会发生振动，由此，振动载荷将通过支撑支撑环传递给转子盘，进而对转子盘的使用寿命造成不利影响；
6.其二，内腔引气结构的复杂的振动载荷存在诱发支撑支撑环与转子盘连接处发生局部共振的风险，不利于航空发动机的结构稳定性。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本公开实施例提供一种压气机转子及航空发动机，能够有效改善转子内腔的引气结构的整体固有频率，避免支撑环与转子盘连接处发生局部共振风险；同时使支撑环具有良好的减振效果，减少从支撑环传递给转子盘的振动载荷，从而提高转子盘的使用寿命。
8.在本公开的一个方面，提供一种压气机转子，包括：
9.多级转子盘；
10.支撑环，通过紧固件固定连接于所述转子盘，并沿周向设置有多个径向通孔；以及
11.减涡管，穿设于所述径向通孔，并沿轴向位于相邻的两级所述转子盘之间，用以形成转子引气的径向通道；
12.其中，所述支撑环还设有层式折返结构，所述层式折返结构位于所述转子盘与所述减涡管之间。
13.在一些实施例中，所述层式折返结构包括至少一个折弯段，所述折弯段在垂直于周向的截面上呈角形，所述角形的顶点对应于所述折弯段的一条环形棱，而所述角形的两条边则对应于交汇于同一条环形棱的两个环面。
14.在一些实施例中，所述折弯段包括：
15.径向折弯段，在垂直于周向的截面上呈第一角形，所述第一角形的两条边沿径向的投影至少部分地互相重合；和/或
16.轴向折弯段，在垂直于周向的截面上呈第二角形，所述第二角形的两条边沿轴向的投影至少部分地互相重合。
17.在一些实施例中，所述层式折返结构被构造为：在设定的振动状态下，由自身刚性所确定的所述支撑环和所述减涡管的共同固有频率，不与所述转子盘的固有频率互成共振频率。
18.在一些实施例中，所述层式折返结构的刚性由所述折弯段的数量、每个所述折弯段的厚度、和每个所述折弯段的厚度分布特征决定。
19.在一些实施例中，所述转子盘的内端面上沿轴向远离所述减涡管的一侧设有环形凸缘，所述支撑环贴设于所述环形凸缘的径向内侧。
20.在一些实施例中，所述支撑环靠近所述转子盘的一端设有径向安装边，所述紧固件包括：
21.螺栓，穿设于所述径向安装边和所述环形凸缘上设置的共轴的轴向安装孔，以实现所述支撑环相对于所述转子盘的紧固。
22.在一些实施例中，所述支撑环设有轴向安装边，所述轴向安装边在所述环形凸缘远离所述减涡管的一侧沿周向分布有多个径向螺柱，所述紧固件包括：
23.螺母，穿设于所述径向螺柱，并沿轴向卡设于所述环形凸缘远离所述减涡管的一侧。
24.在一些实施例中，所述支撑环还设有定位止口，所述定位止口位于所述环形凸缘靠近所述减涡管的一侧，并在径向和轴向与所述环形凸缘相配合。
25.在一些实施例中，所述支撑环的合金材料与所述转子盘的合金材料具有相同的线性膨胀系数，且所述定位止口与所述环形凸缘在径向上呈过盈配合。
26.在本公开的另一个方面，提供一种航空发动机，包括如前文任一实施例所述压气机转子。
27.因此，根据本公开实施例，能够有效改善转子内腔的引气结构的整体固有频率，避免支撑环与转子盘连接处发生局部共振风险；同时使支撑环具有良好的减振效果，减少从支撑环传递给转子盘的振动载荷，从而提高转子盘的使用寿命。
附图说明
28.构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
29.参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
30.图1是根据本公开一些实施例的压气机转子中紧固件采用螺母且折弯段为径向折弯段的结构示意图；
31.图2是根据本公开一些实施例的压气机转子中紧固件采用螺母且折弯段为轴向折弯段的结构示意图；
32.图3是根据本公开一些实施例的压气机转子中紧固件采用螺栓且折弯段为径向折弯段的结构示意图；
33.图4是根据本公开一些实施例的压气机转子中紧固件采用螺栓且折弯段为轴向折弯段的结构示意图；
34.图中：
35.1，减涡管；2，支撑环；21，层式折返结构；211，径向折弯段；212，轴向折弯段；22，径
向安装边；23，轴向安装边；24，定位止口；3，紧固件；31，螺栓；32，螺母；4，转子盘；41，环形凸缘。
36.应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
37.现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
38.本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
39.在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
40.本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
41.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
42.如图1～4所示，在本公开的一个方面，提供一种压气机转子，包括多级转子盘4、支撑环2和减涡管1。其中支撑环2通过紧固件3固定连接于转子盘4，并沿周向设置有多个径向通孔；减涡管1穿设于径向通孔，并沿轴向位于相邻的两级转子盘4之间，用以形成转子引气的径向通道；而其中的支撑环2还设有层式折返结构21，层式折返结构21位于转子盘4与减涡管1之间。
43.层式折返结构21可作为“弹性元件”吸收来自内腔引气结构，包括了各个减涡管1和支撑环2所构成的整体的振动能量，进而减少传递至转子盘4的振动载荷，从而降低转子盘4承受的总体载荷，最终达到延长转子盘4使用寿命的效果。
44.此外，层式折返结构21位于连接支撑环2与转子盘4之间，能够有效改善内腔引气结构的整体固有频率，减少连接环与转子盘4连接处发生局部共振的风险，有利于提高转子盘4使用寿命。
45.进一步的，在一些实施例中，层式折返结构21包括至少一个折弯段，折弯段在垂直
于周向的截面上呈角形，角形的顶点对应于折弯段的一条环形棱，而角形的两条边则对应于交汇于同一条环形棱的两个环面。由此，折弯段可以包括径向折弯段211和轴向折弯段212两种形态：
46.径向折弯段211在垂直于周向的截面上呈第一角形，第一角形的两条边沿径向的投影至少部分地互相重合；而轴向折弯段212在垂直于周向的截面上呈第二角形，第二角形的两条边沿轴向的投影至少部分地互相重合。
47.事实上，考虑到层式折返结构21吸收振动载荷的原理类似于弹簧吸能的原理，例如对于轴向的振动载荷而言，轴向折弯段212沿轴向的压缩和扩张能够更好地吸收轴向的振动载荷的能量。因此，针对压气机转子内腔引气结构的振动特性，折弯段的形态也不限于径向折弯段211和轴向折弯段212这两种，而是可以依据于振动载荷的方向而灵活采用折弯段的布置方向，从而获得更优的吸收效果。
48.针对层式折返结构21的改变转子内腔引气结构的共振频率的功能，层式折返结构21被构造为：在设定的振动状态下，由自身刚性所确定的支撑环2和减涡管1的共同固有频率，不与转子盘4的固有频率互成共振频率。而层式折返结构21的刚性由折弯段的数量、每个折弯段的厚度、和每个折弯段的厚度分布特征决定。
49.由此，依据本公开所提供的层式折返结构21，可以通过调整折弯段的数量、厚度和厚度分别特性，或者调整折弯段的角度、形态而调整转子内腔引气结构的固有频率，使支撑环2和减涡管1的共同固有频率避开共振频率区间，降低共振风险。
50.为了实现支撑环2与转子盘4之间的固定连接，在一些实施例中，转子盘4的内端面上沿轴向远离减涡管1的一侧设有环形凸缘41，支撑环2贴设于环形凸缘41的径向内侧。由此，支撑环2可以向转子盘4传递径向载荷，特别是在压气机转子开始旋转后，受离心力影响，支撑环2将紧贴转子盘4的内侧，从而实现对支撑环2的径向限位。
51.而为了实现对支撑环2的轴向限位，在一些实施例中，支撑环2靠近转子盘4的一端设有径向安装边22，紧固件3包括螺栓31，穿设于径向安装边22和环形凸缘41上设置的共轴的轴向安装孔，以实现支撑环2相对于转子盘4的紧固。
52.通过螺柱连接的支撑环2和转子盘4能够互相传递轴向载荷，尤其对于压气机转子而言，在工作状态下对气流施加以沿轴向向后的气动力，在作用力与反作用力的影响下，自身就会受到来自气流的沿轴向向前的推力，此时支撑环2通过径向安装边22和螺栓31共同承担转子盘4的轴向向前的载荷，从而确保支撑环2与转子盘4之间的连接稳定性。
53.类似的，为了实现对支撑环2的轴向限位，在一些实施例中，支撑环2还可设有轴向安装边23，轴向安装边23在环形凸缘41远离减涡管1的一侧沿周向分布有多个径向螺柱，紧固件3包括螺母32，穿设于径向螺柱，并沿轴向卡设于环形凸缘41远离减涡管1的一侧。而为了配合螺母32对支撑环2径向位置的限制，在一些实施例中，支撑环2还设有定位止口24，定位止口24位于环形凸缘41靠近减涡管1的一侧，并在径向和轴向与环形凸缘41相配合。
54.由此，针对于转子盘4的环形凸缘41，支撑环2从轴向上分别以定位止口24和螺母32在环形凸缘41的两侧进行限位，从而完成了支撑环2与转子盘4之间的稳固连接。
55.在一些实施例中，支撑环2的合金材料与转子盘4的合金材料具有相同的线性膨胀系数，且定位止口24与环形凸缘41在径向上呈过盈配合。当然，层式折返结构21上的止口定心所连接的两侧零件也可选用不同线性膨胀系数的合金，但需通过计算选择合适的配合关
系，从而避免工作过程中因热膨胀产生的变形不协调而影响可靠定心。
56.在本公开的另一个方面，提供一种航空发动机，包括如前文任一实施例压气机转子。
57.因此，根据本公开实施例，能够有效改善转子内腔的引气结构的整体固有频率，避免支撑环2与转子盘4连接处发生局部共振风险；同时使支撑环2具有良好的减振效果，减少从支撑环2传递给转子盘4的振动载荷，从而提高转子盘4的使用寿命。
58.至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
59.虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。