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CN105452610A - 用于展延性低的涡轮喷嘴的安装设备 - Google Patents

用于展延性低的涡轮喷嘴的安装设备 Download PDF

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CN105452610A
CN105452610A CN201480044752.6A CN201480044752A CN105452610A CN 105452610 A CN105452610 A CN 105452610A CN 201480044752 A CN201480044752 A CN 201480044752A CN 105452610 A CN105452610 A CN 105452610A
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Abstract

涡轮喷嘴(10)包括：弓形内带(12)，其具有相反的流径侧和背侧，以及从背侧向外延伸的后凸缘(22)；弓形外带(14)，其具有相反的流径侧和背侧；在内带和外带的流径侧之间延伸的翼型件形涡轮导叶(16)，其中内带和外带和导叶(16)包括展延性低的陶瓷材料；以及包围后凸缘(22)的金属套环(34)。

Description

用于展延性低的涡轮喷嘴的安装设备
技术领域
本发明大体涉及燃气涡轮发动机，并且更特别地，涉及用于这样的结合了展延性低的材料的翼型件的发动机的涡轮喷嘴。
背景技术
典型的燃气涡轮发动机包括涡轮机核心，它具有成连续流关系的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。核心可按已知的方式工作，以产生主要气体流。高压涡轮(也称为气体发生器涡轮)包括一个或多个级，它们从主要气体流中抽取能量。各个级包括固定涡轮喷嘴，后面是承载涡轮叶片的下游转子。这些构件在温度非常高的环境中工作，并且必须用空气流冷却，以确保充分的使用期限。典型地，从压缩机中抽取(放出)用于冷却的空气。使用放出空气会不利地影响燃料消耗率(“SFC”)，而且一般应当最大程度地减小燃料消耗率。
金属涡轮结构可由具有较好的耐高温能力的材料代替，诸如陶瓷基质复合材料(“CMC”)。CMC的密度是涡轮发动机的热区段中使用的传统金属超合金的大约三分之一，所以通过用CMC代替金属合金，同时保持相同的部件几何构造，构件的重量减小，对冷却空气流的需求也减小。
虽然在涡轮构件中可使用CMC材料，但当安装到其它构件上时，与它们的金属对等物相比，它们需要额外的设计考量。当与金属相比时，CMC材料具有较低的拉伸延性或失效应变。CMC还具有大约为超合金的三分之一的热膨胀系数(“CTE”)。CMC的容许应力极限也低于金属合金，这使得CMC构件需要简单且应力低的设计。
通过使负载在大面积上分布，而非使用点接触或线接触，可最佳地将负载传递出陶瓷构件。不幸的是，由于结构构件的热失配，以及现有技术的销构造，诸如涡轮喷嘴的构件的摇摆运动易于引入线接触。
现有技术的CMC涡轮喷嘴使用了具有成型的接触区域来在喷嘴相对于结构摇摆时帮助控制线接触，而且通过对结构硬件添加垫子来代替销。但是，这些修改增加了制造结构所需的复杂性和加工过程。
因此，需要一种用于安装CMC和其它展延性低的涡轮喷嘴的设备，它最大程度地减小那些构件上的机械负载，复杂性最小。
发明内容
此需要由本发明解决，本发明提供一种包括非结构性翼型件的涡轮喷嘴，非结构性翼型件定位和固持到周围结构上，同时容许有限的移动自由。
根据本发明的一方面，一种涡轮喷嘴包括：弓形内带，其具有相反的流径侧和背侧，以及从背侧向外延伸的后凸缘；弓形外带，其具有相反的流径侧和背侧；在内带和外带的流径侧之间延伸的翼型件形涡轮导叶，其中内带和外带和导叶包括展延性低的陶瓷材料；以及包围后凸缘的金属套环。
根据本发明的另一方面，套环具有弓形形状，其具有相反的前面和后面、相反的第一端面和第二端面，以及相反的上面和下面，上面设置在内带的背侧附近；并且槽口从上面到下面穿过套环，而且后凸缘接收在槽口中。
根据本发明的另一方面，套环具有弓形形状，其具有相反的前面和后面、相反的第一端面和第二端面，以及相反的上面和下面，上面设置在内带的背侧附近；并且沿横向延伸的轨道从套环的后面突伸。
根据本发明的另一方面，套环具有弓形形状，其具有相反的前面和后面、相反的第一端面和第二端面，以及相反的上面和下面，上面设置在内带的背侧附近；槽口从上面到下面穿过套环，并且后凸缘接收在槽口中；并且后凸缘具有T形，而且槽口的内部具有与后凸缘互补的形状。
根据本发明的另一方面，套环具有弓形形状，其具有相反的前面和后面、相反的第一端面和第二端面，以及相反的上面和下面，上面定位成面向内带的背侧；在套环的第一端面40上，下部或径向内部部分58相对于上部或径向外部部分60凹陷；而且在套环的第二端面42上，上部或径向外部部分62相对于下部或径向内部部分64凹陷。
根据本发明的另一方面，内带包括前凸缘，前凸缘从背侧向外延伸，与后凸缘间隔开。
根据本发明的另一方面，套环通过金属销固定到后凸缘上，金属销穿过套环和后凸缘中的对齐孔。
根据本发明的另一方面，销通过焊接或硬钎焊接头固定到套环上。
根据本发明的另一方面，叶形密封件通过金属销附连到前凸缘上，金属销穿过叶形密封件和前凸缘中的对齐孔。
根据本发明的另一方面，金属U形安装夹安装在前凸缘上面；销穿过安装夹和前凸缘中的对齐孔；并且销通过焊接或硬钎焊接头固定到安装夹上。
根据本发明的另一方面，外带、内带和导叶是单个整体的一部分。
根据本发明的另一方面，两个或更多个导叶设置在内带和外带之间。
根据本发明的另一方面，涡轮喷嘴组件包括布置成环形阵列的多个涡轮喷嘴，其中：各个套环具有弓形形状，其具有相反的前面和后面、相反的第一端面和第二端面，以及相反的上面和下面，上面定位成面向内带的背侧；在套环的第一端面上，径向内部部分相对于径向外部部分凹陷；并且在套环的第二端面上，径向外部部分相对于径向内部部分凹陷；并且相邻涡轮喷嘴的套环的端面彼此相互接合。
根据本发明的另一方面，沿横向延伸的轨道从各个套环的后面突伸；并且成环形阵列的涡轮喷嘴设置成贴靠环形结构构件，其中轨道靠在环形结构上。
根据本发明的另一方面，各个套环利用销附连到环形结构构件上，销穿过套环和环形结构构件中的对齐孔。
附图说明
通过参照结合附图得到的以下描述，可最好地理解本发明，其中：
图1是根据本发明的一方面构建而成的、用于燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴组件的示意性透视图；
图2是图1中显示的涡轮喷嘴的一部分的放大视图；
图3是图1中显示的涡轮喷嘴的一部分的放大视图；
图4是沿着图2的线4-4得到的截面图；
图5是沿着图2的线5-5得到的截面图；
图6是沿着图2的线6-6得到的截面图；以及
图7是沿着图2的线7-7得到的截面图；
图8是显示并排组装好的图1的两个涡轮喷嘴的后视透视图；以及
图9是安装到周围结构上的图1的喷嘴的横截面图。
具体实施方式
参照附图，其中相同参考标号在各图中表示相同元件，图1-3描绘了根据本发明的一方面构建而成的示例性涡轮喷嘴10。涡轮喷嘴10是固定构件，其形成燃气涡轮发动机的涡轮区段的一部分。将理解的是，涡轮喷嘴10将在涡轮转子的上游安装在燃气涡轮发动机中，涡轮转子具有承载成阵列的翼型件形涡轮叶片的转子盘(未显示)，喷嘴和转子限定涡轮的一个级。喷嘴10的主要功能是将燃烧气体流引导到下游涡轮转子级中。
涡轮是已知类型的燃气涡轮发动机的已知构件，并且用来从来自上游燃烧器(未显示)的高温加压燃烧气体中抽取能量，并且将该能量转换成机械功，然后使用机械功驱动压缩机、风扇、轴或其它机械负载(未显示)。本文描述的原理同样适用于涡轮风扇、涡轮喷气飞机和涡轮轴发动机，以及用于其它车辆或固定应用中的涡轮发动机。
注意，如本文所用，用语“轴向”或“纵向”指的是平行于燃气涡轮发动机的旋转轴线的方向，而“径向”则指的是垂直于轴向方向的方向，并且“切向”或“周向”指的是相互垂直于轴向和切向方向的方向。(参见图1中的箭头“A”、“R”和“T”)。如本文所用，用语“向前”或“前”指的是在传送过构件或围绕构件传送的空气流中较上游的位置，并且用语“向后”或“后”指的是在传送通过构件或围绕构件传送的空气流中较下游的位置。这个流的方向由图1中的箭头“F”显示。使用这些方向用语仅仅为了方便描述，并且从而不要求所描述的结构有特定定向。
涡轮喷嘴10包括环形内带12和环形外带14，它们分别限定通过涡轮喷嘴10的热气流径的内边界和外边界。
成阵列的翼型件形涡轮导叶(或简称为“导叶”)16设置在内带12和外带14之间。各个导叶16具有在前缘18和后缘20之间延伸的相反的凹侧和凸侧，并且在根部端21和尖部端23之间延伸。内带12和外带14中的各个具有面向导叶16的流径侧和相反的背侧。在示出的示例中，喷嘴10是较大的环形结构的节段，并且包括两个导叶16。此构造通常称为“双联体”。本发明的原理同样适用于具有单个导叶的喷嘴，或者具有不止两个导叶的节段。
内带12和外带14和导叶16是由展延性低的耐高温材料构建而成的单个整体的一部分。适当的材料的一个示例是已知类型的陶瓷基质复合(CMC)材料。大体上，可在商业上获得的CMC材料包括陶瓷型纤维，例如碳化硅(SiC)，它们的外形涂有顺应性材料，诸如氮化硼(BN)。纤维承载在陶瓷型基质中，它的一种形式是SiC。典型地，CMC类型的材料具有不超过大约1%的室温拉伸延性，本文用它来定义和表示“展延性低的材料”。大体上，CMC类型材料具有范围为大约0.4%至大约0.7%的室温拉伸延性。这与典型地具有至少大约5%，例如在大约5%至大约15%的范围中的室温拉伸延性的金属相当。
参照图2，内带12包括在其前端附近沿径向向内(或者换句话说，远离内带的背侧)延伸的前凸缘18。大体沿轴向对齐的一系列前孔20(参见图4)沿着前凸缘18间隔开。内带12还包括在弦线中点位置附近沿径向向内(或者换句话说，远离内带的背侧)延伸的后凸缘22。如在图4中最佳地看到的那样，大体沿轴向对齐的一系列后孔24沿着后凸缘22间隔开。当在正视图或后视图中看时后凸缘22具有“T”形，或者也可如描述的那样具有带凹口拐角的弓形形状。后凸缘22包括相反的前面26和后面28，以及相反的端面30和32。沿径向延伸的槽口33形成于后凸缘22中。
提供套环34是为了接合后凸缘22，以便安装涡轮喷嘴10就位，以及将来自涡轮喷嘴10的切向、径向和轴向负载传递到支承结构硬件，作用是消除涡轮喷嘴10上的线负载。
套环34是单个金属构件，并且可由传统方法形成，诸如用铸造、锻造、坯料进行机械加工等。如在图2中看到的那样，套环34具有伸长的弓形块形，其具有相反的前面36和后面38、相反的第一端面40和第二端面42，以及相反的上面44和下面46。上面44和下面46为弓形且大体彼此平行。后面38大体是平的。沿横向延伸的轨道48从后面38沿轴向向后突伸。轨道48沿着由上面44限定的圆形形状的弦定位。两个或更多个安装孔50从后面38到前面36沿轴向延伸通过套环34。
槽口52在上面44和下面46之间穿过套环34。槽口52具有“梯级”形状，其与后凸缘22的形状互补。更特别地，槽口52的上部或径向外部部分比下部或径向内部部分具有更大的切向宽度。可在图6中更清楚地看到槽口52与后凸缘22的关系。槽口52的端部部分包括分别限定切向垫54和径向垫56的表面。
端面40和42限定互锁或交迭型式，在本文也称为“鱼鳞板”型式。特别地，如在图1中看到的那样，在第一端面40上，下部或径向内部部分58相对于上部或径向外部部分60凹陷。在第二端面42上，上部或径向外部部分62相对于下部或径向内部部分64凹陷。整个作用是两个径向内部部分58和64相对于两个径向外部部分60和62沿侧向偏移。
套环组装到涡轮喷嘴10上，其中后凸缘22接收在槽口52中。一个或多个销66(参见图5)穿过套环34中的安装孔50和后凸缘22中的后孔24，以便将套环34固持到后凸缘22上。销66确保套环10使负载传送通过合适的位置，并且在静态条件下且也在发动机在工作时保持处于恰当位置。可通过例如焊接或硬钎焊到套环34上使销66固定就位。
作为选择，一个或多个密封元件可安装到前凸缘18上。在示出的示例中，在图4中最佳地看到，内带12包括略微定位在前凸缘18前面的密封唇68。沿侧向伸长的叶形密封件70定位成抵靠着密封唇68。U形金属安装夹72夹在前凸缘18上面，在“U”的各个支腿中有孔，夹孔与前凸缘18中的一个前孔20对齐。卷型弹簧74设置在前凸缘18和安装夹72之间，从而使叶形密封件70偏压抵靠着密封唇68。具有扩大头的金属密封销76穿过前凸缘18、安装夹72、弹簧74和叶形密封件70中的孔。可通过例如将密封销76焊接或硬钎焊到安装夹72上来使其固定就位。在运行中，叶形密封件70起减少或防止涡轮喷嘴10和周围发动机构件(未显示)之间的空气泄漏的作用。
在运行中，气体压力使涡轮喷嘴10遭受轴向、切向和径向负载分量。通过大表面积接触，这些负载从涡轮喷嘴10通过后凸缘22传递到套环34，作用是消除涡轮喷嘴10上的线负载。套环34进而复制用于将负载传递到将用于金属喷嘴的相邻结构构件的构造。
切向负载从后凸缘22的端面30传递到套环34上的切向垫54，然后通过反作用销78，反作用销78穿过套环34和相邻结构构件80(参见图9)。销反作用是用于金属涡轮喷嘴的传统构造，并且套环垫反作用会减小CMC材料上的线接触。
涡轮喷嘴10的轴向负载从后凸缘22的较大区域传送到套环34上对应的区域。然后套环34通过轨道48将那个负载传送到该结构(参见图9)。轨道48充当弦铰接件，从而容许涡轮喷嘴10围绕轨道48摇摆，即，“变桨”运动，但在线接触下对轴向负载起反作用。由于套环10将与涡轮喷嘴10共同摇摆，所以涡轮喷嘴10和套环34之间的接触仍然是大面积接触(这与点接触或线接触相反)。
如在图8中看到的那样，涡轮喷嘴10经历由箭头“M”的描绘转动运动，从而产生沿径向向内负载“L1”和沿径向向外负载“L2”。涡轮喷嘴10使向内负载L1通过径向垫56传送到套环10，以及使向外负载L2传送通过销66。套环10通过下面46和结构构件80之间的直接接触将向内负载传递到结构构件80，并且通过接合的端面40、42(或“鱼鳞板”)将向外负载L2传送到相邻套环34。
与现有技术相比，上面描述的安装设备具有几个优点。引入附连套环允许在涡轮喷嘴中使用CMC材料(由于其重量较轻且耐高温能力较强，)，允许在CMC中控制接触，而且与现有技术的构造相比，不会在结构硬件中引入额外的复杂性。
前面已经描述了一种用于燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴及其安装设备。此说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征，以及/或者像这样公开的任何方法或过程的所有步骤都可按任何组合的方式结合，除了至少一些这样的特征和/或步骤相互排斥的组合。
此说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的各个特征可由用于相同、相等或相似目的的备选特征代替，除非另有明确的说明。因而，除非另有明确的说明，公开的各个特征仅仅是一系列普通的相同或相似特征的一个示例。
本发明不局限于前面的实施例(一个或多个)的细节。本发明扩展至此说明书(包括任何所附潜在新颖点、摘要和附图)中公开的任何新颖特征，或任何新颖特征组合，或者像这样公开的任何方法或过程中的任何新颖方法或过程，或者它们的任何新颖组合。

Claims (15)

1.一种涡轮喷嘴(10)，包括：
弓形内带(12)，其具有相反的流径侧和背侧，以及从所述背侧向外延伸的后凸缘(22)；以及
弓形外带(14)，其具有相反的流径侧和背侧；
在所述内带的流径侧和所述外带的流径侧之间延伸的翼型件形涡轮导叶(16)，其中所述内带和所述外带和所述导叶(16)包括展延性低的陶瓷材料；以及
包围所述后凸缘(22)的金属套环(34)。
2.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(10)，其特征在于：
所述套环(34)具有弓形形状，其具有相反的前面和后面(36，38)、相反的第一端面和第二端面(40，42)，以及相反的上面和下面(44，46)，所述上面(44)设置在所述内带(12)的背侧附近；以及
槽口(52)从所述上面(44)到所述下面(46)穿过所述套环(34)，并且所述后凸缘(22)接收在所述槽口(52)中。
3.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(10)，其特征在于：
所述套环(34)具有弓形形状，其具有相反的前面和后面(36，38)、相反的第一端面和第二端面(40，42)，以及相反的上面和下面(44，46)，所述上面(44)设置在所述内带(12)的背侧附近；以及
沿横向延伸的轨道(48)从所述套环(34)的后面突伸。
4.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(10)，其特征在于：
所述套环(34)具有弓形形状，其具有相反的前面和后面(36，38)、相反的第一端面和第二端面(40，42)，以及相反的上面和下面(44，46)，所述上面(44)设置在所述内带(12)的背侧附近；
槽口(52)从所述上面(44)到所述下面(46)穿过所述套环(34)，并且所述后凸缘(22)接收在所述槽口(52)中；以及
所述后凸缘(22)具有T形，并且所述槽口(52)的内部具有与所述后凸缘(22)互补的形状。
5.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(10)，其特征在于，所述套环(34)具有弓形形状，其具有相反的前面和后面(36，38)、相反的第一端面和第二端面(40，42)，以及相反的上面和下面，所述上面定位成面向所述内带(12)的背侧；
在所述套环(34)的第一端面(40)上，下部或径向内部部分(58)相对于上部或径向外部部分(60)凹陷；以及
在所述套环(34)的第二端面(42)上，上部或径向外部部分(62)相对于下部或径向内部部分(64)凹陷。
6.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(10)，其特征在于，所述内带(12)包括前凸缘(18)，所述前凸缘(18)从所述背侧向外延伸，与所述后凸缘(22)间隔开。
7.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(10)，其特征在于，所述套环(34)通过金属销(66)固定到所述后凸缘(22)上，所述金属销(66)穿过所述套环(34)和所述后凸缘(22)中的对齐孔。
8.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(10)，其特征在于，所述销(66)通过焊接或硬钎焊接头固定到所述套环(34)上。
9.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(10)，其特征在于，叶形密封件(70)通过金属销(76)附连到所述前凸缘(18)上，所述金属销(76)穿过所述叶形密封件(70)和所述前凸缘(18)中的对齐孔。
10.根据权利要求9所述的涡轮喷嘴(10)，其特征在于：
金属U形安装夹(72)安装在所述前凸缘(18)上面；
所述销(76)穿过所述安装夹(72)和所述前凸缘(18)中的对齐孔；以及
所述销(76)通过焊接或硬钎焊接头固定到所述安装夹(72)上。
11.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(10)，其特征在于，所述外带(14)、内带(12)和导叶(16)是单个整体的一部分。
12.根据权利要求10所述的涡轮喷嘴(10)，其特征在于，两个或更多个导叶(16)设置在所述内带和外带(12，14)之间。
13.一种涡轮喷嘴组件，包括布置成环形阵列的根据权利要求1所述的多个涡轮喷嘴(10)，其特征在于：
各个套环(34)具有弓形形状，其具有相反的前面和后面(36，38)、相反的第一端面和第二端面(40，42)，以及相反的上面和下面(44，46)，所述上面定位成面向所述内带(12)的背侧；在所述套环(34)的第一端面(40)上，径向内部部分(58)相对于径向外部部分(60)凹陷；并且在所述套环(34)的第二端面(42)上，径向外部部分(62)相对于径向内部部分(64)凹陷；以及
相邻涡轮喷嘴(10)的套环(34)的端面彼此相互接合。
14.根据权利要求13所述的涡轮喷嘴组件，其特征在于：
沿横向延伸的轨道(48)从所述套环(34)中的各个的后面(38)突伸；以及
所述成环形阵列的涡轮喷嘴(10)设置成贴靠环形结构构件(80)，其中所述轨道(48)靠在所述环形结构(80)上。
15.根据权利要求14所述的涡轮喷嘴组件，其特征在于，所述套环(34)中的各个利用销(78)附连到所述环形结构构件(80)上，所述销(78)穿过所述套环(34)和所述环形结构构件(80)中的对齐孔。
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