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CN106121736A - 利用无热应力的紧固件的涡轮构件连接 - Google Patents

利用无热应力的紧固件的涡轮构件连接 Download PDF

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CN106121736A
CN106121736A CN201610291433.6A CN201610291433A CN106121736A CN 106121736 A CN106121736 A CN 106121736A CN 201610291433 A CN201610291433 A CN 201610291433A CN 106121736 A CN106121736 A CN 106121736A
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Abstract

一种用于燃气涡轮发动机的涡轮构件组件，包括：具有第一热膨胀系数并且包括端面的第一构件；包括邻接端面的匹配表面的第二构件；以及具有不同于第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的紧固件，紧固件包括接合第二构件的柄和接合第一构件中的安装槽口的扩大头部；其中匹配表面和端面定形成容许第一构件与第二构件之间的相对枢转移动。

Description

利用无热应力的紧固件的涡轮构件连接
关于联邦政府资助的研发的声明
按照由国防部授予的合同号W911W6-11-2-0009，美国政府可对本发明具有某些权利。
技术领域
本文中所述的技术大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及并入低延性材料的此类发动机中的机械连接。
背景技术
典型燃气涡轮发动机包括涡轮机核心，其具有成串流关系的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。核心能够以已知方式操作来生成主气流。高压涡轮(也称为燃气发生器涡轮)包括一个或更多个级，其从主气流抽取能量。各个级包括静止涡轮喷嘴，后面是承载涡轮叶片的下游转子。这些构件在极高温度环境中操作，并且必须由空气流冷却来确保足够的使用寿命。典型地，用于冷却的空气从压缩机抽取(放出)。放出空气使用不利地影响比燃料消耗("SFC")，并且应当大体上最小化。
金属涡轮结构可以以具有更好的高温能力的材料替换，如，陶瓷基质复合物("CMC")。CMC的密度为用于涡轮发动机的热区段中的常规金属超级合金的密度的大约三分之一，故通过以CMC替换金属合金同时保持相同的翼型件几何形状，构件的重量降低。通过替换涡轮喷嘴中的翼型件的大多数，组件的总重量降低，并且对冷却空气流的需要减少。
CMC和类似的材料具有独特的机械性质，其必须在物品如护罩节段的设计和应用期间考虑。例如，在相比于金属材料时，CMC材料具有相对低的拉伸延性或对疲劳的低应变。另外，CMC具有为超级合金的大约三分之一的热膨胀系数("CTE")，这意味着两种不同材料之间的刚性接头包括较大的应变和应力，具有由于组装状态的温度变化。CMC的可允许的应力极限也低于金属合金，这驱使了对用于CMC构件的简单且低应力的设计的需要。
同时，具有流引导形状的构件(如，翼型件)应当不允许独立于彼此浮动(这将消极地影响空气动力性能)。
因此，存在对用于安装CMC和其它低延性翼型件的设备的需要，该设备使那些构件上的机械负载最小化，同时提供静态决定性锚定点。
发明内容
该需要通过本文中所述的技术解决，该技术提供涡轮构件组件，其包括定位和固持于周围结构同时容许有限移动自由的构件。
根据本文中所述的技术的一个方面，一种用于燃气涡轮发动机的涡轮构件组件包括：具有第一热膨胀系数并且包括端面的第一构件；包括邻接端面的匹配表面的第二构件；以及具有不同于第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的紧固件，紧固件包括接合第二构件的柄和接合第一构件中的安装槽口的扩大头部；其中匹配表面和端面定形成容许第一构件与第二构件之间的相对枢转移动。
根据本文中所述的技术的一个方面，一种用于燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴设备包括：环形内带；外接内带的环形外带；在内带与外带之间延伸并且使它们互连的多个翼型件形结构导叶；以及在内带与外带之间延伸的多个翼型件形非结构导叶，各个非结构导叶具有由内带收纳的根部端和由外带收纳的末梢端，其中末梢端和根部端中的一个由紧固件连接于相应的带，该紧固件具有接合带的柄和接合非结构导叶中的安装槽口的扩大头部。
技术方案1. 一种用于燃气涡轮发动机的涡轮构件组件，包括：
第一构件，其具有第一热膨胀系数并且包括端面；
第二构件，其包括邻接所述端面的匹配表面；以及
紧固件，其具有不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数，所述紧固件包括接合所述第二构件的柄和接合所述第一构件中的安装槽口的扩大头部；
其中所述匹配表面和所述端面定形成容许所述第一构件与所述第二构件之间的相对枢转移动。
技术方案2. 根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述匹配表面具有穿过其的安装孔，其收纳所述紧固件的所述柄。
技术方案3. 根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述匹配表面和所述端面定形成容许围绕两条相互垂直的轴线的其间的相对枢转移动。
技术方案4. 根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述匹配表面为向外凸出弯曲的，并且所述端面为平面的。
技术方案5. 根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述柄连接于支承抵靠所述第二构件的固持件。
技术方案6. 根据技术方案5所述的组件，其特征在于，所述固持件包括冶金地联结于所述柄的垫圈。
技术方案7. 根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述紧固件的所述头部包括邻近所述柄的近侧部分和远侧部分，所述近侧部分具有带发散形状的表面。
技术方案8. 根据技术方案7所述的组件，其特征在于，所述近侧部分为回转本体。
技术方案9. 根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述安装槽口具有截面形状，包括入口、扩大端室以及使所述入口和所述端室互连的锥形区段，所述锥形区段包括从彼此发散的一对间隔开的壁。
技术方案10. 根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述紧固件包括金属合金。
技术方案11. 根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述第一构件包括陶瓷基质复合物。
技术方案12. 一种用于燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴设备，包括：
环形内带；
外接所述内带的环形外带；
多个翼型件形结构导叶，其在所述内带与所述外带之间延伸并且使它们互连；以及
多个翼型件形非结构导叶，其在所述内带与所述外带之间延伸，各个非结构导叶具有由所述内带收纳的根部端和由所述外带收纳的末梢端，其中所述末梢端和所述根部端中的一个由紧固件连接于相应带，所述紧固件具有接合所述带的柄和接合所述非结构导叶中的安装槽口的扩大头部。
技术方案13. 根据技术方案12所述的设备，其特征在于，所述内带和所述外带中的一个包括多个盲凹穴，各个盲凹穴收纳所述非结构导叶的所述端部中的一个，各个盲凹穴包括具有穿过其的安装孔的底板，所述安装孔收纳所述紧固件的所述柄。
技术方案14. 根据技术方案13所述的设备，其特征在于，所述底板和所述非结构导叶的端面定形成容许其间的相对枢转移动。
技术方案15. 根据技术方案14所述的设备，其特征在于，所述底板和所述端面定形成容许围绕两条相互垂直的轴线的其间的相对枢转移动。
技术方案16. 根据技术方案12所述的设备，其特征在于，所述底板为向外凸出弯曲的，并且所述端面为平面的。
技术方案17. 根据技术方案13所述的设备，其特征在于，所述柄连接于固持件，所述固持件支承抵靠所述盲凹穴的所述底板。
技术方案18. 根据技术方案17所述的设备，其特征在于，所述固持件包括焊接于所述柄的垫圈。
技术方案19. 根据技术方案12所述的设备，其特征在于，所述紧固件的所述头部包括邻近所述柄的近侧部分和远侧部分，所述近侧部分具有带发散形状的表面。
技术方案20. 根据技术方案19所述的设备，其特征在于，所述近侧部分为回转本体。
技术方案21. 根据技术方案12所述的设备，其特征在于，所述安装槽口具有截面形状，包括入口、扩大端室以及使所述入口和所述端室互连的锥形区段，所述锥形区段包括从彼此发散的一对间隔开的壁。
技术方案22. 根据技术方案12所述的设备，其特征在于，所述紧固件包括金属合金。
技术方案23. 根据技术方案12所述的设备，其特征在于，所述内带和所述外带中的一个包括：
形成在其中的多个间隔开的孔口；以及
收纳在各个孔口中的盖，所述盖包括至少一个盲凹穴，各个盲凹穴收纳所述非结构导叶的端部中的一个。
技术方案24. 根据技术方案12所述的设备，其特征在于，所述非结构导叶包括陶瓷基质复合物。
技术方案25. 根据技术方案12所述的设备，其特征在于，所述结构导叶包括金属合金。
技术方案26. 根据技术方案12所述的设备，其特征在于，
所述内带包括多个盲凹穴，各个盲凹穴收纳所述非结构导叶的端部中的一个，各个盲凹穴包括具有穿过其的安装孔的底板，所述安装孔收纳所述紧固件的所述柄；并且
所述外带包括：
形成在其中的多个间隔开的孔口；以及
收纳在各个孔口中的盖，所述盖包括多个盲凹穴，各个盲凹穴收纳所述非结构导叶中的一个的末梢端中的一个。
附图说明
本发明可通过参照连同附图进行的以下描述来最佳地理解，在该附图中：
图1为根据本文中所述的技术的方面构建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为图1中所示的涡轮喷嘴的一部分的扩大视图；
图3为图1中所示的涡轮喷嘴的一部分的截面视图；
图4为涡轮喷嘴的一部分的截面视图；以及
图5为沿图4的线5-5截取的视图。
部件列表
10 涡轮喷嘴
12 内带
14 外带
16A 结构导叶
16B 非结构导叶
18 根部端
20 末梢端
22 根部端
24 末梢端
26 根部凹穴
28 孔口
30 外带节段
32 盖
34 末梢凹穴
200 根部端面
202 周壁
204 底板
206 安装槽口
208 入口
210 端室
210 端室
212 锥形区段
212 锥形区段
214 紧固件
216 柄
218 头部
220 近侧部分
222 远侧部分
224 表面
226 安装孔
228 垫圈
230 焊缝
232 径向间隙。
具体实施方式
参照附图，其中相同的附图标记遍及各个视图表示相同元件，图1和2绘出了根据本文中所述的技术的方面构建的示例性涡轮喷嘴10。涡轮喷嘴10为形成燃气涡轮发动机的涡轮区段的部分的静止构件。将理解的是，涡轮喷嘴10将在涡轮转子上游安装在燃气涡轮发动机中，其中转子盘承载翼型件形涡轮叶片的阵列，喷嘴和转子限定涡轮的一个级。喷嘴的主要功能在于将燃烧气流引导到下游的涡轮转子级中。
涡轮为已知类型的燃气涡轮发动机的已知构件，并且作用为从来自上游燃烧器(未示出)的高温加压燃烧气体抽取能量，并且将能量转换成机械功，其接着用于驱动压缩机、风扇、轴或其它机械负载(未示出)。本文中所述的原理同样适用于涡扇、涡轮喷气和涡轮轴发动机，以及用于其它车辆或静止应用中的涡轮发动机。
注意的是，如本文中所述，用语"轴向"或"纵向"是指平行于燃气涡轮发动机的旋转轴线的方向，而"径向"是指垂直于轴向方向的方向，并且"切向"或"周向"是指相互垂直于轴向方向和切向方向的方向。(见图1中的箭头"A"、"R"和"T")。这些方向用语仅用于便于描述，并且不要求由此描述的结构的特定定向。
涡轮喷嘴10包括环形内带12和环形外带14，它们分别限定穿过涡轮喷嘴10的热气体流动路径的内边界和外边界。
翼型件形涡轮导叶的阵列设置在内带12与外带14之间。导叶阵列包括与一组非结构导叶16B交错的一组结构导叶16A。涡轮喷嘴10可称为"混合"结构，其中结构导叶16A和非结构导叶16B由具有不同性质的材料制成。
各个结构导叶16A具有在前缘与后缘之间延伸的相对的凹形侧和凸形侧，并且在根部端18与末梢端20之间延伸。足够数量的结构导叶16A提供成以便在发动机操作期间保持内带12与外带14之间的同心关系，并且控制内带12与外带14之间的相对热增长。如本文中使用的，用语"结构"识别构造和安装成以便在内带12与外带14之间传递热和/或机械负载的导叶16A。结构导叶16A在功能上与内带12和外带14集成，并且可为单个铸造或锻造构件的部分，或者可焊接、硬钎焊或机械紧固于内带12和外带14。在所示特定实例中，存在12个结构导叶16A，其围绕涡轮喷嘴10的圆周相等间隔开，各个在图1和2中以"x"表示。
结构导叶16A由较强的延性材料如金属合金构成。例如，已知类型的镍基、铁基或钴基"超级合金"可用于该目的。
各个非结构导叶16B具有在前缘与后缘之间延伸的相对的凹形侧和凸形侧，并且在根部端22与末梢端24之间延伸。根部端22终止于根部端面200(见图3)处。一个或更多个非结构导叶16B沿周向设置在各对结构导叶16A之间。在所示特定实例中，存在围绕涡轮喷嘴10的圆周等距间隔开的48个非结构导叶16B，并且非结构导叶16B以四个设置成一组。单个结构导叶16A使相邻的成组的非结构导叶16B分开。
如本文中所述，用语"非结构"识别构造和安装成使得它们不在内带12与外带14之间传递显著的热和/或机械负载的导叶16B。将理解的是，所有导叶16A和16B独立地经受显著的空气动力(例如，气体压力)负载，并且必须具有足够的刚度并且产生耐受操作中的这些负载的强度。
非结构导叶16B中的各个可由低延性耐高温材料构成。用于非结构导叶16B的适合材料的一个实例为已知类型的陶瓷基质复合物(CMC)材料。大体上，市售CMC材料包括陶瓷类型的纤维，例如，SiC，其形式以顺应性材料如氮化硼(BN)涂覆。纤维承载在陶瓷类型的基质中，其一个形式为碳化硅(SiC)。典型地，CMC类型的材料具有不大于大约1%的室温拉伸延性，在本文中用于限定和意指低拉伸延性材料。大体上，CMC类型的材料具有在大约0.4%到大约0.7%的范围中的室温拉伸延性。这是与典型地具有至少大约5%的室温拉伸延性的金属相比较的，例如，在大约5%到大约15%的范围中。
如图3中所示，内带12并入形成在其中的翼型件形盲根部凹穴26的阵列。各个根部凹穴26收纳非结构导叶16B中的一个的根部端22。各个根部凹穴26由周壁202和底板204限定。非结构导叶16B的根部端22的一部分由周壁202包绕。周壁202尺寸和形状确定成使得各个容许根部凹穴26与相关联的非结构导叶16B之间的小间隙。
各个非结构导叶16B的根部端22包括横向地延伸穿过其的安装槽口206。安装槽口206的截面形状包括邻近根部端面200的入口208、扩大的端室210，以及使入口208和端室210互连的锥形区段212。锥形区段212包括从彼此发散的一对间隔开的壁。
各个非结构导叶16B的根部端22使用与安装槽口206和根部凹穴26的底板204接合的紧固件214固持于根部凹穴26。
紧固件214包括柄216和扩大的头部218。头部218包括邻近柄216的近侧部分220，以及远侧部分222。近侧部分220具有表面224，其为围绕柄216的纵轴线"L"的回转本体。表面224具有发散形状，即，其直径随离柄和近侧部分的交点的距离增大而增大。特定形状可改变为适合特别应用；例如，表面可为圆锥形或凸形。紧固件214可由较强的延性材料如金属合金构成。例如，已知类型的镍基、铁基或钴基"超级合金"可用于该目的。
近侧部分220支承抵靠安装槽口206的锥形区段212，限定线或环接触。柄216延伸穿过根部凹穴26的底板204中的安装孔226。柄216由适合的固持件固持就位。在所示实例中，垫圈228置于柄216之上，支承抵靠底板204并且由冶金联结如焊缝230装固。其它适合的固持件的非限制性实例包括卷曲的套环或常规螺母。
非结构导叶16B的根部端面200接触或邻接根部凹穴26的底板204。两个表面相互定形成以便容许非结构导叶16B关于内带12的前后枢转移动(即，"俯仰")。这通过使两个表面不平行来完成。在所示实例中，根部端面200为平面的，而底板204沿径向向外凸出，具有在安装孔226处的最大直径点，产生在根部端面200的前端和后端处的径向间隙232。作为备选，根部端面200可为弯曲的，并且底板204可为平面的。如图4中所见，根部端面200和底板204的类似定形可沿切向轴线实施，以便容许非结构导叶16B关于内带12的左右枢转移动(即，"滚动")。在该情况中，容许围绕两条相互垂直的轴线的相对枢转移动。
外带14并入形成在其中的孔口28的阵列(见图2)。各个孔口28在相邻结构导叶16A之间的中心，并且各个结构导叶16A在其末梢端20处承载外带节段30。弓形盖32提供用于各个孔口28。盖32尺寸和形状确定成使得当安装在孔口28中时，它们形成与外带节段30协作的连续环形结构。各个盖32具有形成在其中的翼型件形盲末梢凹穴34的阵列。各个末梢凹穴34收纳非结构导叶16B中的一个的末梢端24。末梢凹穴34尺寸和形状确定成使得各个容许末梢凹穴34与相关联的非结构导叶16B之间的小间隙。作为备选，具有单个末梢凹穴34的单个盖32可提供用于各个非结构导叶16B。
涡轮喷嘴10组装如下。首先，紧固件214插入在安装槽口206中。非结构导叶16B从外带14径向外侧通过孔口28插入，直到它们的根部端22接合根部凹穴26，并且柄216穿过安装孔226。标称力施加于柄216，以使紧固件214就坐，并且固持件(例如，垫圈228)装固就位。接下来，盖32安装到各个孔口28中。非结构导叶16B的末梢端24接着操纵成进入盖32的末梢凹穴34。
最后，盖32装固在孔口28中。例如，这可使用已知的硬钎焊或焊接技术或通过使用机械紧固件(未示出)完成。在发动机运行之后，盖32可以可选地除去，容许非结构导叶16B按需要替换，而不替换整个喷嘴10。
在组装之后，非结构导叶16B固持在内带12与外带14之间。紧固件214防止非结构导叶16B的轴向和径向移动，同时容许沿切向方向的侧向平移，以及在所有三条轴线上的枢转。非结构导叶16B沿侧向自由移动到预定有限程度，例如，大约0.25mm(0.010in)到大约0.5mm(0.020in)。在发动机操作期间，非结构导叶16B上的气体压力相对于凹穴26和34加载它们，进一步防止沿切向方向的移动，同时容许内带12和外带14关于非结构导叶16B沿径向移动。
注意的是，销、凸片、孔或其它类似的特征可以以任何组合添加，要求该任何组合更精确控制非结构导叶16B的位置，同时仍允许结构导叶与非结构导叶之间的自由热增长。例如，图4和5示出了构造，其中形成为末梢凹穴34的部分的肋35接合非结构导叶16B的末梢端24的横向槽口37，以防止末梢端24的轴向运动。
金属的紧固件214具有大于如上文所论述的非结构导叶16B的CTE。当温度在发动机操作期间升高时，紧固件214将沿径向伸长并且直径增大。近侧部分220的发散形状和安装槽口206的对应形状以如下方式相互作用，使得紧固件214保持在任何预计温度下与安装槽口206的线接触。该类型的紧固件可称为"无热应力紧固件"，暗示紧固件214的热膨胀或收缩不将机械应力给予连接的构件。
注意的是，内带和外带的构造可按需要改变，以适合特定应用，只要两个带中的一个包括如上文所论述的紧固件。换言之，涡轮喷嘴的两个带中的一个将包括孔口和相关联的盖，两个带中的另一个将包括上文所述的盲凹穴和紧固件。
上文所述的涡轮喷嘴具有相比于现有技术的若干优点。本文中所述的涡轮喷嘴通过使用金属框架内的大多数的CMC翼型件而相比于全金属涡轮喷嘴具有较低重量。该涡轮喷嘴还可工作成减少冷却流，因为大多数的翼型件不要求空气冷却。
上文所述的构造允许了热框架规定喷嘴的热增长响应，同时CMC翼型件自由热增长并且仅承载空气动力压力加载。CMC翼型件在运行状态下通过空气动力加载就坐于内带和外带，并且金属带和翼型件支柱将负载传递至外壳以允许常规的悬臂喷嘴构造。相比于全金属喷嘴，本文中所述的技术保持喷嘴组件的热响应非常类似于发动机的其余部分。悬臂喷嘴的其它特征(例如，密封件和防护物)可以以与全金属喷嘴相同的方式附接于该复合组件。
上文所述的该构造可用于在任何温度下将不相似热膨胀的材料保持在一起，以提供无热应力的接头，并且还允许了不相似的材料之间的连结中的三个旋转程度和一个平移程度。这用于提供喷气发动机的热区段中的标准超级合金材料与低密度材料如陶瓷或Ti-Al之间的确定性安装布置。
尽管在以上涡轮喷嘴的背景下描述，但上文所述的紧固件和构件连接构造还用于其它应用，并且可用于其中紧固件和构件中的一个具有不同CTE并且需要两个构件之间的枢转移动的自由度的两个构件之间的任何机械连接。在该方面，具有端面200的非结构导叶16B、具有底板204的内带12以及紧固件204大体上代表具有两个邻接表面并且与如上文所述的无热应力紧固件连接的任何两个构件的连接。
前文描述了用于燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴。本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以除其中此类特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合之外的任何组合来组合。
本说明书中公开的各个特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非另外明确指出。因此，除非另外明确指出，否则公开的各个特征为普通的一系列等同或类似特征的仅一个实例。
本发明不限于前述(多个)实施例的细节。本发明延伸至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖的一个、或任何新颖的组合，或者延伸至如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的一个或任何新颖的组合。

Claims (10)

1. 一种用于燃气涡轮发动机的涡轮构件组件，包括：
第一构件(16B)，其具有第一热膨胀系数并且包括端面(200)；
第二构件(12)，其包括邻接所述端面(200)的匹配表面(204)；以及
紧固件(214)，其具有不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数，所述紧固件(214)包括接合所述第二构件(12)的柄(216)和接合所述第一构件(16B)中的安装槽口(206)的扩大头部(218)；
其中所述匹配表面(204)和所述端面(200)定形成容许所述第一构件与所述第二构件(12)之间的相对枢转移动。
2. 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述匹配表面(204)和所述端面(200)定形成容许围绕两条相互垂直的轴线的其间的相对枢转移动。
3. 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述柄(216)连接于支承抵靠所述第二构件(12)的固持件(228)。
4. 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述紧固件(214)的所述头部(218)包括邻近所述柄(216)的近侧部分(220)和远侧部分(222)，所述近侧部分(220)具有带发散形状的表面。
5. 根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述近侧部分(220)为回转本体。
6. 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述安装槽口(206)具有截面形状，包括入口(208)、扩大端室(210)以及使所述入口(208)和所述端室(210)互连的锥形区段(212)，所述锥形区段(212)包括从彼此发散的一对间隔开的壁。
7. 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述紧固件(214)包括金属合金。
8. 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述第一构件(16B)包括陶瓷基质复合物。
9. 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，
所述第二构件(12)包括燃气涡轮发动机静止喷嘴(10)的环形带(12,14)；
所述第一构件(16B)包括具有由所述带(12,14)收纳的端部的翼型件形导叶。
10. 根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述带包括盲凹穴(26)，所述盲凹穴(26)包括限定所述匹配面(204)的底板。
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