CN102177311A - 涡轮机的燃烧室和涡轮喷嘴之间的密封 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮机，其具有环形燃烧室(10)、布置在所述燃烧室的出口处的分区段的涡轮喷嘴(12)和在轴向上置于所述燃烧室与所述喷嘴之间的密封装置，所述密封装置包括轴向上有弹性的环形垫片(70、70’)，所述垫片包括支承在所述燃烧室的下游端上的轴向支承装置和分区段的下游环形唇部，所述下游环形唇部的各个区段与所述喷嘴的区段对准并且包括支承在所述喷嘴区段的上游端上的轴向支承装置。

Description

涡轮机的燃烧室和涡轮喷嘴之间的密封

技术领域

本发明涉及诸如飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机之类的涡轮机的环形燃烧室和涡轮喷嘴之间的密封装置。

背景技术

涡轮机燃烧室包括形成回转表面的两个同轴壁，这两个壁分别构成内壁和外壁并在其间限定出燃烧室，每个壁均在其下游端连接至用于紧固至涡轮机的壳体上的对应环形凸缘。

分区段的涡轮喷嘴布置在燃烧室的出口处并且包括一个或多个环形平台(例如两个平台，分别包括内平台和外平台)，这些平台借助大致径向叶片连接起来。喷嘴的内平台和外平台大致轴向地分别与燃烧室的内壁和外壁对准地延伸。喷嘴平台的上游端在轴向上与燃烧室壁的下游端间隔开环形空间，使得燃烧室壁和喷嘴平台能够在涡轮机操作期间自由地膨胀。

密封装置在轴向上置于燃烧室壁的下游端与喷嘴平台的上游端之间，以限制来自燃烧室内的热气体经由燃烧室与喷嘴之间的上述环形空间向外通至燃烧室的外部。

第一密封装置安装在燃烧室的外壁的下游端(或所述外壁的紧固凸缘)与喷嘴的外平台的上游端之间，以限制热气体在燃烧室与喷嘴之间沿径向向外通过。第二密封装置安装在燃烧室的内壁的下游端(或所述内壁的紧固凸缘)与喷嘴的内平台的上游端之间，以限制热气体在燃烧室与喷嘴之间沿径向向内通过。

在现有技术中，各个密封装置由围绕燃烧室的轴线沿周向并列布置的轴向取向的多个狭条形成，各个狭条紧固至喷嘴区段的平台的上游端，并且支承在燃烧室壁的下游端或紧固凸缘上。各个密封装置还包括垫片盖体，该垫片盖体安装在相邻狭条之间以封闭狭条之间的空间，从而限制热气体从这些空间通过。

狭条的数量等于喷嘴区段的数量，并且各个狭条借助于两个铆钉紧固在喷嘴区段上并且与沿轴向将狭条向燃烧室推压的弹簧相连。当涡轮喷嘴由18个区段构成时，每个密封装置包括18个狭条、18个垫片盖体、18个弹簧和36个铆钉，这构成大量的部件。因此，这些密封装置相对复杂并且这些部件的安装时间相对较长。此外，这些密封装置可靠性偏低。

由于燃烧室与喷嘴区段之间的不同热膨胀并且由于密封装置的各个部件在操作期间受到的振动，已经发现这些狭条不能总是支承在燃烧室上，尤其是在涡轮机的瞬态操作状态下。在操作期间，喷嘴区段可能在轴向上相对于彼此发生轻微偏移，从而使得狭条与燃烧室分离，由此使所述狭条不支承在燃烧室上。在现有技术中，使得狭条沿着圆线支承在燃烧室上，该圆线可能由于上述现象而受到干扰。还观察到，垫片盖体因此不能在狭条之间提供良好的密封并且热气体可能从狭条之间通至燃烧室的外部。于是，燃烧室壁的下游端与所述壁的紧固凸缘局部暴露于高温下，从而产生应力并增加了所述元件中出现裂缝的风险。

发明内容

本发明的具体目的在于提供一种简单有效而又低成本的解决这些问题的方法。

因此，本发明提供了一种涡轮机，其具有环形燃烧室、布置在所述燃烧室的出口处的分区段的涡轮喷嘴和在轴向上置于所述燃烧室与所述喷嘴之间的密封装置，所述涡轮机的特征在于，所述密封装置包括轴向上有弹性的垫片，所述垫片包括支承在所述燃烧室的下游端上的轴向支承装置和分区段的下游环形唇部，所述下游环形唇部的各个区段与所述喷嘴的区段对准并且包括支承在所述喷嘴区段的上游端上的轴向支承装置。

本发明的密封垫片包括用于弹性地支承在所述燃烧室上的装置和用于弹性地支承在所述喷嘴区段上的装置，从而在所述燃烧室与所述喷嘴之间提供了良好的密封性。所述用于支承在所述燃烧室上的装置可以由不分区段的上游环形唇部形成，所述上游环形唇部围绕所述燃烧室的周部连续地支承在所述燃烧室上。用于支承在所述喷嘴上的装置由分区段的下游环形唇部形成，所述下游环形唇部的区段沿着周线或表面支承在所述喷嘴的区段上。所述唇部的这些区段独立于彼此自由移动，从而能够在操作期间追踪所述喷嘴区段的移动，并同时保持在其上的永久支承推力。

本发明的垫片也是置于所述燃烧室与所述喷嘴之间的独立部件，不需要任何特定的安装或紧固装置。

本发明的密封垫片可以安装在各个壁的下游端(或各个壁的紧固凸缘)与所述喷嘴的对应平台的上游端之间。于是，所述两个垫片是同轴的，在径向上位于内侧的密封垫片的直径小于在径向上位于外侧的密封垫片的直径。

根据本发明的另一特征，所述垫片以冷轴向预应力(cold axial prestress)安装在所述燃烧室与所述喷嘴之间。由于下游唇部的区段可独立于彼此弹性变形，因此所述垫片能在所有操作条件下在所述燃烧室与所述喷嘴之间提供良好的密封性，并同时还允许这些元件因所承受的振动和不同的热膨胀而相对于彼此移动。

所述垫片优选地呈单个环形部件。因此，如果垫片破损，也容易安装和替换。垫片可以呈V形、W形、WV形、WW形或Ω形的截面。例如，所述垫片的唇部被垫片的波浪状的部分连接起来以形成W形、WV形或WW形截面的垫片。

所述垫片的各个唇部的轴向支承装置优选地包括呈凸形修圆形状的环形支承表面。所述垫片借助于环形表面支承在所述燃烧室和所述喷嘴上，而不是如现有技术一样仅仅以线性的方式进行支承。因此，与现有技术相比，所述垫片支承在这些元件的更大区域上，从而显著改善了所述燃烧室与所述喷嘴之间的密封性。

所述唇部的轴向支承装置可以形成在所述唇部的自由端部，这些端部呈弯曲形状的截面，这些端部的凸出侧取向为大致相反的方向，即对于上游唇部而言为上游，对于下游唇部而言为下游。

所述垫片还可以包括用于支承在所述燃烧室和/或所述喷嘴上以使所述垫片居中的径向支承装置。所述垫片在所述燃烧室和所述喷嘴上的轴向支撑和径向支撑足以将所述垫片保持在合适的位置。因此，所述垫片不需要任意特定的铆钉等类型的紧固装置。

所述垫片的下游唇部可以包括数量与喷嘴区段的数量相等或比喷嘴区段的数量大的区段。

所述下游唇部的区段优选地由所述唇部中的标准化通槽来限定。这些槽的尺寸具体地设定为允许冷却空气以受控方式从外侧通入燃烧室的内部。所述垫片还可以包括供通风空气通过的标准化孔。

所述燃烧室的下游端和/或所述喷嘴的上游端可以包括供空气通过的孔，以将空气馈送给所述垫片封闭在其中的环形封壳和/或从所述封壳中排出空气。

本发明还提供上述用于涡轮机的轴向弹性环形密封垫片，所述垫片的特征在于，其制造为单个部件并且包括两个环形唇部，一个环形唇部包括多个径向通槽，所述多个径向通槽在其间限定唇部区段，所述唇部区段能够独立于彼此自由地移动。所述垫片可以包括上文参照涡轮机描述的所述垫片的上述特征的全部或一部分。

附图说明

通过阅读下文借助非限制性实例并参考附图所进行的说明，能更好地理解本发明且更清楚地了解本发明的其它特征、细节和优点，其中：

图1是涡轮机的燃烧室和涡轮喷嘴的示意性轴向半剖视图，其中利用现有技术将密封装置安装在燃烧室和涡轮喷嘴之间；

图2是图1的一部分的较大比例尺视图；

图3是本发明的环形密封垫片的示意性轴向半剖视图，所述环形密封垫片安装在涡轮机的燃烧室与涡轮喷嘴之间；

图4是从下游看到的图3密封垫片之一的较大比例尺的局部示意图；

图5是沿着图4中的线V-V截取的剖视图；

图6至图9是与本发明的环形密封垫片的各个实施例配合在一起的涡轮机的示意性轴向局部半剖视图；以及

图10是本发明的密封垫片的另一变型实施例的示意性轴向半剖视图。

具体实施方式

首先参考图1，图1示出了诸如飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机之类的涡轮机的环形燃烧室10，该燃烧室布置在压缩机和扩压器(未示出)的下游并布置在高压涡轮10的入口喷嘴12的上游。

燃烧室10具有形成回转表面的内壁14和外壁16，内壁在外壁内延伸并且内壁和外壁在上游端借助环形室端壁18连接在一起。燃烧室的外壁16在下游端连接至外环形凸缘20，该环形凸缘20在外周处紧固至燃烧室的外壳体22，内壁14在下游端连接至内环形凸缘24，内环形凸缘24在内周处紧固至燃烧室的内壳体26。

环形室端壁18具有供来自压缩机的空气与喷射器30所输送的燃料一起通过的开口28，喷射器30紧固至外壳体22上。

喷嘴12借助合适的装置紧固在燃烧室的下游并且包括内环形平台32和外环形平台34，内环形平台32在外环形平台34内延伸，内环形平台32和外环形平台34借助大致径向叶片36连接在一起。喷嘴12的外平台34与燃烧室的外壁16的下游端部轴向对准，内平台32与燃烧室的内壁14的下游端部轴向对准。

喷嘴12是分区段的并且包括多个绕以燃烧室的回转轴线为中心的周部相继布置的区段。举例而言，有18个区段构成该喷嘴。

喷嘴的平台32和34与室紧固凸缘20和24协作限定出了两个环形空间38，即内空间和外空间，每个空间均在一端向燃烧室的内部敞开并且均在另一端被安装在平台32、34和凸缘20、24之间的密封装置40、40’封闭。

由位于上游的压缩机供应的一部分气流通过壁18中的开口28并馈送给燃烧室10(箭头42)，其余部分气流馈送给了在燃烧室周围经过的内环形过流部分44和外环形过流部分46(箭头48)。

内过流部分44形成在燃烧室的内壳体26与内壁14之间，从该空间中通过的空气用于经由内壁14中的孔50进入燃烧室10中的流和通过燃烧室的内凸缘24的孔52的流，通过燃烧室的内凸缘24的孔52的流尤其用于冷却与燃烧室的内壁14连接的内密封装置40’和内凸缘24的外周。然后，通过内凸缘24的空气的一部分通过经由喷嘴的叶片36内的腔体沿径向向外通过而穿过喷嘴12。

外过流部分46形成在燃烧室的外壳体22与外壁16之间，从该空间中通过的空气用于经由外壁16中的孔50进入燃烧室10中的流和经由外凸缘20的孔52通过的流，并被加入到从喷嘴的叶片36通过的气流中，该空气尤其用于冷却外密封装置40和凸缘20的内周。

图2是外密封装置40的较大比例的视图。外密封装置40包括多个狭条54，这些狭条54围绕燃烧室的纵轴沿周向彼此邻近地布置并且安装有垫片盖体(未示出)。各个狭条54由周向取向的小平板形成，其在安装就位时在大致上游延伸并向内延伸。通过将狭条的中部铆接至喷嘴区段12来紧固狭条，并且狭条的外周缘56支承在凸缘20的圆筒形边缘57的径向表面上。

喷嘴12的区段的平台34在上游端包括两个径向壁58和60，这两个径向壁在轴向上彼此间隔开并且用于安装外密封装置40。这些壁58和60包括多个供狭条54的紧固铆钉62通过的轴向孔。

平台34的位于上游的壁58与壁16的紧固凸缘20协作限定出了环形空间38。外密封装置40固定在两个壁58与60之间。外密封装置40支承在壁58的下游径向表面上并受到安装在外密封装置40与平台34的壁60之间的弹簧64向上游的推压。

内密封装置40’与外密封装置40类似。然而，如上所述这些装置实施的密封是不能令人满意的。

本发明提供一种方案，利用单件式环形垫片简单地解决了现有技术问题，该单件式环形垫片包括轴向地支承在燃烧室10和喷嘴12上的装置且不需要将该装置安装和/或紧固到燃烧室和喷嘴上的特定装置。

在图3至图5所示的实施例中，垫片70、70’具有大致V形的截面并包括在轴向上分别支承在燃烧室10和喷嘴12上的上游环形唇部72和下游环形唇部74。唇部72和74借助垫片的修圆中部75连接在一起。外密封垫片70以开口沿径向向外敞开的方式进行安装，内垫片70’安装成开口沿径向向内敞开。

垫片的上游唇部72在整个360°上都是连续的(即，不是分区段的)且在(远离中部75)的自由周缘处包括用于在轴向上支承在燃烧室10上的环形装置78。

垫片的上游唇部72的支承装置78呈C形截面，其凸出侧在轴向上面向上游，即朝向燃烧室10。因此，这些支承装置在上游侧呈凸出的弯曲环形表面以在轴向上支承在燃烧室的凸缘20上。

垫片的下游唇部74是分区段的，这种分区段是通过自自由周缘开始在唇部74中形成多个径向槽76获得的。这些槽76等间隔地围绕垫片的轴线分布，例如它们在唇部74的径向尺寸的大约一半上延伸。

垫片70、70’是可弹性变形的，尤其是在轴向上，从而可以使唇部72、74在操作期间彼此离开和相向地弹性移动，并且(由图4中的槽76和虚线限定出的)下游唇部的区段80可以独立于同一唇部的其它区段在轴向上向上游和下游移动。

这些区段80的数量优选地等于构成喷嘴12的区段的数量，并且各个区段80以与喷嘴12的区段的角度范围大致相等的角度范围围绕垫片的轴线布置。唇部74的各个区段80与喷嘴12的区段轴向对准从而各个区段80与喷嘴12的单个区段协作并支承在该区段上。为了防止垫片70、70’在操作期间在周向上移动，并且防止唇部74的区段80相对于喷嘴12的区段沿周向发生偏移，可以对垫片设置突起部等类型的防旋转装置，该防旋转装置可以设置在垫片上以与燃烧室或喷嘴的互补装置协作，反之亦然。

唇部74的各个区段80包括位于自由周缘附近的装置82，用于在在轴向上支承在喷嘴12的区段上。这些支承装置82呈C形截面，其凸出侧在喷嘴12附近取向为在轴向上向下游。因此，在其下游侧，它们呈用于支承在喷嘴12的区段上的凸出的弯曲环形表面。

在示出的实例中，喷嘴12的外平台34包括位于上游端附近的径向环形壁66，径向壁66与凸缘20的径向环形部分协作限定出了容纳外垫片70的环形封壳84。该封壳84在径向上部分地在外周处由凸缘20的圆柱形边缘57限定而在内周处由喷嘴12的平台34的上游端部限定。

凸缘20的边缘57在轴向上与喷嘴的壁66间隔开以允许冷却空气通入封壳84中。燃烧室的壁16的下游端也与喷嘴12的平台34的上游端间隔开轴向间隙86以从所述封壳84排出空气，将在下文中更详细地进行描述。

外垫片70包括用于在径向上支承在凸缘20的边缘57和喷嘴的外平台34的上游端部上的装置，从而使垫片居中并防止垫片在环形封壳84中沿径向移动。垫片70以上游唇部72的外周在径向上支承在边缘57上并以中部75支承在平台34上。

以相同的方式，内垫片70’容纳在环形封壳84’中，环形封壳84’在上游侧由凸缘24的径向环形部分限定，在下游侧由喷嘴12的内平台32的径向环形壁66’限定，在内侧由平台32的上游端部限定且在外侧由凸缘24的圆筒形边缘57’限定。边缘57’与平台32间隔开轴向间隙86’。垫片70’以上游唇部72的内周支承在凸缘24的圆筒形边缘57’上并以中部75’支承在喷嘴的平台32的上游端部。

垫片70和70’可以通过使各个垫片沿轴向朝喷嘴12平移直到垫片在轴向上支承在喷嘴的对应平台的壁66、66’的上游径向表面上而以简单的方式安装(然后，垫片70支承在平台34的外侧表面上且垫片70’支承在平台32的内侧表面上)。然后将喷嘴12安装在燃烧室的出口处并借助合适的装置将喷嘴紧固到涡轮机的壳体上。然后使垫片70和70’在轴向上支承在对应凸缘20、24的径向部分上并且它们在径向上支承在所述凸缘的圆筒形边缘57、57’上。

在操作期间，垫片70、70’可以在轴向和径向上变形以适应燃烧室10与喷嘴12的区段之间的不同热膨胀。然而，垫片继续连续地支承在燃烧室和喷嘴区段上。垫片70、70’的下游唇部74的各个区段80在轴向上支承在单个喷嘴区段上，以在不会受到相邻唇部或喷嘴区段阻挡的情况下允许喷嘴12的所述区段的移动。

下游唇部74中的槽76是标准化的，即它们的形状和尺寸具体地设定为允许预定流量的通风和冷却空气从外侧通入燃烧室的内部，如上文参考图1所述，所述空气来自涡轮机的压缩机。然后，该空气以受控方式参与垫片70、70’的冷却且还参与喷嘴12的对应平台32、34的上游端部的冷却。

在图6的变型实施例中，垫片70、70’包括多个供通风空气通过的标准化孔88，这些孔88在该实例中形成为贯通垫片的下游唇部74。

这些垫片70、70’在径向上仅仅支承在燃烧室10的圆筒形边缘90、90’上，边缘从燃烧室的对应壁14、16的下游端向下游延伸。外垫片70在轴向上向内支承在外壁16的边缘90上，而内垫片70’在轴向上向外支承在内壁14的边缘90’上。边缘90、90’的下游端与喷嘴12的平台的上游端间隔开轴向间隙92、92’，轴向间隙用于经由垫片中的孔88和槽76排出通风空气。

经由垫片中的孔88和槽76通过的空气经由轴向间隙92、92’通入以形成通风空气薄膜，该空气薄膜注射在喷嘴的叶片36的径向内端和径向外端处且用于沿着喷嘴12的平台32、34流动。

在图7的变型中，燃烧室的外壁16的边缘90包括用于排出通风空气的标准化孔眼94。垫片70的两个唇部72和74此处包括用于使该空气通过的标准化孔88。上游唇部72的孔88将空气馈送至边缘90的孔眼94，下游唇部74的孔88和槽76将空气馈送至边缘90与喷嘴的平台34的上游端之间的轴向间隙92。

在图8的变型中，垫片70不具有供通风空气通过的孔。燃烧室10的外壁16的下游端和凸缘20的内周包括孔眼94和96以使来自上述过流部分46的通风空气流过，这已参考图1进行过描述。形成于凸缘20的径向部分中的孔眼96敞开至垫片70的壳体的环形封壳，并将空气馈送至形成于外壁16的下游圆筒形边缘90中的孔眼94。在外壁16中形成的位于边缘90上游的孔眼96直接敞开至燃烧室的内部。

在该情况下，经由垫片的下游唇部74中的标准化槽76通过的空气馈送至边缘90与喷嘴的平台34的上游端之间的轴向间隙92中。

图9的变型实施例与图3中的实施例的不同之处在于，垫片70、70’的唇部72、74包括标准化通气孔88，上游唇部72中的孔将空气馈送至燃烧室10与喷嘴12之间的轴向间隙86，下游唇部74中的孔将空气馈送至形成于喷嘴的平台的上游端部中的孔眼98、98’。

图10是本发明的密封垫片100的变型实施例的轴向半剖示图。该垫片100呈W形截面，其开口在径向上朝向内部敞开。其包括两个环形唇部，分别为借助本身呈波浪状的垫片的中部106连接起来的上游唇部102和下游唇部104。该垫片在轴向上也是可弹性变形的。在内周附近，唇部102、104包括上述类型的轴向支承装置106、108。下游唇部104还在多个点处沿径向分开以限定出多个上述类型的周向区段。

在未示出的另一变型中，本发明的垫片可以呈现WV或WW形截面，包括上述类型的波浪部分，该波浪部分包括多个同轴波浪以改善垫片在轴向上弹性变形能力。

在未示出的另一变型中，垫片可以呈现Ω形截面。

Claims (15)

1.一种涡轮机，其具有环形燃烧室(10)、布置在所述燃烧室的出口处的分区段的涡轮喷嘴(12)和在轴向上置于所述燃烧室与所述喷嘴之间的密封装置，所述涡轮机的特征在于，所述密封装置包括轴向上有弹性的环形垫片(70、70’)，所述垫片包括支承在所述燃烧室的下游端上的轴向支承装置(78)和分区段的下游环形唇部(74)，所述下游环形唇部的各个区段(80)与所述喷嘴的区段对准并且包括支承在所述喷嘴区段的上游端上的轴向支承装置(82)。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述垫片(70、70’)以冷轴向预应力安装在所述燃烧室(10)与所述喷嘴(12)之间。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮机，其特征在于，支承在所述燃烧室上的轴向支承装置(78)由所述垫片的上游环形唇部(72)形成。

4.根据权利要求3所述的涡轮机，其特征在于，所述垫片(70、70’)的唇部的轴向支承装置(78、82)包括凸形修圆形状的各个环形支承表面。

5.根据权利要求3或4所述的涡轮机，其特征在于，所述垫片(70、70’)的唇部的轴向支承装置(78、82)形成在所述唇部的自由端部。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述垫片(100)的唇部(102、104)被波浪状部分(106)连接起来。

7.根据上述权利要求中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述垫片(70、70’)的下游唇部(74)包括数量与喷嘴区段的数量相等或比喷嘴区段的数量大的区段(80)。

8.根据上述权利要求中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述下游唇部(74)的区段(80)由所述唇部中的标准化通槽(76)来限定。

9.根据上述权利要求中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述垫片(70、70’)包括单个部件。

10.根据上述权利要求中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述垫片(70、70’、100)呈V形、W形、WV形、WW形或Ω形的截面。

11.根据上述权利要求中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述垫片(70、70’)包括支承在所述燃烧室(10)和/或喷嘴(12)上以使所述垫片居中的径向支承装置(75)。

12.根据上述权利要求中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述垫片(70、70’)包括供通风空气通过的标准化孔(88)。

13.根据上述权利要求中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述燃烧室(10)的下游端和/或所述喷嘴(12)的上游端包括用于将空气馈送至容纳所述垫片(70、70’)的环形封壳(84、84’)和/或用于将空气从所述封壳中排出的通气孔(94、96、98)。

14.一种用于根据上述权利要求中任一项所述的涡轮机的轴向有弹性的环形密封垫片(70、70’)，所述垫片的特征在于，其制造为单个部件并且包括两个环形唇部(72、74)，一个环形唇部包括径向通槽(76)，所述径向通槽(76)在其间限定出唇部区段(80)，所述唇部区段能够独立于彼此自由地移动。

15.根据权利要求14所述的垫片，其特征在于，其呈V形、W形、WV形、WW形或Ω形的截面。

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