CN103649469A - 涡轮发动机定子轮及包括这种定子轮的涡轮机或压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮喷嘴引导翼片组件，其包括多个由复合材料制成的翼片（12），每个所述翼片包括内平台（14）、在外侧具有连接片（162，164）的外平台（16），以及在所述内平台和所述外平台之间延伸并安装在所述内平台和所述外平台上的至少一个翼型（18）。所述翼片的所述连接片被接合在支撑所有翼片的金属装配圈（20）上，该金属装配圈沿着相邻所述翼片的所述外平台连续地延伸，并在所述翼片和涡轮壳体（40）之间形成独特的装配部件。

Description

涡轮发动机定子轮及包括这种定子轮的涡轮机或压缩机

背景技术

本发明涉及一种涡轮发动机的定子轮，特别是在工业涡轮机上的航空燃气涡轮发动机，其中这种定子轮形成涡轮喷嘴或压缩机扩压器。

可以想像提高涡轮发动机的性能并减少污染排放将导致更高的操作温度。

对于涡轮发动机的热部份中的元件，因此建议使用陶瓷基复合材料（CMC）。这种材料具有显著的热结构（therostructural）特性，即，使它们构成具有在高温下保护这些机械性能的能力的结构元件的机械特性。

此外，CMC材料具有比通常用于制造在涡轮发动机的热部分中的元件的金属材料低得多的密度。

因此，文献WO 2010/061140，WO 2010/116066，WO 2011/080443描述了使涡轮发动机叶片具有整体的内外平台。也已经提出使用专用于涡轮喷嘴的CMC材料，特别是文献WO 2010/146288中。

传统的金属涡轮喷嘴通常通过将通过铸造获得的有限数量的扇区装配在一起而被构造，每个扇区都有相当大量的翼片。这种扇区的复杂形状使得它们很难获得CMC材料的单件。为了获得CMC材料制成的涡轮喷嘴，因此必须设想将相对大量的单个元件或翼片装配在一起，每个翼片仅具有少量的翼型，以及可能仅有一个翼型。这导致在实现满意密封的同时难以实现简单而又经济地装配喷嘴翼片，特别是用于避免通过涡轮机的气流通道和喷嘴的外部之间的泄漏的目的时。

在暴露在较高温度的下游压缩机级使用CMC材料，或者至少在上游压缩机级使用有机基质复合（OMC）材料制造涡轮发动机压缩机扩压器时也出现了类似的问题。

发明目的和内容

本发明的一个目的是提供该问题的一种解决方案，并且为此，本发明提出了一种涡轮发动机定子轮，其包括多个复合材料制成的翼片，每个翼片包括内平台，在外侧上有连接片的外平台，以及在内平台和外平台之间延伸并安装到内平台和外平台上的至少一个翼型，翼片和外平台连同连接片一起形成复合材料的单件。

定子轮包括接合有翼片的连接片的金属装配圈，金属圈支撑所有翼片，沿着多个相邻翼片的外平台连续地延伸，并在翼片和壳体之间形成独特的装配部件。

金属装配圈从而用于接合定子轮的翼片并且通过沿翼片的外平台延伸而提供密封。

优选地，该金属圈由金属片制成，从而可具有适于补偿由于热源导致的不同尺寸变化的变形的能力。

有利地，金属圈具有有助于径向和轴向保持翼片同时还可更容易地适应不同尺寸变化的截头圆锥支撑表面。

在一种实施方式中，金属圈具有基本Ω形并向外打开的剖面，金属圈具有腹板部分和凸缘，凸缘以形成钩的端部终止，该钩用于连接到壳体，与翼片的连接片接触的截头圆锥支撑表面位于圈的凸缘的外表面上。

有利地，每个翼片的外平台具有向外突出并与金属圈的表面部分径向邻接的肋，以防止翼片的倾斜。肋也实施支肋的功能。当翼片仅具有一个翼型时，它可以使翼片的翼型延伸。

优选地，金属圈包括单件并具有翼片插入窗口。在这种情况下，定子轮可进一步包括至少一个卡齿，该卡齿用于限制在插入窗口的水平面上安装的翼片在适当位置。

为了进一步提高密封性能，密封片可被布置在翼片的外平台的外表面上，每个片覆盖在两个相邻翼片的外平台之间接合处的至少一部分。

本发明还提供了一种用于涡轮发动机并包括至少一个如上所述的定子轮的涡轮机或压缩机。

有利地，当涡轮发动机进一步包括与定子轮相邻的转子轮时，并且该转子轮包括在叶片的端部设置有面对由圈支撑的耐磨材料的滑动片的叶片，额外的金属圈被安装在耐磨支撑圈和定子轮翼片的外平台之间，支承在其上。

该额外的金属圈有利于提高密封。它可由金属片制成。该额外的金属圈优选为单件。

附图说明

在阅读由非限制性说明给出的以下描述并参考附图后，可更好地理解本发明，其中：

·图1为包含本发明一种实施方式的喷嘴的涡轮发动机的低压涡轮的局部剖视图；

·图2为图1的涡轮喷嘴的翼片的透视图；

·图3为图1喷嘴的金属装配圈的局部透视图；

·图4为用于装配图1喷嘴的卡齿的透视图；

·图5至11为示出装配图1涡轮喷嘴的连续步骤的局部剖视图和/或局部透视图；以及

·图12为示出本发明涡轮喷嘴的变型实施方式的局部透视图并且部分被去除。

具体实施方式

在图1中部分所示的涡轮发动机的多级低压涡轮包括多个定子轮，该些定子轮形成与转子30交替布置并安装在涡轮壳体40上的喷嘴10。

每个转子30包括多个叶片32，每个叶片都具有内平台34和外平台36，以及在平台34和36之间延伸的翼型38。在平台34以下，叶片延伸至根部，而根部结合在盘33内的座内。在外侧，外平台36支撑面对耐磨材料41的滑动片37，该耐磨材料41由分段圆环（sectorized ring)42承载。

叶片32可以为传统金属叶片或它们可以为由CMC材料制成的叶片，如在上述文献WO 2010/061140，WO 2010/116066，或FR 2 953 885中所描述获得的。

根据本发明，至少一个所述喷嘴，如图1中的喷嘴10，由多个CMC材料的喷嘴翼片12组成，这些喷嘴翼片12通过装配圈20装配在一起的。

在（图1和图2）所示的示例中，每个翼片12是为具有内平台14，外平台16以及在平台14和16之间延伸并安装在平台14和16上的翼型18的单翼型翼片。

平台14与34的外表面和平台16与36的内表面确定了通过涡轮机的气流通道50。

在它们的内表面上，翼片12的内平台14具有肋141和142，以用于安装支撑耐磨材料151的圈15，该耐磨材料151面对由盘33承载的滑动片35。例如，该耐磨材料圈由蜂窝材料条构成，该蜂窝材料条被卷起并被定位在肋141和142之间。

滑动片35与耐磨材料151配合以在内侧提供密封，而滑动片37与耐磨材料41配合以在叶片32的末端提供密封。

在外侧，翼片12的每个外平台16在上游侧和下游侧具有分别向外突出的连接片162和164。在本说明书中使用的术语“上游”和“下游”是相对于气体沿通道50的流动方向而言。上游连接片162具有向下游折叠的端部162a，以具有截头圆锥内支撑表面部分162b。下游连接片164具有向上游折叠的端部164a，以具有截头圆锥内支撑表面部分164b。

同样在外侧，翼片12的每个外平台16具有在平台16的纵向（轴向）方向延伸并且构成平台的支肋的肋166。肋166可由翼型18的延伸部形成。

每个翼片12由CMC材料的单件制成。为此，可使用在文献WO 2010/146288或文献WO 2011/080443中所描述的方法，这些文献的内容引入本文作为参考。简言之，使用陶瓷纤维制成的纺线由多层或三维编织制成纤维毛坯，所述陶瓷纤维为，例如碳化硅（SiC）纤维或碳纤维。纤维毛坯被成形以获得具有与待制造翼片接近的形状的纤维预制件。将该预制件置于工具中以其形状加固，如通过用碳或陶瓷前体树脂浸渍，随后固化，之后裂解该树脂。从工具中提取的加固预制件被陶瓷基质所致密化，如通过化学蒸气渗透（CVI）。举例来说，该基质可由碳化硅制成或它可为具有由碳化硼BB₄C或第三系Si–B-C系统制成的基质相的自修复基质。特别地在文献US 5 246 756和US 5 965 266中描述了这种自修复基质的制备。

翼片12通过环形装配圈20被装配成轴对称的涡轮喷嘴10（图1、图3）。圈20有利地由金属片制成。构成圈20的材料为能够承受使用中遇到的温度的金属，如在低压（LP）涡轮机箱体中常用的金属或金属合金，如主要基于镍和铬并以名为

或

著称的金属。

在所示的实例中，圈20具有Ω形且朝外侧打开的剖面。它包括腹板部分26，在再上下游各自延伸以基本为S形部分的上下游凸缘22和24。在它们的外表面上，凸缘22和24在各自中间部分222和242上具有的表面部分形成截头圆锥支撑表面222a，242a。在它们的外表面上，凸缘22和24在各自中间部分222和242上也具有截头圆锥表面部分，这些截头圆锥表面部分形成支撑表面222b和242b。凸缘22和24被端部所终止，该端部分别向上游和下游折叠以形成标记为224和244的上游钩和下游钩，用于在涡轮机壳体40内装配的目的。

圈20优选地为单件圈的形式，并且它具有开口或窗口21，翼片12的连接片162和164可通过开口或窗口21插入。因此，窗口21的宽度在圆周方向上等于或略大于连接片162和164的尺寸。在所示的实施例中，窗口21由在第一端212和第二端214之间延伸的间隙所形成，所述第一端212基本位于中间部分222和钩224之间的连接处，所述第二端214基本位于腹板26和中间部分之间242的连接处。以下参考图4至11描述翼片12通过圈20装配在一起的方式。

第一步骤包括在圈20中插入锁定装置以使用，在最后的翼片12已被放置在插入窗口21后，以将该翼片保持在适当位置。

在所示的实施例中，锁定装置包括两个卡齿26₁和26₂，如图4所示。卡齿26₁和26₂由类似于并且优选地等同于圈20的材料的金属材料制成。

卡齿26₁和26₂具有各自类似的环扇形的卡齿本体262₁和262₂。在其一个圆周端部263₁附近，卡齿本体262₁在其顶端由锁定凸耳264₁延伸。以类似的方式，在圆周端部261₂附近，卡齿本体262₂在其顶端由锁定凸耳264₂延伸。在其相对的圆周表面上，卡齿本体262₁具有形成截头圆锥支撑表面266₁和268₁的表面部分。同样，在其相对的圆周表面上，卡齿本体262₂具有形成截头圆锥支撑表面266₂和268₂的表面部分。

卡齿本体262₁和262₂的尺寸和轮廓适于通过穿过窗口21而在圈20内被接合，以被插入位于腹板26和凸缘22和24的中间部分之间的圈20的的部分内，以能够占据截头圆锥支撑表面266₁和266₂与截头圆锥支撑表面222a接触的位置，该截头圆锥支撑表面268₁和268₂与截头圆锥支撑表面242a接触，并且锁定凸耳264₁和264₂抵靠在上游钩224的外表面。图5示出了在圈20的窗口21内接合的卡齿26₁。图6示出了在圈20内被放置在窗口21两侧的卡齿26₁和26₂，它们的端表面263₁和261₂与彼此相对的锁定凸耳264₁和264₂相连。

构造喷嘴的以下步骤包括在圈20内连续地接合翼片12。如图7和8所示，每个翼片12通过将上游钩连接片162插入到窗口21内并且然后倾斜以使翼片沿圈20滑动而被接合。翼片12的外平台16和圈20的形状被布置成将翼片12放置在适当位置致使截头圆锥支撑表面162b和222b彼此相互挤压，并且也致使截头圆锥支撑表面164b和242b相互挤压，而支肋166抵接在圈20的肋26上（图1）。圈20的截头圆锥支撑表面222b和242b有助于径向和轴向地保持翼片12。圈20的肋166和腹板有利地具有基本平面的接触表面，肋166相对翼片12倾斜地径向抵靠在腹板26上。

为了在插入窗口21内装配最后的翼片12，该翼片设置有舱19，舱19用于在对应于窗口21的部分内构建圈20（图9）。舱19由金属材料制成，优选地与圈20相同的材料。

在最后的翼片已被放置在适当位置后，卡齿26₁和26₂朝向彼此移动，如图10所示。锁定凸耳264₁和264₂然后在窗口21彼此接近，从而防止卡齿倾斜，这样最后的翼片被限制在其位置上，如图11的剖面所示。

以这种方式构成的喷嘴通过钩224和244以类似于传统金属喷嘴的方式被放置在涡轮机的壳体内。

圈20的作用不仅是使翼片12被安装和装配在一起，而且限制在喷嘴内从通道50向外泄漏，在该实施例中没有特定的密封设备设置在相邻翼片12的触摸外平台之间。

从喷嘴10的上游，支撑耐磨材料41的圈42的扇区可由在翼片12的外平台16的上游端形成的突出部168所保持。然而，对于圈42，优选的是由环形圈60所保持（图1），如以金属片的形式制成的。圈60可由类似于或等同于环20的金属制成。

圈60优选为完整环的形式。在所示的实施例中，它具有用于连接到涡轮机壳体的槽形截面的部分62。该部分62由基本C形的槽形截面的部分64向内延伸，部分64形成用于保持圈42的扇区的钩，需要明白的是，这两个部分62和64在上游打开。

在下游侧，圈60经由腹板的槽形截面的部分62和/或经由部分64轴向地抵靠在翼片12的上游连接片162的上游表面上。突出部168可通过承载在其上而径向地保持该部分64。

除了支撑圈42的扇区，圈60有助于提高通道50外侧上的密封性能。

密封性能的额外提高可通过将密封片170放置在翼片12的外平台16的外表面上，如图12所示。例如，片170为多片槽形截面金属片的形式，凸缘抵靠在连接片162和164的内侧部分上。片170由类似于并优选地等同于圈20的金属材料制成。每个片覆盖两个外平台16之间的连接，如在两个相邻翼片的支肋166之间延伸。随着翼片12被装配，片170被逐步地放置。

应该观察到的是，圈20由金属片制成这样它具有一定的变形能力，以及在圈20和翼片12之间经由截头圆锥的表面发生相互承载的事实能适应翼片12的CMC材料和圈20的金属材料之间的不同的膨胀，尤其是由于支撑表面位于平台16的外侧，因此支撑表面不能直接地接触到在通道50内流动的流体。

以上描述涉及使用单翼型翼片制造涡轮喷嘴。自然地，也可用具有在单个内平台和单个外平台之间延伸的一个以上的翼型的翼片来实施本发明，如具有两个翼型或三个翼型。

此外，可以设想用多个扇区制造装配圈20，如两个，三个或四个扇区，每个扇区覆盖多个相邻的翼片。然后由于不需要插入窗口，封闭舱或锁定卡齿，可简化在圈扇区内装配翼片，当被安装在涡轮机壳体内时，喷嘴被完整地装配在一起。密封片然后有利地被布置在相邻的金属环扇区之间。以类似的方式，如果有的话，圈60也可使用多个扇区制成。

尽管本说明书涉及具有基本Ω形的圈，但是可以设想其他形状，只要圈具有能使翼片被径向和轴向地保持的截头圆锥部分和能使圈被连接到涡轮机壳体的部分。

以上详细描述的内容涉及一种形成涡轮喷嘴的涡轮发动机定子轮。本发明同样适用于形成压缩机扩压器(diffuser)的涡轮发动机定子轮。然后压缩机扩压器翼片包括多个翼片，每个翼片都具有内平台，在其外侧具有连接片的外平台，以及在内外平台之间延伸的至少一个翼型，具有外平台的翼片和连接片的翼片形成由复合材料制成的单件。压缩机扩压器翼片通过金属装配圈被装配在一起并被支撑，所述金属装配圈沿多个相邻翼片的外平台连续延伸并在翼片和压缩机壳体之间形成独特的装配部件，对于形成涡轮喷嘴的定子轮，翼片通过金属圈以上述方式被装配在一起。

在压缩机的上游级中，其中使用时所用到的温度在压缩机中最低，压缩机扩压器翼片的复合材料可为具有增强纤维的有机基质复合（OMC）材料，例如，由如环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺基质等聚合物基质所致密的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或陶瓷纤维等。在压缩机的下游级中，压缩机扩压器翼片的复合材料可为CMC材料。

Claims (11)

1.一种涡轮发动机定子轮，其包括：

·多个翼片，每个所述翼片都包括内平台、在外侧具有连接片的外平台、以及在所述内平台和所述外平台之间延伸的至少一个翼型，所述翼片和所述外平台连同所述连接片一起形成复合材料的单件；以及

·金属装配圈，所述翼片的所述连接片被接合在所述金属装配圈中；所述金属圈支撑所有的翼片，沿着多个相邻的所述翼片的所述外平台连续地延伸，并在所述翼片和壳体之间形成独特的装配部件。

2.根据权利要求1所述的定子轮，其中，所述金属圈由金属片制成。

3.根据权利要求1或2所述的定子轮，其中，所述金属圈具有有助于径向和轴向地保持所述翼片的截头圆锥支撑表面。

4.根据权利要求1-3任一项所述的定子轮，其中，所述金属圈具有基本Ω形并向外打开的剖面，该金属圈具有腹板部分和凸缘，该凸缘终止于形成钩的端部，该钩用于连接到所述壳体上，并且与所述翼片的所述连接片接触的所述截头圆锥支撑表面位于所述圈的所述凸缘的外表面上。

5.根据权利要求1-4任一项所述的定子轮，其中，每个所述翼片的所述外平台具有向外突出并径向抵接在所述金属圈的表面部分的肋。

6.根据权利要求1-5任一项所述的定子轮，其中，所述金属圈包括单件并具有翼片插入窗口。

7.根据权利要求6所述的定子轮，该定子轮进一步包括至少一个卡齿，该卡齿用于对安装所述插入窗口的水平面上的所述翼片予以限位。

8.根据权利要求1-7任一项所述的定子轮，其中，密封片被布置在所述翼片的所述外平台的外表面上，每个所述片覆盖两个相邻的所述翼片的所述外平台之间连接处的至少一部分。

9.一种涡轮发动机涡轮机，其包括至少一个根据权利要求1-8任一项所述的定子轮，该定子轮形成涡轮机的喷嘴，其中，所述复合材料是陶瓷基复合材料。

10.一种涡轮发动机压缩机，其包括至少一个根据权利要求1-8任一项所述的定子轮，该定子轮形成压缩机的扩压器，其中，所述复合材料是具有陶瓷质或有机基质的复合材料。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的涡轮机或压缩机，其具有与所述喷嘴或所述扩压器相邻的转子轮，该转子轮包括在叶片的端部设置有面对由圈支撑的耐磨材料的滑动片的叶片，其中，额外的金属圈顶装在耐磨支撑圈和所述喷嘴或所述扩压器的所述翼片的所述外平台之间。

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