CN103899363A - 用于涡轮机涡轮的喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机的涡轮喷嘴，所述喷嘴包括：内、外环形平台（32），内平台和外平台通过导片（36）相连在一起，内平台（32）承载耐磨材料环形元件（44）以与涡轮机转子的环形扫刷（46）配合以形成迷宫型密封，这些耐磨材料元件由大致L形、S形或C形截面的环形金属片扇形（52,52’,66）承载，金属片扇形通过硬焊或熔焊在它们的外周边紧固到内平台并且在它们的内周边紧固到耐磨材料元件。

Description

用于涡轮机涡轮的喷嘴

技术领域

本发明涉及一种用于例如飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机这样的涡轮机的涡轮的喷嘴。

背景技术

涡轮机涡轮包括多个级，每个级具有叶轮和喷嘴。每个叶轮包括盘，该盘在其外周边上承载大致径向的叶片，不同轮的盘通过适合方式沿公共轴线相互连接并连接到涡轮转子的驱动轴。

每个喷嘴包括一内环形平台和和一外环形平台，带有大致径向的导片在它们之间延伸。喷嘴的外平台包括用于接合和紧固到涡轮外壳上的机构。内环形平台承载耐磨材料的环形元件，用于与转子元件的外环形扫刷配合以形成迷宫型密封。该密封用于确保空气沿轴向流过在喷嘴内周边与涡轮转子之间的环形空间。

在现有技术中，耐磨材料元件由通过径向壁被连接到喷嘴内平台的环形环承载。所述环、径向壁以及喷嘴的内平台形成为具有相当大厚度并由此具有相对较大重量的单一铸件。

这种现有技术具有另一主要缺点。在工作中，喷嘴导片暴露于涡轮流动部分中的热气体流。流动部分中的气体温度相对较高，通常在900℃的量级，而在喷嘴内平台与转子之间的区域的温度较低，例如，约为700℃。所述平台和支撑耐磨元件机构的厚度使它们呈现出相当大的热惰性，而且结合其所承受的较低温度而言，不利于喷嘴导片的热膨胀，这些导片于是承受高程度机械应力。这在导片中产生可见的裂纹和裂缝，导致其使用寿命显著缩短。

已经提出将耐磨元件紧固到金属片部件上，金属片部件自身通过螺母－螺栓或类似类型的紧固件紧固到内平台的内径向边沿。不幸的是，这样的紧固件意味着其占据相对较大量的轴向和径向空间，而且其使用显著增大了喷嘴的尺寸和重量。

发明内容

本发明的具体目的是，针对这些问题提供一种简单、有效和经济的解决方案。

对此，本发明提供一种用于涡轮机的涡轮喷嘴，所述喷嘴包括：两个环形平台，分别为内平台和外平台，所述内平台和外平台通过大致径向的导片相连，所述内平台承载耐磨材料环形元件以与所述涡轮机的转子的环形扫刷配合以形成迷宫型密封，所述喷嘴的特征在于：所述耐磨材料环形元件由沿径向安装在所述内平台内的大致为L形、S形或C形截面的环形金属片扇形承载，每个金属片扇形通过硬焊或熔焊而在其外周边紧固到所述内平台并且在其内周边紧固到耐磨材料元件或紧固到被紧固于耐磨材料元件的金属片部件。

与现有技术相比，本发明可显著减少用于耐磨材料元件的支撑机构的重量和所述机构的厚度和热惰性。金属片扇形的厚度显著小于现有技术中所用铸件的厚度。

而且，金属片扇形以简单方式通过熔焊或硬焊而直接紧固到喷嘴的内平台上，而不使用任何沉重和庞大的螺母－螺栓类型的紧固机构。喷嘴的导片因而在工作中更自由地热膨胀，由此减小应力并能够延长喷嘴的使用寿命。

优选地，每个金属片扇形包括具有柱形内周边边沿的径向壁，并且通过其外周边边缘紧固到所述内平台上。每个金属片扇形的径向壁的外周边可压靠和紧固到所述平台的内径向肋上。在变例中，每个金属片扇形具有柱形外周边边沿，所述外周边边沿压靠和紧固到所述内平台的内表面上。

所述耐磨材料元件可紧固到所述金属片扇形的柱形边沿的内表面，或者可选地紧固到第二个大致柱形的金属片部件的扇形，所述扇形装配到和紧固到第一个金属片扇形的柱形边沿的内表面。

有利地，金属片扇形具有朝向相邻转子盘延伸的边沿，以限制热气体沿径向从涡轮流动部分向内流入容纳迷宫型密封的环形间隙中。所述金属片扇形的边沿可例如由通过硬焊或熔焊紧固到所述金属片扇形的金属片环形件形成。

本发明喷嘴的内平台优选由扇化柱形壁形成，所述平台的扇形为铸件并承载密封条，所述密封条在一端熔焊或硬焊到平台扇形并在另一端以滑动接触方式压靠相邻的平台扇形，所述相邻的平台扇形与承载所述耐磨材料元件的金属片扇形对准。

本发明还提供一种涡轮机涡轮，其特征在于，其包括前述类型的喷嘴。本发明还提供一种涡轮机，例如飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，其特征在于，其包括装配有至少一个前述喷嘴的涡轮。

附图说明

通过阅读以下通过非限制性示例方式并参照附图提供的描述，将会更好地理解本发明，而且本发明的其它细节、特征和优点将更清楚地显现，其中：

图1是包括现有技术喷嘴的涡轮机的低压涡轮的轴向截面的示意性半视图；

图2是装配有本发明喷嘴的涡轮机的低压涡轮的局部示意性半视图；和

图3是对应于图2并显示出本发明变例的视图。

具体实施方式

首先参见图1，其为飞机涡轮机低压涡轮10的截面的示意性半视图，其中包含涡轮转子的旋转轴线。

涡轮转子具有四个盘12、14、16和18，这四个盘通过环形法兰20在公共轴线上依次组装，环形法兰20承载环形成行的可移动叶片22，叶片22在其径向内端通过燕尾形或类似形状的叶根安装在盘12、14、16和18的外周边。转子通过驱动锥24连接到涡轮轴，驱动锥24利用环形法兰26紧固在盘14和16的环形法兰20之间。

用于将可移动叶片沿轴向保持在盘上的环形板28也安装在盘12、14、16和18之间，每个环形板包括径向壁30，径向壁30沿轴向被夹紧在两个相邻盘的环形法兰20之间。

在成行的可移动叶片22之间存在喷嘴，每个喷嘴包括两个环形平台32、34，分别为内平台和外平台，二者通过环形成行的静止导片36相连。喷嘴的外平台34通过适当的方式紧固到低压涡轮的壳体38上。每个喷嘴内平台32包括径向壁40，径向壁40从平台的内表面沿径向向内延伸并在其内周边连接到用于支撑耐磨材料环形元件44的柱形环42上。

这些耐磨元件44在面向由板28承载的外环形扫刷46的外侧上沿径向布置。扫刷46被设计为通过抵靠摩擦与元件44配合，以形成迷宫型密封并限制空气沿轴向流过这些密封部。

柱形环42包括在其上游和下游侧上的环形边沿48，所述边沿远离喷嘴内平台32的径向壁40大致沿轴向延伸。大致柱形的上游和下游扰流部50形成为从可移动叶片22的根部沿轴向突出，并通过阻碍效应与这些环形边沿48且与内平台32的上游和下游边缘配合，以限制热气体从涡轮流沿径向向内流过迷宫型密封部。

每个喷嘴的环42和径向壁40与喷嘴的内平台32一起制成为单一铸件，由此产生如前所述的多种缺陷。

本发明通过利用环形金属片扇形将耐磨元件44紧固到喷嘴平台32上而可以至少部分地弥补这些问题，这些金属片扇形被硬焊或熔焊到耐磨元件或喷嘴内平台。

在图2的实施例中，涡轮具有三个喷嘴A、B和C，每个喷嘴均装配有特定类型的金属片扇形。

上游喷嘴A的内平台32具有从平台的内表面向内延伸的径向肋40’。此径向肋40’所具有的厚度和径向尺寸显著小于图1中的径向壁40的厚度和径向尺寸。

用于支撑耐磨元件44的金属片扇形52具有大致L形的截面，每个金属片扇形52具有径向壁54，径向壁54在其内周边连接到柱形壁56的下游端，该下游端连接到外径向边沿58。径向壁54的外周边压靠喷嘴A的径向肋40’的下游面，并通过熔焊或硬焊紧固到该下游面。耐磨元件44通过硬焊或熔焊紧固到金属片扇形的柱形壁56的内表面。金属片扇形的边沿58向外延伸至与位于喷嘴A上游的转子盘12的下游扰流部50相距小的径向距离。

L形截面的金属片环形件60布置在金属片扇形52的下游，并且包括：径向上游部分，该径向上游部分压靠金属片扇形52的径向壁54的下游面并通过熔焊或硬焊紧固到该下游面；和柱形部分，该柱形部分在位于喷嘴A下游邻近处的转子盘14的上游扰流部50的径向内侧向下游延伸，并且与该上游扰流部50相距小的径向距离。

盘12的下游扰流部和盘14的上游扰流部通过阻碍效应而分别与喷嘴A的平台32的上游边缘和金属片扇形52的外边沿58并且与平台32的下游边缘和金属片柱形件60配合，以限制热气体沿径向从涡轮流部分流到容纳迷宫型密封的环形空间中。

用于中间喷嘴B的耐磨元件44的支撑机构包括与喷嘴A的金属片扇形52类似的环形金属片扇形52’，每个金属片扇形的径向壁54’也在其外周边连接到柱形边沿62，柱形边沿62面向下游并压靠内平台32的内表面且通过熔焊或硬焊紧固到该内表面。此平台32不具有径向壁40或径向肋40’。金属片扇形52’的截面大致为S形。

具有大致U形截面的金属片环形件64也通过熔焊或硬焊紧固到金属片扇形52’上并紧固到耐磨元件44上。此金属片件64包括上游环形突部，该上游环形突部沿径向向外延伸并压靠和紧固到金属片扇形件52’的径向壁54’的下游面上。金属片64的大致柱形的中间部分紧固到所述耐磨元件上。金属片52’的下游环形突部以截锥方式向下游向外延伸，其下游端位于盘16的上游扰流部50的径向内侧并与上游扰流部50相距小的径向距离。

盘14、16的扰流部50通过阻碍效应而与前述喷嘴B的平台32的上游和下游边缘、金属片扇形52’的上游边沿58’和金属片64的下游突部配合。

装配到下游喷嘴C的支撑机构包括：具有大致C形或U形截面的环形金属片扇形66，它们的开放侧沿轴向面向上游。每个金属片扇形66具有在径向外侧的柱形边沿68，边沿68压靠平台32（与喷嘴B的平台相同）的内表面，并通过熔焊或硬焊紧固到该内表面。边沿68的下游端连接到成角度环形壁70的外周边，环形壁70从上游到下游向内延伸并使其内周边连接到内柱形壁72的下游端。耐磨材料元件44紧固到这些柱形壁72的内表面。环形壁70的下游端部分位于盘18的上游扰流部50的径向内侧并接近于上游扰流部50，以限制在壁70与扰流部50之间的空气渗漏。

具有大致L形截面的金属片环形件74在下游端通过熔焊或硬焊紧固到金属片扇形的柱形壁72的外表面上。该金属片件74的上游端部分沿径向向外延伸到喷嘴B的下游扰流部50的近处。此扰流部50通过阻碍效应而与喷嘴C的平台32的上游边缘并与金属片件74配合。

喷嘴C在金属片扇形66下游不具有任何金属片，以如在喷嘴A和B以及金属片件60和64的情况下那样与位于其下游的盘的上游扰流部配合。相反，喷嘴C的金属片扇形66的形状适于使它们能够直接通过阻碍效应而与盘18的上游扰流部50配合以限制空气渗漏。

图2中所示的用于耐磨元件44的支撑机构被设计为能够替换现有技术（图1）的支撑机构，即本发明的支撑机构利用它们的形状及构造而适合于涡轮1的环境，以安装于其中而替代现有支撑机构。这种替换可在维护操作过程中在涡轮上进行。

在图3中所示的实施例变例中，由于本发明的用于支撑耐磨元件的支撑机构具有小的径向和轴向尺度，因而涡轮转子已经被重新设计以减小涡轮的径向尺寸并由此减小涡轮的重量。特别是，盘的紧固法兰120被重新构造和重新设置尺寸，使得板28的扫刷46更接近于成行可移动叶片122的内周边。

这样，图3中的支撑耐磨元件的金属片扇形比图2中的金属片扇形呈现出更小的径向尺寸。

喷嘴D的平台132类似于图2中的喷嘴A的平台。此喷嘴的金属片扇形152具有L形截面，每个这些扇形的径向壁154均在其外周边通过硬焊或熔焊而紧固到喷嘴平台132的内径向肋140’的下游面。它们的金属片扇形的柱形壁156从径向壁154的内周边向上游延伸，它们的内表面压靠另一大致柱形的金属片件180的外表面，并通过熔焊或硬焊紧固到该外表面。此另一金属片件180在盘112、114的下游和上游扰流部的径向内侧沿轴向延伸并与所述下游和上游扰流部相距短的径向距离，以通过阻碍效应与所述扰流部配合。耐磨材料元件144紧固到金属片件180的内表面。

涡轮的中间喷嘴E具有大致C形截面的环形金属片扇形166，金属片扇形166具有通过硬焊或熔焊紧固到喷嘴C的平台132内表面的外柱形壁168。金属片扇形166的内柱形壁172在其上游端在盘114的下游扰流部的径向内侧延伸并与该下游扰流部相距短的径向距离。这些柱形壁172不连接到外径向边沿或另外的用于与盘114的下游扰流部150配合的金属片件。

大致L形的金属片环形件160在其上游端紧固到金属片扇形166的径向壁170的下游面，并在盘116的上游扰流部150的径向内侧向下游延伸，且与该上游扰流部150相距小的径向距离。

下游喷嘴F的用于支撑耐磨元件144的支撑机构包括金属片扇形166’，类似于与图2中喷嘴C的金属片扇形，这些支撑机构不具有任何金属片件74。每个金属片扇形166’具有环形壁170’，环形壁170’在其外周边连接到紧固于平台132的柱形边沿168’并在其内周边连接到承载耐磨材料元件144的柱形壁172’，此金属片扇形166’在其平坦化及其径向尺寸减小之后对应于图2中的金属片扇形66，并且在扰流部150的近处延伸以限制空气渗漏。

喷嘴的平台32、132均通过由多个依次首尾相继且沿周向分开的扇形构成的扇化的柱形壁形成。金属片环形件60、64、74、180和160同样被扇化。内平台32、132以及金属片环形件52、52’、66、152、166、166’和60、64、74、180、160的扇形沿径向的尺寸大致相等，且它们沿径向相互对准。

在各个平台扇形之间的密封利用条提供，所述条在一端通过硬焊或熔焊而紧固到平台扇形并在另一端以滑动接触方式压靠相邻的平台扇形。这些条在图3中以虚线182、182’示意性呈现。

大致C形截面的密封条182在金属片扇形166’的上游在喷嘴E的平台132的径向内侧布置。每个条在其径向外端紧固到平台的内表面，并沿周向可滑动地安装在相邻平台的内表面上。这些条182成形为在两个相邻金属片扇形之间的间隙中以小空隙与金属片扇形166的形状匹配，以限制通过所述间隙的气体流动。

密封条182’布置在喷嘴F的金属片扇形166’的上游和下游，它们的径向外端如前所述紧固到喷嘴的平台132上。这些密封条还布置在金属片扇形166’之间的扇形间间隙中，以限制在这些扇形之间的气体流动。

所有金属片扇形52、52’、70、152、166、166’均可通过这种类型的密封条在上游和/或下游被覆盖，其中密封条的径向外端紧固到喷嘴的内平台上。

Claims (8)

1.一种用于涡轮机的涡轮喷嘴，该喷嘴包括：两个环形平台，分别为内平台和外平台，所述内平台和外平台通过大致径向的导片相连，所述内平台承载耐磨材料的环形元件以与所述涡轮机的转子的环形扫刷配合，以形成迷宫型密封，其中所述耐磨材料的环形元件由沿径向安装在所述内平台内侧的大致L、S或C形截面的环形金属片扇形承载，每个所述扇形的外周边与内周边通过所述环形金属片扇形的径向壁互连，每个所述环形金属片扇形：

-在其外周边，通过硬焊或熔焊而紧固：

--通过所述径向壁紧固到所述内平台的内径向肋上，

--或者通过所述径向壁上的柱形外边沿紧固到所述内平台的内侧表面，和

-在其内周边，通过硬焊或熔焊而紧固到一个所述耐磨材料的环形元件上，或紧固到固定于所述耐磨材料的环形元件中的一个上的一个金属片上。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其中每个金属片扇形的径向壁具有柱形内边沿。

3.根据权利要求2所述的喷嘴，其中所述耐磨材料元件紧固到所述金属片扇形的柱形边沿的内表面上。

4.根据权利要求2所述的喷嘴，其中每个金属片扇形具有朝向相邻转子盘延伸的边沿，以防止热气体朝向所述转子逸散。

5.根据权利要求4所述的喷嘴，其中所述金属片扇形的边沿由通过硬焊或熔焊紧固到所述金属片扇形上的金属片环形件形成。

6.根据权利要求1所述的喷嘴，其中其内平台是扇化的柱形壁，所述平台的扇形为铸件并承载密封条，所述密封条在一端熔焊或硬焊到一平台扇形上，并在另一端以滑动接触方式压靠相邻的平台扇形，所述相邻的平台扇形与承载所述耐磨材料元件的金属片扇形对准。

7.一种涡轮机涡轮，包括至少一个根据权利要求1所述的喷嘴。

8.一种涡轮机，包括装配有至少一个根据权利要求1所述喷嘴的涡轮。

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