CN105189934B - 具有花键密封件的涡轮护罩 - Google Patents

Abstract

一种涡轮护罩组件包括蜂窝摩擦条、沿所述蜂窝密封结构的上缘设置的金属背板、具有在所述金属背板的侧缘处设置的第一轨道和第二轨道的护罩框架、连接到第一轨道和第二轨道上的第一支承件和第二支承件、在第一轨道和第二轨道中沿第一轨道和第二轨道的侧向外表面轴向地延伸的花键、具有第一边缘和相对的第二边缘的花键密封件、设置在各个花键凹槽中的第一边缘，以及能够定位在相邻护罩组件中的相对的第二边缘。

Description

具有花键密封件的涡轮护罩

技术领域

本实施例大体上涉及一种燃气涡轮发动机。更具体而言，本实施例涉及但不限于减小燃气涡轮发动机的低压涡轮区段中的泄漏。

背景技术

典型的燃气涡轮发动机大体上拥有前端和后端，其中其若干核心或推进构件沿轴向定位在其间。空气入口或进气口位于发动机的前端处。朝后端移动，按顺序，进气口后接风扇、压缩机、燃烧室和涡轮。本领域的技术人员将容易清楚的是，附加构件也可包括在发动机中，例如，如，低压压缩机和高压压缩机，以及低压涡轮和高压涡轮。然而，这不是详尽的清单。

压缩机和涡轮大体上包括沿轴向成级堆叠的一排翼型件。各级均包括一排沿周向间隔开的定子导叶，以及围绕涡轮发动机的中心轴或轴线旋转的一排转子叶片。多级低压涡轮在多级高压涡轮之后，且通常由第二轴连结到用于设置在对飞行中的飞行器供能的典型涡扇飞行器发动机构造中的压缩机上游的风扇上。

定子由多个喷嘴节段形成，喷嘴节段抵接在周向端，以形成围绕燃气涡轮发动机的轴线的整个环。各个喷嘴节段均可包括单个导叶，其通常称为单件。作为备选，喷嘴节段可每个节段具有两个导叶，其大体上称为双件。在第三实施例中，附加数目的导叶可设置在单个节段上。在这些实施例中，导叶在内带与外带之间延伸。

典型的燃气涡轮发动机使用高压涡轮和低压涡轮来使从高温燃烧气体获得能量最大化。涡轮区段通常具有沿发动机的中心纵轴线轴向地设置的内部轴。叶片沿周向分布在转子上，引起内轴旋转。

内轴连接到转子和空气压缩机上，使得涡轮将旋转输入提供至空气压缩机来驱动涡轮叶片。这在操作期间对压缩机供能，且随后驱动涡轮。当燃烧气体向下游流过涡轮级时，能量从其获得且燃烧气体的压力降低。

在操作中，空气在压缩机中加压，且与燃料在燃烧器中相混合，以生成向下游流过涡轮级的热燃烧气体。这些涡轮级从燃烧气体获得能量。高压涡轮首先从燃烧器接收热燃烧气体，且包括定子喷嘴组件，其将燃烧气体向下游引导穿过从支承转子盘沿径向向外延伸的一排高压涡轮转子叶片。定子喷嘴以一定方式使热燃烧气体转向，以使相邻的下游涡轮叶片处的获取最大化。在两级涡轮中，第二级定子喷嘴组件定位在第一级叶片下游，依次后接从第二支承转子盘沿径向向外延伸的一排第二级转子叶片。涡轮将燃烧气体能量转换成机械能。

在燃气涡轮发动机的此操作期间，期望的是通过发动机的涡轮区段使外壳的热诱发的变形最小化。这根据一些实施例通过将外壳与流过涡轮的热燃烧气体产生的热隔离来实现。涡轮护罩连接到发动机外壳上，以提供燃烧气体的外边界流，其限制高温燃烧气体不利地影响外壳。护罩沿周向延伸来形成环形，且可由多个沿周向延伸的护罩节段形成。然而，当燃烧气体利用涡轮叶片的旋转沿径向向外移动时，压缩机气体可穿过相邻护罩节段之间的轴向接缝。这不是最佳的且导致能量损失。

将期望的是利用燃气涡轮发动机的涡轮区段克服这些及其它不足。更具体而言，将期望的是提供至少径向方向的护罩节段之间的燃烧气流的限制。

发明内容

根据一些实施例，一种护罩包括限制燃烧气体在相邻护罩节段组件之间泄漏同时还减轻重量的花键密封件。后花键密封件可收纳在组件的后轨道部分内。此外或作为该实施例的备选方案，背板可具有延伸超过框架边界来产生与相邻背板部分的重叠的部分。

根据一些实施例，一种涡轮护罩组件包括蜂窝摩擦条、沿所述蜂窝密封结构的上缘设置的金属背板、具有在所述金属背板的侧缘处设置的第一轨道和第二轨道的护罩框架、连接到第一轨道和第二轨道上的第一支承件和第二支承件、在第一轨道和第二轨道中沿第一轨道和第二轨道的侧向外表面轴向地延伸的花键、具有第一边缘和相对的第二边缘的花键密封件、设置在各个花键凹槽中的第一边缘，以及能够定位在相邻护罩组件中的相对的第二边缘。

所有上文提到的特征都理解为仅为示例性的，且具有花键密封件的涡轮护罩的很多特征和目的可从本文的公开内容中收集到。因此，在未进一步阅读整个说明书、权利要求和其包括的附图的情况下，将理解到该概述没有限制性意义。

附图说明

这些示例性实施例的上文提到的和其它特征和优点以及获得它们的方式将变得更清楚，且具有花键密封特征的涡轮护罩将通过连同附图参照实施例的以下描述而被更好地理解，在附图中：

图1为示例性燃气涡轮发动机的侧部截面视图；

图2为本实施例的护罩组件节段的等距视图；

图3为图2的护罩组件节段的分解组装视图；

图4为两个护罩组件节段的轴向视图；

图5为护罩组件节段的备选实施例的等距视图；

图6为备选护罩组件节段的侧视图。

具体实施方式

现在将详细地参照提供的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。各个实例通过阐释的方式提供，而未限制公开的实施例。实际上，本领域的技术人员将清楚的是，可在本实施例中进行各种改型和变型，而不会脱离本公开内容的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可结合另一个实施例使用来产生又一个实施例。因此，期望本发明覆盖归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类改型和变型。

参看图1-6，绘出了具有带花键密封件的涡轮护罩的燃气涡轮发动机的各种实施例。护罩包括用于将花键密封件定位在相邻花键之间的花键。护罩还可具有背板，其沿向后方向延伸来限制护罩后方的泄漏。除限制重量之外，期望减轻重量。

如本文使用的，用语"轴向"或"轴向地"是指沿发动机的纵轴线的维度。连同"轴向"或"轴向地"使用的用语"前"是指沿朝发动机入口的方向移动，或构件相比于另一个构件相对更接近发动机入口。连同"轴向"或"轴向地"使用的用语"后"是指沿朝发动机喷嘴的方向移动，或构件相比于另一个构件相对更接近发动机喷嘴。

如本文使用的，用语"径向"或"径向地"是指在发动机的中心纵轴线与发动机外周之间延伸的维度。单独或连同"径向"或"径向地"使用的用语"近侧"或"向近侧"是指沿朝中心纵轴线的方向移动，或构件相比于另一个构件相对更接近中心纵轴线。连同"径向"或"径向地"使用的用语"远侧"或"向远侧"是指沿朝发动机外周的方向移动，或构件相比于另一个构件相对更接近发动机外周。如本文使用的，用语"侧向"或"侧向地"是指垂直于轴向维度和径向维度两者的维度。

首先参看图1，示出了燃气涡轮发动机10的示意性侧截面视图。燃气涡轮发动机的功能在于从高压和高温燃烧气体获得能量，且将能量转换成机械能来做功。燃气涡轮发动机10具有发动机入口端12，其中空气进入内核或推进器13，其大体上由压缩机14、燃烧器16和多级高压涡轮20限定。推进器13在操作期间共同地提供推力或功率。燃气轮机10可用于航空、发电、工业、船舶等。

在操作中，空气经由发动机10的空气入口端12进入，且移动穿过至少一个压缩级，在该处，空气压力增大且引导至燃烧器16。压缩空气与燃料混合，且焚烧，以提供热燃烧气体，其朝高压涡轮20流出燃烧器16。在高压涡轮20处，能量从热燃烧气体获得，引起涡轮叶片旋转，这继而又引起轴24旋转。轴24朝发动机的前部穿过以取决于涡轮设计而继续一个或更多个压缩机级14、涡扇18或入口风扇叶片的旋转。涡扇18由轴28连接到低压涡轮21上，且产生用于涡轮发动机10的推力。低压涡轮21也可用于获得进一步的能量且对附加的压缩机级供能。

现在参看图2，绘出了护罩组件节段30的等距视图。护罩节段组件30的本实施例位于发动机10(图1)的低压涡轮21中。本节段组件30实施例为一件式铸造钩和轨道组件。实施例使用框架31，其包括第一轨道32和第二轨道34，它们沿平行于燃气涡轮发动机轴线26(图1)的大体轴向方向延伸，或作为备选可关于轴线26成锐角。在第一轨道32与第二轨道34之间沿侧向或沿周向方向延伸的框架31进一步包括第一或前支承件40和第二或后支承件42。护罩组件节段30包括前末梢44，且可包括从后支承件42延伸的后末梢46、47。如进一步所述，轨道32、34可由各种截面形成，且可为各种材料。类似地，支承件40、42可具有各种形状，且可由各种材料形成，且由多种制造工艺形成。

轨道32、34包括设置在周向端或削减面表面36、38上的槽口或花键39。花键39沿表面36、38延伸来收纳花键密封件37。花键密封件37定位在第一节段30的一个周向端处，以及周向相邻的节段(未示出)的第二周向端处。当涡轮叶片沿径向向下移动时，燃烧气体沿径向和轴向两者移动。花键密封件37排除涡轮内移动的燃烧气体免于沿径向方向穿过限定护罩的节段30之间。

现在参看图3，以等距视图绘出了护罩组件节段30的分解组装视图。首先，护罩框架31包括铸造结构，其具有整体结合地连结到支承件40、42上的轨道32、34。根据备选实施例，框架31可为锻造、铸造、直接金属激光烧结，或作为另一个备选方案，可由金属板或条材料形成。轨道32、34可作为备选由背板原料或其它材料形成，且具有各种截面形状。

支承件40、42可采用本文进一步所述的各种形状。根据本实施例，支承件40、42为钩形，其可包括各种截面。例如，绘出的支承件40、42大体上为反L形结构，其从轨道32、34垂直地延伸且在轨道32、34之间延伸。根据本实施例，支承件40、42与轨道32、34整体结合形成。如前文所述，轨道32、34具有在前端处的末梢44，以有助于与发动机外壳连接。间隙45形成在支承件40、42的上轴向腿部41、43与轨道末梢44之间。在本实施例中，类似的间隙也限定在后支承件42的上腿部与轨道32、34之间。间隙45收纳发动机外壳的凸缘，以用于护罩组件节段30的安装。本领域的技术人员应当理解的是，支承件40、42不限于所示的L形，但作为备选，可为Z形、C形、直的或其它形状，以允许结构由发动机外壳固持。此外，支承件40、42和/或下轨道表面可弯曲至接近发动机外壳的曲率。

花键39也定位在轨道32、34的侧向或周向外面36、38中。各个花键39均允许收纳花键密封件37来与相邻组件节段30接合。花键密封件37阻止节段30之间的空气的径向泄漏。更具体而言，由于节段30沿周向邻近彼此，故轴向接缝形成在相邻的护罩组件节段30之间。花键密封件37限制燃烧气体泄漏穿过此接缝。

如虚线所示，示例性花键密封件37形状为矩形，但可形成多种形状。例如，密封件结构37可为圆形、正方形、矩形、其它多边形或几何形状。密封件37可由单种材料形成，或可为多材料结构。密封件37也可在操作温度下改变形状。密封件37具有体积热膨胀系数，其为材料的动力学性质。例如，体积热膨胀可表示为α_γ=(1/v)(ΔV/ΔT)，其中α_γ为体积热膨胀系数，V为材料的体积，且ΔV/ΔT为相对于材料的温度变化的材料的体积变化。因此，体积热膨胀系数测量恒定温度下的每度温度变化的体积分数变化。

当沿从前向后方向看时，相邻护罩组件节段30以环形布置定位，密封件37定位在各个相邻花键39中，以阻挡空气流通路，否则这将允许在相邻组件节段30之间流动。

背板50延伸穿过轨道32、34的底面，其例如可为金属或各种材料。护罩50设计成沿护罩框架31的向后和周向方向延伸，以便限定沿护罩框架31的径向内侧的流动通路。背板50尺寸确定为在轨道32、34的侧向端之间沿周向延伸至轨道34的相对的周向端。在一些实施例中，护罩50还沿轴向方向从轨道32、34的前端延伸至轨道32、34的后端。如实施例中所示，背板50可具有小于现有技术的背板结构的厚度，因为铸造轨道32、34提供附加强度。本实施例绘出了背板或护罩50为恒定厚度。然而，根据一些实施例，背板50可由可变厚度形成。例如，可预计接收来自拆开的转子叶片的影响的区域可具有增大的厚度以消散此喷射叶片的能量，同时轨道32、34或支承件40、42附近的区域为径向较薄的维度。类似地，尽管轨道32、34的厚度大体上示为恒定的，但备选实施例可使用变化厚度的轨道。

除如上文所述的板50的第一部分52之外，背板50还可包括第二部分54。护罩50的第二部分54从第一部分52的后缘53延伸。第一部分52和第二部分54可由如所绘视图中示出的单个金属薄片形成，且弯曲，或作为备选，可例如通过焊接或硬钎焊从两个单独件连结。在第三备选方案中，两件可抵靠彼此，而非连结到彼此上。作为替代，第一部分52可与框架31连结，且第二部分54也与框架31连结，但第一部分52和第二部分54紧密抵接彼此。

框架31包括从支承件42的后侧延伸的后末梢46、47，且与轨道32、34成角形成。末梢46、47的角接近第二部分54关于金属板护罩50的第一部分52的角。这些末梢46、47可与框架31整体结合形成，或可在单个制造步骤中连结，以从框架31延伸，例如，焊接或硬钎焊。

根据一个实施例，末梢46、47还可包括这些结构的周向端面内的花键49。这允许了附加的花键密封件51用于框架31的该区域中，以阻止相邻护罩组件节段30之间的径向泄漏。在使用花键49的实施例中，花键49可与花键39连续地形成，以便可使用单个花键密封件。作为备选，花键49可单独地形成，但紧密地抵接花键39，且使这些花键密封元件之间的任何间隙最小化。在另一个备选方案中，花键49可焊接或硬钎焊到花键39上，或可紧密地抵接花键39。

在又一个备选方案中，第二背板部分54可沿周向方向加宽，以便重叠相邻背板50的第二部分54。这在实施例中以虚线示为可选的背板部分。这可消除具有定位在这些末梢46、47中的花键密封件49的需要或意愿。因此，在任一实施例中，限制了第二支承件42的后方泄漏。

仍参看图3，蜂窝摩擦条60定位在板护罩50下方。蜂窝结构60直接地连结到背板50上，例如，机械地连结、粘合、焊接或硬钎焊，并且尺寸确定为在轨道32、34之间沿周向延伸，且从末梢44轴向地延伸至后支承件42。如果使用其，蜂窝60的后端可成大致接近金属板背板50的第二部分54的角的角切割。蜂窝摩擦条60可采用各种常规形式中的任意种。摩擦条60可具有沿径向方向的厚度，以便其为与涡轮末梢间隔开的径向内表面，以提供其间的最小间隙。蜂窝摩擦条60还可包括耐磨径向内表面，且限定用于热气体穿过发动机10(图1)的涡轮区段的通路的外边界。此外，涡轮叶片23(图5)的径向外端可包括抵接蜂窝摩擦条60的耐磨表面62的密封翅片25(图5)。蜂窝摩擦条60在转子叶片23旋转期间由这些密封翅片变形，使得几乎零公差配合限定在蜂窝下表面62与转子叶片的密封翅片25之间。这减小了燃烧气体穿过发动机10的涡轮区段的泄漏。

现在参看图4，绘出了相邻组件节段的从后向前看的视图。各个节段由花键密封件37连结在削减面端处。因此，该结构提供了周向设计，其衬在发动机外壳的内表面，以保持组装节段30的所示下表面上的高温燃烧气体，且阻止发动机外壳沿组装节段30的外周的变形。如所示，花键密封件37阻止高温燃烧气体在相邻组件节段30之间轴向延伸的间隙之间泄漏。如本领域的技术人员理解的那样，所示实施例中的间隙为了易于理解而扩大。根据附加实施例，背板50可沿周向方向延伸，以有助于减小组件节段30的后端附近的泄漏。这些板50可重叠以有助于减小组件节段30之间的泄漏。

现在参看图5，绘出了示例性护罩组件节段130的备选实施例。根据该实施例，由轨道132、134和支承件140、142限定的框架131不是一件式结构。作为替代，轨道132、134独立于支承件140、142形成。轨道132、134由条板原料形式的板材或锻造材料的铸造轨道形成，且可由各种截面形成。此外，为了减小重量，支承件140、142由金属板形成，且绘制为具有反L形，但也可使用其它截面。在本实施例中，金属板140、142焊接或以其它方式连结到轨道132、134。作为备选，轨道132、134可由增厚的金属板形成。在任一实施例中，优选的是金属板或铸造金属足够厚以提供沿轨道132、134的周向端面的轴向方向延伸的花键139的形成。在前述实施例中，轨道可或可不包括与花键149连续或间断的花键。如果未使用花键149，则可能期望加宽金属板护罩150，以便相邻板重叠第二轨道142的后方，以进一步限制这些区域中的泄漏。

现在参看图6，以组装视图绘出了涡轮区段内的备选护罩组件节段230的侧视图。该结构绘出了前支承件240和后支承件242的视图，其为线性的，以限定肩部，而非前文所述的反L形。这些结构可由多种材料形成，包括但不限于条状原料、板状原料、铸造材料、锻造材料和片状金属，包括合金。应当从该描述和前述描述理解的是，各种截面可用于限定任何护罩组件节段的支承结构。

尽管本文描述和示出了多个创造性实施例，但本领域的普通技术人员将容易构想出多种其它手段和/或结构来执行功能和/或获得本文所述的结果和/或一个或更多个优点，且此类变型和/或改型中的各个均认作是在本文所述的实施例的创造性范围内。更普遍而言，本领域的技术人员将容易认识到本文所述的所有参数、尺寸、材料和构造都意在为示例性的，且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于创造性教导内容所用于的一个或多个特定应用。本领域的技术人员将认识到或能够使用仅常规实验就确定本文所述的特定创造性实施例的许多等同方案。因此将理解的是，前述实施例仅通过实例的方式提出，且在所附权利要求及其等同物的范围内，创造性实施例可除明确描述和提出之外那样实施。本公开内容的创造性实施例针对本文所述的各个独立特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。此外，两个或多个此类特征、系统、制品、材料、套件和/或方法的任何如何在此特征、系统、制品、材料、套件和/或方法不相互矛盾的情况下包括在本公开内容的创造性范围内。

实例用于公开实施例，包括最佳模式，且还允许本领域的任何技术人员实施设备和/或方法，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何合并的方法。这些实例不旨在为彻底的或将本公开内容限于公开的精确的步骤和/或形式，且许多改型和变型鉴于以上教导内容是可能的。本文所述的特征可以以任何组合来组合。本文所述的方法的步骤可以以物理上可能的任何顺序来执行。

如本文限定和使用的任何定义都应当理解为支配词典定义、通过应用并入的文献中的定义和/或限定用语的普通意义。如这里在说明书和权利要求中使用的不定冠词"一个"和"一种"除非明确另外指出，则应当理解为意思是"至少一个"。如这里的说明书和权利要求中使用的短语"和/或"应当理解为这样结合的元件中的"任一者或两者"，即，在一些情况中结合地存在而在其它情况中分离地存在的元件。

还应当理解的是，除非清楚地另外指出，在包括一个以上的步骤或动作的本文提出的任何方法中，方法的步骤或动作的顺序不一定限于阐述方法的步骤或动作的顺序。

在权利要求以及在以上说明书中，所有过渡短语如"包括"、"包含"、"承载"、"具有"、"含有"、"涉及"、"保持"、"构成"等将理解为开放的，即，意思是包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册2111.03段中所述，仅过渡短语"构成"和"基本上构成"应当分别是封闭或半封闭的过渡短语。

Claims (17)

1.一种涡轮护罩组件，包括：

蜂窝摩擦条；

沿所述蜂窝密封结构的上缘设置的金属背板；

包括一件式钩和轨道组件的护罩框架，所述轨道组件包括设置在所述金属背板的侧缘处的第一轨道和第二轨道；以及

连接到所述第一轨道和所述第二轨道上的第一支承件和第二支承件，所述第一轨道和所述第二轨道以及所述第一支承件和所述第二支承件整体地彼此结合，并且在彼此之间限定中心间隙，所述金属背板结合到所述护罩框架上，覆盖所述中心间隙；

沿所述第一轨道和所述第二轨道的侧向外表面在所述第一轨道和所述第二轨道中轴向延伸的花键；以及

具有第一边缘和相对的第二边缘的花键密封件，所述第一边缘设置在各个所述花键凹槽中，且所述相对的第二边缘能够定位在相邻的护罩组件中。

2.根据权利要求1所述的涡轮护罩组件，其特征在于，所述轨道为铸造材料。

3.根据权利要求1所述的涡轮护罩组件，其特征在于，所述轨道为锻造的。

4.根据权利要求1所述的涡轮护罩组件，其特征在于，所述轨道为板状材料。

5.根据权利要求1所述的涡轮护罩组件，其特征在于，所述支承件为钩形。

6.根据权利要求1所述的涡轮护罩组件，其特征在于，所述钩为L形。

7.根据权利要求1所述的涡轮护罩组件，其特征在于，至少一个所述支承件为外伸件。

8.根据权利要求1所述的涡轮护罩组件，其特征在于，所述支承件为铸件且与所述第一轨道和所述第二轨道整体结合形成。

9.根据权利要求1所述的涡轮护罩组件，其特征在于，所述支承件由金属板形成。

10.根据权利要求1所述的涡轮护罩组件，其特征在于，所述背板向后延伸超过所述第二支承件。

11.根据权利要求1所述的涡轮护罩组件，其特征在于，所述背板的至少一部分沿周向在所述第一轨道和所述第二轨道之间延伸。

12.一种涡轮护罩组件，包括：

包括一件式钩和轨道组件的护罩框架，所述轨道组件包括第一轨道和第二轨道，所述第一轨道和所述第二轨道沿周向方向延伸；

沿周向方向在所述第一轨道与所述第二轨道之间延伸的第一支承件和第二支承件，所述第一轨道和所述第二轨道以及所述第一支承件和所述第二支承件整体地彼此结合，并且在彼此之间限定中心间隙；

结合到所述护罩框架的下表面上的背板，其覆盖所述中心间隙；

设置在所述背板的下表面上的蜂窝摩擦条；

沿所述第一轨道和所述第二轨道的外表面设置的花键；

设置在所述花键中以阻止相邻组件之间的径向空气泄漏的花键密封件。

13.根据权利要求12所述的涡轮护罩组件，其特征在于，所述背板从所述第一支承件延伸至所述第二支承件。

14.根据权利要求12所述的涡轮护罩组件，其特征在于，所述背板延伸超过所述第二支承件。

15.根据权利要求12所述的涡轮护罩组件，其特征在于，所述第一轨道和所述第二轨道向后延伸超过所述背板。

16.根据权利要求15所述的涡轮护罩组件，其特征在于，所述花键延伸超过所述第二支承件。

17.根据权利要求15所述的涡轮护罩组件，其特征在于，所述组件还包括设置在所述第二支承件后方的所述轨道上的第二花键。