CN105378226B - 带有冲击挡板的涡轮喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种涡轮喷嘴设备，包括：静叶（16），其在内部带和外部带（12、14）之间延伸，静叶（16）的内部是开放的并与在外部带（14）中的孔口（30）连通，其中，静叶（16）和带（12、14）是为低塑性材料的一体整体的部分；金属挡板（42）在静叶（16）内，挡板（42）具有上端（44）和下端（46）以及外围壁（48），该外围壁包括限定由在下端（46）处的端壁（50）封闭的内部空间的多个冲击孔（56）；和金属保持器（58），具有主体（60），该主体带有大体配合孔口（30）的形状的形状，主体（60）靠置冲击挡板（42）的上端（44），并通过多个机械紧固件（86、92）连接至外部带（14）。

Description

带有冲击挡板的涡轮喷嘴

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机，并且更特定地涉及用于合并低塑性材料的这样的发动机的涡轮喷嘴。

背景技术

典型的燃气涡轮发动机包括涡轮机芯部，其具有连续流关系的高压压缩机、燃烧器、以及高压涡轮。芯部以已知的方式可操作来产生主气体流。高压涡轮机包括一个或更多个级，其从主气体流获取能量。各个级包括固定涡轮喷嘴，其跟随有承载涡轮叶片的下游转子。这些构件在极高温度环境下操作，并且必须由空气流冷却来确保足够的使用寿命。典型地，用于冷却的空气被从压缩机取出（泄出）。放气使用不利地影响耗油率（“SFC”），并且通常应当被降低。

金属涡轮结构可被具有更好的高温能力的材料替换，例如，陶瓷基复合物（“CMC”）。CMC的密度是在涡轮发动机的热区段中使用的常规的金属超级合金的密度的近似三分之一，因而通过用CMC更换金属合金，同时保持相同的部分的几何形状，部件的重量和用于冷却空气流的需要减少。

虽然CMC材料可用于涡轮部件中，但是难以将它们用于一些机械元件，例如，悬臂区段、弹簧、薄区段等。因而，CMC部件将典型地需要附接或连接至金属部件，例如，挡板、弹簧元件或密封件。

这通过如下事实而复杂化：当与金属相比时，CMC材料具有相对低的拉伸塑性或低破坏应变。而且，CMC具有超级合金的热膨胀系数（“CTE”）的近似三分之一的热膨胀系数，这意味着在两种不同材料之间的刚性连接随着温度变化引起大的应变和应力，并且将CMC和金属部件夹紧在一起可引入热应力或打开夹紧附接。CMC的可允许应力限制还比金属合金低，这驱动了对CMC部件的简单和低应力设计的需要。最终，因为CMC和金属构件的不同的材料组成，传统的连接方法（例如，铜焊和焊接）是不可能的。

因而，存在对将CMC和其它低塑性部件与金属部件结合的设备的需要，该金属部件减少了在CMC部件上的机械载荷和热应力。

发明内容

该需要通过本发明解决，本发明提供了一种由低塑性材料形成，并且具有附接至其的金属冲击挡板，并可选地包括其它金属密封元件的涡轮喷嘴。

根据本发明的一方面，涡轮喷嘴设备包括：翼面形静叶，其在内部带和外部带之间延伸，其中，静叶的内部被打开并与在外部带中的翼面形孔口连通，并且其中，静叶和带是由低塑性材料构成的金属整体的部分；金属挡板，其布置在静叶内，挡板具有上和下端，并且包括外围壁，其限定由在下端处的端壁封闭的中空内部空间，其中，多个冲击孔形成为穿过外围壁；和金属保持器，其具有带有开放环形状的主体，该开放环形状与孔口的形状大体配合，其中，主体靠置冲击挡板的上端并通过多个机械紧固件连接至外部带。

根据本发明的另一方面，槽口绕在保持器中的中心开口形成，并且挡板的上边缘容纳在槽口中。

根据本发明的另一方面，凹部在绕孔口的周界的外部带中形成；并且挡板凸缘从上端附近的冲击挡板的周界横向向外延伸，并且容纳在凹部中。

根据本发明的另一方面，挡板凸缘从上端附近的挡板的周界横向向外延伸，并且容纳在凹部中；外围凹槽在槽口外横向地分开的主体的底面中形成；并且，弹簧布置在外围凹槽中，以便在保持器和挡板凸缘之间在径向方向上施加载荷。

根据本发明的另一方面，外部带包括：在其前端附近径向向外延伸的前凸缘；和在其后端附近径向向外延伸的后凸缘。保持器的主体包括由其延伸的延伸部，在其远端处带有径向对准的保持器接头，保持器接头置于前凸缘或后凸缘附近且与其平行；并且保持器销行进穿过保持器接头和前凸缘或后凸缘。

根据本发明的另一方面，外部带包括：在其后端附近径向向外延伸的后凸缘；后延伸部，其布置在主体的后端，并且在其远端处包括径向对准的后保持器接头，其置于后凸缘附近且平行于其；和后保持器销，其行进穿过后保持器接头和后凸缘；

根据本发明的另一方面，后叶密封件布置在后凸缘和后保持器接头之间。

根据本发明的另一方面，V形后弹簧布置在后保持器接头和后叶密封件之间，从而使后叶密封件偏置为靠着后凸缘。

根据本发明的另一方面，外部带包括：在其前端附近径向向外延伸的前凸缘；前延伸部，其布置在主体的前端处，并且在其远端处包括径向对准的前保持器接头，前保持器接头具有两个平行的腿部，前凸缘容纳于在两个腿部之间的空间中；以及前保持器销，其行进穿过前保持器接头和前凸缘。

根据本发明的另一方面，外部带包括：密封唇，其定位在前凸缘的前面；和前叶密封件，其布置在前凸缘和密封唇之间。

根据本发明的另一方面，前弹簧布置在前保持器接头和前叶密封件之间，从而使前叶密封件偏置为靠着密封唇。

根据本发明的另一方面，缓冲器的排列从冲击挡板的外围壁横向向外延伸。

根据本发明的另一方面，低塑性材料具有不大于大约1％的室温拉伸塑性。

根据本发明的另一方面，静叶包括后缘狭槽。

根据本发明的另一方面，静叶包括薄膜冷却孔。

根据本发明的另一方面，多个静叶各具有挡板，并且保持器布置在内部和外部带之间。

附图说明

可通过参照结合附图做出的下列描述而最好地理解本发明，其中：

图1是根据本发明的方面构造的用于燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴节段的示意透视图；

图2是沿着图1的线2-2做出的剖视图；

图3是沿着图1的线3-3做出的剖视图；

图4是沿着图1的线4-4做出的剖视图；

图5是图1的涡轮喷嘴节段的顶视图；

图6是沿着图5的线6-6做出的图；

图7是图1的喷嘴节段的一对冲击挡板的侧视图，其中，出于清晰性将围绕的喷嘴移除；以及

图8是图1的喷嘴节段的保持器的底视透视图。

具体实施方式

参照附图，其中，遍及各种图示相同的标号指代相同的元件，图1绘出了根据本发明的方面构造的示例性涡轮喷嘴10。涡轮喷嘴10是形成燃气涡轮发动机的涡轮区段的部分的固定部件。将理解的是，涡轮喷嘴10将在燃气涡轮发动机中安装于带有转子盘的涡轮转子上游，该转子盘承载翼面形涡轮叶片的排列，喷嘴和转子限定一个涡轮级。喷嘴的主要功能为将燃烧气体流引导入下游涡轮转子级。

涡轮是已知类型的燃气涡轮发动机的已知部件，并且起作用来从来自上游燃烧器（未显示）的高温、加压燃烧气体获取能量，并且将能量转化成机械功，该机械功然后用来驱动压缩机、风扇、轴或其它机械载荷（未显示）。在本文中描述的原理同样地可应用于涡轮风扇、涡轮喷气发动机、以及涡轮轴发动机、和用于其它车辆或固定应用中的涡轮发动机。

注意到的是，如在本文中所使用的，术语“轴向”或“纵向”意指平行于燃气涡轮发动机的旋转轴线的方向，而“径向”意指垂直于轴向方向的方向，并且“切向”或“周向”意指互相垂直于轴向和切向方向的方向。（见在图1中的箭头“A”、“R”以及“T”）。如在本文中所使用的，术语“向前”或“前”意指在穿过或绕部件行进的空气流中的相对上游的位置，而术语“向后”或“后”意指在穿过或绕部件行进的空气流中的相对下游的位置。该流的方向在图1中通过箭头“F”显示。这些方向术语仅仅用于描述的便利性，并且不需要因而描述的结构的特定朝向。

涡轮喷嘴10包括环形内部带12和环形外部带14，其分别限定穿过涡轮喷嘴10的热气体流路的内和外边界。

翼面形涡轮静叶（或仅仅“静叶”）16的排列布置在内部带12和外部带14之间。各个静叶16具有相反的凹入和凸起侧，其在前缘18和后缘20之间延伸，并且在跟端22和顶端24之间延伸。在示出的实例中，喷嘴10为较大环形结构的节段并且包括两个静叶16。该构造通常称为“双对（doublet）”。本发明的原理相同地可应用于具有单个静叶的喷嘴，应用于具有多于两个静叶的节段，或应用于完整的喷嘴环结构。

内部带和外部带12和14与静叶16是全部由低塑性、高承温材料构成的整体的部分。适当材料的一个实例为已知类型的陶瓷基复合物（CMC）材料。通常，商业上可获得的CMC材料包括陶瓷型纤维，例如，碳化硅（SiC），其形式覆盖有例如氮化硼（BN）的顺应性材料。纤维在陶瓷型基质中承载，其一个形式为SiC。典型地，CMC型材料具有不大于大约1％的室温拉伸塑性，在本文中用来限定和意指“低塑性材料”。通常，CMC型材料具有在大约0.4％至大约0.7％的范围中的室温拉伸塑性。这与典型地具有至少大约5％（例如，在大约5％至大约15％的范围中）的室温拉伸塑性的金属对比。

静叶16是中空的并且合并冷却空气出口特征，例如，示出的后缘狭槽26和薄膜冷却孔28。这样的出口特征在现有技术中是已知的，并且提供用于空气从静叶16的内部行进至它们外部的流路。各个静叶16的内端通过内部带12封闭，并且各个静叶16的内部是开放的并且与在外部带14中的翼面形孔口30连通。凹部32绕各个孔口30的周界形成（见图3）。

参照图6，外部带14包括在其前端附近径向向外延伸的前凸缘34。大体轴向地对准的一系列的孔36（图3）沿着前凸缘34分开。外部带14还包括在其后端附近径向向外延伸的后凸缘38。大体轴向地对准的一系列的孔40（图2）沿着后凸缘38分开。

带有上和下端44和46的金属冲击挡板42容纳在各个静叶16的内部中（见图7）。冲击挡板42具有限定中空内部空间的外围壁48。端壁50封闭下端46。挡板凸缘52（图4）从冲击挡板42的周界横向向外延伸出离上端44的短距离。突出物或“缓冲器”54的排列从外围壁48横向向外延伸。多个冲击孔56形成为穿过外围壁48。冲击孔56的尺寸和位置将改变来适应特定应用，但是本领域技术人员将理解在“冲击孔”和其它类型的冷却孔（例如薄膜冷却孔）之间的区别，该冲击孔尺寸确定为、成型为、并且定位为以便向附近表面排出冷却空气的射流。

金属保持器58提供用于各个冲击挡板42。如在图7和8中可见，保持器58具有带有前端和后端62和64的主体60。主体60形成为开放环，其带有大体配合孔口30的形状的形状。唇或槽口66绕在保持器58中的中心开口形成，并且外围凹槽68在主体60的底面中形成，其在槽口66外横向分开。后延伸部70布置在主体60的后端64处，并且在其远端处包括径向对准后保持器接头72。后保持器接头72具有在其中形成的后安装孔74。前延伸部76布置在主体60的前端62处，并且在其远端处包括一对分开的、径向对准前保持器接头78。各个前保持器接头78具有两个平行腿部80A和80B，带有在其中形成的相对应的前安装孔82A和82B（见图3）。

图5和6绘出了在装配条件下的静叶16和冲击挡板42。冲击挡板42容纳在中空静叶16内。缓冲器54确保，在冲击挡板42的外围壁48和静叶16的壁之间存在最小横向间隙。挡板凸缘52置于凹部32上，从而限制冲击挡板42插入静叶16的径向深度。保持器58定位在冲击挡板42上方，使得冲击挡板42的上边缘84容纳在槽口66中，带有在两个部件（见图3）之间的一些横向和径向间隙。

保持器58在外部带14的外侧上覆盖冲击挡板42。图2显示了置于外部带14的后凸缘38附近且平行于其的后保持器接头72。带有放大的头部的后销86穿过后安装孔74行进入在后凸缘38中的孔40中的一者。后销86可例如通过将其焊接或铜焊至后保持器接头72固定在适当位置中。

作为选择，一个或更多个密封元件可安装在后凸缘38和后保持器接头72之间。在示出的实例中，在图6和7中最佳所示，横向伸展的后叶密封88靠着后凸缘38定位，并且V形后弹簧90布置在后保持器接头72和后叶密封件88之间，从而使后叶密封件88偏置为靠着后凸缘38。后叶密封件88和后弹簧90通过后销86保持。后叶密封件88起作用来减少或防止在涡轮喷嘴10和周围的发动机部件（未显示）之间的空气泄露。

图3显示了接合外部带14的前凸缘34的前保持器接头78中的一者。更具体地，前凸缘34容纳于前保持器接头78的两个腿部80A和80B之间的空间中。带有放大的头部的前销92行进穿过前安装孔82A和82B，从而行进穿过在前凸缘34中的孔36中的一者。前销92可例如通过将其焊接或铜焊至前保持器接头78固定在适当位置中。

作为选择，一个或更多个密封元件可安装在前凸缘34和前保持器接头78之间。在示出的实例中，在图3、6和7中最佳可见，外部带14包括稍微定位在前凸缘34前面的密封唇94。横向伸展的前叶密封件96靠着密封唇94定位，并且线圈型前弹簧98布置在前保持器接头78和前叶密封件96之间，从而使前叶密封件96偏置为靠着密封唇94。前叶密封件96和前弹簧98通过前销92保持。前叶密封件96起作用来减少或防止在涡轮喷嘴10和周围的发动机部件（未显示）之间的空气泄露。

因而装配的保持器58固定在相对静叶16的适当位置中。在图4中最佳所示，保持器58和冲击挡板42之间出现明显的径向间隙。

作为组件的部分，在俯视图中为C形的波形弹簧100定位在外围凹槽68（见图6）中。该弹簧100在保持器58和挡板凸缘52之间在径向方向上施加载荷。由于保持器58相对外部带14固定，因而波形弹簧100的动作迫使挡板凸缘52靠着外部带14的凹部30径向向内。该布置保持冲击挡板42在适当位置中，并且密封在冲击挡板42和静叶16之间的空气泄露，同时允许在保持器58和静叶16之间的有差异的热膨胀。

在上面描述的涡轮喷嘴具有相对现有技术的数个优点。冲击挡板与温度变化和两材料的不同的热膨胀系数无关地通过保持器保持在适当位置中。而且，相同的保持器被用来将弹簧和叶密封件保持至CMC部件。通过将所有的这些特征结合入金属保持器，可利用常规的金属结合程序（即，点焊）。

上面已描述了用于燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴。在本说明书（包括任何所附权利要求、摘要和图示）中公开的所有的特征，和/或如此公开的任何方法或工序的所有的步骤可以除了其中这样的特征和/或步骤中的至少一些互相排斥的任何组合结合。

在本说明书中公开的各个特征（包括任何所附权利要求、摘要以及图示）可通过用于相同、等同或相似目的的备选特征更换，除非另外清晰地陈述。因而，除非另外清晰地陈述，公开的各个特征仅仅是等同或相似特征的一般系列的一个实例。

本技术不限于(多个)前述实施例的细节。本发明延伸至在本说明书（包括任何所附权利要求、摘要和图示）中公开的特征的任何新颖性特征、或任何新颖性特征组合，或延伸至如此公开的任何方法或工序的步骤的任何新颖性步骤、或任何新颖性步骤组合。

Claims (16)

1.一种涡轮喷嘴设备，包括：

翼面形静叶（16），其在内部带（12）和外部带（14）之间延伸，其中，所述静叶（16）的内部是开放的并与在所述外部带（14）中的翼面形孔口（30）连通，并且其中，所述静叶（16）和所述内部带和外部带（12、14）是由低塑性材料构成的一体整体的部分；

金属挡板（42），其布置在所述静叶（16）内，所述金属挡板（42）具有上端（44）和下端（46），并且包括外围壁（48），其限定由在所述下端（46）处的端壁（50）封闭的中空内部空间，其中，多个冲击孔（56）形成为穿过所述外围壁（48）；以及

金属保持器（58），其具有带有开放环形状的主体（60），所述开放环形状与所述孔口（30）的形状配合，其中，所述主体（60）靠置所述金属挡板（42）的所述上端（44），并通过多个机械紧固件（86、92）连接至所述外部带（14）。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，槽口（66）绕在所述金属保持器（58）中的中心开口形成，并且所述金属挡板（42）的上边缘（84）容纳在所述槽口（66）中。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，

凹部（32）绕所述孔口（30）的周界在所述外部带（14）中形成；以及

挡板凸缘（52），其在所述上端（44）附近从所述金属挡板（42）的周界横向向外延伸，并且容纳在所述凹部（32）中。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，

挡板凸缘（52）在所述上端（44）附近从所述金属挡板（42）的周界横向向外延伸，并且容纳在所述凹部（32）中；

外围凹槽（68）在所述主体（60）的底面中形成，在所述槽口（66）外横向地分开；以及

弹簧（100）布置在所述外围凹槽（68）中，以便在所述金属保持器（58）和所述挡板凸缘（52）之间在径向方向上施加载荷。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，

所述外部带（14）包括在其前端附近径向向外延伸的前凸缘（34），和在其后端附近径向向外延伸的后凸缘（38）；

所述金属保持器（58）的所述主体（60）包括由其延伸的延伸部（70、76），在其远端处带有径向对准的保持器接头（72、78），所述保持器接头（72、78）置于所述前凸缘或后凸缘（34、38）附近且与之平行；以及

保持器销（86、92）行进穿过所述保持器接头（72、76）和所述前凸缘或后凸缘（34、38）。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，

所述外部带（14）包括在其后端附近径向向外延伸的后凸缘（38）；

后延伸部（70）布置所述主体（60）的后端（64），并且在其远端处包括径向对准的后保持器接头（72），所述后保持器接头置于所述后凸缘（38）附近且与之平行；以及

后保持器销（86）行进穿过所述后保持器接头（72）和所述后凸缘（38）。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，后叶密封件（88）布置在所述后凸缘（38）和所述后保持器接头（72）之间。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，V形后弹簧（90）布置在所述后保持器接头（72）和所述后叶密封件（88）之间，从而使所述后叶密封件（88）偏置为靠着所述后凸缘（38）。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，

所述外部带（14）包括在其前端附近径向向外延伸的前凸缘（34）；

前延伸部（76）布置在所述主体（60）的前端（62）处，并且在其远端处包括径向对准的前保持器接头（78），所述前保持器接头（78）具有两个平行腿部（80A、80B），所述前凸缘（34）容纳于在所述两个平行腿部（80A、80B）之间的空间中；以及

前保持器销（92）行进穿过所述前保持器接头（72）和所述前凸缘（34）。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，

所述外部带（14）包括定位在所述前凸缘前面的密封唇（94）；以及

前叶密封件（96）布置在所述前凸缘（34）和所述密封唇（94）之间。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，前弹簧（98）布置在所述前保持器接头（78）和所述前叶密封件（96）之间，使所述前叶密封件（96）偏置为靠着所述密封唇（94）。

12.根据权利要求1所述的设备，其中，缓冲器（54）的排列从所述金属挡板（42）的所述外围壁（48）横向向外延伸。

13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述低塑性材料具有不大于1％的室温拉伸塑性。

14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述静叶包括后缘狭槽（26）。

15.根据权利要求1所述的设备，其中，所述静叶包括薄膜冷却孔（28）。

16.根据权利要求1所述的设备，其中，各具有挡板（42）和保持器（58）的多个静叶（16）布置在所述内部和外部带（12、14）之间。