CN105736064A - 表面经过防腐涂层处理的第二级涡轮喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种表面经过防腐涂层处理的第二级涡轮喷嘴。本发明公开一种第二级涡轮喷嘴，其包括具有中心轴的第二级圆盘部分，以及径向定位在所述第二级圆盘部分周围并附接至所述第二级圆盘部分的多个第二级叶片。每个第二级叶片远离所述第二级圆盘部分延伸叶片高度H，并且每个第二级叶片具有定位在远离所述中心轴直径D处的第一端部。所述第二级涡轮喷嘴还包括限定在径向相邻的第二级叶片之间的多个第二级狭道。每个第二级狭道具有在径向相邻的第二级叶片之间的狭道宽度W。所述第二级涡轮喷嘴还包括在每个第二级叶片的侧壁上的涂层，其中所述侧壁的表面粗糙度在125与200之间。

Description

表面经过防腐涂层处理的第二级涡轮喷嘴
背景技术
本公开涉及飞机环境控制系统。更具体地说，本公开涉及用于空气循环机的第二级涡轮喷嘴。
在飞机的环境控制系统中使用空气循环机来调节传送到飞机机舱的空气。调节后的空气是处于合乎飞机乘客的舒适和安全需要的温度、压力和湿度下的空气。在地面上或地面附近，周围空气温度和/或湿度常常足够高，以致于必须作为调节过程的一部分将空气加以冷却，之后传送到飞机机舱。在飞行高度上，周围空气常常比所需空气要冷得多，但是所处的压力过低，以致于必须作为调节过程的一部分将空气压缩到可接受的压力。在飞行高度上压缩周围空气会充分加热所得的加压空气，以致于必须将其加以冷却，即使在周围空气温度很低的情况下也是如此。因此，在大多数状况下，必须通过空气循环机将热量从空气中去除，之后将空气传送到飞机机舱。
空气循环机通常利用可旋转来在相对于空气循环机主轴的径向方向上引导空气的涡轮喷嘴。涡轮喷嘴通常涂敷有防腐涂层来保护涡轮喷嘴使其不受损坏。流经空气循环机的空气中的微粒可导致腐蚀。将涂层涂覆到涡轮喷嘴上将导致涂层腐蚀，但将保护涡轮喷嘴不受腐蚀。可根据需要再次涂覆涂层以填充已腐蚀的区域，以便延长空气循环机的涡轮喷嘴的寿命。
涡轮喷嘴通常为铸造而成，因此在涂覆涂层之前，必须对涡轮喷嘴进行后处理以使涡轮喷嘴变得光滑。后处理可包括机械加工或喷砂处理。可使用许多不同的热喷涂技术，包括爆炸枪喷涂和高速氧燃料(HVOF)喷涂来涂覆涂层。爆炸枪喷涂使用具有长的水冷枪管的爆炸枪来涂覆涂层。将氧气、燃料和粉末馈入到爆炸枪的枪管中并且使用火花来点燃氧气和燃料的混合物。这将加热粉末并加速粉末穿过枪管并从枪管出来而被涂覆到基底。HVOF喷涂使用燃烧室来涂覆涂层。将燃料和氧气的混合物馈入到燃烧室，其中混合物被点燃并持续燃烧。燃烧所产生的热气将行进穿过喷嘴，并且粉末原料被馈入到喷嘴中的气流中。粉末原料将部分熔化并将流出喷嘴以沉积在基底上。
发明内容
一种第二级涡轮喷嘴包括具有中心轴的第二级圆盘部分，以及径向定位在第二级圆盘部分周围并附接至所述第二级圆盘部分的多个第二级叶片。每个第二级叶片远离第二级圆盘部分延伸叶片高度H，并且每个第二级叶片具有定位在远离中心轴直径D处的第一端部。第二级涡轮喷嘴还包括限定在径向相邻的第二级叶片之间的多个第二级狭道。每个第二级狭道具有在径向相邻的第二级叶片之间的狭道宽度W。第二级涡轮喷嘴还包括在每个第二级叶片的侧壁上的涂层，其中侧壁的表面粗糙度在125与200之间。
一种涂敷第二级涡轮喷嘴的方法包括：铸造具有第二级圆盘部分和多个第二级叶片的第二级涡轮喷嘴，以及将防腐层涂覆到多个第二级叶片的每个的铸造侧壁上。
附图说明
图1是空气循环机的截面图。
图2是第二级涡轮喷嘴的正面平面图。
图3是第二级涡轮喷嘴的侧面正视图。
图4是第二级涡轮喷嘴的分解正面平面图。
具体实施方式
图1是空气循环机10的截面图，其包括风扇部段12、压缩机部段14、第一级涡轮部段16、第二级涡轮部段18、拉杆20、风扇和压缩机外壳22、密封板24、第一级涡轮外壳26以及第二级涡轮外壳28。图1中还示出轴Z。
风扇部段12、压缩机部段14、第一级涡轮部段16以及第二级涡轮部段18全部安装在拉杆20上。拉杆20绕着Z轴旋转。利用紧固件将风扇和压缩机外壳22连接至密封板24和第一级涡轮外壳26。密封板24将风扇和压缩机外壳22中的流动路径与第一级涡轮外壳26中的流动路径分离。利用紧固件将第一级涡轮外壳26连接至第二级涡轮外壳28。风扇和压缩机外壳22、第一级涡轮外壳26和第二级涡轮外壳28一起形成空气循环机10的整个外壳。风扇和压缩机外壳22覆盖风扇部段12和压缩机部段14，第一级涡轮外壳26覆盖第一级涡轮部段16，并且第二级涡轮外壳28覆盖第二级涡轮部段18。
风扇部段12包括风扇入口30、风扇管道32、风扇出口34和风扇转子36。风扇部段12通常从冲压进气口或者从相关联的燃气涡轮或其他飞机部件吸入冲压空气。空气被吸入风扇入口30中并穿过风扇管道32被输送至风扇出口34。风扇转子36被定位在风扇管道32中与风扇入口30相邻并被安装到拉杆20上且随着拉杆20旋转。风扇转子36将空气吸入风扇部段12中，以将空气传送穿过空气循环机10。
压缩机部段14包括压缩机入口40、压缩机管道42、压缩机出口44、压缩机喷嘴46和扩散器48。空气被传送到压缩机入口40中并穿过压缩机管道42被输送至压缩机出口44。压缩机喷嘴46和扩散器48定位在压缩机管道42中。压缩机喷嘴46被安装到拉杆20上并随着拉杆20旋转以压缩流经压缩机管道42的空气。扩散器48为静态结构，在利用压缩机喷嘴46压缩空气之后，压缩后的空气可流经所述静态结构。离开扩散器48的空气可随后穿过压缩机出口44离开压缩机管道42。
第一级涡轮部段16包括第一级涡轮入口50、第一级涡轮管道52、第一级涡轮出口54和第一级涡轮喷嘴56。空气被传送到第一级涡轮入口50中并穿过第一级涡轮管道52被输送至第一级涡轮出口54。第一级涡轮喷嘴56定位在第一级涡轮管道52中并被安装到拉杆20上且随着拉杆20旋转。第一级涡轮喷嘴56将从流经第一级涡轮部段16的空气提取能量来驱动拉杆20进行旋转。
第二级涡轮部段18包括第二级涡轮入口60、第二级涡轮管道62、第二级涡轮出口64和第二级涡轮喷嘴66。空气被传送到第二级涡轮入口60中并穿过第二级涡轮管道62被输送至第二级涡轮出口64。第二级涡轮喷嘴66定位在第二级涡轮管道62中并被安装到拉杆20上且随着拉杆20旋转。第二涡轮喷嘴66将从流经第二涡轮部段18的空气提取能量来驱动拉杆20进行旋转。
利用风扇部段12将空气拉入到空气循环机10中。被拉入空气循环机10中的空气可为周围空气、来自RAM空气源的空气或者从燃气涡轮发动机排出的空气。所述空气可包含颗粒物，如水滴、灰尘或其他细微颗粒。空气通过流经压缩机喷嘴46在压缩机部段14中被压缩。随后，空气在流经第一级涡轮部段16中的第一级涡轮喷嘴56和第二级涡轮部段18中的第二级涡轮喷嘴66时膨胀。为了驱动空气，压缩机喷嘴46、第一级涡轮喷嘴56和第二级涡轮喷嘴66随着拉杆20旋转。在压缩机喷嘴46、第一级涡轮喷嘴56和第二级涡轮喷嘴66旋转时，空气循环机10中的空气中的颗粒物可能导致压缩机喷嘴46、第一级涡轮喷嘴56和第二级涡轮喷嘴66的腐蚀。因此，将涂层涂覆到压缩机喷嘴46、第一级涡轮喷嘴56和第二级涡轮喷嘴66上以防止腐蚀。
图2是第二级涡轮喷嘴66的正面平面图。图3是第二级涡轮喷嘴66的侧面正视图。图4是第二级涡轮喷嘴66的分解正面平面图。第二级涡轮喷嘴66包括第二级圆盘部分70、多个第二级叶片72以及多个第二级狭道74。每个第二级叶片72包括第一端部80、第二端部82、第一面部84、第二面部86、第一侧壁88和第二侧壁90。第二级涡轮喷嘴66还包括中心轴Z。
第二级涡轮喷嘴66由耐久性材料，如铁、铝或钛制成。还将涂层，如碳化钨涂覆到第二级涡轮喷嘴66上以保护第二级涡轮喷嘴66不受腐蚀。第二级涡轮喷嘴66包括圆盘部分70、多个叶片72和多个狭道74。多个叶片72包括十七个叶片。
圆盘部分70是第二级涡轮喷嘴66的从中心轴Z径向向外延伸的圆盘形状的部件。圆盘部分70包括第一面部和第二面部。多个叶片72定位在圆盘部分70的第一面部上并径向定位在第二级涡轮喷嘴66的中心轴Z周围。每个叶片72远离圆盘部分70的第一面部延伸叶片高度H。叶片高度H在1.0800英寸(2.7432厘米)与1.1400英寸(2.8956厘米)之间。多个狭道74被限定在径向相邻的叶片72之间。每个狭道具有在径向相邻的叶片72之间的狭道宽度W。狭道宽度W在0.3000英寸(0.7620厘米)与0.3320英寸(0.8433厘米)之间。第二级涡轮喷嘴66还包括流动面积A，所述流动面积A为工作流体可流经的区域。流动面积A被限定为每个狭道74中的流动面积A1之和(流动面积A1如图4所示)。流动面积A1由叶片高度H和狭道宽度W限定。流动面积A在5.5080平方英寸(35.5354平方厘米)与6.4342平方英寸(41.5106平方厘米)之间。
每个叶片72包括第一端部80和第二端部82。径向向内定位第一端部80并且径向向外定位第二端部82。多个叶片72的第一端部80被定位成远离第二级涡轮喷嘴66的中心轴Z直径D。直径D在8.0640英寸(20.4826厘米)与8.1440英寸(20.6858厘米)之间。每个叶片72还包括第一面部84和第二面部86。第一面部84与圆盘部分70相邻而第二面部86轴向远离圆盘部分70。每个叶片72还包括第一侧壁88和第二侧壁90。第一侧壁88和第二侧壁90均从每个叶片72的第一端部80延伸至第二端部82。一个叶片72上的第一侧壁88面对相邻叶片72上的第二侧壁90。
以下表1是不同尺寸，包括叶片高度H、狭道宽度W和直径D的比率的列表。
表1.尺寸比率
尺寸 最小比率 最大比率
叶片高度H：狭道宽度W 3.2530 3.8000
狭道宽度W：直径D 0.0368 0.0412
叶片高度H：直径D 0.1326 0.1414
使用铸造工艺来制造第二级涡轮喷嘴66。在铸造工艺之后，第二级涡轮喷嘴66可具有高达200的表面粗糙度。在现有技术工艺中，在将涂层涂覆到第二级涡轮喷嘴66上之前，第二级涡轮喷嘴66的所有表面必须经历后处理，如机械加工或喷砂处理，使得第二级涡轮喷嘴66的表面粗糙度小于125。
使用HVOF喷涂技术将涂层涂覆到第二级涡轮喷嘴66上允许将涂层直接涂覆到铸造的第二级涡轮喷嘴66的部件上而无需后处理。具体而言，当使用HVOF喷涂工艺将涂层涂覆到多个叶片72的第一侧壁88上时，多个叶片72的第一侧壁88中没有一个需要被后处理。这允许在多个叶片72的第一侧壁88的表面粗糙度在125与200之间时涂覆涂层。使用HVOF喷涂工艺允许涂层中硬度的增加，并且其允许涂层中碳化钨与其他材料(如钴)相比比例更高。与其他热喷涂技术相比，HVOF喷涂工艺还允许涂层厚度具有更大的一致性。
第二级涡轮喷嘴66是由于第二级涡轮喷嘴66的损坏而频繁更换的高价值部件。利用现有的制造工艺，第二级涡轮喷嘴66的将被涂覆的每个表面在涂覆涂层之前必须经过后处理。对第二级涡轮喷嘴66的将被涂覆的每个表面进行后处理是昂贵且费时的工艺。具体而言，多个狭道74是小空间，这使得很难接近多个叶片72的第一侧壁88来机械加工或喷砂处理这些表面。使用HVOF喷涂工艺来涂覆涂层免除了这一昂贵且费时的工艺，，因为第二级涡轮喷嘴66的多个叶片72的第一侧壁88在涂覆涂层之前不需要经过后处理。这简化了制造工艺并且使得制造第二级涡轮喷嘴66变得更易生产并且成本更低并且耗时更少。
可能实施方案的讨论
以下是本发明的可能实施方案的非排他性描述。
一种第二级涡轮喷嘴包括具有中心轴的第二级圆盘部分，以及径向定位在第二级圆盘部分周围并附接至所述第二级圆盘部分的多个第二级叶片。每个第二级叶片远离第二级圆盘部分延伸叶片高度H，并且每个第二级叶片具有定位在远离中心轴直径D处的第一端部。第二级涡轮喷嘴还包括限定在径向相邻的第二级叶片之间的多个第二级狭道，其中每个第二级狭道具有在径向相邻的第二级叶片之间的狭道宽度W。第二级涡轮喷嘴还包括在每个第二级叶片的侧壁上的涂层，其中侧壁的表面粗糙度在125与200之间。
另外和/或可替代地，上一段的第二级涡轮喷嘴可任选地包括以下特征、构造和/或另外部件中的任何一个或多个：
第二级涡轮喷嘴的另一个实施方案，其中所述涂层是碳化钨涂层。
前述第二级涡轮喷嘴中的任一个的另一个实施方案，其中所述多个第二级叶片包括17个叶片。
前述第二级涡轮喷嘴中的任一个的另一个实施方案，其中所述叶片高度H与所述狭道宽度W的比率在3.2530与3.8000之间。
前述第二级涡轮喷嘴中的任一个的另一个实施方案，其中所述狭道宽度W与所述直径D的比率在0.0368与0.0412之间。
前述第二级涡轮喷嘴中的任一个的另一个实施方案，其中所述叶片高度H与所述直径D的比率在0.1326与0.1414之间。
前述第二级涡轮喷嘴中的任一个的另一个实施方案，其中所述直径D在8.0640英寸(20.4826厘米)与8.1440英寸(20.6858厘米)之间；所述叶片高度H在1.0800英寸(2.7432厘米)与1.1400英寸(2.8956厘米)之间；并且所述狭道宽度W在0.3000英寸(0.7620厘米)与0.3320英寸(0.8433厘米)之间。
前述第二级涡轮喷嘴中的任一个的另一个实施方案，其中流动面积A由第二级涡轮喷嘴中的每个第二级狭道中的流动面积之和限定。
前述第二级涡轮喷嘴中的任一个的另一个实施方案，其中所述流动面积A在5.5080平方英寸(35.5354平方厘米)与6.4342平方英寸(41.5106平方厘米)之间。
一种空气循环机包括：具有风扇转子的风扇部段、具有压缩机喷嘴的压缩机部段、具有第一级涡轮喷嘴的第一级涡轮部段以及具有前述第二级涡轮喷嘴中的任一个的第二级涡轮部段。
一种涂覆第二级涡轮喷嘴的方法包括铸造具有第二级圆盘部分和多个第二级叶片的第二级涡轮喷嘴，以及将防腐涂层涂覆到多个第二级叶片中的每个的铸造侧壁上。
另外和/或可替代地，上一段的方法可任选地包括以下特征、构造和/或另外部件中的任何一个或多个：
所述方法的另一个实施方案，其中所述多个第二级叶片包括17个叶片。
前述方法中的任一个的另一个实施方案，其中所述多个第二级叶片中的每个的铸造侧壁具有在125与200之间的表面粗糙度。
前述方法中的任一个的另一个实施方案，其中使用高速氧燃料喷涂工艺完成将防腐涂层涂覆到所述铸造侧壁上。
虽然已经参照示例性实施方案描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不背离本发明的范围的情况下，可做出各种改变，并且可用等效物取代其元件。另外，在不背离本发明的基本范围的情况下，可做出许多修改来使具体情况或材料适应本发明的教义。因此，旨在使得本发明不限于所公开的具体实施方案，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (14)

1.一种第二级涡轮喷嘴，其包括：
第二级圆盘部分，其具有中心轴；
多个第二级叶片，其径向定位在所述第二级圆盘部分周围并附接至所述第二级圆盘部分，其中每个第二级叶片远离所述第二级圆盘部分延伸叶片高度H，并且其中每个第二级叶片具有定位在远离所述中心轴直径D处的第一端部；
多个第二级狭道，其被限定在径向相邻的第二级叶片之间，其中每个第二级狭道具有在径向相邻的第二级叶片之间的狭道宽度W；以及
涂层，其在每个第二级叶片的侧壁上，其中所述侧壁的表面粗糙度在125与200之间。
2.根据权利要求1所述的第二级涡轮喷嘴，其中所述涂层是碳化钨涂层。
3.根据权利要求1所述的第二级涡轮喷嘴，其中所述多个第二级叶片包括17个叶片。
4.根据权利要求1所述的第二级涡轮喷嘴，其中所述叶片高度H与所述狭道宽度W的比率在3.2530与3.8000之间。
5.根据权利要求1所述的第二级涡轮喷嘴，其中所述狭道宽度W与所述直径D的比率在0.0368与0.0412之间。
6.根据权利要求1所述的第二级涡轮喷嘴，其中所述叶片高度H与所述直径D的比率在0.1326与0.1414之间。
7.根据权利要求1所述的第二级涡轮喷嘴，其中：
所述直径D在8.0640英寸(20.4826厘米)与8.1440英寸(20.6858厘米)之间；
所述叶片高度H在1.0800英寸(2.7432厘米)与1.1400英寸(2.8956厘米)之间；并且
所述狭道宽度W在0.3000英寸(0.7620厘米)与0.3320英寸(0.8433厘米)之间。
8.根据权利要求1所述的第二级涡轮喷嘴，其中流动面积A由所述第二级涡轮喷嘴中的每个第二级狭道中的流动面积之和限定。
9.根据权利要求8所述的第二级涡轮喷嘴，其中所述流动面积A在5.5080平方英寸(35.5354平方厘米)与6.4342平方英寸(41.5106平方厘米)之间。
10.一种空气循环机，其包括：
风扇部段，其具有风扇转子；
压缩机部段，其具有压缩机喷嘴；
第一级涡轮部段，其具有第一级涡轮喷嘴；以及
第二级涡轮部段，其具有根据权利要求1所述的第二级涡轮喷嘴。
11.一种涂敷第二级涡轮喷嘴的方法，其包括：
铸造具有第二级圆盘部分和多个第二级叶片的第二级涡轮喷嘴；以及
将防腐涂层涂覆到所述多个第二级叶片中的每个的铸造侧壁上。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个第二级叶片包括17个叶片。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个第二级叶片中的每个的所述铸造侧壁具有在125与200之间的表面粗糙度。
14.根据权利要求11所述的方法，其中使用高速氧燃料喷涂工艺完成将防腐涂层涂覆到所述铸造侧壁上。
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