CN107429574B - 包括多个由陶瓷基体复合材料制成的环扇区的涡轮环组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种涡轮环组件，其包括多个由陶瓷基体复合材料制成的环扇区(1)和环支撑结构(2)，每个环扇区(1)均具有形成环形基座(5)的部分，所述环形基座具有内表面(6)和外表面(8)，所述内表面(6)限定涡轮环的内表面，至少两个形成片(9a；9b)的部分从所述外表面(8)延伸，该环支撑结构(2)包括至少两个沿着径向延伸的连接片(11a；11b)，每个环扇区(1)的片(9a；9b)均至少在所述连接片(11a；11b)的径向内端(14a；14b)处夹紧环支撑结构(2)的连接片(11a；11b)。
Description
技术领域
本发明涉及一种涡轮环组件，所述组件包括多个由陶瓷基体复合材料制成的环扇区，以及环支撑结构。
背景技术
对于完全由金属制成的涡轮环组件，需要冷却该组件的所有元件，特别是经受最高温度流的涡轮环。由于所使用的冷却流是从发动机的主流中获得的，因此这种冷却对发动机的性能具有显著的影响。此外，针对涡轮环使用金属限制了在涡轮内增加温度的潜力，尽管这将有助于提高航空发动机的性能。
为了尝试解决这些问题，已经提出了用陶瓷基体复合材料(CMC)材料制造涡轮环扇区的方案，以便避免使用金属材料。
CMC材料具有良好的机械性能，所述性能使其适于构成结构元件，并且有利地，其在高温下保持这些性能。使用CMC材料有利地使得可减少运行中所需的冷却流，从而提高涡轮发动机的性能。此外，使用CMC材料有利地用于减少涡轮发动机的重量并降低金属零件所遇到的高温膨胀的影响。
然而，已经提出的现有解决方案可包括将CMC环扇区与环支撑结构的金属连接部分组装，连接部分经受热流。因此，这些组装方案可以继续需要使用冷却流，至少用于冷却由金属制成的所述连接部分。此外，这些金属连接部分在高温下经受膨胀，这可导致CMC环扇区受到机械应力并且使它们被削弱。
涡轮环组件还在文献US 2014/0271145、US 2004/0047726、US 6 435 824和GB 2344 140中公开。
因此，存在需要来改进使用CMC材料的现有涡轮环组件，以便进一步减少所需的冷却气体的量。
还存在需要来改进使用CMC材料的现有涡轮环组件，以便减小CMC环扇区在操作中经受的机械应力的大小。
发明内容
为此，在第一方面，本发明提出了一种涡轮环组件，所述组件包括多个由陶瓷基体复合材料制成的环扇区和环支撑结构，每个环扇区均具有形成环形基座的部分，所述环形基部具有限定涡轮环的内表面的内表面和外表面，从该外表面突出至少两个片形成部分，环支撑结构具有至少两个沿着径向延伸的连接片，每个环扇区的片至少在所述连接片的径向内端处均夹紧环支撑结构的连接片。
径向对应于沿着涡轮环的半径的方向(将涡轮环的中心连接到其周边的直线)。连接片的径向内端对应于位于气流流动通道旁边的所述连接片的端部。
在本发明中，环支撑结构的连接片至少部分地被容纳在环扇区的片之间。因此，这些连接片由CMC环扇区保护免受热流的影响，所述CMC环扇区沿着轴向夹紧它们，并且具有低导热性，从而构成所述连接片的热障。因此，CMC环扇区使得可获得涡轮环的内表面与其夹紧的连接片之间的热解耦。因此，本发明的构造使得可减少冷却环支撑结构的连接片所需的气体量，并且因此导致发动机性能的提高。
优选地，环扇区片在子午线截面中存在面向环支撑结构的连接片的倾斜部分，该倾斜部分相对于径向方向和轴向方向形成相应的非零角度。
该轴向方向对应于沿着涡轮环的旋转轴线的方向和对应与通道中的气流的流动方向。
这种倾斜部分的使用有利地用于在不平衡膨胀的情况下导致环扇区片在环支撑结构的连接片上滑动，并且因此补偿连接片与环扇区的片之间的膨胀的差异，以及还降低了环扇区受到的机械应力。因此，倾斜部分的存在使得在连接片的径向和/或轴向膨胀的情况下可获得环扇区的滑动，从而使得可避免环扇区的任何径向或轴向阻挡，从而避免它们受到太大的应力。倾斜部分的存在当连接片被接纳在环扇区的片之间时是特别有利的，使得连接片因此具有相对受限的膨胀空间，如果它们没有设置这样的倾斜部分，这可能导致施加在环扇区的片上的显著的机械应力。
在一实施例中，环扇区的片可在小于环扇区的片的长度的长度上夹紧连接片。
在一变型中，环扇区的片可在等于环扇区的片的长度的长度上夹紧连接片。
该实施例有利地使得可以增加环扇区的片和连接片之间的支承表面的面积，并且减小支承表面中的局部力的存在。
在一实施例中，倾斜部分可与径向方向形成成30°至60°的角度。
优选地，环扇区的片可以在其径向外端处呈现凹部，该凹部沿切线方向延伸。
环扇区的片的径向外端对应于位于远离气流流动通道的所述片的端部。切向方向对应于涡轮环的圆周方向。
这种凹部的存在有利地用于降低环扇区在操作中受到的机械应力。
优选地，弹性阻尼器元件可存在于环支撑结构的连接片的径向内端与环扇区的环形基座之间，所述环扇区具有夹紧所述连接片的片。
这种阻尼元件的存在有利地用于阻止环扇区的径向运动，从而有利于在操作期间将环扇区固定在连接片上。
在一实施例中，阻尼元件可包括开口。一个或多个开口的存在可有利地使环扇区被冷却。
在一实施例中，环扇区呈现基本上为π形的截面。
本发明还提供一种涡轮发动机，所述涡轮发动机包括如上所述的涡轮环组件。
在一实施例中，涡轮环组件可在涡轮发动机中形成涡轮喷嘴的一部分。
涡轮环组件可形成航空燃气涡轮发动机的一部分，或者在一变型中，它可以形成工业燃气涡轮的一部分。
附图说明
本发明的其他特征和优点由作为非限制性示例给出的本发明的特定实施例的以下描述并参照附图而显而易见，其中：
-图1是示出本发明的涡轮环组件的实施例的子午线截面图；
-图2隔离地示出图1涡轮环组件中使用的环扇区；
-图3示出了安装在环支撑结构上以便获得图1的涡轮环组件的的环扇区之一；
-图4是一旦所有环扇区已经组装的图1涡轮环组件的总体视图；
-图5是示出本发明的涡轮环组件的变型实施例的子午线截面图；
具体实施方式
图1示出了涡轮环扇区1和由金属材料制成并构成环支撑结构的壳体2。一组环扇区1组装在壳体2上，以形成围绕一组旋转叶片3的涡轮环。箭头F表示通过涡轮的气流的流动方向。环扇区1由CMC制成单件。使用CMC材料制造环扇区1是有利的，以便减少对该环通风的要求。环扇区1具有大致为π形的截面，具有一环形基座5，该环形基座相对于径向方向R具有在耐磨材料层7中涂覆的其内表面6，以便限定通过涡轮的气流流动路径。该环形基座5相对于径向方向R还具有的一外表面8，从该外表面8突出片9a和9b。
每个上述环扇区1均通过形成具有接近环扇区的形状的纤维预成形件，并且通过用一陶瓷基体致密化环扇区而由CMC制成。
为了制造该纤维预成形件，可使用由陶瓷纤维制成的纱线，例如，由SiC纤维制成的纱线，该纱线例如由日本供应商Nippon Carbon以名称“Nicalon”销售的那些纱线；或者由碳纤维制成的纱线。
纤维预成形件有利地通过三维编织或通过多层编织而制成，提供非互连区域，以使得对应于片9a和9b的预成形件部分能够远离对应于基座5的预成形件而被移动。
编织可以是互锁型的。可以使用其他三维或多层织物，例如，多平纹或多缎纹编织件。可以参考文献WO 2006/136755。
在编织之后，坯料可以被成形，以获得一环形扇区预成形件，所述环形扇区预成形件然后用一陶瓷基体将其固结和致密化，其中致密化可以具体通过化学气相渗透(CVI)进行，如众所周知的那样。在文献US 2012/0027572中具体描述了由CMC制造环扇区的详细例子。
壳体2具有朝向气流流动路径沿着径向延伸的连接片11a和11b，环扇区1的片9a和9b以密封的方式沿着轴向夹紧壳体2的连接片11a和11b。环扇区的片9a和9b沿着轴向方向A向壳体2的连接片11a和11b施加压力。环扇区1的片9a和9b不存在于环支撑结构2的连接元件之间。相反，环支撑结构2的连接片11a和11b存在于环扇区1的片9a和9b之间。环支撑结构2不夹紧环扇区1的片9a和9b。环扇区1的片9a和9b夹紧环支撑结构2的连接片11a和11b的事实使得可确保环扇区1被紧固到支撑结构2。这种夹紧足以确保环扇区1被紧固到环支撑结构2。涡轮环组件不具有用来夹紧扇区1的片9a和9b的环支撑结构2的元件。环扇区1的片9a和9b在冷的时候(即温度为20℃)和当热的时候(即在工作中)夹紧壳体2的连接片。
如所示的那样，壳体2的连接片11a和11b部分地容纳在环扇区1的片9a和9b之间(即每个连接片11a或11b的长度的仅一部分被容纳在片9a和11b之间)。特别是，连接片11a和11b的径向内端14a和14b被夹紧在片9a和9b之间。片9a和9b沿着轴向夹紧连接片11a和11b的事实有利地用于保护连接片11a和11b免于受到在通道中流动的气流的影响，因为环扇区1经受高温并形成热障。差异膨胀现象的存在也可有利地使得可保持环扇区1与壳体2的连接片11a和11b之间的连接的密封性。具体为，连接片11a和11b的轴向膨胀使得能够将少量的压力施加到环扇区1的片9a和9b上，从而用来保持连接的密封性。
连接片11a和11b在由环扇区1的片9a和9b限定的倾斜部分12a和12b之间被沿着轴向夹紧。如所示的那样，倾斜部分12a和12b面向连接片11a和11b，并撑靠所述连接片11a和11b，以将它们夹紧。倾斜部分12a和12b与连接片11a和11b接触。如所示的那样，每个倾斜部分12a和12b均沿一直线延伸，该直线相对于径向方向R形成一非零的角度α1以及相对于轴向方向A形成非零角度α2。倾斜部分12a和12b因此在子午线截面中观察时可以呈直线形状。如上所述，使用这些倾斜部分12a和12b有利地使得可补偿环扇区1的连接片11a和11b与片9a和9b之间的膨胀差，还可减小环扇区1所承受的机械应力。在所示的例子中，环扇区1因此通过被称为锤子连接件的连接件连接到壳体2的连接片11a和11b。在例中，角度α1可在30°至60°的范围内。在子午线截面中，连接片11a和11b还具有倾斜部分，所述倾斜部分与径向和轴向方向形成一非零的角度，该角度例如可在30°至60°的范围内。连接片11a和11b的倾斜部分面朝环扇区1的片9a和9b的倾斜部分12a和12b。片9a和9b的倾斜部分12a和12b经由所述连接片11a和11b的倾斜部分撑靠连接片11a和11b。在所示的例中，连接片11a和11b的倾斜部分具有与扇区1的片9a和9b的倾斜部分12a和12b相同的形状。
在图1中所示的例中，片9a或9b中的每个均具有单个的倾斜部分12a或12b，所述倾斜部分12a或12b相对于径向方向R以及相对于轴向方向A形成一非零的角度。其对于环扇区的每个片均不会超出本发明的范围，以便具有多个倾斜部分，如下面详细描述的那样。如图1中所示，环扇区的片9a和9b在长度
上夹紧连接片11a和11b，所述长度
比环扇区1的片9a和9b的长度
短。如所示的那样，长度
和
垂直于环扇区1的环形基座5的外表面8测量。在例中，长度
可以小于或等于0.75倍的长度
图1显示一实施例，其中每个连接片11a和11b的长度的仅一部分被容纳在片9a与片9b之间。在一未示出的变型中，环扇区的片的长度足以能够大致夹紧连接片的整个长度。
在图1所示的例子中，弹性阻尼元件15存在于连接片11a和11b的径向内端14a和14b与环扇区1的环形基座5之间，所述环扇区1具有夹紧所述连接片11a和11b的其片9a和9b。在例中，弹性阻尼元件15可以是例如由金属材料制成的板的形式。阻尼元件15可包括一个或多个开口。这些开口的存在是有利的，为的是使环扇区1能够被冷却。
图2隔离地显示出图1涡轮环组件中使用的环扇区1；如所示的那样，环扇区1的片9a和9b在它们的径向外端16a和16b处具有凹部17a和17b，当环扇区1紧固到环支撑结构时，该凹部相切地延伸。如上所述，凹部17a和17b的存在有利地用来减小环扇区1在工作中受到的机械应力。此外，环扇区1可包括一个或多个密封条18。一旦所有的环扇区1均已组装在环支撑件上，这些密封条18用于减少甚至消除环扇区1之间的空气泄漏。
图3示出了与壳体2组装的环扇区1。用于组装的环扇区1面向壳体2中的凹口。在一实施例中，用于组装的环扇区1可设置有阻尼元件15，如图1中所示。环扇区1平移插入，然后如图3中的箭头所示沿成角度移动。图4是一旦所有环扇区已经组装后的图1涡轮环组件的视图。如所示的那样，多个CMC环扇区1组装在环支撑结构2上。涡轮环组件还包括一闭合键20，该闭合键20与其中一个环扇区对齐，并提供环扇区组装的相互之间的内聚力。闭合键20与待组装的最后一个环扇区对齐。
图5显示一变型实施例，其中环扇区1’的片9’a和9’b在一长度上夹紧连接片11’a和11’b，该长度大致等于片9’a和9’b的长度。在图5的例子中，每个片9’a和或9’b均具有第一倾斜部分12’a或12’b以及第二倾斜部分12”a或12”b，所述第一倾斜部分12’a或12’b相对于径向方向和轴向方向形成非零的角度，所述第二倾斜部分12”a或12”b相对于径向方向和轴向方向形成非零的角度。第一倾斜部分和第二倾斜部分存在于由环扇区1’的片9’a和9’b形成的一弯曲件C的任何一侧上。如所示的那样，弯曲件C可沿着片9’a和9’b大致位于中间位置。
术语“位于...到...的范围内”应该被理解为包括端值。
Claims (9)
1.一种涡轮环组件，该涡轮环组件包括由陶瓷基体复合材料制成的多个环扇区和一环支撑结构，每个环扇区均具有形成一环形基座的部分，所述环形基座具有内表面和外表面，所述环形基座的内表面限定涡轮环的内表面，从所述环形基座的外表面突出至少两个片形成部分，所述环支撑结构具有至少两个沿着径向延伸的连接片，每个环扇区的片均至少在所述连接片的径向内端处沿着轴向夹紧所述环支撑结构的连接片，所述环扇区的片不存在于所述环支撑结构的连接片之间，
所述环扇区的片在子午线截面中具有倾斜部分，所述倾斜部分撑靠所述环支撑结构的连接片，所述倾斜部分相对于径向方向和轴向方向各自形成非零的角度。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述环扇区的片在一长度上夹紧所述连接片，该长度小于所述环扇区的片的长度。
3.根据权利要求1所述的组件，其中所述环扇区的片在一长度上夹紧所述连接片，该长度大致等于环扇区的片的长度。
4.根据权利要求1所述的组件，其中所述倾斜部分与径向方向形成在30°至60°范围内的角度。
5.根据权利要求1所述的组件，其中所述环扇区的片在它们的径向外端处具有凹部，所述凹部沿一切线方向延伸。
6.根据权利要求1所述的组件，其中一弹性阻尼器元件存在于所述环支撑结构的连接片的径向内端与所述环扇区的环形基座之间，所述环扇区具有夹紧所述连接片的所述片。
7.根据权利要求6所述的组件，其中所述弹性阻尼器元件包括开口。
8.根据权利要求1所述的组件，其中所述环扇区具有大致π形的截面。
9.一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括根据权利要求1所述的涡轮环组件。
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