CN107532483A - 包含多个由陶瓷基质复合材料制成的环扇区的涡轮环组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮环组件，包括多个陶瓷基质复合材料的环扇区(1)和环支撑结构，每个环扇区(1)具有形成环形基座(2)的部分，环形基座(2)具有内侧面(3)和外侧面(3a)，内侧面(3)限定涡轮环的内侧面，从外侧面(3a)延伸壁(5)，壁(5)限定内腔(6)，金属材料的保持器构件(10)容纳于其中，保持器构件(10)连接到环支撑结构并且包括主体(11)，弹性可变形的保持器元件(12)从主体(11)在主体(11)的每一侧上延伸入内腔(6)，保持器元件(12)承靠于壁(5)。

Description

包含多个由陶瓷基质复合材料制成的环扇区的涡轮环组件

技术领域

本发明涉及一种涡轮环组件，其包括多个由陶瓷基质复合材料制成的环扇区以及环支撑结构。

背景技术

使用完全由金属制成的涡轮环组件，需要冷却组件的所有元件，特别是经受最热流的涡轮环。这种冷却对发动机的性能具有显著的影响，因为使用的冷却流是从发动机的主流中获取的。此外，将金属用于涡轮环限制了升高涡轮机温度的潜力，尽管升高涡轮机温度将有可能改善航空发动机的性能。

为了解决这些问题，已经提出了用陶瓷基质复合材料(CMC)材料制成涡轮机环扇区以避免使用金属材料的提议。

CMC材料具有良好的机械性质，使得它们适于构成结构元件，并且有利的是它们在高温下保存这些性质。使用CMC材料有利地能减少需要在操作中使用的冷却流，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且减少金属部件遇热时膨胀的影响。

然而，已经提出的现有解决方案可以包括组装CMC环扇区与环支撑结构的金属附连部分，这些附连部分经受热流。因此，这些组装方案仍然需要使用冷却流，至少用于冷却所述金属附连部分。此外，金属附连部分在遇热时膨胀，这可能导致在CMC环扇区上施加应力并减弱环扇区。

因此，需要改进使用CMC材料的现有涡轮环组件，以便进一步减少所需冷却气体量。

还需要改进使用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机械应力的大小。

发明内容

为此目的，在第一方面中，本发明提供了一种涡轮环组件，其包括环支撑结构和多个由陶瓷基质复合材料制成的环扇区，每个环扇区具有形成环形基座的部分，环形基座具有内侧面和外侧面，内侧面限定了涡轮环的内侧面，限定内腔的壁从外侧面延伸，由金属材料制成的保持器构件存在于内腔中，保持器构件连接到环支撑结构并且包括主体，弹性可变形的保持器元件在主体的任一侧在内腔内部延伸，保持器元件承靠于壁。

在本发明中，用于将环扇区保持到环支撑结构的保持器构件存在于环扇区的内腔中，并且因此受到CMC环扇区保护而不受热流影响，这导致较低的导热性并因此构成用于保持器构件的热屏障。因此，CMC环扇区用于获得涡轮环的内侧面与保持器构件之间的热解耦。因此，本发明的构造使得能减少用来冷却将环扇区保持到环支撑结构的部分所需的气体量，并因此导致发动机性能的提高。此外，由于保持器构件的金属材料的热膨胀，其对环扇区施加压力，因此用于在操作的同时将其保持在适当位置。

在一实施例中，保持器元件可以仅在其长度的一部分上承靠于壁。

除非相反地提及，否则沿着内腔的纵向轴线测量保持器元件的长度。

这样的特征有利地能使保持器元件局部地承靠于壁并因此将环扇区保持在适当位置，同时赋予它非常小的应力。这种构造允许保持器元件在差异膨胀的情况下在壁上方滑动，并且因此补偿保持器构件与环扇区之间的膨胀差异。

保持器元件可以在小于或等于其自身长度四分之三的长度上、优选小于或等于其自身长度的一半、更优选地小于或等于其自身的四分之一的长度上承靠于壁。

在一实施例中，保持器元件可以经由其远端部分承靠于壁。特别地，保持器元件可以仅经由其远端部分承靠于壁。

保持器元件的远端部分对应于所述保持器元件的位于其远端和沿着保持器元件位于中途的区域之间的部分，保持器元件在位于保持器元件的主体旁边的近端与远离所述主体定位的远端之间延伸。

特别地，保持器元件可以在内腔的第一端和第二端处承靠于壁。

在一实施例中，壁可以具有至少一个凹部，至少一个紧固件元件穿过至少一个凹部，使得保持器构件的主体能够紧固到环支撑结构。

凹部用于将保持器构件连接到环支撑结构。凹部也可以构成通风孔，使得能够将冷却空气带到保持器构件和环扇区。

在一实施例中，保持器元件的长度大于或等于内腔长度的一半，例如，长于或等于内腔长度的四分之三。

除非相反地提及，否则沿着内腔的纵向轴线测量保持器构件的长度。

在一个实施例中，一些或所有保持器元件的长度大于保持器构件的主体的长度，例如，长于或等于保持器构件主体长度的两倍。

相对较长长度的保持器元件有利地提供增加的弹性，因此使得能够获得保持器元件抵靠环扇区的特别柔性的承载，从而更好地补偿保持器构件与环扇区之间的差异膨胀，而不影响环扇区保持就位。

除非相反地提及，否则沿着内腔的纵向轴线测量保持器构件的主体的长度。

在一变型中，一些或所有保持器元件的长度短于保持器构件的主体的长度。

保持器元件中的一些或全部可以具有长于其宽度的长度，优选地大于或等于其宽度的三倍。

保持器元件的宽度对应于其最大横向尺寸。

在一个实施例中，内腔可以沿着纵向轴线延伸，并且保持器元件可以经由保持器区承靠于壁，这些保持器区关于纵向轴线对称。

在一个实施例中，保持器元件可以是舌片的形式。在一个变型中，保持器元件可以是扩口部的形式。扩口部在其远离保持器构件的主体朝向内腔的端部之一的全部或部分长度上延伸，变得越来越宽。

本发明还提供一种涡轮发动机，其包括如上所限定的涡轮环组件。

在一个实施例中，涡轮环组件可以形成涡轮发动机中的涡轮喷嘴的一部分。

涡轮环组件可以形成航空发动机燃气轮机的一部分，或者在一变型中，其可以形成工业涡轮的一部分。

附图说明

本发明的其它特征和优点从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和图2示出了与本发明的第一实施例相关的保持器构件和环扇区；

-图3是在图2中示意性示出的组件的切线方向截面的片段示意图；

-图4是垂直于切线方向的截面的片段示意图，示出了一旦安装在环支撑结构上的图2的环扇区；

-图5示出了与本发明的第二实施例相关的保持器构件以及环扇区；以及

-图6是图5中示意性示出的组件的切线方向的截面图。

具体实施方式

图1示出了本发明的第一实施例中的涡轮机环扇区1和保持器构件10。在图1中，保持器构件10被示出与涡轮机环扇区1分开。图2示出了图1组件的操作构造，其中保持器构件10用于将环扇区1保持到环支撑结构，保持器构件10容纳在环扇区1中。为了形成围绕一组旋转叶片的涡轮环，多个环扇区1安装在壳体14(见图3)上，每个环扇区1具有保持器构件10，壳体14由金属材料制成，并构成环支撑结构。以常规方式，环扇区1可以各自设有一个或多个密封条(未示出)。一旦该组环扇区1已经安装在环支撑结构上，这些密封条用于减少甚至消除环扇区1之间的空气泄漏。

环扇区1是由CMC制成的单件。使用CMC材料制造环扇区1有利于降低对环通风的要求。环扇区1具有环形基座2。相对于环形基座2的径向方向R，内侧面3被涂覆在可磨损材料层(图1至图3中未示出)中，并且其限定了气流流过涡轮的通路。径向方向R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)。环形基座2还具有相对于径向方向R在外侧的面3a。每个环扇区1具有从环形基座2的外侧面3a延伸的壁5。壁5限定沿着纵向轴线延伸的内腔6。内腔6沿切线方向T延伸。切线方向T对应于涡轮环的圆周方向。

由金属材料制成的保持器构件10存在于内腔6中。保持器构件10可由超级合金制成，例如，“AM1”超合金。保持器构件10包括主体11，保持器元件12从主体11在主体11两侧沿切线方向延伸，保持器元件12由金属材料制成并承靠于壁5。在所示的示例中，主体11不承靠在限定内腔6的壁5上。保持器构件10仅经由保持器元件12承靠在壁5上。因此，保持器元件12仅对壁5施加足够的压力以保持环扇区1。

在所示的示例中，保持器元件12呈舌片的形式。在所示的示例中，壁5设置有用于与保持器舌片12协作的凹槽8。在未示出的变型中，壁没有设置这种凹槽。如图3所示，第一组舌片12在内腔6的第一端6₁旁边承靠于壁5，而第二组舌片12在内腔6的第二端6₂旁边承靠于壁5。保持器构件10首先连接到壳体14，其次通过保持器元件12连接到环扇区1，保持器元件12承靠于限定内腔6的壁5。保持器元件12沿径向方向R和沿着轴向方向A在环扇区1上施加压力。轴向方向A对应于沿着涡轮环的回转轴线的方向和通路中气流的流动方向。更精确地，在所示的示例中，第一子组保持器元件12施加向外的径向压力(远离通路)，并且第二子组保持器元件12施加向内的径向压力(朝向通路)。在所示的示例中，施加向外的径向压力的保持器元件12与施加向内的径向压力的保持器元件12一样多。以类似的方式，第三子组保持器元件12在上游方向施加轴向压力，并且第四子组保持器元件12沿下游方向施加轴向压力。本文中使用的术语“上游”和“下游”参考通过涡轮的气流的流动方向(参见图4中的箭头F)。在所示的示例中，施加上游轴向压力的保持器元件12与施加下游轴向压力的保持器元件12一样多。在所示的示例中，保持器构件10提供抵靠于环扇区1的壁5的八个支承点：施加向外径向压力的两个支承点；施加向内径向压力的两个支承点；施加上游轴向压力的两个支承点；以及施加下游轴向压力的两个支承点。在所示的示例中，保持器元件12承靠于限定内腔6的壁5的多个不同的面。图1至图3示出了内腔6是贯穿腔的情况，但是本发明并不限于这种情况，例如，未示出的内腔呈盲孔的形式的变型也是可能的。

至少可以经由位于壁5中的贯穿凹部9从环扇区1的外侧接近内腔6，以将保持器构件10连接到壳体14，如图3中示意性地所示。

壳体14具有多个紧固件元件15，其呈径向延伸穿过凹部9朝向气流的流动通路的附连舌片的形式。壳体14的附连舌片15夹持保持器构件10的主体11，以将其紧固到壳体14。每个附连舌片15具有面向保持器构件的主体11的区域15a和位于壳体14旁边的外径向端部15b。为了将环扇区1组装到壳体14，保持器构件10最初插入到内腔6中。插入内腔6中的保持器构件10在环境温度(即温度为20℃)预加应力。由环扇区1和接纳于在环扇区1中的保持器构件10组成的组件通过使保持器构件10的主体11被壳体14的附连舌片15夹紧而与壳体14组装。对于除了通过夹紧(例如通过螺旋紧固)的方式紧固到壳体的主体而言，其不超出本发明的范围。

如图3所示，壳体14的附连舌片15部分地容纳在腔6中(即，附连舌片15的长度的一部分容纳在腔6中)。凹部9也构成通风孔，使得能够将冷却空气带到保持器构件10和环扇区1。

保持器构件10和附连舌片15的部分容纳在CMC环扇区1的腔6中的事实有利地使得能保护这些元件免于被通路中流动的气流加热，因为环扇区1耐热并且形成热屏障。此外，由于在操作的同时由保持器构件10对环扇区施加压力，差分膨胀现象的存在有利地将环扇区在轴向和径向保持在适当的位置。

如图3所示，舌片12在小于或等于舌片12的长度l_p的四分之一的长度l_a上承靠于壁5。舌片l_p的长度也大于保持器构件10的主体11的长度l_c。在所示的示例中，舌片12经由其远离主体11的远端12a承靠于壁5。保持器构件10在基本等于内腔6长度的长度l_o上延伸。因此，保持器构件10从内腔6的第一端6₁延伸到第二端6₂。如图1所示，舌片12经由保持器区Z承靠于壁5，保持器区Z关于切线方向T对称。保持器构件10因此具有经由第一保持器区Z承靠于壁5的至少一个第一保持器元件12和经由第二保持器区Z承靠于壁5的至少一个第二保持器元件12，第二保持器区Z与第一保持器区关于切线方向T(或者相对于腔6的纵向轴线)对称。第一保持器区和第二保持器区在径向或轴向偏移。第一保持器区和第二保持器区可以各自形成壁5的不同基座的一部分。保持器区Z仅在壁5的内圆周的一部分上延伸。在所示的示例中，舌片12平坦地承靠于壁5。

每个上述环扇区1通过形成与环扇区相似形状的纤维预制件，并通过用陶瓷基质致密化环扇区而由CMC制成。

为了制造纤维预制件，能使用由陶瓷材料制成的纱线，例如，诸如由日本供应商Nippon Carbon出售的名称为“Nicalon”的碳化硅(SiC)纱线，或碳纱线。

纤维预制件有利地通过三维织造或多层织造而成。织造可能是联锁型。可以使用其它三维或多层织造，例如多平纹或多缎纹织造。可以参考文献WO 2006/136755。

在织造之后，使得到的纤维坯料成形以获得环扇区预制件，随后用陶瓷基质将其固结和致密化，特别能够通过化学气相渗透(CVI)法进行致密化，如众所周知的那样。特别是在文献US 2012/0027572中描述了制造CMC环扇区的详细示例。

图4是垂直于切线方向的截面的片段示意图，示出了一旦与环支撑结构14组装后图2的环扇区1。图4示出了用于提供轴向密封的手段，为简单起见，保持器构件10和附连舌片15未示出。覆盖环形基座2的内侧面3的可磨损材料层4在图4中示出。可磨损材料层4面向一组旋转叶片P。箭头F表示气流通过涡轮的流动方向。气流沿着高压喷嘴D的轴向方向A流向低压喷嘴(未示出)。为了提供轴向密封，在高压喷嘴D旁边的涡轮环扇区1的环形基座2的外侧面3a上存在环形密封垫片20。环扇区1也由壳体14的密封舌片21经由壁5夹紧。垫片20和舌片21防止轴向导向的气流在环扇区1与壳体14之间流动。

图5和图6示出了其中由金属材料制成的保持器构件10'存在于内腔6中的变型实施例。覆盖环形基座2的内侧面3的可磨损材料层4在图5和6中示出。保持器构件10'以与参考图3所描述的相同方式连接到环支撑结构。保持器构件10'包括主体11'，可弹性变形的保持器元件12'从该主体11'沿切线方向T在主体11'两侧延伸，保持器元件12'承靠于限定内腔6的壁5。在图5和图6所示的示例中，保持器元件12'呈扩口部的形式，从主体11向内腔6的端部延伸。在所示的示例中，扩口部12'从主体11'朝向内腔6的端部6₁或6₂之一在其长度的一部分上变宽。扩口部12'具有支承部分13'，在图示示例中支承部分13'位于其远端12'a处。支承部分13'承靠于壁5，以便将环扇区1保持到环支撑结构。以与图1至图3所示的实施例描述的相同方式，扩口部12'承靠于壁5，壁5在其远端12'a处限定内腔6。本实施例中的扩口部12'在小于保持器构件10'的主体11'的长度l_c的长度l_p上延伸。在图5和图6所示的实施例中，扩口部12'的支承部分13'存在于内腔6的端部6₁和6₂处。在垂直于其纵向轴线的截面中，内腔6具有转角C，其中支承部分13'承靠于内腔6的转角C。在所示的示例中，扩口部12'的支承部分13'彼此不接触，但如果它们接触也不超出本发明的范围。如图1至图3的示例所示，扩口部12'经由保持器区Z承靠于壁5，保持器区Z关于内腔6的纵向轴线对称。在未示出的变型中，每个扩口部呈现单个支承部分，支承部分支承壁的内周的一些或全部。

为了在该实施例中进行组装，保持器构件10插入到内腔6中以将其支承部分13'定位在内腔6的第一端6₁和第二端6₂处。插入在内腔6中的保持器构件10'在环境温度下被轻微地预加应力。由保持器构件10'和环扇区1构成的组件然后以与图3相同的方式紧固到壳体的附连舌片。

在所示的实施例中，可以看到当在垂直于其纵向轴线的截面中观察时呈矩形的内腔。当在垂直于其纵向轴线的截面中观察时内腔呈现一些其它形状，例如呈正方形或圆形的形状，这也不超出本发明的范围。

术语“在从……到……的范围”应该被理解为包括端值。

Claims (10)

1.一种涡轮环组件，包括环支撑结构(14)和多个由陶瓷基质复合材料制成的环扇区(1)，每个环扇区(1)具有形成环形基座(2)的一部分，所述环形基座(2)具有内侧面(3)和外侧面(3a)，所述内侧面(3)相对于径向方向(R)限定涡轮环的内侧面，壁(5)从所述外侧面(3a)相对于所述径向方向(R)延伸，所述壁(5)限定内腔(6)，由金属材料制成的保持器构件(10；10')存在于所述内腔(6)中，所述保持器构件(10；10')连接到所述环支撑结构(14)并且包括主体(11；11')，弹性可变形的保持器元件(12；12')从所述主体(11；11')在主体(11；11')的任一侧均在所述内腔(6)内部延伸，所述保持器元件(12；12')承靠于所述壁(5)，所述保持器构件(10；10')沿着径向方向和轴向方向(R、A)向所述环扇区(1)施加压力。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述保持器元件(12；12')仅在其长度的一部分上承靠于所述壁(5)。

3.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述保持器元件(12；12')经由其远端部分承靠于所述壁(5)。

4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述保持器元件(12)在所述内腔(6)的第一周向端部和第二周向端部(6₁、6₂)处承靠于所述壁(5)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的组件，其特征在于，所述保持器元件为舌片(12)的形式。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的组件，其特征在于，所述保持器元件为扩口部(12')的形式。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的组件，其特征在于，所述保持器元件(12)中的一些或全部的长度大于所述保持器构件(10)的主体(11)的长度(l_c)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的组件，其特征在于，所述内腔(6)沿着纵向轴线延伸，并且所述保持器元件(12；12')经由保持器区(Z)承靠于所述壁(5)，所述保持器区(Z)关于所述纵向轴线对称。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的组件，其特征在于，所述壁(5)具有至少一个凹部(9)，至少一个紧固件元件(15)穿过所述至少一个凹部(9)，使得所述保持器构件(10)的主体紧固到所述环支撑结构(14)。

10.一种涡轮发动机，包括根据权利要求1至9中任一项所述的涡轮环组件。