CN107709708B - 轴流式涡轮环组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮环组件，该涡轮环组件包括多个由陶瓷基复合材料制备而成的环形扇段(10)和环体支撑件(3)，所述多个环形扇段(10)装配形成涡轮环(1)，所述环体支撑件(3)设有两环形法兰(32,36)，所述每一环形扇段(10)沿径向方向延伸出两片状结构(14,16)，所述两片状结构(14,16)安装在所述环体支撑件(3)的两个法兰(32,36)之间。所述环体支撑件(3)的两个环形法兰(32,36)向所述环形扇段(10)的片状结构(14,16)施加压力。所述环体支撑件(3)的两个环形法兰(32,36)中有一个法兰(36)具有沿涡轮环(1)的轴线方向(DA)发生弹性形变的能力。本发明的涡轮环组件还包括多个接合件(40,41)，所述接合件(40,41)与环体支撑件(3)的环形法兰(32,36)和与所述法兰相面向的环形扇段(10)的片状结构(14,16)相接合。

Description

轴流式涡轮环组件

技术背景

本发明涉及一种用于涡轮发动机的涡轮环(turbine ring)组件，包括带有环体支撑件的多个单件的由陶瓷基复合材料(ceramic matrix composite material)制备而成的环形扇段。

本发明主要应用于燃气轮机航空发动机领域，同时，也可应用于其他涡轮发动机领域，如工业涡轮机等。

众所周知，陶瓷基复合材料(CMC)具有优良的力学性能，可以用于制备结构材料，并且在高温条件下同样可以保持这些优良的力学性能。

对于燃气涡轮发动机而言，要想有效提高效率和减少污染排放，就必须让涡轮机在更高温度下工作。若涡轮环组件全部由金属材料制备而成，工作时就需要对所有部件进行冷却，尤其是对于会受高温气流影响的涡轮环，冷却必不可少。但是，这种冷却过程会对发动机的性能产生重大影响，因为冷却流体中有一部分流体需要从发动机中流过。另一方面，虽然采用金属材料制造涡轮环有利于提高航空发动机的性能，但是却会对涡轮内部工作温度的提升产生很大的限制。

由于CMC材料的密度较之于常用的难熔金属密度更低，因此人们已经设想将CMC材料应用于发动机等耐热部件的制造中。

在美国专利US 2012/0027572中公开了一种应用CMC材料制备单件涡轮环形扇段的方案：所述涡轮环形扇段组装后形成一个整件环，该整件环包含一个环形基体，所述环形基体的内侧面限定涡轮环的内侧面，所述涡轮环的外侧面延伸出两个片状部分，所述片状部分的端部接合在环体支撑件的一个金属结构的壳体中。CMC涡轮换扇形段的主要作用在于其可大幅降低涡轮环冷却所需要的空气流通量。但该方案的缺点在于，其未能解决环扇形区域内部气流通道和环形扇段外部之间的密封问题。具体来说，要保证良好的密封性能，必须确保CMC环形扇段的片状部分与环体支撑件的金属法兰之间能够保持稳定且良好的接触。但是，由于环体支撑件为金属材料，而环形扇段采用CMC材料，二者膨胀系数不同，导致这些组件之间的密封变得更为复杂：当发生局部膨胀时，根据环体支撑件上环形扇段几何结构的不同，环体支撑件的法兰可能会不再与环形扇段的片状部分相接触，或是相反地，环体支撑件的法兰可能会挤压环形扇段的片状部分，当环形扇段的片状部分承受压力过大时，可能会被损毁。此外，根据该美国专利2012/0027572的说明，要想使环形扇段固定在环体支撑件上，需要用到U型夹，这就进一步加剧了环形扇段装配的复杂性，同时也会增加涡轮环组件的制造成本。

美国专利US4596116和US4087199的文件中公开了一种涡轮环组件的设计方案，该方案中环形扇段轴向固定在环体支撑件的片状部分之间。然而，这种固定环形扇段的方式是存在问题的，因为它并不能限制环形扇段的径向和周向运动，尤其是当涡轮叶片叶尖与一个或多个环形扇段的内表面发生触碰时可能会产带来危险。

发明内容

本发明旨在提供一种可以避免上述问题的解决方案，该目的是通过以下技术方案实现的：一种涡轮组件，包括多个环形扇段和带有两环形法兰的环体支撑件：所述每一环形扇段具有第一部分，所述第一部分形成环形基体，所述环形基体的内表面限定涡轮环的内侧面，所述环形基体的外表面径向延伸出两个片状部分，所述每一环形扇段的片状部分固定在环体支撑件的两个环形法兰之间，所述环体支撑件的两个环形法兰对环形扇段的片状结构施加压力，其中至少有一环形法兰可沿涡轮环的轴线方向发生弹性形变，所述涡轮环组件的特征在于，每一个环形扇段都是由陶瓷基复合材料制备而成，并且它还包含多个接合件，所述接合件接合环体支撑件上的至少一个环形法兰和环形扇段上与该法兰相面向的片状部分。

所述接合件保证了环形扇段固定在环体支撑件上，无法进行径向和周向运动；具体而言，由于接合件接合至少一个环形法兰和环形扇段上面向该法兰的片状部分，这就使得环形扇段相对环体支撑件无法产生任何径向或周向的相对滑动或移动，甚至在涡轮叶片叶尖和一个或多个环形扇段发生触碰时也不会发生移动或滑动。

进一步，由于至少包含一个可发生弹性形变的法兰，使得环体支撑件上的法兰与环形扇段上的片状结构的接触也不会因为温度的变化而受到影响。具体地，环形扇段在较低温度条件下带预应力地安装在法兰之间，所述预应力使得环形扇段和法兰之间的接触就不会受到温度变化的影响。所述环体支撑件上至少一个可弹性形变的法兰，能够通过弹性变形来调整和适应环形扇段与法兰之间由于热膨胀而产生的间隙，从而避免对环形扇段施加过多压力。

本发明的有益效果在于：

第一，本发明的涡轮环组件，所述环体支撑件上的环形法兰中至少有一个法兰在其面向环形扇段的片状结构的表面上设有一个唇形结构，所述唇形结构有利于限定所述环体支撑件上法兰和与该法兰相面向的环形扇段上的片状结构之间的接触位置；

第二，本发明的涡轮环组件，所述环体支撑件上的一个具有弹性形变能力的环形法兰上设有多个钩体，所述多个钩体分布在所述环形法兰的表面上，环形法兰的所述表面是与面向环形扇段的片状结构表面相背离的一面，所述钩体为移动具有弹性形变能力的环形法兰、并在环形法兰之间放入环形扇段的片状结构提供了便利，这样就不用使用强力将片状结构硬塞到环形法兰之间了。

第三，本发明的涡轮环组件，所述环体支撑件上的具有弹性形变能力的法兰厚度均小于所述环体支撑件上不具有弹性形变能力的其他法兰的厚度。

本发明还提供了一种制备涡轮环组件的方法，包括：

-制备多个环形扇段，每一个环形扇段都拥有第一部分以组成一个环形基体，所述环形基体的内表面限定了涡轮环的内侧面；所述环形基体的外表面沿径向延伸出两个片状结构；

-制备带有两个环形法兰的环体支撑件；

-将每一个环形扇段放入环体支撑件的两环形法兰之间，所述环体支撑件的两环形法兰之间的间距小于每一个环形扇段上两片状结构外表面之间的距离，同时所述环体支撑件上的环形法兰中至少有一个法兰可产生沿涡轮环轴线方向的弹性变形；

该方法的特征在于，在每一个环形扇段装配时，对所述具有弹性形变能力的法兰施加沿环体轴线方向的牵引力以增大两法兰之间的间距，并将环形扇段的片状结构放入到所述环体支撑件的两法兰之间。本发明的每一个环形扇段都是由陶瓷基复合材料制备而成；该方法的另一特征在于，还包括将多个接合件，所述接合件与所述环体支撑件的至少一个环形法兰和与该法兰相面向的环形扇段的片状结构相接合。

采用栓柱式接合件可以确保所述环形扇段固定在环体支撑件中，不产生径向和周向运动。具体地，由于所述接合件与环体支撑件的至少一个环形法兰和与该环形法兰相面向的环形扇段的片状结构相接合，这就使得环形扇段相对环体支撑件无法产生任何径向或周向的相对滑动或移动，甚至在涡轮叶片叶尖和一个或多个环形扇段内侧面发生接触时也不会发生移动或滑动。

进一步，由于可以对具有弹性形变能力的环形法兰施加牵引力，也就可以在不对片状结构施加强力的情况下更方便地将片状结构置入环体支撑件的法兰之间，当撤去施加于弹性法兰上的牵引力后，受法兰的压力作用，所述片状结构可以轴向稳定地固定在法兰之间。

本发明的涡轮环组件制造方法的创新之处在于：

第一，本发明的涡轮环组件制造方法，环体支撑件上的环形法兰中至少有一个法兰在其与环形扇段的片状结构相面向的表面上设有一个唇形结构；

第二，本发明的涡轮环组件制造方法，环体支撑件上的至少一个具有弹性形变能力的法兰上设有多个钩体，所述钩体分布在所述法兰上与环形扇段片状结构相面向的表面上，通过与一个或多个钩体相勾连的牵引装置可以向所述具有弹性形变能力的环形法兰施加沿涡环体轴线方向的牵引力。

第三，本发明的涡轮环组件制造方法，所述环体支撑件上的具有弹性形变能力的法兰厚度小于所述环体支撑件上不具有弹性变形能力的其他法兰的厚度。

附图说明

图1示出了本发明具体实施方式的一种涡轮环组件的径向截面图。

图2～图4示出了图1实施方式下环形扇段与环体支撑件的装配方式。

图5示出了环体支撑件的具有弹性形变能力法兰上的钩体的安装方式。

图6示出了环体支撑件的具有弹性形变能力法兰上的钩体的另一种安装方式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例加以阐述，需要说明的是通过附图和实施例可以更容易地理解本发明的意图和设计，但本发明的保护范围并不因此而受到限制，其具体实施方式也不仅仅局限于附图所展示的形式。

图1示出了一种适用于高压涡轮的涡轮环组件，所述涡轮环组件包括陶瓷基复合材料制备的涡轮环1和一个金属材料制备的环体支撑件3。所述涡轮环1包绕一组涡轮叶片5；所述涡轮环1由多个环形扇段10组成，如图1所示为两个相邻环形扇段之间的径向截面视图。箭头DA指示涡轮环1的轴向方向，箭头DR指示该涡轮环1的径向方向。

每一个环形扇段10上都设有一个倒π形结构，所述倒π形结构上设有环形基体12，所述环形基体12的内表面涂覆耐磨材料涂层13和/或隔热涂层，该环形基体12的内表面限定了涡轮机的气流通道。上游和下游的片状结构14和16是从环形基体12外表面沿DR方向径向延伸出的结构。这里所述“上游”和“下游”的概念是相对于涡轮机气流方向(箭头F所示)而言的。

所述环体支撑件3固定在涡轮机壳30上，包括一个上游径向环形法兰32，所述上游径向环形法兰32与环形扇段10的上游片状结构14相面向的一面上设有唇形结构34，所述唇形结构34靠着上游片状结构14的外表面14a。在下游通道处处，所述环体支撑件设有下游径向环形法兰36，所述下游法兰36与环形扇段10的下游片状结构16相面向的一面上设有唇形结构38，所述唇形结构38背靠下游片状结构16的外表面16a。

下面将对环形扇段10上的片状结构14和16做详细说明：对每一个环形扇段10的片状结构14和16带预应力地装配在环形法兰32和54之间，该过程应当在较低温度条件下进行，即可以在20℃左右的室温条件下装配。并且，在涡轮机的任何工作温度下，法兰都会对片状结构14和16施加压力，故而可以将环形扇段夹紧在法兰中间。这种压力不会受到任何温度变化的影响，虽然在某些温度条件下，涡轮工作时涡轮环组件可能会受温度影响而发生些许变化，但是由于至少有一个具有弹性形变能力的法兰，这种变化也是受控的，不会给环形扇段增加任何额外的压力。

进一步，在当前实施例中，环形扇段10由多个栓柱式接合件固定，更具体地，如图1所示，所述接合件40与环体支撑件3的上游径向环形法兰32及环形装置10的上游片状结构14相接合。为达到这一目的，所述每一个接合件40分别穿过一个设在上游径向环形法兰32上的孔33和一个设在上游片状结构14上的孔15，当环形扇段10和环体支撑件3装配后，所述孔33和孔15相互对准。同样地，所述接合件41与环体支撑件3的下游环形法兰36及环形扇段10的下游片状结构16相接合，为实现这一目的，每一个接合件41分别穿过一个设在下游环形法兰36上的孔37和一个设在片状结构16上的孔17，当环形扇段10和环体支撑件3装配后，所述孔37和孔17相互对准。应用所述接合件可以保证环形扇段固定在环体支撑件中，不发生径向和周向移动或转动。具体地，所述接合件接合在所述环体支撑件的至少一个环形法兰和与该法兰相面向的环形扇段的片状结构中。这一设计可以防止环形扇段相对环体支撑件产生任何径向或周向的相对移动或滑动，即使是当涡轮叶片的叶尖碰触到一个或多个环形扇段时也不例外。

进一步，环形扇段之间的密封采用密封舌及对面用于安放密封舌的凹槽实现，二者位于两个相邻的环形扇段的相面对的周缘上。第一个密封舌22a沿环形基体12的中部连续延伸，其长度略小于环形基体12的长度。第二个密封舌22b从片状结构14一端开始延伸，并且穿过部分环形基体12。第三个密封舌22c则沿片状结构16延伸。所述第三个密封舌22c在一端与第一个密封舌22a相接，并且与第二个密封舌22b相接。所述密封舌22a，22b和22c可以均由金属材料制备而成，在较低温度下将其无缝对接安装到其壳体上，这样就能够确保其可以满足各种温度条件下使用时的密封性能。

尽管CMC材料和金属材料具有不同的热膨胀系数，但也可以将CMC环形扇段的片状结构14和16无缝装配到金属材料制造的环体支撑件上，其原因在于：

(1)装配是在与暴露在气流中的环形基体12的热工作面相隔一定距离的地方完成的；

(2)片状结构14和16的径向宽度远大于其厚度，因此可以在环形基体12与片状结构14和16之间可以实现有效的热解耦；

(3)环体支撑件中有一环形法兰具有发生弹性形变的能力，通过弹性形变可以补偿CMC环形扇段的片状结构和金属环体支撑件的法兰之间的热膨胀差异，并且对于低温条件下环形法兰施加给环形扇段的片状结构的压力不会造成很大影响。

此外，以传统的加工方式在法兰32上设置通风孔32a可以用于输送冷空气，从而从外部冷却涡轮环10。

下面对涡轮环组件按图1所示进行装配的方法进行详细说明：

上述环形扇段10均由陶瓷基复合材料(CMC)制备而成，其方法是：先制备一个类似环形扇段结构的纤维预制件，然后再向纤维预制件中填充陶瓷基体材料。

所述纤维预制件的制备可以用陶瓷纤维纱，如日本供应商日本碳素公司提供的名为Nicalon的SiC纱或碳纤维纱。

纤维预制件的预制成型方式优选三维织造，或多层堆叠织造，制备预制件时一些区域要预留一些不填充任何纤维的空白区域，这些空白区域的形状和大小与片状结构14和16相适应，就如同将片状结构14和16从环形扇10段移除后产生的孔洞一样。

所述织造物可以设有如图所示的互锁结构，也可以采用其他的三维织造或多层堆叠织造方法，如平针或缎纹织造等方式。详情可参见专利文件WO2006/136755.

织造完成后，需要对预制件进行初始构型，构型后再进一步对预制件进行固化和稠化，所述稠化可以采用化学气相浸渗(CVI)或溶体浸渗(MI)等方法，通过毛细作用将液态硅添加到预制件中。所述预制件在稠化之前先通过CVI方法进行固化，此处固化方法是本领域技术人员所熟知的，不再赘述。

美国专利US2012/0027572中公开了一种制备CMC环形扇段的方法。

所述环体支撑件3由铬镍铁合金、C263超耐热合金或沃斯帕洛伊合金等金属材料制备而成。

涡轮环组件的装配过程就是在环体支撑件3上连续安装多个环形扇段10。如图2所示，在闲置状态下，所述上游径向环形法兰32和下游径向环形法兰36之间的间距E小于环形扇段片气流上游处片状结构外表面14a和气流下游处片状结构外表面16a之间的距离D，所述闲置状态是指环形扇段尚未装配到法兰之间时。在当前的实施例中，所述间距E具体是指分别设于环形法兰32和36的唇形结构34和38之间间距。不过，在本发明的涡轮环组件的其他具体实施例中，所述法兰上可以不设有唇形结构，此时，所述间距E就是指与环形扇段的片状结构外表面相接触的两个法兰的内表面之间的距离。

通过限定环体支撑件上法兰之间的间距E小于环形扇段片状结构外表面之间的距离D，也就意味着，可以通过将环形扇段安装在环体支撑件的法兰之间而对其施加压力。不过，为了避免装配时对CMC环形扇段的片状结构造成损害，本发明的环体支撑件的环形法兰中至少有一个法兰可沿涡轮环轴线DA方向发生轴向弹性变形。在前述实施例中，所述下游径向环形法兰36是具有弹性形变能力的。更具体地，环体支撑件3的下游径向环形法兰36的厚度小于上游径向环形法兰32的厚度，这也就使得其具有了一定的回弹力。

如图3和图4所示，当装配环形扇段10时，沿DA方向拉动下游径向环形法兰36来增大环形法兰32和36之间的间距，从而将片状结构14和16能够置入环形法兰32和36之间，这种方法不会给片状结构14和16造成任何损害。一旦环形扇段的片状结构14和16置入到环形法兰32和36之间，并且其孔33和孔15分别与孔17和孔37对准，就可以将法兰36放松，使法兰32和36的唇形结构34和38分别接触环形扇段的片状结构14和16，并向该两个片状结构施加压力。

为方便通过牵引力来移除下游环形法兰36，该装置还包括多个钩体39，所述钩体39沿环形法兰表面36a布置，所述表面36a朝向与表面36b相反的方向，所述表面36b是所述环形法兰36上与环形扇段气流下游处的片状结构16相面向的内表面，与如图4所示。在本实施例中，利用一牵引装置50对具有弹性形变能力的法兰36施加一个沿涡轮环轴线方向DA的牵引力，所述牵引装置50至少拥有一个拉件51，所述拉件51上设有一个钩体510，所述钩体510与钩体39相勾连，所述钩体39设于法兰36的表面36a处。

设于法兰36表面36a处的钩体39的数量即牵引法兰36时的牵引点的数量，这一数量主要取决于法兰的弹性属性。本发明的范围并不局限于此，我们很容易想到以其他形状和配合方式来对环体支撑件施加沿轴线DA方向的牵引力。

环形扇段10装配并定位到法兰32和36之间的合理位置，栓柱式接合件40就与设于上游径向法兰32上的孔33和设于上游片状结构14上的孔15相接合，所述孔33和孔15是相互对准的；所述接合件41就与设于气流下游处的径向法兰36上的孔37和设于气流下游处的片状结构16上的孔17相接合，所述孔37和孔17是相互对准的。每一个环形扇段上的片状结构14或16上都设有一个或多个可插入栓柱式接合件41的孔。

钩体的形状和安装方向可以有多种方式。图5示出了下游径向环形法兰136上的多个钩体139的示意图，所述钩体139的开口方向为环形法兰的周向方向，牵引装置的拉件151插入钩体139中。图6示出了气流下游处径向环形法兰236上的多个钩体239的示意图，所述钩体239朝向环形法兰的径向且底部开口，牵引装置的拉件251插入到所述钩体239中。

Claims (6)

1.一种涡轮环组件，包括构成涡轮环的多个环形扇段，还包括设有两个环形法兰的环体支撑件，每一个环形扇段都设有第一部分，所述第一部分组成一个环形基体，所述环形基体的内表面限定了涡轮环的内侧面；所述环形基体的外表面沿径向延伸出两个片状结构，所述每一个环形扇段的片状结构都被夹在环体支撑件上的两个环形法兰之间；所述环体支撑件的两个环形法兰对环形扇段的片状结构施加压力，所述环体支撑件的环形法兰中至少有一个环形法兰具有沿涡轮环轴线方向弹性形变的能力，所述涡轮环组件其特征还在于，所述环形扇段由陶瓷基复合材料制备而成，所述涡轮环组件还包括多个接合件，所述接合件用于将所述环体支撑件(3)的环形法兰中的至少一个环形法兰及与面向所述至少一个环形法兰的环形扇段(10)的片状结构接合在一起；所述环体支撑件上具有弹性形变能力的环形法兰的厚度小于所述环体支撑件上不具有弹性变形能力的环形法兰的厚度。

2.如权利要求1所述的一种涡轮环组件，其特征在于，所述环体支撑件的环形法兰中至少有一个环形法兰包含一个唇形结构，所述唇形结构设于该环形法兰上与环形扇段的片状结构相面向的表面上。

3.如权利要求1或2所述的一种涡轮环组件，其特征在于，所述环体支撑件上具有弹性形变能力的环形法兰的表面上设有多个钩体，钩体分布的表面，是与环形法兰面向环形扇段(10)的片状结构(16)的表面(36b)相背离的一面。

4.一种涡轮环组件的制造方法，包括：

-制备多个环形扇段，每一个环形扇段都设有第一部分，多个第一部分组成一个环形基体，所述环形基体的内侧面限定涡轮环的内表面，所述环形基体的外表面沿径向延伸出两个片状结构；

-制备带有两个环形法兰的环体支撑件；

-将每一个环形扇段装配到环体支撑件的两个环形法兰之间，所述环体支撑件上两个环形法兰之间的间距小于所述环形扇段的两个片状结构的外表面之间的距离，所述环体支撑件的环形法兰中至少有一个环形法兰具备沿涡轮环轴线方向弹性形变能力；

其特征还在于，

所述每一个环形扇段均由陶瓷基复合材料制备而成，在装配环形扇段时，对所述具有弹性形变能力的环形法兰施加一沿涡轮环的轴线方向的牵引力，所述牵引力用于增大所述两个环形法兰之间的间距，以便将所述环形扇段的片状结构安装在环体支撑件的两个环形法兰之间；

该方法还包括通过多个接合件将所述环体支撑件的环形法兰中的至少一个环形法兰和与面向所述至少一个环形法兰的环形扇段的片状结构接合在一起；所述环体支撑件上的具有弹性形变能力的环形法兰的厚度小于该环体支撑件上另一不具有弹性形变能力的环形法兰的厚度。

5.如权利要求4所述的一种涡轮环组件的制造方法，其特征在于，所述环体支撑件的环形法兰中至少有一个环形法兰包含一个唇形结构，所述唇形结构设于该环形法兰上与环形扇段的片状结构相面向的表面上。

6.如权利要求4所述的一种涡轮环组件的制造方法，其特征在于，所述环体支撑件上具有弹性形变能力的环形法兰的外表面上还设有多个钩体，钩体分布的表面，是与环形法兰面向环形扇段(10)的片状结构(16)的表面(36b)相背离的一面；通过与一个或多个钩体勾连的牵引装置对所述具有弹性形变能力的环形法兰施加沿涡轮环轴线方向的牵引力。

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