CN108026785B - 涡轮发动机的涡轮机、涡轮喷气发动机和飞机 - Google Patents

Abstract

一种涡轮发动机的涡轮机(1)，其包括壳体(4)、涡轮机的分配器级(2)和支撑耐磨材料(51)的金属环(5)，分配器级(2)由陶瓷基复合材料制成并且包括形成具有内部套圈(240)和外部套圈(260)的环形的多个环形扇区(20)，每个扇区(20)具有形成内部套圈(240)的一部分的内部平台(24)以及形成外部套圈(260)的一部分的外部平台(26)，以及在外部平台(26)和内部平台(24)之间延伸并固定到其上的至少一个翼型件(28)，金属环(5)包括至少一个环形扇区。金属环(5)具有与内部套圈(240)的表面(24i)接触的外表面(56e)，内部套圈(240)的表面(24i)与翼型件(28)从其延伸的表面(24e)相对，金属环(5)具有在其外表面(56e)上大于内部套圈(240)的直径的外部直径，使得分配器级(2)在壳体(4)和金属环(5)之间保持压缩状态。

Description

涡轮发动机的涡轮机、涡轮喷气发动机和飞机

背景技术

本发明涉及涡轮发动机，尤其涉及航空涡轮发动机和工业涡轮机，并且更具体地涉及由陶瓷基复合材料或其中至少部分为陶瓷的复合材料制成的涡轮机喷嘴级，并且以下称为CMC材料。

提高涡轮发动机的性能并减少其污染排放导致的考虑的更高的运行温度。

对于在涡轮发动机的热部分中的元件，因此建议使用陶瓷基复合材料。CMC材料通常由耐火纤维制成的纤维增强物构成，耐火纤维诸如碳纤维或陶瓷纤维，用陶瓷或至少部分陶瓷的基体来致密。

这种材料具有显著的热结构性能、机械性能使得它们适于构成具有在高温下保持这些性能的结构元件。此外，CMC材料的密度远低于通常用于涡轮发动机热部分中的元件的金属材料的密度。

因此，文献WO2010/061140、WO2010/116066和WO2011/080443描述了制造用于CMC外涡轮发动机转子叶轮的叶片并且包括一体的内部和外部平台。特别是在文献WO2010/146288、FR2979662和EP2443318中，也已经提出了将CMC材料用于涡轮喷嘴。

传统的金属涡轮机喷嘴级是以由多个组装在一起的扇区组成的环形物的形式，每个扇区包括内部平台、外部平台以及在内部和外部平台之间延伸并固定到其上的多个翼型件。并列的内部平台形成内部套圈，并列的外部平台形成外部套圈。内部和外部套圈一起限定了通过喷嘴级的气体流动通道。

引入CMC喷嘴级，例如高压喷嘴级，与金属喷嘴级相比能够提高可容许的最高温度，并且因此减少所使用的冷却空气的量。因此这用于提高涡轮发动机的性能。

尽管如此，由于其性能与金属的性能非常不同，CMC对某些机械应力更为敏感。具体而言，CMC表现出更大的刚度和更小的膨胀，并且也降低可接受的牵引应力。

此外，由于CMC和金属之间的热膨胀差异，将CMC部件集成在金属环境中是困难的。在涡轮发动机中，特别是在涡轮发动机的高压部分中，这是非常困难的，因为环境非常热，因此加剧了材料之间的热膨胀系数的差异，并且气动力在涡轮机的这个区域中高压喷嘴级所经受的压力也非常高。

发明内容

本发明试图通过提出一种涡轮发动机的涡轮机来缓解上述缺点并克服上述困难，包括由CMC制成的涡轮机喷嘴级，所述涡轮机喷嘴级更易于安装并且适于提供具有改进密封性的刚性组件。

本发明提供了一种涡轮发动机的涡轮机，其包括壳体、涡轮机喷嘴级以及用于支撑耐磨材料的金属环，涡轮机喷嘴级由陶瓷基复合材料制成并且包括形成具有内部套圈以及外部套圈的多个环形扇区，每个环形扇区具有形成内部套圈的一部分的内部平台，形成外部套圈的一部分的外部平台，以及在外部平台和内部平台之间延伸并固定在其上的至少一个翼型件，以及所述金属环包括至少一个扇区，其至少部分为环形。

根据本发明的一般特征，金属环具有与喷嘴级的内部套圈的表面接触的外表面，内部套圈的表面与翼型件从其延伸的表面相对，金属环具有在其外表面上大于内部套圈的直径的外部直径，使得喷嘴级在壳体和金属环之间保持压缩状态。

与喷嘴级的内部套圈的内周表面的直径或半径相比，金属环的外表面，即金属环的外周表面的直径或半径的额外尺寸，使得可以将由喷嘴级形成的环形件夹持在壳体和金属环之间，从而通过在壳体和金属环之间压缩而将喷嘴级保持就位。

这使得可以通过使大部分CMC喷嘴在压缩状态下工作来利用CMC的特定性质，特别是CMC元件的良好压缩强度。

而且，这种构造使所使用的部件数量和不同部件之间的接触数量最小化，用于改善密封并减轻由喷嘴级和壳体内的金属环形成的组件。

当金属环的内径，即内周表面的直径小时，密封性甚至更好。具体而言，通过使金属环具有较小的内径，密封面积减小，从而降低了出现泄漏的风险。

在组装涡轮机时，金属环被冷却以便在其被插入并放置在由喷嘴级的环形扇区形成的环形内的位置之前减小其直径。一旦与喷嘴级延伸的平面对齐，金属环就恢复到环境温度，以便恢复其原始直径并施加径向力，所述径向力朝向喷嘴级上的壳体，以便将其保持在位置上。

在涡轮发动机的涡轮机的第二方面中，外部套圈可以包括环形肋，所述环形肋具有至少一个锯齿状部并从外部套圈面向壳体的表面延伸，壳体包括至少一个齿，其朝向喷嘴级从壳体的内圆周表面突出并且被布置为面向喷嘴级的环形肋的锯齿状部布置，以使得壳体的所述至少一个齿与喷嘴级的环形肋中的所述至少一个锯齿状部配合，以防止喷嘴级形成的喷嘴环转动。

因此锯齿状环形肋提供了用于防止喷嘴级转动的装置。

在涡轮发动机的涡轮机的第三方面中，壳体还可以包括朝向喷嘴级突出的肩部，所述壳体的肩部和喷嘴级的外部套圈的环形肋的尺寸被设定为使得壳体的肩部形成环形肋抵靠的邻接。

壳体的肩部因此可以与喷嘴级的环形肋配合以在喷嘴级的第一轴向方向上提供轴向邻接。

在涡轮发动机的涡轮机的第四方面中，涡轮机可以包括由所述喷嘴级的外部套圈和内部套圈之间的通道形成的流动通道，以及其中在流动方向上流动的气流，所述内部套圈的内表面和金属环的所述外表面都沿气流的流动方向呈现负斜率。

在金属环的外表面上提供的负斜率与在喷嘴级的内部套圈的内表面上呈现的负斜率之间的配合以便在喷嘴级的第二轴向方向上为金属环提供轴向邻接。第二轴向方向与喷嘴的第一轴向方向相反。第一方向对应于气流的流动方向，并且第二方向对应于与气流的流动方向相反的方向。

在壳体的肩部结构配置成在喷嘴级的第二轴向方向上形成轴向邻接，内部套圈的内表面和金属环的外表面可以在气流的流动方向上呈现正斜率，即在与气流的流动方向相反的方向上的负斜率，由此在喷嘴级的第一轴向方向上形成轴向邻接。

在另一结构中，其中涡轮机具有用于在涡轮机的两个轴向方向上形成轴向邻接的其他元件，内部套圈的内表面和金属环的外表面可呈现零斜率。

在涡轮发动机的涡轮机的第五方面中，喷嘴级的内部套圈可以具有孔口或凹口，并且金属环包括凸缘，所述凸缘从外表面突出并且适于在喷嘴级的内部套圈中与凹口或孔口配合，所述凸缘由销或钉或螺钉形成，从而形成从外表面突出的钉。

所述凸缘设置在金属环上与设置在喷嘴级的内部套圈中的孔口配合，首先用于为金属环提供轴向邻接，其次提供装置用于防止金属环转动。

在涡轮发动机的涡轮机的第六方面中，金属环可以呈现I形的截面。

金属环的I形截面用于减小金属环的重量并且因此减小涡轮机的总重量，同时与喷嘴级的内部套圈具有大的外部接触面积并且保持金属环高水平的刚性，以及将金属环制成单件的可能性。

在涡轮发动机的涡轮机的第七方面中，涡轮机还可以包括布置在喷嘴级的内部套圈和金属环的外表面之间的至少一个垫圈，诸如编织垫圈或金属线O形环。

因此，垫圈用于改善金属环与CMC喷嘴级之间的密封，特别是在热的环境中，其中CMC喷嘴与金属环之间以及CMC喷嘴级与壳体之间的任何曲率损失具有打开泄漏截面的风险。

在涡轮发动机的涡轮机的第八方面中，涡轮机可以包括布置在喷嘴级的外部套圈和壳体的内表面之间的至少一个垫圈，诸如编织垫圈或金属丝O形环。

在涡轮发动机的涡轮机的第九方面中，金属环可以制成单件。

将金属环制成单件用于避免各金属环截面之间的任何对准问题，并且优化金属环的径向变形一致性作为温度的函数。它还可以通过不在不同的金属环扇区之间产生泄漏截面来限制泄漏。

本发明还提供了一种涡轮喷气发动机，其包括如上定义的至少一个涡轮发动机的涡轮机，其中所述至少一个涡轮机中的至少一个是高压涡轮机或低压涡轮机。

本发明还提供了一种包括至少一个如上定义的涡轮喷气发动机的飞机。

附图说明

通过阅读以非限制性指示给出的以下描述并参考附图可以更好地理解本发明，其中：

图1是本发明的第一实施方式中的涡轮发动机的涡轮机的一部分的剖视图；

图2是图1的涡轮机部分的透视图；

图3是图1的涡轮机喷嘴的局部分解透视图；以及

图4是本发明的第二实施方式中的涡轮发动机的涡轮机的一部分的剖视图。

具体实施方式

图1是本发明的第一实施方式中的涡轮发动机的涡轮机的剖视图。

涡轮发动机的高压涡轮机1，例如航空涡轮发动机，如图1中部分所示，包括多个静止的喷嘴级2，其在流动方向上与转子叶轮3交替，如图1中箭头所示，通过涡轮机1的气流F，这些喷嘴和转子叶轮安装在涡轮机壳体4中。

每个转子叶轮3包括具有内部套圈34的多个叶片32，以及从内部套圈34延伸并与其连接的至少一个翼型件28。在内部套圈34的内侧，叶片通过接合在盘33中的槽中的根部而延伸。在外侧，叶片32的末端面对由环36携带的耐磨材料，以便在叶片32的尖端提供密封。

在整个说明书中，术语“内部”和“外部”参照相对于涡轮机1的旋转轴线X的位置或方向来使用。

叶片32可以是传统的金属叶片，或者它们可以是CMC材料叶片，例如，如文献WO2010/061140、WO2010/116066、WO2011/080443中描述获得。

至少一个喷嘴级，诸如图1中的喷嘴级2，通过将由CMC材料制成的多个环形扇区20结合而形成，如图2所示，图2是图1的涡轮机部分的透视图。

喷嘴级2的每个环形扇区20包括内部平台24、外部平台26和在内部和外部平台24和26之间延伸并固定在其上的翼型件28。在一个变型中，多个翼型件可以在单个喷嘴扇区的内部和外部平台之间延伸。一旦它们与涡轮机1的壳体4组装在一起，扇区20形成单个喷嘴环2，其呈现由扇区20的内部平台24并列的构成的内部套圈240和由扇区20的外部平台26并列的构成的外部套圈260。

喷嘴级2的内部套圈240具有外表面24e和内表面24i，并且喷嘴级2的外部套圈260也具有外表面26e和内表面26i。由于扇区20形成喷嘴级2，因此每个扇区20的内部平台24具有外表面部分24e和内表面部分24i，并且每个扇区20的外部平台26同样具有外表面部分26e和内表面部分26i。每个扇区20的翼型件28在内部套圈240的外表面24e和外部套圈260的内表面26i之间延伸，并且更具体地在相应的外表面部分24e和相应的内表面部分24i之间延伸。

喷嘴级2和转子叶轮3的内部套圈240和34的外表面24e和34e，以及喷嘴级2和密封环36的外部套圈260的内表面26i和36i用于转子叶轮3限定用于气流F通过涡轮机1的通道45。

在整个说明书中，术语“上游”和“下游”用于参照通道45中的气流F的流动方向，如箭头所示。

如图1和图2所示，在所述第一实施方式中，涡轮机1具有呈现I形截面的金属环5。金属环5因此具有内部套圈54、外部套圈56和在内部套圈54和外部套圈56之间延伸并固定在其上的扁平腹板58。

在其他实施方式中，金属环5可呈现其他形状。

金属环5的内部套圈54具有外表面54e和内表面54i，并且外部套圈56也具有外表面56e和内表面56i。扁平腹板58在内部套圈54的外表面54e和外部套圈56的内表面56i之间延伸。

金属环5的外表面56e经由金属丝O形环59贴靠在喷嘴2的内部套圈240的内表面24i上，并朝向喷嘴2上的壳体4施加径向力。金属丝O形环59因此被夹紧在金属环5的外表面56e和喷嘴级2的内部套圈240的内表面24i之间，并且在这两个元件之间提供密封。

金属环5还在内部套圈54的内表面54i上支撑面对由盘33承载的擦拭器35的耐磨材料51，以便为通道45提供内部密封。

金属环5可以由并列的扇区组成，每个扇区构成耐磨的管壳，或者它可以制成单件，如图2所示。

与喷嘴级2的内部套圈240接触的金属环5的外部套圈56的表面的直径，即金属环5的外部套圈56的外表面56e的直径是大于喷嘴级2的内部套圈240的表面的直径，用于从金属环5和喷嘴级2的上游到下游的每个轴向位置，即大于喷嘴级2的内部套圈240的内表面24i的直径。

喷嘴级2因此在壳体4和金属环5中保持压缩状态。

涡轮机1通过如下方式组装：首先将喷嘴级2的扇区20在其整个内周边上抵靠壳体4的内表面4i定位，然后为了将金属环5插入到给定的轴向位置，其冷却到一定温度使直径被减小到一定尺寸，即小于喷嘴级2的内部套圈240的内表面24i的直径的尺寸。然后使金属环5恢复到环境温度，同时保持在适当位置，直到其恢复到其初始直径并且施加用于保持挤压壳体4的喷嘴级2的径向力。

在将金属环5插入涡轮机1的过程中，通过特定的工具将喷嘴级2的扇区20保持静止在位。特定的工具可以例如呈具有在平行于涡轮机1的旋转轴线X的方向上突出的齿的环的形式，使得齿可以插入到喷嘴级2的翼型件28之间的空间中，并且对构成喷嘴级2的外部套圈260的扇区20的外部平台26施加径向力，以将它们保持压靠壳体4。

图3是用于喷嘴级2的扇区20的金属环5与壳体4一起的局部分解透视图。

如图1至3所示，喷嘴级2的外部套圈260具有环形肋6，所述环形肋6呈现每扇区20至少一个锯齿状部62。环形肋6在喷嘴级2的外部套圈260的外表面26e上延伸。

面对环形肋6中的每个锯齿状部62，壳体4在其内表面4i上具有齿7，所述齿朝向涡轮机1的旋转轴线X突出，即朝向喷嘴级2突出。齿7分布在壳体4的内表面4i的整个圆周上，以便在喷嘴级2的环形肋6中具有面向每个锯齿状部62的一个齿7。

在一个变型中，壳体可以仅具有一个齿或者实际上仅具有几个齿，或者钉，其适于与环形肋6中的一个或多个锯齿状部62配合。

齿7和锯齿状部62成形为以相对于本身静止的壳体4防止喷嘴级2的任何转动的方式配合。

同样如图1至3所示，壳体4具有朝向喷嘴级2突出的肩部8。肩部8和喷嘴级2的外部套圈260的环形肋6的尺寸和形状被设计成以这样的方式配合，即肩部8形成第一轴向邻接部，肋6抵靠所述第一轴向邻接部，从而防止图1中箭头所示的气流方向F上的轴向移动。

在当前示出的实施例中，金属环5的外部套圈56的外表面56e在流动通道45内也在气流的流动方向F上呈现负斜率，如图1中的箭头所示。所述斜率使得可以为金属环5提供第二轴向邻接，防止沿与图1中的箭头所示的气流的流动方向F相反的方向的任何轴向移动。

通过从肩部8延伸到肩部8的下游部分的壳体4的内表面4i所呈现的负斜率来改善第二轴向邻接的有效性。

在如图4所示的第二实施方式中，喷嘴级2的内部套圈240具有孔口9，并且金属环5具有螺纹孔11和螺钉10，所述螺纹仅过其柄的一部分，在金属环5中的螺纹孔11与喷嘴级2的内部套圈240中的孔口9对齐。

将螺钉10拧入螺纹孔11中，直到螺钉10的非螺纹端插入喷嘴级2的内部套圈240中的孔口9中。过盈配合钉同样可以满足要求。在这种情况下，孔11不会被旋开。

螺钉10在其自由端处形成钉插入喷嘴级2，用于提供轴向邻接和用于防止金属环5转动的装置。

在第二实施方式中，孔口9和螺钉10的存在使得有可能，可选地，避免在喷嘴级2中具有负斜率和正斜率，考虑到由那些元件执行的功能由以下螺钉10和孔口9形成的组件执行。

本发明因此提供了一种涡轮发动机的涡轮机，其具有由CMC制成的涡轮机喷嘴级，其可以以简化的方式安装并且适于形成具有改进密封的刚性组件。

Claims (11)

1.一种涡轮发动机的涡轮机(1)，其包括壳体(4)、涡轮机喷嘴级(2)和支撑耐磨材料(51)的金属环(5)，所述涡轮机喷嘴级(2)由陶瓷基复合材料制成，并且包括形成具有内部套圈(240)和外部套圈(260)的环形的多个环形扇区(20)，每个环形扇区(20)具有形成所述内部套圈(240)的一部分的内部平台(24)，形成外部套圈(260)的一部分的外部平台(26)，以及至少一个翼型件(28)，所述翼型件(28)在所述外部平台(26)与所述内部平台(24)之间延伸并固定到其上，所述金属环(5)包括至少一个扇区，所述扇区至少部分是环形的；其特征在于，所述金属环(5)具有与所述喷嘴级(2)的内部套圈(240)的与所述翼型件(28)从其延伸的表面(24e)相对的表面(24i)相接触的外表面(56e)，所述金属环(5)在其外表面(56e)上所具有的外部直径大于所述涡轮机喷嘴级(2)的内部套圈(240)的直径，使得所述喷嘴级(2)在所述壳体(4)与所述金属环(5)之间保持压缩状态。

2.根据权利要求1所述的涡轮机(1)，其中所述外部平台(26)包括具有至少一个锯齿状部(62)并且从所述外部平台(26)的面向所述壳体(4)的表面(26e)延伸的环形肋(6)，所述壳体(4)包括至少一个齿(7)，所述齿(7)朝向所述喷嘴级(2)从所述壳体(4)的内圆周表面(4i)突出，并且被布置为面向所述喷嘴级(2)的环形肋(6)的锯齿状部(62)，以使得所述壳体(4)的所述至少一个齿(7)与所述喷嘴级(2)的环形肋(6)中的所述至少一个锯齿状部(62)相配合，以防止所述喷嘴级(2)转动。

3.根据权利要求2所述的涡轮机(1)，其中所述壳体(4)还包括朝向所述喷嘴级(2)突出的肩部(8)，所述壳体(4)的肩部(8)和所述喷嘴级(2)的外部套圈(260)的环形肋(6)的尺寸被设定为使得所述壳体(4)的肩部(8)形成环形肋(6)抵靠的邻接部。

4.根据权利要求1所述的涡轮机(1)，包括由所述喷嘴级(2)的外部套圈(260)与内部套圈(240)之间的通道形成的流动通道(45)，在所述流动通道(45)中存在沿一流动方向流动的气流(F)。

5.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述喷嘴级(2)的内部套圈(240)具有孔口(9)或凹口，所述金属环(5)包括凸缘，所述凸缘从所述外表面(56e)突出，并适于与所述内部套圈(240)中的凹口或孔口(9)配合，以防止所述金属环(5)轴向移动或转动。

6.根据权利要求1所述的涡轮机(1)，其中所述金属环(5)呈现I形截面。

7.根据权利要求1所述的涡轮机(1)，还包括至少一个垫圈，所述垫圈被布置在所述喷嘴级(2)的内部套圈(240)与所述金属环(5)的外表面(56e)之间。

8.根据权利要求1所述的涡轮机(1)，还包括布置在所述喷嘴级(2)的外部套圈(260)与所述壳体(4)的内表面(4i)之间的至少一个垫圈。

9.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述金属环(5)制成单件。

10.一种涡轮喷气发动机，其包括至少一个根据权利要求1所述的涡轮发动机的涡轮机(1)，其中所述涡轮机(1)中的至少一个是高压涡轮机或低压涡轮机。

11.一种飞机，其包括至少一个根据权利要求10所述的涡轮喷气发动机。

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