CN109072705A - 在冷态下弹性保持的涡轮环组件 - Google Patents

在冷态下弹性保持的涡轮环组件 Download PDF

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Abstract

一种涡轮环组件，包括多个环扇区(10)，多个所述环扇区由陶瓷基复合材料制成并形成涡轮环(1)和环支承结构(3)，所述环支承结构具有第一环状凸缘(32)和第二环状凸缘(36)，每个环扇区具有突片(14、16)。每个环扇区(10)的第一突片(14)具有环状凹槽(140)，其接收第一凸缘(32)的环状突起(34)，在冷态下，在环状突起(34)与环状凹槽(140)之间存在间隙(J1)。每个环扇区(10)的第二突片(16)经由弹性保持元件(50)连接到环支承结构(3)。每个环扇区(10)的第二突片(16)包括至少一个开口(17)，该开口接收保持元件(40)与环支承结构(3)的第二环状凸缘(36)刚性连接的一部分，在冷态下，在第二突片(16)的开口(17)与保持元件(40)存在于所述开口中的部分之间存在间隙(J2)，所述保持元件由具有比形成环扇区的陶瓷基复合材料的热膨胀系数大的热膨胀系数的材料制成。

Description

在冷态下弹性保持的涡轮环组件
技术领域
本发明的应用领域具体是燃气轮机航空发动机的应用领域。但是，本发明适用于其它涡轮发动机，例如，工业涡轮机。
背景技术
已知陶瓷基复合(CMC)材料用于在高温下保持其机械性能，这使得它们适于构成热结构元件。
在燃气轮机航空发动机中，提高效率和减少某些污染排放导致寻求在更高温度下运行。对于完全由金属制成的涡轮环组件，有必要对组件的所有元件进行冷却，特别是对经受通常比金属材料能够承受的温度更热的很热的流的涡轮环进行冷却。由于所使用的冷却流从流过发动机的主流中获得，这种冷却对发动机的性能具有显著影响。另外，尽管会改善航空发动机的性能，但涡轮环使用金属限制了提高涡轮机内温度的可能性。
此外，金属涡轮环组件会在热流的作用下变形，从而改变与流动通道相关联的间隙，并因此改变涡轮机的性能。
这就是为什么已提出将CMC用于发动机的各种热部分的原因，特别是因为CMC具有密度比常规使用的难熔金属密度低的额外优点。
因此，在文献US2012/0027572中具体描述了将涡轮环扇区制成CMC单件。环扇区具有环状基部，所述环状基部具有内表面和外表面，所述内表面限定涡轮环内表面，从所述外表面伸出两个突片形成部，所述突片形成部使其端部与金属环支承结构中的外壳接合。
使用由CMC制成的环扇区使得能够显著减少冷却涡轮环所需的通风量。但是，保持或维持环扇区就位仍然是个问题，特别是在金属支承结构与CMC环扇区之间可能发生不同膨胀。另外，另一个问题在于，在冷热时均控制通道的形状，而不会在环扇区上产生过大应力。
发明内容
本发明寻求避免这些缺点，并且为此目的，本发明提供了一种涡轮环组件，包括多个环扇区，多个环扇区由陶瓷基复合材料制成并形成涡轮环和环支承结构，环支承结构具有第一环状凸缘和第二环状凸缘，每个环扇区具有环状基部形成部，环状基部形成部具有内表面和外表面，内表面限定涡轮环的内表面，从外表面伸出第一突片和第二突片，每个环扇区的突片保持在环支承结构的两个环状凸缘之间；涡轮环组件的特征在于，每个环扇区的第一突片在其面向环支承结构的第一环状凸缘的面内包括环状凹槽，环支承结构的第一环状凸缘在其面向每个环扇区的第一突片的面上包括环状突起，第一凸缘的环状突起接收在每个环扇区的第一突片的环状凹槽中，当冷时，在环状突起与环状凹槽之间存在间隙；其中，每个环扇区的至少第二突片通过至少一个弹性保持元件连接到环支承结构；并且其中，每个环扇区的第二突片包括至少一个开口，在开口中接收有保持元件的一部分，保持元件固定到环支承结构的第二环状凸缘，当冷时，在第二突片的开口与保持元件存在于开口中的部分之间存在间隙，所述保持元件由具有比环扇区的陶瓷基复合材料的热膨胀系数大的热膨胀系数的材料制成。
在本发明的环组件中，环扇区在冷时被弹性保持装置保持，使得环扇区能够在无预应力的情况下安装。环扇区的弹性保持装置在热时由于其膨胀而不再确保保持功能。在热时，首先由于在第一凸缘的环状突起与每个环扇区的第一突片的环状凹槽之间存在间隙，其次由于在保持元件与第二突片的开口之间存在间隙，因此在热时，第一凸缘的环状突起的膨胀和保持元件的膨胀会吸收保持力，该膨胀不会在环状扇区上引起应力。
在本发明的环组件的一实施例中，每个环扇区在轴向截面中呈π形，第一突片和第二突片从环状基部形成部的外表面伸出，弹性保持装置包括基部，基部紧固到环支承结构，并且从基部伸出第一臂和第二臂，每个臂在其自由端部处包括C型夹具弹性附接部，每个环扇区的第一突片的自由端部被第一臂的弹性附接部保持，而每个环扇区的第二突片的自由端部被弹性保持装置的第二臂的弹性附接部保持。
使用C型夹具弹性附接部使得能够以很小的应力在冷时实施组装。环扇区与环状支承结构之间的接触是均匀的，从而使力能够很好地分布。
根据本发明的环组件的特定特征，每个环扇区的所述第一突片包括与弹性保持装置的第一臂的C型夹具弹性附接部协配的外凹槽和内凹槽，并且每个环扇区的第二突片包括与弹性保持装置的第二臂的C型夹具弹性附接部协配的外凹槽和内凹槽。
每个环扇区的第一突片和第二突片的内凹槽和外凹槽可以具有与弹性保持装置的第一臂和第二臂的C型夹具弹性附接部的曲率半径类似的曲率半径。它们也可以呈直线形状，并且弹性保持装置的第一臂和第二臂的C型夹具弹性附接部沿直线方向延伸。
在本发明的环组件的另一实施例中，每个环扇区在轴向截面中呈π形，第一突片和第二突片从环状基部形成部的外表面伸出，弹性保持装置包括基部，基部紧固到环支承结构，并且从基部伸出第一臂和第二臂，第一臂和第二臂一起形成C型夹具弹性附接部，每个环扇区的第一突片的自由端部被第一臂保持，而每个环扇区的第二突片的自由端部被弹性保持装置的第二臂保持。
使用C型夹具弹性附接部使得能够以很小的应力在冷时实施组装。环扇区与环状支承结构之间的接触是均匀的，从而使力能够很好地分布。
根据本发明的环组件的特定特征，每个环扇区的第一突片包括与弹性保持装置的第一臂的自由端部协配的外凹槽，并且每个环扇区的第二突片包括与弹性保持装置的第二臂的自由端部协配的外凹槽。
每个环扇区的第一突片和第二突片的外凹槽也可以呈直线形状，并且弹性保持装置的第一臂和第二臂的自由端部沿直线方向延伸。
在本发明的环组件的又一实施例中，每个环扇区在轴向截面中呈K形，第一突片和第二突片从环状基部形成部的外表面伸出，第一突片在其第一端部处具有环状凹槽，在环状凹槽中接收有第一环状凸缘的环状突起，并且每个环扇区的第二突片经由一个或多个弹性保持元件连接到第二凸缘。
根据本发明的环组件的特定特征，每个环扇区的第二突片通过一个或多个夹具元件连接到环支承结构的第二环状凸缘。
附图说明
根据阅读参照附图以非限制指示方式给出的以下描述，可更好地理解本发明，其中：
-图1是示出本发明的涡轮环组件的实施例的剖视图；
-图2是示出安装在图1环组件的环支承结构中的环扇区的示意图；
-图3是示出图1环组件的变型实施例的示意立体图；
-图4是示出本发明的涡轮环组件的另一实施例的剖视图；
-图5是示出安装在图4环组件的环支承结构中的环扇区的图；
-图6是示出本发明的涡轮环组件的另一实施例的剖视图；以及
-图7是示出安装在图6环组件的环支承结构中的环扇区的示意图。
具体实施方式
图1示出了高压涡轮环组件，其包括由陶瓷基复合(CMC)材料制成的涡轮环1和金属环支承结构3。涡轮环1包围一组旋转叶片5。涡轮环1由多个环扇区10构成，图1是径向截面上的视图。箭头DA表示相对于涡轮环1的轴向，而箭头DR表示相对于涡轮环1的径向。
每个环扇区10的横截面大致呈倒置的希腊字母Pi或“π”的形状，其具有环状基部12，该环状基部12的内表面涂覆有耐磨材料层13，该耐磨材料层13限定出供气流流过涡轮的流动通道。上游突片14和下游突片16沿径向方向DR从环状基部12的外表面延伸。本文使用的术语“上游”和“下游”相对于流过涡轮的气流的流动方向(箭头F)。
固定到涡轮壳体30的环支承结构3包括弹性保持元件或装置50，该弹性保持元件或装置50包括：基部51，其紧固在涡轮壳体30的护罩31的内表面上；以及第一臂52和第二臂53，其分别从基部51向上游和下游延伸。基部51可以具体通过焊接、销钉固定、铆接或者使用螺母-螺栓型紧固构件夹持而紧固到涡轮壳体30的护罩31的内表面，在基部51和护罩31中开设有孔，用于供此类连接或紧固元件穿过。
第一臂52在其自由端部520处具有C型夹具弹性附接部521，该C型夹具弹性附接部具有曲率半径。弹性附接部521保持每个环扇区10的上游突片14的自由端部141。上游突片14的自由端部141具有形成在突片14两侧的内凹槽142和外凹槽143，以与弹性附接部521协配，在本示例中，凹槽142、143具有与弹性附接部521的曲率半径类似的曲率半径。同样，第二臂53在其自由端部530处具有C型夹具弹性附接部531，该C型夹具弹性附接部具有曲率半径，并用于保持每个环扇区10的下游突片16的自由端部161。下游突片16的自由端部161具有形成在突片16两侧的内凹槽162和外凹槽163，以与弹性附接部531协配，在本示例中，凹槽162、163具有与弹性附接部531的曲率半径类似的曲率半径。
弹性保持元件50可以由诸如镍基高温合金因科镍(Inconel)718或AM1合金之类的金属材料制成。其优选制成多个环状扇区，以便使其更容易紧固到壳体30。弹性保持元件50用于在冷时将环扇区10保持在环支承结构3上。术语“冷”在本发明中意指当涡轮不运行时环组件所处的温度，即，例如可以是约25℃的环境温度。
环支承结构3具有上游环状径向凸缘32，该上游环状径向凸缘32在其内表面32a上具有第一突起34，该第一突起34面向环扇区10的上游突片14，突起34接收于上游突片14的外表面14a所具有的环状凹槽140中。在冷时，在第一突起34与环状凹槽140之间存在间隙J1。第一突起34在环状凹槽140中的膨胀有助于在热时将环状扇区10保持在环支承结构3上。在本文中使用的术语“热”意指涡轮运行时环组件所经受的温度，该温度可以在600℃至900℃的范围内。
上游环状径向凸缘32还具有第二突起35，该第二突起35面向上游突片14的外表面14a，第二突起35从上游径向凸缘32的内表面32a延伸的距离比第一突起32从上游径向凸缘32的内表面32a延伸的距离短。
在下游侧，环支承结构具有下游环状径向凸缘36，该下游环状径向凸缘36在其内表面36a上具有突起38，该突起38面向环扇区10的下游突片16。
此外，在此次描述的示例中，环扇区10也被保持元件保持，保持元件具体为保持器(kepper)40的形式。保持器40同时接合于环支承结构3的上下游环状凸缘36和环扇区10的下游突片16。为此目的，每个保持器40穿过形成于下游环状径向凸缘36的各个孔37和形成于每个下游突片16的各个孔17，当将环扇区10安装在环支承结构3上时，孔37、17对齐。保持器40由具有比环扇区10的陶瓷基复合材料的热膨胀系数大的热膨胀系数的材料制成。举例而言，保持器40可以由金属材料制成。在冷时，在保持器40与存在于每个下游突片16的孔17之间存在间隙J2。保持器40在孔17中的膨胀有助于在热时将环扇区10保持在环支承结构3上。
另外，通过将接收在两个相邻环扇区的相对边缘中彼此面对的凹槽中的舌片密封，从而在扇区之间提供密封。在环状基部12的中间部分中，舌片22a几乎在环状基部12的整个长度上延伸。另一舌片22b沿着突片14在环状基部12的一部分上延伸。另一舌片22c沿着突片16延伸。在一端处，舌片22c邻接于舌片22a和舌片22b。举例而言，舌片22a、22b、22c由金属制成，当冷时在其外壳中具有间隙的方式安装，以便在运行中所遇到的温度下提供密封功能。
以常规的方式，形成于凸缘32的通风孔33允许从涡轮环10的外部输送冷却空气。
以下对如何制成图1所示相对应的涡轮环组件进行描述。
通过形成接近环扇区形状的纤维预制件形状，并通过用陶瓷基质使环扇区致密化，从而由陶瓷基复合(CMC)材料制成每个上述环扇区10。
为了制造纤维预制件，能够使用由陶瓷纤维制成的纱线，例如，由诸如日本供应商Nippon Carbon以“碳化硅”的名称销售的那些纱线之类的SiC纤维制成的纱线，或者由碳纤维制成的纱线。
纤维预制件有利地通过三维编织或通过多层编织制成，同时留下非互连区域，使得预制件的相当于突片14、16的部分能够移动远离扇区10。
如图所示，编织可以是互锁型编织。可以使用诸如多平纹或多缎纹编织之类的其它三维或多层编织。可以参照文献WO2006/136755。
众所周知，在编织之后，坯件可以成形以获得环扇区预制件，然后将其固结，之后通过陶瓷基质致密化，特别是可以通过化学气相渗透(CVI)进行致密化。
制造CMC环扇区的详细示例在文献US2012/0027572中具体描述。
环支承结构3由诸如因科镍718或AM1合金之类的金属材料制成。
然后通过将环扇区10安装在环支承结构3上来继续组装涡轮环组件。在上述示例中，环支承结构具有沿环的轴向方向DA弹性可变形的至少一个凸缘，在本示例中为下游环状径向凸缘36。如图2所示，在安装环扇区10的同时，沿方向DA拉动下游环状径向凸缘36，以增大凸缘32、36之间的间距，从而使存在于凸缘32上的第一突起34能够插入突片14所具有的凹槽140中，而不会有损坏环扇区10的风险。为了更容易地移离下游环状径向凸缘36，其包括多个钩部39，这些钩部39分布在所述下游环状径向凸缘36的面36b上，面36b面对远离凸缘36面对环扇区10的下游突片16的面36a。在本示例中，沿环的轴向方向DA施加在弹性可变形的凸缘36上的牵引力借助于具有至少一个臂51的工具50作用，其中，臂51具有包括钩部510的端部，钩部510接合于凸缘36的外表面36a上存在的钩部39。分布在凸缘36的面36a上的钩部39的数量根据凸缘36上所需的牵引点的数量限定。该数量主要取决于凸缘的弹性性质。在本发明的范围内，自然可以设想能够将牵引力沿轴向方向DA施加在环支承结构的凸缘之一上的装置的其它形状和布置。
一旦环状凸缘36已沿方向DA移离，首先，直到突片14的凹槽142、143分别与弹性附接部521的弯曲端部5210、5211协配，其次，直到突片16的凹槽162、163分别与弹性附接部531的弯曲端部5310、5311协配，则突片14、16的自由端部141、161分别接合于弹性保持元件50的弹性附接部521、531。一旦凸缘14的突起34已插入突片14的凹槽140中，并且弯曲端部5210、5211、5310、5311已被接收于凹槽142、143、162、163中，并且突片14、16已定位成使孔17、37对齐，则释放凸缘36。然后，保持器40接合在对齐的孔37、17中，所述孔37、17分别形成在下游环状径向凸缘36和下游突片16中。每个环扇区突片14或16可包括一个或多个用于供一个或多个保持器通过的孔。保持器40紧密配合在下游环状径向凸缘36的孔37中，提供称为H6-P6配合件的组件或其它紧密配合组件，使得这些元件在冷时能够保持在一起。保持器40可以由销钉或任何其它等效元件更换。
在冷时，环扇区10被弹性保持元件50保持。在热时，弹性保持元件50的膨胀意味着其无法再确保环扇区被附接部521、531保持。通过突起34在突片14的凹槽140中膨胀，从而吸收或消除间隙J1，并且通过保持器40在突片16的孔17中膨胀，从而吸收或消除间隙J2，藉此在热时提供保持。
图3示出了高压涡轮环组件的变型实施例，其与以上参照图1和图2所描述的高压涡轮环组件的不同之处在于，存在于每个环扇区110的突片114的端部1141处的内凹槽1142和外凹槽1143、以及存在于每个环扇区110的突片116的端部1161处的内凹槽1162和外凹槽1163呈直线形状，并且弹性附接部621存在于每个弹性保持元件60的第一臂62的端部处的弯曲端部6210和6211、以及弹性附接部631存在于每个弹性保持元件60的第二臂63的端部处的弯曲端部6310、6311沿直线方向延伸。这使得特别是能够简化环扇区的突片中的凹槽的加工。在这种情况下，弹性保持元件60由多个区段构成。高压涡轮环组件的其它部分与以上参照图1和图2所示的环组件所描述的那些部分相同。
图4示出了另一实施例中的高压涡轮环组件，其与以上参照图1和图2所描述的涡轮环组件的不同之处在于，其使用不同的弹性保持元件或装置。与如上所述的环组件相同，图4的环组件包括涡轮环201和金属环支承结构203，涡轮环201由陶瓷基复合(CMC)材料制成。涡轮环201由多个环扇区210构成，并且包围一组旋转刀片205。每个环扇区210的横截面大致呈倒置的希腊字母Pi或“π”的形状，其具有环状基部212，该环状基部具有：涂覆有耐磨材料层213的内表面；以及上游突片214和下游突片216，其从环状基部212的外表面沿径向方向DR延伸。
固定到涡轮壳体230的环支承结构203具有弹性保持元件或装置250，该弹性保持元件或装置250包括：基部251，其紧固到涡轮壳体230的护罩231的内表面；以及第一臂252和第二臂253，其分别从基部251向上游和下游延伸。利用这两个臂252、253，弹性保持元件250形成C型夹具弹性附接件，用于在冷时将环扇区210保持在环支承结构203上。第一臂252在其自由端部2520处具有弯曲附接部2521，在本示例中，该附接部沿直线方向延伸。弯曲附接部2521保持每个环扇区210的上游突片214的自由端部2141。上游突片214的自由端部2141包括外凹槽2143，该外凹槽2143布置于突片214的外表面214a，并与弯曲附接部2521协配，在本示例中，凹槽2143呈直线形状。同样，第二臂253在其自由端部2530处具有弯曲附接部2531，该附接部沿直线方向延伸，并且保持每个环扇区210的下游突片216的自由端部2161。下游突片216的自由端部2161包括外凹槽2163，该外凹槽2163布置于突片216的外表面216a，并与弯曲附接部2531协配，在本示例中，凹槽2163呈直线形状。
弹性保持元件250可以由诸如因科镍718或AM1合金之类的金属材料制成。其优选制成多个环状扇区，以便使其更容易紧固到壳体230。弹性保持元件250用于在冷时将环扇区210保持在环支承结构203上。
以与上述图1和图2的环组件相同的方式，环支承结构203具有上游环状径向凸缘232，该上游环状径向凸缘232在其内表面232a上具有第一突起234，该第一突起234面向环扇区210的上游突片214，突起234接收于上游突片214的外表面214a所具有的环状凹槽2140中。在冷时，在第一突起234与环状凹槽2140之间存在间隙J21。第一突起234在环状凹槽2140中的膨胀有助于在热时将环扇区210保持在环支承结构203上。上游环状径向凸缘232还具有第二突起235，该第二突起235面向上游突片214的外表面214a，第二突起235从上游径向凸缘232的内表面232a延伸的距离比第一突起234从上游径向凸缘232的内表面232a延伸的距离短。在下游侧，环支承结构具有下游环状径向凸缘236，该下游环状径向凸缘236在其内表面236a上具有突起238，该突起238面向环扇区210的下游突片216。
此外，在此次描述的示例中，环扇区210也被保持元件保持，在本示例中，保持元件为保持器240的形式。保持器240接合于环支承结构203的上下游环状凸缘236和环扇区210的下游突片216两者中。为此目的，每个保持器240分别穿过形成于下游环状径向凸缘236的各个孔237和形成于每个下游突片216的各个孔217。保持器240由具有比环扇区210的陶瓷基复合材料的热膨胀系数大的热膨胀系数的材料制成。保持器240例如可以由金属材料制成。在冷时，在保持器240与存在于每个下游突片216的孔217之间存在间隙J22。保持器240在孔217中的膨胀有助于在热时将环扇区210保持在环支承结构203上。
另外，由上述密封舌片222a、222b、222c提供扇区之间的密封。以常规的方式，形成于凸缘232的通风孔233用于从涡轮环210的外部带入冷却空气。
通过形成形状接近环扇区形状的纤维预制件，并通过用陶瓷基质使环扇区致密化，从而由陶瓷基复合(CMC)材料制成每个环扇区210。环支承结构203由诸如因科镍718或AM1合金之类的金属材料制成。
如图5所示，在组装环扇区210时，沿方向DA拉动下游环状径向凸缘236，以使存在于凸缘232上的第一突起234能够插入存在于突片214的凹槽2140中，而不会有损坏环扇区210的风险。为了便于通过牵引力将下游环状径向凸缘236移离，其包括多个钩部239，这些钩部239分布在所述下游环状径向凸缘236的面236b上，该面与凸缘236面对环扇区210的下游突片216的面236a相对。在本示例中，沿环的轴向方向DA施加在弹性可变形的凸缘236上的牵引力借助于具有至少一个臂271的工具270作用，其中，臂271具有包括钩部2710的端部，钩部2710接合于凸缘236的外表面236a上存在的钩部239。
一旦环状凸缘236已沿方向DA移离，则突片214、216的自由端部2141、2161接合在弹性保持元件250的端部2520、2530之间，直到突片214的凹槽2143和突片216的凹槽2163分别与弹性保持元件250的弯曲附接部2521、2531协配。一旦凸缘214的突起234插入突片214的凹槽2140中，并且弯曲附接部2521、2531已定位于凹槽2143、2163中，并且所述突片214、216已定位成使孔217、237对齐，则释放凸缘236。然后，保持器240接合在对齐的孔237、217中，所述孔237、217分别形成在下游环状径向凸缘236和下游突片216中。环扇区的每个突片214或216可以包括一个或多个孔，用于供一个或多个保持器穿过。保持器240紧密配合在下游环状径向凸缘236的孔237中，提供称为H6-P6配合件的组件或其它紧密组件，使得这些元件在冷时能够保持在一起。保持器240可以由销钉或任何其它等效元件代替。
在冷时，环扇区210被弹性保持元件250保持。在热时，弹性保持元件250的膨胀意味着其不能再确保环扇区被弯曲附接部2521、2531保持。通过突起234在突片214的凹槽2140中膨胀，从而吸收或消除间隙J21，并且通过保持器240在突片16的孔217中膨胀，从而吸收或消除间隙J22，藉此在热时提供保持。
图6示出了另一实施例中的高压涡轮环组件。与如上所述的环组件相同，图6的环组件包括涡轮环301和金属环支承结构303，涡轮环301由陶瓷基复合(CMC)材料制成，金属环支承结构303固定到涡轮壳体330。涡轮环301由多个环扇区310构成，并且包围一组旋转刀片(在图6中未示出)。每个环扇区310呈字母K的形状，其中，环状基部312具有涂覆有耐磨材料层313的内表面，以限定用于供气流流过涡轮的通道。大致呈字母S的形状的第一突片314和第二突片316从环状基部312的外表面延伸。
环支承结构303具有上游环状径向凸缘332，该上游环状径向凸缘332在其内表面332a上具有第一突起334，该第一突起334面向环扇区310的上游突片314，突起334接收于上游突片314的端部3141所具有的环状凹槽3140中。在冷时，在第一突起334与环状凹槽3140之间存在间隙J31。第一突起334在环状凹槽3140中的膨胀有助于在热时将环扇区310保持在环支承结构303上。上游环状径向凸缘332还具有第二突起335，该第二突起335从上游突片314的端部3141下方突出。
在下游侧，环支承结构具有下游环状径向凸缘336，该下游环状径向凸缘336在其外表面336b上具有突起338。环状径向凸缘336还具有臂339，在该元件中，每个环扇区具有两个臂，这些臂在凸缘336的外表面附近径向延伸。每个臂339在其自由端部3390处包括孔3391。
环组件还具有C型夹具弹性保持元件或装置350，每个C型夹具弹性保持元件或装置350具有第一弹性附接部352和第二弹性附接部353。弹性保持元件350用于在冷时将环扇区310的下游突片316的端部3161保持抵靠突起328，应力分别通过每个弹性保持元件350的第一弹性附接部352的端部3520和第二弹性附接部353的端部3530施加在其两个部分上。弹性保持元件350可以由诸如因科镍718或AM1合金之类的金属材料制成。
此外，在此次描述的示例中，环扇区310也被保持元件保持，在本示例中，保持元件为销钉340的形式。销钉340接合于弹性保持元件350中的环支承结构303的上下游环状凸缘336的臂339和环扇区310的下游突片316两者。为此目的，每个销钉340穿过：形成于下游环状径向凸缘32、36上存在的每个臂339的相应孔3391；形成于每个弹性保持元件350的相应孔355；以及形成于每个突片316的相应孔317。销钉340由具有比环扇区310的陶瓷基复合材料的热膨胀系数大的热膨胀系数的材料制成。举例而言，销钉340可以由金属材料制成。在冷时，在销钉340与存在于每个下游突片216的孔317之间存在间隙J32。在热时，销钉340在孔317中的膨胀有助于将环扇区310保持在环支承结构303上。
通过形成形状接近环扇区形状的纤维预制件，并通过用陶瓷基质使环扇区致密化，从而由陶瓷基复合(CMC)材料制成每个环扇区310。环支承结构303可以由诸如因科镍718或AM1合金之类的金属材料制成。
如图7所示，在组装环扇区310时，存在于凸缘332上的第一突起334接合在存在于突片314的凹槽3140中。每个环扇区310的突片316的端部3161被压靠在存在于环状凸缘336的端部处的突起338。一旦突起334已插入凹槽3140且端部3161被压靠于突起338，则弹性附接元件250定位在端部3161与突起338之间，第一弹性附接部352的端部3520与突起338接触，每个弹性保持元件350的第二弹性附接部353的端部3530与突片316的端部3161接触。在冷时，弹性元件350用于将每个环扇区310的突片316的端部3161保持在环状凸缘336的突起338上。
然后，销钉340接合在每个对齐的一系列孔3391、355、317中，所述孔3391、355、317分别形成于：存在于下游环状径向凸缘3236上的每个臂339；弹性保持元件350；以及突片316。销钉340紧密配合在每个臂339的孔3391中，每个臂339通过H6-P6配合件或其它紧密配合组件来组装，使得这些元件在冷时能够保持在一起。销钉340可以由保持器或任何其它等效元件代替。
在冷时，环扇区310被弹性保持元件350保持。在热时，弹性保持元件350的膨胀意味着其不能再用于通过弹性附接部352、353来保持环扇区。通过突起334在突片314的凹槽3140中膨胀，从而吸收或消除间隙J31，并且通过销钉340在突片316的孔317中膨胀，从而吸收或消除间隙J32，藉此在热时提供保持。
图6和图7的涡轮环组件被描述为具有K形截面的环扇区。但是，如图1至图5所示的那样，本实施例同样适用于具有大致呈倒置的希腊字母π形状的截面的环扇区。同样，参照图1至5描述的涡轮环组件的实施例同样适用于具有K形截面的环扇区。

Claims (10)

1.一种涡轮环组件，包括多个环扇区(10)，多个所述环扇区由陶瓷基复合材料制成并形成涡轮环(1)和环支承结构(3)，所述环支承结构具有第一环状凸缘(32)和第二环状凸缘(36)，每个环扇区具有环状基部形成部(12)，所述环状基部形成部具有内表面和外表面，所述内表面限定涡轮环的内表面，从所述外表面伸出第一突片(14)和第二突片(16)，每个环扇区的突片保持在所述环支承结构(3)的两个环状凸缘(32、36)之间；
所述涡轮环组件的特征在于，每个环扇区(10)的第一突片(14)在其面向所述环支承结构(3)的所述第一环状凸缘(32)的面(14a)内包括环状凹槽(140)，所述环支承结构的所述第一环状凸缘在其面向每个环扇区(10)的所述第一突片(14)的面(32a)上包括环状突起(34)，所述第一凸缘(32)的所述环状突起(34)接收在每个环扇区的所述第一突片(14)的所述环状凹槽(140)中，当冷时，在所述环状突起(34)与所述环状凹槽(140)之间存在间隙(J1)；
其中，每个环扇区(10)的至少所述第二突片(16)通过至少一个弹性保持元件(50)连接到所述环支承结构(3)；并且
其中，每个环扇区(10)的所述第二突片(16)包括至少一个开口(17)，在所述开口中接收有保持元件(40)的一部分，所述保持元件固定到所述环支承结构(3)的所述第二环状凸缘(36)，当冷时，在所述第二突片(16)的所述开口(17)与所述保持元件(40)存在于所述开口中的部分之间存在间隙(J2)，所述保持元件由具有比所述环扇区的陶瓷基复合材料的热膨胀系数大的热膨胀系数的材料制成。
2.如权利要求1所述的组件，其特征在于，
每个环扇区(10)在轴向截面中呈π形，所述第一突片(14)和所述第二突片(16)从所述环状基部形成部(12)的外表面伸出，其中，弹性保持装置(50)包括基部(51)，所述基部紧固到所述环支承结构(3)，并且从所述基部伸出第一臂(52)和第二臂(53)，每个臂在其自由端部处包括C型夹具弹性附接部(521、531)，每个环扇区(10)的所述第一突片(14)的自由端部(141)被所述第一臂(52)的弹性附接部(521)保持，而每个环扇区的所述第二突片(16)的自由端部(161)被所述弹性保持装置(50)的所述第二臂(53)的弹性附接部(531)保持。
3.如权利要求2所述的组件，其特征在于，
每个环扇区(10)的所述第一突片(14)包括与所述弹性保持装置(50)的所述第一臂(52)的C型夹具弹性附接部(521)协配的外凹槽(5211)和内凹槽(5210)，并且每个环扇区(10)的所述第二突片(16)包括与所述弹性保持装置(50)的所述第二臂(53)的C型夹具弹性附接部(531)协配的外凹槽(5311)和内凹槽(5310)。
4.如权利要求3所述的组件，其特征在于，
每个环扇区(10)的所述第一突片(14)和所述第二突片(16)的内凹槽(5210、5310)和外凹槽(5211、5311)具有与所述弹性保持装置(50)的所述第一臂(52)和所述第二臂(53)的C型夹具弹性附接部(521、531)的曲率半径类似的曲率半径。
5.如权利要求3所述的组件，其特征在于，
每个环扇区(110)的第一突片(114)和第二突片(116)的内凹槽(1142、1162)和外凹槽(1143、1163)呈直线形状，并且所述弹性保持装置(60)的所述第一臂(62)和所述第二臂(63)的C型夹具弹性附接部(621、631)沿直线方向延伸。
6.如权利要求1所述的组件，其特征在于，
每个环扇区(210)在轴向截面中呈π形，所述第一突片(214)和所述第二突片(216)从所述环状基部形成部(212)的外表面伸出，其中，所述弹性保持装置(250)包括基部(251)，所述基部紧固到所述环支承结构(203)，并且从所述基部伸出第一臂(251)和第二臂(252)，所述第一臂和所述第二臂一起形成C型夹具弹性附接部，每个环扇区(210)的所述第一突片(214)的自由端部(2141)被所述第一臂(252)保持，而每个环扇区(210)的所述第二突片(216)的自由端部(2161)被所述弹性保持装置(250)的所述第二臂(253)保持。
7.如权利要求6所述的组件，其特征在于，
每个环扇区(210)的所述第一突片(214)包括与所述弹性保持装置(250)的所述第一臂(252)的自由端部(2520)协配的外凹槽(2143)，并且每个环扇区(210)的所述第二突片(216)包括与所述弹性保持装置(250)的所述第二臂(253)的自由端部(2530)协配的外凹槽(2163)。
8.如权利要求7所述的组件，其特征在于，
每个环扇区(210)的第一突片(214)和第二突片(216)的外凹槽(2143、2163)呈直线形状，并且所述弹性保持装置(250)的所述第一臂(252)和所述第二臂(253)的自由端部(2520、2530)沿直线方向延伸。
9.如权利要求1所述的组件，其特征在于，
每个环扇区(310)在轴向截面中呈K形，所述第一突片(314)和所述第二突片(316)从所述环状基部形成部(312)的外表面伸出，所述第一突片(314)在其第一端部(3141)处具有环状凹槽(3140)，在所述环状凹槽中接收有所述第一环状凸缘(332)的环状突起(334)，并且每个环扇区(310)的所述第二突片(316)经由一个或多个弹性保持元件连接到第二凸缘(336)。
10.如权利要求9所述的组件，其特征在于，
每个环扇区(310)的所述第二突片(316)通过一个或多个夹具元件(350)连接到所述环支承结构(303)的所述第二环状凸缘(336)。
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