CN110177923A - 涡轮环组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮环组件，其包括环支撑结构(3)以及由陶瓷基复合材料制成以形成涡轮环(1)的多个环扇区(10)，每个扇区(10)在由环(1)的轴向方向(DA)和径向方向(DR)限定的第一剖面(I)中具有形成环形底座(12)的部分，所述部分沿径向方向(DR)具有内表面(12a)和外表面(12b)，两个附接凸耳(14、16)从所述外表面(12b)延伸，所述第一和第二附接凸耳(14、16)在它们之间限定周向打开的环形腔室(120)，所述环支撑结构(3)包括两个径向凸耳以及至少一个喷射孔(4)，在所述两个径向凸耳之间保持有附接凸耳(14、16)，喷射孔用于喷射冷却空气流到环形腔室(120)。在包含轴向方向(DA)以及与第一剖面(I)正交的方向(DC)的第二剖面中，所述孔(4)相对于所述与第一剖面(I)正交的方向(DC)形成第一进给角(α1)，第一进给角(α1)在‑80°到+80°的范围内。

Description

涡轮环组件
背景技术
本发明涉及一种涡轮环组件，所述涡轮组件包括也称为壳体的环支撑结构以及由陶瓷基复合材料制成的多个环扇区。
本发明的应用领域尤其是燃气轮机航空发动机的领域。然而，本发明也适用于其他涡轮发动机，例如适用于工业涡轮。
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，尤其是承受最热流的涡轮环。这种冷却对发动机的性能具有重大影响，由于通过发动机从主流获取了所使用的冷却流。此外，使用金属用于涡轮环限制了涡轮内增加温度的可能性，即使这可以改进航空发动机的性能。
为了解决这些问题，已经提出了由陶瓷基复合(CMC)材料制成涡轮环扇区，从而避免使用金属材料。
CMC材料具有使其适用于构成结构元件的良好机械性能，并且有利地它们在高温下保持这些性能。使用CMC材料有利地用于减少在操作中需要输送的冷却流，从而改进了涡轮发动机的性能。此外，使用CMC材料有利地用于减少涡轮发动机的重量，并减少金属部件所遭受的热膨胀效应。
然而，CMC材料非常刚硬，并且具有与常规使用的金属合金相比很低的机械导纳。
此外，在燃气轮机航空发动机中，高压涡轮环面对热源，气流通过通道，以及面对冷源，所述冷源为在环与壳体之间的腔室，以下称为“环腔”。
具体地，环腔需要处于与通道中压力相比更高的压力，以避免通道中的空气穿透和燃烧金属部件。通过从压缩机获取空气并通过将其输送到环腔获得了这种超压，这解释了该空气“很冷”，由于其并没有在燃烧室中被加热。
对超压的这种需求使得无法完全地切断“冷”空气到环腔的进给，因此无法忽略冷源。因此不可能具有一种温度均匀的环。在这些情况下，将会存在很明显的温度梯度，并且它们会在环中产生机械应力。
研究已经表明，温度梯度需要尽可能呈径向，即需要具有尽可能小的轴向和切向温度梯度。
用于优化环腔的冷却的一种已知技术包括利用冲击：冷却空气穿过多穿孔薄板，这使其加速并增加了与面对表面的热交换系数，所述面对表面在这种情况下对应于环的顶表面。对于给定温度和给定的冷却空气流速，这可以更有效地冷却环的区域。
然而，需要迫使空气通过薄板。否则，空气将不会穿过孔并且冷却将无效。在金属环上，这通过在环的周围焊接来实现。
由于两种原因，将该技术转换成由CMC制成的环是不可能的。
首先，在金属薄板和CMC环之间的膨胀系数太大。这两个部件彼此之间变形过大，无法长期保持和密封。
其次，焊接由CMC材料制成的部件不可能。为了减轻第一点的难度，可以由CMC材料制造多孔薄板。然而，目前还不存在将CMC部件焊接/钎焊到另一CMC部件的任何技术。
一种解决方案是使用环腔中的空气流并且使其“灵活地”运行以减弱轴向和方位梯度。为此，一种已知的技术包括致使环腔的进给孔倾斜，从而产生涡流效应并增加环的焊盘(pad)上的热交换系数和冷却效果。
该解决方案不能适用于发动机上存在的涡轮环，由于壁在环形环部分两端的存在意味着环腔并不轴对称，并且阻止了在腔室中形成整体旋转的流，这就是为什么进给孔现在是纯轴向的原因。
发明目的和概要
本发明旨在提供一种涡轮环组件，所述涡轮环组件具有由陶瓷基复合材料制成的环，并且能够喷射空气流到环腔内，所述空气流消除轴向温度梯度。
本发明提供了一种涡轮环组件，所述涡轮环组件包括环支撑结构以及由陶瓷基复合材料制成以形成涡轮环的多个环扇区，每个环扇区在由涡轮环的轴向方向和径向方向限定的第一剖面中具有形成环形底座的部分，所述部分沿涡轮环的径向方向具有限定涡轮环的内侧表面的内表面以及外表面，第一和第二附接凸耳从所述外表面延伸，所述第一和第二附接凸耳在它们之间限定周向打开的环形腔室，环支撑结构具有第一和第二径向凸耳以及至少一个喷射孔，在所述第一和第二径向凸耳之间保持有每个环扇区的第一和第二附接凸耳，所述喷射孔用于喷射冷却空气流到环形腔室。
根据本发明的通用特征，在包含环的轴向方向以及与第一剖面正交的方向的第二剖面中，所述喷射孔相对于所述与第一剖面正交的方向形成第一进给角。所述第一进给角在-80°到+80°的范围内，优选地在-60°到-30°的范围内。
在环扇区的环形腔室之间缺乏任何分割壁使得在环的整体圆周周围形成连续的环形腔室，并且也可以在环的环形腔室中产生一种用于冷却空气流的旋转流。
第一进给角用于沿绕该环的旋转方向引导被喷射通过环支撑结构的冷却空气流，与使其轴向地喷射相反，即与环的周向或圆形方向正交。这可以迫使或引导沿环形空的腔圆周方向喷射的冷却空气流，从而促进旋转流的形成。
在现有技术中，直接地紧固在金属环上的冲击薄板用于非常局部地增加了冷却，而由本发明产生的旋转流增加了环形腔室中的整体热交换系数，从而改进了环的热剖面。这在不需要使用诸如冲击薄板的任何额外部件的情况下完成。因此这有助于节省重量以及节省制造时间。
在涡轮环组件的第一方面，在所述第一剖面中，该孔相对于轴向方向形成第二进给角，所述第二进给角严格地大于0°并且小于或等于30°。
第二进给角能够朝环形腔室引导冷却空气流，从而避免与面对喷射孔的附接凸耳的相互作用。
在涡轮环组件的第二方面，环支撑结构具有规则地分布在环的公共圆周上的多个喷射孔。
这可以具有一种更好地形成的旋转流，并且从而在环的冷却上存在更好的均匀性。
在涡轮环组件的第三方面中，每个环扇区具有在环形腔室内侧的环的外表面上布置的至少一个流体流扰动器。
被布置在环扇区的环形腔室中的流体流扰动器用于产生湍流，并且从而增加与环的热交换系数。
在涡轮环组件的第三方面的变型中，每个环扇区具有在环形腔室内侧的环的外表面上分布的多个流体流扰动器。
本发明还提供一种涡轮发动机，包括如上限定的涡轮环组件。
本发明还提供了一种飞行器，包括如上限定的至少一个涡轮发动机。
附图说明
在阅读通过非限制性表示以及参考附图给出的以下内容后，可以更好地理解本发明，其中：
—图1是本发明的涡轮环组件的第一实施方式的轴向剖面示意图；
—图2是图1涡轮环组件的环支撑结构的正面示意视图；
—图3是图1涡轮环组件的环支撑结构的示意平面图；以及
—图4是本发明的涡轮环组件的第二实施方式的轴向剖面示意图。
具体实施方式
图1示出了一种高压涡轮环组件，包括由陶瓷基复合材料(CMC)制成的涡轮环1以及金属环支撑结构3。涡轮环1围绕一组旋转叶片(未示出)。涡轮环1由多个环扇区10组成，其中图1是由箭头DA标识的涡轮环1的轴向方向以及由箭头DR标识的涡轮环1的径向方向所限定的轴向剖面视图。
在由轴向DA和径向方向DR限定的第一平面(图2中标记I)中，每个环扇区10表示一种基本以上下颠倒的希腊字母π形状的剖面。具体地，该剖面包括环形底座12以及上游和下游径向附接凸耳14和16。本文中相对于气流通过涡轮的流动方向(如图1中的箭头F所示)使用术语“上游”和“下游”。环扇区10的凸耳可以是某一其他形状，环扇区的剖面可以是除π形状之外的形状，例如它可以是k形。
沿环1的径向方向DR，环形底座12具有彼此相对的内表面12a和外表面12b。环形底座12的内表面12a涂覆有耐磨材料层13，所述耐磨材料层形成热屏蔽和环境屏蔽并限定气流通过涡轮的流动通道。
距环形底座12的上游和下游端121和122一定距离，上游和下游径向附接凸耳14和16沿方向DR从环形底座12的外表面12b突出。上游和下游径向附接凸耳14和16在环扇区10的整体宽度上延伸，即在由环扇区10描述的整体圆弧上，或者实际上在环扇区10的整体圆周长度上延伸。
每个环扇区10的环形底座12和上下游附接凸耳14和16一起形成环形腔室120，所述环形腔室120在远离环形底座12的一侧上以及在环扇区10的每个圆形端(即在当装配环1时与另一环扇区10接触的环扇区10的每一端)上打开。环1还具有在环1的整体圆周上流体流连通的环形腔室。
如图1可以看出，固定到涡轮壳体的环支撑结构3包括中心带31，当中心带31和涡轮环1紧固在一起时中心带的对称轴线与涡轮环1的对称轴线重合。中心带31沿环1的轴向方向DA以及沿环1的周向方向延伸。环支撑结构3还包括上游环形径向凸缘32和下游环形径向凸缘36，其沿径向方向DR从中心带31朝环1的中心延伸以及沿环1的周向方向延伸。
如图1所示，下游环形径向凸缘36具有自由的第一端361以及固定到中心带31的第二端362。下游环形径向凸缘36具有第一部分363和第二部分364，第一部分363在第一端361和第二部分364之间延伸，第二部分364在第一部分363和第二端362之间延伸。下游环形径向凸缘36的第一部分363与下游径向附接凸耳16接触。第二部分364比第一部分363薄，从而赋予下游环形径向凸缘36一定量的灵活性，因此避免对由CMC制成的涡轮环1过度应力。
以类似方式，上游环形径向凸缘32具有自由的第一端321和固定到中心带31的第二端322。上游环形径向凸缘32具有第一部分323和第二部分324，第一部分323在第一端321和第二部分324之间延伸，第二部分324在第一部分323和第二端322之间延伸。上游环形径向凸缘32的第一部分323与上游径向附接凸耳14接触。第二部分324比第一部分323薄，从而赋予上游环形径向凸缘32一定量的灵活性，因此避免对由CMC制成的涡轮环1过度应力。
沿轴向方向DA，环支撑结构3的下游环形径向凸缘36与上游环形径向凸缘32分隔一定距离，该距离与上游和下游径向附接凸耳14和16之间的间距相对应，从而将它们保持在下游环形径向凸缘36和上游环形径向凸缘32之间。
对于每个环扇区10，环支撑结构3具有用于将由箭头A表示的冷却空气流喷射到环形腔室120内的喷射孔4。每个喷射孔4形成在上游环形径向凸缘32的第二部分324中。
图2和图3分别是图1涡轮环组件的环支撑结构3的正面示意视图和平面示意视图。
如图2和图3所示，喷射孔4具有方向A，其相对于第二平面不正交并且不位于第三平面中，上游环形径向凸缘32在第二平面内延伸，所述第三平面与上游环形径向凸缘32在其中延伸的平面正交。第二平面由径向方向DR以及与第一平面I正交的方向所限定。与第一平面I正交的方向用标记DC表示，并且其对应于环的圆周方向在与第一剖面I的圆周方向交叉处的切线。因此，与第一剖面I正交的方向DC被称为切向方向DC。第三平面由切向方向DC以及轴向方向DA限定。
更准确地并且如图3所示，在第三平面中，喷射孔4相对于切向方向DC形成第一进给角α1，所述角在-80°到+80°的范围内，优选地在-60°到-30°范围内。在图2和图3所示的实施方式中，第一进给角α1表示45°的值。
第一进给角α1用于启动经由喷射孔4被喷射通过环支撑结构3的冷却空气流的方向，其能够在环形腔室120中产生环形流，从而增加环形腔室中的整体热交换系数并改进环的热剖面。
如图1所示，在由径向方向DR和轴向方向DA限定的第一平面I中，喷射孔4相对于轴向方向DA形成第二进给角α2，第二进给角α2严格地大于0°并且小于或等于30°。
第二进给角α2用于朝环形腔室120引导冷却空气流，从而避免与下游附接凸耳16和与上游附接凸耳14的相互作用。
图4是示出本发明的涡轮环组件的第二实施方式的轴向剖面图。
在该第二实施方式中，与图1至3所示的第一实施方式相同的所有元件都赋予了相同的数字标记。
第二实施方式与第一实施方式的不同在于，每个环扇区10都具有在环形腔室120内侧安装在环1的外表面12b上的流体流扰动器5，即在上游和下游附接凸耳14和16之间，以产生湍流，并且从而增加对于每个环扇区10的与环1的热交换系数。
以下描述了一种制造与图1所示对应的涡轮环组件的方法。
如上所述的每个环扇区10通过形成一种形状接近环扇区的纤维预制件并通过用陶瓷基质对环扇区致密化而由陶瓷基复合材料(CMC)材料制成。
为了制造纤维预制件，可以使用陶瓷纤维纱，例如由日本供应商Nippon Carbon以“Hi-Nicalons”名义销售的碳化硅纤维纱，或其他碳纤维纱。
纤维预制件有利地通过三维编织或通过多层编织制成，并且提供非互连的区域，以使对应于凸耳14和16的预制件的部分远离扇区10折叠。
如图所示，编织可为互锁式。可使用其他的三维或多层织物，例如多平纹布(multiplain)织物或多缎纹(multisatin)织物。可参考文献WO 2006/136755。
在编织后，使坯料成形，以获得用于用陶瓷基质加固和致密化的环扇区预制件，其中特别地通过化学气相渗透(CVI)进行致密化，这是众所周知的。在一种变型中，织物预制件可通过CVI稍微硬化，以便在通过毛细作用使液态硅流入织物之前以使其足够刚硬以被处理，从而通过所谓的“熔融渗透”进行致密化。
特别地在文献US2012/0027572中描述了一种由CMC制造环扇区的详细示例。
环支撑结构3由金属材料制成，例如或Inconel 718或实际上C263合金。
通过将环扇区10安装在环支撑结构3上制成整体涡轮环。为此，环扇区10被一起装配在“星轮”型的环形工具上，例如包括吸盘，每个吸盘都被构造成保持一个环扇区10。通过在每对环扇区之间插入扇区间密封舌来装配环扇区10。此后，环1安装在环支撑结构3上，所述结构包括用于将冷却空气流喷射到每个环扇区10的环形腔室内的孔。
本发明因此提供了一种涡轮环组件，其包括陶瓷基复合材料制成的环，同时能够将空气流喷射到环腔内，以消除轴向温度梯度。

Claims (6)

1.一种涡轮环组件，其包括环支撑结构(3)以及由陶瓷基复合材料制成以形成涡轮环(1)的多个环扇区(10)，每个环扇区(10)在由涡轮环的轴向方向(DA)和径向方向(DR)限定的第一剖面(I)中具有形成环形底座(12)的部分，所述部分沿涡轮环(1)的径向方向(DR)具有限定涡轮环(1)的内侧表面的内表面(12a)以及外表面(12b)，第一和第二附接凸耳(14、16)从所述外表面(12b)延伸，所述第一和第二附接凸耳(14、16)在它们之间限定周向打开的环形腔室(120)，环支撑结构(3)具有第一和第二径向凸耳以及至少一个喷射孔(4)，在所述第一和第二径向凸耳之间保持有每个环扇区(10)的第一和第二附接凸耳(14、16)，所述喷射孔用于喷射冷却空气流到环形腔室(120)；
所述组件的特征在于，在包含环(1)的轴向方向(DA)以及与第一剖面(I)正交的方向(DC)的第二剖面中，所述喷射孔(4)相对于与所述与第一剖面(I)正交的方向(DC)形成第一进给角(α1)，所述第一进给角(α1)与第一剖面(I)正交，所述第一进给角(α1)在-80°到+80°的范围内，优选地在-60°到-30°的范围内。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，在所述第一剖面中，所述喷射孔(4)相对于轴向方向(DA)形成第二进给角(α2)，所述第二进给角(α2)严格地大于0°并且小于或等于30°。
3.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述环支撑结构(3)具有规则地分布在环(1)的公共圆周上的多个喷射孔(4)。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的组件，其中，每个环扇区(10)具有在环形腔室(120)内侧的环(1)的外表面(12b)上布置的至少一个流体流扰动器。
5.根据权利要求4所述的组件，其中，每个环扇区(10)具有在环形腔室(120)内侧的环(1)的外表面(12b)上分布的多个流体流扰动器。
6.一种涡轮发动机，其包括根据权利要求1到5中任一项所述的涡轮环组件(1)。
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