CN110249112B - 具有插入件的涡轮发动机部件 - Google Patents

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Abstract

一种用于涡轮发动机的部件包括壁和插入件，壁具有热气流沿着经过的表面和第二表面，冷却气流沿第二表面通过，插入件安装到壁，其中用于插入件的材料可具有比壁更高的温度能力。

Description

具有插入件的涡轮发动机部件
背景技术
涡轮发动机，尤其是燃气或燃烧涡轮发动机，是旋转发动机，其将能量从穿过发动机的燃烧气体流提取到多个旋转涡轮叶片上。
用于飞行器的燃气涡轮发动机设计成在高温下操作以最大化发动机效率，因此冷却某些发动机部件(例如压缩机，高压涡轮或低压涡轮)，以及对这些部件施加额外的热保护，可以是有利的。
发明内容
在一个方面，一种用于涡轮发动机的部件包括壁和插入件，壁具有第一表面、第二表面，热气流沿着第一表面经过，第二表面与第一表面间隔开，冷却气流沿第二表面经过，插入件安装到壁，其中插入件具有比壁高的温度能力。
在另一方面，一种用于涡轮发动机的轮叶组件包括径向间隔开的内带和外带、多个轮叶、和插入件，径向间隔开的内带和外带具有轴向间隔开的前缘和后缘，多个轮叶在内带和外带之间延伸，插入件安装到内带或外带中的至少一个，其中插入件的温度能力大于安装插入件的内带或外带中的至少一个。
在又一方面，一种制造用于涡轮发动机的轮叶组件的方法包括在轮叶组件的带中形成凹口，并将插入件安装在凹口内，其中插入件具有比带高的温度能力。
附图说明
在附图中：
图1是用于飞行器的燃气涡轮发动机的示意性横截面视图。
图2是图1的涡轮发动机的高压涡轮的一部分的周向视图。
图3是包括图2的高压涡轮中的插入件的部件的一部分的周向横截面视图。
图4是根据第一实施例的朝向后方观察的图3的部件局部分解视图。
图5是朝向前方观察的图3的部件的局部分解视图。
具体实施方式
本公开的所述实施例涉及用于飞行器涡轮发动机的涡轮区段中的部件的插入件。然而，应该理解的是，本公开不限于此，并且可以在包括压缩机区段的发动机内，以及在非飞行器应用(例如其他移动应用和非移动工业，商业和住宅应用)中具有普遍适用性。
如本文所用，术语“前”或“上游”指的是在朝向发动机入口的方向上移动，或者部件与另一个部件相比相对更靠近发动机入口。与“前”或“上游”结合使用的术语“后”或“下游”指的是朝向发动机后部或出口的方向，或与另一部件相比相对更靠近发动机出口。
另外，如本文所用，术语“径向”或“径向地”是指在发动机的中心纵向轴线和外部发动机圆周之间延伸的尺寸。
所有方向参考(例如，径向，轴向，近端，远端，上，下，向上，向下，左，右，侧向，前，后，顶部，底部，上方，下方，竖直，水平，顺时针，逆时针，上游，下游，前向，后向等)仅用于识别目的以帮助读者理解本公开，并且不产生限制，特别是关于本公开的位置，取向或用途。连接参考(例如，附接，联接，连接和接合)将被广泛地解释，并且除非另有指示，否则可包括元件集合之间的中间构件和元件之间的相对移动。因此，连接参考不必推断两个元件直接连接并且处于彼此固定关系。示例性附图仅用于说明的目的，并且附图中反映的尺寸，位置，顺序和相对大小可以变化。
图1是用于飞行器的燃气涡轮发动机10的示意性横截面视图。发动机10具有大致纵向延伸的轴线或中心线12，其从前部14延伸至后部16。发动机10以下游串行流动关系包括：风扇区段18，其包括风扇20；压缩机区段22，其包括增压器或低压(LP)压缩机 24和高压(HP)压缩机26；燃烧区段28，其包括燃烧器30；涡轮区段32，其包括HP涡轮34和LP涡轮36；排气区段38。
风扇区段18包括围绕风扇20的风扇壳40。风扇20包括围绕中心线12径向设置的多个风扇叶片42。HP压缩机26，燃烧器30和HP涡轮34形成发动机10的芯44，其产生燃烧气体。芯44由芯壳46围绕，芯壳46可与风扇壳40联接。
围绕发动机10的中心线12同轴设置的HP轴或线轴48将HP涡轮34驱动地连接到 HP压缩机26。在较大直径环形HP线轴48内围绕发动机10的中心线12同轴设置的LP 轴或线轴50将LP涡轮36驱动地连接到LP压缩机24和风扇20。线轴48,50可绕发动机中心线旋转并联接到多个可旋转元件，该多个可旋转元件可共同限定转子51。
LP压缩机24和HP压缩机26分别包括多个压缩机级52,54，其中一组压缩机叶片56,58 相对于相应的一组静态压缩机轮叶60,62(也称为喷嘴)旋转，以压缩或加压穿过级的流体流。在单个压缩机级52,54中，多个压缩机叶片56,58可以设置成环并且可以相对于中心线12从叶片平台径向向外延伸到叶片尖端，而相应的静态压缩机轮叶60,62定位在旋转叶片56,58的上游并与其相邻。应注意，所选择的图1中所示的叶片，轮叶和压缩机级的数量仅用于说明目的，并且其他数量是可能的。
用于压缩机级的叶片56,58可以安装到盘61，盘61安装到HP和LP线轴48,50中相应的一个，每个级具有其自己的盘61。用于压缩机级的轮叶60,62可以以周向布置安装到芯壳46。
HP涡轮34和LP涡轮36分别包括多个涡轮级64,66，其中一组涡轮叶片68,70相对于相应的一组静态涡轮轮叶72,74(也称为喷嘴)旋转，以从穿过级的流体流中提取能量。在单个涡轮级64,66中，多个涡轮叶片68,70可以设置成环并且可以相对于中心线12径向向外延伸，同时相应的静态涡轮轮叶72,74定位在旋转叶片68,70的上游并与其相邻。应注意，所选择的图1中所示的叶片，轮叶和涡轮级的数量仅用于说明目的，并且其他数量是可能的。
用于涡轮级的叶片68,70可以安装到盘71，盘71安装到HP和LP线轴48,50中的相应一个，每个级具有专用盘71。用于涡轮级的轮叶72,74可以以周向布置安装到芯壳46。
与转子部分互补，发动机10的静止部分(例如压缩机区段22和涡轮区段32中的静态轮叶60,62,72,74)也被单独地或共同地称为定子63。这样，定子63可以指整个发动机 10中的非旋转元件的组合。
在操作中，离开风扇区段18的气流被分开，使得一部分气流被导入到LP压缩机24中，然后LP压缩机24将加压空气76供应到HP压缩机26，HP压缩机26进一步对空气加压。来自HP压缩机26的加压空气76与燃烧器30中的燃料混合并被点燃，从而产生燃烧气体。通过HP涡轮34从这些气体中提取一些功，其驱动HP压缩机26。燃烧气体被排出到LP涡轮36中，LP涡轮36提取额外的功以驱动LP压缩机24，并且排气最终经由排气区段38从发动机10排出。LP涡轮36的驱动驱动LP线轴50以使风扇20和LP压缩机 24旋转。
一部分加压气流76可以作为引气77从压缩机区段22中抽出。引气77可以从加压气流76中抽出并提供给需要冷却的发动机部件。进入燃烧器30的加压气流76的温度显著增加。因此，由引气77提供的冷却对于在升高的温度环境中操作这种发动机部件是必要的。
气流78的剩余部分绕过LP压缩机24和发动机芯44，并通过静止轮叶排离开发动机组件10，更具体地，通过风扇排气侧84处的包括多个翼型件导向轮叶82的出口导向轮叶组件80离开发动机组件10。更具体地，在风扇区段18附近使用径向延伸的翼型件导向轮叶82的周向排，以对气流78施加一些方向控制。
由风扇20供应的一些空气可绕过发动机芯44并用于冷却发动机10的部分(特别是热部分)，和/或用于冷却或为飞行器的其他方面提供动力。在涡轮发动机的环境中，发动机的热部分通常在燃烧器30的下游，特别是涡轮区段32，其中HP涡轮34是最热部分，因为它直接位于燃烧区段28的下游。其他冷却流体源可以是但不限于从LP压缩机24或 HP压缩机26排出的流体。
图2示出了根据本公开的第一实施例的图1的涡轮发动机中的涡轮(例如HP涡轮34) 的一部分的周向视图。HP涡轮34包括具有部件115(诸如静止轮叶组件100)的HP涡轮级64，并且应当理解，部件115还可以包括涡轮发动机10中的压缩机区段22或涡轮区段 32中的喷嘴，轮叶段，护罩段，叶片段，内带段或外带段中的至少一个。轮叶组件100可包括内带102、外带104和轮叶72，内带102具有前缘110和后缘112，外带104与内带 102径向间隔开，轮叶72在内带102和外带104之间延伸；应当理解，轮叶72可包括在带102,104之间周向地布置的多个轮叶72。部件115包括壁120，壁120具有第一表面121 和与第一表面121间隔开的第二表面122。壁120还可包括第一部分131以及第二部分132，第一部分131包括延伸通过壁120的至少一个膜孔150，其中膜孔150可以具有在第二表面122上的入口151和在第一表面121上的出口152，第二部分132不包括膜孔。以这种方式，膜冷却区域154可以由第一部分131限定，并且非膜冷却区域156可以由第二部分 132限定，其中膜冷却区域154可以定位在前缘110附近，并且非膜冷却区域156可以定位在后缘112附近，如图所示。插入件160可以安装到部件115，并且可以预期插入件160 可以安装到部件115的前缘110或后缘112，如图所示。另外，尽管在此将部件115示出为包括膜冷却区域154和非膜冷却区域156，但是本公开不限于此，并且应当理解，插入件160也可以安装到不包括膜孔冷却的部件。
图3是图2的涡轮中的部件115的一部分的周向横截面视图。插入件160可以安装到壁120并且包括第一表面161，第一表面161与壁120的第一表面121可以是平坦的。可以使用机械联接件将插入件160连接到壁120；在一个非限制性示例中，联接件可包括燕尾部(dovetail)162，其中壁可限定具有突出部(overhang)170的凹口168，同时插入件160可包括鼻部172，并且插入件160上的突起164可以与以钩型布置(展开视角 200 更详细地示出了钩布置)提供在壁120中的凹部165接合。应该理解的是，突起164也可以提供在壁120上，并且凹部165可以以替代的钩布置提供在插入件160上。另外，另一个机械联接件可以包括腔167，腔167可以提供在壁120中，用于可滑动地接收销166，销166作为插入件160与壁120的辅助机械联接件。插入件160可在周向方向上沿第一表面161滑动以与部件115接合；在安装时，鼻部172可以被容纳在突出部170下方，并且突起164可以被凹部165容纳。一旦安装，销166可以插入腔167中以保持插入件160和部件115之间的相对周向移动。在这种布置中，插入件160可以限定部件115的后(后向) 缘112，其中插入件160的顶部与第一表面121共面，如图所示。
凹口168还可包括至少一个空气流动通道182，其在安装时面对插入件160；虽然仅示出了部件115的一部分，但应该理解的是，空气流动通道182可以围绕涡轮发动机10 的芯44呈环形，并且可以预期空气流动通道182可以形成围绕芯44的至少部分螺旋布置。可以通过壁120提供包括冷却空气孔190的冷却通道180，其中冷却空气孔190可以具有入口191和出口192，入口191在第二表面122上，出口192与至少一个空气流动通道182 流体连接，使得冷却通道180可以从第二表面122延伸到空气流动通道182，如图所示。本发明精神中的其他布置(例如蛇形布置)可考虑用于空气流动通道182，或者空气流动通道182可包括具有不同宽度或深度的多个空气流动通道182。
在操作中，热气流144可以沿着第一表面121经过，同时冷却气流142可以沿着壁120 的第二表面122经过。冷却气流142还可以穿过膜孔150并对膜冷却区域154中的表面121 提供热冷却，并且该冷却空气膜可以在非膜冷却区域156中溶解(dissolve)或变得不太有效，此时在部件115的该区域中可能存在大量的对流热。靠近第二表面122的一部分冷却气流142也可以穿过冷却通道180进入空气流动通道182。因此可以理解，插入件160可沿第一表面121提供热障，同时还在空气流动通道182中捕获冷却空气，这可减少部件115 的后缘112附近的热量，其中没有被膜冷却的区域可以通过插入件160保护，插入件160 可以承受比120的材料更高的温度。
可以预期，用于插入件160的材料可以具有比用于壁120的材料更高的温度能力，其中温度能力可以被限定为预期用于涡轮发动机环境中的给定材料的最高工作温度，并且使材料经受高于其温度能力的温度会引起诸如材料的氧化，疲劳或熔化的效应。例如，插入件160可以由陶瓷基质复合物(CMC)或单一陶瓷制成，而壁120可以由具有比插入件材料低的温度能力的金属制成。然而，这些示例并不意味着限制，并且适用于涡轮发动机环境的任何材料预期用于本公开。
图4示出了朝向后方观察的部件115的局部分解视图。突起164和凹部165示出为具有基本上钩型的轮廓；然而，具有互补轮廓的任何其他几何形状预期用于燕尾部162的突起164和凹部165中。另外，腔167通过凹部165内的多个点示出，因此在非限制性示例中预期销166的直径可以大于凹部165的宽度。
图5示出了朝向前方观察的部件115。冷却空气孔190的出口192可定位在空气流动通道182的任何部分上，例如在侧壁或下表面上。另外，可以有多个冷却空气孔190，将冷却空气供应到空气流动通道182，如图所示。
制造轮叶组件100的方法可以包括在膜冷却区域154下游的内带102或外带104中形成凹口168(图3)，通过将鼻部172定位在凸缘(诸如突出部170)下方并且使用燕尾部162，突起164和凹部165将插入件160联接到凹口168来将插入件160安装在凹口168 内(图4,5)，以及在插入件160下方提供冷却气流142(图3)。
可以理解的是，当安装到与高温气流流体连接的发动机部件时，插入件160可以提供热保护屏障，防止材料劳损，例如发动机部件的氧化和疲劳。另外，在插入件160下方提供冷却空气可以进一步防止材料劳损，并且还为发动机部件提供额外的绝缘以抵抗其环境中的高温。结果，可以增加安装了插入件160的发动机部件的耐久性。另外，插入件160 还可以在发动机部件的修理期间使用，其中在安装插入件160之前移除部件115的受损部分。
应当理解，所公开的设计的应用不限于具有风扇和增压器区段的涡轮发动机，而是也适用于涡轮喷气发动机和涡轮发动机。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。

Claims (26)

1.一种用于涡轮发动机的部件，其特征在于，包括：
壁，所述壁具有第一表面、第二表面并且限定凹口，热气流沿所述第一表面经过，所述第二表面与所述第一表面间隔开，并且冷却气流沿所述第二表面经过；和
插入件，所述插入件安装到所述壁并且在所述凹口中，并限定所述部件的前缘或后缘，其中所述插入件具有比所述壁高的温度能力；
至少一个空气流动通道，所述至少一个空气流动通道在所述凹口中，面对所述插入件；
冷却通道，所述冷却通道包括位于所述第二表面的入口以及与所述至少一个空气流动通道连通的出口，并且所述冷却通道从所述第二表面延伸到流体地联接到所述冷却气流的所述至少一个空气流动通道。
2.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，进一步包括：
所述壁的至少一个第一部分，所述壁的至少一个第一部分具有至少一个膜孔，所述膜孔在所述第二表面和所述第一表面之间延伸，以在所述第一表面上限定膜冷却区域，其中所述冷却气流通过所述至少一个膜孔流到所述第一表面；和
所述壁的至少一个第二部分，所述壁的至少一个第二部分在所述至少一个第一部分的下游，所述壁的至少一个第二部分在所述第二表面和所述第一表面之间没有至少一个膜孔，以限定非膜冷却区域。
3.根据权利要求2所述的部件，其特征在于，其中所述插入件安装在所述非膜冷却区域中。
4.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其中所述插入件由陶瓷基质复合物(CMC)或单一陶瓷制成。
5.根据权利要求4所述的部件，其特征在于，其中所述壁由金属制成。
6.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，进一步包括机械联接件，所述机械联接件将所述插入件连接到所述壁。
7.根据权利要求6所述的部件，其特征在于，其中所述机械联接件包括具有切向销锁的燕尾部和钩布置。
8.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其中所述插入件具有第一表面，当所述插入件安装到所述壁时，所述第一表面与壁第一表面是平坦的。
9.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其中所述至少一个空气流动通道具有至少部分螺旋或蛇形布置。
10.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其中所述壁在所述凹口处具有突出部，并且当所述插入件安装到所述壁时，所述插入件具有容纳在所述突出部下方的鼻部。
11.根据权利要求10所述的部件，其特征在于，其中所述插入件具有第一表面，当所述插入件安装到所述壁时，所述第一表面与壁第一表面是平坦的。
12.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其中所述部件包括以下中的至少一个：轮叶段，护罩段，叶片段，内带段或外带段。
13.一种用于涡轮发动机的轮叶组件，其特征在于，包括：
径向间隔开的内带和外带，所述内带和所述外带具有轴向间隔开的前缘和后缘，其中所述内带或所述外带中的至少一个限定凹口；
多个轮叶，所述多个轮叶在所述内带和所述外带之间延伸；和
插入件，所述插入件安装到所述内带或所述外带中的至少一个并且在所述凹口中，其中所述插入件的温度能力大于安装所述插入件的所述内带或所述外带中的所述至少一个的温度能力；
至少一个空气流动通道，所述至少一个空气流动通道在所述凹口中，面对所述插入件；
冷却通道，所述冷却通道包括位于所述内带或所述外带的第二表面的入口以及与所述至少一个空气流动通道连通的出口，并且所述冷却通道从所述第二表面延伸到流体地联接到冷却气流的所述至少一个空气流动通道。
14.根据权利要求13所述的轮叶组件，其特征在于，进一步包括多个膜孔，所述多个膜孔在所述轮叶、所述内带或所述外带中的至少一个中，所述多个膜孔限定膜冷却区域。
15.根据权利要求14所述的轮叶组件，其特征在于，其中所述膜冷却区域靠近所述前缘，并且所述插入件靠近所述后缘。
16.根据权利要求15所述的轮叶组件，其特征在于，其中所述膜冷却区域形成所述前缘。
17.根据权利要求15所述的轮叶组件，其特征在于，其中所述插入件限定上表面，所述上表面与所述内带或所述外带中的所述至少一个的上表面共面。
18.根据权利要求16所述的轮叶组件，其特征在于，其中所述插入件位于所述内带上。
19.根据权利要求13所述的轮叶组件，其特征在于，其中所述至少一个空气流动通道具有至少部分螺旋或蛇形布置。
20.根据权利要求19所述的轮叶组件，其特征在于，其中所述内带和所述外带中的所述至少一个在所述凹口处具有突出部，并且所述插入件具有容纳在所述突出部下方的鼻部。
21.一种制造用于涡轮发动机的轮叶组件的方法，其特征在于，包括：在所述轮叶组件的带中形成凹口，并将插入件安装在所述凹口内，其中所述插入件具有比所述带高的温度能力；形成至少一个空气流动通道，所述至少一个空气流动通道在所述凹口中，面对所述插入件；形成冷却通道，所述冷却通道包括位于所述带的第二表面的入口以及与所述至少一个空气流动通道连通的出口，所述冷却通道从所述第二表面延伸到流体地联接到冷却气流的所述至少一个空气流动通道。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述凹口形成在所述带的膜冷却区域的下游。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，其中将所述插入件安装在所述凹口内包括使用燕尾部将所述插入件联接到所述凹口。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，其中将所述插入件安装在所述凹口内包括将所述插入件的鼻部定位在所述带中的凸缘下方。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述插入件下方提供冷却气流。
26.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，进一步包括移除所述带的受损部分。
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