CN110685753A

CN110685753A - 飞行器涡轮发动机密封模块

Info

Publication number: CN110685753A
Application number: CN201910593253.7A
Authority: CN
Inventors: 西蒙·尼古拉斯·莫利埃尔; 尼古拉斯·让-马克·马塞尔·博奎因; 雷诺·詹姆斯·马尔泰; 文森特·弗朗索瓦·乔治斯·米勒
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2020-01-14
Anticipated expiration: 2039-07-03
Also published as: EP3591178A1; US20200011194A1; CN110685753B; FR3083563B1; US11035244B2; FR3083563A1; EP3591178B1

Abstract

涡轮发动机涡轮密封模块，其绕轴线延伸并包括固定到壳体的分配器，分配器包括连接到外平台的至少一个叶片，外平台包括固定到壳体的扰流板，密封模块包括叶轮，叶轮安装成在壳体内旋转并由紧固到壳体的密封环环绕，密封环被分成扇区并包括一环排的环扇区，环扇区布置成使两个相邻扇区的周向端部边缘彼此面对，每个环扇区包括承载耐磨涂层的本体和钩，耐磨涂层构造成与由叶轮承载的至少一个密封唇部接合，钩周向延伸并构造成与壳体的轨道接合，钩有C形截面，钩的开口朝上游轴向定向并接纳轨道，每个环扇区包括偏转器，偏转器布置在涂层上游并相对于轴线径向向内和向上游延伸，使偏转器的径向向内端部绕分配器的外平台的下游端部延伸。

Description

飞行器涡轮发动机密封模块

技术领域

本发明涉及涡轮发动机模块，该涡轮发动机模块例如可以是涡轮或涡轮的形成部件。

背景技术

现有技术特别包括文献FR-A1-3 914 350和WO-A1-2016/024060。

涡轮发动机涡轮包括一个或多个级，每个级包括由涡轮的壳体承载的一环排的固定叶片形成的分配器和通常被安装成在分配器的下游旋转的叶轮。叶轮被密封环环绕，该密封环被分成扇区并由扇区形成，所述扇区被端对端地周向布置并且被紧固到涡轮的壳体上。

每个环扇区通常包括沿周向定向的本体，该本体具有被固定在本体的内表面上的耐磨涂层。该涂层例如是蜂窝型的，并且旨在通过在叶轮的叶片的外密封唇部上的摩擦以用于形成迷宫式密封并且使叶轮与环扇区之间的径向间隙最小化。

每个环扇区在每个环扇区的上游端部和下游端部处包括壳体上的紧固装置。每个环扇区在每个环扇区的下游端部处可包括周向钩，该周向钩限定出环形凹槽，在该环形凹槽中一方面接合有壳体的环形轨道，另一方面接合有位于上游的分配器的下游的紧固扰流板。环的钩具有大致U形或C形的横截面，并且包括由中间底壁连接在一起的两个同轴的周向壁(分别为内壁和外壁)。分配器下游的紧固扰流板具有周向的定向并且通过环上游的周向钩被保持为径向地夹持在壳体轨道上，周向钩的周向壁分别在分配器的扰流器内和壳体轨道外延伸。这使得可以促进与壳体相对的分配器的径向保持。

已知使用环形箔片来保护壳体轨道，特别是抵抗磨损和高温。该箔片可被分成扇区并因此包括被端对端地周向布置的一环排的箔片扇区。该箔片具有大致U形或C形的横截面并且包括分别为内壁和外壁的两个同轴的周向壁，这两个同轴的周向壁通过中间底壁连接在一起。

箔片扇区由金属薄片制成，并且使得可以避免环扇区的钩与壳体轨道之间的直接接触，这使得一方面可以保护壳体轨道免受由摩擦引起的磨损，并且另一方面由于壳体轨道与流入涡轮机管道的燃烧气体的邻近，可以保护壳体轨道免受在运行时可能非常热的环。

由于环的扇区化，环的两个相邻扇区的周向端部的纵向边缘彼此面对并且以一周向间隙彼此间隔开，管道的热气体可以穿过该周向间隙。这些热气体倾向于加热壳体，由于种种原因，这是有害的。其中一个原因是壳体的加热会导致壳体的膨胀和变形，这将有改变活动叶轮与环之间的径向间隙从而降低涡轮的性能的风险。此外，这些气体泄漏对涡轮发动机的性能有影响。由于这两个原因，有必要尽可能多地密封扇区之间的区域。该问题的一个已知的解决方案包括在环扇区之间插入密封唇部，该密封唇部被容置在环扇区的上述纵向边缘的槽中。

然而，由于箔片的扇区化，箔片的两个相邻扇区的周向端部的纵向边缘彼此面对并且通过周向间隙彼此间隔开。在当前技术中，箔片扇区之间的周向间隙可相对于环扇区之间的周向间隙、并且特别是相对于环扇区的钩之间的周向间隙周向地偏转，特别地，由于尺寸的原因，不可能在环扇区的水平处安装上述类型的密封唇部。因此，热气体可以穿过环扇区的钩之间的周向间隙并且冲击箔片扇区，箔片扇区将通过热传导加热壳体轨道，因此有降低壳体轨道的使用寿命的风险。

文献WO-A1-2016/024060提出了使每个箔片相对于相关联的钩沿周向偏转，以便最佳地保护壳体轨道，因为可能在环扇区的周向端部的边缘之间通过的气体被箔片扇区阻挡(由于箔片扇区周向偏转成与环扇区相对)并且没有到达壳体轨道。然而，该解决方案不能保护壳体免于在环的钩的中间底壁的水平处发生的扇区之间的泄漏。

文献FR-A1-3 914 350提出了使环扇区的本体相对于环扇区的钩和环扇区的耐磨涂层周向地偏转。然而，该解决方案仅适用于环扇区的本体覆盖环扇区的钩的情况，当需要优化集成时情况并非总是如此。该解决方案还导致在环扇区的钩的水平处产生扇区之间的泄漏。

此外，管道的可能加热并损坏壳体的气体穿过叶轮的外周缘与位于叶轮上游的分配器的外周缘之间的轴向间隙从管道泄漏出去。这些气体在内部径向地向外地穿过间隙，并且在上游穿过分配器下游的紧固扰流板进入界定的环形空间，以及在下游穿过叶轮上游的密封唇部进入界定的环形空间。因此，该环形空间是泄漏气体的流通位置，泄露气体可能穿过扇区之间的间隙并到达壳体。

本发明尤其涉及通过改进特别是上述情况下的壳体轨道的热保护来提出一种简单、有效和经济的解决方案以满足该需求。

发明内容

因此，本发明提出一种涡轮发动机密封模块，特别是用于飞行器，该密封模块围绕轴线延伸并且包括被固定到壳体的分配器，并且该分配器包括连接到外平台的至少一个叶片，该外平台包括被固定到壳体的扰流板，涡轮壳体进一步包括叶轮，该叶轮被安装成在壳体内旋转并且由紧固到该壳体的密封环环绕，该密封环被分为扇区并包括一环排的环扇区，该环扇区被布置成使得两个相邻扇区的周向端部边缘彼此面对，每个环扇区包括承载耐磨涂层的主体以及钩，该耐磨涂层被构造成与由叶轮承载的至少一个密封唇部接合，该钩通过位于所述耐磨涂层的上游而周向地延伸并且被构造成与壳体的紧固轨道接合，该钩具有大致C形的横截面，该钩的开口向上游轴向地定向并且旨在接纳所述轨道。本发明的特征在于，每个环扇区进一步包括偏转器，该偏转器被布置在所述涂层的上游并且该偏转器相对于轴线径向向内和向上游延伸，使得该偏转器的径向向内的端部围绕分配器的外平台的下游端部延伸。本发明的特征还在于，每个钩的周向范围与所述偏转器的周向范围相同，并且所述钩的周向端部在所述偏转器的周向端部的周向方向上偏转。

因此，偏转器旨在位于上述环形空间内，该环形空间在叶轮的外周缘与位于上游的分配器的外周缘之间，并且使得能够限制该空间中的气体流通。特别地，偏转器使得能够在每个环扇区的上游在钩的水平处限制泄漏气体的流通，从而降低这些气体在每个环扇区的钩的水平处通入到扇区之间的间隙中的风险。因此，壳体得到最好的保护并具有最佳的使用寿命。

端部偏转也是有利的，因为可能径向向内、向外穿过偏转器的周向端部之间的周向间隙的气体被面向这些间隙延伸的钩阻挡，并且可能径向向内、向外穿过钩的周向端部之间的周向间隙的气体被面向这些间隙延伸的偏转器扇区阻挡。

根据本发明的模块可包括单独采用或彼此组合采用的以下特征中的一个或多个：

-所述偏转器包括环形的金属薄片扇区，该金属薄片扇区轴向地插入在一方面钩与另一方面涂层之间，和/或轴向地插入在钩与主体之间；

-金属薄片具有大致V形的横截面，该金属薄片的径向外部分径向地延伸，并且该金属薄片的径向内部分被截顶并从上游到下游径向向内延伸；

-钩包括中间底壁，该中间底壁连接分别为径向内壁和径向外壁的两个周向壁，金属薄片扇区的径向外部分轴向地插入在钩的底壁与涂层之间，和/或轴向地插入在钩的底壁与主体之间；

-每个偏转器的周向范围与所述主体的周向范围和所述涂层的周向范围相同，并且所述偏转器的周向端部与所述主体的周向端部和所述涂层的周向端部基本上轴向地对齐；

-所述主体在所述主体的周向端部处包括用于容置扇区之间的密封唇部的槽，并且所述偏转器在所述偏转器的周向端部处包括与这些槽轴向对齐的凹口，使得所述密封唇部中的至少一些密封唇部的上游轴向端部进入这些凹口中，因此，密封唇部尽可能延伸到钩，这优化了扇区之间的密封；

-每个环扇区在每个环扇区的周向端部中的一个周向端部处包括至少一个密封唇部，至少一个密封唇部的上游轴向端部穿过偏转器的凹口并且轴向地支承在该环扇区的钩上，并且在每个环扇区的周向端部中的另一周向端部处包括至少一个密封唇部，至少一个密封唇部的上游轴向端部穿过偏转器的凹口并且支承在相邻的环扇区的钩上。

本发明还涉及一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括至少一个如上所述的密封模块。

附图说明

通过阅读以下作为非限制性示例并参考附图给出的描述，将更好地理解本发明并且本发明的其他细节、特征以及优点将显现，在附图中：

-图1是涡轮发动机涡轮的轴向横截面的局部示意性半视图；

-图2是另一涡轮发动机涡轮的轴向横截面的局部示意性半视图；

-图3是图2的涡轮的密封环的较大比例的透视局部示意图；

-图4是根据本发明的涡轮发动机模块的轴向横截面的局部示意性半视图；

-图5是图4的模块的密封环扇区的透视示意图；以及

-图6和图7是图4的模块的密封环的扇区之间的间隙的较大比例的透视示意图。

具体实施方式

首先，参考图1，图1示出了一种涡轮发动机的涡轮10(在此是低压的)，涡轮发动机诸如为涡轮发动机或飞行器涡轮螺旋桨发动机，该涡轮包括多个级(在此仅示出多个级中的一个)和叶轮16，每个级包括由一环排的固定叶片形成的分配器12，该固定叶片由涡轮的壳体14承载，叶轮被安装在分配器12的下游并围绕一轴线(不可见)在紧固到壳体14的环18中旋转。

环18被分成扇区并由多个扇区形成，该多个扇区通过涡轮的壳体14沿周向被端对端地承载。

每个环扇区18包括沿周向延伸的本体20和具有耐磨材料的涂层22，该涂层通过钎焊和/或焊接固定在本体20的径向内表面上，该涂层22是蜂窝型的并且旨在通过在叶轮16的叶片的外密封唇部24上的摩擦以用于使叶轮与环扇区18之间的径向间隙最小化。密封唇部24形成为在叶轮16的外平台16a上方突出，外平台16a连接到叶轮的叶片。

每个环扇区18在每个环扇区的上游端部包括具有C形或U形的横截面的钩32，该钩沿周向延伸并且该钩的开口向上游打开，该钩32从下游轴向地接合在紧固扰流板34上，该紧固扰流板朝向分配器12的下游定向，该分配器12一方面在环扇区18的上游沿周向延伸，并且另一方面在紧固有分配器的壳体14的圆筒形轨道36上沿周向延伸。扰流板34具有大致L形状并且从分配器12的平台12a突出，分配器的至少一个叶片连接到该平台。

每个环扇区18的钩32包括沿周向并向上游延伸的两个壁38和40，分别径向向外和径向向内的每个壁在每个壁的下游端部通过基本上径向的中间底壁42连接在一起，并且每个壁分别在轨道36的外侧和内侧径向地延伸，内壁40将分配器的扰流板34径向地保持在轨道36上。

如图1所示，通过防旋转销44来确保分配器12的轴向保持，该防旋转销44由壳体14承载并且被接合在分配器12的凹口中。通过环形开口环46来确保分配器在下游的轴向保持，该环形开口环被安装在轨道36的环形凹槽48中，该环形凹槽径向向内开口。在这种情况下，分配器12的扰流板34在下游轴向地支承在环46上，该环通过内壁40径向地保持在壳体轨道的凹槽中，该内壁40在环46内部径向地延伸。在一种变型中，可以通过壳体轨道36直接确保环46的轴向止挡功能。

环扇区18的下游端部通过位于环扇区下游的分配器被径向地夹持在壳体的圆筒形轨道30上。环扇区18向外径向地支承在壳体的轨道30的径向向内的圆筒形面上，并且向内径向地支承在下游分配器的圆筒形边缘28的径向向外的圆筒形面上。此外，环扇区18的下游端部经由凸耳被轴向地夹持在圆筒形轨道30上。

还已知的是，使用环形箔片50对轨道36进行热保护并抵抗磨损，该环形箔片50被分成扇区并且包括沿周向端对端布置的一环排的箔片扇区。该环形箔片具有大致C形或U形的横截面，并且包括分别为内壁52和外壁54的同轴的环形壁，该内壁和外壁通过中间底壁56连接在一起。

箔片50被安装在壳体轨道36上和分配器12的扰流板34上，使得箔片扇区50的内壁52一方面插入在环扇区18的钩32的内壁40与另一方面分配器12的扰流板34之间，另一方面插入在环扇区18的钩32的内壁40与环形环46之间，使得箔片扇区的外壁54插入在环扇区的钩32的外壁38与壳体轨道36之间，并且使得箔片扇区的底壁56插入在环扇区的钩的底壁42与壳体轨道36之间。

箔片扇区50由金属薄片制成并且使得可以避免环扇区18的钩32与壳体轨道36之间的直接接触，这使得一方面能够保护壳体轨道免受摩擦造成的磨损，并且另一方面能够热保护壳体轨道免受环的影响，该环由于与流入涡轮管道的燃烧气体邻近而在运行时可能非常热。

为了避免气体朝向壳体14泄漏，还已知的是将密封唇部58安装在扇区之间的周向间隙的水平处。环扇区的周向端部的纵向边缘包括用于密封唇部58的安装槽。密封唇部58各自具有大致延长的且平坦的形状，并且各自包括被接合在环扇区的边缘的槽中的纵向边缘和被接合在面向相邻环扇区的边缘的槽中的相反的纵向边缘。

图1示出了第一种密封技术18，其中，本体20和钩32由一个单一部件形成。

图2示出了第二种密封环技术18，其中，本体20和钩32由组装部件形成。图2中使用的附图标记与图1的附图标记在表示相同元件的情况下相同。

第二种技术包括钩32被固定在本体下方、恰好位于涂层22的上游的情况(如专利申请FR-A1-3 914 350中的情况)，以及钩32被固定在本体的上游的情况(如示例所述的情况)。

在运行时，燃烧气体在涡轮管道中穿过分配器12的叶片和叶轮16的模块叶片从上游流动到下游。每个分配器12的外周缘以相邻的叶轮16的外周缘的轴向间隙J间隔开，泄漏气体可以穿过该轴向间隙。密封唇部24与耐磨涂层22的接合限制了这些泄漏气体在叶轮16与环18之间的从上游到下游的通道。因此，泄漏气体在环形空间E中循环，该环形空间在分配器12的外平台12a与叶轮16的外平台16a之间径向地延伸，并且在分配器12的下游扰流板34与叶轮16的上游密封唇部24a之间轴向地延伸。

条带58在环扇区的本体20之间的周向间隙的水平处限制气体从空间E径向向外的通道。然而，如在图3中可以最清晰地看到的，在钩32之间总是存在周向间隙，并且气体可以从空间E径向向外穿过，特别是在钩32的中间底壁42(箭头F)之间穿过。

图4和下文示出了本发明的实施例，该实施例使得可以解决这些问题中的至少一些。图3中使用的附图标记与前述附图的附图标记在表示相同元件的情况下相同。

环18与上述环不同，特别是每个环扇区进一步包括偏转器60，该偏转器被布置在涂层22的上游并且该偏转器相对于上述轴线径向向内延伸，使得该偏转器的径向向内的端部围绕分配器12的外平台12a的下游端部延伸。在所示的示例中，偏转器60由与钩32和本体20独立的独立部件形成，并且该偏转器轴向地插入在位于上游的钩32与位于下游的本体20之间，以及轴向地插入在位于上游的钩和涂层22之间。偏转器60可由环形金属薄片扇区形成。

偏转器60在此具有大致弯曲的定向和大致V形状。因此，偏转器包括延伸到基本垂直于上述轴线的平面中的径向外部分60a和被截顶的径向内部分60b。

部分60a插入在钩32的中间底壁42与本体20的上游端部之间以及插入在钩的底壁与涂层22的上游端部之间。

部分60b从下游到上游径向向内延伸。部分60b的内周缘限定出直径D，该直径D小于钩32最小内径D1和涂层22的最小内径D2。该内周缘在此以小的径向间隙围绕分配器12的外平台12a的端部(图4)。

偏转器60具有围绕轴线的周向范围，该轴线与本体20和涂层22的轴线相同。偏转器60的周向端部与本体20的周向端部和涂层22的周向端部基本上轴向地对齐，如在图5中可见。

因此，图5还使得可以看到，偏转器60在其周向端部处包括与槽64轴向对齐的凹口62，以用于容置扇区之间的密封条带58。这些凹口62被设计成能够由条带58穿过。每个凹口62的高度(或径向尺寸)至少等于两个槽64的面向用于条带的容置部的底部的高度(或用于容置条带的槽64的径向尺寸)，并且每个凹口62的宽度(或周向尺寸)至少等于两个槽64的面向用于条带的容置部的底部之间的周向尺寸。

在附图中将注意到，环扇区的每个周向端部的纵向边缘可包括用于容置两个条带58的两个槽64，这两个条带具有不同的长度并且在彼此顶部上沿径向方向延伸。槽64的上游端部在每个边缘的上游端部处接合，并且尽管每个边缘的两个条带58可能穿过凹口62(图4和图5)，但槽64的上游端部均与凹口62连通。在一个变型中，环扇区的每个周向端部的边缘可以承载单一条带58。

每个钩32的周向范围与偏转器60的周向范围相同，并且钩32的周向端部在偏转器的周向端部的周向方向上偏转(图5)。因此，每个钩32包括相对于环扇区的其他部分的周向端部突出的周向端部部分32a，以及相对于环扇区的其他部分的周向端部被移除的另一周向端部部分32b(图5)。

因此应理解的是，在将环18安装在壳体上的过程中，环扇区将沿周向互锁在一起(图6)。

在每个环扇区的包括突出的端部部分32a的周向端部的水平处，条带58轴向地支承在该端部部分上(支撑区域Z可在图6和图7中看到)。在每个环扇区的包括移除的端部部分32b的周向端部的水平处，条带58未轴向地支承在该端部部分32b上，而是支承在相邻的环扇区的端部部分32a上。

如在图4中可见的，偏转器60延伸到位于钩32与分配器的外平台12a的端部12之间的空间E中，并将该空间E分成分别为上游部分和下游部分的两个部分。空间E的形状施加在沿由密封唇部24限定的迷宫式密封的方向穿过间隙J向下游流动的泄漏气体上。因此，泄漏气体在环扇区的钩32的水平处流通的风险较小。此外，由于钩32与偏转器60之间的周向偏转，这些钩的水平处的扇区之间的间隙被密封。因此，本发明使得能够有效地保护壳体14并提高壳体14的使用寿命，并且还能够避免从管道到壳体的损失，这提高了涡轮发动机的效率。

Claims

1.一种涡轮发动机的涡轮密封模块，特别是用于飞行器，所述密封模块围绕轴线延伸并且包括被固定到壳体(14)的分配器(12)，所述分配器(12)具有连接到外平台(12a)的至少一个叶片，所述外平台(12a)包括用于固定到所述壳体(14)的扰流板(34)，所述密封模块进一步包括叶轮(16)，所述叶轮被安装成在所述壳体(14)内旋转并且由紧固到所述壳体(14)的密封环(18)环绕，所述密封环(18)被分成扇区并包括一环排的环扇区，所述环扇区被布置成使得两个相邻扇区的周向端部边缘彼此面对，每个环扇区包括承载耐磨涂层(22)的本体(20)以及钩(32)，所述耐磨涂层被构造成与由所述叶轮(16)承载的至少一个密封唇部(24)接合，所述钩通过位于所述耐磨涂层(22)的上游而周向地延伸并且被构造成与所述壳体(14)的紧固轨道(36)接合，所述钩(32)具有大致C形的横截面，所述钩的开口向上游轴向地定向并且旨在接纳所述轨道(36)，其特征在于，每个环扇区进一步包括偏转器(60)，所述偏转器被布置在所述耐磨涂层的上游并且相对于所述轴线径向向内延伸并向上游延伸，使得所述偏转器的径向向内的端部围绕所述分配器(12)的外平台(12a)的下游端部延伸，并且其中，每个钩(32)的周向范围与所述偏转器(60)的周向范围相同，并且所述钩(32)的周向端部在所述偏转器(60)的周向端部的周向方向上偏转。

2.根据权利要求1所述的密封模块，其中，所述偏转器(60)包括环形的金属薄片扇区，所述金属薄片扇区轴向地插入在所述钩(32)与所述耐磨涂层(22)之间，和/或轴向地插入在所述钩与所述本体(20)之间。

3.根据权利要求2所述的密封模块，其中，所述金属薄片具有大致V形的横截面，所述金属薄片的径向外部分(60a)径向地延伸，所述金属薄片的径向内部分(60b)被截顶并从上游到下游径向向内延伸。

4.根据权利要求3所述的密封模块，其中，所述钩(32)包括中间底壁(42)，所述中间底壁连接周向延伸地分别为内壁(40)和外壁(38)的两个壁，所述金属薄片扇区的径向外部分轴向地插入在所述钩(32)的底壁与所述耐磨涂层(22)之间，和/或轴向地插入在所述钩的底壁与所述本体(20)之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的密封模块，其中，每个偏转器(60)的周向范围与所述耐磨涂层(22)的周向范围以及所述本体(20)的周向范围相同，并且所述偏转器(60)的周向端部与所述本体(20)的周向端部以及所述耐磨涂层(22)的周向端部基本上轴向地对齐。

6.根据权利要求5所述的密封模块，其中，所述本体(20)在所述本体的周向端部处包括槽，所述槽用于容置扇区之间的密封条带(58)，并且所述偏转器(60)在所述偏转器的周向端部处包括凹口(62)，所述凹口与这些槽轴向地对齐，使得所述密封条带中的至少一些密封条带的上游轴向端部进入这些凹口(62)中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的密封模块，其中，每个环扇区在所述每个环扇区的周向端部中的一个周向端部处包括至少一个密封条带(58)，所述至少一个密封条带的轴向端部穿过所述偏转器(60)的凹口(62)并且轴向地支承在该环扇区的钩(32)上，并且在所述每个环扇区的周向端部中的另一周向端部处包括至少一个密封条带，该至少一个密封条带的上游轴向端部穿过所述偏转器的凹口(62)并且轴向地支承在相邻的环扇区的钩上。

8.一种涡轮发动机，所述涡轮发动机包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的密封模块。