CN111201370A - 用于分布冷却流体的元件以及相关的涡轮环组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷却流体分布元件(150)，该分布元件将固定到一支撑结构上，以将冷却流体供应到面对它的待冷却的壁，通常为涡轮环扇区，该分布元件包括限定一内部冷却流体分布体积的主体以及一多穿孔板，该多穿孔板界定该内部体积，并包括使所述内部体积与所述涡轮环扇区连通的多个出口通孔，该分布元件还包括通向所述冷却流体分布内部体积的进入孔，所述内部体积包括引导叶片(170、172、174、176、178)，以将该冷却流体从所述进入孔朝所述出口通孔引导。

Description

用于分布冷却流体的元件以及相关的涡轮环组件

技术领域

本发明涉及一种包括由陶瓷基复合材料(CMC材料)或由金属材料制成的多个环扇区的涡轮环组件，更具体地涉及一种冷却流体分布元件。

本发明的应用领域具体是航空燃气轮机发动机的领域。然而，本发明适用于其他涡轮机，例如工业涡轮。

背景技术

在航空燃气涡轮发动机中，效率的提高以及某些污染排放的减少导致寻求在越来越高的温度下运行。对于完全金属的涡轮环组件，有必要冷却该组件的所有元件，特别是受到非常热气流影响的涡轮环。金属涡轮环的冷却需要使用大量的冷却流体，通常是冷却空气，这对发动机的性能具有重大影响，因为所使用的冷却气流取自发动机的干流。

为了限制冷却涡轮环所需的通风量以及因此提高发动机的性能，建议使用由CMC材料制成的环扇区。

然而，即使使用了CMC环扇区，仍然需要使用大量的冷却流体。事实上，涡轮环面对热源(其中热气流流动的流路)和冷源(由环和外壳分隔的腔，以下称为“环腔”)。环腔必须必须处于与流路的压力相比更高的压力下，以防止来自流路的气体在该腔中上升并燃烧金属部件。通过在压缩机处获取未穿过燃烧室的“冷”流体并将其输送到环腔来获得这种超压。保持这种超压因此使得不可能完全地切断到环腔的“冷”流体供给。

另外，申请人进行的研究已经表明，通过已知冷却系统冷却的由CMC或金属材料制成的环可具有产生不利机械应力的恶化热梯度。此外，用于金属环的冷却技术可能不容易换位到由CMC材料制成的环。

无论被实施用于环扇区的材料性质如何，因此都期望改进现有的冷却系统，以限制被冷却环扇区中的不利热梯度，并且因此限制产生不利的应力。此外期望改进现有的冷却系统，以优化实际用于冷却该环的冷却流体量，特别地通过限制冷却流体泄漏。

本发明具体旨在满足上述需求。

发明内容

为此，本发明提出了一种冷却流体分布元件，所述冷却流体分布元件旨在被固定到支撑结构用于供给冷却流体到面对所述支撑结构的待冷却壁，所述分布元件包括一种限定冷却流体分布内部体积的主体以及一种多穿孔板，所述多穿孔板限定该内部体积并包括使所述冷却流体分布内部体积与所述待冷却壁连通的多个出口通孔，所述分布元件进一步包括通向所述冷却流体分布内部体积的进入孔，其特征在于，所述冷却流体分布内部体积包括与所述进入孔和所述多穿孔板大致等距设置的定向散热片，用于将冷却流体从所述进入孔引导到所述出口通孔。

对于每个环扇区，如上所述的冷却流体(通常为冷却空气)分布元件的实施具有若干优点。

首先，定向散热片可以更好地分布“新鲜”空气供给，以及因此可以均匀地冷却待冷却壁，例如放置在气流下游的环扇区。然后，更好地引导冷却空气，限制了不必要的再循环和压力损失以及冷却气体的相关联加热。最后，通过还充当构造支柱，散热片通过提供几种可能的构造方向(因此几何形状)以及通过限制熔化后操作极大地简化了制造方法，特别地在根据粉末床激光熔化工艺构造内部体积的过程中不存在更多要移除的支撑。

优选地，所述主体具有基本锥体形状，所述锥体形状的底部旨在容纳包括所述多穿孔板，所述多穿孔板包括扩散冷却流体的所述出口通孔，并且所述锥体形状的倾斜表面在所述冷却空气进入孔的水平处的顶部接触。

有利地，在所述内部体积内侧均匀地分布所述定向散热片。

优选地，所述定向散热片包括形成拱顶的相应顶部，所述拱顶为所述内部体积的顶表面提供支撑。

有利地，所述定向散热片包括设置在中心轴中的中心散热片，所述中心轴穿过所述进入孔的轴，至少两个其他散热片以相对于所述增加的中心轴的倾角α和β等同地分布在所述中心散热片的任一侧上。

优选地，所述第一散热片相对于所述中心轴在30°到44°之间的范围中倾斜，并且所述第二散热片相对于所述中心轴在45°到59°之间的范围中倾斜。

有利地，所述定向散热片的数量在3到9之间。

本发明还涉及一种涡轮环组件，其包括形成涡轮环的多个环扇区、环支撑结构和如上所述的多个分布元件，以及涉及一种包括这种涡轮环组件的涡轮机。

本发明还涉及用于制造如上所述的分布元件的粉末床激光熔化工艺，其中，所述定向散热片在所述内部体积的构造过程中充当永久支撑。

附图说明

参考附图，从通过非限制性示例给出的本发明的特定实施例的以下描述，本发明的其他特征和优点将显现，其中：

图1是集成有根据本发明的冷却流体分布元件的涡轮环组件的分解透视示意图，

图2是具有被移除的多穿孔板的图1的冷却流体分布元件的端视图，以及

图3是图1的冷却流体分布元件的局部剖视图，以及

图4图示了一种允许制造分布元件的装置的示例。

具体实施方式

图1显示一高压涡轮环组件的一部分的分解透视示意图，该高压涡轮环组件包括由陶瓷基复合(CMC)材料或金属材料制成的涡轮环11以及一金属环支撑结构13。当环11由CMC材料制成时，环支撑结构13由一种热膨胀系数比构成环扇区的材料的热膨胀系数大的材料制成。涡轮环11环绕一组旋转桨叶(未示出)并且由多个环扇区110形成。箭头D_A表示涡轮环11的轴向方向，而箭头D_R表示涡轮环11的径向方向。箭头D_C本身表示涡轮环的圆周方向。

按照由轴向方向D_A和径向方向D_R限定的平面，每个环扇区110都具有大致倒希腊字母π形式的截面。扇区110实际上包括环形底座112以及上下游径向附接接片114和116。这里参考沿轴向方向D_A发生的涡轮中气流的流动方向使用术语“上游”和“下游”。

环形底座112沿环11的径向方向D_R包括彼此相对的内表面112a和外表面112b。环形底座112的内表面112a涂覆有一个形成热屏障和环境屏障，并限定涡轮中的气流路径的耐磨材料层113。

上下游径向附接接片114和116沿方向D_R从环形底座112的外表面112b，在与环形底座112的上游端1121和下游端1122一定距离处突出。上游径向附接接片114和下游径向附接接片116在环扇区110的整个圆周长度上延伸，也就是说在由环扇区110所描述的圆的整个弧上延伸。

固定到涡轮机壳130的环支撑结构13包括中心冠部131，所述中心冠部131沿轴向方向D_A延伸，并在中心冠部131与环涡轮11固定在一起时，具有与环涡轮11的旋转轴线重合的旋转轴线。环支撑结构13还包括上游环形径向夹具132和下游环形径向夹具136，所述上游环形径向夹具132和下游环形径向夹具136沿径向方向D_R从中心冠部31朝环11的中心延伸以及沿环11的圆周方向延伸。

下游环形径向夹具136包括第一自由端1361以及固定到中心冠部131的第二端1362。下游环形径向夹具136包括第一部分1363、第二部分1364以及包含在第一部分1363与第二部分1364之间的第三部分1365。第一部分1363在第一端1361与第三部分1365之间延伸，第二部分1364在第三部分1365与第二端1362之间延伸。环形径向夹具136的第一部分1363与下游径向附接接片116接触。第二部分1364相对于第一部分1363和第三部分1365变薄，以便为环形径向夹具136提供一定的柔性，从而不对涡轮环11施加很大的应力。

环支撑结构13还包括第一和第二上游凸缘133和134，在所示的示例中，每个都具有环形形状。这两个上游凸缘133和134一起固定在上游环形径向夹具132上。作为变型，第一和第二上游凸缘133和134可被分割成多个环截面。

第一上游凸缘133包括第一自由端1331以及与中心冠部131接触的第二端1332。第一上游凸缘133还包括从第一端1331延伸的第一部分1333、从第二端1332延伸的第二部分1334，以及在第一部分1333和第二部分1334之间延伸的第三部分1335。

第二上游凸缘134包括第一自由端1341和与中心冠部131接触的第二端1342，以及第一部分1343和第二部分1344，第一部分1343在第一端1341和第二部分1344之间延伸，第二部分1344在第一部分1343和第二端1342之间延伸。

第一上游凸缘133的第一部分1333承载在环扇区110的上游径向附接接片114上。第一和第二上游凸缘133和134被成形为使第一部分1333和1343彼此远离，并且使第二部分1334和1344彼此接触，这两个凸缘133和134通过固定螺钉160和螺母161可移除地固定在上游环形径向夹具132上，螺钉160穿过分别设置在这两个上游凸缘133和134的第二部分1334和1344中以及设置在上游环形径向夹具132中的通孔13340、13440和1320。螺母161本身固定到环支撑结构13，例如通过压接到其上而被固定。

一方面通过变形以及另一方面通过将高压分布器(DHP)的力朝力学更坚固的外壳线，即朝环支撑结构13的线传递，第二上游凸缘134专用于吸收该高压分布器的力。

沿轴向方向D_A，环支撑结构13的下游环形径向夹具136与第一上游凸缘133间隔一个与上游和下游径向附接接片114和116的间距相对应的距离，从而将它们保持在下游环形径向夹具136和第一上游凸缘133之间。可以对夹具136进行轴向预加应力。这允许在使用金属元件和CMC环扇区时吸收它们之间的膨胀差。

为了进一步将环扇区110以及因此将涡轮环11与环支撑结构13一起固定就位，在所示例中，环组件包括与上游附接接片114和第一上游凸缘133配合的两个第一销119，以及与下游附接接片116和下游环形径向夹具136配合的第二销120。

对于每个对应的环扇区110，第一上游凸缘133的第三部分1335包括用于容纳两个第一销119的两个孔13350，环形径向夹具136的第三部分1365包括被构造成容纳两个第二销120的两个孔13650。

对于每个环扇区110，上游径向附接接片114和下游径向附接接片116每个都包括固定到环形底座112的外表面112b的第一端1141和1161以及自由第二端1142和1162。上游径向附接接片114的第二端1142包括两个第一凸耳117，每个所述第一凸耳117都包括被构造成容纳第一销119的孔1170。类似地，下游径向附接接片116的第二端1162包括两个第二凸耳118，每个所述第二凸耳118均包括被构造成容纳第二销120的小孔1180。第一凸耳117和第二凸耳118分别沿上游径向附接接片114的第二端1142的以及下游径向附接接片116的第二端1162的涡轮环11的径向方向D_R突出。

对于每个环扇区110，这两个第一凸耳117相对于涡轮环11的旋转轴线定位在两个不同的角位置。同样，对于每个环扇区110，这两个第二凸耳118相对于涡轮环11的旋转轴线定位在两个不同的角位置。

每个环扇区110还包括安装在分别与第一上游环形凸缘133和下游环形径向夹具136接触的上游和下游径向附接接片114和116的表面上，也就是说安装在上游径向附接接片114a的上游表面114a上以及安装在下游径向附接接片116的下游表面116b上的直线支撑表面1110。作为变型，直线轴承可被安装在第一上游环形凸缘133上以及安装在下游环形径向夹具136上。

直线轴承1110可具有受控的密封区域。实际上，一方面在上游径向附接接片114与第一上游环形凸缘133之间，以及一方面在下游径向附接接片116与下游环形径向夹具136之间的支撑表面1110都包含在同一直线平面中。

更准确地说，在径向平面上具有轴承允许克服涡轮环11中的去拱效应。此外，运行中的环围绕平面(D_A、D_R)的法线倾斜。曲线轴承将在环11与环支撑结构13之间在一个或两个点处产生接触。相反，直线轴承允许在一直线上的轴承。

根据本发明，对于每个环扇区110，环组件还包括冷却流体分布元件150。该分布元件150构成流体(通常为空气)扩散器，允许冷却流F_R冲击环扇区110的外表面112b(见图3)。元件150存在于涡轮环11与环支撑结构13之间，更具体说是存在于第一上游环形凸缘133、中心冠部131与上游和下游径向附接接片114和116之间界定的空间中。分布元件150包括限定冷却空气分布内部体积的中空主体151以及限定该内部体积的多穿孔板152，并且包括使中空主体151的内部体积与和环扇区110的外表面112b相对的空间连通的多个出口通孔153A。

中空主体151有利地具有大致锥体形状(也就是说，入口比出口逐渐更窄)，其底部将容纳包括径向出口通孔153A的多穿孔板152，并且其倾斜表面在轴向冷却空气进入孔154的水平在顶部相遇(如图3所示)。

多穿孔板152与环扇区110的外表面112b相对(面对)，并且在所示的示例中具有沿涡轮环11的圆周方向D_C的细长形状。多穿孔板152还包括在环扇区110的第一附接接片114与第二附接接片116之间打开的多个横向出口通孔153B。在多穿孔板152与环扇区110的外表面112b或第一附接接片114和第二附接接片116之间不存在第三方，从而不减慢或干扰穿过板152并撞击环扇区110的冷却气流。限定中空主体151的内部体积的多穿孔板152位于环扇区110的侧面上(径向向内)。分布元件150还包括一个用于引导冷却空气155的部分，该部分沿径向方向D_R和沿轴向方向D_A从主体151延伸。引导部分155位于相对于多穿孔板152的径向外侧。该引导部分155限定一个与分别布置在第一上游凸缘133和第二上游凸缘134中的冷却空气供给孔192和190连通的内部通道(由限定其出口的图3中的进入孔154示出)。

在涡轮机上游获取的冷却气流F_R将穿过孔190和192，以输送到环扇区110。引导部分155限定该内部通道，冷却气流F_R将穿过该内部通道，以传输到中空主体151的内部体积，并在其通过多穿孔板152之后散布到环扇区110。该内部通道具有一进入孔(图中不可见)，该进入孔优选与供给孔192的延伸部相对(面对并接触)或位于该延伸部中(也就是说与第一上游凸缘133非常紧密地间隔)，并且与供给孔192连通。该内部通道还通过进入孔15通向内部体积，所述进入孔154在与多穿孔板152相对的一端出现在锥体体积151的顶部。引导部分155的内部通道具有引导到达通过孔192的冷却空气F_R的作用，以便将其传输到内部体积然后朝环扇区110传输，从而使该冷却空气的损失或泄漏最小化。

为了确保环扇区110的均匀冷却，如图2和3中所示，该内部锥体体积包括均匀地分布在该体积内侧并且还作为允许构造顶表面180的永久制造支撑(支柱)的定向散热片170、172、174、176、178，内部体积的横向表面182、184就像支柱一样帮助引导冷却气流并且在该构造过程中保持顶表面。

因此，散热片的相应顶部170A、172A、174A、176A、178A形成一确保对顶表面180支撑的“拱顶”，对此，传统的支撑方案对从外部无法到达的这样的区域不起作用。支柱以及它们在它们的顶部形成的拱顶因此在质量和空气动力学性能方面提供了比传统的通用支架更有效的永久支撑方案，此外使几何结构与粉末床激光熔化工艺完全地相容。

另外，通过在部件的任何区域(在与其横向部分(圆角)一样的平面区域中)分别确定每个冷却孔(表面孔的不同截面，直微穿孔，具有倒角或圆角、圆形、菱形截面等，与表面正交或倾斜的孔的轴线，周期性地调节的孔的位置的分布等)，确保了用于冷却和均质化下游环扇区温度的新鲜空气流的更好分布。所述定向散热片允许更好地分布“新鲜”空气供给，因此均匀地冷却气流下游的环扇区。更具体地说，中心散热片170设置在一中心轴线，其中所述中心轴线穿过与该孔以及与多穿孔板152基本等距的进入孔154的轴线。通过接近横向表面182、184，其他散热片优选以相对于增加的中心轴线的倾角α和β等同地分布在该中心散热片的任一侧上。因此，在中心散热片170的任一侧上布置有相对于中心轴线在包括30°与44°之间的范围中倾斜的第一散热片172、174，以及在45°与59°之间的范围中倾斜的第二散热片176、178。

需要注意的是，如果这些散热片已由一单一角度限定并且因此可以适用作直散热片，根据期望的气流偏差当然可以形成更复杂的几何形状，特定于具有倾斜和在上下游具有不同角度的曲率的涡轮叶片图像。同样，根据期望的均匀或非均匀的空气分布，中心散热片可能存在或可能不存在。当然，定向散热片的数目不能受限制，优选在3与9之间。

在本例中，引导部分155还限定一贯穿壳体156，但所述贯穿壳体156也可以是盲孔，其与该壳体156配合的固定螺钉163确保将分布元件150固定到环支撑结构13。如图1具体可见，在所示例中，分布元件150包括与引导部分155不同的额外保持部分157(该部分157不必具有用于输送冷却流体的内部通道，所述冷却流体随后必须穿过在这两部分之间打开的内壁186)。同一分布元件150的部分155和157沿圆周方向D_C偏移。保持部分157还限定一与固定螺钉163配合以允许将元件150固定到环支撑结构13上的壳体158。在所示例中，当固定螺钉163容纳在壳体156和158中时，它们沿涡轮环的轴向方向D_A延伸并穿过第一上游凸缘133和第二上游凸缘134。

现在描述一种制造与图1所示的相对应的涡轮环组件的方法。

当环扇区110由CMC材料制成时，通过形成一形状接近于环扇区形状的纤维预制件以及由一陶瓷基质对该环扇区进行致密化来制造它们。

对于纤维预制件的制造，可以使用陶瓷纤维纱线，例如SiC纤维纱线，例如由日本公司Nippon Carbon以“Hi-NicalonS”的名称销售的纱线，或碳纤维纱线。

所述纤维预制件有利地以非互连区域的结构通过三维编织或多层编织制成，使得可间隔开与扇区110的接片114和116相对应的预制件的部分。

如图所示，编织可以是互锁类型的。可以使用三维或多层编织的其他织法，例如多平面或多缎纹织法。可参考文献WO 2006/136755。

在编织后，坯件可以被成形，以获得一环扇区预制件，该环扇区预制件通过一陶瓷基质加固和致密化，致密化具体能够通过本身已知的气相化学渗透(CVI)实现。作为变型，该织物预制件可通过CVI稍微固化，使得其足够硬，使得在通过织物中的毛细作用提升液态硅以进行致密化之前能够被操控。

文献US 2012/0027572中具体描述了一种制造CMC环扇区的详细示例。

当环扇区110由金属材料制成时，它们可以例如由以下材料之一形成：AM1合金、C263合金或M509合金。

环支撑结构13本身由金属材料制成，例如

或

或甚至

合金。

如图4所示，有利地由粉末床激光熔化工艺(激光束熔化简称LBM)制造分布元件150，该工艺保证了更好的几何精度，并且由于一体式设计而减小了与环的气隙。通过减小支撑的总体积、机加工表面或甚至制造台上的空间要求，LBM工艺通过在改进性能(冷却、亮度)的同时降低质量(小厚度)而显著地降低制造成本。

通过在制造台194上垂直地定位穿孔壁152，在降低其粗糙度水平的同时确保了其几何形状的更好控制(机械和气动效益)。而且，通过使构造支柱可操作且永久(1个散热片＝1个构造支柱)，因此形成一种几何形状，其在支撑顶表面的同时优化冷却功能，从而在不影响质量的情况下确保了更好的可制造性。

将环扇区110安装在环支撑结构13上，以继续制造涡轮环组件。该安装可以如下方式逐个环扇区地进行。

首先将第一销119放置在第一上游凸缘133的第三部分1335中设置的孔13350中，并且通过在上游附接接片114的第一凸耳的孔1170中接合第一销119而将环扇区110安装在第一上游凸缘133上，直到第一上游凸缘133的第一部分1333抵靠环扇区110的上游附接接片114的上游表面114a的支撑表面1110。

然后通过将固定螺钉163穿过孔13440、13340、154和158定位，第二上游凸缘134固定到第一上游凸缘133上以及固定到在接片114与116之间存在的分布元件150上。

然后，在环支撑结构13的环形径向夹具136的第三部分1365中设置的两个孔13650中插入两个第二销120。

然后，通过在环扇区110的下游径向附接接片116的第二凸耳118的每个孔1180中插入每个第二销120，将包括环扇区110、凸缘133和134以及先前获得的分布元件150的组件安装在环支撑结构13上。在该安装过程中，第一上游凸缘133的第二部分1334邻接上游环形径向夹具132。

然后，通过将固定螺钉160插入静止自由孔13440、13340和同轴孔1320来完成环扇区的安装，随后每个螺钉在固定到环支撑结构上的螺母161中被拧紧。

对于每个环扇区110，刚刚描述的示例性实施例包括两个第一销119和两个第二销120，然而如果对于每个环扇区，使用两个第一销119和单个第二销120或单个第一销119和两个第二销120，则不脱离本发明的范围。

在未示出的变型中，还可以使用具有与图1中描述的相同结构的分布元件150，以及在中心冠部131与附接接片114和116之间沿径向方向延伸以便将这些接片保持在一径向位置的销。根据该变型，这些销的端部强行插入到在中心冠部131中制成的孔中，以确保它们的维护。作为变型，这些销可以安装为在中心冠部131的孔中具有间隙，并在之后焊接。

需要注意的是，如果以上描述主要地集中于涡轮环扇区的分布元件，那么很明显的是，喷淋式分布元件也适用于所有其他发动机构件，例如需要冷却空气供给的待冷却的壁或表面，例如外壳。

Claims (10)

1.一种冷却流体分布元件(150)，该冷却流体分布元件(150)将固定到一支撑结构(13)上，用于将冷却流体提供给面对它的待冷却壁(110)，所述分布元件包括一限定冷却流体分布内部体积的主体(151)以及一多穿孔板(152)，该多穿孔板(152)界定该内部体积并包括使所述冷却流体分布内部体积与所述待冷却壁(110)连通的多个出口通孔(153A、153B)，所述分布元件包括通向所述冷却流体分布内部体积的进入孔(154)，其特征在于，所述冷却流体分布内部体积包括与所述进入孔和所述多穿孔板大致等距设置的定向散热片(170、172、174、176、178)，用于将所述冷却流体从所述进入孔引导到所述出口通孔。

2.根据权利要求1所述的分布元件，其特征在于，所述主体大致具有锥体的形状，其底部将容纳所述多穿孔板，所述多穿孔板包括扩散冷却流体的所述出口通孔，并且所述锥体形状的倾斜表面在所述冷却空气进入孔的水平处的顶部相遇。

3.根据权利要求1或2所述的分布元件，其特征在于，所述定向散热片均匀地分布在所述内部体积的内侧。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的分布元件，其特征在于，所述定向散热片包括形成一拱顶的相应顶部(170A、172A、174A、176A、178A)，所述拱顶为所述内部体积的顶表面(180)提供支撑。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述的分布元件，其特征在于，所述定向散热片包括设置在一中心轴中的中心散热片(170)，所述中心轴穿过所述进入孔的轴，至少两个其他散热片(172、174；176，178)以相对于所述增加的中心轴的倾角α和β等同地分布在所述中心散热片的任一侧上。

6.根据权利要求5所述的分布元件，其特征在于，所述第一散热片相对于所述中心轴在30°与44°之间的范围内倾斜，所述第二散热片相对于所述中心轴在45°与59°之间的范围内倾斜。

7.根据权利要求1至6中任何一项所述的分布元件，其特征在于，所述定向散热片的数量在3与9之间。

8.一种用于涡轮机的涡轮环组件，包括形成一涡轮环的多个环扇区(110)、环支撑结构(13)以及多个根据权利要求1至7中任何一项所述的分布元件(150)。

9.一种涡轮机，包括根据权利要求8所述的涡轮环组件。

10.一种用于制造根据权利要求1至7中任何一项所述的分布元件的粉末床激光熔化工艺，其中，所述定向散热片在所述内部体积的构造过程中用作永久支撑。

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