CN111512021A - 涡轮机涡轮的陶瓷基复合材料定子扇区与金属支撑件之间的连接 - Google Patents

涡轮机涡轮的陶瓷基复合材料定子扇区与金属支撑件之间的连接 Download PDF

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Abstract

一种涡轮机(2)的涡轮(1)的定子(4)的、由陶瓷基复合材料制成的扇区(7)，该扇区包括通过至少一个叶片连接的外平台(8)和内平台(9)，所述外平台(8)包括用于附接到金属支撑件(12)的扇区(11)的附接装置(10)，附接装置(10)包括至少一个中心边缘和两个侧边缘，所述中心边缘沿着准线相对于所述侧边缘径向偏移，使得中心边缘径向地位于所述准线的一侧，而侧边缘位于所述准线的另一侧，所述中心边缘和所述中心钩状件彼此径向承靠并径向地位于所述准线的两侧，所述侧边缘和相应的所述侧钩状件彼此径向承靠并且径向地位于所述准线的两侧。

Description

涡轮机涡轮的陶瓷基复合材料定子扇区与金属支撑件之间的 连接
技术领域
本发明涉及涡轮机领域，诸如用于飞行器的涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，并且更具体地涉及这种涡轮机的涡轮的陶瓷基复合材料涡轮定子与用于涡轮定子的金属支撑件之间的连接。
背景技术
从申请人名下的文献FR-A1-2961850、FR-A1-2887920或FR A1-2913051已知一种涡轮机涡轮，该涡轮机涡轮包括至少一级，该至少一级由扇区化的环形涡轮定子组成，该环形涡轮定子具有一排固定的矫直叶片和可旋转移动的转子轮(也称为叶轮)，该转子轮相对于涡轮中的废气流动方向安装在涡轮定子的下游。
更准确地说，涡轮定子包括两个同轴的环形平台，分别是内环形平台和外环形平台，固定的矫直叶片在这两个环形平台之间延伸。外平台和内平台在它们之间限定出废气穿过的管道的一部分。
通常，涡轮定子的外平台包括附接装置，该附接装置与用凸缘连接到固定的涡轮外壳体的扇区化的环形支撑件的接纳装置配合，然后将该支撑件径向地置于涡轮定子和涡轮壳体之间。
根据已知技术，附接装置包括轴向延伸的上游圆形边缘和下游圆形边缘，上游边缘和下游边缘分别构造成与支撑件的上游钩状件和下游钩状件配合。边缘和相应的钩状件通过锁定装置相对于彼此保持。为了保证涡轮定子和支撑件之间随着时间的连接，换句话说，为了防止边缘在外应力(废气的空气动力、热膨胀等)的作用下从钩状件上脱离，边缘和钩状件通过锁定装置在预应力(或预负荷)下安装。
在涡轮定子的材料和支撑件的材料不同的情况下，即例如陶瓷基复合材料(CMC)涡轮定子和金属支撑件，特别是由于当涡轮机运行时在边缘和钩状件之间的连接处出现很大的局部力，因此施加预应力是重要的，这些力尤其是由于材料关于热应力的不同行为而产生。
使用陶瓷基复合材料显然使得能够使涡轮的质量最小化，并且更通常是使涡轮机的质量最小化。
还应注意，陶瓷基复合材料涡轮定子能比金属涡轮定子承受更高的温度。因此，陶瓷基复合材料涡轮定子提供了在管道中具有更高的废气温度的可能性并且需要较少的冷却空气，这有利于涡轮机的效率。
然而，陶瓷基复合材料涡轮定子的机械强度低于金属涡轮定子的机械强度。上述机械特征使得不可能对组件施加很大的预应力，这是因为否则会使边缘在与锁定装置接触的区域中发生过早磨损。
因此，本发明的目的是提出一种陶瓷基复合材料的涡轮定子和用于该涡轮定子的金属支撑件之间的连接，该连接使得能够补救所遇到的上述困难。
发明内容
为此，本发明提供了一种用于涡轮机的涡轮的、扇区化的环形涡轮定子的由陶瓷基复合材料制成的扇区，所述涡轮定子的扇区包括外平台和与所述外平台同轴的内平台，所述外平台通过沿径向方向延伸的至少一个固定的导直叶片连接到所述内平台，所述外平台包括附接装置，该附接装置用于附接到扇区化的环形金属支撑件的扇区，其特征在于，附接装置包括至少一个中心边缘和沿周向位于中心边缘两侧的两个侧边缘，所述边缘沿垂直于径向方向的轴向方向延伸，所述中心边缘沿着与所述边缘中的每个的一个面重合的准线相对于所述侧边缘径向偏移，使得中心边缘径向地位于所述准线的一侧，而侧边缘位于所述准线的另一侧，所述中心边缘构造成与所述支撑件的扇区的中心钩状件配合，使得所述中心边缘和所述中心钩状件彼此径向承靠，并且径向地位于所述准线的两侧，每个侧边缘构造成与所述支撑件的扇区的侧钩状件配合，使得所述侧边缘和相应的所述侧钩状件彼此径向承靠，并且径向地位于所述准线的两侧。
与以上示出的现有技术相比，这种连接不需要具有高度预应力的锁定和安装构件。在运行中，外部应力(废气的空气动力、热膨胀等)被形成涡轮定子的每个扇区的所有边缘均匀地承担，使得将外力分配在边缘处，而不会使应力产生集中，这有利于附接装置的使用寿命，并更通常有利于涡轮定子的扇区与相关的支撑件的扇区之间的连接。
此外，这样的连接使得能够显著简化涡轮定子的每个扇区的组装，从而有利于提高生产率。
根据本发明的涡轮定子的扇区可以包括以下被单独采用或彼此结合地采用的特征中的一个或多个：
-每个侧边缘沿周向从所述中心边缘偏移一预定距离，该预定距离优选地小于0.5mm；
-准线是直线的或曲线的；
-每个所述边缘具有矩形横截面。
本发明的第二目的是一种用于涡轮机的涡轮的涡轮定子的、扇区化的环形支撑件的扇区，所述支撑件的扇区是金属的并且包括外壳部，所述外壳部包括接纳装置，该接纳装置用于接纳如上所述的涡轮定子的陶瓷基复合材料扇区，其特征在于，接纳装置包括至少一个中心钩状件和沿周向位于中心钩状件的两侧的两个侧钩状件，所述钩状件沿轴向方向延伸，所述中心钩状件沿着与所述钩状件中的每个的一个面重合的准线相对于所述侧钩状件径向偏移，使得中心钩状件径向地位于所述准线的一侧，而侧钩状件位于所述准线的另一侧，所述中心钩状件构造成与所述涡轮定子的扇区的中心边缘配合，使得所述中心钩状件和所述中心边缘彼此径向承靠，并且径向地位于所述准线的两侧，每个侧钩状件构造成与所述涡轮定子的扇区的侧边缘配合，使得所述侧钩状件和相应的所述侧边缘彼此径向承靠，并且径向地位于所述准线的两侧。
与上述现有技术相比，这种连接不需要具有高度预应力的锁定和安装构件。在运行中，外部应力(废气的空气动力、热膨胀等)被形成支撑件的每个扇区的所有钩状件均匀地承担，以便将外力分配在钩状件处，而不会使应力产生集中，这有利于接纳装置的使用寿命，并更通常有利于涡轮定子的扇区与支撑件的相关的扇区之间的连接。
根据本发明的支撑件的扇区可以包括以下被单独采用或彼此结合地采用的特征中的一个或多个：
-每个侧钩状件沿周向从所述中心钩状件偏移一预定距离，该预定距离优选地小于0.5mm；
-准线是直线的或曲线的；
-每个所述钩状件具有矩形横截面。
本发明的第三目的是一种涡轮机的涡轮的、扇区化的环形涡轮定子，该环形涡轮定子包括多个如前所述的涡轮定子扇区，所述涡轮定子的扇区沿周向首尾相连地布置。
本发明的第四目的是一种用于涡轮机的涡轮的涡轮定子的、扇区化的环形支撑件，该环形支撑件包括多个如前所述的支撑件扇区，所述支撑件的扇区沿周向首尾相连地布置。
本发明的第五目的是一种涡轮机的涡轮的组件，该组件包括如前所述的涡轮定子的扇区和如前所述的支撑件的扇区，中心边缘与中心钩状件配合，中心边缘和中心钩状件彼此径向承靠，并且径向地位于共用准线的两侧，每个侧边缘与相应的侧钩状件配合，侧边缘和相应的侧钩状件彼此径向承靠，并且径向地位于共用准线的两侧。
本发明的第六目的是一种涡轮机的涡轮，该涡轮机的涡轮包括如前所述的组件。
本发明的第七目的是一种涡轮机，该涡轮机包括如前所述的涡轮。
附图说明
当阅读以下通过非详尽示例并参照附图作出的描述时，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将更加清楚地显现，在附图中：
-图1是涡轮机的涡轮的纵向截面图；
-图2是涡轮定子的扇区的附接装置和支撑件的扇区的接纳装置处于拆解位置时的透视图；
-图3是涡轮定子的扇区的附接装置和支撑件的扇区的接纳装置处于组装位置时的透视图；
-图4是当涡轮是冷的时，附接装置和接纳装置沿着穿过附接装置和接纳装置的径向平面的截面图；
-图5是当涡轮机是热的时，附接装置和接纳装置沿着穿过附接装置和接纳装置的径向平面的截面图。
具体实施方式
图1示出了涡轮机2的涡轮1的一部分，诸如飞行器的涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，该涡轮1相对于涡轮机2中的气体流动方向布置在燃烧室的下游。
涡轮1包括通常称为“高压涡轮”的上游涡轮(未示出)和通常称为“低压涡轮”的包括多个低压级的下游涡轮(部分地示出)，图1中仅示出了一个低压级3。
更准确地说，低压级3包括扇区化的环形低压涡轮定子4，该低压涡轮定子4具有一排固定的导直叶片5和可围绕轴线X旋转移动的低压转子轮6，低压转子轮6安装在低压涡轮定子4的下游。
按照本专利申请中的约定，“轴向”或“轴向地”是指平行于轴线X的任何方向，并且“径向”或“径向地”是指垂直于轴线X的任何方向。类似地，按照本专利申请中的约定，术语“内”、“外”、“内部”或“外部”是径向于轴线X定义的，最后，术语“上游”和“下游”是相对于涡轮机2中的气体流动定义的。
涡轮1的低压涡轮定子4包括多个涡轮定子4的扇区7，所述多个涡轮定子的扇区由陶瓷基复合材料(CMC)制成并且围绕轴线X沿周向首尾相连地布置。
应注意，陶瓷基复合材料(CMC)是包括陶瓷基和陶瓷纤维的材料。基质例如由碳或碳化硅制成。例如，通过化学气相沉积(CVD)使基质沉积在陶瓷纤维的预成型坯上。
低压涡轮定子4的每个扇区7包括外平台8和与外平台8同轴的内平台9，外平台8以轴线X为中心。外平台8通过沿径向方向延伸的至少一个固定的导直叶片5(例如三个)连接到内平台9。此外，外平台8包括用于附接到扇区化的环形金属支撑件12的扇区11上的附接装置10，该环形金属支撑件12用凸缘连接至固定的涡轮外壳体13。
附接装置10包括至少一个中心边缘14和沿周向位于中心边缘14的两侧的两个侧边缘15。边缘14、15沿垂直于径向方向的轴向方向延伸。中心边缘14沿着与所述边缘14、15中的每个的一个面重合的准线L从所述侧边缘15径向偏移，使得中心边缘14径向地位于所述准线L的一侧，而侧边缘15位于所述准线L的另一侧。
中心边缘14构造成与支撑件12的相应的扇区11的中心钩状件16配合，使得所述中心边缘14和所述中心钩状件16彼此径向承靠，并且径向地位于所述准线L的两侧，每个侧边缘15构造成与支撑件12的相应的扇区11的侧钩状件17配合，使得所述侧边缘15和所述相应的侧钩状件17彼此径向承靠，并且径向地位于所述准线L的两侧。
用于低压涡轮定子4的支撑件12包括支撑件12的多个金属扇区11，该支撑件12的多个金属扇区11围绕轴线X沿周向首尾相连地布置。
用于低压涡轮定子4的支撑件12的每个扇区11包括以轴线X为中心的外壳部18，所述外壳部18包括用于接纳涡轮定子4的相应的扇区7的接纳装置19。
接纳装置19包括至少一个中心钩状件16和沿圆周方向位于中心钩状件16的两侧的两个侧钩状件17。所述钩状件16、17沿轴向方向延伸，所述中心钩状件16沿着与所述钩状件16、17中的每个的一个面重合的准线L相对于所述侧钩状件17径向偏移，使得中心钩状件16径向位于所述准线L的一侧，而侧钩状件17位于所述准线L的另一侧。
所述中心钩状件16构造成与涡轮定子4的相应的扇区7的中心边缘14配合，使得所述中心钩状件16和中心边缘14彼此径向承靠，并且径向地位于所述准线L的两侧。每个侧钩状件17构造成与涡轮定子4的相应的扇区7的侧边缘15配合，使得所述侧钩状件17和相应的侧边缘15彼此径向承靠，并且径向地位于所述准线L的两侧。
图1中示出的示例绝不是限制性的，并且上面示出的低压涡轮定子4可以是高压涡轮定子。
内平台9和外平台8在它们之间限定出气流穿过的环形管道20的一部分。
根据图1所示的实施例，外平台8是截头圆锥形的，并且从上游到下游变宽。内平台9也基本上是截头圆锥形的，并且从上游到下游变宽。内平台9还包括内凹槽21，该内凹槽21与导向环22重合，该导向环22固定到固定的涡轮内壳体23和上游径向肩部24，该径向肩部24与涡轮内壳体23的上游径向隔扇25径向邻接。
根据图1所示的实施例，外壳部18是截头圆锥形的，并且从上游到下游变宽。外壳部18包括外凸缘26，该外凸缘26借助于螺栓27附接到涡轮外壳体13的两个区域之间。
根据图1所示的实施例，低压涡轮定子4的扇区7的外平台8包括轴向偏移的上游附接装置10和下游附接装置10。低压涡轮定子4的扇区7的上游附接装置10和下游附接装置10构造成分别与用于该涡轮定子4的支撑件12的相应的扇区11的上游接纳装置19和下游接纳装置19配合。上游附接装置10和下游附接装置10安置在从外平台8径向向外延伸的上游圆形箍28和下游圆形箍28的径向外端部处。上游接纳装置19和下游接纳装置19安置在从外壳部18径向向内延伸的上游圆形壁29和下游圆形壁29的径向内端部处。
在这种情况下，附接装置10和接纳装置19的共用准线L是直线的L，但是可以是曲线的，例如是圆形的。
当涡轮机在运行中时，可以借助于冷却空气扩散器来维持直线的或曲线的准线，该冷却空气扩散器被配置为维持沿着准线的均匀温度分布。
如图2和图3所示，附接装置10包括外中心边缘14和两个内侧边缘15，即，中心边缘14沿径向方向定位于准线L的外部，并且侧边缘15定位于准线L的内部。中心边缘14的内面与准线L重合。每个侧边缘15的外面与准线L重合。边缘14、15具有矩形横截面并轴向地向下游延伸。在这种情况下，边缘14、15具有相同的尺寸特征，但是它们可以变化。
上游附接装置10和下游附接装置10分别与上游箍28和下游箍28形成为一体部件，但是它们可以通过诸如螺栓的紧固装置来连接。
如图4所示，每个侧边缘15沿周向从中心边缘14偏移一预定距离E。这些距离E限定出为了防止边缘14、15之间在涡轮机2运行时发生接触所需的间隙。距离E可以在0mm至约0.5mm之间变化。
如图2和图3所示，接纳装置19包括内中心钩状件16和两个外侧钩状件17，即，中心钩状件16沿径向方向定位于准线L的内部，并且侧钩状件17定位于准线L的外部。中心钩状件16的外面部与准线L重合。每个侧钩状件17的内面部与准线L重合。钩状件16、17具有矩形截面并轴向地向上游延伸。在这种情况下，钩状件16、17具有相似的尺寸特征，但是可以是不同的。这些尺寸特征也类似于边缘14、15的尺寸特征。
上游接纳装置19和下游接纳装置19分别与上游壁29和下游壁29形成为一体部件，但是它们可以通过诸如螺栓的固定装置来连接。
如图4所示，以与边缘14、15相同的方式，每个侧钩状件17沿周向从中心钩状件16偏移一预定距离E。这些距离E限定出为了防止钩状件16、17之间在涡轮机2运行时发生接触所需的间隙。距离E可以在0mm至约0.5mm之间变化。
当一方面，上游附接装置10与上游接纳装置19相对，而另一方面，下游附接装置10与下游接纳装置19相对(图2)时，则涡轮定子4的扇区7在支撑件12的相应的扇区11上最终从上游轴向移动到下游。
在组装之后，在组装位置(图3)，中心边缘14的内面部径向承载着中心钩状件16的外面部，中心边缘14在准线L的外部，并且中心钩状件16在准线L的内部。此外，每个侧边缘15的外面部径向承载着相应的侧钩状件17的内面部，每个侧边缘15在准线L的内部，并且每个侧钩状件17在准线L的外部。钩状件16、17的上游端部轴向抵靠在箍28上(图3)。
在组装期间，每个边缘14、15被安装成以预定的负径向间隙径向地承载相应的钩状件16、17，使得在组装后边缘14、15通过摩擦力(轴向力)相对于相应的钩状件16、17被轴向地保持。为了获得期望的负径向间隙，每个边缘14、15与相应的钩状件16、17配对。
图5以叠加的实线示出了附接装置10和是热的时的接纳装置19之间的连接(即，当接纳装置19经受热废气时)，并且以虚线示出了附接装置10和是冷的时的接纳装置19之间的连接(例如，在组装之后)。
由于借助于扩散器沿着共同的准线L进行了均匀的冷却，并且由于附接装置和接纳装置的配合的几何形状，因此尽管受到了外应力(废气的空气动力、热膨胀等)，但准线L仍能保持基本上恒定，这特别是意味着边缘14、15均匀地吸收外应力，而在涡轮的各个运行阶段都不会使应力产生集中。
还应注意的是，当边缘14、15(分别是钩状件16、17)在外应力作用下变形时，它们彼此不发生接触。
如图1所示，涡轮1包括具有轴线X的环形封闭体30，用于冷却壳部18和外平台8。该封闭体30在内部由壳部18界定，并且在外部由涡轮外壳体13界定。冷却和通风空气例如来自相对于涡轮机2中的气体流动方向位于燃烧室上游的压缩机。
低压涡轮定子4包括密封装置(未示出)，该密封装置安置在涡轮定子4的两个扇区7之间，该两个扇区7在内平台8和外平台9处邻接。这些密封装置使得可以尤其是限制从管道20至封闭体30的径向气体泄漏，并反之亦然，这有利于提高涡轮1的效率。

Claims (13)

1.一种用于涡轮机(2)的涡轮(1)的、扇区化的环形涡轮定子(4)的由陶瓷基复合材料制成的扇区(7)，所述涡轮定子(4)的扇区(7)包括外平台(8)和与所述外平台(8)同轴的内平台(9)，所述外平台(8)通过沿径向方向延伸的至少一个固定的导直叶片(5)连接到所述内平台(9)，所述外平台(8)包括附接装置(10)，所述附接装置用于附接到扇区化的环形金属支撑件(12)的扇区(11)，
其特征在于，所述附接装置(10)包括至少一个中心边缘(14)和沿周向位于所述中心边缘(14)两侧的两个侧边缘(15)，所述边缘(14，15)沿垂直于所述径向方向的轴向方向延伸，所述中心边缘(14)沿着与所述边缘(14，15)中的每个的一个面重合的准线(L)相对于所述侧边缘(15)径向偏移，使得所述中心边缘(14)径向地位于所述准线(L)的一侧，而所述侧边缘(15)位于所述准线的另一侧，所述中心边缘(14)构造成与所述支撑件(12)的扇区(11)的中心钩状件(16)配合，使得所述中心边缘(14)和所述中心钩状件(16)彼此径向承靠，并且径向地位于所述准线(L)的两侧，每个侧边缘(15)构造成与所述支撑件(12)的扇区(11)的侧钩状件(17)配合，使得所述侧边缘(15)和相应的所述侧钩状件(17)彼此径向承靠，并且径向地位于所述准线(L)的两侧。
2.根据权利要求1所述的涡轮定子(4)的扇区(7)，其特征在于，每个所述侧边缘(15)沿周向从所述中心边缘(14)偏移一预定距离(E)，所述预定距离优选地小于0.5mm。
3.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮定子(4)的扇区(7)，其特征在于，所述准线(L)是直线的或曲线的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮定子(4)的扇区(7)，其特征在于，所述边缘(14，15)中的每个具有矩形横截面。
5.一种用于涡轮机(2)的涡轮(1)的涡轮定子(4)的、扇区化的环形支撑件(12)的扇区(11)，所述支撑件(12)的扇区(11)是金属的并且包括外壳部(18)，所述外壳部包括接纳装置(19)，所述接纳装置用于接纳根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮定子(4)的陶瓷基复合材料扇区(7)，其特征在于，所述接纳装置(19)包括至少一个中心钩状件(16)和沿周向位于所述中心钩状件(16)的两侧的两个侧钩状件(17)，所述钩状件(16，17)沿轴向方向延伸，所述中心钩状件(16)沿着与所述钩状件(16，17)中的每个的一个面重合的准线(L)相对于所述侧钩状件(17)径向偏移，使得所述中心钩状件(16)径向地位于所述准线(L)的一侧，而所述侧钩状件(17)位于所述准线(L)的另一侧，所述中心钩状件(16)构造成与所述涡轮定子(4)的扇区(7)的中心边缘(14)配合，使得所述中心钩状件(16)和所述中心边缘(14)彼此径向承靠，并且径向地位于所述准线(L)的两侧，每个所述侧钩状件(17)构造成与所述涡轮定子(4)的扇区(7)的侧边缘(15)配合，使得所述侧钩状件(17)和相应的所述侧边缘(15)彼此径向承靠，并且径向地位于所述准线(L)的两侧。
6.根据权利要求5所述的支撑件(12)的扇区(11)，其特征在于，每个所述侧钩状件(17)沿周向从所述中心钩状件(16)偏移一预定距离(E)，所述预定距离优选地小于0.5mm。
7.根据权利要求5至6中任一项所述的支撑件(12)的扇区(11)，其特征在于，所述准线(L)是直线的或曲线的。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的支撑件(12)的扇区(11)，其特征在于，所述钩状件(16，17)中的每个具有矩形横截面。
9.一种涡轮机(2)的涡轮(1)的扇区化的环形涡轮定子(4)，所述环形涡轮定子包括多个根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮定子(4)的扇区(7)，所述涡轮定子(4)的扇区(7)沿周向首尾相连地布置。
10.一种用于涡轮机(2)的涡轮(1)的涡轮定子(4)的、扇区化的环形支撑件(12)，所述环形支撑件包括多个根据权利要求5至8中任一项所述的支撑件(12)的扇区(11)，所述支撑件(12)的扇区(11)沿周向首尾相连地布置。
11.一种涡轮机(2)的涡轮(1)的组件，所述组件包括根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮定子(4)的扇区(7)和根据权利要求5至8中任一项所述的支撑件(12)的扇区(11)，所述中心边缘(14)与所述中心钩状件(16)配合，所述中心边缘(14)和所述中心钩状件(16)彼此径向承靠，并且径向地位于共用准线(L)的两侧，每个侧边缘(15)与相应的侧钩状件(17)配合，所述侧边缘(15)和相应的所述侧钩状件(17)彼此径向承靠，并且径向地位于所述共用准线(L)的两侧。
12.一种涡轮机(2)的涡轮(1)，所述涡轮包括根据权利要求11所述的组件。
13.一种涡轮机(2)，所述涡轮机包括根据权利要求12所述的涡轮(1)。
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