CN111911242A - 装配有用于密封叶片的保持装置的涡轮机模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及特别是用于飞行器的涡轮机模块以及包括这种涡轮机模块的飞行器涡轮机，该涡轮机模块包括涡轮喷嘴，该涡轮喷嘴包括多个扇区(S)，该多个扇区具有在内平台元件与外平台元件之间延伸的导流片，每个扇区的所述平台元件中的至少一个平台元件一方面承载至少一个密封叶片(30)，另一方面承载用于将所述叶片(30)保持在密封位置的保持装置，该至少一个密封叶片被构造成确保所述平台元件与相邻的结构元件之间的流体密封；其特征在于，每个板片弹簧(32)包括固定到扇区(S)的平台元件上的中间部分(34)和相对端部部分(33，35)，该相对的端部部分被支撑在由该平台元件承载的所述叶片(30)上。

Description

装配有用于密封叶片的保持装置的涡轮机模块
技术领域
本发明的领域是航空涡轮机的领域，更具体地是叶片密封系统、特别是用于飞行器发动机的高压涡轮的涡轮喷嘴的叶片密封系统的领域。
背景技术
现有技术包括文献FR-A1-2 786 222和US-A-5118120。
叶片密封系统通常用于涡轮机，以在燃烧室的内环形围装空间与外环形围装空间之间提供流体密封，来自涡轮喷嘴和导流片的冷却空气以及由燃烧室的热气管道输送的热气体在燃烧室中流动。这些叶片被布置在将结构元件的平台元件分开的环形空间中，并且在密封位置被支撑在这些元件的形成部分上。
这些叶片承受两侧普遍存在的压力。通常，冷却气体的压力高于热气体的压力，并且叶片以压力差有利地作用在期望的密封上的方式布置。然而，由于涡轮机处于极其可变的运行条件下，因此会出现许多问题，特别是在某些飞行阶段中由于膨胀、振动和小的压力差而引起的问题。由于这个原因，密封系统包括保持装置，以连续地对叶片施加压力并将叶片保持在其密封位置。
一些高压涡轮包括涡轮喷嘴，涡轮喷嘴的密封由叶片和保持装置执行，该保持装置能够将涡轮喷嘴的相邻叶片接合在一起，以防止涡轮喷嘴的扇区与在上游的燃烧室和在下游的外部壳体之间的泄漏。
在该专利申请中，“上游”和“下游”是指在涡轮机中、特别是在涡轮机模块中的气体流动。
该密封系统在文献FR-A1-2 829 796中进行了描述，并在图1和图2中示出，下面将对图1和图2进行详细说明。然而，在发动机运行期间，扇区的相邻叶片上的支撑可能引起这些扇区之间的偏移并且导致密封系统的不对称。这种不对称会在保持装置的组装期间以及在发动机运行期间导致保持装置的预张紧(这可能导致保持装置的塑化)。另外，该密封系统在形成保持装置的元件中需要多个弯曲部，这会使制造变得复杂。该保持装置在涡轮机中的组装和运行也难以建立。实际上，保持装置的折叠部分通过多个铆钉固定在组成涡轮喷嘴的多个元件上，这要求对密封系统的不对称性进行平衡。另外，保持装置的塑化和/或涡轮喷嘴的扇区之间的偏移会导致叶片的牢固压紧不良并导致泄漏。密封系统的所有这些异常都会影响发动机的性能，并导致涡轮喷嘴的叶片烧伤和管道中的空气动力学干扰。
在这种情况下，通过提供可靠的密封解决方案来克服现有技术的缺点是有令人感兴趣的，该解决方案能够延长使用寿命并确保将密封叶片稳定地保持在涡轮喷嘴的扇区中。
发明内容
本发明旨在通过提供一种生产简单、有效和具有成本效益的解决方案来克服现有技术的一个或多个缺点。
因此，本发明提出了一种涡轮机模块，特别是用于飞行器的涡轮机模块，该涡轮机模块包括环形涡轮喷嘴，该环形涡轮喷嘴被划分为扇区并轴向地插入两个结构元件之间，所述涡轮喷嘴包括多个扇区，该多个扇区具有在内平台元件与外平台元件之间延伸的导流片，每个扇区的所述平台元件中的至少一个平台元件一方面承载至少一个密封叶片，另一方面承载用于将所述叶片保持在密封位置的保持装置，该至少一个密封叶片被构造成确保所述平台元件与相邻的结构元件之间的流体密封，该保持装置包括至少一个板片弹簧，该至少一个板片弹簧在所述平台元件的周缘周向地延伸并被支撑在所述叶片上；其特征在于，每个板片弹簧包括固定到扇区的平台元件上的中间部分和相对的端部部分，该相对的端部部分被支撑在由该平台元件承载的所述叶片上。
板片弹簧的这种构造具有在同一涡轮喷嘴扇区的同一叶片上提供双重抵接的优点。通过双重抵接将板片弹簧保持在叶片上，一方面能够提高将叶片压紧在密封位置上的可靠性，另一方面能够更好地将应力分配在板片弹簧上。与现有技术相反，板片弹簧由于其特殊的形状和尺寸而能够更有效地抑制和吸收在密封系统上引起的压力和/或振动。因此，当板片弹簧被安装在叶片上时以及在涡轮机中运行期间，板片弹簧不易塑化(plasticization)。板片弹簧的自由端部部分也较不容易破裂和断裂。最后，密封系统的这种特殊构造消除了对使板片弹簧相对于叶片和扇区平衡的需要，因此也消除了涡轮喷嘴扇区之间可能产生的不对称和偏移。
根据另一个实施例，每个板片弹簧的第一端部部分在靠近叶片的第一周向端部的位置处被支撑在该叶片上，并且该板片弹簧的第二端部部分在与叶片的第二周向端部相距一距离处被支撑在该叶片上。
根据另一实施例，板片弹簧的第一端部部分比第二端部部分更靠近中间部分。
根据另一特征，中间部分具有大致C形的形状，并且包括两个壁，在两个壁之间形成用于容纳所述平台元件的第一紧固凸片的空间。
根据另一实施例，板片弹簧由穿过所述中间部分和所述第一紧固凸片的铆钉固定。
这种构造的优点在于，提供了板片弹簧与叶片在涡轮喷嘴的扇区的平台元件上的单点紧固。这种单点紧固使板片弹簧能够具有更大的自由度和柔韧性，以限制板片弹簧的塑化。根据本发明的这种构造将板片弹簧附接到叶片的另一个优点是限制会使密封系统混乱的附加紧固件的使用。
根据另一实施例，扇区的平台元件包括独立于板片弹簧的第二端部紧固凸片。
根据另一实施例，每个板片弹簧的端部部分被加厚，并且每个板片弹簧均包括用于支撑在叶片上的平坦表面。
这些加厚的端部部分能够在叶片的两个周向端部上施加更大的压力。
根据另一实施例，叶片具有大致弯曲或弓形的形状。
根据另一实施例，每个板片弹簧在叶片的总长度的60％至80％之间的长度上延伸。
板片弹簧的这些特定尺寸使得能够在同一涡轮喷嘴扇区的单个叶片上实现双重支撑。相反，现有技术的保持装置的长度(图2)至少对应于叶片的总长度的90％，使得该装置可以接合(plate)涡轮喷嘴的相邻扇区的相邻叶片。
根据另一实施例，板片弹簧由耐热合金、例如基于钴的耐热合金制成。
本发明还涉及飞行器涡轮机，该飞行器涡轮机包括至少一个根据本发明的实施例中的一个实施例的模块。
附图说明
当阅读以非限制性示例的方式并参考附图进行的以下描述时，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以轴向截面示出了装配有根据本发明的用于保持密封叶片的保持装置的涡轮机模块的半示意图；
图2是根据现有技术的用于保持相邻的密封叶片的保持装置的示意性局部俯视图；
图3是根据本发明的实施例的保持装置的板片弹簧的示意性透视图；
图4是图3的保持装置在其安装环境中的局部示意性前视图。
具体实施方式
图1示出了诸如为飞行器涡轮轴发动机的涡轮机1的模块的局部示意图，该模块沿纵向轴线X延伸并且包括燃烧室2和由一个或多个级组成的高压涡轮3。涡轮的每个级包括以已知方式交替布置的成排的导流片4和成排的移动叶片5。
高压涡轮由以下结构支撑，该结构在径向外侧包括通过螺栓连接在一起的燃烧室的外壳体6、涡轮外环7和涡轮壳体8。在涡轮3的径向内侧，涡轮的内壳体9连接到燃烧室的内壳体10。
燃烧室2是环形的，并且由外衬套11和内衬套12界定边界。
常规地，高压冷却空气穿过外环形围装空间13和内环形围装空间14围绕环形燃烧室2流动，该外环形围装空间由燃烧室2的外壳体6和外衬套11限定，该内环形围装空间由燃烧室2的内壳体10和内衬套12限定。冷却空气穿过壁16中的孔口15向下游流动以冷却导流片4，并穿过设置在壁18中的孔口17向下游流动以冷却导流片4的内平台19，壁16连接外壳体6的下游端部和燃烧室2的外衬套11，壁18连接内壳体10的下游端部和燃烧室2的内衬套12。
该成排的导流片4以已知的方式形成涡轮喷嘴，该涡轮喷嘴被划分为扇区并且由整体式扇区S形成，每个整体式扇区包括多个导流片4，该多个导流片连接外平台元件20和内平台元件19。必须防止扇区S的平台元件19、20与相邻的结构元件之间的空气泄漏。
在涡轮机模块中，密封系统插入以下空间中：
-外平台元件20的上游端部22与壁16之间的空间21，
-外平台元件20的下游端部24与涡轮的外环7之间的空间23，以及
-内平台元件19的上游端部26与壁18之间的空间25。
此外，在该专利申请中，“密封系统”被定义为包括至少一个叶片和用于将该叶片保持在涡轮喷嘴的扇区的至少一个平台元件上的密封位置的保持装置。
图2示出了FR-A1-2 829 796中的现有技术的密封系统，该密封系统包括可以弯曲和连结的叶片30、30’，以及用于将叶片30、30’保持在密封位置的保持装置32。密封叶片30、30’中的每一个由涡轮喷嘴扇区S的平台元件(外平台元件20和/或内平台元件19)承载。这些叶片径向向外延伸以使叶片阻挡空间21和23，并且径向向内延伸以使叶片阻挡空间25，并且这些叶片包括支撑在相邻结构元件上的形成部分。
同一密封系统的两个相邻叶片30、30’在将两个连续的扇区S1、S2分开的平面P1中连结。如在图2中可见地，这两个叶片30、30’之间的连结点被插入这些叶片的相邻端部与保持装置32的保持构件33之间的连结盖31覆盖，该保持装置将相邻叶片30、30’偏压在密封位置中。因此，该保持装置32包括保持构件33和U形的弯曲端部35，该保持构件为自由且圆形的端部，该U形的弯曲端部远离保持构件33。保持装置32通过两个铆钉36a、36b保持在扇区S1上，这两个铆钉36a、36b分别固定到平台元件19、20的紧固凸片39a、39b。这些铆钉36a、36b的杆穿过连结盖31、叶片30以及保持装置32(更确切地说，保持装置32的弯曲端部35和中间部分)中的相应孔口。保持装置32在两个相邻的扇区上的这种布置具有在背景技术中提到的多个缺点，特别是具有使涡轮喷嘴的扇区偏移的风险。
本发明的密封系统还适合于安装在图1所示的涡轮机模块1中。本发明的涡轮机模块1的密封系统在图3和图4中示出。
在图3中以透视图示出了根据本发明的保持装置的板片弹簧32。该板片弹簧32具有大致细长的形状，并且包括自由且彼此相对的第一端部部分33和第二端部部分35以及设置在这两个端部部分之间的中间部分34。第一部分33的自由端部比第二部分35的自由端部更靠近中间部分34。
板片弹簧32的这些不同部分33、34和35可以由单件式耐热合金材料(例如基于钴的耐热合金)形成。
特别地，端部部分33、35比板片弹簧32的其余部分厚。
在所示的示例中，中间部分34弯曲成大致C形或大致U形形状，以形成两个平行的壁，分别为上壁34a和下壁34b，在上壁与下壁之间限定出用于容纳例如平台元件的第一紧固凸片的容纳空间。更具体地，弯曲成U形或C形形状的中间部分34可包括在两个壁之间连接这两个壁的横向壁，这两个壁优选地是纵向壁34a、34b。当将板片弹簧32组装到涡轮机模块中时，其大致U形或C形形状的敞开通道旨在径向地朝向导流片排4定向(图1)。壁34a、34b各自包括彼此相对的开口37、38，该开口37、38例如用于容纳固定装置。
有利地，板片弹簧32可以具有弯曲或弓形的形状，并且可以通过在中间部分34弯曲而制成，中间部分以预定的方式使板片弹簧弯曲以使端部部分33、35能够弹性变形。该板片弹簧32还在中间部分34中包括孔，使得该中间部分可被固定到平台元件。具有单个孔和单个弯曲部的板片弹簧的这种实施例消除了中间部分的通常受到塑化的应力区域，同时改善了抑制板片弹簧的操作应力的操作。
图3中的板片弹簧在图4中被示出为处于其安装环境中。在图4中，板片弹簧用于保持由涡轮喷嘴扇区S的平台元件19、20承载的密封叶片30。与现有技术相反，板片弹簧32围绕扇区S的周缘延伸，并且仅由一个和同一扇区S的叶片30支撑。这种布置在涡轮喷嘴的不同扇区S的叶片30上再现。
板片弹簧的第一端部部分33被支撑在叶片30的第一周向端部30a上，并且板片弹簧的第二端部部分35被支撑在叶片30的第二周向端部30b上。因此，以与现有技术类似的方式，叶片30上的第一支撑部(或接合部)由第一端部部分33产生，并且该支撑部一方面靠近板片弹簧32的中间部分34，另一方面远离板片弹簧32的第二端部部分35。叶片30上的第二支撑部(在现有技术中没有教导)由第二端部部分35形成，并且该支撑部优选地靠近叶片30的第二周向端部30b的第二孔口40b。该第二孔口40b使该叶片30能够通过铆钉36b固定到平台元件的第二紧固凸片39b。板片弹簧32在叶片30上的这种双重支撑使得一方面可以平衡板片弹簧在涡轮喷嘴的同一扇区S的同一叶片30上在密封位置中的接合，另一方面可以确保力在整个板片弹簧上的良好分配，从而抑制板片弹簧的塑化。
另外，板片弹簧32通过扇区的平台元件上的中间部分34固定连接到叶片30。实际上，中间部分34借助于铆钉36a穿过叶片30的第一孔口40a而固定在平台元件的第一紧固凸片39a上。因此，板片弹簧32的单个附接点足以平衡端部部分33、35在该附接点的两侧上的支撑，并因此也限制了板片弹簧的塑化。
另外，板片弹簧32的长度或周向尺寸小于涡轮喷嘴的扇区S或叶片30的长度或周向尺寸。该尺寸被设计成使得可以将板片弹簧直接双重支撑在安装有该板片弹簧的叶片上。另外，应当注意，可以通过根据给定力具体地设计该板片弹簧移动一定长度所需的厚度和长度来获得板片弹簧的弹簧特性或阻尼操作特性。例如但并非限制性地，具有较小厚度和较长长度的板片弹簧可以减小该板片弹簧的刚度，从而增加该板片弹簧的阻尼。
此外，保持装置在叶片上的这种新的构造和组装可以容易地适应现有的涡轮喷嘴，而无需改变涡轮喷嘴或相邻零件的结构或布局。
因此，由于多种原因，装配在本发明的涡轮机模块中的叶片密封系统与现有技术相比具有以下优点：
-该叶片密封系统通过保持装置的双重支撑加强了叶片上的密封；
-该叶片密封系统消除了保持装置的板片弹簧的塑化；
-该叶片密封系统消除了密封系统的不对称性和平衡性；
-该叶片密封系统消除了涡轮喷嘴的扇区的偏移；
-该叶片密封系统简化了保持装置的板片弹簧的制造(通过使板片弹簧弯曲并在板片弹簧上钻孔)；
-该叶片密封系统适用于现有的涡轮喷嘴。
通常，在同一密封叶片上具有双重支撑的保持装置改善了发动机的性能并限制了涡轮机的管道中的空气动力学干扰。所提出的解决方案在涡轮机的生产和组装方面简单、有效且具有成本效益，同时确保了涡轮喷嘴与涡轮机燃烧室之间的可靠密封并提高了使用寿命。

Claims (11)

1.特别是用于飞行器的涡轮机模块，所述涡轮机模块包括环形涡轮喷嘴，所述涡轮喷嘴被划分为扇区并轴向地插入两个结构元件之间，所述涡轮喷嘴包括多个扇区(S)，所述多个扇区具有在内平台元件(19)与外平台元件(20)之间延伸的导流片(4)，每个扇区(S)的所述平台元件中的至少一个平台元件一方面承载至少一个密封叶片(30)，另一方面承载用于将所述叶片(30)保持在密封位置的保持装置，所述至少一个密封叶片被构造成确保所述平台元件(19，20)与相邻的结构元件之间的流体密封，所述保持装置包括至少一个板片弹簧(32)，所述至少一个板片弹簧在所述平台元件(19，20)的周缘周向地延伸并被支撑在所述叶片(30)上；其特征在于，每个板片弹簧(32)包括固定到扇区(S)的平台元件上的中间部分(34)和相对的端部部分(33，35)，所述相对的端部部分被支撑在由所述平台元件(19，20)承载的所述叶片(30)上。
2.根据权利要求1所述的涡轮机模块，其特征在于，每个板片弹簧(32)的第一端部部分(33)在靠近所述叶片(30)的第一周向端部(30a)处被支撑在所述叶片(30)上，并且所述板片弹簧(32)的第二端部部分(35)在与所述叶片(30)的第二周向端部(30b)相距一距离处被支撑在所述叶片(30)上。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮机模块，其特征在于，所述板片弹簧(32)的所述第一端部部分(33)比所述第二端部部分(35)更靠近所述中间部分(34)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮机模块，其特征在于，所述中间部分(34)具有大致C形的形状，并且包括两个壁(34a，34b)，在所述两个壁之间形成用于容纳所述平台元件(19，20)的第一紧固凸片(39a)的空间。
5.根据权利要求4所述的涡轮机模块，其特征在于，每个板片弹簧(32)由穿过所述中间部分(34)和所述第一紧固凸片(39a)的铆钉(36a)固定。
6.根据权利要求4或5所述的涡轮机模块，其特征在于，所述扇区(S)的平台元件(19，20)包括独立于所述板片弹簧(32)的第二端部紧固凸片(39b)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮机模块，其特征在于，每个板片弹簧(32)的端部部分(33，35)被加厚，并且每个板片弹簧均包括用于支撑在所述叶片(30)上的平坦表面。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮机模块，其特征在于，所述叶片(30)具有大体弯曲或弓形的形状。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮机模块，其特征在于，每个板片弹簧(32)在所述叶片(30)的总长度的60％至80％之间的长度上延伸。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的涡轮机模块，其特征在于，所述板片弹簧(32)由耐热合金、例如基于钴的耐热合金制成。
11.飞行器涡轮机，其特征在于，所述飞行器涡轮机包括至少一个根据权利要求1至10中任一项所述的模块。
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