CN112292510A - 涡轮机叶片的具有改善的密封的成角度部段 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机的固定的叶片环的成角度部段(34a)，尤其涉及一种定子或导流叶片组件的固定的叶片环的成角度部段，所述部段(34a)围绕固定的叶片环的轴线按照预定的角度延伸，并且所述部段相对于所述固定的叶片环的轴线包括径向外部平台(38a)、径向内部平台(40a)、在所述平台(38a，40a)之间延伸的至少两个叶片(42a)、以及至少一个可磨耗蜂窝材料块(44a)，该可磨耗蜂窝材料块在部段(34a)的横向端部之间在内部平台(38a)的内部延伸，其特征在于，可磨耗材料块(44a)包括至少一个横向端部壁(52a)，该横向端部壁的形状被按照具有齿的轮廓(54a1，54a2)设置，该具有齿的轮廓包括径向定向(R)的跨越所述块(44a)的整个径向厚度延伸的至少一个齿(56a1，56a2)。摘要附图：图4。

Description

涡轮机叶片的具有改善的密封的成角度部段
技术领域
本发明涉及一种涡轮机叶片的成角度部段，尤其涉及一种下述的叶片的成角度部段：该叶片为诸如装备于压气机的整流装置或者为诸如装备于该涡轮机的涡轮的定子。
背景技术
燃气涡轮发动机以已知的方式包括固定的内部叶片环，该内部叶片环被安装在发动机的主流道的外部壳体中并且在轴向上处于这些发动机的涡轮移动叶片轮之间或者处于压气机移动叶片轮之间。每个固定的叶片环围绕压气机或涡轮转子被动态地密封。为此，每个固定的叶片环包括内部可磨耗材料块，该内部可磨耗材料块被设计成与唇形密封元件配合，该唇形密封元件以旋转的方式与相关的压气机或涡轮转子成一体，以便确保气密性。
然而，部分气体可能会沿与主流在主流道中流通的方向相反的方向进入压气机的或涡轮转子的固定叶片与移动叶片之间。
当固定的内部叶片环处于压气机轮之间时，该内部叶片环构成整流装置，或者当该固定的内部叶片环处于涡轮的轮之间时，该内部叶片环构成定子。
为了有助于固定的叶片环的装配并降低其制造成本，该固定的叶片环通常被制成为成角度的部段的组合件，该成角度的部段被彼此相邻地并置以便形成整体的固定的叶片环。因此，这些环留出了部段间间隙，该部段间间隙为气体留出了再流通通道，该再流通通道不再是围绕成角度部段的根部，而是处于该成角度部段之间。
实际上，依照惯例，从上游到下游穿过固定的叶片的气体的一部分趋于从下游到上游穿过密封件进行再流通，该密封件根据一泄漏流速被制成在可磨耗材料块与唇形密封元件之间，尝试保持该泄漏流速尽可能最小，因为该泄漏流速会影响相应的压气机或涡轮的性能。从上游到下游穿过这些叶片的气体的另一部分趋于从下游到上游通过使该另一部分气体在部段之间迂回穿过部段之间的间隙(也被称为部段间间隙)来进行再流通。
确保令人满意的密封水平的困难之处在于下述事实：环的成角度部段由于在发动机运行期间发生的机械变形和热变形而进行移动。因此，部段间间隙和泄漏流速在发动机运行期间发生变化。此外，在热的发动机运行期间，间隙必须不为零，因为部段平台之间的接触可能导致处于固定的叶片外部的壳体呈椭圆形，和/或导致相接触的表面发生缠结，这会大大增加施加在固定的叶片上的应力，并尤其导致这些应力被传递到发动机的接纳固定的叶片的外部壳体。
传递这些应力可能会导致外部壳体呈椭圆形并且显著地改变该壳体与相邻的移动叶片之间的径向间隙，这在使用寿命方面对发动机具有非常不利的影响。
固定的叶片环的两个紧邻的成角度部段之间的传统密封由唇形密封系统来确保，该唇形密封系统处于这些部段之间以便限制部段之间的泄漏。这些密封系统可被用于对主流道中的固定的叶片的环部段进行密封，并且在双流发动机的情况下还被用于对次级流道中的固定的叶片的环部段进行密封。
在这种技术中，唇形件被容置在处于容置部中的已被机加工成部段的两个相邻的部段之间。唇形件被用于防止气体的流穿过部段间间隙。
依照惯例，叶片环的成角度部段相对于环的轴线包括径向外部平台、径向内部平台、在所述平台之间延伸的至少两个轮叶、被附接至内部平台的根部以及向内延伸至根部的至少一块可磨耗蜂窝材料，该径向外部平台基本呈圆筒的成角度部段的形状，该径向内部平台呈圆筒的成角度部段的形状。处于两个部段之间的唇形件被嵌入两个部段的两个相邻根部的质块中并且在容置部中面对两个部段的相邻的内部平台和外部平台。
然而，这些唇形件不易于安装。另外，这些唇形件需要对固定的叶片的成角度部段中的容置部进行构造，这在制造方面是昂贵的。
另外，唇形件不能被布置成沿着根部的整个径向厚度以便对内部平台的内部进行密封。因此，在部段之间保留了间隙，而气体能通过该间隙进行流动。
因此，需要一种替代性的密封技术，以便省略这种唇形件以及改善固定的叶片部段之间的密封。
文献FR-2.552.159-A1描述了内部平台的边缘的形状被设置成Z形轮廓的技术。这种构造改善了密封效率，但是仅限于平台，并且仅适用于具有未分段的可磨耗材料块的分配器。
发明内容
本发明提出了利用被布置在内部平台内部的现有可磨耗材料块来提供两个相邻的成角度部段的横向端部壁之间的直接密封。
为此，本发明提出了一种涡轮机的固定的叶片环的成角度部段，尤其提出了一种整流装置或定子的固定的叶片环的成角度部段，所述部段围绕固定的叶片环的轴线以给定的角度延伸，并且该部段相对于所述固定的叶片环的轴线包括径向外部平台、径向内部平台、在所述平台之间延伸的至少两个轮叶、以及至少一个可磨耗蜂窝材料块，该可磨耗蜂窝材料块在部段的横向端部之间在内部平台的内部延伸。
可磨耗蜂窝材料块例如包括在径向上处于内部的径向密封面，该径向密封面被构造成与由涡轮机的转子承载的迷宫式密封件的唇形件配合。
根据本发明，该成角度部段的特征在于，可磨耗材料块包括至少一个横向端部壁，该横向端部壁的形状被按照具有齿的轮廓设置，该具有齿的轮廓包括在径向方向上沿着所述块的整个径向厚度延伸的至少一个齿。
根据成角度部段的其它特征：
-可磨耗材料块延伸至内部平台，
-至少一个齿中的每个齿从所述块横向地凸出并且由所述块的所述可磨耗蜂窝材料制成，
-具有齿的轮廓在与径向方向垂直的平面中具有锯齿形状的横截面，
-具有齿的轮廓在与径向方向垂直的平面中具有堞形形状的横截面，
-具有齿的轮廓具有呈销的形式的单个齿，
-呈销的形式的单个齿从块的轴向端部中的一个延伸，
-可磨耗蜂窝材料块包括径向定向的管状室。
本发明还涉及一种上述类型的两个相邻的成角度部段的组合件，其特征在于，所述相邻的成角度部段的其形状被按照具有齿的轮廓设置的所述至少一个横向端部壁彼此面对，以及，所述具有齿的轮廓是互补的。
最后，本发明涉及一种涡轮机的固定的叶片环，包括固定的叶片环的多个成角度部段，其特征在于，该固定的叶片环包括给定数量的部段，该部段被并置并形成整体的固定的叶片环，以及，每个成角度部段包括两个相对的横向端部壁，该横向端部壁的形状被设置成具有齿的轮廓，该具有齿的轮廓各自包括至少一个径向定向的齿，以及，每个成角度部段与每个与其相邻的成角度部段装配成上述类型的组合件。
附图说明
当参照附图阅读作为非限制性示例的以下说明时，本发明将被更好地理解，并且本发明的其它细节、特征和优点将更清楚地显现，在附图中：
-图1是根据现有技术的涡轮机的示意性剖视图；
-图2是图1的涡轮机的涡轮的详细横截面视图；
-图3是图1中的涡轮机的压气机的详细横截面视图；
-图4是根据本发明的成角度叶片部段的组合件的透视图；
-图5A是根据现有技术的叶片环部段的剖视图；
-图5B是根据本发明的叶片环部段的剖视图；
-图6是根据本发明的叶片环部段的可磨耗材料块的第一齿轮廓的示意性横截面视图；
-图7是根据本发明的叶片环部段的可磨耗材料块的第二齿轮廓的示意性剖视图；
-图8是根据本发明的叶片环部段的可磨耗材料块的第三齿轮廓的示意性横截面视图；
-图9是根据本发明的叶片环部段的可磨耗材料块的第四齿轮廓的示意性横截面视图。
具体实施方式
在下文的说明中，相同的附图标记指代相同的或具有相似功能的部件。
轴向方向意指平行于涡轮机的轴线A延伸的任一方向，而径向方向意指相对于轴向方向垂直并且径向地延伸的任一方向。
图1示出了双流类型的具有轴线A的涡轮机10。在本文中为涡轮喷气发动机10的这种涡轮机10以已知的方式包括风机12、低压(BP)压气机14、高压(HP)压气机16、燃烧室18、高压(HP)涡轮20、低压(BP)涡轮22和排气喷嘴24。HP压气机16的转子和HP涡轮20的转子通过HP高压轴26连接并且与该高压轴一同形成高压体。BP压气机14的转子和BP低压涡轮22的转子通过BP轴28连接并且与该BP轴一同形成低压体。
主空气流“P”穿过高压体和低压体，并且风机12产生次级空气流“S”，该次级空气流在涡轮喷气发动机10中、在涡轮喷气发动机的壳体11与外部壳体13之间以及在冷流通道15中流通。在喷嘴24的出口处，来自主流“P”的气体与次级流“S”混合，以产生推进力，在此次级流“S”提供了大部分推力。
BP压气机14和HP压气机16、以及HP涡轮20和BP涡轮22各自分别包括数个压气机级或涡轮级。例如如图2所示，BP涡轮22包括数个涡轮移动叶片轮22a、22b、22c、22d、22e，该涡轮移动叶片轮的叶片由相关的套管(virole)30a、30b、30c、30d、30e承载，该套管通过螺栓36被装配在一起。
BP涡轮22还包括扩压器32的固定的叶片的环32a、32b、32c、32d，该固定的叶片的环被置于涡轮移动叶片轮22a、22b、22c、22d、22e之间。
扩压器的每个固定的叶片环32a、32b、32c、32d由固定的叶片环的部段34a、34b、34c、34d的组合件形成，该部段的组合件围绕涡轮机的轴线A在360°上组装，以便构成围绕涡轮机的轴线A的完整的固定的叶片环32a、32b、32c、32d。
以同样的方式，如图3至图5B所示，涡轮机10的HP压气机16可包括一系列压气机移动叶片轮22a、22b，整流装置的固定的叶片的环32a被置于该压气机移动叶片轮之间，该整流装置的固定的叶片的环自身被制成为固定的叶片环的成角度部段34a的组合件的形式。因此，应理解的是，本发明应用于固定的叶片环32a的成角度部段34a的任意组合件，不论该组合件是用于压气机的整流装置的成角度部段34a的组合件还是用于涡轮的扩压器的成角度部段34a的组合件。
更具体地如图3所示，压气机的固定的叶片环32a由叶片环的成角度部段34a的组合件构成。可见每个固定的叶片环(尤其是环32a)被置于主流道P中，该主流道与相邻的压气机叶轮22a和22b、尤其是与这些叶轮22a、22b的套管30a和30b形成间隙。主流P的从上游向下游流动的加压气体的一部分趋于在套管30a和30b与成角度部段34a之间迂回，以便按照在图3中由箭头示出的再流通流rc从下游向上游进行再流通，该再流通流趋于绕过成角度部段34a。
存在这种再流通流rc是尤其不利的。再流通流rc趋于降低压气机的性能，或者相似地在涡轮的情况下趋于降低所述涡轮的性能。这就是为什么当前的设计趋于通过使成角度部段34a配备密封装置并使该密封装置包围套管来使该再流通流rc最小化。
如图3所示，每个部段34a以给定的角度围绕环32a的轴线延伸，该轴线对应于之前在图1中示出的涡轮机的轴线A。
术语“下部”指在径向方向上任何靠近轴线A的位置，而术语“上部”指在径向方向上任何比下部位置离轴线A更远的位置。最后，“横向”意指包括轴线A并且平行于部段34的截切平面的任何平面或表面。
传统地，每个部段34a相对于环32a的轴线A包括径向外部平台38a、径向内部平台40a、在所述平台38a、40a之间延伸的至少两个轮叶42a、从内部平台40a向内径向地延伸的根部43a以及至少一个可磨耗蜂窝材料块44a，因此该可磨耗蜂窝材料块在成角度部段34a的横向端部(未示出)之间也向内延伸至内部平台40a。
径向上在内部的径向密封面46a被构造成与迷宫式密封件50a的唇形件48a配合，该迷宫式密封件由涡轮机的转子(在本文中为套管30a)承载。
这种构造显著地减小了在部段34a与套管30a之间流通的再流通流rc的强度。然而，该构造对两个相邻的部段34a之间的再流通流没有影响。
传统地，相邻的部段34a之间的密封借助于唇形件(未示出)来实现，该唇形件被接纳在面对相邻的部段34a的容置部中，该容置部被布置在这些部段34a之间，以在部段34a之间形成针对再流通流rc的阻碍部。这种构造是尤其昂贵的，因为该构造需要尤其在根部43a中产生用于唇形件的容置部，并且因为该构造对特定的组合件、尤其是对用于在组装该组合件期间封闭整个叶片的部段赋予了预防措施。
如图4所示，本发明提出了通过利用已存在于内部平台40a的径向内部的可磨耗材料块44a来简化部段34a之间的密封，以便确保两个相邻的成角度部段的横向端部壁之间的直接密封。
为此，如图4所示，本发明提出了一种上述类型的涡轮机的固定的叶片环的成角度部段34a，其特征在于，可磨耗材料块44a包括至少一个横向端部壁52a，该横向端部壁的形状被按照具有齿的轮廓54a1、54a2设置，该具有齿的轮廓包括沿径向方向R的至少一个齿56a1、56a2，所述至少一个径向的齿56a1、56a2沿着所述块44a的整个径向厚度延伸。
因此，图4示出了固定的叶片环的两个成角度部段34a的组合件。固定的叶片环的这两个成角度部段34a中的每一个包括横向端部壁52a，该横向端部壁面对固定的叶片环的另一个部段34a的横向端部壁52a。
尤其如图6所示，部段34a中的一个部段的块44a包括具有齿的轮廓54a1，该具有齿的轮廓54a1包括至少一个齿56a1，而部段34a中的另一个部段的块44a包括与具有齿的轮廓54a1(具有至少一个齿56a1)互补的具有齿的轮廓54a2。因此，通过横向端部壁52a的及其互补的具有齿的轮廓54a1和54a2的配合而沿与主流P相反的方向确保了密封。
固定的叶片环32a包括特定数量的环部段34a，该环部段被并置并形成整体的固定的叶片环32a，并且该固定的叶片环包括叶片环的这些成角度部段34a中的至少两个，这些成角度部段包括互补的具有齿的轮廓54a1、54a2。应理解的是，所有的环部段34a优选地包括具有齿的轮廓。因此，每个成角度部段34a与每个相邻的成角度部段34a装配成上述类型的组合件，并且每个块44a在两端处包括相对的横向端部壁52a，该横向端部壁的形状被按照具有齿的轮廓54a1、54a2设置，该具有齿的轮廓用于与相邻的块44a的包括径向定向的齿的具有齿的轮廓54a1、54a2配合。
在本发明的优选实施例中，部段34a的可磨耗材料块44a延伸至内部平台40a。在图5B中示出了这种构造。与如图5A所示的传统的成角度部段34a相比，根部43a已被移除并且蜂窝材料块44a已被径向延长至内部平台40a，以便赋予蜂窝材料块44a以最大高度，从而提供最大程度的密封。此外，这种构造消除了对根部43a上的沟槽密封系统和传统的唇形件的需求。
优选地，如图4所示，每个内部平台40a具有端部边缘58a，该端部边缘的形状被设置成具有齿的轮廓60a1、60a2，该具有齿的轮廓被叠加在对应的蜂窝材料块44a的具有齿的轮廓54a1、54a2上。因此，具有齿的轮廓60a1、60a2也是彼此互补的。然而，本发明并不限于这种构造，内部平台40a的端部边缘58a可以是直的。
可以以不同的方式制造每个块44a的每个齿56a1或56a2。例如，假如齿56a1或56a2从块44a突出，则这些齿可附接至块44a。然而，优选地，每个齿56a1或56a2直接由块44a的可磨耗蜂窝材料制成。
取决于所需的密封而可以用不同的方式对蜂窝材料块44a的具有齿的轮廓54a1、54a2进行构造。齿56a1或56a2的数量越多，则轮廓54a1、54a2越能够更好地提供一种迷宫件，该迷宫件有效地减小了相邻的成角度部段44a之间的再流通流rc的流速。另一方面，齿56a1或56a2的数量越多，则两个相邻的成角度部段44a的配合公差越小，并且要实现这些相邻的部段44a就越复杂。因此，应理解的是，齿56a1或56a2的数量是减小再流通流rc的效率与得到由成角度部段34a形成的环32a的成本之间折中的结果，该成本包括实现这些部段34a和它们的组合件。
在这种构造中，如图6和图7所示，具有齿的轮廓54a1、54a2在与径向方向R垂直的平面中的截面中可存在堞形的形状，即，其中齿具有基本为矩形或正方形的截面。
可替代地，如图8所示，具有齿的轮廓54a1、54a2在与径向方向R垂直的平面中可具有锯齿形状的横截面。
可替代地，如图9所示，每个部段44a的具有齿的轮廓54a1、54a2可包括形成单个齿56a1、56a2的销。在这种情况下，其形状被设置为销的单个齿56a1、56a2从块44a的轴向端部62a1或62a2中的一个延伸。
虽然本发明不限于这种构造，但应理解的是，可磨耗蜂窝材料块44a包括沿径向方向R径向地定向的管状的室(未示出)。这种构造对材料块44a提供了最大的强度。
在本发明的优选实施例中，通过增材制造工艺得到蜂窝材料块44a。这种构造使得能够形成规则的室54a和具有齿的轮廓54a1、54a2的规则的构造，而不存在可能由材料减除工艺引起的任何劣化的风险。
因此，本发明使得能够以简单而有效的方式确保固定的叶片环的成角度部段32a之间的密封，并且能够限制这些成角度部段32a之间的再流通流rc的流速，结果，这使得能够改善配备有这种叶片环32a的成角度部段的压气机或涡轮的性能。

Claims (10)

1.一种涡轮机(10)的固定的叶片环(32a)的成角度部段(34a)，尤其是一种整流装置或定子的固定的叶片环的成角度部段，所述部段(34a)围绕所述固定的叶片环(32a)的轴线A以给定的角度延伸，并且所述部段相对于所述固定的叶片环(32a)的轴线A包括径向外部平台(38a)、径向内部平台(40a)、在所述平台(38a，40a)之间延伸的至少两个轮叶(42a)、以及至少一个可磨耗蜂窝材料块(44a)，所述可磨耗蜂窝材料块在所述部段(34a)的横向端部之间在所述内部平台(38a)的内部延伸，其特征在于，所述可磨耗材料块(44a)包括至少一个横向端部壁(52a)，所述横向端部壁的形状被按照具有齿的轮廓(54a1，54a2)设置，所述具有齿的轮廓包括在径向方向(R)上沿着所述块(44a)的整个径向厚度延伸的至少一个齿(56a1，56a2)。
2.根据前一项权利要求所述的成角度部段(34a)，其特征在于，所述可磨耗材料块(44a)延伸至所述内部平台。
3.根据前述权利要求中任一项所述的成角度部段(34a)，其特征在于，至少一个齿(56a1，56a2)中的每个齿从所述块(44a)横向地凸出并且由所述块(44a)的所述可磨耗蜂窝材料制成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的成角度部段(34a)，其特征在于，所述具有齿的轮廓(54a1，54a2)在与所述径向方向(R)垂直的平面中具有锯齿形状的横截面。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的成角度部段(34a)，其特征在于，所述具有齿的轮廓(54a1，54a2)在与所述径向方向(R)垂直的平面中具有堞形形状的横截面。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的成角度部段(34a)，其特征在于，所述具有齿的轮廓(54a1，54a2)具有呈销的形式的单个齿(56a1，56a2)。
7.根据前一项权利要求所述的成角度部段(34a)，其特征在于，所述呈销的形式的单个齿(56a1，56a2)从所述块的轴向端部壁中的一个延伸。
8.根据前述权利要求中任一项所述的成角度部段(34a)，其特征在于，所述可磨耗蜂窝材料块(44a)包括径向定向的管状室。
9.一种组合件，所述组合件包括两个相邻的根据权利要求1至8中任一项所述的成角度部段(34a)，其特征在于，所述相邻的成角度部段(44a)的其形状被按照具有齿的轮廓(54a1，54a2)设置的所述至少一个横向端部壁(52a)彼此面对，以及，所述具有齿的轮廓(54a1，54a2)是互补的。
10.一种涡轮机的固定的叶片环(32a)，包括所述固定的叶片环的多个成角度部段(34a)，其特征在于，所述固定的叶片环包括给定数量的部段(34a)，所述部段被并置并形成整体的固定的叶片环(32a)，以及，每个成角度部段(34a)包括两个相对的横向端部壁(52a)，所述横向端部壁的形状被设置成具有齿的轮廓(54a1，54a2)，所述具有齿的轮廓各自包括至少一个径向定向的齿(56a1，56a2)，以及，每个成角度部段(34a)与每个与其相邻的成角度部段(34a)装配成根据权利要求9所述的组合件。
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