CN113195873B - 具有分度法兰的涡轮环组件 - Google Patents

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Abstract

具有分度法兰的涡轮环组件。本发明涉及一种涡轮环组件，其包括形成涡轮环(1)的环段(10)和环支撑结构(3)，每个环段(10)具有形成环形底座(12)的部分，所述环形底座沿径向(DR)具有第一钩接突片和第二钩接突片(14，16)从其突出的内表面(12a)和外表面(12b)，所述结构(3)包括护罩(31)，从所述护罩(31)突出第一径向法兰和第二径向法兰(32，36)，第一突片和第二突片(14，16)保持在所述第一径向法兰和第二径向法兰之间，以及设置在所述环(1)上游的由一个部件形成的第一环形法兰(33)和第二环形法兰(34)。所述第一法兰(33)包括环形台肩(3320)，所述第二法兰(34)包括环形凹部(3420)，所述环形凹部形成与所述台肩(3320)协作的轴向止动块。

Description

具有分度法兰的涡轮环组件
技术领域
本发明涉及一种涡轮环组件，其包括由陶瓷基复合材料制成的多个环段以及环支撑结构，尤其涉及一种用于拆卸涡轮环组件的方法。
背景技术
本发明的应用领域特别是航空燃气涡轮发动机。然而，本发明可应用于其他涡轮发动机，例如工业涡轮机。
对于全金属涡轮环组件，有必要冷却组件的所有元件，尤其是承受最热气流的涡轮环。这种冷却对发动机的性能有很大的影响，因为使用的冷却流是从发动机的主流中流出的。此外，涡轮环使用金属限制了提高涡轮温度的可能性，即使这有可能改善航空发动机的性能。
为了尝试解决这些问题，人们设想生产由陶瓷基复合材料(CMC)制成的涡轮环段，以省去金属材料的使用。
CMC材料具有良好的机械性能，使其能够形成结构件，并有利地在高温下保持这些性能。使用CMC材料有利于减少运行期间所需的冷却流，从而提高涡轮发动机的性能。此外，CMC材料的使用有利于减少涡轮发动机的重量，并减少金属部件遇到的热膨胀的影响。
但是，提出的现有解决方案可以采用CMC环段与环支撑结构的金属挂钩件的组合，这些挂钩件容易受到热流的影响。因此，这些金属挂钩件会发生热膨胀，这可能导致CMC环段的机械应力和脆化。
还已知文件FR2540939、GB2480480、EP1350927、US2014/0271145、US2012/082540和FR2955898，它们公开了涡轮环组件。
需要改进现有的涡轮环组件及其安装，特别是现有的采用CMC材料的涡轮环组件，以减少CMC环段在涡轮运行期间所承受的机械应力强度。
此外，CMC环不能承受冷缩配合装配。
发明内容
本发明的目的是提出一种涡轮环组件，该涡轮环组件允许确定地保持每个环段，即，一方面控制其位置并避免其开始振动，同时允许环段，以及通过延伸，环，在温度上升和压力变化的影响下变形，这特别是独立于接口处的金属部件，另一方面，改善流动路径外的环段和流动路径内的环段之间的密封性，特别是位于环的径向上部的空腔的密封。所有这些都是在简化操作和减少环组件安装操作次数的同时实现的。
本发明的另一个目的是提出一种涡轮环组件，该涡轮环组件具有上游法兰，使得一方面能够确保由环限定的空腔的最佳密封，另一方面能够有效地适应构成环冠的每个CMC环段的不同轴向长度。也就是说，对于该第二点，环的上游部分和上游法兰的凸片之间的直线接触必须对每个环段有效，尽管这些环段具有不同的宽度，这些宽度特别受制造公差的影响。
本发明的一个主题提出了一种涡轮环组件，包括多个由陶瓷基复合材料制成的形成涡轮环的环段以及环支撑结构，沿着由所述涡轮环的轴向和径向限定的截面，每个环段具有形成环形底座的部分，沿着所述涡轮环的径向，所述环形底座具有限定涡轮环的内表面的径向内表面，以及径向外表面，该径向外表面从第一钩接突片和第二钩接突片突出，所述环支撑结构包括：
-中心护罩，从所述中心护罩突出第一径向法兰和第二径向法兰，每个环段的第一钩接突片和第二钩接突片被保持在所述第一径向法兰和第二径向法兰上，
-第一环形法兰，所述第一环形法兰由一个部件形成，相对于拟横穿涡轮环组件的空气流的方向布置在涡轮环的上游和第一径向法兰的上游，并且在径向上具有第一自由端、与所述第一端相对的第二端，以及
-第二环形法兰，设置在所述第一法兰的上游，具有第一自由端、与所述第一端相对的第二端、上游面和下游面，所述上游面和下游面均沿径向延伸，所述第一法兰和第二法兰的第二端可拆卸地附接到所述第一径向法兰。
根据本发明的一般特征，所述第一法兰包括从所述第一法兰的第二端向上游沿轴向突出的台肩，所述第二法兰包括在所述第二法兰的第二端与下游面之间的接合处形成的拐角上的环形凹部，所述凹部形成轴向止动块，所述轴向止动块配置为通过在轴向上与所述台肩互锁来配合。
设置在两个环形法兰之间并由第一环形法兰的台肩和第二环形法兰的凹部形成的双台肩使得可以限制两个金属环形法兰之间的热斜率问题。
第一环形法兰的台肩和第二环形法兰的凹部配合，即接触的长度越大，台肩和凹部之间的密封性和接触质量就越好。沿周向测量配合长度。为了保证在最坏情况下的接触，台肩和凹部配合的长度至少为1mm。
根据涡轮环组件的第一方面，第一法兰进一步包括从第一端延伸的第一部分，以及在第一部分和第二端之间延伸的第二部分，第一法兰的第一部分抵靠涡轮环的第一钩接突片。第一法兰的第二部分附接到环支撑结构的中心护罩的第一径向法兰。第一环形法兰的第一部分包括多个通向第一环形法兰的第一端的径向槽，所述径向槽限定第一环形法兰的第一部分的分段。
这些槽只延伸到第一法兰的第一部分，而不延伸到第二部分。第一部分的所述分段在涡轮环的周向延伸。
结合第一完全分段的上游环形法兰将允许分段的上游法兰的每个分段适应面对它的CMC环的宽度，即每个环段的轴向长度。通过这种方式，消除了环和第一上游法兰之间的轴向泄漏，特别是在直线支撑处。然而，这样的解决方案会在每个分段法兰之间的分段处造成相当大的泄漏。即使安装了密封片等装置，以减弱这些向环的外腔的泄漏，情况也会如此。
直接加入由单个部件，即非分段式部件形成的第一环形法兰，将有可能在分段式CMC环和环形壳体之间提供轴向密封，特别是通过与第一上游法兰被分段的情况相比，避免了分段间的泄漏。然而，上游第一环形法兰的连续性，特别是在面对并不都具有相同宽度(由于制造公差)的环段的直线支撑处的连续性，将导致直线支撑处出现大量泄漏。第一环形法兰将不能充分适应具有不同宽度的环段。
因此，根据本发明的第一环形法兰的第一部分，由于其非分段的环形形状，有可能在分段式CMC涡轮环和环形壳体之间提供轴向密封。并且，根据本发明的第一环形法兰的第二部分的分段使得可以适应第一环形法兰的第二部分的每个分段，其中涡轮环段面向第一环形法兰的第二分段。以这种方式，消除了CMC涡轮环的轴向支撑处的泄漏。
因此，具有半分段第一环形法兰的环形涡轮组件使得能够整体减少涡轮环的空腔和外部之间的泄漏。
优选地，第一法兰的第二部分可拆卸地附接到环支撑结构的中心护罩的第一径向法兰。
根据涡轮组件的第二方面，第一法兰还包括用于第一环形法兰的每个径向槽的段间密封件，每个径向槽具有沿径向和轴向平行的第一表面和第二表面，径向槽的第一表面包括第一凹槽，第二表面包括第二凹槽，所述第二凹槽相对于沿径向槽在轴向和径向上延伸的平面与第一凹槽对称地面向第一凹槽延伸，段间密封件的第一部分插入第一凹槽，段间密封件的第二部分插入第二凹槽。
插入径向槽中的段间密封件或密封片可减少环的空腔处的泄漏。
根据涡轮环组件的第三方面，对于每个径向槽，第一环形法兰可包括排放孔，并且每个径向槽一方面通向第一环形法兰的第一端，另一方面通向排放孔。
也就是说，每个径向槽可包括通向第一环形法兰的第一端的第一端和与径向槽的所述第一端相对并通向排放孔的第二端。
在第一法兰的第二分段部分和第一环形部分之间的过渡在下文被称为通道底部。当第一半分段环形法兰承受径向温度梯度时，通道底部形成切向应力集中轨迹。通道底部的切向应力集中可能引发裂纹，从而缩短第一环形法兰的使用寿命。
排放孔通过扩散排放孔周围的应力，可以显著降低应力集中。
根据涡轮组件的第四方面，排放孔可以是直径在0.1mm至8mm之间并且优选地在1mm至5mm之间的圆形孔。
圆形排放孔的直径在降低应力方面起着关键作用，如图1所示，该图表示应变率随排放孔直径的变化，该比值是相对于无排放孔的上游第一环形法兰确定的。在该图上可以看出，增加了直径最大为5mm的排放孔，可使最大应变水平降低62％。因此，当第一环形法兰经受径向温度梯度时，增加这些排放孔使得确保其结构完整性成为可能。
在一个变型中，排放孔可以是径向长方形孔，即这样的长方形孔，具有在径向上延伸的长度和在与径向正交的方向上延伸的宽度，长方形孔的长度大于宽度。
在另一变型中，排放孔可以是切向长方形孔，即这样的长方形孔孔，具有在径向上延伸的宽度和在与径向正交的方向上延伸的长度，换句话说，宽度在切向上延伸，长方形孔的长度大于宽度。
根据涡轮环组件的第五方面，对于每个径向槽，第一法兰可包括在台肩中形成的切口，所述切口在包括环的周向和轴向的平面内延伸，并与包括轴向和径向的平面相交并穿过径向槽。
也就是说，每个切口面对第一环形法兰的径向槽。在第一环形法兰中提供的每个切口使得当第二环形法兰被隔离(即被拆卸)时，能够使电极穿过，以便于在槽的第一表面和第二表面中形成凹槽以插入密封片。
根据涡轮环组件的第六方面，第二法兰的环形凹部在周向上被分割成多个凹部段，两个相邻的凹部段被径向定心挡块分开，该径向定心挡块在环的周向上形成止动块，并且成形为在周向上与第一法兰的切口配合，每个径向挡块从凹部延伸，在径向上和轴向上向下游突出。
径向定心挡块可使第二环形法兰在环组件安装期间相对于第一环形法兰进行分度。因此，代替在每个法兰段上使用两个销钉来对环形法兰进行分度(这需要在法兰和销钉之间留出间隙)，可以使用径向定心挡块进行分度，另一方面，这样可以减少部件数量并限制法兰中钻孔的数量，钻孔是可能的泄漏源，另一方面，提高了分度精度。
第二环形法兰优选地包括至少两个径向定心挡块，每个径向定心挡块与第一环形法兰的切口配合。
根据涡轮环组件的第七方面，在包括环的周向和轴向的平面中，每个切口包括沿轴向延伸的两个平行侧壁和在两个侧壁之间沿周向延伸的底壁，切口的侧壁以形成圆弧的方式分别连接到底壁。
优选地，每个连接弧的曲率半径大于或等于1.5mm。
半径至少为1.5mm的连接弧可以避免径向挡块和切口之间的应力集中。
根据涡轮环组件的第八方面，第二环形法兰的第一端在轴向上远离第一环形法兰的第一端。
第二环形法兰在其自由端的水平面上与第一环形法兰分开，这样就可以向涡轮环组件提供上游法兰，专用于承受高压喷嘴导叶(HP NGV)的力。涡轮环上游的第二环形法兰与环没有任何接触，并且配置为将高压NGV产生的轴向力尽可能直接传递到环支撑结构中，而不穿过环，当环由CMC制成时，其允许的机械约束很低。
具体地说，在第一环形法兰和第二环形法兰的第一端之间留有空间，可以使第二环形法兰在与涡轮环接触的第一环形法兰的上游受到的力偏离，并通过第二环形法兰的第二端将其直接引向环支撑结构的中心护罩，而不会影响第一环形法兰，因此也不会影响涡轮环。由于第一法兰的第一端不受任何力，因此涡轮环不会受到这种轴向力的影响。
通过第二环形法兰引导高压NGV力可能导致其倾斜。这种倾斜会导致底部部之间，即第二环形法兰的第一个端和与涡轮环接触的第一环形法兰的第一端之间，发生不受控制的接触，其结果是将HP NGV力直接传递到环上。
在一个变型中，第一法兰的第二端和第二法兰的第二端可以通过接触止动块分开。在第一环形法兰和第二环形法兰的第二端之间提出的接触止动块使得能够避免布置在第一法兰上游的第二环形法兰的底部部分与该倾斜之后的第一环形法兰的底部部分之间的接触。因此，避免了HP NGV力直接向环引导。
此外，环形法兰的可拆卸性使得轴向进入涡轮环的空腔成为可能。这使得在将环形法兰连接到环支撑结构的中心护罩之前，可以在环支撑结构外部将环段组装在一起，然后将这样组装的组件轴向滑动到环支撑结构的空腔中，直到其抵靠第二径向法兰。
在将涡轮环连接到环支撑结构的操作过程中，可以使用工具，包括气缸或环，在将环段组装到冠部时，将环段压在或吸入固定在工具上。
因此，上述针对环组件的解决方案使得能够确定地保持每个环段，即控制其位置并避免其开始振动，同时改善流动路径外的分段和流动路径上的分段之间的密封性，同时简化操作并减少安装环组件的操作次数，并允许环在温度和压力的影响下变形，特别是独立于金属接口部件。
根据涡轮环组件的第九方面，第一法兰的轴向厚度可以小于第二法兰的轴向厚度。
第一环形法兰的第二端的薄度为拟与环接触的支撑结构的上游部分提供了灵活性。
根据涡轮环组件的第十方面，环支撑结构的第二径向法兰具有第一自由端和第二端，所述第一自由端和第二端与环支撑结构的中心护罩形成单个部件，第二径向法兰的第一端与涡轮环的第二钩接突片接触，并且在轴向上的厚度大于第一环形法兰的第一端的厚度。
控制环支撑结构与环的轴向接触处的刚度，确保在任何情况下保持密封，但不会在环上产生过高的轴向力。环支撑结构下游部分，特别是第二径向法兰的第一端，即自由端的厚度增加，使得能够相对于包括第一环形径向法兰和第一环形法兰和第二环形法兰的上游部分，向环支撑结构的下游部分提供更大的刚度。这些增加的刚度使得在直线支撑的情况下，有可能减少环和壳体(即，环支撑结构)之间的下游的轴向泄漏。
根据涡轮环组件的第十一方面，环段可以沿着由轴向和径向定义的截面平面具有形状像倒希腊字母pi(π)的截面，并且对于每个环段，组件可以包括少三个销钉以径向保持环段的位置，每个环段的第一钩接突片和第二钩接突片各自包括与环形底座的外表面形成单个部件的第一端、第二自由端、用于接收所述至少三个销钉的至少三个凸耳，其中至少两个凸耳在涡轮环的径向上从第一钩接突片或第二钩接突片之一的第二端突出，并且至少一个凸耳在涡轮环的径向上从另一个钩接突片的第二端突出，每个接收凸耳包括用于接收销钉之一的孔。
根据涡轮环组件的第十二方面，环段可以沿着由轴向和径向限定的截面平面具有形状像拉长的K的截面，第一钩接突片和第二钩接突片具有S形状。
根据涡轮环组件的第十三方面，在环段的至少一个径向间隔上，环段可以沿由轴向和径向限定的截面平面具有O形截面，第一钩接突片和第二钩接突片各自具有第一端和第二自由端，第一端与外表面形成单个部件，并且每个环段包括第三钩接突片和第四钩接突片，第三钩接突片和第四钩接突片各自在涡轮环的轴向上，在第一钩接突片的第二端和第二钩接突片的第二端之间延伸，每个环段通过附接螺钉附接到环支撑结构，所述附接螺钉包括抵靠环支撑结构的螺钉头以及与形成于附接板中的螺纹孔配合的螺纹，所述附接板与第三钩接突片和第四钩接突片配合。环段还包括在中心护罩和第三与第四钩接突片之间延伸的径向销钉。
本发明的另一主题提出了一种涡轮发动机，包括如上所述的涡轮环组件。
附图说明
通过阅读以下参考附图的说明性而非限制性的文字，将会更好地理解本发明，其中：
图1已经示出的图1示出了施加在第一环形法兰的最大应变随排放孔直径变化的曲线图；
图2是根据本发明的涡轮环组件的第一实施方式的示意性透视图；
图3是图2所示涡轮环组件的示意性分解透视图；
图4是图2所示涡轮环组件的示意性剖视图；
图5是图2所示上游第一环形法兰沿截面V-V的示意性截面图；
图6是涡轮环组件的第二实施方式的示意性剖视图；
图7示出了涡轮环组件的第三实施方式的示意性剖视图。
具体实施方式
图2示出了高压涡轮环组件，包括由陶瓷基复合材料(CMC)制成的涡轮环1和金属环支撑结构3。涡轮环1围绕一组旋转叶片(未示出)。涡轮环1由多个环段10形成，图2是径向截面图。箭头DA表示涡轮环1的轴向，而箭头DR表示涡轮环1的径向，箭头DC表示涡轮环1的周向。为了简化描述，图1是涡轮环1的局部视图，实际上是完整的环。
如图3和图4所示，它们分别示出了图2涡轮环组件的分解透视示意图和截面图，截面图是沿着包括径向DR和轴向DA，并与周向DC正交的截面平面，每个环段10沿由轴向DA和径向DR限定的平面具有大致呈倒希腊字母π形状的截面。截面具体包括环形底座12以及上游径向钩接突片和下游径向钩接突片，分别为14和16。术语“上游”和“下游”在这里指的是图1中箭头F表示的涡轮中气流的流动方向。如果环段的截面具有不同于π的形状，则环段10的突片可以具有另一形状，例如K形或O形。
环形底座12沿环1的径向DR包括彼此相对的内表面12a和外表面12b。环形底座12的内表面12a涂覆有可磨耗材料层13，以限定涡轮中气体流动的路径。术语“内”和“外”在这里是指涡轮内的径向DR。
上游径向钩接突片14和下游径向钩接突片16沿DR方向从环形底座12的外表面12b突出，与环形底座12的上游端121和下游端122保持一定距离。上游径向钩接突片14和下游径向钩接突片16在环段10的整个宽度上延伸，即在环段10描述的整个圆弧上延伸，或者说在环段10的整个圆周长度上延伸。
在图2和图3中，所示的涡轮环1部分包括完整的环段10，由两个半环段10围合。为了更好理解，在图3中，完整的环段标记为10a，半环段标记为10b。
如图2至图4所示，与涡轮机壳形成单个部件的环支撑结构3包括中心护罩31，该中心护罩在轴向DA方向延伸，当它们连接在一起时，其旋转轴线与涡轮环1的旋转轴线同轴，以及第一环形径向法兰32和第二环形径向法兰36，第一环形径向法兰32位于第二环形径向法兰36的上游，因此第二环形径向法兰36位于第一环形径向法兰32的下游。
第二环形径向法兰36沿环1的周向DC延伸，并沿径向DR从中心护罩31向环1的中心延伸。它包括第一自由端361和第二自由端362，与中心护罩31形成单个部件。第二环形径向法兰36包括第一部分363、第二部分364和包含在第一部分363和第二部分364之间的第三部分365。第一部分363在第一端361和第三部分365之间延伸，第二部分364在第三部分365和第二端362之间延伸。第二环形径向法兰36的第一部分363与下游径向钩接突片16接触。与第二部分364相比，第一部分363和第三部分365的厚度增加，以相对于上游部分(特别包括第一径向法兰32)向第二径向法兰提供增加的刚度，以在直线轴承的情况下减少环的轴向泄漏。
第一环形径向法兰32沿环1的周向DC延伸，并沿径向DR从中心护罩31向环1的中心延伸。它包括第一自由端321和第二自由端322，与中心护罩31形成单个部件。
如图1至图3所示，涡轮环组件1包括第一环形法兰33和第二环形法兰34，两个环形法兰33和34可拆卸地附接到第一环形径向法兰32。第一环形法兰33和第二环形法兰34相对于涡轮中气流的流向F布置在涡轮环1的上游。
第一环形法兰33设置在第二环形法兰34的下游。第一环形法兰33由单个部件制成，而第二环形法兰34可被分割成第二法兰34的多个环段34'或由单个部件制成。
第一环形法兰33具有第一自由端331和第二端332，第二端332可拆卸地附接到环支撑结构3，更具体地说，附接到第一环形径向法兰32。此外，第一环形法兰33具有第一部分333和第二部分334，第一部分333在第一端331和第二部分334之间延伸，第二部分334在第一部分333和第二端332之间延伸。
第二环形法兰34具有第一自由端341和第二端342，第二端342和第一自由端341相对，并与中心冠部31接触。第二环形法兰34的第二端342也可拆卸地附接到环支撑结构3，更具体地说，附接到第一环形径向法兰32。第二环形法兰34还包括第一部分343和第二部分344，第一部分343在第一端341和第二部分344之间延伸，第二部分344在第一部分343和第二端342之间延伸。第二环形法兰34还包括上游面348和与上游面348相对的下游面349，上游面348和下游面349各自在包括环1的径向DR和周向DC的平面内延伸。
当安装环组件1时，第一环形法兰33的第一部分333抵靠构成涡轮环1的每个环段10的上游径向钩接突片14，并且第一环形法兰34的第二部分334抵靠第一环形径向法兰32的至少一部分。
第一上游环形法兰33和第二上游环形法兰34的形状使第一部分333和343彼此远离，第二部分334和344接触，两个法兰33和34使用附接螺钉60和螺母61可拆卸地附接到上游环形径向法兰32，螺钉60穿过分别设置在两个环形法兰33和34的第二部分334和344以及上游环形径向法兰32中的孔3340、3440和320。
第二环形法兰34专用于通过将力朝向机械强度更高的壳体线(即，朝向环支撑结构3的线)引导，如图4所示的力箭头E所示，来承受环组件1上高压喷嘴导向叶片(HP NGV)的力。由于第一上游环形法兰33的第一部分333减小，因此更加灵活，所以通过第一环形法兰33的残余力减小，这使得对CMC环1施加最小的力成为可能。
图5示出了图2所示上游第一环形法兰的截面示意图，该截面包括径向DR和轴向DA，并穿过第一环形法兰33的径向槽336。
如图5所示，第一环形法兰33的第一部分333具有从第一端331延伸的多个径向槽336。径向槽336具有第一端336和与第一端3361相对的第二端3362，第一端3361在径向DR上比第二端3362更向内。径向槽36的第一端3361通向第一环形法兰33的第一端331。每个径向槽336具有平行于径向DR和轴向DA的第一和第二表面3364，第一和第二表面3364之间的距离，对应于通道的切向厚度，可以在0.1mm到1mm之间。槽的径向长度可以在上游法兰整个径向长度的10％到90％之间。较小的径向槽长度有助于减少泄漏，但会降低法兰段相对于环段的适应能力。较长的径向槽长度能够能促进法兰部分对环形部分的适应性，但会增加泄漏量。
因此，每对相邻径向槽336在两个相邻径向槽336之间限定第一环形法兰33的第一部分337的一段。第一部分337的每一段具有环形段的形状，即由两个同心圆和不同半径的圆弧和两个直线部分形成的实体，每个直线段对应于圆的小弧和圆的大弧之间包含的圆的大弧的半径段。假设径向槽36在其第一端3361是开放的，则第一部分337的每一段都独立于第一部分337的其他段。
第一环形法兰33还包括排放孔338，具体地说，每个径向槽336有一个排放孔338。每个排放孔338与径向槽36的第二端3362连通。也就是说，每个排放孔338在径向槽的第二端3362处形成于第一环形法兰33中，使得径向槽的第二端3362通向相应的排放孔338。
在图2至图5所示的第一实施方式中，排放孔338是直径在1mm到5mm之间的圆形孔。
如图5所示，第一环形法兰33还包括每个径向槽336的一个段间密封件339。
每个径向槽336在径向槽336的任一侧上具有第一和第二表面3364。由于图5是穿过径向槽336的截面，因此仅表示径向槽336的一个表面3364。径向槽336的第一和第二表面3364平行，即，它们在径向槽336的整个径向长度上彼此面对地布置。
第一表面3364包括主要沿径向DR延伸的第一凹槽3365。类似地，第二表面包括主要沿径向DR延伸的第二凹槽。第二凹槽相对于截面VI-VI对称地朝向第一凹槽3365延伸。
径向槽336的第一和第二槽凹3365被成形为容纳段间密封件339或密封环。因此，段间密封件使得能够在第一环形法兰33的第一部分333的分段之间提供密封。
此外，如图2至图5所示，第一法兰33包括环形台肩3320，该环形台肩3320在轴向上从第一法兰33的第二端332向上游突出，以及对于第一法兰33的每个径向槽336来说，在台肩3320中形成有切口3325。每个切口3325在包括环的周向DC和轴向DA的平面内延伸，并且与包括轴向DA和径向DR的平面相交并穿过径向槽336。
第二法兰34包括与第一法兰33的附加环形台肩3320相对应的环形凹部3420。也就是说，环形凹部3420形成轴向止动块，其被配置成在轴向DA上与所述台肩3320配合。
第二法兰34的环形凹部3420由多个凹部段3422形成在第二法兰的第二端部342和下游面349之间的接合处形成的角上，这些凹部段在周向DC上依次排列以形成环形凹部3420。
第二法兰34包括多个径向定心挡块3425，这些径向定心挡块3425从凹部3420延伸，在径向DR和轴向DA上向下游突出。在图2至5所示的实施方式中，第二法兰34包括与第一法兰33包括的切口3320一样多的径向定心挡块3425。
第二法兰34的两个相邻凹部段3422由径向定心挡块3425分开。每个径向定心挡块3425在环的周向DC上形成止动块，并且成形为在周向DC上与第一法兰33的切口3325配合。
在包括环的周向DC和轴向DA的平面中，每个切口3325包括两个沿轴向DA延伸的平行侧壁3325a和在两个侧壁3325a之间沿周向DC延伸的底壁3325b。一个凹口3325中的侧壁3325a以形成曲率半径大于或等于1.5mm的弧3325c的方式分别连接到底壁3325b。
在轴向DA，环支撑结构3的下游环形径向法兰36与上游第一环形法兰33分开一段距离，该距离与上游和下游径向钩接突片14和16的间隔相对应，以便将这些钩接突片保持在下游环形径向法兰36和第一上游环形法兰33之间。
为了将环段10以及涡轮环1与环支撑结构3保持在适当位置，对于每个环段10，环组件包括与上游钩接突片14和第一环形法兰33配合的两个第一销钉119，以及与下游钩接突片16和第二环形径向法兰36配合的两个第二销钉120。
对于每个相应的环段10，第一环形法兰33的第一部分333包括用于接收两个第一销钉119的两个孔3330，环形径向法兰36的第三部分365包括配置用于接收两个第二销钉120的两个孔3650。
对于每个环段10，上游径向钩接突片14和下游径向钩接突片16各自包括与环形底座12的外表面12b形成单个部件的第一端141和161，以及第二自由端142和162。上游钩接突片14的第二端142包括两个第一凸耳17，每个第一凸耳17包括配置成接收第一销钉119的孔170。类似地，下游径向钩接突片16的第二端162包括两个第二凸耳18，每个第二凸耳18包括配置成接收第二销钉120的孔180。第一凸耳17和第二凸耳18分别在涡轮环1的径向DR上从上游径向钩接突片14的第二端142和下游径向钩接突片16的第二端162突出。
孔170和180可以是圆形或长方形孔。优选地，孔170和180包括一些圆形孔和一些长方形孔。圆形孔可使环切向分度，防止环切向移动(特别是在被叶片摩擦时)。长方形孔使其能够适应CMC和金属之间的差异性膨胀。CMC的膨胀系数比金属的膨胀系数低。因此，在热的时候，环段和相对的壳体部分在切线方向的长度将是不同的。如果只有圆形孔，金属外壳会将其位移强加给CMC环，这将是环段中非常高的机械应力的来源。在环组件上有长方形的孔，可以使销钉在这个孔中滑动，避免上述应力过大的现象。因此，可以设想两种钻孔模式：第一种钻孔模式，对于有三个凸耳的情况，将包括在一个径向钩接突片上的圆形孔和另一个径向钩片上的两个切向长方形孔；第二种钻孔模式，对于至少有四个凸耳的情况，将包括每次每个相对的径向钩接突片的一个圆形孔和一个长方形孔。也可以设想其他相关的情况。
对于每个环段10，两个第一凸耳17相对于涡轮环1的旋转轴线被定位在两个不同的角度位置。同样地，对于每个环段10，两个第二凸耳18相对于涡轮环1的旋转轴线被定位在两个不同的角度位置。
对于每个环段10，第一环形法兰33和第二环形径向法兰36进一步包括安装在第一环形法兰33和第二环形径向法兰36的表面上的直线轴承表面110，分别与上游径向钩接突片14和下游径向钩接突片16接触，即在第一环形法兰33的下游面和第二环形径向法兰36的上游面。
直线轴承110位于孔3330的下方，用于沿径向在孔3330的内侧接收两个第一销钉119。
在一个变型中，直线轴承可以安装在上游径向钩接突片14和下游径向钩接突片16的表面上，分别与上游第一环形法兰33和下游环形径向法兰36接触。
直线轴承110使得具有受控的密封区域成为可能。具体地说，一方面，上游第一环形法兰33和上游径向钩接突片14之间的轴承表面110，以及下游环形径向法兰36和下游径向钩接突片16之间的轴承表面110包含在同一直线平面中。
更准确地说，在径向平面上安装轴承可以消除涡轮环1的轴向倾斜效应。具体地说，当环在运行过程中倾斜时，直线轴承可以保持完整的密封线。
环1的径向保持由第一环形法兰33提供，第一环形法兰33紧靠环支撑结构3的第一环形径向法兰32和上游径向钩接突片14。第一环形法兰33在流动路径空腔和环的流动路径外的空腔之间提供密封。
第二环形法兰34通过径向表面接触提供HP NGV的下游部分、环支撑结构3或壳体之间的连接，并通过轴向表面接触提供和第一环形法兰33之间的连接。
环支撑结构3还包括径向销钉38，使得能够将环确定地保持在底部径向位置，即朝向流动路径。轴向销钉和环上的孔之间存在间隙，以抵消加热时金属和CMC元件之间的差异性膨胀。径向销钉38与环支撑结构3的中心冠部31中沿径向DR形成的孔380配合。
图6显式了涡轮环组件的第二实施方式的示意性剖视图。
图6所示的第二实施方式与图2至图5所示的第一实施方式的不同之处在于，环段10在由轴向DA和径向DR方向限定的平面内具有K形截面，沿着环的径向DR，该截面包括环形底座12，其内表面12a涂有可磨损材料层13，可磨损材料层形成热屏障和环境屏障，并限定涡轮中气流的流动路径。大致呈S形的上游径向钩接突片140和下游径向钩接突片16沿着径向DR从环形底座12的外表面12b在其整个宽度上并且在环形底座12的上游周向端部121和下游周向端部122的上方延伸。
径向钩接突片140和160具有分别标记为1410和1610的第一端，与环形底座12形成单个部件，以及分别标记为1420和1620的第二自由端。径向钩接突片140和160的自由端1420和1620平行于延伸环形底座12的平面，即沿圆形平面延伸，或者以直线方式延伸，而钩接突片1140和160以环形方式延伸。在第二种配置中，端部是直线的，钩接突片是环形的，如果在操作过程中环发生任何倾斜，则表面支撑将变成线性支撑，比点支撑提供更大的密封性。下游径向钩接突片160的第二端1620保持在第二环形径向法兰36的一部分3610和相关螺钉38的自由端(即与螺钉头相对的螺钉)之间，所述部分3610从第二环形径向法兰36的第一端361在与流动方向F相反的方向上沿轴向DA突出。上游径向钩接突片140的第二端1410保持在第一环形法兰33的一部分3310和相关螺钉38的自由端之间，所述部分3310从第一环形法兰33的第一端331在流向F上沿轴向DA突出。
图7示出了涡轮环组件的一个实施方式的示意性剖视图。
图7所示的第三实施方式与图2至图5所示的第一实施方式的不同之处在于，在由轴向DA和径向DR方向限定的平面上，环段10在环段10的一部分上示出O形截面而不是倒π形截面，环段10使用螺钉19和附接部件20附接到环支撑结构3，螺钉38不再存在。
在图7所示的第三实施方式中，环段10包括轴向钩接突片17'，在上游径向钩接突片14和下游径向钩接突片16之间延伸。轴向钩接突片17'更精确地在轴向DA上在上游径向钩接突片14的第二端142和下游径向钩接突片16的第二端162之间延伸。
轴向钩接突片17'包括由中心部分170'隔开的上游端171'和下游端172'。轴向钩接突片17'的上游端171'和下游端172'在径向DR上从它们所连接的径向钩接突片14、16的第二端142、162突出，使轴向钩接突片17'的中心部分170'相对于上游径向钩接突片14和下游径向钩接突片16的第二端142和162具有高度差(in elevation)。
对于每个环段10，涡轮环组件包括螺钉19和附接件20。附接件20连接到轴向钩接突片17’。
附接件20还包括孔21，孔21具有与螺钉19的螺纹配合的螺纹孔，以将附接件20连接到螺钉19。螺钉19包括螺钉头190，其直径大于在环支撑结构3的中心护罩31中形成的孔39的直径，螺钉19在拧到附接件20之前通过孔39插入。
使用螺钉19将环段10径向固定至环支撑结构3以形成单个部件，螺钉19的头部190抵靠在环支撑结构3的中心冠部31上，并使用拧紧至螺钉19并连接至环段10的轴向钩接突片17'的附接件20，螺钉头190和附接件20施加相反方向的力以将环1和环支撑结构3保持在一起。
在一个变型中，可以使用压在轴向钩接突片17'上的四个径向销来提供环的径向向下保持，并且可以通过镐头(Pick head)提供环的径向向上保持，该镐头与螺钉形成单个部件19，放置在位于轴向钩接突片17'与环形底座的外表面12b之间的空腔中的环下方。
在图6和7所示的第二实施方式和第三实施方式中，第二环形法兰34的第二端342包括沿轴向DA在第二环形法兰34和第一环形法兰33之间突出的接触止动块340。接触止动块340用于在HP NGV力导致第二环形法兰34倾斜的情况下，保持第一环形法兰33的第一端331和第二环形法兰34的第一端341之间的距离。
现在将描述一种用于制造与图2所示涡轮环组件相对应的涡轮环组件(即根据图2到5所示的第一实施方式)的方法。
上述的每个环段10由陶瓷基复合材料(CMC)材料制成，方法是形成具有与环段相似形状的纤维预制件，并用陶瓷基质使环段致密化。
为了生产纤维预制件，可以使用陶瓷纤维丝或碳纤维丝。
纤维预制件有利地通过三维编织或多层编织来制造，其中形成松散区域，使预制件中与环段10的钩接14和16相对应的区域保持分开。
如图所示，编织可以是互锁式的。可使用其它三维或多层编织，例如多网织物或多缎编织。读者可以参考文件WO2006/136755。
编织后，坯料可以成形，得到由陶瓷基体固结和致密化的环段预制件，致密化特别是通过本身已知的化学气相渗透(CVI)来产生。在一个变型中，织物预制件可通过CVI略微硬化，使其具有足够的硬度以便处理，然后通过毛细管效应使液态硅上升通过织物，以执行致密化(熔体浸渗法)。
文件US2012/0027572中特别描述了CMC环段的详细制造示例。
环支撑结构3本身由金属材料制成，例如镍基、钴基或钛基合金。
涡轮环组件的生产随着环段10安装在环支撑结构3上而继续。
为此，将环段10组装在一个“卡盘(spider)”型环形工具上，该工具包括，例如，配置为各自保持环段10的吸盘。
然后，将第二销钉c120插入设置在环支撑结构3的第二环形径向法兰36的第二部分365中的两个孔3650。
然后，通过将每个销钉120插入形成环1的每个环段10的下游径向附接法兰16的第二凸耳18的每个孔180中，将环1安装在环支撑结构3上。
接下来，将所有第一销钉119放置在孔170中，为此在环1的径向钩接突片14的第一凸耳17中进行设置。
接下来，通过调整第一环形法兰33，将第一环形法兰33的第二部分334抵靠第一径向法兰放置，并将第一环形法兰33的第一部分333的直线轴承110抵靠第一钩接突片14放置，从而定位第一环形法兰33，使第一销钉117插入第一环形法兰33的第一部分333的孔3330中。
接下来，通过将第二环形法兰34的径向定心挡块3425插入第一环形法兰34的每个切口3325，将第二环形法兰34紧靠第一环形法兰33定位。然后，为了将两个上游法兰33和34附接到环支撑结构3上，将螺钉60同轴地插入孔3440、3340和320，插入第二上游法兰34的第二部分344，插入第一法兰的第二部分334和插入上游环形径向法兰32，并使用螺母61拧紧每个螺钉60。
因此，使用分别在上游和下游抵靠在其各自的直线轴承110上的第一环形法兰33和第二环形径向法兰36，将环1轴向保持到位。在安装第一环形法兰33的过程中，可对第一环形法兰33和上游径向钩接突片14施加轴向预应力，以减轻环1的CMC材料和环支撑结构3的金属之间的差异性膨胀的影响。如图6和7中的虚线所示，第一环形法兰33通过布置在上游的机械元件在轴向应力下保持。
使用第一销钉119和第二销120配合第一凸耳17和第二凸耳18以及第一环形法兰33和环形径向法兰36的孔3340和3650，将环1径向保持到位。
因此，本发明提供了一种涡轮环组件，该涡轮环组件使得能够确定地保持每个环段，同时一方面允许环段，以及延伸，环，在温度上升和压力变化的影响下变形，这特别是独立于接口处的金属部件，另一方面，改善流动路径外的环段和流动路径内的环段之间的密封性，特别是位于环的径向上部的空腔的密封。所有这些都是在简化操作和减少环组件安装操作次数的同时实现的。
本发明还提供了一种涡轮环组件，该涡轮环组件具有环形法兰，使得一方面能够提供由环限定的空腔的最佳密封，另一方面能够有效地适应构成环冠的每个CMC环段的不同轴向长度。也就是说，对于该第二点，环的上游部分和上游法兰的凸片之间的直线接触必须对每个环段有效，尽管这些环段具有不同的宽度，这些宽度特别受制造公差的影响。

Claims (15)

1.一种涡轮环组件，包括多个由陶瓷基复合材料制成的形成涡轮环的环段以及环支撑结构，沿着由所述涡轮环的轴向和径向限定的截面，每个环段具有形成环形底座的部分，沿着所述涡轮环的径向，所述环形底座具有限定所述涡轮环的内表面的径向内表面，以及径向外表面，第一钩接突片和第二钩接突片从所述径向外表面突出，所述环支撑结构包括：
中心护罩，从所述中心护罩突出第一径向法兰和第二径向法兰，每个环段的所述第一钩接突片和第二钩接突片被保持在所述第一径向法兰和第二径向法兰上，
第一环形法兰，所述第一环形法兰由一个部件形成，相对于拟横穿所述涡轮环组件的空气流的方向布置在所述涡轮环的上游和所述第一径向法兰的上游，并且在径向上具有第一自由端、与所述第一自由端相对的第二端，以及
第二环形法兰，设置在所述第一环形法兰的上游，具有第一自由端、与所述第一自由端相对的第二端、上游面和下游面，所述上游面和下游面均沿径向延伸，所述第一环形法兰和第二环形法兰的第二端可拆卸地附接到所述第一径向法兰，特征在于，所述第一环形法兰包括从所述第一环形法兰的第二端向上游沿轴向突出的台肩，所述第二环形法兰包括在所述第二环形法兰的第二端和下游面之间的接合处形成的拐角上的凹部，所述凹部形成轴向止动块，所述轴向止动块配置为通过在轴向上与所述台肩互锁来配合。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一环形法兰还包括从所述第一端延伸的第一部分以及在所述第一部分和所述第二端之间延伸的第二部分，所述第一部分抵靠所述第一钩接突片，所述第二部分附接到所述第一径向法兰，并且所述第一部分包括多个径向槽，所述径向槽通向所述第一环形法兰的所述第一端，并限定所述第一环形法兰的第一部分的分段。
3.根据权利要求2所述的组件，其中所述第一环形法兰还包括用于所述第一环形法兰的每个径向槽的段间密封件，每个径向槽具有沿径向和轴向平行的第一表面和第二表面，径向槽的所述第一表面包括第一凹槽，所述第二表面包括第二凹槽，所述第二凹槽相对于沿所述径向槽在轴向和径向上延伸的平面对称地延伸，所述段间密封件的第一部分插入所述第一凹槽，所述段间密封件的第二部分插入所述第二凹槽。
4.根据权利要求2所述的组件，其中对于每个径向槽，所述第一环形法兰包括排放孔，并且每个径向槽一方面通向所述第一环形法兰的第一端，另一方面通向所述排放孔。
5.根据权利要求4所述的组件，其中所述排放孔是直径在0.5mm至10mm之间的圆形孔。
6.根据权利要求3所述的组件，其中对于每个径向槽，所述第一环形法兰包括在所述台肩中形成的切口，所述切口在包括所述涡轮环的周向和轴向的平面内延伸，并与包括轴向和径向的平面相交并穿过所述径向槽。
7.根据权利要求6所述的组件，其中所述第二环形法兰的凹部在周向上被分割成在周向上相邻的多个凹部段，在周向上相邻的两个凹部段被径向定心挡块分开，所述径向定心挡块在所述涡轮环的周向上形成止动块，并且成形为在周向上与所述第一环形法兰的切口配合，每个径向定心挡块从所述凹部延伸，在径向上和轴向上向下游突出。
8.根据权利要求7所述的组件，其中在包括所述涡轮环的周向和轴向的平面中，每个切口包括沿轴向延伸的两个平行侧壁和在所述两个侧壁之间沿周向延伸的底壁，所述切口的侧壁以形成圆弧的方式分别连接到所述底壁。
9.据权利要求1所述的组件，其中所述第二环形法兰的第一端在轴向上远离所述第一环形法兰的第一端。
10.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一环形法兰在轴向上的厚度小于所述第二环形法兰在轴向上的厚度。
11.根据权利要求1所述的组件，其中所述环支撑结构的第二径向法兰具有第一自由端和第二端，所述第一自由端和第二端与所述环支撑结构的中心护罩形成单个部件，所述第二径向法兰的第一端与所述涡轮环的第二钩接突片接触，并且在轴向上的厚度大于所述第一环形法兰的第一端的厚度。
12.根据权利要求1所述的组件，其中所述环段沿着由轴向和径向定义的截面平面具有π形的截面，并且对于每个环段，所述组件包括至少三个销钉以径向保持所述环段的位置，每个环段的第一钩接突片和第二钩接突片各自包括与所述环形底座的径向外表面形成单个部件的第一端、第二自由端、用于接收所述至少三个销钉的至少三个凸耳，其中至少两个凸耳在所述涡轮环的径向上从所述第一钩接突片或第二钩接突片之一的第二端突出，并且至少一个凸耳在所述涡轮环的径向上从另一个钩接突片的第二端突出，每个凸耳包括用于接收销钉之一的孔。
13.根据权利要求1所述的组件，其中所述环段沿着由轴向和径向限定的截面平面具有K形的截面，所述第一钩接突片和第二钩接突片具有S形状。
14.根据权利要求1至11中的任一项所述的组件，其中所述环段沿着由轴向和径向限定的截面平面具有O形截面，所述第一钩接突片和第二钩接突片各自具有与所述径向外表面形成单个部件的第一端和第二自由端，并且每个环段包括第三钩接突片和第四钩接突片，所述第三钩接突片和第四钩接突片各自在所述涡轮环的轴向上，在所述第一钩接突片的第二端和所述第二钩接突片的第二端之间延伸，每个环段通过附接螺钉附接到所述环支撑结构，所述附接螺钉包括抵靠所述环支撑结构的螺钉头以及与形成于附接板中的螺纹孔配合的螺纹，所述附接板与所述第三钩接突片和第四钩接突片配合。
15.一种涡轮发动机，包括根据权利要求1至14中任一项所述的涡轮环组件。
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