CN113710875A - 涡轮发动机叶片、相关涡轮发动机分配器和涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

一种用于涡轮发动机的叶片(13)，所述叶片围绕轴线(X)设置并且在径向外端(16)和径向内端(18)之间径向延伸，所述叶片(13)包括至少一个向所述叶片的径向外端和所述叶片的径向内端开口的冷却空腔(24、26)，所述叶片包括至少一个第一管状衬垫(34a、36a)和至少一个第二管状衬垫(34b、36b)，每个衬垫都接合在所述空腔中，所述第一衬垫的径向外端向所述叶片的径向外端开口，所述第二衬垫的径向内端向所述叶片的径向内端开口；所述叶片具有的曲率，使得所述叶片的中心轴线具有30到500mm之间，优选30到100mm之间的曲率半径。

Description

涡轮发动机叶片、相关涡轮发动机分配器和涡轮发动机
技术领域
本发明涉及航空涡轮机领域，更具体地涉及用于涡轮发动机的涡轮喷嘴的叶片，以及包括这种喷嘴的涡轮发动机。
背景技术
如FR2955145号文件所述，涡轮发动机的高压或低压喷嘴特别包括在其两端由内部平台和外部平台保持的定子叶片，这些叶片界定了从燃烧室喷出的气体的循环流道。这些叶片允许引导从燃烧室排出的气体在涡轮的转子叶片上流动。这些叶片是中空的并且包括至少一个或两个空腔，特别是前缘空腔和后缘空腔，其一端向流道的外部开口。
这些叶片暴露在高温燃烧气体中，有必要对其进行冷却，以降低热应力。一种解决方案是使用来自涡轮发动机另一个部件，例如，压缩机的空气。更具体地，在燃烧室的上游，在压缩机级的出口处获取相对新鲜的空气。这些空气通过叶片两端注入叶片的空腔，以从内部冷却叶片。然后，空气通过在叶片上开的孔逸入流道，并与叶片的空腔以及流道相通，冷却空气形成沿叶片外表面流动的更新鲜空气保护膜。
此外，通常在此类叶片的空腔中嵌入衬垫。该衬垫在其整个表面上包括多个在平台之间延伸的孔。衬垫在一端包括封闭的底壁，并在与包含它的空腔相同的一侧向流道的外部开口。从燃烧室上游抽取的相对新鲜的空气通过平台注入衬垫。新鲜空气进入衬垫内部以通过冲击从内部冷却叶片。然而，将这种衬垫集成到翼型中需要具有略微弯曲的叶片翼型，以便能够将衬垫插入空腔中。这种应力限制了考虑翼型的变化，特别是增加叶片的曲率(camber)的可能性。
因此，需要一种能够解决上述技术问题的装置。
发明内容
本公开涉及一种用于涡轮发动机的叶片，所述叶片配置为围绕轴线设置并且在径向外端和径向内端之间径向延伸，所述叶片包括至少一个向所述叶片的径向外端和所述叶片的径向内端开口的冷却空腔，所述叶片包括至少一个第一管状衬垫和至少一个第二管状衬垫，每个衬垫都接合在所述空腔中，所述第一衬垫的径向外端向所述叶片的径向外端开口，所述第二衬垫的径向内端向所述叶片的径向内端开口。
当叶片安装在涡轮机中时，叶片和衬垫的端部是例如内部和外部径向端部。叶片优选地是中空的，空腔在叶片的任一侧、每一端延伸。也就是说，叶片的空腔相当于贯穿叶片的整个高度，并在径向内端和径向外端开口的孔口。端部可以例如是在叶片的每个端部围绕叶片设置的凸缘，衬垫的端部固定到该凸缘。
根据本公开，第一衬垫因此从径向外端插入到冷却空腔中，并且第二衬垫因此从径向内端插入到冷却空腔中。换句话说，在安装衬垫时，衬垫沿着两个不同的安装方向插入到空腔中。这允许有两个短衬垫，而不是一个在空腔的整个长度上延伸的长衬垫。因此，可以设想翼型的显著曲率，同时在其整个高度上保持叶片的有效冷却。这允许有更多的自由度来改进例如涡轮喷嘴的叶片的翼型，从而提高涡轮效率。
在一些实施方式中，第一衬垫的径向外端是固定在叶片的径向外端的第一端，第二衬垫的径向内端是固定在叶片的径向内端的第一端，第一衬垫和第二衬垫各自还包括第二自由端，第一衬垫和第二衬垫的第二自由端在用于冷却叶片的空腔中彼此相对。
“彼此相对”是指第二自由端彼此相对，或者彼此接触，或者彼此隔开。在该第二种情况下，第二自由端彼此分开，使得其间不存在分隔。因此，衬垫的第二自由端不重叠，使得每个衬垫在叶片一端的安装更容易。
在一些实施方式中，每个衬垫的第一端包括支承在叶片端部上的端部凸缘。
在一些实施方式中，凸缘被焊接或钎焊到叶片的端部。
这种构造允许优化衬垫的安装及其在叶片上的保持。
在一些实施方式中，沿着径向于轴线的方向，第一衬垫的高度不同于所述衬垫的第一端和第二端之间的第二衬垫的高度，每个衬垫的高度小于所述衬垫接合在其中的空腔的长度的70％，优选地小于60％，更优选地小于50％。
衬垫的高度表示沿着它们的主轴线的长度，即当叶片安装在涡轮发动机中时为径向方向。衬垫相对于叶片总高度的这些高度值允许在叶片的至少一部分上获得更大的曲率。例如，叶片在其第一端附近比在其第二端附近具有更大的曲率。
在一些实施方式中，第一衬垫的高度不同于第二衬垫的高度。
这允许根据叶片的期望翼型来调整每个衬垫的高度。
在一些实施方式中，所述叶片的中心轴线的曲率半径在30至500mm之间，优选在30至100mm之间。根据现有技术的衬垫不允许设计曲率半径小于90mm的叶片。特别是，涡轮叶片的曲率半径通常在90至500mm之间。根据本发明的衬垫允许制造具有较小曲率半径的叶片。
在一些实施方式中，所述叶片的中心轴线在叶片的端部之间具有可变的曲率半径。
叶片和衬垫的中心轴线表示叶片和衬垫沿其延伸的主轴线。这些曲率半径小于叶片上存在的曲率半径，叶片包括在叶片的整个高度上延伸的单个衬垫，并且允许提高安装有叶片的涡轮机的效率。
在一些实施方式中，每个衬垫的第二端包括底壁，每个衬垫的底壁之间的距离小于10mm。
这些值允许最小化不包括任何衬垫的空腔部分，即第一衬垫和第二衬垫的第二端之间的空间，从而改善叶片的冷却。
在一些实施方式中，第一和第二衬垫中的一个的第二端包括从所述第二端突出的突起，第一和第二衬垫中的另一个的第二端包括孔口，所述突起插入到孔口。
突起可以例如通过压力插入到孔口中。这种连接模式允许将第一和第二衬垫固定在一起，从而限制衬垫相对于彼此移动的风险。
在一些实施方式中，叶片包括前缘空腔和通过壁与前缘空腔隔开的后缘空腔，这些空腔中的每一个在叶片的径向内端和外端上开口，第一衬垫接合在前缘空腔和后缘空腔中的每一个中，并且第二衬垫接合在前缘空腔和后缘空腔中的每一个中。
也就是说，叶片包括四个衬垫。两个第一衬垫从径向外端插入后缘空腔和前缘空腔，两个第二衬垫从径向内端插入后缘空腔和前缘空腔。前缘空腔和后缘空腔的曲率半径可以彼此不同。
在一些实施方式中，叶片的径向内端和径向外端是同轴喷嘴平台，配置为围绕轴线延伸，在平台之间延伸的叶片各自具有配置为限定气体循环流道的流道面和与所述流道面相对的面，叶片的至少一个空腔在与两个平台的流道面相对的面上开口，第一衬垫的一端在与第一平台的流道面相对的面上开口，第二衬垫的一端在与第二平台的流道面相对的面上开口。
本公开还涉及一种用于涡轮发动机的喷嘴，所述喷嘴被配置为围绕轴线设置，并且在径向内部平台和径向外部平台之间径向延伸，每个平台包括被配置为界定流体流动通道的流道面和与所述流道面相对的面，所述喷嘴包括至少一个根据前述实施方式中任一项所述的叶片，用于冷却叶片的至少一个空腔在径向内部平台的端面和径向外部平台的端面上开口，第一衬垫的径向内端在径向内部平台的端面上开口，第二衬垫的径向外端在径向外部平台的端面上开口。
本公开的叶片是在喷嘴的平台之间径向延伸的定子片叶。
本公开还涉及一种包括根据本公开的喷嘴的涡轮发动机涡轮。
涡轮可以是低压涡轮或高压涡轮。
本公开还涉及一种包括根据本公开的涡轮的涡轮发动机。
附图说明
通过阅读以下通过非限制性实施例给出的本发明的各种实施方式的详细描述，将更好地理解本发明及其优点。该描述参考了附图，其中：
图1表示根据本公开的用于涡轮发动机的涡轮喷嘴的外部透视图；
图2表示图1的涡轮喷嘴的内部透视图；
图3表示插入到中空叶片中的本公开的衬垫的透视图；
图4表示根据现有技术插入中空叶片中的衬垫的透视图；
图5表示图3的衬垫的修改示例的透视图。
具体实施方式
图1表示用于高压涡轮发动机的涡轮喷嘴的分段14，喷嘴可以被分段并且包括布置在两个同轴平台之间的叶片环或中空定子叶片13，两个平台为：外部平台16和内部平台18。平台16、18可形成环形块，或包括沿周向首尾相接布置的多个环分段。它们界定了气体循环流道20，在平台16、18之间均匀成角度地分布的叶片13位于该气体循环流道20中。表示了两个叶片13。每个叶片13包括通过平台16和平台18向流道20外部开口的后缘空腔26，以及通过平台16和平台18向流道20外部开口的至少一个前缘空腔24，空腔24和26通过壁28彼此分离。这些空腔通过沿叶片13在内平台18和外平台16之间轴向和/或径向延伸的多排孔30、31与流道20连通以通向流道20。因此，从流道20的外部循环的气体可以进入空腔24、26，流入叶片13，然后通过孔30、31排放到流道20中，从而允许叶片13的冷却。
第一管状衬垫36a插入后缘空腔26中，并且第一管状衬垫34a插入前缘空腔24中，从外部平台16的外表面插入。“外表面”指与流道20相对的平台16的表面。
此外，第二管状衬垫36b插入后缘空腔26中，并且第二管状衬垫34b插入前缘空腔24中，从内平台18的外表面插入。“外表面”指与流道20相对的平台表面。
每个管状衬垫34a、34b、36a、36b都是中空的，可以由金属制成，例如镍基或钴基合金，或由复合材料制成，并且穿有多个孔(图中未显示)。第一衬垫34a、36a各自还包括凸缘38a，凸缘38a支承在外部平台16的外表面上，并且例如通过焊接或钎焊固定到其上。第二衬垫34b、36b各自还包括凸缘38b，凸缘38b支承在内部平台18的外表面上，并且例如通过焊接或钎焊固定到其上。
前缘空腔24和后缘空腔26的第一衬垫34a、36a通过平台(此处为外部平台16)向流道20的外部开口，而前缘空腔24和后缘空腔26的第二衬垫34b、36b通过另一个平台(此处为内部平台18)向流道20的外部开口。来自压缩机的相对新鲜的空气在喷嘴的任一侧被引导，即在外部平台16的外侧和内部平台18的外侧。因此，冷却空气可以进入衬垫34a、36a、34b、36b以通过冲击效应冷却叶片的内壁，然后通过所述叶片13的孔流入流道以在它们中的每一个周围形成冷却膜。
图3表示当衬垫34a、34b、36a、36b插入叶片13的空腔24、26时的布置，后者用虚线表示，以使衬垫透明可见。在该图中应注意，为了简化说明，未示出凸缘38a、38b。
叶片13内的空腔24、26具有深度H，其大致对应于叶片13沿喷嘴径向方向的高度。沿着该径向方向，第一衬垫34a、36a具有高度H1，并且第二衬垫34b、36b具有高度H2。根据本实施方式，高度H1和H2基本相等。然而，该示例不是限制性的，高度H1和H2可以不同，只要H1和H2保持小于H值的70％，优选小于60％，更优选小于50％。
第一后缘衬垫36a包括底壁361a，底壁361a在与向外部平台16的外部开口的端部相对的一端封闭衬垫36a。同样地，第二后缘衬垫36b包括底壁361b，底壁361b在与向内部平台18的外部开口的端部相对的一端封闭衬垫36b。底壁361a和361b在空腔26内彼此面对，彼此接触或交替地彼此间隔小于10mm的距离D。
类似地，第一前缘衬垫34a包括底壁341a，底壁341a在与向外部平台16的外部开口的端部相对的一端封闭衬垫34a。同样地，第二前缘衬垫34b包括底壁341b，底壁361b在与向内部平台18的外部开口的端部相对的一端封闭衬垫34b。底壁341a和341b在空腔24内彼此面对，彼此接触或交替地彼此间隔距离D。
根据该实施方式，第一衬垫34a和36a从外部平台16的外侧插入，而第二衬垫34b和36b从内部平台18的外侧插入。因此，叶片13的曲率可以大于在整个高度H上为每个空腔24、26使用单个衬垫的配置。图4示出了根据现有技术的这种情况，其中叶片13具有与图3中叶片13的曲率相似的曲率，并且说明了在这种情况下插入衬垫的困难。
图5代表了图3实施方式的修改示例，其中衬垫36a和34b各包括螺柱40，该螺柱可以是半径小于10mm的半球形，并分别在径向上从底壁361a和341b突出。这些螺柱40配置为确保底壁341a和341b之间的间隙。螺柱40的半径可优选地小于0.1mm或小于底壁341a和341b之间的距离D，以限制两个衬垫之间的机械应力。或者，螺柱40也可以插入在相对的底壁(即分别为壁361b和341a)中形成的孔口42中。这种布置允许将衬垫相对于彼此定位，并限制相对于彼此的运动。应注意，螺柱40和孔口42的位置没有限制，螺柱40能够设置在例如壁361b和341a或361a和341a上，孔口可设置在壁361a和341b或361b和341b，或其他可能的组合上。
尽管已经参照具体的示例性实施例对本发明进行了描述，但显而易见的是，在不偏离权利要求书所定义的本发明的一般范围的情况下，可以对这些示例进行修正和改变。特别地，可以在附加实施例中组合不同图示/提及实施例的个别特征。因此，应在说明性而非限制性的意义上考虑说明书和附图。

Claims (9)

1.一种用于涡轮发动机的叶片(13)，所述叶片配置为围绕轴线(X)设置并且在径向外端(16)和径向内端(18)之间径向延伸，所述叶片(13)包括至少一个向所述叶片的径向外端和所述叶片的径向内端开口的冷却空腔(24、26)，所述叶片(13)包括至少一个第一管状衬垫(34a、36a)和至少一个第二管状衬垫(34b、36b)，每个衬垫都接合在所述空腔(24、26)中，所述第一衬垫的径向外端向所述叶片的径向外端(16)开口，所述第二衬垫的径向内端向所述叶片的径向内端(18)开口，所述叶片(13)具有的曲率，使得所述叶片(13)的中心轴线具有30到500mm之间，优选30到100mm之间的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的叶片(13)，其中所述第一衬垫(34a、36a)的径向外端是固定在所述叶片的径向外端(16)的第一端，所述第二衬垫(34b、36b)的径向内端是固定在所述叶片的径向内端(18)的第一端，所述第一衬垫(34a、36a)和所述第二衬垫(34b、36b)各自还包括第二自由端，所述第一衬垫和所述第二衬垫的第二自由端在用于冷却所述叶片(13)的空腔(24、26)中彼此相对。
3.根据权利要求2所述的叶片(13)，其中每个衬垫的所述第一端包括端部凸缘(38a、38b)，所述端部凸缘支承在所述叶片的端部(16、18)上，所述凸缘(38a、38b)焊接或钎焊到所述端部。
4.根据权利要求2或3所述的叶片(13)，其中沿着径向于所述轴线(X)的方向，所述第一衬垫(34a、36a)的高度(H1)不同于所述衬垫的第一端和第二端之间的所述第二衬垫(34b、36b)的高度(H2)，每个衬垫的高度小于所述衬垫接合在其中的空腔(24、26)的长度的70％，优选地小于60％，更优选地小于50％。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的叶片(13)，其中每个衬垫的第二端包括底壁(361a、361b)，每个衬垫的底壁之间的距离(D)小于10mm。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的叶片(13)，其中所述第一衬垫(34a、36a)和所述第二衬垫(34b、36b)中的一个的第二端包括从所述第二端突出的突起(40)，所述第一衬垫和所述第二衬垫中的另一个的第二端包括孔口(42)，所述突起(40)插入到所述孔口(42)中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的叶片(13)，其中所述叶片(13)包括前缘空腔(24)和通过壁(28)与所述前缘空腔隔开的后缘空腔(26)，这些空腔(24、26)中的每一个在所述叶片的径向内端和外端(16、18)上开口，第一衬垫(34a、36a)接合在所述前缘空腔和后缘空腔(24、26)中的每一个中，并且第二衬垫(3ba、36b)接合在所述前缘空腔和后缘空腔(24、26)中的每一个中。
8.一种用于涡轮发动机的喷嘴(14)，所述喷嘴被配置为围绕轴线(X)设置，并且在径向内部平台(16)和径向外部平台(18)之间径向延伸，每个平台(16、18)包括被配置为界定流体流动通道的流道面和与所述流道面相对的面，所述喷嘴包括至少一个根据前述权利要求1至7中任一项所述的叶片(13)，用于冷却所述叶片(16)的至少一个空腔(24、26)在所述径向内部平台(16)的端面和所述径向外部平台(18)的端面上开口，所述第一衬垫的径向内端在所述径向内部平台(16)的端面上开口，所述第二衬垫的径向外端在所述径向外部平台(18)的端面上开口。
9.一种涡轮发动机，包括根据权利要求8所述的喷嘴(14)。
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