CN113811670A - 安装在横向构件上的涡轮环组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种围绕轴线(X‑X)延伸的涡轮环组件(2)，包括由陶瓷基复合材料制成并且形成涡轮环(4)的多个环区段(10)以及由涡轮机壳体(32)保持的环支承结构(6)，每个环区段(10)包括基部(12)，彼此轴向间隔的上游凸耳(16)和下游凸耳(18)从基部(12)径向地向外延伸，环支承结构(6)包括横向构件(20)、第一上游凸缘(22)和第二上游凸缘(24)，横向构件(20)具有凸缘(20a)，环区段(10)的下游凸耳(18)保持抵靠凸缘(20a)，环区段的上游凸耳保持抵靠第一上游凸缘(22)，第二上游凸缘(24)在第一上游凸缘的上游，用于吸收抵靠其保持第一上游凸缘的力。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮机的涡轮环组件，其中该组件包括端对端放置以形成的涡轮环的、由陶瓷基复合材料制成的多个角度环区段。
本发明的一个应用领域特别是航空燃气涡轮发动机的领域。
背景技术
已知陶瓷基质复合材料(或CMC)在高温下保留其机械性能，这使得它们能够构建热结构的元件。
在航空燃气轮机发动机中，效率的提高和一些污染排放的减少导致寻求以越来越高的温度运行。在全金属涡轮环组件的情况下，必需冷却组件的所有元件，并且特别是承受非常热流、通常高于金属材料所能承受的温度的涡轮环。这种冷却对发动机的性能有显著影响，因为所使用的冷却流取自发动机的主流。此外，涡轮环使用金属限制了在涡轮处增加温度的可能性，然而这将允许改进航空发动机的性能。
此外，金属涡轮环组件在热流的作用下会变形，这会改变流动路径处的间隙，并且因此改变涡轮机的性能。
这就是为什么已经设想将CMC用于发动机的不同热部分，特别是因为CMC具有比传统使用的耐火金属密度低的互补优势。
因此，在文件US 2012/0027572中特别描述了用来自CMC的单件生产涡轮环部段。环区段包括环形基部，基部的内部面限定涡轮环的内部面，并且外部面有两个凸耳(lug)径向地延伸出，凸耳的端部保持在金属环支承结构的两个夹持部之间。
因此，使用CMC环区段允许显著减少用以冷却涡轮环所需的通风。然而，CMC具有与金属材料不同的机械行为，必须重新考虑其在涡轮机内的集成以及定位方式。事实上，CMC不能承受收缩配合(通常用于金属环)，并且其热膨胀率小于金属材料。
此外，使用CMC环区段增加其集成在涡轮机壳体上所需的零件数量，这增加组件的成本和重量，并且需要复杂的安装操作(套筒的收缩配合、衬套的安装等)。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种不具有上述缺点的涡轮环组件。
这一目标通过一种围绕轴线延伸的涡轮环组件实现，包括形成涡轮环的、由陶瓷基复合材料制成的多个环区段和由涡轮机壳体保持的环支承结构，每个环区段包括基部，上游凸耳和下游凸耳从基部沿轴向方向相互间隔并且径向地向外延伸，环支承结构包括间隔件或横向构件、第一上游凸缘和第二上游凸缘，间隔件具有夹持部，环区段的下游凸耳保持抵靠夹持部，环区段的上游凸耳保持抵靠第一上游凸缘，第二上游凸缘在第一上游凸缘的上游，用于吸收抵靠其保持第一上游凸缘的力。
根据本发明的涡轮环组件的显著特点是，在没有借助于环支承壳体的情况下，CMC环借助于环支承结构直接保持在涡轮机壳体上。特别地，与现有技术相比，根据本发明的组件没有环支承壳体，并且消除了允许将环支承结构保持在该壳体上的径向块(slugs)。
此外，环支承结构由相互间隔开并且独立的若干个部分制成，这允许该结构以角度区段安装，而不再是冠式安装(crown mounting)。涡轮环组件的安装被简化并且不需要工具。此外，制造公差不严重，间隔件能够补偿环区段之间的间隙，这是360°凸缘做不到的。此外，径向块的消除减少了对环支承结构的部件进行机加工的操作。这导致了零件的节省，并且因此减少了组件的重量和成本。
有利地，环支承结构还包括空气扩散器，旨在在环区段的基部的外部面上扩散冷却空气。在这种情况下，环支承结构的空气扩散器可以包括保持在间隔件与第一上游凸缘之间的夹持部。
优选地，环支承结构还包括多个紧固装置，这些紧固装置拧入到间隔件中并且从上游到下游横穿，以便将第一上游凸缘、第二上游凸缘和空气扩散器的夹持部紧固在一起。
同样有利的是，该组件还包括上游轴向块，旨在将环支承结构的第一上游凸缘保持抵靠环区段的上游凸耳。同样地，该组件优选地还包括下游轴向块，旨在将环支承结构的间隔件保持抵靠环区段的下游凸耳。
环支承结构的间隔件可以包括用于将环支承结构安装在涡轮机壳体上的上游钩部。同样，环支承结构的第一上游凸缘可以包括用于将环支承结构安装在涡轮机壳体上的钩部。
此外，环支承结构的间隔件还可以包括用于保持低压涡轮喷嘴的下游钩部，低压涡轮喷嘴定位在涡轮环组件的下游。
本发明还涉及一种包括如上限定的组件的涡轮机。
附图说明
图1是根据本发明的涡轮环组件的纵向剖视图。
图2示出图1的涡轮机组件的示意和立体图。
具体实施方式
图1以纵向剖视图示出了根据本发明的涡轮环组件2。
该组件2特别包括对中在纵向轴线XX上的、由陶瓷基复合材料(CMC)制成的涡轮环4和金属的环支承结构6。涡轮环4包围一组涡轮叶片8。
此外，涡轮环4由多个角度环区段10组成，这些区段在周向上端对端放置以形成环形。在图1中，箭头DA表示涡轮环的轴向方向，而箭头DR表示涡轮环的径向方向。
每个角度环区段10都具有基本为倒Pi(或π)形式的截面，其基部12设有内部面12a，该内部面限定涡轮环的内部面的角度部分，并且其通常设有可研磨的涂层14，也作为热和环境屏障。
两个凸耳——即上游凸耳16和下游凸耳18——从基部12的与内部面12a相对的外部面12b径向地延伸。这些凸耳16、18延伸遍及环区段10的整个宽度(沿周向方向)。
根据本发明，环支承结构6由多个相互分离(即独立)的部件组装而成。
如图2更具体地示出，这些部件特别包括间隔件20、第一上游凸缘22，用于吸收力的第二上游凸缘24、以及空气扩散器26。
间隔件20包括夹持部20a，环区段10的下游凸耳18借助于围绕环的纵向轴线XX均匀分布的多个下游轴向块28而保持抵靠该夹持部20a。
间隔件20还包括上游钩部20b，其旨在与涡轮机壳体32的下游钩部30接合，以允许环支承结构直接安装在涡轮机壳体上。
间隔件20还包括下游钩部20c，其旨在与定位在涡轮环组件2下游的低压涡轮喷嘴34的对应的钩部(在图中没有示出)接合，以便将其保持。
要指出的是，间隔件20可以是旋转(也就是360°)的部分，或者可以由端对端放置的多个间隔件区段的组件产生。
环区段10的上游凸耳16保持抵靠第一上游凸缘22。
第一上游凸缘22还包括钩部22a，其旨在与涡轮机壳体32的上游钩部36接合，以允许环支承结构直接安装在涡轮机壳体上。。
第一上游凸缘22可以是旋转(也就是360°)的部分，或者可以由各为180°的两个半凸缘组件产生。
第一上游凸缘22保持成在上游抵靠用于吸收力的第二上游凸缘24。后者旨在吸收被定位在涡轮环组件上游的高压涡轮喷嘴38的力。
该前凸缘24可以是旋转(也就是360°)的部分，或者可以是分区段的部分。
最后，空气扩散器26旨在在环区段的基部12的外部面12b上扩散冷却空气。为此，它包括定位成围绕环区段的基部12的腔体26a，供应有来自涡轮机的压缩机的级的冷却空气，并且借助于其壁上的多个穿孔(在图中没有表示)通往朝向环区段的基部的外部面。
空气扩散器26还包括夹持部26b，其与环区段10的上游凸耳16直接轴向抵靠。
环支承结构6还包括多个紧固装置40(例如螺栓式连接件)，它们拧入到间隔件20中，并且从上游到下游横穿，以便将第一上游凸缘22、用于吸收力的第二上游凸缘24以及空气扩散器26的夹持部26b紧固在一起。
涡轮环组件2还包括上游轴向块42，其旨在将环支承结构的第一上游凸缘22保持抵靠环区段10的上游凸耳16。这些上游块42围绕环的纵向轴线XX均匀分布。
这样，环区段10的上游凸耳16和下游凸耳18被保持在环支承结构6的第一上游凸缘22与间隔件20的夹持部20a之间。
要指出的是，可以通过调节涡轮机壳体32的厚度或者通过为后者提供控制凸台(图中未表示)来实现对涡轮叶片8顶部处的间隙的控制。
Claims (10)
1.一种围绕轴线(XX)延伸的涡轮环组件(2)，包括形成涡轮环(4)的、由陶瓷基复合材料制成的多个环区段(10)和由涡轮机壳体(32)保持的环支承结构(6)，每个所述环区段(10)包括基部(12)，上游凸耳(16)和下游凸耳(18)从所述基部(12)沿轴向方向相互间隔并且径向地向外延伸，所述环支承结构(6)包括间隔件(20)、第一上游凸缘(22)和用于吸收力的第二上游凸缘(24)，所述间隔件(20)具有夹持部(20a)，所述环区段(10)的下游凸耳(18)保持抵靠所述夹持部(20a)，所述环区段的上游凸耳保持抵靠所述第一上游凸缘(22)，所述第二上游凸缘(24)在所述第一上游凸缘(22)的上游，所述第一上游凸缘(22)保持抵靠所述第二上游凸缘(24)。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述环支承结构(6)还包括空气扩散器(26)，所述空气扩散器(26)旨在在所述环区段(10)的基部(12)的外部面(12b)上扩散冷却空气。
3.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述环支承结构(6)的空气扩散器(26)包括保持在所述间隔件(20)与所述第一上游凸缘(22)之间的夹持部(26b)。
4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述环支承结构(6)还包括多个紧固装置(40)，所述紧固装置(40)拧入到所述间隔件(20)中并且从上游到下游横穿，以便将所述第一上游凸缘(22)、所述第二上游凸缘(24)和所述空气扩散器(26)的夹持部(26b)紧固在一起。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的组件，其特征在于，还包括上游轴向块(42)，所述上游轴向块(42)旨在将所述环支承结构的第一上游凸缘(22)保持抵靠所述环区段(10)的上游凸耳(16)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的组件，其特征在于，还包括下游轴向块(28)，所述下游轴向块(28)旨在将所述环支承结构(6)的间隔件(20)的夹持部(20a)保持抵靠所述环区段(10)的下游凸耳(18)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的组件，其特征在于，所述环支承结构(6)的间隔件(20)包括用于将所述环支承结构(6)安装在所述涡轮机壳体(32)上的上游钩部(20b)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的组件，其特征在于，所述环支承结构(6)的第一上游凸缘(22)包括用于将所述环支承结构(6)安装在所述涡轮机壳体(32)上的钩部(22a)。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的组件，其特征在于，所述环支承结构(6)的间隔件(20)还包括用于保持低压涡轮喷嘴(34)的下游钩部(20c)，所述低压涡轮喷嘴(34)定位在涡轮环组件的下游。
10.一种涡轮机，包括根据权利要求1至9中任一项所述的组件(2)。
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