CN114096738A - 用于例如涡轮喷气发动机或飞机涡轮螺旋桨发动机的涡轮机的涡轮 - Google Patents

用于例如涡轮喷气发动机或飞机涡轮螺旋桨发动机的涡轮机的涡轮 Download PDF

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阿诺德·拉桑撒·盖尼利厄
尼库拉斯·孔蒂尼
玛丽阿·戈森斯
伯诺伊特·古伊劳姆·西莱特
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Abstract

用于涡轮机的涡轮，其包括：移动叶片(20a)的环形排(20)，其由外壳(10)承载的可磨耗材料(24)的支撑环(26)包围；以及分配器(30)，其安装在所述移动叶片(20a)的环形排(20)下游且包括附接到所述外壳(10)的支撑构件的附接构件，所述附接构件包括径向外部扰流器(38)，所述径向外部扰流器径向地向内支承在所述支撑构件的圆柱形壁(12)上，所述支撑构件进一步包括环形壁(14)，所述环形壁从所述圆柱形壁(12)径向地向内延伸且在径向内端处接合于所述环(26)的环形凹槽(28)中，且其中自由环形空间(40)形成于所述环(26)的径向外面(26b)和所述支撑构件的圆柱形壁(12)之间。

Description

用于例如涡轮喷气发动机或飞机涡轮螺旋桨发动机的涡轮机 的涡轮
技术领域
本公开涉及用于例如涡轮喷气发动机或飞机涡轮螺旋桨发动机的涡轮机的涡轮。
背景技术
如图1中所展示，涡轮机的低压涡轮包括移动叶片20a的环形排(annular rows)20，其被布置成与静止叶片30a的环形排30轴向地交替且由低压涡轮外壳10包围。移动叶片20a的环形排20和下游静止叶片30a的环形排30一起形成涡轮级。静止叶片30a的环形排30也被称为分配器。分配器30通常由被布置成圆周地邻接的多个区段形成。
移动叶片20a的每个环形排20的径向外端包括舌片22，所述舌片与由环26的径向内面承载的环形形状的可磨耗材料24协作。所述环通常由被布置成圆周地邻接的多个环区段形成。由于由外壳10承载的支撑构件和下游分配器30的附接构件，环26被制成为与外壳10成一体式，如图2中所见。
通常，支撑构件包括连接到外壳10且向下游轴向地延伸的圆柱形壁12。圆柱形壁12具有径向内部环形面12a和径向外部环形面12b。
静止叶片30a的每个环形排30的径向外端包括承载分配器30的附接构件的外部环形平台32。此附接构件包括从平台32的上游端向上游延伸的内部环形扰流器34。具体地说，内部环形扰流器34具有径向外部环形面34b。分配器30的附接构件进一步包括从外部环形平台32向上游且径向地向外延伸的截头圆锥形壁36。最后，附接构件包括从截头圆锥形壁36的径向外端向上游延伸的外部环形扰流器38。外部环形扰流器38具有径向内面38a。
支撑构件的圆柱形壁12接合在环26的径向外表面26b的环形凹槽28中。环形凹槽28的上游环形面28a和下游环形面28c在圆柱形壁12的上游端和下游端上形成轴向止挡件，由此轴向地阻挡环26。环形凹槽28的环形底面28b与圆柱形壁12的径向内面12a形成径向邻接，从而允许与外壳10的径向附接。圆柱形壁12和环26的环形凹槽28之间的形状配合协作还通过限制来自主空气环形脉状管的热空气的流出而提供密封。
分配器30相对于外壳10定位，使得附接构件的外部环形扰流器38的径向内部环形面38a支承在支撑构件的圆柱形壁12的径向外部环形面12b上。分配器30还通过附接构件的内部环形扰流器34的径向外部环形面34b而相对于环26固持，所述径向外部环形面支承在环26的径向内面26a上。环26的下游端部分接着接合于在内部环形扰流器34的径向外部环形面34b和外部环形扰流器38的径向内部环形面38a之间延伸的环形凹部中。此环形外壳因此由外部环形扰流器38的径向内部环形面38a、内部环形扰流器34的外部环形面34b和截头圆锥形壁36的上游面36a限定。
当涡轮在使用中时，离开燃烧室的热加压气体造成静止叶片30a、移动叶片20a和可磨耗材料24的温度上升。
热传导从可磨耗材料24到承载可磨耗材料的环26径向地向外发生。接着，热量通过圆柱形壁12的上游面12c和环26的环形凹槽28的上游面28a之间、圆柱形壁12的径向内面12a和凹槽28的环形底面28b之间以及圆柱形壁12的下游面12d和凹槽28的下游面28c之间的接触部而传递到外壳10的圆柱形壁12，所述圆柱形壁支承在环26上。这通过外壳10和支撑分配器30的圆柱形壁12的热传导而导致温度增大。
外壳10和其包含的支撑构件可因此达到可能使其变脆且降低外壳10的寿命的高温，该外壳是极大的且生产成本昂贵的部件。因此，重要的是找到用于限制外壳的支撑构件的变热的技术方案。
发明内容
本发明旨在提供上述问题的简单、有效且节约成本的技术方案。
出于此目的，本发明提出一种用于涡轮机的涡轮，其包括：
-移动叶片的环形排，其由外壳承载的可磨耗材料的支撑环包围，环限定径向外面，
-分配器，其安装在所述移动叶片的环形排下游且包括附接到外壳的支撑构件的附接构件，所述附接构件包括径向外部扰流器，径向外部扰流器径向地向内支承在所述支撑构件的圆柱形壁的径向外部环形面上，所述支撑构件进一步包括环形壁，环形壁从圆柱形壁径向地向内延伸且在径向内端处接合于环的环形凹槽中，且其中自由环形空间形成于环的径向外面和支撑构件的圆柱形壁之间。
如参考现有技术所描述的，圆柱形壁和可磨耗材料之间的距离因此从径向环形壁延伸到支撑构件和自由环形空间中。这允许支撑构件的圆柱形壁径向地远离环的径向外面移动，且减少由通过环的热传导传输到支撑构件的圆柱形壁的热量。
此外，此自由空间40的形成归因于支撑构件的布置而诱发分配器30的附接构件的径向伸长。以此方式，与现有技术中相比，支撑构件的圆柱形壁不太热，且通过热传导将较少的热量传递到外壳。
在一个实施例中，可磨耗材料支撑环由外壳经由分配器的附接构件而承载。
根据另一实施例，支撑构件的圆柱形壁在涡轮的轴向方向上延伸，即在平行于涡轮轴线的方向上延伸。
自由环形空间有利地在支撑构件的径向环形壁和附接构件的截头圆锥形壁之间轴向地延伸，所述截头圆锥形壁在径向外端处连接到径向外部扰流器。
自由环形空间的上述限定暗示支撑构件的环形壁从圆柱形壁的上游端或从圆柱形壁的上游端和下游端之间的中间位置径向地向内延伸。这允许附接构件的截头圆锥形壁轴向地远离支撑构件的径向环形壁，以便限制这两个元件之间的热传递。
有利地，支撑构件的径向环形壁从圆柱形壁的上游端径向地向内延伸。
支撑构件的径向环形壁的上述配置为支撑构件给出了紧凑且简单的设计。这还允许通过对与支撑构件协作的环的环形凹槽进行微小修改来调适现有技术的环。此配置还允许附接构件的截断壁和支撑构件的径向环形壁之间的轴向距离最大，从而使这两个元件之间的热传递最小化。
涡轮还可具有以下特征：自由环形空间限定环的径向外面和圆柱形壁之间的径向距离，所述径向距离为环的环形凹槽的径向深度的至少两倍。
因此，环的径向外表面和圆柱形壁之间的径向间隙大到足以限制这两个元件之间的热传递。
在本发明的另一特征中，分配器的附接构件包括连接到分配器的径向外部平台的上游端的径向内部扰流器，径向内部扰流器支承在可磨耗材料支撑环的径向内面上。
因此，分配器通过支承在环的径向内面上的径向内部扰流器的径向外面而相对于环固持。此外，与现有技术相比，本发明进行极其局部的几何修改：与现有技术相比，不修改分配器相对于环的固持。这使得有可能在无修改的情况下保持与本发明所解决的技术问题无关的周围元件。
根据本发明的优选实施例，自由环形空间在支撑构件的径向环形壁和附接构件的截头圆锥形壁之间的轴向距离上延伸，所述轴向距离大于支撑构件的圆柱形壁的轴向尺寸。
根据本发明的另一优选实施例，自由环形空间在支撑构件的径向环形壁和附接构件的截头圆锥形壁之间的轴向距离上延伸，所述轴向距离大于附接构件的径向外部扰流器的轴向尺寸。
这些特征可共同或替代地且有利地被考虑，以旨在使自由环形空间的轴向尺寸最大化，使得附接构件的截头圆锥形壁和从支撑构件径向地向内的环形壁之间的轴向间隔足以限制从附接构件的截头圆锥形壁到圆柱形壁和从支撑构件向内的环形壁的热传递。
在本发明的一个实施例中，上文所描述的涡轮是低压涡轮。
本发明还涉及一种涡轮机，例如涡轮喷气发动机或飞机涡轮螺旋桨发动机，其包括如上文所描述的涡轮。
附图说明
根据阅读以下详细描述以及分析附图，其它特征、细节和优点将会显现，在附图中：
[图1]如上文已描述的，展示了现有技术的低压涡轮的轴向截面中的部分示意性半视图；
[图2]如上文已描述的，是在图1中以虚线所勾画的区域的较大尺度示意图；
[图3]是类似于图2的示出了本发明的实施例的示意图。
具体实施方式
图3示出了根据本发明的优选实施例的涡轮机涡轮，该涡轮包括移动叶片20a的环形排20，其被布置成与静止叶片30a的环形排30轴向地交替，也被称为叶片，该移动叶片20a的环形排20和静止叶片30a的环形排30由低压涡轮外壳10包围。如本文中所使用的术语“环”是指圆周延伸部件，该部件可呈被布置成圆周地邻接的环或环区段的形式。举例来说，分配器30可由被布置成圆周地邻接的多个区段形成。
以类似于现有技术的方式，移动叶片20a的每个环形排20的径向外端包括舌片22，其密封地接合由环26的径向内面26a承载的环形形状的可磨耗材料24。环26优选地是区段化的，即由被布置成圆周地邻接的多个环区段形成。由于由外壳10承载的支撑构件和用于将下游分配器30附接到外壳10的构件，可磨耗材料24支撑环26被制成为与外壳10成一体式。
支撑构件包括连接到外壳10且向下游轴向地延伸的圆柱形壁12。圆柱形壁12具有径向内部环形面12a和径向外部环形面12b。支撑构件进一步包括从圆柱形壁12径向地向内延伸的环形壁14。在如图3中所展示的本发明的优选实施例中，环形壁14从支撑构件的圆柱形壁12的上游端径向地向内延伸。径向环形壁14的径向内端接合在环26的环形凹槽28中。在图3中所展示的实例中，支撑构件具有两个支腿是由圆柱形壁12和径向环形壁14形成的一般“L”形状，或由圆柱形壁12、环形壁14形成且考虑连接到外壳的连接件13的一般“T”形状。
环26的径向外部环形面26b包括径向向外引导的环形凹槽28，支撑构件的径向环形壁14的径向内端接合在该环形凹槽中。此环形凹槽28包括上游环形面28a和下游环形面28c，该上游环形面和下游环形面在支撑构件的径向环形壁14的径向内端的上游面14a和下游面14c上形成轴向止挡件，由此轴向地阻挡环26。环形凹槽28的环形底面28b与径向环形壁14的径向内端的圆柱形面14b形成径向邻接，从而限制环26相对于外壳10的径向向外移动。径向环壁14和环26的环形凹槽28之间的形状配合协作还封闭脉状管中的热空气。
归因于支撑构件的确保圆柱形壁12与环26径向地隔开的“T”形状，从环26径向地向外传输到支撑构件的热量在由圆柱形壁12接收之前首先传输通过径向环形壁14。因此减少了由圆柱形壁12从环26接收的热量。
在现有技术的涡轮的情况下，接合在环26的环形凹槽28中的径向环形壁14的内端具有小于接合在环形凹槽28中的圆柱形壁12的轴向尺寸的轴向尺寸。这导致环26和支撑构件之间的径向支承表面减小。热交换通过支承表面在环26和支撑构件之间进行。环26和支撑构件之间的支承表面的这种减小因此促使环26和支撑构件之间的热交换减少。
环形凹槽28的轴向尺寸的这种减小导致在环形壁14的上游面14a和环形凹槽28的上游环形面28a之间以及在环形壁14的下游面14b和环形凹槽28的下游面28c之间的支撑件处操作中的环26的夹持损失减少。这引起应力减小，因此提高了环26的低循环疲劳寿命。
静止叶片30a的每个环形排的径向外端包括外部环形平台32，其包括分配器30的附接到外壳10的支撑构件的附接构件，以及附接到可磨耗材料支撑件24的支撑环26的附接构件。此附接构件包括从平台32的上游端向上游延伸的扰流器或内部环形凸耳34。在由多个区段形成的分配器的情况下，每个区段包括内部扰流器。具体地说，内部环形扰流器34具有径向外部环形面34b。分配器30的附接构件进一步包括从外部环形平台32向上游且径向地向外延伸的截头圆锥形壁36。换句话说，截头圆锥形壁36具有轴向平面中所含有的横截面，其在上游方向上增大。最后，附接构件包括从截头圆锥形壁36的外部径向端向上游延伸的扰流器或外部环形凸耳38。在由多个区段形成的分配器的情况下，每个区段包括外部扰流器。具体地说，外部环形扰流器38具有径向内部环形面38a。
分配器30相对于外壳10定位，使得附接构件的外部环形扰流器38的径向内部环形面38a搁置在支撑构件的圆柱形壁12的径向外部环形面12b上。分配器30还通过附接构件的内部环形扰流器34的径向外部环形面34b而相对于环26固持，该径向外部环形面支承在环26的径向内面26a上。
自由环形空间40形成于支撑构件的圆柱形壁12和环26的径向外面26b之间。自由环形空间40没有任何固态热传导元件，包含任何紧固件。以此方式，圆柱形壁12的径向内面12a被布置成与环26的径向外面26b直接相对。自由环形空间40在环26的径向外面26b和圆柱形壁12的径向内部环形面12a之间径向地延伸。环26的外面26b和圆柱形壁12的径向内部环形面12a之间的径向距离至少大于环26的环形凹槽28的径向深度。有利地，环26的外面26b和圆柱形壁12的径向内部环形面12a之间的径向距离为环26的环形凹槽28的径向深度的至少两倍。因此，与现有技术相比，支撑构件的圆柱形壁12径向地远离环26的径向外面26b。
如图3中所展示，自由环形空间40可在支撑构件的径向环形壁14和附接构件的截头圆锥形壁36之间轴向地延伸。为此目的，支撑构件的径向环形壁14可从圆柱形壁12的上游端或从圆柱形壁12的上游端和下游端之间的中间位置延伸。这允许径向环形壁14和截头圆锥形壁36彼此轴向地远离而移动，因此限制了它们之间的热传递。
环形空间因此由环26的径向外面26b和圆柱形壁12的径向内面12a径向地限定，且其由径向环形壁14的上游面14c和附接构件的截头圆锥形壁36的上游面36a轴向地限定。环形空间含有一定体积的热空气，其流动被视为静态的。这通过减少环形空间40中所含有的热空气与圆柱形壁12的径向内面12a、支撑构件的径向环形壁14的下游面14c、环26的径向外面26b和附接构件的外部环形扰流器38的径向内面38a之间的热交换系数而减少通过热对流进行的热交换。
在图3中所展示的实际实施例中，径向环形壁14从圆柱形壁12的上游端延伸，使得径向环形壁14和截头圆锥形壁36之间的轴向距离最大化，从而使这些元件之间的热传递最小化。
根据本发明的优选实施例，选择支撑构件的径向环形壁14和附接构件的截头圆锥形壁36之间的轴向距离，该轴向距离大于圆柱形壁12的轴向尺寸。
根据可独立于前述实施例或与前述实施例相关联的本发明的另一优选实施例，选择支撑构件的径向环形壁14和附接构件的截头圆锥形壁36之间的轴向距离，该轴向距离大于附接构件的外部环形扰流器38的轴向尺寸。
本发明的这两个优选实施例允许径向环形壁14和截头圆锥形壁36之间的足够轴向间隔最佳地限制这两个元件之间的热传递。
自由环形空间40的存在还暗示环26的径向内面26a和圆柱形壁12的径向外部环形面12b之间的径向距离大于现有技术的这两个相同面之间的相同轴向距离。因此，与现有技术相比，截头圆锥形壁36的径向尺寸被增大以增大内部环形扰流器34和外部环形扰流器38之间的径向间隔。以此方式，有利地维持了分配器30的附接构件在支撑构件上和在环26上的支撑。
热保护薄片42定位在支撑构件的外部环形扰流器38和外壳10之间。该薄片至少抵靠外部环形扰流器38的径向外面38b固持。此薄片减少从外部环形扰流器38到外壳10的热传递。
热传导从可磨耗材料24径向地向外进行，该可磨耗材料由通过脉状管流动到支撑脉状管的环26的热气体加热。接着，热量通过以下接触点而传递到与环26接触的支撑构件的径向环形壁14，即，径向环形壁14的上游面14a和凹槽的上游面28a之间的接触部、径向环形壁14的径向内面14b和凹槽的底面28b之间的接触部，以及径向环形壁14的下游面14c和凹槽的下游面28c之间的接触部。径向环形壁14最后将热量传递到支撑构件的圆柱形壁12且传递到外壳10。因此，与现有技术相比，可磨耗材料24和圆柱形壁12之间的距离由径向环形壁14延长，这限制了由圆柱形壁12从支撑构件接收的热量。
形成于支撑构件的圆柱形壁12和环26之间的自由环形空间40还使得有可能限制由环26传输到支撑构件的圆柱形壁12的热流，因为相较于通常构成涡轮和外壳10的各种元件的金属部件，空气是不太良好的热导体。
归因于这些效果，支撑构件的圆柱形壁12接收到较少的热量且因此不太热。这增加了外壳10和缸壁12的寿命且减少了维护成本。

Claims (9)

1.用于涡轮机的涡轮，其包括：
-移动叶片(20a)的环形排(20)，其由外壳(10)承载的可磨耗材料(24)的支撑环(26)包围，环(26)限定径向外面(26b)，
-分配器(30)，其安装在所述移动叶片(20a)的环形排(20)下游且包括附接到支撑所述外壳(10)的支撑构件的附接构件，所述附接构件包括径向外部扰流器(38)，所述径向外部扰流器径向地向内支承在所述支撑构件的圆柱形壁的径向外部环形面(12b)上，所述支撑构件进一步包括环形壁(14)，所述环形壁从所述圆柱形壁(12)径向地向内延伸且在径向内端处接合于所述环(26)的环形凹槽(28)中，且其中自由环形空间(40)形成于所述环(26)的径向外面(26b)和所述支撑构件的圆柱形壁(12)之间。
2.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述自由环形空间(40)在所述支撑构件的径向环形壁(14)和所述附接构件的截头圆锥形壁(36)之间轴向地延伸，所述截头圆锥形壁(36)在径向外端处连接到所述径向外部扰流器(38)。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮，其特征在于，所述支撑构件的径向环形壁(14)从所述圆柱形壁(12)的上游端径向地向内延伸。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的涡轮，其特征在于，所述自由环形空间(40)限定所述环(26)的径向外面(26b)和所述圆柱形壁(12)之间的径向距离，所述径向距离至少大于所述环(26)的环形凹槽(28)的径向深度的两倍。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的涡轮，其特征在于，所述分配器(30)的附接构件包括连接到所述分配器(30)的径向外部平台(32)的上游端的径向内部扰流器(34)，所述径向内部扰流器(34)支承在可磨耗支撑件(24)的环(26)的径向内面(26a)上。
6.根据权利要求2到5中任一项所述的涡轮，其特征在于，所述自由环形空间(40)在所述支撑构件的径向环形壁(14)和所述附接构件的截头圆锥形壁(36)之间的轴向距离上延伸，所述轴向距离大于所述支撑构件的圆柱形壁(12)的轴向尺寸。
7.根据权利要求2到5中任一项所述的涡轮，其特征在于，所述自由环形空间(40)在所述支撑构件的径向环形壁(14)和所述附接构件的截头圆锥形壁(36)之间的轴向距离上延伸，所述轴向距离大于所述附接构件的径向外部扰流器(38)的轴向尺寸。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的涡轮，所述涡轮是低压涡轮。
9.涡轮机，例如涡轮喷气发动机或飞机涡轮螺旋桨发动机，其包括根据权利要求1到8中任一项所述的涡轮。
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