CN115315567A - 涡轮护罩组件 - Google Patents

Abstract

涡轮护罩组件，包括由CMC制成且形成护罩(1)的部段(10)、以及支撑结构件(3)，每个部段具有底座(12)，该底座具有径向内表面(12a)和径向外表面(12b)，上游附接凸耳(14)和下游附接凸耳(16)以突出的方式从径向外表面延伸，支撑结构件包括轴环(31)，上游径向凸缘(32)和下游径向凸缘(36)以突出的方式从轴环向护罩径向延伸，护罩的每个部段的凸耳通过上游径向凸缘和下游径向凸缘来保持，护罩(1)通过轴向销(119，120)保持，轴向销一方面分别通过第一环形端部板和第二环形端部板(33，34)与上游径向凸缘配合，并且直接与下游径向凸缘配合，轴向销另一方面分别与上游附接凸耳和下游附接凸耳配合。

Description

涡轮护罩组件

技术领域

本发明涉及一种涡轮环组件，该涡轮环组件一方面包括由陶瓷基复合材料制成的多个环扇形件，另一方面包括用于支撑该环的结构件。

背景技术

本发明的应用领域特别是航空燃气涡轮发动机的领域。然而，本发明可应用于其它涡轮机，例如工业涡轮。

在全部金属的涡轮环组件的情况下，需要对组件的所有元件进行冷却，特别是对承受最热气流的涡轮环进行冷却。

由于所使用的冷却气流从发动机的主气流抽取，因此这种冷却对发动机性能有重大影响。此外，在涡轮环上使用金属限制了在涡轮处增加温度的可能性，但这将使得能够提高航空发动机的性能。

为了解决这些问题，人们设想用陶瓷基复合(CMC)材料制造涡轮环扇形件，以避免使用金属材料。

CMC材料具有良好的机械特性，这使得CMC材料能够构成结构元件。此外，有利地，CMC材料在高温下保持这些特性。因此，使用CMC材料能够减少在运行期间施加的冷却气流，从而提高涡轮机的性能。

换句话说，由CMC材料制成的环(环的电阻温度很高)的集成使得能够减少从腔室底部抽取的空气的流量，这是对流动路径外部的腔进行加压所必需的，因此改进发动机的比耗量。

尽管CMC材料相对于普通金属材料密度较低，但由于环与环配合的部件的集成限制，没有获得预期的质量改进。

文献FR 3076578典型地示出了与金属环支撑结构件相关联的这种CMC材料环组件。

所附的图1是根据该现有技术的涡轮环组件的示意性截面视图。

更具体地，所示的高压涡轮环组件包括由陶瓷基复合(CMC)材料制成的涡轮环1和支撑该环的金属结构件3。该环1围绕一组旋转叶片(旋转叶片在此未示出)。环1由多个环扇形件10(仅一个环扇形件在图1中可见)形成。箭头D_A和D_R分别表示涡轮环1的轴向方向和径向方向。

如图1所示，每个环扇形件10沿着由轴向方向D_A和径向方向D_R限定的平面具有大致呈倒希腊字母π(pi)形状的部段。该部段包括环形底座12和分别为14和16的上游径向附接凸耳和下游径向附接凸耳。术语“上游”和“下游”参照涡轮中的气流的流动方向来在整个本申请中使用，该流动方向由箭头F表示。

环形底座12沿着环1的径向方向D_R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涂覆有可磨损材料层13，以限定涡轮中的气流的流动路径。术语“内”和“外”在此参照涡轮的径向方向D_R来使用。

支撑环1的固定到涡轮壳体的结构件3包括中心护罩31，该中心护罩通常在轴向方向D_A上延伸。当环和结构件固定在一起时，结构件的旋转轴线与涡轮环1的旋转轴线重合。结构件还包括分别为32和36的第一环形径向夹具和第二环形径向夹具。第一夹具32被定位在第二夹具36的上游。

涡轮环组件1还包括第一环形凸缘33和第二环形凸缘34，这两个环形凸缘被可移除地固定在第一环形径向夹具32上。这两个环形凸缘相对于涡轮中的气流的流动方向F布置在涡轮机环1的上游。第一凸缘33被布置在第二凸缘34的下游。

第一环形凸缘33具有第一内部分333和第二外部分334。

第二环形凸缘34具有第一自由端部341和与第一自由端部相对的第二端部342，该第二端部与中心护罩31接触。第二环形凸缘34的第二端部342也被可移除地固定到环支撑结构件1，更具体地，被可移除地固定到第一环形径向夹具32。

当环组件1就位时，第一环形凸缘33的第一部分333支承抵靠构成涡轮环1的环扇形件10中的每一个环扇形件的上游径向附接凸耳14，第一环形凸缘34的第二部分334支承抵靠第一环形径向夹具32的至少一部分。

两个凸缘33和34通过固定螺钉60和螺母61可移除地固定在上游环形径向夹具32上，螺钉60穿过分别设置在两个凸缘以及夹具32中的孔口。同样，仅一个螺钉和仅一个螺母在图1中可见。

第二环形凸缘34旨在通过将高压分配器(DHP)在环组件1上的力传递到机械上更坚固的壳体管线，也就是说传递到环支撑结构件的管线(如图1中的箭头E所示)来承受该力。由于第一上游凸缘的第一部分333具有减小的部段并且因此更柔性，则穿过第一上游凸缘33的残余力减小，这使得能够在CMC环1上施加最小的力。

在轴向方向D_A上，环支撑结构件3的下游环形径向夹具36与第一上游环形凸缘33以与上游径向附接凸耳14和下游径向附接凸耳16的间距对应的一距离分隔开，以将上游径向附接凸耳和下游径向附接凸耳保持在下游环形径向夹具36和第一上游凸缘33之间。

为了将环扇形件10以及因此涡轮环1与环支撑结构件3保持就位，对于每个环扇形件10，环组件包括与上游附接凸耳14和第一环形凸缘33配合的第一销119，以及与下游附接凸耳16和第二环形径向夹具36配合的第二销120。当然，为此提供了用于接纳这些销的孔口(不可见)。

环支撑结构件3还包括径向销38，径向销使得能够以确定的方式将环保持在低径向位置，即朝向流动路径。在轴向销119和120与环1上的孔之间确实存在间隙，以补偿金属和CMC元件之间在加热下发生的差异膨胀。径向销38与在环支撑结构件3的中心护罩31中沿着径向方向D_R形成的孔口380配合。

文献2017/103411描述了一种根据所附权利要求1的前序部分所述的涡轮环组件。

根据该现有技术，相对于所述涡轮中的气流的所述流动方向：

-护罩包括第一上游部分和第二下游部分，第一上游部分在第一附接凸耳的上方径向延伸，第二下游部分在第一上游部分的延伸部分中延伸，并且第二下游部分在第二附接凸耳的上方径向延伸，第一上游部分具有直圆筒形的形状，第二下游部分具有截头圆锥形的形状，第二下游部分从第一上游部分的一个端部向涡轮环的轴线延伸，同时具有大致恒定的厚度；

-上游径向夹具从上游部分延伸以支承抵靠上游附接凸耳，而下游径向夹具从下游部分延伸以与下游附接凸耳发生接触。

由于这些特征，护罩的材料的一部分被转移到减小的半径。因此减小护罩的体积和护罩的质量，同时获得轴对称部件。此外，由于在壳体的一部分中存在该会聚区域，这种结构件还使得能够减小壳体的柔性，从而减小组件的移位。

此外，使用螺钉和销来保持环是有限的，这减小了组件的质量。

在此背景下，本发明旨在特别地在涡轮环组件的质量方面进一步改进这种涡轮环组件。

发明内容

为此，本发明特别地涉及一种涡轮环组件，该涡轮环组件包括形成涡轮环的由陶瓷基复合材料制成的多个环扇形件、以及环支撑结构件，每个环扇形件沿着由涡轮环的轴向方向和径向方向限定的切割平面具有底座，所述轴向方向对应于涡轮中的气流的流动方向，该底座在涡轮环的径向方向上具有径向内表面和径向外表面，该径向内表面限定涡轮环的内表面，上游附接凸耳和下游附接凸耳从该径向外表面突出，所述环支撑结构件包括围绕涡轮环延伸的护罩，上游径向夹具和下游径向夹具从该护罩向涡轮环径向突出，每个环扇形件的上游附接凸耳和下游附接凸耳通过上游径向夹具和下游径向夹具来保持，所述护罩相对于所述涡轮中的气流的所述流动方向包括第一上游部分和第二下游部分，第一上游部分在第一附接凸耳的上方径向延伸，第二下游部分在第一上游部分的延伸部分中延伸，并且在第二附接凸耳的上方径向延伸，所述第一上游部分具有直圆筒形的形状，第二下游部分具有截头圆锥形的形状，第二下游部分从第一上游部分的一个端部向涡轮环的轴线延伸，同时具有大致恒定的厚度，所述上游径向夹具从所述上游部分延伸以直接地或间接地支承抵靠上游附接凸耳，而下游径向夹具从下游部分延伸以与下游附接凸耳发生接触。

根据本发明，环通过轴向销相对于所述径向夹具保持，轴向销一方面分别通过第一环形凸缘和第二环形凸缘与上游径向夹具配合，并且直接与下游径向夹具配合，轴向销另一方面与上游附接凸耳和下游附接凸耳配合。

由于这些特征，环被径向楔入，因此不再需要如在上述现有技术中那样使用径向销来确保确定性的阻塞。不使用这种销有助于减小组件的质量。此外，根据上述现有技术，壳体的显著厚度特别地由于需要保证销的足够引导长度这一事实而合理。由于这些厚度现在不再需要，所述厚度可以向下修正，并且特别地可以达到根据现有技术的厚度的一半。

根据本发明的特定实施例：

-所述护罩在所述两个夹具之间具有大致恒定的厚度；

-上游部分和下游部分形成介于30°至80°之间，优选地介于30°至70°之间的角度。

-所述环还被压缩地保持在所述径向夹具之间。

根据本发明的一些附加特征：

-所述第一环形凸缘和第二环形凸缘在轴向方向上沿着第一环形凸缘和第二环形凸缘的径向范围大致具有相同的厚度；

-所述环至少部分地由陶瓷纤维的三维编织形成，该三维编织包括经纱和纬纱，其特征在于，所述环内的经纱/纬纱的比率是可变的；

-所述环形底座内的比率低于所述附接凸耳内的比率。

最后，本发明还涉及一种涡轮机，该涡轮机包括根据上述详细特征中的任何一个特征所述的涡轮环组件。

附图说明

根据现在将要参照附图进行的说明，本发明的其它特征和优点将会显现，该附图通过指示性而不是限制性的方式示出了可能的实施例。

在这些附图中：

如上文所示，[图1]是根据上述现有技术的涡轮环组件的示意性截面视图；

[图2]是根据本发明的组件的类似于图1的视图；

[图3]是图2的组件的三维截面视图。

具体实施方式

在本发明的一个示例性实施例的所附图2和图3中示出的涡轮环组件在结构上类似于根据现有技术的上述参照图1描述的组件。

在下文描述中，与已经参照图1使用的附图标记相同的附图标记对应于相同或类似的部件。在这些条件下并且除非另有说明，本发明仅有的特定元件将基本上在下文描述。

根据与前述现有技术相同的方式，根据本发明的组件包括支撑环1的结构件3，该结构件包括中心护罩31，第一夹具32和第二夹具36从该中心护罩径向突出，由陶瓷基复合材料制成的每个环扇形件10的第一附接凸耳14和第二附接凸耳16通过第一夹具和第二夹具来保持。

根据本发明，该护罩的特殊之处在于包括同轴的第一上游部分310和第二下游部分320，该第一上游部分310具有直圆筒形的形状，而第二下游部分具有会聚壁。有利地，这两个部分310和320的过渡区域330是弯曲的，也就是说没有任何突出角。

有利地并且如图2和图3所示，该第二下游部分具有截头圆锥的形状。

仍然根据本发明，第一径向夹具32被固定到第一上游部分310，而第二径向夹具36被固定到第二下游部分320的下游区域。换句话说，该第二径向夹具在部分320的距上游部分310最远的区域中延伸。

在此所示的情况下，该第二夹具延伸到第二部分320的与下游延伸部分340相连的边界，该下游延伸部分与第一部分310同轴。

由于这种结构件，壳体的材料可以至少部分地向较小的半径转移，这使得能够大大减小该壳体的体积并因此减小该壳体的质量。此外，因此获得了轴对称部件，这使得轴对称部件的制造更加容易。

此外，由于第二下游部分中的壳体的特定锥度，该修改还使得能够减小涡轮环组件的柔性并因此减小涡轮环组件的移位。

有利地，由上游部分310和下游部分320的母线形成的角度α介于30°至80°之间，优选地介于30°至70°之间，这使得能够在总质量的减小和刚度之间获得良好的折中。

为了进一步减小本发明的组件的总质量，可以使用下文描述的任何一种解决方案。

因此，可以使用被布置在图2和图3的结构件上游的凸缘34，该凸缘的厚度变薄以改进质量。该部件使得能够将来自高压扩散器的轴向力向外壳体转移，以释放环1。使这种凸缘变薄可能会对环1产生压力。然而，对凸缘的几何形状的这种优化使得能够增加凸缘的柔性，并因此减小轴向传递的力。因此，除了重量改进之外，环1受到的压力不大于根据上述现有技术的安装的压力。

根据本发明，凸缘34的厚度使得两个凸缘33和34在轴向方向上沿着凸缘的径向范围大致具有相同的厚度。因此，根据这种情况，凸缘34的厚度与根据现有技术实施的凸缘的厚度相比可以减小一半。

与现有技术一样，环1通过轴向销119和120相对于轴向夹具32和36轴向地保持，轴向销119和120一方面分别通过第一环形凸缘33和第二环形凸缘34与第一径向夹具32配合，并且直接与第二径向夹具36配合，轴向销119和120另一方面与第一附接凸耳14和第二附接凸耳16配合。

在径向方向上，由于凸缘34的厚度的减小和中心护罩31的第二部分320的截头圆锥形形状所提供的柔性，环1被压缩地保持在径向夹具32和36之间。因此，这使得能够将每个环扇形件10的附接凸耳14和16箍住，从而使每个环扇形件被径向地保持。因此，不再需要上述图1中的由附图标记38表示的径向销。因此，根据本发明的组件的总质量进一步减小。

以已知的方式，环1可以至少部分地通过陶瓷纤维的三维编织来获得，这种编织包括经纱和纬纱，特别地如文献FR 2942844所述。为了减小根据本发明的组件的质量，这种编织可以通过使经纱/纬纱的比率可变以用于制造该环来进行。更特别地，相对于附接凸耳14和16，可以在环形底座12内使用较低的比率。

以这种方式，在由环形底座12构成的中心部分中，编织的厚度减小，而附接凸耳14和16的厚度保持不变。因此，对于相同数量的编织层，因此获得了更薄且因此更轻的中心部分，但具有仍然同样厚且牢固的凸耳。

仅作为指示，厚度减小可以为约0.5mm至5mm。

尽管这并不构成本发明的特定特征的一部分，但应注意，在所附图2和图3中所示的组件包括附图标记为4的冷却装置。

更具体地，环1的外表面12b和附接凸耳14和16在流动路径外部形成腔，换句话说，在热流体流动路径F外部形成腔。

由于在流动路径侧存在高温空气，壁12承受显著的温度梯度。此外，存在于热空气流动路径中的高压增加了热空气泄漏的风险，特别是在环扇形件10之间的接合部处增加了热空气泄漏的风险。因此，将冷却空气注射到流动路径外部的腔中使得能够冷却环的壁12，并且减小壁中的热梯度，并且还增加流动路径外部的腔中的压力，从而限制从流动路径流出的热空气泄漏的风险。

上述冷却装置被附接到凸缘33和34，并且包括指向环的壁12附近的头部，该头部设置有开口(未示出)，以形成冷却通道。

Claims (8)

1.一种涡轮环组件，包括形成涡轮环(1)的由陶瓷基复合材料制成的多个环扇形件(10)、以及环支撑结构件(3)，每个环扇形件(10)沿着由所述涡轮环(1)的轴向方向(D_A)和径向方向(D_R)限定的切割平面具有底座(12)，所述轴向方向对应于涡轮中的气流的流动方向(F)，所述底座在所述涡轮环(1)的所述径向方向(D_R)上具有径向内表面(12a)和径向外表面(12b)，所述径向内表面限定所述涡轮环(1)的内表面，上游附接凸耳(14)和下游附接凸耳(16)从所述径向外表面突出，所述环支撑结构件(3)包括围绕所述涡轮环(1)延伸的护罩(31)，上游径向夹具(32)和下游径向夹具(36)从所述护罩向所述涡轮环(1)径向突出，每个环扇形件(10)的所述上游附接凸耳和所述下游附接凸耳(14，16)通过所述上游径向夹具和所述下游径向夹具来保持，所述护罩(31)相对于所述涡轮中的气流的所述流动方向(F)包括：

第一上游部分(310)和第二下游部分(320)，所述第一上游部分在第一附接凸耳(14)的上方径向延伸，所述第二下游部分在所述第一上游部分(310)的延伸部分中延伸，并且所述第二下游部分在第二附接凸耳(16)的上方径向延伸，所述第一上游部分(310)具有直圆筒形的形状，所述第二下游部分(320)具有截头圆锥形的形状，所述第二下游部分从所述第一上游部分(310)的一个端部向所述涡轮环(1)的轴线延伸，同时具有大致恒定的厚度，

所述上游径向夹具(32)从所述上游部分(310)延伸以直接地或间接地支承抵靠所述上游附接凸耳(14)，而所述下游径向夹具(36)从所述下游部分(320)延伸以与所述下游附接凸耳(16)发生接触，其特征在于，所述环(1)通过轴向销(119，120)相对于所述径向夹具(32，36)保持，所述轴向销一方面分别通过第一环形凸缘和第二环形凸缘(33，34)与所述上游径向夹具(32)配合，并且直接与所述下游径向夹具(36)配合，所述轴向销另一方面与所述上游附接凸耳和所述下游附接凸耳(14，16)配合。

2.根据权利要求1所述的涡轮环组件，其特征在于，所述护罩(31)在两个夹具(32，36)之间具有大致恒定的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮环组件，其特征在于，所述上游部分(310)和所述下游部分(320)形成介于30°至80°之间，优选地介于30°至70°之间的角度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮环组件，其特征在于，所述环(1)还被压缩地保持在所述径向夹具(32，36)之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮环组件，其特征在于，所述第一环形凸缘和所述第二环形凸缘(33，34)在所述轴向方向上沿着所述第一环形凸缘和所述第二环形凸缘的径向范围大致具有相同的厚度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮环组件，其中，所述环(1)至少部分地由陶瓷纤维的三维编织形成，所述三维编织包括经纱和纬纱，其特征在于，所述环(1)内的所述经纱/所述纬纱的比率是可变的。

7.根据权利要求6所述的涡轮环组件，其特征在于，所述环形底座(12)内的比率低于所述附接凸耳(14，16)内的比率。

8.一种涡轮机，包括根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮环组件(1)。

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