CN115485451A - 涡轮组件以及设置有这种组件的气体涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮组件(1)，该涡轮组件包括：‑多个由陶瓷基复合材料制成的涡轮环区段(20)；‑环支撑结构(3)，该环支撑结构包括环形护罩(6)；以及此外‑多个角间隔件区段(70)，该多个角间隔件区段共同形成环形间隔件(7)，所述环形间隔件(7)一方面固定到涡轮环(2)上，另一方面固定到所述环形护罩(6)上，其特征在于，所述涡轮组件(1)包括至少一个空气扩散器(8)，该至少一个空气扩散器被配置成将冷却空气扩散到所述涡轮环区段(20)中的至少一个的径向外部面(212)上，在嵌套的位置，通过被嵌套在所述角间隔件区段(70)中的一个上来安装所述至少一个空气扩散器(8)。

Description

涡轮组件以及设置有这种组件的气体涡轮发动机
技术领域
本发明涉及一种涡轮组件，该涡轮组件包括多个环区段以及环支撑结构，该多个环区段由陶瓷基复合材料(CMC)制成，多个环区段组装形成涡轮环。
本发明的应用领域特别是航空气体涡轮发动机或涡轮机。然而，本发明适用于其他涡轮机，例如工业涡轮。
背景技术
在航空气体涡轮发动机中，效率的提高和一些污染排放的减少导致寻求在更高的温度下运转。从目前的技术来看，全金属涡轮环组件是已知的。然而，有必要冷却该组件的所有元件，特别是涡轮环，因为涡轮环经受非常热的流，其温度高于金属材料所能承受的温度。
然而，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，涡轮环所使用的金属限制了涡轮温度升高的可能性，然而这将改善航空发动机的性能。
为了解决上述问题，设想生产一种由陶瓷基复合材料(CMC)制成的涡轮环区段，以避免使用金属材料。
众所周知，陶瓷基复合材料能在明显高于金属的温度下保持其力学特性，这使得陶瓷基复合材料能够构成热结构元件。使用这种类型的材料使得能够减小部件的冷却流速，从而提高涡轮机的性能。此外，CMC材料的优点是具有比通常用于生产涡轮环的金属具有更低的密度。这使得能够设想整个涡轮机的显著质量增加。
在文献US 2012/0027572中特别地描述了用单个CMC材料块生产涡轮环区段。环区段包括环形基座和外部面，该环形基座的内部面限定涡轮环的内部面和外部面，两个支柱从该外部面径向延伸，该支柱的端部保持在金属环支撑结构的两个凸缘之间。
因此，使用CMC环区段使得能够显著减少冷却涡轮环所需的通风量。然而，CMC具有不同于金属材料的力学性能，CMC的集成以及在涡轮内的定位方式必须重新设计。实际上，CMC不能承受收缩配合的安装(通常用于金属环)，并且CMC的热膨胀低于金属材料。
文献WO 2015/191 169已经公开了一种涡轮组件，该涡轮组件包括多个由陶瓷复合材料制成的涡轮环区段、由外部壳体保持的支撑结构(该结构包括环形护罩和环形间隔件区段)以及扩散空气的空气导流器。
文献WO 2015/108 658还公开了一种涡轮组件，该涡轮组件包括环支撑结构和多个涡轮环区段，该多个涡轮环区段共同形成涡轮环。该组件还包括设置有通道的导流器，该导流器使得能够在涡轮环区段的径向内部面上引入冷却空气。
最后，文献EP 3 118 417公开了一种涡轮组件，该涡轮组件包括多个由CMC陶瓷材料制成的涡轮环区段和环支撑结构。导流器可以径向地被布置在支撑件和环区段之间。
然而，这些文献都没有描述或建议通过在所述间隔件区段中的一个上互锁来安装空气扩散器，也没有描述或建议根据本发明的空气扩散器的结构。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种涡轮环组件，该涡轮环组件不具有上述缺点，特别是该涡轮环组件比现有技术中已知的涡轮环组件轻，并且，特别是移除了通常存在于这种集成件中的所有螺栓连接。
为此，本发明涉及一种围绕纵向轴线延伸的涡轮组件，该组件包括：
-多个由陶瓷基复合材料制成的涡轮环区段，该涡轮环区段周向首尾相连地装配以形成涡轮环，每个涡轮环区段包括基座，该基座具有径向内部面和径向外部面，上游支柱和下游支柱从该径向外部面径向向外延伸并轴向彼此间隔开，
-由外部环形涡轮壳体保持的环支撑结构，所述环支撑结构包括环形护罩和多个角间隔件区段，该多个角间隔件区段共同形成环形间隔件，所述环形间隔件被固定到所述环形护罩上，并且每个涡轮环区段通过所述支柱被固定在所述环形间隔件上，
-至少一个空气扩散器，该至少一个空气扩散器被配置成将冷却空气扩散在所述涡轮环区段中的至少一个的所述径向外部面上。
根据本发明，所述至少一个空气扩散器通过互锁安装在所述角间隔件区段中的一个上，处于互锁的位置，空气扩散器具有内部腔体和径向内部面，该径向内部面被多个开口到该腔体的空气喷射孔穿透，空气扩散器的附接构件被开口到所述腔体的进气孔穿透，并且每个角间隔件区段包括至少一个空气供应管道，该至少一个空气供应管道一方面开口到角间隔件区段的上游面中的一个，另一方面开口到狭槽的T形的互锁区域的底部中，面向扩散器的附接构件的进气孔的口部，当该扩散器处于其互锁的位置时，使得该空气供应管道与所述空气喷射孔流体连通。
由于本发明的这些特征，特别是由于空气扩散器在角间隔件区段中的一个上的互锁，简化了扩散器的安装，扩散器不再需要使用套筒或销来固定，并且减小了涡轮环组件的总质量。
此外，这种安装使得能够保持使用由陶瓷基复合材料制成的环和相关的优点。根据本发明的其他有利的和非限制性的特征，这些特征单独或组合采用：
-每个角间隔件区段在其径向内部面上具有直线的互锁狭槽，该直线的互锁狭槽在其长度的部分上具有T形的横截面的互锁区域，并且每个空气扩散器在其径向外部部分中也设置有T形的附接构件，该T形的附接构件被配置成能够被接纳并且互锁到所述互锁区域中；
-所述附接构件包括至少一个与所述互锁狭槽的T形的互锁区域配合的邻接部，以便一旦空气扩散器处于互锁的位置，则阻止空气扩散器的轴向位移；
-每个角间隔件区段包括轴向向下游定向的上游钩部和下游指状部，环形护罩包括两个向上游开口的环形槽，并且这些槽旨在分别接纳所述上游钩部和所述下游指状部；
-每个间隔件区段设置有上游凸缘，该涡轮的喷嘴形成布置在所述涡轮环组件的上游的冠部，该涡轮的喷嘴轴向压靠在该上游凸缘上，以将所述上游钩部和所述下游指状部分别保持在环形护罩的对应的槽中；
-所述环形护罩包括下游凸缘，该下游凸缘沿涡轮环的轴向方向的厚度通常小于环区段的下游支柱的厚度，下游凸缘在环区段的下游支柱上施加应力；
-使用固定柱销(pion)将环区段的所述上游支柱固定在间隔件区段的上游凸缘上，使用固定柱销将环区段的所述下游支柱固定在该同一间隔件区段的至少一个下游支柱上，柱销主要轴向延伸；
-每个角间隔件区段在其两个周向端部处具有用于接纳密封凸片的密封狭槽，这些密封凸片被布置在所述密封狭槽中，位于两个周向首尾相连地布置的角间隔件区段之间。
本发明还涉及一种涡轮机，该涡轮机包括如上所述的涡轮组件。
附图说明
本发明的其他特征、目的和优点将通过以下说明来呈现，以下说明完全是说明性的而非限制性的，并且应该结合附图来阅读，在附图中：
-图1示出了根据本发明的安装在涡轮机中的涡轮组件的纵向剖面图。
-图2是根据本发明的涡轮组件的放大纵向剖面图。
-图3是角间隔件区段的一个端部的正视图。
-图4是根据本发明的空气扩散器的透视图。
-图5是在其上安装了两个扩散器的角间隔件区段的透视及透明图。
-图6是在其上安装了扩散器的角间隔件区段的底视图。
-图7与图6类似，但没有扩散器。
具体实施方式
现在将参照图1和图2描述根据本发明的涡轮组件1。该组件1围绕纵向轴线X-X’延伸。
在图1中，箭头DA表示涡轮组件1的轴向方向，而箭头DR表示涡轮组件1的径向方向。为了简化附图，图1和图2是该组件的局部视图，实际上该组件是环形的。
特别地，该组件1包括涡轮环2和环支撑结构3，该涡轮环由陶瓷基复合材料(CMC)制成，并且以纵向轴线X-X’为中心，该环支撑结构由外部环形涡轮壳体4保持，环支撑结构仅在图1中可见。
涡轮环2围绕涡轮叶片组件5。
在说明书的其余部分，所描述的涡轮是高压涡轮。然而，本发明还应用于低压涡轮。
涡轮环2由多个角环区段20形成，该多个角环区段周向首尾相连地放置以形成环。
每个角环区段20具有带有基座21的、大致为颠倒的希腊字母Pi(或Π)的形状的部段，该基座具有径向内部面211和径向外部面212，该径向内部面限定涡轮环2的内部面的角部分，该径向外部面限定涡轮环的外部面的角部分，并且上游支柱22和下游支柱23从该径向外部面径向向外延伸。
这里使用的术语“上游”和“下游”参照在涡轮环内气体流的流动方向，由在图1和图2中的箭头F表示。两个支柱22和23沿圆周方向在环区段的整个宽度的上方延伸。两个支柱彼此轴向间隔开。
上游支柱22被多个轴向孔220穿透，下游支柱23被多个轴向孔230穿透。
通常，通过密封凸片(在图中不可见)确保两个相邻的角区段20之间的密封，这些密封凸片容纳在密封狭槽24中，该密封狭槽布置在每个环区段20的两个端部处，当两个区段20首尾相连地装配时，狭槽24彼此面对。
环支撑结构3包括相互装配的多个不同的部件，即环形护罩6和根据本发明的环形间隔件7。
环形护罩6可以由旋转部件形成，也就是说在360°上延伸，或由多个首尾相连地布置的角区段的组件产生。
如在图2中可见，环形护罩6具有：上游环形槽61，该上游环形槽向上游开口；中间环形槽62，该中间环形槽也向上游开口；最后下游环形槽63，该下游环形槽向下游开口。这些不同的环形槽以纵向轴线X-X’为中心并且这些不同的环形槽轴向延伸。
下游环形槽63旨在接纳低压涡轮的喷嘴A(这里例如低压喷嘴)的叶片的端部，该低压涡轮的喷嘴A的叶片的端部布置在高压涡轮的下游并且仅在图1中可见。
此外，环形护罩6包括环形下游凸缘64，该环形下游凸缘径向向内延伸，并且该环形下游凸缘的端部640向上游弯曲以轴向延伸。该凸缘64沿其径向部分的厚度足够地小，使得该凸缘保持弹性、柔性性质。
最后，环形护罩6沿其径向外部面具有突起65，该突起旨在径向地邻接抵靠外部壳体4。护罩6通过在图中不可见的固定装置(收缩配合)固定在该壳体4上。根据在图中未示出的实施例的另一变型，护罩可以与外部壳体4制成一体件。
环形间隔件7包括多个周向首尾相连地装配的角间隔件区段70。
这些间隔件区段70中的一个在图5中更好地示出。每个区段70包括弯曲主体71，该弯曲主体具有径向外部面711和径向内部面712。该主体71的弯曲下游边缘限定轴向定向的下游指状部713。该下游指状部713旨在插入到护罩6的中间环形槽62中。如在图2中可见，间隔件7和护罩6的组件被制成使得下游指状部713的径向外部面压靠在中间环形槽62的径向内部面上，以确保两个部件之间的密封。
轴向向下游定向的、呈环区段形式的上游钩部714从径向外部面711的上游端部向外突出。该上游钩部714旨在插入到环形护罩6的上游环形槽61中。如在图2中可见，间隔件7和护罩6的组件被制成使得上游环形槽61的径向外部面压靠在上游钩部714的径向内部面上，以确保两个部件之间的密封。
在图2中，还可以看见，下游指状部713向上的接触和上游钩部向下的接触保证了每个间隔件区段70相对于环形护罩6(倾斜效应)的径向定位。
此外，主体71包括上游凸缘72和多个下游凸耳73。在图5中，可以看见，这些凸耳73例如在每个区段70上有两个。每个凸耳73被轴向孔730穿透。此外，凸缘72具有多个向下游开口的轴向盲腔720。
上游凸缘72和下游凸耳73沿环组件1的内部的方向，也就是说沿轴线X-X’的方向径向或大致径向地延伸。
涡轮环组件1还包括上游轴向柱销24和下游轴向柱销25。上游轴向柱销24插入到盲腔720中并且通过孔220，以确保环区段20的上游支柱22固定在上游凸缘72上。下游轴向柱销25插入通过间隔件7的轴向孔730和环区段20的轴向孔230，以确保环区段20的下游支柱23固定在凸耳73上。不同的轴向柱销围绕环的纵向轴线X-X’均匀地分布。
当装配完成时，凸耳73被布置在环2的下游支柱23的上游，上游凸缘72被布置在上游支柱22的上游。
此外，每个环区段20的上游支柱22和下游支柱23分别保持在上游凸缘72和凸缘64之间，该上游凸缘72和凸缘64各自在这些支柱上施加轴向应力，凸缘64的端部640压靠在下游支柱23的下游面上，这些轴向应力相反。
通常，上游凸缘72沿轴向方向(除了设置有壳体720的区域)比凸缘64的径向部分厚。因此，上游凸缘72更具刚性，凸缘64更具柔性且可变形。
最后，如在图1中可见，涡轮环组件1被布置在两个喷嘴级之间，这里在喷嘴A(例如低压喷嘴)和喷嘴B(这里例如为高压涡轮的高压喷嘴)之间。该布置在涡轮环组件1的上游的喷嘴B轴向地压靠在上游凸缘72上。因此，在运转中，由于上游凸缘72的高刚度，由间隔件7通过限制这些力传递到CMC环2来确保喷嘴B的受力。传递到环2的力还受到下游凸缘64的柔性性质的限制。
最后，一旦装配已经完成，则环形护罩6围绕环形间隔件7，该环形间隔件本身围绕环2，使得这三个元件沿纵向轴线X-X’同心并且同轴。
有利地，如在图5中可见，每个角间隔件区段70在其两个端部具有用于接纳密封凸片的密封狭槽721。这些凸片(在图中未示出)被布置在两个角间隔件区段70之间，该角间隔件区段周向首尾相连地布置。这使得能够确保两个相邻的区段70之间的密封。
优选地，这些密封狭槽721被布置在上游凸缘72的两个端部处以及钩部714的两个端部处。
涡轮组件1还包括空气扩散器8，该空气扩散器旨在将冷却空气扩散在基座21的径向外部面212上。该空气扩散器8包括界定出内部腔体80(见图2)的壁。在图中所示的示例性实施例中，该空气扩散器的壁具有截断的金字塔形状。
该空气扩散器8具有优选的平面径向内部壁81，该平面径向内部壁被多个空气喷射孔810穿透。
根据本发明，每个空气扩散器8通过互锁安装在角间隔件区段70中的一个上。在图5所示的示例中，两个空气扩散器8安装在角间隔件区段70上。这两个空气扩散器处于被称为“互锁”的位置。
为此，每个角间隔件区段70在其径向内部面中的一个(这里是其径向内部面712)上具有直线互锁狭槽74(见图5至图7)。该狭槽是直线的，也就是说不是弯曲的，而该狭槽被布置在弯曲的主体71中。
有利地，间隔件区段70通过增材制造来制造。
此外，该狭槽74在其长度的部分(优选地在其中心部分)上具有形成互锁区域742的T形横截面。该T形的横截面在图3的截面上更好地示出。在该位置处，狭槽74局部地(ponctuellement)设置有两个凸片740，该两个凸片彼此面对并且彼此间隔开，以界定T的两个分支。
此外，如在图4中可见，空气扩散器8在其径向外部部分(这里在截断的金字塔的顶部)还具有T形的附接构件82，该T形的附接构件被配置成能够通过在狭槽74中滑动而被接纳和互锁。由于滑槽是直线的，因此便于滑动。
有利地，该附接构件82在其端部中的一个处具有两个邻接部821，该两个邻接部被布置在T的两侧。T形的附接构件的水平分支822被配置成被接纳在狭槽74中，位于狭槽的底部和两个凸片740之间，而T的竖直分支823被接纳在两个凸片740之间。构件82的径向外部面824是平面的。
还可以设想附接构件82和狭槽74的除了T形之外的互补互锁形状。
因此，空气扩散器8可以通过从区段70的端部中的一个轴向滑动到狭槽74中(在图6中的插入箭头G)而插入，凸片740保持T的水平分支822，直到两个邻接部821与两个相应的凸片740接触。因此，这些邻接部821阻止了空气扩散器8在狭槽740内的轴向滑动。扩散器8不能朝向间隔件区段70的中心进一步移动。可以添加额外的楔形件(在图中未示出)，以防止扩散器8沿与其插入方向相反的方向的移位。
此外，附接构件82被至少一个进气孔825穿透，该至少一个进气孔在附接构件82的外部面824上和腔体80内都开口。
每个角间隔件区段70还包括至少一个空气供应管道75(在图5所示的实施例中，两个管道75)。每个管道75一方面开口到角区段70的上游面76上，另一方面开口到狭槽74的底部，面向具有T形的横截面(互锁区域742)的狭槽部分74。如在图5中可见，管道75被配置成使得当空气扩散器8被定位成在狭槽74内邻接抵靠凸片740时(互锁位置)，该管道75在扩散器8的附接构件82的进气孔825的口部处开口。
因此，取自涡轮机的压缩机的一个级的冷却空气进入管道75，然后进入扩散器8，在扩散器中冷却空气沿环区段基座21的内部面212的方向经由空气喷射孔810喷射，从而使环区段基座冷却。
有利地，护罩6、间隔件7和扩散器8由金属制成。

Claims (9)

1.一种围绕纵向轴线(X-X’)延伸的涡轮组件(1)，所述组件(1)包括：
-多个由陶瓷基复合材料制成的涡轮环区段(20)，所述涡轮环区段周向首尾相连地装配以形成涡轮环(2)，每个涡轮环区段(20)包括基座(21)，所述基座具有径向内部面(211)和径向外部面(212)，上游支柱(22)和下游支柱(23)从所述径向外部面径向向外延伸并轴向彼此间隔开，
-由外部环形涡轮壳体(4)保持的环支撑结构(3)，所述环支撑结构(3)包括环形护罩(6)和多个角间隔件区段(70)，所述多个角间隔件区段共同形成环形间隔件(7)，所述环形间隔件(7)被固定到所述环形护罩(6)上，并且每个所述涡轮环区段(20)通过所述支柱(22，23)被固定在所述环形间隔件(7)上，
-至少一个空气扩散器(8)，所述至少一个空气扩散器被配置成将冷却空气扩散在所述涡轮环区段(20)中的至少一个的所述径向外部面(212)上，
其特征在于，所述至少一个空气扩散器(8)通过互锁安装在所述角间隔件区段(70)中的一个上，处于互锁的位置，所述空气扩散器(8)具有内部腔体(80)和径向内部面(81)，所述径向内部面被多个开口到所述腔体(80)的空气喷射孔(810)穿透，所述空气扩散器(8)的附接构件(82)被开口到所述腔体(80)的进气孔(825)穿透，并且每个角间隔件区段(70)包括至少一个空气供应管道(75)，所述至少一个空气供应管道一方面开口到所述角间隔件区段的上游面(76)中的一个，另一方面开口到狭槽(74)的T形的互锁区域(742)的底部中，面向所述扩散器的所述附接构件(82)的所述进气孔(825)的口部，当所述扩散器(8)处于所述扩散器的互锁的位置时，使得所述空气供应管道(75)与所述空气喷射孔(810)流体连通。
2.根据权利要求1所述的涡轮组件(1)，其特征在于，每个角间隔件区段(70)在所述角间隔件区段的径向内部面(712)上具有直线的互锁狭槽(74)，所述直线的互锁狭槽在所述直线的互锁狭槽的长度的部分上具有T形的横截面的互锁区域(742)，并且每个空气扩散器(8)在所述空气扩散器的径向外部部分中也设置有T形的附接构件(82)，所述T形的附接构件被配置成能够被接纳并且互锁到所述互锁区域(742)中。
3.根据权利要求2所述的涡轮组件(1)，其特征在于，所述附接构件(82)包括至少一个与所述互锁狭槽(74)的T形的互锁区域(742)配合的邻接部(821)，以便一旦所述空气扩散器处于所述互锁的位置，则阻止所述空气扩散器(8)的轴向位移。
4.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮组件(1)，其特征在于，每个角间隔件区段(70)包括轴向向下游定向的上游钩部(714)和下游指状部(713)，所述环形护罩(6)包括两个向上游开口的环形槽(61，62)，并且这些槽(61，62)旨在分别接纳所述上游钩部(714)和所述下游指状部(713)。
5.根据权利要求4所述的涡轮组件(1)，其特征在于，每个间隔件区段(70)设置有上游凸缘(72)，所述涡轮的喷嘴(B)形成布置在涡轮环组件(1)的上游的冠部，所述涡轮的喷嘴轴向压靠在所述上游凸缘(72)上，以将所述上游钩部(714)和所述下游指状部(713)分别保持在所述环形护罩(6)的对应的槽(61，62)中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮组件(1)，其特征在于，所述环形护罩(6)包括下游凸缘(64)，所述下游凸缘(64)沿所述涡轮环(2)的轴向方向的厚度通常小于环区段(20)的下游支柱(23)的厚度，所述下游凸缘(64)在所述环区段(20)的所述下游支柱(23)上施加应力。
7.根据权利要求5所述的涡轮组件(1)，其特征在于，使用固定柱销(24)将环区段(20)的所述上游支柱(22)固定在所述间隔件区段(70)的所述上游凸缘(72)上，使用固定柱销(25)将所述环区段(20)的所述下游支柱(23)固定在该同一间隔件区段(70)的至少一个下游支柱(73)上，所述柱销(24，25)主要轴向延伸。
8.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮组件(1)，其特征在于，每个所述角间隔件区段(70)在所述角间隔件区段的两个周向端部处具有用于接纳密封凸片的密封狭槽(721)，这些所述密封凸片被布置在所述密封狭槽(721)中，位于两个周向首尾相连地布置的所述角间隔件区段(70)之间。
9.一种涡轮机，所述涡轮机包括根据前述权利要求中任一项所述的涡轮组件(1)。
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