CN116507798A - 排气锥在涡轮机喷嘴中的紧固 - Google Patents

排气锥在涡轮机喷嘴中的紧固 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种用于具有纵向轴线(X)的涡轮机喷嘴的组合件，所述组合件包括：排气锥(100)，其包括用于导引主空气流的环形外壁(102)和径向放置在所述环形外壁内部的环形腔室(106)，所述环形腔室包括径向放置在所述排气锥的所述环形外壁内部的环形内壁(108)；排气机匣(109)，其放置在所述排气锥的上游；以及连接部件(112)，其纵向插入在所述排气机匣和所述排气锥之间，所述连接部件紧固到所述排气机匣和所述环形内壁；所述组合件进一步包括能够径向变形且在所述环形外壁和所述连接部件之间径向承受预应力的弹性构件(118)。

Description

排气锥在涡轮机喷嘴中的紧固
技术领域
本发明涉及用于将排气锥紧固在涡轮机喷嘴中的构件，具体地说用于紧固由具有陶瓷基体的复合物制成的排气锥的构件。
背景技术
本公开涉及一种位于飞行器涡轮喷气发动机的后部(下游端)的组合件，用以优化所述涡轮喷气发动机排出的热气体流，且可能吸收由来自发动机内部部分(燃烧室、涡轮)的这些热气体与环境空气以及与涡轮喷气发动机的风扇排出的冷空气流的交互生成的噪声的至少一部分。
更确切地说，本公开涉及常常称为排气锥的物体与刚好位于上游的来自涡轮喷气发动机的气体出口之间的连接。
通常，排气锥由所谓的主喷嘴部分包围(环绕)。排气锥既定定位于涡轮喷气发动机的涡轮部分下游，主喷嘴同心地放置在其周围。排气锥和主喷嘴两者通过用于借助凸缘紧固的系统紧固到涡轮喷气发动机的壳体。
已知图1中表示的飞行器涡轮喷气发动机的组合件，其包括：
-中心排气元件，其围绕纵向轴线X成环形且经调适使得气体由周围的涡轮喷气发动机从上游向下游射出，以及
-连接凸缘，其插入于上游的涡轮喷气发动机的所谓的金属出口与下游的中心元件之间以将它们连接在一起。
前述纵向轴线X为涡轮机的，具体地说风扇20和发动机12的移动叶片的纵向轴线或旋转轴线。
中心排气元件可对应于前述排气锥(下文中表示为1)，或至少对应于下文中的上游部分1a。
图1中表示常规排气锥1，沿着发动机轴线(上文的纵向轴线X)的结构的上游(AM)和下游(AV)分别从图向左及向右位于其上。
更一般地说，图1中示出飞行器气体涡轮喷气发动机10，形成燃气涡轮发动机12的其中心部分安装在发动机机舱组合件14内部，正如例如涡轮螺旋桨或涡轮风扇发动机等为次声波操作设计的飞行器的典型特征。一般来说，机舱组合件14包括发动机机舱16和环绕轴向位于发动机12的上游的风扇20的风扇罩18。
发动机12包括轴向处于下游部分中的可以是低压涡轮的至少一个涡轮，以及仍然在下游部分中的排气机匣22，所述排气机匣包括内部环形护罩22a和外部环形护罩22b，其间界定主环状流路径24的下游部分，来源于发动机12的燃烧室的燃烧气体在所述主环状流路径中流动。
内部环形护罩22a在其下游端处连接到排气锥1，所述排气锥可包括：上游部分1a，其在常规发动机上具有大体上圆柱形形状且在其它发动机上具有分叉然后会聚的圆锥形形状；以及下游部分1b，其具有圆锥形形状。
在实践中，将涡轮喷气发动机的前述金属出口(其可以是所述内部环形护罩22a)与所述中心元件(其可以是排气锥1的所述上游部分1a)连接在一起仍然很难。实际上，排气锥的至少一个部分由不同于排气机匣的材料制成，这引起当前零件的差分膨胀以及由排气锥的所述部分和排气机匣之间的热梯度导致的热机械应力的生成。此外，声箱可布置在排气锥内部以减少排气的噪声污染。由于归因于材料的膨胀差异以及流路径和声音区域的内部部分之间的温度差(其生成热机械应力)，声箱到排气机匣和/或到排气锥的连接也很复杂。
发明内容
本公开提出使用排气锥到排气机匣的组合件，其由于其到前述零件中的任一个的连接这一事实而对于热梯度更可靠且更稳健。
为此，本公开提供一种用于具有纵向轴线的涡轮机，具体地说用于所述涡轮机的喷嘴的组合件，其包括：
-排气锥，其包括用于主空气流的流动的外部环形壁和径向布置在所述外部环形壁内部的可以是环形声箱的环形箱，所述环形箱包括径向布置在排气锥的外部环形壁内部的内部环形壁，
-排气机匣，其布置在排气锥的上游，以及
-连接部件，其纵向插入在排气机匣和排气锥之间，所述连接部件紧固到排气机匣和内部环形壁，
所述组合件进一步包括外部环形壁和连接部件之间的径向可变形且径向承受预应力的至少一个弹性构件。
具体来说，内部环形壁的下游部分可紧固到外部环形壁的下游部分。
根据本文，外部环形壁的上游部分相对于内部环形壁的上游部分自由移动。
因此，外部环形壁在径向方向上的移动受到限制，且在轴向和周向方向中相对于内部环形壁的上游部分自由移动。此布置允许在外部环形壁的上游和下游接面之间分布力，且因此减小外部环形壁的厚度及其质量。此外，弹性构件防止外部环形壁在发动机的激发模式振动，且限制外部环形壁的下游接面处的力。此外，弹性构件能够适应几何容限以及由不同材料制成的例如连接部件或外部环形壁等零件的热膨胀。
弹性构件可由外部环形壁抵着内部环形壁而非连接部件径向施加预应力。
在本公开中，相对于喷嘴的空气入口和出口限定上游和下游，上游对应于空气入口且下游对应于空气出口。此外，轴向方向对应于排气锥的喷嘴的旋转轴的方向(其对应于涡轮机的旋转轴线)，且径向方向是垂直于所述旋转轴的方向。
外部环形壁的上游部分可不含与内部环形壁或排气锥的任何其它部分的任何机械连接。根据一个实施例，所述组合件可包括用于限制外部环形壁的径向移位的构件。所述径向移位限制构件可在径向方向上插入在外部环形壁和连接部件之间，且抵着连接部件形成外部环形壁的径向止挡件。
用于限制外部环形壁的径向移位的构件允许在下游区域中向外部环形壁提供支撑，且避免下游区域和下游之间的外部环形壁的大悬臂。
径向移位限制构件可与连接部件成连续或点接触。
弹性构件可紧固到外部环形壁，且可抵着连接部件径向接触。
弹性构件可紧固到连接部件，且可抵着外部环形壁径向接触。
根据一个实施例，至少一个弹性构件，具体地说每一弹性构件，可与径向移位限制构件叠加。每一弹性构件可紧固到移位限制构件。因此，每一弹性构件可周向地布置在径向移位限制构件的相同位置处。
根据一个实施例，至少一个弹性构件，具体地说每一弹性构件，可与径向移位限制构件中的一个周向地隔开。
至少一个弹性构件，具体地说每一弹性构件，可以是片弹簧，所述片弹簧周向地分布在纵向轴线周围。
片弹簧允许根据不同飞行情形(终极、限制或一些疲劳情形)传输来自外部环形壁的力。
至少一个片弹簧，具体地说每一片弹簧，可包括在围绕纵向轴线的周向方向的第一方向上延伸的第一柔性叶片，以及在围绕纵向轴线的周向方向的与第一方向相对的第二方向上延伸的第二柔性叶片。
第一叶片和第二叶片可从外部环形壁朝内径向延伸。
至少一个片弹簧，具体地说每一片弹簧，可包括径向且沿着纵向轴线延伸的单个叶片。
至少一个片弹簧，具体地说每一片弹簧，可朝内或朝外径向延伸。
至少一个片弹簧，具体地说每一片弹簧，可形成径向移位限制构件。
径向移位限制构件可集成或附接到片弹簧。
组合件可包括环绕连接部件和内部环形壁之间的接面的第一环形密封件。所述第一环形密封件可被配置成限制主空气流朝向排气锥的腔的循环。
第一环形密封件可经布置以便轴向覆盖排气机匣和内部环形壁之间的空间。
第一环形密封件可为金属，且属于“指状密封件”类型。第一环形密封件可包括周向地分布在纵向轴线周围且连接在一起以便形成第一环形密封件的多个角分区。
第一环形密封件可由钨或铬镍铁合金制成。
组合件可包括连接到连接部件且朝向外部环形壁径向延伸的第二环形密封件。所述第二环形密封件可被配置成防止主空气流通过外部环形壁。
第二环形密封件允许减少主空气流的再循环且因此减小对包括组合件的喷嘴的性能的影响。
第二环形密封件可经布置以便轴向覆盖排气机匣和外部环形壁之间的空间。
第二环形密封件可连接到连接部件且与外部环形壁接触。
第二环形密封件可为金属，且可包括周向地分布在纵向轴线周围且连接在一起以便形成第二环形密封件的多个角分区。
根据一个实施例，弹性构件可由环形密封件形成，所述环形密封件紧固到连接部件且包括压抵着外部环形壁的径向可变形部分。
环形密封件可以是成角度连续的，且可一体地形成为整体，或可由叠加在其端部处的多个角分区形成。
环形密封件可在第一端处紧固到连接部件。
环形密封件可包括压抵着内部环形壁的第二端。
环形密封件可包括相对于第一端径向朝外布置的第二端。
环形密封件可包括轴向位于第一端和第二端之间且能够与外部环形壁连接的径向朝外延伸的隆起。
环形密封件可以是金属。
每一移位限制构件可由缓冲器形成，所述缓冲器周向地分布在纵向轴线周围，且可在径向方向上与连接部件保持预定距离，尤其是当外部环形壁静止时。
所述预定距离可取决于几何容限、零件的热膨胀，以及一些飞行情形，其可以是每日或偶尔遭遇的负载和负载的组合。
内部环形壁的下游部分可紧固到外部环形壁的下游部分。
连接部件可包括连接到排气机匣的相应凸缘的环形凸缘，以及围绕纵向轴线周向地分布且连接到内部环形壁的多个紧固凸耳。
紧固凸耳可以是刚性的，连接部件因此形成紧固凸缘。或者，紧固凸耳可以是柔性的，连接部件因此形成柔性连接凸缘。柔性紧固凸耳允许吸收排气锥和排气机匣之间的热膨胀。
在其中环形箱为既定吸收并减少空气出口噪声的环形声箱的情况下，所述环形声箱可包括从环形声箱的内部环形壁径向朝外延伸的多个声音分区。声音分区可以是金属的。
内部环形壁或外部环形壁可以由复合物或金属材料制成。
排气锥可包括由具有陶瓷基体的复合材料制成的连接到外部环形壁的下游部分。
排气机匣可以由金属材料制成。
本公开还提供一种包括如前文所提到的组合件的涡轮机的喷嘴。
附图说明
[图1]：已经描述的图1表示用于飞行器的涡轮机的示意截面构形。
[图2]：图2表示装备有弹性构件的第一实例的排气锥的一部分的示意截面视图。
[图3]：图3a和3b表示装备有弹性构件的第二实例的排气锥的上游部分的示意透视图。
[图4]：图4表示图3的排气锥的上游部分的截面视图。
[图5]：图5表示装备有主空气流再循环密封件的实例的排气锥的上游部分的截面视图。
[图6]：图6a和6b表示装备有弹性构件的第二实例的变型的排气锥的上游部分的示意透视图。
[图7]：图7a和7b表示装备有弹性构件的第二实例的变型的排气锥的上游部分的示意透视图。
[图8]：图8a表示装备有弹性构件的第三实例的排气锥的上游部分的示意透视图，且图8b表示图8a的排气锥的截面视图。
[图9]：图9表示装备有弹性构件的第三实例的变型的排气锥的上游部分的示意截面视图。
[图10]：图10表示装备有弹性构件的第四实例的排气锥的上游部分的示意透视图。
具体实施方式
参看图2，喷嘴排气锥100包括用于例如通过螺栓连接连接到排气锥的圆锥形下游部分104的主空气流的流动的外部环形壁102。
举例来说，外部环形壁102为金属的或由具有陶瓷基体的复合物制成，且圆锥形下游部分104由具有陶瓷或金属基体的复合材料制成。
环形声箱106布置于外部环形壁102中。环形声箱106包括径向布置在外部环形壁102内部的内部环形壁108，以及图2中的未表示的径向布置在外部环形壁102和内部环形壁108之间的多个分区。本文中可布置其它环形箱，这些不由确保声音功能(即，减小涡轮机的空气出口噪声)的环形箱组成。
举例来说，内部环形壁108和/或声音分区可由金属或具有陶瓷基体的复合材料制成。
排气锥100连接到承载排气锥100的喷嘴的排气机匣109的凸缘110。具体来说，内部环形壁108通过连接部件112连接到排气机匣109的凸缘110。
连接部件112包括联接到排气机匣109的凸缘110的环形凸缘114，以及周向地分布在纵向轴线X周围的多个紧固凸耳116。每一紧固凸耳116紧固到内部环形壁108的上游部分。紧固凸耳116可以是柔性或刚性的。连接部件112可以是金属的。紧固凸耳116可通过螺栓连接连接到内部环形壁108。
外部环形壁102的下游部分可连接到内部环形壁108的下游部分，如图2中所示出。另一方面，外部环形壁102的上游部分相对于内部环形壁108自由移动。此布置使得外部环形壁102的上游部分归因于与排气锥100的操作温度相关的热机械应力和排气锥100中的材料的差异而发生变形。
此外，多个弹性构件118径向布置在外部环形壁102和连接部件112之间，以便由外部环形壁102抵着内部环形壁108或连接部件112径向施加预应力。
径向可变形弹性构件118周向地分布在纵向轴线X周围。举例来说，每一弹性构件118可由径向可变形叶片形成，所述径向可变形叶片从环形壁102朝向内部环形壁108以及径向朝外轴向延伸。
弹性构件118允许在外部环形壁102的上游和下游接面之间分布力，且因此减小外部环形壁102的厚度及其质量。此外，弹性构件118改进外部环形壁102的振动行为。
外部环形壁102延伸以便形成排气机匣109的护罩111的连续性。
在图3a、3b和4的实例中，图2的排气锥100具备弹性构件200，其一方面紧固到外部环形壁102，另一方面压抵着连接部件112的环形凸缘114。弹性构件200由片弹簧形成，每一片弹簧包括从外部环形壁102径向朝内以及在围绕纵向轴线X的周向方向的第一方向上延伸的第一叶片2021。每一片弹簧包括从外部环形壁102径向朝内以及在与第一方向相对的周向方向的第二方向上延伸的第二叶片2022。第一和第二叶片202为柔性的且可径向变形。
呈缓冲器204的形式的径向移位限制构件204径向布置在外部环形壁102和连接部件112之间。在缓冲器202和连接部件112之间径向保持预定距离205以便在外部环形壁102经历相当大的径向变形(即，大于预定距离205的径向变形)的情况下形成挡止件。每一缓冲器204尤其在片弹簧200的第一和第二叶片202之间的中心部分上紧固到片弹簧200。缓冲器204可为刚性或柔性的。
缓冲器204可组装到片弹簧200或与片弹簧200一体地形成。
排气锥100进一步具备第一密封件206，其具有围绕纵向轴线X的环形形状，且一方面环绕内部环形壁108之间的轴向空间以及紧固凸耳116之间的周向空间。因此，主空气流无法浸渗到排气锥100内部，这可能降低承载排气锥100的喷嘴的性能。
第一密封件206由例如钨或铬镍铁合金等金属材料制成，以承受主空气的高温。
第一密封件206可由连接在一起且部分地重叠的多个角分区形成。
第一密封件206包括经布置以便压抵着内部环形壁108的下游端208，以及经布置以便压抵着连接部件112的环形凸缘114的上游端210。第一密封件206的上游端210可直接紧固在连接部件112的环形凸缘114上。
片弹簧200与第一密封件206接触。
图5表示类似于图3和4的排气锥100的布置的布置。相反，图5的排气锥100具备第二密封件212，其经布置以便径向覆盖连接部件112的环形凸缘114和外部环形壁102之间的空间。
外部环形壁102压抵着第二密封件212。第二密封件212可紧固到连接部件112的环形凸缘114，或可布置成抵着连接部件112的环形凸缘114接触。第二环形密封件212为金属的且由多个角分区形成，所述多个角分区围绕纵向轴线周向地分布且连接在一起以便形成第二环形密封件212。
在图6a和6b的变型中，弹性构件200从径向移位限制构件204解联。每一弹性构件200周向地与径向移位限制构件204隔开。
弹性构件200和径向移位限制构件204直接紧固到外部环形壁102且布置于同一周向行上。
在图7a和7b的变型中，弹性构件200和径向移位限制构件204紧固到内部环形壁108，具体来说紧固到第一密封件206。弹性构件200和径向移位限制构件204周向地叠加和布置在相同位置处。
参看图8a和8b，排气锥100装备有单个环形弹性构件300，其被布置成一方面抵着内部环形壁108接触，另一方面与外部环形壁102接触。
环形弹性构件300具有压抵着内部环形壁108的下游端，和压抵着连接部件112的上游端306。上游端306还可紧固到连接部件112。环形弹性构件300包括径向向外延伸的隆起304。外部环形壁102压抵着隆起304。
环形弹性构件300可为金属的且由连接在一起的多个角分区形成。
在图9的变型中，第二环形密封件306布置于环形弹性构件300周围。第二密封件306具有上游端308，其径向向外延伸，且抵着外部环形壁102。第二密封件306具有压抵着连接部件112的凸缘114的上游端310。
第二密封件306允许防止主空气流浸渗到内部环形壁108内部。
参看图10，排气锥具备多个弹性构件400，所述多个弹性构件具有连接到连接部件112的环形凸缘114的径向内端402。弹性构件400进一步具有叶片404，其纵向延伸，且径向布置成距径向内端402一定距离。
弹性构件400进一步形成穿过径向外端406的径向移位限制构件。此径向外端406具有朝内径向延伸的边沿。
排气锥可进一步包括弹性构件400、径向移位限制构件(例如径向移位限制构件204)。

Claims (16)

1.一种用于具有纵向轴线(X)的涡轮机的组合件，其包括：
-排气锥(100)，其包括用于主空气流的流动的外部环形壁(102)和径向布置在所述外部环形壁内部的环形箱(106)，所述环形箱包括径向布置在所述排气锥的所述外部环形壁内部的内部环形壁(108)，
-排气机匣(109)，其布置在所述排气锥的上游，以及
-连接部件(112)，其纵向插入在所述排气机匣和所述排气锥之间，所述连接部件紧固到所述排气机匣和所述内部环形壁，
所述组合件进一步包括所述外部环形壁和所述连接部件之间的径向可变形且径向承受预应力的至少一个弹性构件(118、200、300、400)，并且
其中所述连接部件包括连接到所述排气机匣的相应凸缘的环形凸缘，以及围绕所述纵向轴线周向地分布且连接到所述内部环形壁的多个紧固凸耳。
2.根据权利要求1所述的组合件，其包括用于限制所述外部环形壁(102)的径向移位的构件(204)，所述径向移位限制构件插入于所述外部环形壁和所述连接部件(112)之间，所述径向移位限制构件形成抵着所述连接部件的所述外部环形壁的径向止挡件。
3.根据权利要求1或2所述的组合件，其特征在于，所述弹性构件(200)紧固到所述外部环形壁(102)且抵着所述连接部件(112)径向接触，或紧固到所述连接部件(112)且抵着所述外部环形壁(102)径向接触。
4.根据权利要求2或3所述的组合件，其特征在于，所述径向移位限制构件(204)紧固到所述外部环形壁(102)且抵着所述连接部件(112)径向接触，或紧固到所述连接部件(112)且抵着所述外部环形壁(102)径向接触。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的组合件，其特征在于，至少一个弹性构件(118、200、300)与径向移位限制构件(204)叠加。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的组合件，其特征在于，至少一个弹性构件(118、200、300)与所述径向移位限制构件(204)中的一个周向地隔开。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的组合件，其特征在于，至少一个弹性构件(118、200、400)为片弹簧，所述片弹簧围绕所述纵向轴线周向地分布。
8.根据权利要求7所述的组合件，其特征在于，所述片弹簧(200)中的至少一个包括在围绕所述纵向轴线的所述周向方向的第一方向上延伸的第一柔性叶片(2021)，以及在围绕所述纵向轴线(X)的所述周向方向的与所述第一方向相对的第二方向上延伸的第二柔性叶片(2022)。
9.根据权利要求7所述的组合件，其特征在于，所述片弹簧(400)中的至少一个包括单个叶片(404)，所述单个叶片(404)沿着所述纵向轴线(X)径向延伸。
10.根据权利要求9所述的组合件，其特征在于，所述片弹簧(400)中的至少一个形成径向移位限制构件。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的组合件，其包括环绕所述连接部件(112)和所述内部环形壁(108)之间的接面的第一环形密封件(206)，所述第一环形密封件(206)被配置成限制主空气流朝向所述排气锥的腔的循环。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的组合件，其包括连接到所述连接部件(112)且朝向所述外部环形壁(102)径向延伸的第二环形密封件(212)，所述第二环形密封件(212)被配置成防止所述主空气流通过所述外部环形壁(102)。
13.根据权利要求1至6中任一项所述的组合件，其特征在于，所述弹性构件(300)由环形密封件形成，所述环形密封件紧固到所述连接部件(112)且包括抵着所述外部环形壁(102)的径向可变形部分。
14.根据权利要求2至13中任一项所述的组合件，其特征在于，每一移位限制构件(204)由缓冲器形成，所述缓冲器围绕所述纵向轴线(X)周向地分布且在径向方向上与所述连接部件(112)保持预定距离。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的组合件，其特征在于，所述外部环形壁(102)的下游部分紧固到所述内部环形壁(108)的下游部分。
16.一种涡轮机喷嘴，其包括根据前述权利要求中任一项所述的组合件。
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