CN117120704A - 用于涡轮喷嘴的用于密封和重新注入旁路流的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮(9)，包括连接到具有径向自由度的喷嘴(17)的密封装置(18)。密封装置(18)包括重新注入管，该重新注入管被构造成收集存在于腔(43)中的流体，该腔位于舌片之间并且由密封装置(18)形成，并且被构造成以具有大轴向分量的速度将以这种方式收集的流体重新注入主管道(11A)中。

Description

用于涡轮喷嘴的用于密封和重新注入旁路流的装置

技术领域

本发明涉及尤其用于飞行器推进单元的涡轮发动机涡轮的领域。

背景技术

传统的涡轮发动机涡轮包括一个或多个级，每个级由喷嘴和配备有平台的可移动轮形成，平台之间径向限定出用于流体流动的主流动路径。一个级的喷嘴被构造为使流体加速并使流体在同一级的可移动轮的轮叶的方向上偏转，以驱动轮叶旋转。

为了降低倾向于绕过这种喷嘴流出主流动路径的流动路径流体的流量，已知在喷嘴的根部安装密封装置，如文献FR3027343A1中所述。

旁路流体，通常称为“旁路”，经过这种密封装置，返回到主流动路径，同时产生混合损失，从而降低涡轮的性能和效率。

发明内容

为了提高涡轮发动机涡轮的性能和效率，本发明的目的是一种涡轮发动机喷嘴，该涡轮发动机喷嘴围绕纵向轴线延伸并且包括平台、相对于纵向轴线从平台向外径向延伸的叶片、从平台径向向内延伸的主凸缘，耐磨元件和承载耐磨元件的支撑元件，支撑元件包括连接到所述主凸缘的凸缘，耐磨元件旨在布置成与由涡轮发动机的转子承载的两个刮擦部相对，并且两个刮擦部之间限定有刮擦部间腔。根据本发明，喷嘴包括重新注入管道，重新注入管道包括入口和出口，所述入口被构造成通入刮擦部间腔中，所述出口形成在支撑元件的凸缘的径向外端部处并且被构造成通入在喷嘴的下游轴向延伸的腔中，重新注入管道包括在支撑元件的凸缘中延伸的部段。

在运行中，旁路流体进入刮擦部间腔。在刮擦部间腔和喷嘴下游的腔(连接到主流动路径)之间的压差作用下，一部分旁路流体穿过重新注入管道。

管道的出口在支撑元件的凸缘的径向外端部处的定位允许将旁路流体在径向上靠近主流动路径处重新注入主流动路径。

因此，本发明使得能够减少混合损失，这允许提高涡轮的性能和效率。

本发明还允许简化喷嘴的制造，特别是重新注入管道的机加工。

优选地，所述重新注入管道的所述部段是直的。

在一个实施例中，重新注入管道包括穿过耐磨元件的入口部段。

优选地，该入口部段是直的。

一般来说，在重新注入管道中存在直的部段允许简化重新注入管道的机加工。

在一个实施例中，入口部段限定了垂直于所述出口方向的入口方向，或者与出口方向形成接近90°的角度。

在一个实施例中，重新注入管道包括轴向延伸的出口部段。

因此，出口部段的轴向定向允许将旁通流体重新注入主流动路径中，从而最小化与在主流动路径中流通的流体的混合损失。

重新注入管道的出口部段可以具有平行于纵向轴线的出口方向，以便最大化重新注入流的速度的轴向分量。

替代地，出口方向可以相对于纵向轴线倾斜，使得出口部段沿轴向和径向两者延伸。在这种情况下，在穿过纵向轴线和穿过出口方向与重新注入管道出口部段的交点的平面中考虑，出口方向和纵向轴线之间的角度优选相对较小，例如小于20°，使得与重新注入流的速度的轴向分量相比，径向分量相对较小。

在一个实施例中，重新注入管道的所述出口部段相对于纵向轴线切向延伸。

出口部段的切向定向允许将旁路流体重新注入主流动路径，同时增加从重新注入管道出来的流体的速度的切向分量，其中从重新注入管道出来的流体的旋转方向与主流动路径中流通的流体主流相同。

这允许进一步减少混合损失，从而提高涡轮的性能和效率。

在一个实施例中，重新注入管道的出口部段具有朝向出口减小的截面。

因此，出口部段可以形成朝向出口会聚的腔，从而允许加速从重新注入管道出来的流。

优选地，出口部段的横截面以单调的方式朝向出口减小。

在一个实施例中，支撑元件的凸缘包括下游表面和如下的元件，该元件从该下游表面突出并形成重新注入管道的出口部段。

该元件可以是固定在所述凸缘上或与所述凸缘一体制成一体件的元件。

在一个实施例中，支撑元件连接到所述主凸缘，从而使得支撑元件能够相对于该主凸缘径向移动。

在一个实施例中，支撑元件的所述凸缘是下游凸缘，支撑元件包括上游凸缘，喷嘴的所述主凸缘在支撑元件的上游凸缘和下游凸缘之间轴向延伸。

在一个实施例中，喷嘴包括紧固在支撑元件的下游凸缘上的热保护金属板。

在该实施例的变型中，喷嘴还包括紧固在支撑元件的上游凸缘上的另一热保护金属板，使得重新注入管道在这两个金属板之间轴向延伸。

在一个实施例中，叶片具有后缘，后缘限定出线，重新注入管道的出口在该线的延续部分中延伸。

换言之，重新注入管道的出口可以设置在叶片后缘的尾迹中，基本上与叶片后缘成一直线。

叶片后缘尾迹中的压力低于周向相邻区域(即在两个相邻叶片的后缘之间周向延伸)中的压力。

将重新注入管道的出口定位在叶片后缘的尾迹中，使得能够增加管道的入口和出口之间的压差。

在一个实施例中，密封装置的支撑元件是环形的。

本发明的另一个目的是一种用于涡轮发动机的涡轮，该涡轮包括如上文所述的喷嘴。

在一个实施例中，涡轮是低压涡轮。

在一个实施例中，涡轮包括在喷嘴的下游轴向延伸的可移动轮，可移动轮包括扰流器，喷嘴的重新注入管道的出口沿径向在所述扰流器的上方开口。

本发明的另一个目的是一种用于飞行器推进系统的涡轮发动机，包括这样的涡轮。

根据另一个方面，本发明的目的是一种用于制造如上文所述的喷嘴的方法。

在一个实施例中，该方法包括对密封装置的支撑元件进行机加工以形成重新注入管道的步骤。

本发明的其他优点和特征将在阅读以下详细的、非限制性的描述后显现。

附图说明

以下详细描述涉及附图，在附图中：

[图1]是飞行器推进单元的示意性纵向截面图；

[图2]是根据本发明的涡轮发动机的涡轮的局部示意性纵向截面半视图；

[图3]是根据本发明的密封装置的周向部分的示意性透视图，示出了形成重新注入管道的支撑元件和耐磨元件；

[图4]是根据穿过重新注入管道一部分的截面的图3的密封装置的示意性纵向截面图；

[图5]是图3的密封装置的支撑元件的周向部分的示意图。

具体实施方式

附图包括分别限定彼此正交的纵向/轴向、径向以及周向/切向方向的参考系L、R和C。

图1示出了飞行器推进单元1，包括由机舱3整流的涡轮发动机2。在该示例中，涡轮发动机2是双转轴涡轮风扇发动机。

术语“上游”和“下游”将在下文中相对于当推进单元1被推进时穿过推进单元1的气流的方向S1而定义。

涡轮风扇发动机2具有纵向中心轴线A1，涡轮风扇发动机的各部件围绕该纵向中心轴线延伸，在本实例中，这些部件从上游到下游为风扇4、低压压缩机5、高压压缩机6、燃烧室7、高压涡轮8和低压涡轮9。压缩机5和6、燃烧室7以及涡轮8和9形成气体发生器。

在运行中，空气流10经由机舱3上游的空气入口进入推进单元1，穿过风扇4，然后分成中心主流10A和次级流10B。主流10A在穿过气体发生器的主气体流动路径11A中流动。进而，次级流10B在围绕气体发生器并由机舱3径向向外界定的次级流动路径11B中流动。

低压涡轮9(部分如图2所示)被构造为回收部分燃烧能量，以驱动形成涡轮9的转子的可移动轮围绕轴线A1旋转。在每对相邻的可移动轮之间，涡轮9包括形成导向叶片组件的带叶片的定子冠部。

图2部分示出了两个可移动轮15和16以及涡轮9。

喷嘴17在形成上游轮的可移动轮15和形成下游轮的可移动轮16之间轴向地延伸。

以本身已知的方式，可移动轮15和16中的每一个包括盘20和由盘20承载的叶片21。

在该示例中，上游轮15的盘20包括沿下游轮16的方向轴向延伸的护罩22，护罩22在导向叶片组件17的径向内部。护罩22的下游端部连接到下游轮16的盘20，以便将围绕轴线A1旋转的轮15和16彼此固定在一起。

在该示例中，喷嘴17包括沿周向端对端布置的多个扇形部，以便一起形成所述带叶片的冠部。

以本身已知的方式，喷嘴17的每个扇形部包括平台25、叶片26以及凸缘27，平台25径向向内界定主流动路径11A的一部分，叶片26从平台25径向向外延伸并且围绕轴线A1沿周向间隔开，凸缘27从平台25径向向内延伸。

喷嘴17还包括密封装置18，密封装置18包括也称为磨损部件的耐磨元件30、支撑元件31和两个刮擦部32。

耐磨元件30、支撑元件31以及刮擦部32中的每一个形成具有轴线A1的环形部件。

支撑元件31包括轴向部分35以及上游凸缘36和下游凸缘37，上游凸缘和下游凸缘各自从轴向部分35径向向外延伸。

支撑元件31的轴向部分35限定了内表面，耐磨元件30紧固在该内表面上。

支撑元件31的凸缘36和37在它们之间轴向地限定了如下的空间，该空间接收喷嘴17的每个扇形部的凸缘27。该空间的宽度基本上对应于每个扇形部的凸缘27的宽度，以便锁挡支撑元件31相对于喷嘴17的轴向位置。

在该示例中，支撑元件31的位置也沿周向锁定，但是相对于喷嘴17的凸缘27自由地径向移动。

为此，喷嘴17的每个扇形部的凸缘27在该示例中包括径向孔，销38可以在径向孔中径向滑动，销38紧密地安装在凸缘36和37中的每个凸缘的对应孔口中。

当然，围绕轴线A1分布的多个销可以被实现，并且与类似地用于喷嘴17的每个扇形部的凸缘27、36和37配合。

因此，支撑元件31连接到凸缘27，以使支撑元件和凸缘能够相对于彼此进行相对径向运动，应当理解，这种运动自由度可以通过任何其他滑动装置来确保。

在图2的示例中，密封装置18的刮擦部32由护罩22载带。

在运行中，可移动轮15和16被驱动围绕轴线A1旋转，这引起刮擦部32在耐磨元件30上的摩擦，在该示例中，耐磨元件具有蜂窝结构。

因此，装置18确保了动态密封，从而减少了在喷嘴17径向内部的主流10A的旁路现象。

图2的喷嘴17还包括分别由凸缘37和36承载的热保护金属板65和67。

更具体地，本发明涉及一种用于将旁路流的通过密封装置18的部分重新注入主流动路径11A的装置。

在图2至图4的实施例中，密封装置18形成了穿过耐磨元件30和支撑元件31的重新注入管道40。

管道40包括开口到耐磨元件30的内表面42上的入口41，该内表面在这种情况下对应于刮擦部32的摩擦表面。

在轴向上，管道40的入口41延伸到两个刮擦部32之间，从而开口到刮擦部间腔43，该刮擦部间腔沿轴向在上游由刮擦部32中的一个限定，沿轴向在下游由另一刮擦部32限定，在径向向内由护罩22限定，在径向向外由耐磨元件30限定(参见图2)。

管道40从入口41径向延伸贯穿耐磨元件30，直到到达形成在支撑元件31的轴向部分35中的中间腔45。

管道40的在入口41和该中间腔45之间延伸的部分形成直的入口部段46，该直的入口部段在该示例中具有与轴线A1垂直的轴线A2。

在图3和图4的实施例中，支撑元件31包括形成突出部的元件39，该突出部在下游凸缘37的与轴向部分35径向相对的一个端部处从下游凸缘37轴向突出。

管道40包括出口47，该出口47开口到突出部39的下游表面48上并且因此在凸缘37的径向外端部处。

在中间腔45和出口47之间，管道40包括径向延伸穿过下游凸缘37的直部段49以及轴向和切向延伸穿过突出部39的出口部段50。

在该示例中，出口部段50具有平行于轴线A1并且与轴线A2以及部段49的轴线A4垂直的轴线A3。

参照图3和图5，形成管道40的出口部段50的突出部39根据周向方向定向，使得轴线A3与包含轴线A1的平面PA1相交。

在该示例中，轴线A3和平面PA1形成在40°至90°之间的角度B1。

给定出口部段50的这种周向定向，管道40的入口41和出口47围绕轴线A1相对于彼此具有不同的周向位置。

参照图2，突出部39被构造成使得管道40的出口47通向腔51，该腔51在喷嘴17的凸缘27的下游延伸，并流体连接到主流动路径11A。

在该示例中，管道40的出口47径向地在可移动轮16的扰流器60的上方开口，该扰流器60沿喷嘴17的方向轴向地向活动轮16前方延伸。

在该腔51和刮擦部间腔43之间的压差的作用下，旁路流体的存在于刮擦部间腔43中的部分经由入口41被吸入到管道40中，并且通过出口47排出。

因此，该流体部分被重新注入腔51中，并因此被重新注入主流动路径11A中，从而具有含有大的轴向分量和切向分量的速度，这使得能够显著减少混合损失。

为了使从重新注入管道40出来的流体加速，重新注入管道40的出口部段50具有朝向出口47单调减小的截面，从而形成会聚的出口腔。

在该示例中，突出部39被构造成使得重新注入管道40的出口47在喷嘴17的叶片26之一的后缘的延续部分中延伸，以便增强腔43和腔51之间的压差。

当然，本发明不限于上述示例和实施例，本发明还特别地覆盖了重新注入管道40和/或支撑元件31和/或耐磨元件30和/或刮擦部32的许多几何形状和/或这些不同构件相对于彼此的相对位置。

例如，重新注入管道40的部段46和/或49和/或50可以具有圆形或卵形或矩形的截面。

在未示出的实施例中，密封装置包括两个以上的刮擦部，并且重新注入管道具有通入由所述刮擦部中的第一刮擦部和第二刮擦部限定的腔的入口和/或通入由所述刮擦部中的第二刮擦部和第三刮擦部界定的腔的入口。

此外，该装置可以包括多个重新注入管道40，例如上文所述的重新注入管道，多个重新注入管道可以例如围绕轴线A1周向分布，以便每个重新注入管道在喷嘴17的相应叶片26下方延伸。

此外，本发明可以在不同于上述涡轮的涡轮中实施，例如在高压涡轮8内实施。

最后，应当指出，支撑元件31连接到凸缘27，以使支撑元件和凸缘能够相对于彼此进行相对径向运动，应当理解，这种运动自由度可以通过任何其他滑动装置来确保。因此，在一方面的包括平台扇形部25、叶片26和主凸缘27的喷嘴的角扇形部与另一方面的包括耐磨元件30和承载该耐磨元件的元件支撑件31(耐磨元件和元件支撑件优选地均为环形和非扇形的且例如一体制成)的组件之间实现了分离。由于上述元件的环形和非扇形性质，该实施例防止了喷嘴的扇形部间空间中的泄漏。因此，主叶片凸缘27装配在元件36和37之间，并且可以径向移动而不驱动环形和非扇形元件。因此，这些不同组件的径向运动有利地是分开的。

因此，在本发明中，重新注入管道40的位置独立于叶片的径向运动以及集成有这些叶片的喷嘴角扇形部的径向运动。这允许控制扇形部间空间中的泄漏，以及集成有刮擦部32的迷宫式密封件处的泄漏。

Claims (12)

1.涡轮发动机(2)的喷嘴(17)，所述喷嘴围绕纵向轴线(A1)延伸且包括平台(25)、相对于所述纵向轴线(A1)从所述平台(25)向外径向延伸的叶片(26)、从所述平台(25)径向向内延伸的主凸缘(27)、耐磨元件(30)和承载所述耐磨元件(30)的支撑元件(31)，所述支撑元件(31)包括连接到所述主凸缘(27)的凸缘(37)，所述耐磨元件(30)旨在被布置成与由所述涡轮发动机(2)的转子承载的两个刮擦部(32)相对，所述两个刮擦部之间限定有刮擦部间腔(43)，其特征在于，所述喷嘴包括重新注入管道(40)，所述重新注入管道包括：入口(41)和出口(47)，所述入口被构造成通向所述刮擦部间腔(43)，所述出口形成在所述支撑元件(31)的所述凸缘(37)的径向外端部并且构造成通向在所述喷嘴(17)的下游轴向延伸的腔(51)，所述重新注入管道(40)包括在所述支撑元件(31)的凸缘(37)中延伸的部段(49)。

2.根据权利要求1所述的喷嘴(17)，其中，所述重新注入管道(40)的所述部段(49)是直的。

3.根据权利要求1或2所述的喷嘴(17)，其中，所述重新注入管道(40)包括穿过所述耐磨元件(30)的直入口部段(46)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的喷嘴(17)，其中，所述重新注入管道(40)包括出口部段(50)，所述出口部段轴向地且优选地相对于所述纵向轴线(A1)切向地延伸。

5.根据权利要求4所述的喷嘴(17)，其中，所述支撑元件(31)的凸缘(37)包括下游表面和以下元件(39)，所述元件从所述下游表面突出并形成所述重新注入管道(40)的出口部段(50)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的喷嘴(17)，其中，所述支撑元件(31)的所述凸缘(37)是下游凸缘，所述支撑元件(31)包括上游凸缘(36)，所述喷嘴(17)的所述主凸缘(27)在所述支撑元件(31)的上游凸缘(36)和下游凸缘(37)之间轴向延伸。

7.根据权利要求6所述的喷嘴(17)，所述喷嘴包括紧固在所述支撑元件(31)的所述下游凸缘(37)上的热保护金属板(65)，以及优选地，包括紧固到所述支撑元件(31)的上游凸缘(36)上的另一热保护金属板(67)，使得所述重新注入管道(40)在这两个金属板(65，67)之间轴向延伸。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的喷嘴(17)，其中，所述叶片(26)具有后缘，所述后缘限定出线，所述重新注入管道(40)的出口(47)在所述线的延续部分中延伸。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的喷嘴(17)，其中，所述支撑元件(31)连接到所述主凸缘(27)，以使所述支撑元件和所述主凸缘能够相对于彼此进行相对径向运动。

10.一种用于涡轮发动机(2)的涡轮(9)，包括根据权利要求1至9中任一项所述的喷嘴(17)。

11.根据权利要求10所述的涡轮(9)，包括在所述喷嘴(17)的下游轴向延伸的可移动轮(16)，所述可移动轮(16)包括扰流器(60)，所述喷嘴(17)的所述重新注入管道(40)的出口(47)沿径向在所述扰流器(60)的上方开口。

12.一种用于制造根据权利要求1至9中任一项所述的喷嘴(17)的方法，包括对所述支撑元件(31)进行机加工以形成所述重新注入管道(40)的步骤。