CN1683772B - 涡轮环 - Google Patents

Abstract

一种由多个扇形部组件构成的涡轮环，形成所述涡轮转子的外部壳体。扇形部(11)首尾相接，中间夹有密封装置，该密封装置包括容置于凹槽中的凸片(27，28，29)。所述凸片是直线形的，配合在所述扇形部的径向表面的相应直凹槽(31，32，33)中。

Description

涡轮环

技术领域

本发明涉及一种形成涡轮转子的外部壳体的涡轮环。本发明尤其应用于刚好位于飞机的涡轮喷气发动机的燃烧室的下游的高压涡轮。其更尤其涉及构成所述涡轮环的扇形部的相互连接和冷却。

背景技术

在上述类型的涡轮机中，由高温气体驱动的转子在固定涡轮环内旋转，该固定涡轮环由多个圆周首尾相连的弯曲部构成，以形成转子壳体。驱动叶轮的气体温度使得在各扇形部之间产生的热力学应力会导致这种环的损坏，降低环的使用寿命。通常，经常可以观察到在各扇形部的内表面(热表面)有小的裂纹和/或剥落，它们主要在相邻扇形部之间的连接部附近。

为了提供具有更好密封性的涡轮环，减少非工作气体的泄漏，以及为了防止热气体再次进入，在这种相邻扇形部之间设置密封装置，所述密封装置包括在这些扇形部之间延伸的凸片，这些凸片容置于在这些扇形部的相邻径向表面上面向凸片形成的凹槽中。

例如，图1所示的现有的扇形部1包括一密封装置，其带有容置于凹槽6，7和8中的四个凸片2-5。凸片3是弯曲的，并在凹槽6和7之间延伸，凹槽6和7相互开放，并接收另外的直凸片2和4。要精确加工上述凹槽十分困难，尤其是因为要插入弯曲凸片而使所需厚度不同。正确定位这些凸片也很困难。另外，凸片2被整体容置于凹槽6内，凹槽6平行并靠近扇形部的热表面9。遗憾的是，凹槽靠近热表面导致应力集中现象，使得强度变弱，使其损坏速度加快。本发明消除了上述缺点。

发明内容

因此，本发明首先提供一种形成转子外部壳体的涡轮环，所述涡轮环由多个扇形部首尾相接并且中间夹有密封装置而构成，在两相邻扇形部之间的每个所述密封装置包括多个在所述相邻扇形部之间延伸的凸片，所述凸片容置于在所述相邻扇形部的对应相邻径向表面上形成的彼此相对的凹槽内，所述涡轮环的特征在于，每个所述密封装置由配合在两个所述对应相邻径向表面上相应直凹槽中的多个直凸片构成，并且还在于，形成在每个径向表面上的所述凹槽是独立的。

由直凸片构成密封装置使得制造凹槽方便，且有利于将凸片安装在凹槽中。另外，对凸片的定位控制也得以改进，这是由于压靠面是严格的直线形从而能够被很好地控制。总之，泄漏区减小了。下面描述只有三个凸片的结构。

更特别地，上述涡轮环的有利特征还在于，每个密封装置包括在所述径向表面内侧成V字形延伸的第一凸片和第二凸片，所述凸片配合在所述径向表面上的直凹槽中，以精确限定它们的相对位置。这样，两个相邻扇形部之间的气体泄漏可以被精确地控制。因此所有扇形部之间的间隙上出现的这种泄漏都相同。总之，相对于上述现有技术，估计泄漏率可以减小10％-20％。

本发明的另一优点是：将凸片以V字形结构布置于热表面上，不但能够使应力集中区进一步远离所述热表面(由于凹槽距离其较远)，而且在凸片和热表面之间提供足够的空间以允许冷却气体喷射通道在其中开口，该通道由形成在扇形部中的腔供气。

更精确地，本发明还提供一种上面定义的涡轮环，其中，每个扇形部包括冷却气流腔，所述涡轮环的特征在于，其还包括在所述腔和扇形部的至少一个径向表面之间延伸的气体喷射通道，这些通道开口在所述径向表面上，位于其内侧边和所述第一和第二凸片之间。

附图说明

通过参照附图对示例的描述，本发明将更容易理解，其优点也更加清楚。

图1示出构成现有涡轮环的扇形部的径向表面；

图2是构成本发明的涡轮环的扇形部的径向表面；

图3是沿图2中的线III所截取的两个相邻扇形部的示意图；

图4是与这种涡轮环的扇形部相关联的外壳的示意图；

图5是示出所述第一和第二凸片的各种可能朝向的示意图；

图6-8是图3所示扇形部的其中一个的各种变型的局部视图。

具体实施方式

在各附图中，尤其是图2-4中，可以看出多个涡轮环扇形部11构成转子的固定壳体(未示出)，特别是涡轮喷气发动机的高压涡轮的转子的固定壳体。这种涡轮位于燃烧室的下游。特别地，这种环由32个例如图中所示的弯曲的扇形部11构成，它们首尾相接形成围绕所述转子的略带锥形的壳体。每个扇形部11由略微弯曲的厚板形成以构建涡轮环。其上具有一个大致为矩形的内表面12和大致为矩形的外表面14，其中，内表面12是略凹面并因为接触热气流而被称为“热”表面，外表面14被称为“冷”表面。对于穿过转子的热气体的流动方向，有一个面向燃烧室喷嘴的入口侧16，以及一个相反的出口侧18。每个扇形部11还具有两个径向表面20和21，通过这两个径向表面，扇形部通过上述密封装置26(见图2)与相邻扇形部周边相连接。每个密封装置26由一组与形成在所述相对径向表面20和21上的对应凹槽相配合的凸片构成。每个凸片配合在属于两个周边相邻的涡轮环扇形部的两个凹槽中。

转子叶片的梢部经过以这种方法构成的涡轮环的内表面。转动方向如图3中的箭头F所示。这样，从燃烧室排出的热气体靠近涡轮环的内表面流动，因此，内表面必须承受很高的温度。因此，不但必须使涡轮环结构中的温度梯度最小(从而尤其使扇形部之间的气体泄漏最小)，而且必须有效地冷却所述涡轮环。为此，使用一部分由压缩机供给到燃烧室的气体。为此，每个扇形部11是中空的，并且包括由外部供气的冷却气流腔。

图4是显示由一组扇形部11构成的涡轮环的状态的非常简易的示意图。涡轮外壳15与涡轮环配合而形成环形腔17。该组件径向延伸到高压叶轮19的外部，高压叶轮19沿轴向安置在高压喷嘴和低压喷嘴23之间。来自压缩机的气体从燃烧室一上游处(通过孔)进入环形腔17。因此该环形腔为涡轮环中的所有扇形部供气。每个涡轮环扇形部(图3)具有两个Z字形的独立的腔39和40，它们被隔离件42隔开，并且通过各自的孔37和38供气。在腔39中流动的气体经过一组喷射通道44放出，所述喷射通道44在涡轮环的扇形部的入口侧16上向外打开，而在腔40中流动的气体经过一组喷射通道46放出，所述喷射通道46在涡轮环的扇形部的出口侧18上向外打开。

除了各扇形部之间的密封装置，上面描述的配置都已经了解。本发明尤其涉及对各扇形部之间的所述密封装置所作的有利改进。

更特别地(参照图2-4)，在该实例中，每个密封装置26由与两个相邻扇形部的径向表面上的相应直凹槽相配合的三个直凸片构成。具体地，每个密封装置(图2)包括位于所述径向表面内侧上(即，扇形部的热表面侧)的第一凸片27和第二凸片28。第一凸片27和第二凸片28布置成V形结构，也就是说，它们配合在凹槽31和32内，凹槽31和32形成在与扇形部的内、外表面12、14成一角度延伸的所述径向表面上。这些凹槽确定这两个凸片的相对位置。

另外，每个密封装置包括第三凸片29，其大致从一端延伸到相邻扇形部的另一端，平行于涡轮环的轴线，并在所述径向表面的外侧。凸片29配合在相邻扇形部的直凹槽33中。如图2所示，第一凸片27在位置A与位置B之间延伸，位置A位于靠近两个扇形部的入口侧处并靠近内侧(即靠近热表面)，位置B位于靠近第三凸片29处。第二凸片28定位成在位置C和位置D之间延伸，位置C位于靠近各扇形部出口侧18处并靠近内侧，位置D靠近第一凸片，大致在沿着第一凸片从位置A开始的中间和2/3位置之间。

在扇形部内侧和外侧之间或者第三凸片与所述第一和第二凸片的组合件之间的空间形成的压力使所述第一和第三凸片27，29被压靠在接收它们的凹槽31和33的内表面上，同时所述第二凸片28被压靠在接收它的凹槽32的外表面上，如图2所示。

第一凸片27的长度根据其与第三凸片29所成的角度而定。当该角度确定后(图5中示出了几种可能的角度)，可以推算出第二凸片的位置和长度。

第一凸片和第三凸片之间的角度可以大致在15°-70°的范围内。

凹槽可以被精确地加工和定位。凸片可以插入到这些凹槽中，并且它们的位置可以很好地控制。这样，就可以很好地控制所述第一凸片和第二凸片之间的泄漏区(在S₁处)以及所述第一凸片和第三凸片之间的泄漏区(在S₂处)。

尤其是参照图2和图3，可以看出本发明的又一有利特征，其是利用来自冷却气流腔对径向表面20和21进行冷却。可以看出，每个扇形部具有在腔40和该扇形部的至少一个径向表面之间延伸的气体喷射通道50。这些通道开口在径向表面20上的内侧(热表面)和所述第一和第二凸片27，28之间。这两个凸片的V字形结构为形成这些气体喷射通道留出了空间。这些通道布置成平行于涡轮环轴线的一排。在图3所示的示例中，这些通道都垂直于径向表面延伸。在图6所示的示例中，通道50中的一部分垂直于径向表面延伸，而位于所述排的两端的其它部分或者至少它们中的一个与其它通道成一角度，从所述腔到所述径向表面发散。发散通道之间的角度可以在10°-120°之间的范围内。在特定条件下，通道可以设置成向相反方向发散的角度。在图7所示的变化例中，这些通道是平行的，并与垂直于径向表面的方向成一角度。该角度是这样的，即通过朝向涡轮环后部的部分将气体喷射出。在图8所示的变化例中，这些通道是平行的，并且与垂直于径向表面的方向成一角度。该角度是这样的，即通过朝向涡轮环前部的部分将气体喷射出。

在该示例中，通道50在径向表面20上开口，径向表面20是叶片如果按照图中箭头F所示的旋转方向旋转时所到达的第一个表面。这有利于避免或限制热气体再次进入扇形部之间的空间内。还可以制成类似的穿过相反壁的通道，在径向表面21上开口。由通道50逸出的气体冷却该壁，使它们形成对流(热泵作用，thermopumping)，而相反壁(表面21)由喷射气体的撞击冷却。另外，由通道50逸出的气体的喷射建立了一种防止热气体被吸入的流体装置。

还可以看到，凹槽31，32和33优选是独立的，也就是说，它们不彼此相通。这使得在两个凹槽之间的结合部不需要任何工具间隙。从而减小了扇形部之间的泄漏区。

本发明还提供了具有上述特征的任何涡轮环扇形部以及涡轮环扇形部的任何组件。

Claims (10)

1.形成转子壳体的涡轮环，所述涡轮环由多个扇形部(11)首尾相接并且中间夹有密封装置而构成，在两相邻扇形部之间的每个所述密封装置包括多个在所述相邻扇形部之间延伸的凸片(27，28，29)，所述凸片容置于在所述相邻扇形部的对应相邻径向表面上形成的彼此相对的凹槽内，每个所述密封装置由配合在两个所述对应相邻径向表面上相应直凹槽(31，32，33)中的多个直凸片构成，形成在每个径向表面上的所述凹槽是独立的，其中，两个扇形部之间的每个密封装置包括从所述径向表面内侧成V字形延伸的第一和第二凸片(27，28)，所述凸片配合在所述相邻径向表面上的对应的第一和第二凹槽(31，32)中，以限定它们的相对位置，其特征在于，所述第二凸片(28)在第一位置(C)和第二位置(D)之间延伸，所述第一位置(C)靠近各扇形部出口侧并朝向内侧，第二位置(D)靠近所述第一凸片，在沿着所述第一凸片的中间和2/3位置之间。

2.根据权利要求1所述的涡轮环，其特征在于，每个密封装置包括第三凸片(29)，其从一端延伸到相邻扇形部的另一端，平行于涡轮环的轴线，并在所述径向表面的外侧，所述第三凸片(29)配合在所述相邻径向表面上的第三凹槽(33)中。

3.根据权利要求2所述的涡轮环，其特征在于，所述第一凸片(27)在靠近每个扇形部入口侧并朝向内侧的位置(A)与靠近所述第三凸片的位置(B)之间延伸。

4.根据权利要求3所述的涡轮环，其特征在于，由所述第一凸片和所述第三凸片的方向形成的角度在15°-70°的范围内。

5.根据权利要求3或4所述的涡轮环，其特征在于，每个扇形部包括冷却气流腔(40)，每个扇形部包括在所述腔和所述扇形部的至少一个径向表面(20)之间延伸的气体喷射通道(50)，这些通道开口在所述径向表面上，位于其内侧边和所述第一和第二凸片之间。

6.根据权利要求5所述的涡轮环，其特征在于，至少一部分所述通道沿垂直于所述径向表面的方向延伸。

7.根据权利要求5所述的涡轮环，其特征在于，所述通道的孔布置成与涡轮环轴线平行的一排。

8.根据权利要求7所述的涡轮环，其特征在于，位于所述排的两端的通道形成一角度，并从所述腔朝向径向表面方向相对其它通道发散。

9.根据权利要求1所述的涡轮环，其特征在于，所述扇形部的两相邻径向表面的相对凹槽中容置有单个凸片(27，28，29)。

10.一种涡轮，其特征在于包括根据前面任一权利要求所述的涡轮环。

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