渦輪環的製作方法

2023-12-01 20:46:31

專利名稱：渦輪環的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種形成渦輪轉子的外部殼體的渦輪環。本發明尤其應用於剛好位於飛機的渦輪噴氣發動機的燃燒室的下遊的高壓渦輪。其更尤其涉及構成所述渦輪環的扇形部的相互連接和冷卻。
背景技術：
在上述類型的渦輪機中，由高溫氣體驅動的轉子在固定渦輪環內旋轉，該固定渦輪環由多個圓周首尾相連的彎曲部構成，以形成轉子殼體。驅動葉輪的氣體溫度使得在各扇形部之間產生的熱力學應力會導致這種環的損壞，降低環的使用壽命。通常，經常可以觀察到在各扇形部的內表面(熱表面)有小的裂紋和/或剝落，它們主要在相鄰扇形部之間的連接部附近。
為了提供具有更好密封性的渦輪環，減少非工作氣體的洩漏，以及為了防止熱氣體再次進入，在這種相鄰扇形部之間設置密封裝置，所述密封裝置包括在這些扇形部之間延伸的凸片，這些凸片容置於在這些扇形部的相鄰徑向表面上面向凸片形成的凹槽中。
例如，圖1所示的現有的扇形部1包括一密封裝置，其帶有容置於凹槽6，7和8中的四個凸片2-5。凸片3是彎曲的，並在凹槽6和7之間延伸，凹槽6和7相互開放，並接收另外的直凸片2和4。要精確加工上述凹槽十分困難，尤其是因為要插入彎曲凸片而使所需厚度不同。正確定位這些凸片也很困難。另外，凸片2被整體容置於凹槽6內，凹槽6平行並靠近扇形部的熱表面9。遺憾的是，凹槽靠近熱表面導致應力集中現象，使得強度變弱，使其損壞速度加快。本發明消除了上述缺點。

發明內容
因此，本發明首先提供一種形成轉子外部殼體的渦輪環，所述渦輪環由多個扇形部首尾相接並且中間夾有密封裝置而構成，所述密封裝置包括在相鄰扇形部之間延伸的凸片，所述凸片容置於在所述扇形部的相鄰徑向表面上形成的彼此相對的凹槽內，所述渦輪環的特徵在於，每個密封裝置由配合在所述徑向表面上相應直凹槽中的直凸片構成。
由直凸片構成密封裝置使得製造凹槽方便，且有利於將凸片安裝在凹槽中。另外，對凸片的定位控制也得以改進，這是由於壓靠面是嚴格的直線形從而能夠被很好地控制。總之，洩漏區減小了。下面描述只有三個凸片的結構。
更特別地，上述渦輪環的有利特徵還在於，每個密封裝置包括在所述徑向表面內側成V字形延伸的第一凸片和第二凸片，所述凸片配合在所述徑向表面上的直凹槽中，以精確限定它們的相對位置。這樣，兩個相鄰扇形部之間的氣體洩漏可以被精確地控制。因此所有扇形部之間的間隙上出現的這種洩漏都相同。總之，相對於上述現有技術，估計洩漏率可以減小10％-20％。
本發明的另一優點是將凸片以V字形結構布置於熱表面上，不但能夠使應力集中區進一步遠離所述熱表面(由於凹槽距離其較遠)，而且在凸片和熱表面之間提供足夠的空間以允許冷卻氣體噴射通道在其中開口，該通道由形成在扇形部中的腔供氣。
更精確地，本發明還提供一種上面定義的渦輪環，其中，每個扇形部包括冷卻氣流腔，所述渦輪環的特徵在於，其還包括在所述腔和扇形部的至少一個徑向表面之間延伸的氣體噴射通道，這些通道開口在所述徑向表面上，位於其內側邊和所述第一和第二凸片之間。


通過參照附圖對示例的描述，本發明將更容易理解，其優點也更加清楚。
圖1示出構成現有渦輪環的扇形部的徑向表面；圖2是構成本發明的渦輪環的扇形部的徑向表面；圖3是沿圖2中的線III所截取的兩個相鄰扇形部的示意圖；圖4是與這種渦輪環的扇形部相關聯的外殼的示意圖；圖5是示出所述第一和第二凸片的各種可能朝向的示意圖；圖6-8是圖3所示扇形部的其中一個的各種變型的局部視圖。
具體實施例方式
在各附圖中，尤其是圖2-4中，可以看出多個渦輪環扇形部11構成轉子的固定殼體(未示出)，特別是渦輪噴氣發動機的高壓渦輪的轉子的固定殼體。這種渦輪位於燃燒室的下遊。特別地，這種環由32個例如圖中所示的彎曲的扇形部11構成，它們首尾相接形成圍繞所述轉子的略帶錐形的殼體。每個扇形部11由略微彎曲的厚板形成以構建渦輪環。其上具有一個大致為矩形的內表面12和大致為矩形的外表面14，其中，內表面12是略凹面並因為接觸熱氣流而被稱為「熱」表面，外表面14被稱為「冷」表面。對於穿過轉子的熱氣體的流動方向，有一個面向燃燒室噴嘴的入口側16，以及一個相反的出口側18。每個扇形部11還具有兩個徑向表面20和21，通過這兩個徑向表面，扇形部通過上述密封裝置26(見圖2)與相鄰扇形部周邊相連接。每個密封裝置26由一組與形成在所述相對徑向表面20和21上的對應凹槽相配合的凸片構成。每個凸片配合在屬於兩個周邊相鄰的渦輪環扇形部的兩個凹槽中。
轉子葉片的梢部經過以這種方法構成的渦輪環的內表面。轉動方向如圖3中的箭頭F所示。這樣，從燃燒室排出的熱氣體靠近渦輪環的內表面流動，因此，內表面必須承受很高的溫度。因此，不但必須使渦輪環結構中的溫度梯度最小(從而尤其使扇形部之間的氣體洩漏最小)，而且必須有效地冷卻所述渦輪環。為此，使用一部分由壓縮機供給到燃燒室的氣體。為此，每個扇形部11是中空的，並且包括由外部供氣的冷卻氣流腔35。
圖4是顯示由一組扇形部11構成的渦輪環的狀態的非常簡易的示意圖。渦輪外殼15與渦輪環配合而形成環形腔17。該組件徑向延伸到高壓葉輪19的外部，高壓葉輪19沿軸向安置在高壓噴嘴21和低壓噴嘴23之間。來自壓縮機的氣體從燃燒室一上遊處(通過孔)進入環形腔17。因此該環形腔為渦輪環中的所有扇形部供氣。每個渦輪環扇形部(圖3)具有兩個Z字形的獨立的腔39和40，它們被隔離件42隔開，並且通過各自的孔37和38供氣。在腔39中流動的氣體經過一組噴射通道44放出，所述噴射通道44在渦輪環的扇形部的入口側16上向外打開，而在腔40中流動的氣體經過一組噴射通道46放出，所述噴射通道46在渦輪環的扇形部的出口側18上向外打開。
除了各扇形部之間的密封裝置，上面描述的配置都已經了解。本發明尤其涉及對各扇形部之間的所述密封裝置所作的有利改進。
更特別地(參照圖2-4)，在該實例中，每個密封裝置26由與兩個相鄰扇形部的徑向表面上的相應直凹槽相配合的三個直凸片構成。具體地，每個密封裝置(圖2)包括位於所述徑向表面內側上(即，扇形部的熱表面側)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形結構，也就是說，它們配合在凹槽31和32內，凹槽31和32形成在與扇形部的內、外表面12、14成一角度延伸的所述徑向表面上。這些凹槽確定這兩個凸片的相對位置。
另外，每個密封裝置包括第三凸片29，其大致從一端延伸到相鄰扇形部的另一端，平行於渦輪環的軸線，並在所述徑向表面的外側。凸片29配合在相鄰扇形部的直凹槽33中。如圖2所示，第一凸片27在位置A與位置B之間延伸，位置A位於靠近兩個扇形部的入口側處並靠近內側(即靠近熱表面)，位置B位於靠近第三凸片29處。第二凸片28定位成在位置C和位置D之間延伸，位置C位於靠近各扇形部出口側18處並靠近內側，位置D靠近第一凸片，大致在沿著第一凸片從位置A開始的中間和2/3位置之間。
在扇形部內側和外側之間或者第三凸片與所述第一和第二凸片的組合件之間的空間形成的壓力使所述第一和第三凸片27，29被壓靠在接收它們的凹槽31和33的內表面上，同時所述第二凸片28被壓靠在接收它的凹槽32的外表面上，如圖2所示。
第一凸片27的長度根據其與第三凸片29所成的角度而定。當該角度確定後(圖5中示出了幾種可能的角度)，可以推算出第二凸片的位置和長度。
第一凸片和第三凸片之間的角度可以大致在15°-70°的範圍內。
凹槽可以被精確地加工和定位。凸片可以插入到這些凹槽中，並且它們的位置可以很好地控制。這樣，就可以很好地控制所述第一凸片和第二凸片之間的洩漏區(在S1處)以及所述第一凸片和第三凸片之間的洩漏區(在S2處)。
尤其是參照圖2和圖3，可以看出本發明的又一有利特徵，其是利用來自冷卻氣流腔35對徑向表面20和21進行冷卻。可以看出，每個扇形部具有在腔40和該扇形部的至少一個徑向表面之間延伸的氣體噴射通道50。這些通道開口在徑向表面20上的內側(熱表面)和所述第一和第二凸片27，28之間。這兩個凸片的V字形結構為形成這些氣體噴射通道留出了空間。這些通道布置成平行於渦輪環軸線的一排。在圖3所示的示例中，這些通道都垂直於徑向表面延伸。在圖6所示的示例中，通道50中的一部分垂直於徑向表面延伸，而位於所述排的兩端的其它部分或者至少它們中的一個與其它通道成一角度，從所述腔到所述徑向表面發散。發散通道之間的角度可以在10°-120°之間的範圍內。在特定條件下，通道可以設置成向相反方向發散的角度。在圖7所示的變化例中，這些通道是平行的，並與垂直於徑向表面的方向成一角度。該角度是這樣的，即通過朝向渦輪環後部的部分將氣體噴射出。在圖8所示的變化例中，這些通道是平行的，並且與垂直於徑向表面的方向成一角度。該角度是這樣的，即通過朝向渦輪環前部的部分將氣體噴射出。
在該示例中，通道50在徑向表面20上開口，徑向表面20是葉片如果按照圖中箭頭F所示的旋轉方向旋轉時所到達的第一個表面。這有利於避免或限制熱氣體再次進入扇形部之間的空間內。還可以製成類似的穿過相反壁的通道，在徑向表面21上開口。由通道50逸出的氣體冷卻該壁，使它們形成對流(熱泵作用，thermopumping)，而相反壁(表面21)由噴射氣體的撞擊冷卻。另外，由通道50逸出的氣體的噴射建立了一種防止熱氣體被吸入的流體裝置。
還可以看到，凹槽31，32和33優選是獨立的，也就是說，它們不彼此相通。這使得在兩個凹槽之間的結合部不需要任何工具間隙。從而減小了扇形部之間的洩漏區。
本發明還提供了具有上述特徵的任何渦輪環扇形部以及渦輪環扇形部的任何組件。
權利要求
1.形成轉子殼體的渦輪環，所述渦輪環由多個扇形部(11)首尾相接並且中間夾有密封裝置而構成，所述密封裝置包括在相鄰扇形部之間延伸的凸片(27，28，29)，所述凸片容置於在所述扇形部的相鄰徑向表面上形成的彼此相對的凹槽內，所述渦輪環的特徵在於，每個密封裝置由配合在所述徑向表面上相應直凹槽(31，32，33)中的直凸片構成，並且還在於，形成在每個徑向表面上的所述凹槽是獨立的。
2.根據權利要求1所述的渦輪環，其特徵在於，兩個扇形部之間的每個密封裝置包括從所述徑向表面內側成V字形延伸的第一和第二凸片(27，28)，所述凸片配合在所述徑向表面上的凹槽(31，32)中，以限定它們的相對位置。
3.根據權利要求2所述的渦輪環，其特徵在於，每個密封裝置包括第三凸片(29)，其大致從一端延伸到相鄰扇形部的另一端，平行於渦輪環的軸線，並在所述徑向表面的外側。
4.根據權利要求3所述的渦輪環，其特徵在於，所述第一凸片(27)在靠近每個扇形部入口側並朝向內側的位置(A)與靠近所述第三凸片的位置(B)之間延伸。
5.根據權利要求4所述的渦輪環，其特徵在於，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°的範圍內。
6.根據權利要求4或5所述的渦輪環，其特徵在於，所述第二凸片(28)在位置(C)和位置(D)之間延伸，所述位置(C)靠近各扇形部出口側並朝向內側，位置(D)靠近所述第一凸片，大致在沿著所述第一凸片的中間和2/3位置之間。
7.根據權利要求4或5所述的渦輪環，其特徵在於，每個扇形部包括冷卻氣流腔(40)，每個扇形部包括在所述腔和所述扇形部的至少一個徑向表面(20)之間延伸的氣體噴射通道(50)，這些通道開口在所述徑向表面上，位於其內側邊和所述第一和第二凸片之間。
8.根據權利要求7所述的渦輪環，其特徵在於，至少一部分所述通道沿大致垂直於所述徑向表面的方向延伸。
9.根據權利要求7所述的渦輪環，其特徵在於，所述通道的孔布置成與渦輪環軸線平行的一排。
10.根據權利要求9所述的渦輪環，其特徵在於，位於所述排的兩端的通道形成一角度，並從所述腔朝向徑向表面方向相對其它通道發散。
11.根據前面任一權利要求所述的渦輪環，其特徵在於，所述扇形部的兩相鄰徑向表面的相對凹槽中容置有單個凸片(27，28，29)。
12.一種渦輪，其特徵在於包括根據前面任一權利要求所述的渦輪環。
全文摘要
一種由多個扇形部組件構成的渦輪環，形成所述渦輪轉子的外部殼體。扇形部(11)首尾相接，中間夾有密封裝置，該密封裝置包括容置於凹槽中的凸片(27，28，29)。所述凸片是直線形的，配合在所述扇形部的徑向表面的相應直凹槽(31，32，33)中。
文檔編號F01D25/00GK1683772SQ200510065259
公開日2005年10月19日 申請日期2005年4月15日 優先權日2004年4月15日
發明者尼古拉·埃爾維, 馬克·馬奇, 盧多維克·尼古拉斯 申請人:Snecma發動機公司