用於燃氣渦輪發動機的護罩組件的製作方法
2023-05-23 17:13:37
本主題大體上涉及用於燃氣渦輪發動機的護罩組件。更具體而言，本主題涉及具有用於引導負載穿過其的改進的特徵的護罩組件。
背景技術：
燃氣渦輪發動機大體上包括以串流順序的壓縮機區段、燃燒區段、渦輪區段和排氣區段。在操作中，空氣進入壓縮機區段的入口，其中一個或更多個軸向壓縮機逐漸壓縮空氣，直到其到達燃燒區段。燃料在燃燒區段內與壓縮的空氣混合併且焚燒，以提供燃燒氣體。燃燒氣體從燃燒區段發送穿過限定在渦輪區段內的熱氣體路徑，並且接著經由排氣區段從渦輪區段排出。
在特定構造中，渦輪區段包括以串流順序的高壓(HP)渦輪和低壓(LP)渦輪。HP渦輪和LP渦輪均包括各種可旋轉渦輪構件，如渦輪轉子葉片、轉子盤和固持件，以及各種靜止渦輪構件，如，定子導葉或噴嘴、渦輪護罩和發動機框架。可旋轉和靜止的渦輪構件至少部分地限定穿過渦輪區段的熱氣體路徑。當燃燒氣體流過熱氣體路徑時，熱能從燃燒氣體轉移至可旋轉渦輪構件和靜止渦輪構件。
大體上，HP渦輪和LP渦輪可另外包括護罩組件，其進一步限定熱氣體路徑。空隙間隙可限定在護罩組件的護罩與可旋轉渦輪構件的相關聯的級的可旋轉渦輪構件之間。護罩典型地由護罩吊架固持在燃氣渦輪發動機內，該護罩吊架繼而聯接於發動機的各種其它構件。此外，在許多情況中，沿軸向定位在護罩組件前方的噴嘴可接觸護罩組件，以限定並且大體上密封熱氣體路徑。
關於許多已知燃氣渦輪發動機設計的一個問題在於燃氣渦輪發動機的各種區段中的各種相鄰構件之間的負載傳遞。例如，噴嘴負載可通過護罩組件傳遞到燃氣渦輪發動機的殼中。然而，在許多情況中，不合乎需要的是護罩組件的構件如護罩它們自身經歷這些負載。例如，陶瓷基質複合物護罩在用於燃氣渦輪發動機中時提供許多優點的同時，由於陶瓷基質複合物材料的特徵而對於此類負載傳遞而言是大體不合乎需要的。
該負載傳遞問題的一個已知解決方案包括連接於殼並且與噴嘴接觸的外支承件。密封件設在支承件與相鄰護罩組件的吊架之間。因此，負載通過支承件從噴嘴傳遞至護罩組件的吊架。然而，在操作期間由這些支承件經歷的熱梯度和支承件的所得軸向偏轉引起噴嘴護罩軸向間隙的大變化。因此，需要附加的吹掃流來補償這些軸向間隙尺寸的潛在增大，因此減少用於燃燒的工作流體的量並且降低發動機的效率。另外，這些支承件大體上是重且昂貴的零件，因此不合乎需要地增加了燃氣渦輪發動機的成本和重量。
因此，期望用於在燃氣渦輪發動機中使用的改進的護罩組件。具體而言，具有改進的負載傳遞特徵的護罩組件將是有利的。
技術實現要素：
本發明的方面和優點將在以下描述中部分地闡述，或者可從描述為明顯的，或者可通過本發明的實踐學習。
根據本公開的一個實施例，提供了一種用於燃氣渦輪發動機的護罩組件。護罩組件包括吊架，吊架具有前吊架臂、與前吊架臂沿軸向間隔的後吊架臂，以及在前吊架臂與後吊架臂之間延伸的吊架本體。護罩組件還包括護罩，護罩具有前表面、與前表面沿軸向間隔的後表面、在前表面與後表面之間延伸的內表面，以及在前表面與後表面之間延伸並且與內表面沿徑向間隔的外表面，護罩連接於吊架。護罩組件還包括定位在前吊架臂的軸向前方的支承部件，支承部件具有連接於前吊架臂的徑向外部分，以及徑向內部分，其與護罩沿軸向間隔，使得間隙限定在徑向內部分與護罩的軸向相鄰表面之間。
根據本公開的另一個實施例，提供了一種燃氣渦輪發動機的渦輪區段。渦輪區段包括護罩組件。護罩組件包括吊架，吊架具有前吊架臂、與前吊架臂沿軸向間隔的後吊架臂，以及在前吊架臂與後吊架臂之間延伸的吊架本體。護罩組件還包括護罩，護罩具有前表面、與前表面沿軸向間隔的後表面、在前表面與後表面之間延伸的內表面，以及在前表面與後表面之間延伸並且與內表面沿徑向間隔的外表面，護罩連接於吊架。護罩組件還包括定位在前吊架臂的軸向前方的支承部件，支承部件具有連接於前吊架臂的徑向外部分，以及徑向內部分，其與護罩沿軸向間隔，使得間隙限定在徑向內部分與護罩的軸向相鄰表面之間。渦輪區段還包括沿軸向定位在護罩組件前方的噴嘴組件。噴嘴組件包括翼型件，以及沿徑向定位在翼型件外側的外帶。外帶包括後表面，後表面與護罩組件的支承部件的徑向內部分接觸。
根據本公開的另一個實施例，提供了一種燃氣渦輪發動機。燃氣渦輪發動機包括壓縮機區段、燃燒區段和渦輪區段。燃氣渦輪發動機還包括設置在壓縮機區段或渦輪區段中的一個中的護罩組件。護罩組件包括吊架，吊架具有前吊架臂、與前吊架臂沿軸向間隔的後吊架臂，以及在前吊架臂與後吊架臂之間延伸的吊架本體。護罩組件還包括護罩，護罩具有前表面、與前表面沿軸向間隔的後表面、在前表面與後表面之間延伸的內表面，以及在前表面與後表面之間延伸並且與內表面沿徑向間隔的外表面，護罩連接於吊架。護罩組件還包括定位在前吊架臂的軸向前方的支承部件，支承部件具有連接於前吊架臂的徑向外部分，以及徑向內部分，其與護罩沿軸向間隔，使得間隙限定在徑向內部分與護罩的軸向相鄰表面之間。
本發明的這些及其它的特徵、方面和優點將參照以下描述和所附權利要求變得更好理解。併入在本說明書中並且構成本說明書的部分的附圖示出了本發明的實施例，並且連同描述用於闡釋本發明的原理。
附圖說明
包括針對本領域技術人員的其最佳模式的本發明的完整且開放的公開在參照附圖的說明書中闡述，在該附圖中：
圖1為根據本公開的一個實施例的燃氣渦輪發動機的示意性截面圖；
圖2為根據本公開的一個實施例的燃氣渦輪發動機的高壓渦輪區段的放大截面側視圖；
圖3為根據本公開的一個實施例的護罩組件的分解透視圖；
圖4為根據本公開的一個實施例的護罩組件的組裝透視圖；
圖5為根據本公開的一個實施例的護罩組件的截面圖；
圖6為根據本公開的另一個實施例的護罩組件的截面圖；以及
圖7為根據本公開的一個實施例的燃氣渦輪發動機的渦輪區段的一部分的截面圖。
部件列表
10 渦扇噴氣發動機
12 縱向或軸向中心線
14 風扇區段
16 芯部/燃氣渦輪發動機
18 外殼
20 入口
22 低壓壓縮機
24 高壓壓縮機
26 燃燒區段
28 高壓渦輪
30 低壓渦輪
32 噴氣排氣區段
34 高壓軸/轉軸
36 低壓軸/轉軸
37 減速裝置
38 風扇轉軸/軸
40 風扇葉片
42 風扇殼或機艙
44 出口導葉
46 下遊區段
48 旁通空氣流通路
50 第一級
52 排
54 定子導葉
56 排
58 渦輪轉子葉片
60 第二級
62 排
64 定子導葉
66 排
68 渦輪轉子葉片
70 熱氣體路徑
72 護罩組件
74 護罩組件
76 葉片末端
78 葉片末端
100 護罩組件
102 護罩
104 吊架
108 擋板
110 本體
112 前表面
114 後表面
116 內表面
118 外表面
120 前凸緣
122 前表面
124 後表面
126 開孔
130 後凸緣
132 前表面
134 後表面
136 開孔
140 銷
160 吊架本體
162 前吊架臂
163 開孔
164 後吊架臂
172 前凸緣
174 後凸緣
176 開孔
178 開孔
180 擋板本體
182 孔
200 支承部件
202 徑向外部分
203 開孔
204 徑向內部分
206 前表面
208 後表面
206 機械緊固件
212 螺母
214 螺栓
220 間隙
222 副間隙
230 吊架板
232 徑向外部分
234 徑向內部分
236 開孔
238 凹穴
240 凸起
250 噴嘴組件
252 翼型件
250 外帶
256 後表面
258 密封件
260 密封件。
具體實施方式
現在將詳細參照本發明的本實施例，其一個或更多個實例在附圖中示出。詳細描述使用了數字和字母標記來表示附圖中的特徵。附圖和描述中相似或類似的標記用於表示本發明的相似或類似的部分。如本文中使用的，用語"第一"、"第二"和"第三"可以可互換地使用，以將一個構件與另一個區分開，並且不旨在表示單個構件的位置或重要性。用語"上遊"和"下遊"是指相對於流體通路中的流體流的相對流動方向。例如，"上遊"是指流體流自的流動方向，並且"下遊"是指流體流至的流動方向。
此外，如本文中使用的，用語"軸向"或"軸向地"是指沿發動機的縱軸線的大小。連同"軸向"或"軸向地"使用的用語"前"是指朝發動機入口的方向，或者構件相比於另一個構件相對更接近發動機入口。連同"軸向"或"軸向地"使用的用語"後"是指朝發動機噴嘴的方向，或者構件相比於另一個構件相對更接近發動機噴嘴。用語"徑向"或"徑向地"是指在發動機的中心縱軸線與發動機外周之間延伸的維。
現在參照附圖，圖1為如可併入本公開的各種實施例的、本文中稱為"渦扇10"的示例性高旁通渦扇類型的發動機10的示意性截面圖。如圖1中所示，渦扇10具有出於參照目的延伸穿過其的縱向或軸向中心線軸線12。大體上，渦扇10可包括設置在風扇區段16下遊的芯部渦輪或燃氣渦輪發動機14。
燃氣渦輪發動機14可大體上包括限定環形入口20的大致管狀的外殼18。外殼18可由多個殼形成。外殼18包圍成串流關係的具有增壓器或低壓(LP)壓縮機22、高壓(HP)壓縮機24的壓縮機區段、燃燒區段26、包括高壓(HP)渦輪28、低壓(LP)渦輪30的渦輪區段，以及噴氣排氣噴嘴區段32。高壓(HP)軸或轉軸34將HP渦輪28傳動地連接於HP壓縮機24。低壓(LP)軸或轉軸36將LP渦輪30傳動地連接於LP壓縮機22。(LP)轉軸36還可連接於風扇區段16的風扇轉軸或軸38。在特定實施例中，(LP)轉軸36可直接地連接於風扇轉軸38，如，以直接驅動構造。在備選構造中，(LP)轉軸36可以以間接傳動或齒輪傳動構造經由減速裝置37(如，減速齒輪變速箱)連接於風扇轉軸38。如期望或要求的，此類減速裝置可包括在發動機10內的任何適合的軸/轉軸之間。
如圖1中所示，風扇區段16包括多個風扇葉片40，其聯接於風扇轉軸38，並且從風扇轉軸38沿徑向向外延伸。環形風扇殼或機艙42沿周向包繞風扇區段16和/或燃氣渦輪發動機14的至少一部分。本領域技術人員將認識到的是，機艙42可構造成由多個沿周向間隔的出口導葉44關於燃氣渦輪發動機14支承。此外，機艙42的下遊區段46(在導葉44下遊)可在燃氣渦輪發動機14的外部分之上延伸，以便限定其間的旁通空氣流通道48。
圖2提供了如可併入本發明的各種實施例的如圖1中所示的燃氣渦輪發動機14的HP渦輪28部分的放大截面圖。如圖2中所示，HP渦輪28包括成串流關係的第一級50，其包括與渦輪轉子葉片58(僅示出一個)的環形陣列56沿軸向間隔的定子導葉54(僅示出一個)的環形陣列52。HP渦輪28還包括第二級60，其包括與渦輪轉子葉片68(僅示出一個)的環形陣列66沿軸向間隔的定子導葉64(僅示出一個)的環形陣列62。渦輪轉子葉片58,68從HP轉軸34沿徑向向外延伸，並且聯接於HP轉軸34(圖1)。如圖2中所示，定子導葉54,64和渦輪轉子葉片58,68至少部分地限定熱氣體路徑70用於將燃燒氣體從燃燒區段26(圖1)發送穿過HP渦輪28。
如圖2中進一步所示，HP渦輪可包括一個或更多個護罩組件，其中各個形成繞著轉子葉片的環形陣列的環形環。例如，護罩組件72可形成圍繞第一級50的轉子葉片58的環形陣列56的環形環，並且護罩組件74可形成圍繞第二級60的渦輪轉子葉片68的環形陣列66的環形環。大體上，護罩組件72,74的護罩與轉子葉片68中的各個的葉片末端76,78沿徑向間隔。徑向或空隙間隙CL限定在葉片末端76,78與護罩之間。護罩和護罩組件大體上減小從熱氣體路徑70的洩漏。
應當注意的是，護罩和護罩組件可另外在低壓壓縮機22、高壓壓縮機24和/或低壓渦輪30中以類似方式使用。因此，如本文中公開的護罩和護罩組件不限於在HP渦輪中使用，並且相反，可用於燃氣渦輪發動機的任何適合的區段中。
現在參照圖3至7，公開了改進的護罩組件100。如本文中公開的護罩組件100可替代如上文所述的護罩組件72,74，或發動機10中的任何其它適合的護罩組件使用。
根據本公開的護罩組件提供了一定數量的優點。具體而言，護罩組件100包括特徵，其有利地便於負載從軸向前噴嘴通過護罩組件100的吊架傳遞至燃氣渦輪發動機10的殼，同時減少或消除通過此類護罩組件的護罩的負載傳遞。這在其中護罩由陶瓷基質複合物("CMC")材料形成的實施例中是特別合乎需要的。此外，根據本公開的護罩組件的使用減少了與之前已知的負載傳遞構件相關聯的不合乎需要的問題，如，大噴嘴護罩軸向間隙變化和吹掃流的所得的增加，以及相關聯的重量和成本問題。因此，燃氣渦輪發動機效率提高、重量降低，並且成本降低。
圖3至7示出了根據本公開的護罩組件100的實施例。護罩組件100包括護罩102和吊架104。例如，根據本公開的護罩102可包括護罩本體110、前凸緣120和後凸緣130。在示例性實施例中，護罩本體110和凸緣120,130(和總體上護罩102)可由CMC材料形成，但在備選實施例中，護罩本體110和凸緣120,130(和總體上護罩102)可由另一適合的材料如金屬等形成。具體而言，在示例性實施例中，護罩本體110和凸緣120,130可為集成的，並且因此大體上形成為單個構件。
護罩本體110可包括前表面112和後表面114。當在發動機10中時，後表面114與前表面112沿軸向間隔，如，大體上沿中心線12。內表面116和外表面118可均在前表面112與後表面114之間延伸。外表面118與內表面116沿徑向間隔。當護罩102在發動機10中時，內表面116可暴露於熱氣體路徑70，而外表面118因此與熱氣體路徑70沿徑向間隔。
前凸緣120和後凸緣130可均從護罩本體110延伸，如，從其外表面118。後凸緣130可與前凸緣120沿軸向間隔。此外，前凸緣120可大體上定位在本體110的前表面112近側，而後凸緣130大體上定位在本體110的後表面114近側。各個凸緣120,130可分別包括前表面122,132(分別)和後表面124,134。如所示，凸緣120,130可均大體上沿它們的長度沿周向延伸，並且因此沿周向定向。
此外，一個或更多個開孔126,136可分別限定在各個凸緣120,130中。例如，各個開孔126,136可在相關聯的前表面122,132和相關聯的後表面124,134之間大體上沿軸向延伸穿過相關聯的凸緣120,130。開孔126,136大體上用於將護罩102連接於吊架104。例如，銷140可插入到開孔126,136和吊架104的相關聯開孔中，以將護罩102連接於吊架104。
吊架104大體上連接於並且支承發動機10中的護罩102，並且自身由發動機10中的各種其它構件支承。吊架104可包括吊架本體160，以及從吊架本體160延伸(如，從吊架本體160沿徑向向外(遠離熱氣體路徑70))的前吊架臂162和後吊架臂164。吊架本體160因此可在臂162,164之間延伸。如所示，後臂164可與前臂162沿軸向間隔。
吊架104還可包括一個或更多個凸緣，其從吊架本體160延伸，如，從吊架本體160沿徑向向內(朝熱氣體路徑70)。例如，前凸緣172和後凸緣174可從吊架本體160延伸。後凸緣174可與前凸緣172沿軸向間隔。前凸緣172可鄰近前吊架臂162，並且後凸緣174可鄰近後吊架臂164。一個或更多個開孔176,178可分別限定在凸緣172,174中。
在組裝時，護罩凸緣120,130的開孔126,136可大體上與相關聯的吊架開孔176,178對準。例如，開孔126可與開孔176對準，並且開孔136可與開孔178對準。一個或更多個銷140可插入穿過並且因此延伸穿過相關聯的開孔，以將吊架104和護罩102聯接在一起。在如所示的一些實施例中，銷140可延伸穿過對準的開孔126,176,136和178。作為備選，單獨的銷140可用於對準的開孔126,176和對準的開孔136,178。因此，前凸緣120和後凸緣130可聯接於前凸緣172和後凸緣174。
在示例性實施例中，吊架本體160、前吊架臂162、後吊架臂162、前凸緣172和後凸緣174(和總體上吊架104)可由金屬材料形成，但在備選實施例中，吊架本體160、前吊架臂162、後吊架臂162、前凸緣172和後凸緣174(和總體上吊架104)可由另一適合的材料形成。
如所示，護罩組件100還可包括擋板108。擋板108可沿徑向設置在護罩組件100的吊架104與護罩102之間。擋板108可包括本體180，其限定多個冷卻孔182，用於發送流體穿過其，如用於冷卻目的。在示例性實施例中，擋板由金屬材料形成，但在備選實施例中，擋板108可由另一適合材料形成。
仍參照圖3至7，護罩組件100還可包括支承部件200，其沿軸向定位在前吊架臂162前方。支承部件200可有利地定位和構造成將負載從一個或更多個噴嘴組件250通過護罩組件100傳遞至支承結構，護罩組件100的吊架104聯接於該支承結構。具體而言，如上文所述，支承部件200可將負載從這些噴嘴組件250傳遞穿過吊架104，其中最小或沒有負載傳遞至護罩102。
簡要參照圖7，噴嘴組件250可沿軸向定位在護罩組件100前方，並且可例如為燃氣渦輪發動機10的渦輪區段或壓縮機區段中的特定級中的相鄰噴嘴陣列的構件。例如，噴嘴組件250可包括在第一級40的陣列52或第二級60的陣列62中，其中護罩組件100分別替代護罩組件72或護罩組件74(見圖2)使用。噴嘴組件250可包括翼型件252和沿徑向定位在翼型件252外側的外帶254。例如，外帶254可為噴嘴自身的外帶，或者可為與噴嘴組件250的噴嘴一起使用的支承結構(其可包括延伸穿過噴嘴的支柱)的外帶。外帶254可包括後表面256，其在組裝時，可與支承部件200接觸(直接地或通過適合的密封件258間接地)。具體而言，後表面256可接觸支承部件200的徑向內部分。因此，負載可從噴嘴組件250通過後表面256傳遞至支承部件200，並且如所論述，從支承部件200傳遞至吊架104，其中最小或沒有負載傳遞至護罩102。
再次參照圖3至7，支承部件200在示例性實施例中由金屬材料形成，但在備選實施例中，支承部件200可由任何適合的材料形成。支承部件200可包括徑向外部分202和徑向內部分204，並且還可具有前表面206和後表面208。
支承部件200的徑向外部分202可連接於前吊架臂162。在示例性實施例中，一個或更多個機械緊固件210可連接徑向外部分202和前吊架臂162。例如，一個或更多個開孔163可限定在前吊架臂162中，並且一個或更多個匹配開孔203可限定在外部分202中。機械緊固件可延伸穿過各個對準的開孔163和匹配開孔203，以連接徑向外部分202和前吊架臂162。在如所示的示例性實施例中，如所示，機械緊固件210可均包括螺母212和匹配螺栓214。作為備選，可使用其它適合的機械緊固件如螺釘、釘子、鉚釘等。
在示例性實施例中，機械緊固件210由金屬材料形成，但在備選實施例中，緊固件210可由另一適合材料形成。
如所示，徑向內部分204可與護罩102沿軸向間隔，如，與前凸緣120的前表面122。軸向間隙220因此限定在徑向內部分204與護罩102的軸向相鄰表面(如，前表面122)之間。該間隙220有利地尺寸確定成防止支承部件200與護罩102之間的接觸，因此減少或消除了支承部件200與護罩102之間的負載傳遞。作為替代，負載可有利地傳遞穿過徑向外部分202，並且穿過徑向外部分202與前吊架臂162之間的連接，如，穿過機械緊固件210。
在一些實施例中，如圖6中所示，支承部件200的徑向外部分202在護罩組件100組裝時接觸前吊架臂162。在其它實施例中，如圖3至5和7中所示，吊架板230可設置在支承部件200與前吊架臂162之間。如所示，吊架板230可與徑向外部分202和前吊架臂162接觸。
吊架板230可大體上進一步保護護罩102免於與支承部件200接觸，如，與其徑向內部分204。如所示，吊架板230可連接於徑向外部分202和前吊架臂162和在它們之間。例如，吊架板230可包括徑向外部分232和徑向內部分234。徑向外部分232可連接在支承部件200的徑向外部分202與前吊架臂162之間。例如，一個或更多個開孔236可限定在徑向外部分232中。在組裝時，開孔236可與鄰近開孔162,203對準，並且機械緊固件210可延伸穿過開孔236以及開孔162,203，以將徑向外部分232連接於徑向外部分202和前吊架臂162和在它們之間。
吊架板230的徑向內部分234可設置在間隙220內。具體而言，徑向內部分234可定位成使得副間隙222限定在吊架板230的徑向內部分234與支承部件200的徑向內部分204之間。因此，防止了徑向內部分204與徑向內部分234之間的接觸。此外，在一些實施例中，一個或更多個凹穴238可限定在徑向內部分204中。凹穴238可面對護罩102，並且可例如將銷140容納在其中，如所示。徑向內部分234因此可用於大體上保護銷140和護罩102(和具體是前凸緣120)免於與噴嘴組件250或支承部件200接觸，以及在發動機10操作期間所得的負載傳遞。
再次簡要參照圖3至7，在一些實施例中，支承部件200可另外包括凸起240，其從前表面206沿軸向延伸，如，在徑向外部分202與徑向內部分204之間。在組裝時，凸起240可接觸噴嘴組件250的密封件260(其在如所示的示例性實施例中可為葉形密封件)。該相互作用可進一步便於負載通過支承部件200傳遞至吊架104，同時至護罩102的負載傳遞有利地減少或消除。
該書面的描述使用實例以公開本發明(包括最佳模式)，並且還使本領域技術人員能夠實踐本發明(包括製造和使用任何裝置或系統並且執行任何併入的方法)。本發明的可專利範圍由權利要求限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果這些其它實例包括不與權利要求的字面語言不同的結構元件，或者如果這些其它實例包括與權利要求的字面語言無顯著差別的等同結構元件，則這些其它實例意圖在權利要求的範圍內。