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混合涡轮机喷嘴

阅读:593发布:2021-03-01

IPRDB可以提供混合涡轮机喷嘴专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种用于燃气涡轮发动机的涡轮机喷嘴设备包括:环形的内部带(12);限定该内部带的环形的外部带(14);在内部带与外部带之间延伸并将内部带与外部带互连的多个翼型形状的结构翼片(16A);和在内部带与外部带之间延伸的多个翼型形状的非结构翼片(16B),每一个非结构翼片都具有由内部带接收的根部端(18)和由外部带接收的尖端(20),使得每一个非结构翼片相对于内部带和外部带在有限的程度上自由运动。,下面是混合涡轮机喷嘴专利的具体信息内容。

1.一种用于燃气涡轮发动机的涡轮机喷嘴设备,包括:环形的内部带;

环形的外部带,所述外部带限定所述内部带;

多个翼型形状的结构翼片,所述结构翼片在所述内部带与所述外部带之间延伸并将所述内部带与所述外部带互连;和多个翼型形状的非结构翼片,所述非结构翼片在所述内部带与所述外部带之间延伸,每一个非结构翼片都具有由所述内部带接收的根部端和由所述外部带接收的尖端,使得每一个非结构翼片相对于所述内部带和所述外部带在有限的程度上自由运动。

2.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述内部带和所述外部带中的一个包括多个不通的袋,每一个不通的袋都接收一个所述非结构翼片的端部。

3.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述内部带和所述外部带中的一个包括:形成于其中的多个间隔开的孔口;和

接收在每一个孔口中的盖,所述孔口包括至少一个不通的袋,每一个不通的袋都接收一个所述非结构翼片的端部。

4.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述内部带和所述外部带中的一个包括至少一个分离部分,所述至少一个分离部分包括:前部节段,所述前部节段与所述带的相邻部分成一整体,所述前部节段限定至少一个翼型形状的不通的袋的前部部分;和后部节段,所述后部节段与所述前部节段沿分离线匹配,所述后部节段限定至少一个翼型形状的不通的袋的后部部分,其中,所述不通的袋接收所述非结构翼片的端部中的一个。

5.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述非结构翼片包括陶瓷基复合材料。

6.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述结构翼片包括金属合金。

7.根据权利要求1所述的设备,其特征在于:

所述内部带包括多个不通的根部袋,每一个根部袋都接收一个所述非结构翼片中的一个的根部端;和所述外部带包括:

形成在其中的多个间隔开的孔口;和

接收在每一个孔口中的盖,所述孔口包括多个不通的袋,每一个不通的袋都接收一个所述非结构翼片的一个尖端。

8.根据权利要求1所述的设备,其特征在于:

所述外部带包括多个不通的尖端袋,每一个尖端袋都接收一个所述非结构翼片的一个尖端;和所述内部带包括至少一个分离部分,所述至少一个分离部分包括:前部节段,所述前部节段与所述内部带的相邻部分成一整体,所述前部节段限定多个翼型形状的不通的袋的前部部分;和后部节段,所述后部节段沿分离线与所述前部节段相匹配,所述后部节段限定多个翼型形状的不通的袋的后部部分,其中,所述不通的袋中的每一个都接收一个所述非结构翼片的根部端。

9.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述内部带和所述外部带被分成多个节段。

10.一种组装用于燃气涡轮发动机的涡轮机喷嘴的方法,包括:提供环形的内部带、限定所述内部带的环形的外部带、和在所述内部带与所述外部带之间延伸并将所述内部带与所述外部带互连的多个翼型形状的结构翼片;

将翼型形状的非结构翼片通过形成在所述内部带与所述外部带中的一个中的开口插入;以及封闭住所述开口,使得所述非结构翼片在所述内部带与所述外部带之间延伸,每一个非结构翼片都具有由所述内部带接收的根部端和由所述外部带接收的尖端,使得每一个非结构翼片相对于所述内部带和所述外部带在有限的程度上自由运动。

11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述内部带和所述外部带中的一个包括多个不通的袋,每一个不通的袋都接收一个所述非结构翼片的端部。

12.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述内部带和所述外部带中的一个包括:形成在其中的多个间隔开的孔口;和

接收在每一个孔口中的盖,所述孔口包括至少一个不通的袋,每一个不通的袋都接收一个所述非结构翼片的端部。

13.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述内部带和所述外部带中的一个包括至少一个分离部分,所述至少一个分离部分包括:前部节段,所述前部节段与所述带的相邻部分成一整体,所述前部节段限定至少一个翼型形状的不通的袋的前部部分;和后部节段,所述后部节段沿分离线与所述前部节段相匹配,所述后部节段限定至少一个翼型形状的不通的袋的后部部分,其中,所述不通的袋接收所述非结构翼片的端部中的一个。

14.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述非结构翼片包括陶瓷基复合材料。

15.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述结构翼片包括金属合金。

16.根据权利要求10所述的方法,其特征在于:所述内部带包括多个不通的根部袋,每一个根部袋都接收一个所述非结构翼片的一个根部端;和所述外部带包括:

形成在其中的多个间隔开的孔口;和

接收在每一个孔口中的盖,所述孔口包括多个不通的袋,每一个不通的袋都接收一个所述非结构翼片的一个尖端。

17.根据权利要求10所述的方法,其特征在于:所述外部带包括多个不通的尖端袋,每一个尖端袋都接收一个所述非结构翼片的一个尖端;和所述内部带包括至少一个分离部分,所述至少一个分离部分包括:前部节段,所述前部节段与所述内部带的相邻部分成一整体,所述前部节段限定多个翼型形状的不通的袋的前部部分;和后部节段,所述后部节段沿分离线与所述前部节段相匹配,所述后部节段限定多个翼型形状的不通的袋的后部部分,其中,所述不通的袋中的每一个都接收一个所述非结构翼片的根部端。

18.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,将所述内部带和所述外部带分成多个节段。

说明书全文

混合涡轮机喷嘴

背景技术

[0001] 本发明主要涉及燃气涡轮发动机,并且更具体地涉及用于这种发动机的涡轮机喷嘴,这种发动机结合有由低延展性材料制成的翼型件。
[0002] 常规燃气涡轮发动机包括涡轮机械芯部,该涡轮机械芯部具有成串行流关系的高压压缩器、燃烧器、和高压涡轮机。该芯部能够以已知的方式运转以产生主要气体流。高压涡轮机(还被称之为燃气发生器涡轮机)包括从该主要气体流中提取能量的一个或多个级。每一个级均包括固定的涡轮机喷嘴,接着该固定的涡轮机喷嘴的是承载涡轮机叶片的下游转子。这些部件在极高温度环境中运转,并且必须被空气流冷却以确保具有适当的使用期限。通常,用于冷却的空气被从压缩器中提取出(排出)。排出空气的使用负面地影响了燃料消耗率(specific fuel consumption,“SFC”)并且通常应该被最小化。
[0003] 金属涡轮机结构可被诸如陶瓷基复合材料(“CMC”)之类的具有更好的高温性能的材料替代。CMC的密度为在涡轮发动机的热段中使用的常规金属超级合金的密度的约三分之一,由此通过在保持相同的翼型件几何形状的同时用CMC替代该金属合金,降低了该部件的重量。通过替换涡轮机喷嘴中的大部分翼型件,该组件的总重量降低,同样降低了对于冷却空气流的需要。
[0004] CMC和相似的材料均具有独特的机械性能,这些独特的机械性能在诸如护罩节段之类的物件的设计和应用期间必须被考虑。例如,当与金属材料相比时,CMC材料具有导致失效的相对低的拉伸塑性或低应变。同样,CMC具有为超级合金的热膨胀系数(“CTE”)的约三分之一的热膨胀系数,这意味着两种不同材料之间的刚性连结在从组装状况的温度变化的情况下引起了大应变和应力。用于CMC的可容许应力极限同样低于金属合金,这促使出现了对于用于CMC部件的简单且低应力的设计存在需要。
[0005] 因此,存在使部件上的机械载荷最小化的、用于安装CMC和其它低延展性翼型件的设备的需要。

发明内容

[0006] 该需要通过本发明得到解决,本发明提供了一种包括非结构翼型件的涡轮机喷嘴,这些非结构翼型件被定位周围结构并保持于周围结构,同时允许有限的运动自由。
[0007] 根据本发明的一方面,一种用于燃气涡轮发动机的护罩设备包括一种用于燃气涡轮发动机的涡轮机喷嘴设备,该涡轮机喷嘴设备包括:环形的内部带;限定该内部带的环形的外部带;多个翼型形状的结构翼片,其在内部带与外部带之间延伸并将内部带与外部带互连;和多个翼型形状的非结构翼片,其在内部带与外部带之间延伸,每一个非结构翼片都具有由内部带接收的根部端和由外部带接收的尖端,使得每一个非结构翼片都能够相对于内部带和外部带在有限的程度上自由运动。
[0008] 根据本发明的另一方面,提供了一种用于组装用于燃气涡轮发动机的涡轮机喷嘴的方法。该方法包括:提供环形的内部带、限定内部带的环形的外部带、和在内部带与外部带之间延伸并将内部带与外部带互连的多个翼型形状的结构翼片;将翼型形状的非结构翼片通过形成在内部带与外部带中的一个中的开口插入;以及封闭住该开口,使得非结构翼片在内部带与外部带之间延伸,每一个非结构翼片都具有由内部带接收的根部端和由外部带接收的尖端,使得每一个非结构翼片都能够相对于内部带和外部带在有限的程度上自由运动。

附图说明

[0009] 通过参考结合附图进行的下列说明可最佳地理解本发明,附图中:
[0010] 图1是根据本发明的一方面构建的用于燃气涡轮发动机的涡轮机喷嘴组件的示意性透视图;
[0011] 图2是图1中所示的涡轮机喷嘴的一部分的放大图;
[0012] 图3是用于燃气涡轮发动机的替代涡轮机喷嘴的一部分的示意性透视图;
[0013] 图4是图3中所示的涡轮机喷嘴的一部分的放大图;
[0014] 图5是涡轮机喷嘴的一部分的截面图;和
[0015] 图6是沿图5的线6-6获得的视图。

具体实施方式

[0016] 参照附图,在附图中,相同的附图标记遍及多幅视图表示相同的元件,图1和图2描绘了根据本发明的一方面构建的示例性涡轮机喷嘴10。该涡轮机喷嘴10是形成燃气涡轮发动机的涡轮机段的一部分的固定部件。将明白的是,涡轮机喷嘴10在燃气涡轮发动机中会被安装在涡轮机转子的上游,转子盘承载一系列翼型形状的涡轮机叶片,喷嘴和转子限定该涡轮机的一个级。该喷嘴的主要功能是将燃烧气体流引入到下游涡轮机转子级中。
[0017] 涡轮机是已知类型的燃气涡轮发动机的已知部件,并且用于从来自上游燃烧器(未示出)的高温加压的燃烧气体中提取能量并用于将该能量转换成机械功,该机械功随后被用于驱动压缩器、风扇、轴、或其它机械载荷(未示出)。本文中所述的原理同样适用于涡轮风扇发动机、涡轮喷气发动机、和涡轮轴发动机、以及用于其它车辆或处于固定应用中的涡轮发动机。
[0018] 注意,如在本文中所使用的那样,术语“轴向的”或“纵向的”指的是平行于燃气涡轮发动机的旋转轴线的方向,而“径向的”指的是垂直于该轴向方向的方向,并且“切向的”或“周向的”指的是共同垂直于该轴向方向和切向方向的方向。(参见图1中的箭头“A”、“R”、和“T”)。这些方向性术语仅出于便于描述的目的加以使用并且无需要求于此所述结构的具体方位。
[0019] 涡轮机喷嘴10包括环形的内部带(band)12和环形的外部带14,这两个带分别限定穿过涡轮机喷嘴10的热气体流动路径的内部边界和外部边界。
[0020] 一系列翼型形状的涡轮机翼片放置在内部带12与外部带14之间。这一系列翼片均包括与一组非结构翼片16B交替的一组结构翼片16A(在图1中以“x”标记)。涡轮机喷嘴10可被视为“混合”结构,这是因为结构翼片16A与非结构翼片16B由具有不同特性的材料制成。
[0021] 每一个结构翼片16A均具有在前缘与后缘之间延伸的相对的凹侧和凸侧,并且在根部端18与尖端20之间延伸。设置足够多的结构翼片16A以便在发动机运转期间维持内部带12与外部带14之间的同心关系,并且用于控制内部带12与外部带14之间的相对热生长。如在本文中所使用的那样,术语“结构的”表示构造成并安装成在内部带12与外部带14之间传递热载荷和/或机械载荷的翼片16A。结构翼片16A与内部带12和外部带14在功能方面是成一整体的,并且可以是单个铸造或锻造部件的一部分,或者可被熔接、铜焊、或机械地固定至内部带12和外部带14。在所示示例中,内部带12和外部带14均是连续的环状结构,但作为选择,带中的一个或两者均可由多个节段构成。在所示具体示例中,存在围绕涡轮机喷嘴10的周向等距离地间隔开的12个结构翼片16A。
[0022] 结构翼片16A由诸如金属合金之类的坚固的易延展的材料制成。例如,出于该目的可使用已知类型的镍基、铁基、或钴基“超级合金”。
[0023] 每一个非结构翼片16B均具有在前缘与后缘之间延伸的相对的凹侧和凸侧,并且在根部端22与尖端24之间延伸。一个或多个非结构翼片16B周向地放置在每一对结构翼片16A之间。在所示具体示例中,存在围绕涡轮机喷嘴10的周向等距离地间隔开的48个非结构翼片16B,并且非结构翼片16B被四个一组成组设置。单个结构翼片16A将相邻组的非结构翼片16B分离开。
[0024] 如在本文中所使用的那样,术语“非结构的”表示构造成并安装成使得它们并不在内部带12与外部带14之间传递显著的热载荷和/或机械载荷的翼片16B。
[0025] 将明白的是,所有的翼片16A和16B都各自受到显著的空气动力学(例如气体压力)载荷的影响,并且必须具有足够大的刚度和屈服强度以便在运转中耐受这些载荷。
[0026] 非结构翼片16B中的每一个均由低延展性的、耐高温的材料制成。适用于非结构翼片16B的材料的一个示例是已知类型的陶瓷基复合(CMC)材料。通常,可购买到的CMC材料包括诸如碳化硅(SiC)之类的陶瓷类纤维,该陶瓷类纤维的形式被诸如氮化硼(BN)之类的顺应材料(compliant material)覆盖住。这些纤维被承载在陶瓷类基体中,该陶瓷类基体的一种形式是碳化硅(SiC)。通常,CMC类材料具有不大于约1%的室温拉伸塑性,该室温拉伸塑性在本文中用于限定并意指低拉伸塑性材料。通常,CMC类材料具有处于约0.4%至约0.7%的范围内的室温拉伸塑性。这与通常具有至少为约5%、例如处于约5%至约15%的范围内的室温拉伸塑性的金属相比较。
[0027] 在该示例中,内部带12结合有形成在其中的一系列翼型形状的不通的根部袋(blind root pocket)26。每一个根部袋26均接收非结构翼片16B中的一个的根部端22。根部袋26被确定尺寸并确定形状,使得其每一个均允许在根部袋26与相关联的非结构翼片16B之间具有小间隙。
[0028] 外部带14结合有形成在其中的一系列孔口28。每一个孔口28均在相邻的结构翼片16A之间居中,并且每一个结构翼片16A均在其尖端20处承载外部带节段30。为每一个孔口28设置弓形盖32。盖32被确定尺寸并确定形状,使得当被安装在孔口28中时,它们与外部带节段30一起形成连续的环形结构。在所示示例中,每一个盖32均具有形成在其中的一系列翼型形状的不通的尖端袋(tip pocket)34;作为选择,每一个盖32均可具有较少数量的尖端袋34,或者可为每一个非结构翼片16B设置单独的盖。每一个尖端袋34均接收非结构翼片16B中的一个的尖端24。尖端袋34被确定尺寸并确定形状,使得其每一个均允许在尖端袋34与相关联的非结构翼片16B之间具有小间隙。
[0029] 如下组装该涡轮机喷嘴10。首先,将非结构翼片16B从外部带14的径向外侧通过孔口28插入,直到它们的根部端22接合根部袋26。接着,将盖32安装到每一个孔口28中。随后,操作非结构翼片16B的尖端24以使其进入盖32的尖端袋34。
[0030] 最后,将盖32固定在孔口28中。这可例如利用已知的铜焊或熔接技术或通过利用机械紧固件(未示出)来实现。在发动机服务之后,可以可选择地移除该盖32,从而允许按照需要更换非结构翼片16B,而无需更换整个喷嘴10。
[0031] 在组装之后,非结构翼片16B被“松散地(loosely)”保持在内部带12与外部带14之间,使得它们能够在诸如约0.25mm(0.010英寸)至约0.5mm(0.020英寸)之类的预定的有限程度上自由运动。在发动机运转期间,非结构翼片16B上的气体压力对它们加载使其抵靠在袋26和34上,从而防止沿纵向(轴向)方向和切向方向的进一步运动,同时允许内部带12和外部带14相对于非结构翼片16B径向地运动。注意,可以在仍旧允许结构翼片与非结构翼片之间的自由热生长的同时更为精确地控制非结构翼片16B的径向和轴向位置所需的任何组合来添加销钉、调整片、孔或其它相似的特征。例如,图5和图6示出了一种构造,在该构造中,销钉33横向穿过非结构翼片16B的根部端22和根部袋26,并且形成为尖端袋34的一部分的肋35接合非结构翼片16B的尖端24的横向槽37。该效果使得非结构翼片16B径向地“跨(ride)”于内部带12,同时允许相对于外部带14的自由径向运动,并且同时防止轴向运动。
[0032] 图3和图4示出了在结构方面与上述涡轮机喷嘴10相似的涡轮机喷嘴110的一部分,示出了可如何安装翼片的变化。喷嘴110包括内部带112、外部带114、和与非结构翼片116B交替的结构翼片116A。
[0033] 每一个结构翼片116A均具有在前缘与后缘之间延伸的相对的凹侧和凸侧,并且在根部端118与尖端120之间延伸。如上所述选择结构翼片116A的数量和位置。结构翼片116A与内部带112和外部带114在功能方面是成一整体的。
[0034] 结构翼片116A由诸如金属合金之类的坚固的易延展的材料制成。例如,出于该目的,可使用已知类型的镍基、铁基、或钴基“超级合金”。
[0035] 每一个非结构翼片116B均具有在前缘与后缘之间延伸的相对的凹侧和凸侧,并且在根部端122和尖端124之间延伸。一个或多个非结构翼片116B周向地放置在每一对结构翼片116A之间。
[0036] 非结构翼片116B中的每一个均由低延展性、耐高温的材料制成。适用于非结构翼片116B的材料的一个示例是如上所述的CMC材料。
[0037] 在该示例中,外部带114结合有形成在其中的一系列不通的尖端袋126。每一个尖端袋126均接收非结构翼片116B中的一个的尖端124。尖端袋126被确定尺寸并确定形状,使得其每一个均允许尖端袋126与相关联的非结构翼片116B之间具有小间隙。
[0038] 内部带112结合有形成在其中的一系列分离部分(split section)。每一个分离部分被定位在相邻的结构翼片116A之间,并包括固定的前部节段128和不连续的后部节段130,该固定的前部节段128与内部带112的邻接部分在功能和结构方面均是成一整体的。
前部节段128和后部节段130沿位于径向-切向平面中的分离线“S”相交。前部节段128限定多个翼型形状的根部袋134的前部部分132,并且后部节段130限定根部袋134的后部部分136。
[0039] 后部节段130被确定尺寸并确定形状,使得当被安装抵靠在前部节段128上时,它们与前部节段128一起形成连续的环状结构。由前部节段和后部节段构成的该构造可在本文中被称之为“分离带”构造。每一个根部袋134均接收非结构翼片116B中的一个的根部端122。根部袋134被确定尺寸并确定形状,使得其每一个均允许在其自身与相关联的非结构翼片116B之间具有小间隙。根部袋134的前部部分132可被沿径向方向制成得比后部部分136深,以有助于安装非结构翼片116B。
[0040] 如下组装涡轮机喷嘴110。首先,将非结构翼片116B从外部带114的径向内侧插入,直到它们的尖端124接合尖端袋126。将非结构翼片116B的根部端122枢转到根部袋134的前部部分132中。随后在根部袋134的后部部分136接收非结构翼片116B的根部端
122的情况下安装该后部节段130。
[0041] 最后,将后部节段130固定于前部节段128。这可例如利用已知的铜焊或熔接技术或通过利用机械紧固件(未示出)来实现。在发动机服务之后,可以可选择地移除后部节段130,从而允许按照需要更换非结构翼片116B,而无需更换整个喷嘴110。
[0042] 注意,由内部带和外部带构成的构造可按照需要改变以适应于具体应用,只要两个带中的一个包括上述特征中的一个即可,从而允许将非结构翼片组装到涡轮机喷嘴中。换言之,涡轮机喷嘴的两个带中的一个会包括孔口和相关联的盖,或前部/后部分离结构。
两个带中的另一个可仅包括不通的袋(blind pocket)、孔口和相关联的盖、或前部/后部分离结构。
[0043] 上述涡轮机喷嘴与现有技术相比具有若干优点。本发明的涡轮机喷嘴与全金属的涡轮机喷嘴相比,通过在金属框架内使用大部分的CMC翼型件而具有较低的重量。该涡轮机喷嘴还可用于减少冷却流,这是因为大部分的翼型件无需空气冷却。
[0044] 该构造使得金属框架能够支配喷嘴的热生长响应,而CMC翼型件能够免于热生长并仅承载空气动力学压力载荷。CMC翼型件在运行状况下通过空气动力学载荷而被安置于内部带和外部带,并且金属带和翼型件支柱将载荷传递至外部壳体,以允许常规悬臂式喷嘴构造。与全金属喷嘴相比,本发明维持了喷嘴组件对于发动机的其余部分的非常相似的热响应。悬臂式喷嘴的其它特征(例如密封件和护罩)可被以与全金属喷嘴相同的方式附接于该复合组件。
[0045] 前述内容已经描述了一种用于燃气涡轮发动机的涡轮机喷嘴。尽管已经描述了本发明的具体实施例,但本领域技术人员将明白的是,可在不背离本发明的精神和范围的情况下对这些具体实施例作出多种改变。因此,仅出于说明的目的而非出于限制的目的提供本发明的优选实施例和用于实施本发明的最佳模式的前述描述。
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