CN107636256A - 涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供的涡轮，能够以简单的构造抑制施加于涡轮静翼的热应力，并且将气体流路的较大范围用CMC构成，其结果能够实现喷气式发动机进一步的性能提高、改善油耗。借助由金属材料构成的吊架(12)的前卡止部(12b)和后卡止部(12c)，将外带部(21)的前部(21b)和后部(21c)相对于涡轮静翼(11)卡止，将该吊架(12)安装于由金属材料构成的涡轮机匣(2)，所述涡轮静翼(11)以翼部(20)、外带部(21)以及内带部(22)连续的形状且由CMC构成。

Description

涡轮

技术领域

本发明涉及将由陶瓷基复合材料构成的涡轮静翼安装于涡轮机匣的涡轮。

背景技术

例如在飞机用喷气式发动机中，涡***露于来自燃烧室的高温高压气体中。因此涡轮静翼等涡轮部件主要使用具有高耐热性的镍(Ni)合金(金属材料)的铸件。

另一方面，近年来在研究将比金属材料耐热性高且轻质的陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites：以下称为CMC)应用于涡轮部件。

例如，在专利文献1中公开了一种将由CMC构成的翼部安装于形成气体流路的径向的内侧和外侧的金属制平台的涡轮。

专利文献1：日本特开2007-85342号公报

在上述专利文献1中，形成气体流路的平台为金属材料，但为了实现喷气式发动机进一步的性能提高、改善油耗，希望将也包括平台部分在内的较大范围用CMC构成。

然而，CMC通常是将由陶瓷纤维构成的织物进行折弯而成形，并使其浸渍陶瓷基质而制造，因此形状受到制约。例如，CMC难以成形为具有分支部分等的复杂的形状，即使能够成形，也有可能导致强度降低等，进而有可能导致作业工时、成本的增加。

另外，在将安装于涡轮机匣的涡轮部件单纯地从以往的金属制涡轮部件替换为CMC制涡轮部件的情况下，由于金属材料与CMC的线性热膨胀系数有很大差异，因此存在对线性热膨胀系数小的涡轮部件施加较大的热应力的问题。

本发明的实施方式是为了解决这样的问题所做出的，其目的在于提供如下的涡轮，该涡轮能够以简单的构造，抑制对作为涡轮部件的涡轮静翼施加的热应力，并且将气体流路的尽量大的范围用CMC构成，其结果能够实现喷气式发动机进一步的性能提高、改善油耗。

发明内容

为了实现上述目的，本发明的实施方式的涡轮是喷气式发动机的涡轮，具备：涡轮静翼，其由陶瓷基复合材料构成，具有：相对于所述喷气式发动机的轴心沿径向延伸的翼部、从所述翼部的外端连续并相对于所述喷气式发动机的轴心向周向的一侧延伸的外带部、以及从所述翼部的内端连续并向所述周向的一侧延伸的内带部，所述涡轮静翼绕所述喷气式发动机的轴心排列多个而构成涡轮喷嘴；支承部件，其由金属材料构成，具有：前卡止部，该前卡止部将所述外带部中位于气体上游侧的前部卡止；后卡止部，该后卡止部将所述外带部中位于气体下游侧的后部卡止；以及涡轮机匣，其由金属材料构成，供所述支承部件安装。

根据使用上述手段的本发明的实施方式，借助由金属材料构成的支承部件将涡轮静翼卡止，从而将该支承部件安装于由金属材料构成的涡轮机匣，所述涡轮静翼以翼部、外带部及内带部连续的形状并由CMC构成。由此能够以简单的构造抑制施加于涡轮静翼的热应力，并且将气体流路的尽量大的范围用CMC构成，其结果能够实现喷气式发动机进一步的性能提高、改善油耗。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式的涡轮的一部分的局部剖视图。

图2是涡轮喷嘴分割体的立体图。

图3是涡轮静翼单体的立体图。

图4是将分割体分解为涡轮静翼、吊架及吊架密封件的立体图。

图5是将分割体的密封部件分解后的立体图。

图6A是示出分割体的外带部的端面的立体图。

图6B是沿着图6A的A-A线的剖视图。

具体实施方式

以下基于附图说明本发明的实施方式。

图1至图6B示出本发明的涡轮的一个实施方式，在该实施方式中，以构成喷气式发动机的低压涡轮为例进行说明。另外，在以下的说明中，沿着喷气式发动机的轴心方向将气体上游侧设为前方，将气体下游侧设为后方，将绕轴心的方向设为周向，将相对于轴心垂直的方向设为径向，在该径向上将轴心侧设为内侧，将与轴心相反的一侧设为外侧进行说明。

如图1所示，构成喷气式发动机的低压涡轮1具备由金属材料(例如镍合金)构成的涡轮机匣2。在该涡轮机匣2内，沿发动机轴心方向(图示左右方向)隔开适当间隔地配置有绕发动机轴心旋转的多层涡轮圆盘(省略图示)，在这些涡轮圆盘的各周缘部，分别配置有多个涡轮叶片3。

多层涡轮圆盘以相互一体旋转的方式连结，并且这些涡轮圆盘与配置于喷气式发动机的前部的未图示的低压压缩机的压缩机转子以及风扇的风扇转子一体地连结。即，在该低压涡轮1中通过来自未图示的燃烧器的高温气体的膨胀而使多层涡轮圆盘旋转，由此获得驱动力，从而使多层低压压缩机转子以及风扇转子一体地旋转。

此外，在涡轮机匣2内，多层(图1中仅示出一层)涡轮喷嘴4沿发动机轴心方向隔开适当间隔，与多层涡轮圆盘交替地配置。

涡轮喷嘴4由多个涡轮喷嘴分割体(以下称为分割体)10构成。如图2所示，分割体10主要具备多个(在本实施方式中为三个)涡轮静翼11、吊架12(支承部件)以及多个密封部件13。

详细而言，涡轮静翼11由陶瓷基复合材料(以下称为CMC)构成。作为CMC所使用的增强纤维，例如为碳化硅纤维、碳纤维、氮化硅纤维、氧化铝纤维及氮化硼纤维中的任一个，但也可以是其他由适当的陶瓷构成的纤维，还可以是它们的两种以上的混合物。

涡轮静翼11根据确保强度所需的厚度，优选使用增强纤维以三维方式织成的三维织物。或者也可以使用层叠多个二维织物而成的织物、层叠多个二维织物并用增强纤维相互缝合而成的织物。织物的方向考虑施加于涡轮静翼11的应力的方向来选择。

涡轮静翼11是将由增强纤维构成的一块织物预成形，通过浸渍、烧结等工序形成陶瓷并与织物一体化后，进行机械加工所制造出的。

如图3所示，单体的涡轮静翼11整体呈大致コ字形状。详细而言，涡轮静翼11具有：翼部20，其沿径向延伸；外带部21，其从翼部20的径向外端向翼部20的腹面20a侧弯曲并向周向一侧延伸；内带部22，其从翼部20的径向内端向翼部20的腹面20a侧弯曲并向周向一侧延伸。

外带部21的前部21b相对于形成气体流路的基部21a，朝向径向外侧倾斜并延伸。并且外带部21的后部21c相对于基部21a朝向径向外侧倾斜，并且顶端部分沿轴心方向突出，端面呈大致S字状。

内带部22的前部22b相对于形成气体流路的基部22a而向径向内侧弯曲并延伸，后部22c向径向内侧略微突出。

外带部21和内带部22各自的周向一侧的端面21d、22d，呈与翼部20的背面20b的形状匹配的圆弧状。由此如图2所示，在作为分割体10组合有多个涡轮静翼11时，各涡轮静翼11的外带部21和内带部22彼此紧密接触。然后对外带部21和内带部22彼此接合的部分实施钎焊。

吊架12是金属材料(例如镍合金)，如图1、图2、图4所示，其位于分割体10的径向外侧，将分割体10卡止并且安装于涡轮机匣2。详细而言，吊架12形成有基部12a，该基部12a与分割体10的外周面隔开间隔并且覆盖该外周面，在该基部12a的前边形成有前卡止部12b，该前卡止部12b将各涡轮静翼11的外带部21的前部21b卡止。另外，在基部12a的后边形成有后卡止部12c，该后卡止部12c将各涡轮静翼11的外带部21的后部21c卡止。

各卡止部12b、12c在吊架12的内表面侧形成朝向轴心方向中央开口的槽状，使外带部21的前部21b沿周向在前卡止部12b的槽部分滑动，使外带部21的后部21c沿周向在后卡止部12c的槽部分滑动，由此能够卡止外带部21。

另外，在吊架12的外表面侧形成有：从前卡止部12b进一步向斜前方延伸的前缘12d、和从轴心方向中央部分向径向外侧延伸的后缘12e。另外，在后缘12e形成有多个贯通孔12f(参见图1、图6A)。

这样构成的吊架12，后缘12e的顶端部分卡合于涡轮机匣2的卡合部2a，销14***该卡合部2a以及贯通孔12f，从而吊架12被安装于涡轮机匣2。即，吊架12由卡合部2a限制轴心方向的移动，并由销14限制周向和径向的移动。

另一方面，例如如图2所示，在分割体10的径向内侧，在多个涡轮静翼11中的一部分涡轮静翼11(在图2中为最左侧的涡轮静翼)的内带部22的前部22b的顶端，形成有切口22e。而且分割体10如图1所示，各涡轮静翼11的内带部22的前部22b卡合于轴心侧支承部15的卡合部15a，销16***该卡合部15a以及切口22e，从而分割体10被安装于该轴心侧支承部15。即，内带部22由卡合部15a限制轴心方向的移动，并由销16限制周向的移动。

本实施方式的密封部件13具有：钩密封件30、吊架密封件31、外密封件32以及内密封件33。

如图1所示，钩密封件30夹装于涡轮静翼11的外带部21与吊架12之间，将外带部21的前部21b与吊架12的前卡止部12b之间以及外带部21的后部21c与吊架12的后卡止部12c之间密封。

详细而言，如图4所示，钩密封件30的基部30a由四边和十字骨架构成，钩密封件30的前边30b以及后边30c配合吊架12的前卡止部12b以及后卡止部12c的槽形状而弯曲。

在钩密封件30的后边30c的两个部位形成有切口30d。另外，与该切口30d对应地在吊架12的后卡止部12c的上表面形成有贯通孔12g(参见图1、图6A)，在一部分涡轮静翼11(在图4中为两端的涡轮静翼)的外带部21的后部21c形成有切口21e。分割体10通过将销17***上述切口30d、21e以及贯通孔12g，由此限制钩密封件30和各涡轮静翼11相对于吊架12的周向的移动。

另外，考虑由CMC构成的涡轮静翼11和由金属材料构成的吊架12的各热膨胀之差，外带部21的前部21b与吊架12的前卡止部12b的间隙、外带部21的后部21c与吊架12的后卡止部12c的间隙以及钩密封件30的厚度等，以在喷气式发动机运转时的高温状态下，抑制施加于涡轮静翼11的热应力并且防止气体泄露的方式设定。

另外，吊架密封件31、外密封件32以及内密封件33是将相邻的分割体10彼此的间隙密封的部件。详细而言，如图5、图6A以及图6B所示，吊架密封件31设置于在吊架12的周向端面形成的密封用槽。并且在吊架密封件31的弯曲部分层叠有辅助密封件31a。

外密封件32设置于钩密封件30的基部30a与外带部21的径向外侧面之间、以及形成于外带部21的后部21c的周向端面的密封用槽。内密封件33设置于内带部22的径向内侧面、和形成于内带部22的前部22b的周向端面的槽。

这样，在本实施方式的涡轮中，涡轮静翼11包括形成气体流路的外带部21和内带部22，并且整体呈连续的コ字状，从而能够是以一块织物成形的简单的构造，并且由CMC构成气体流路的绝大部分。

而且，外带部21的前部21b与吊架12的前卡止部12b卡止，外带部21的后部21c与吊架12的后卡止部12c卡止，涡轮静翼11经由该吊架12被安装于涡轮机匣2。吊架12与涡轮机匣2同样，由金属材料构成，在吊架12与涡轮机匣2之间不会产生热应力的问题，因此例如即使对于安装有金属制的涡轮静翼的涡轮机匣2，将吊架12形成为与金属制的涡轮静翼相同的安装构造，也无需对涡轮机匣两侧的安装构造施加变更就能够经由吊架12来安装以CMC为主体的分割体10。而且通过适当地设定吊架12的各卡止部12b、12c与外带部21的前部21b以及后部21c的间隙，从而无需过度地限制涡轮静翼11，就能够抑制施加于涡轮静翼11的热应力。

此外，在吊架12的各卡止部12b、12c与外带部21的前部21b以及后部21c的间隙处设置钩密封件30，并且在分割体10彼此之间设置吊架密封件31、外密封件32以及内密封件33，从而能够防止气体从气体流路流出。

另外，吊架12的各卡止部12b、12c呈槽状，通过使外带部21的前部21b以及后部21c沿周向在该卡止部12b、12c滑动，从而能够进行卡止，因此能够以容易的作业并且可靠地支承涡轮静翼11。

这样，根据本实施方式的涡轮，能够以简单的构造，抑制施加于涡轮静翼的热应力，并且由CMC构成气体流路的较大范围，其结果能够实现喷气式发动机进一步的性能提高、改善油耗。

以上完成对本发明的涡轮的说明，但实施方式不局限于上述实施方式。

例如在上述实施方式中，将涡轮设为喷气式发动机的低压涡轮，但本发明只要是具有涡轮静翼的喷气式发动机的涡轮，则能够应用而不限定形式等。

另外，在上述实施方式中，吊架12的后缘12e与涡轮机匣2的卡合部2a卡合，销14***贯通孔12f，从而吊架12被安装于涡轮机匣2，但吊架12与涡轮机匣2的安装构造并不局限于此。

另外，在上述实施方式中，作为密封部件13，设置有钩密封件30、吊架密封件31、外密封件32以及内密封件33，但密封部件的形状、数量、配置等并不局限于此。

(本发明的方式)

本发明的第一方式的涡轮，是喷气式发动机的涡轮，具备：涡轮静翼，其由陶瓷基复合材料构成，具有：相对于所述喷气式发动机的轴心沿径向延伸的翼部、从所述翼部的外端连续并相对于所述喷气式发动机的轴心向周向的一侧延伸的外带部、以及从所述翼部的内端连续并向所述周向的一侧延伸的内带部，所述涡轮静翼绕所述喷气式发动机的轴心排列多个而构成涡轮喷嘴；支承部件，其由金属材料构成，具有：前卡止部，该前卡止部将所述外带部中位于气体上游侧的前部卡止；后卡止部，该后卡止部将所述外带部中位于气体下游侧的后部卡止；以及涡轮机匣，其由金属材料构成，供所述支承部件安装。

第二方式的涡轮，在上述第一方式的基础上，所述涡轮具备密封部件，该密封部件夹装于所述外带部与所述支承部件之间，至少将所述外带部的前部与所述支承部件的前卡止部之间以及所述外带部的后部与所述支承部件的后卡止部之间密封。

第三方式的涡轮，在上述第一方式或者第二方式的基础上，所述支承部件的前卡止部和后卡止部具有槽，使所述外带部的前部沿所述周向在所述前卡止部的槽滑动，使所述外带部的后部沿所述周向在所述后卡止部的槽滑动，从而能够卡止所述外带部。

附图标记说明：1…低压涡轮；2…涡轮机匣；2a…卡合部；3…涡轮叶片；4…涡轮喷嘴；10…涡轮喷嘴分割体；11…涡轮静翼；12…吊架(支承部件)；12a…基部；12b…前卡止部；12c…后卡止部；13…密封部件；20…翼部；21…外带部；22…内带部；30…钩密封件；31…吊架密封件；32…外密封件；33…内密封件。

Claims (4)

1.一种涡轮，是喷气式发动机的涡轮，其特征在于，具备：

涡轮静翼，其由陶瓷基复合材料构成，具有：相对于所述喷气式发动机的轴心沿径向延伸的翼部、从所述翼部的外端连续并相对于所述喷气式发动机的轴心向周向的一侧延伸的外带部、以及从所述翼部的内端连续并向所述周向的一侧延伸的内带部，所述涡轮静翼绕所述喷气式发动机的轴心排列多个而构成涡轮喷嘴；

支承部件，其由金属材料构成，具有：前卡止部，该前卡止部将所述外带部中位于气体上游侧的前部卡止；后卡止部，该后卡止部将所述外带部中位于气体下游侧的后部卡止；以及

涡轮机匣，其由金属材料构成，供所述支承部件安装。

2.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，

所述涡轮具备密封部件，该密封部件夹装于所述外带部与所述支承部件之间，至少将所述外带部的前部与所述支承部件的前卡止部之间以及所述外带部的后部与所述支承部件的后卡止部之间密封。

3.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，

所述支承部件的前卡止部和后卡止部具有槽，使所述外带部的前部沿所述周向在所述前卡止部的槽滑动，使所述外带部的后部沿所述周向在所述后卡止部的槽滑动，从而能够卡止所述外带部。

4.根据权利要求2所述的涡轮，其特征在于，

所述支承部件的前卡止部和后卡止部具有槽，使所述外带部的前部沿所述周向在所述前卡止部的槽滑动，使所述外带部的后部沿所述周向在所述后卡止部的槽滑动，从而能够卡止所述外带部。