CN115443370A - 用于涡轮发动机的涡轮 - Google Patents

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西蒙·尼库拉斯·莫利埃雷
尼库拉斯·金-马克·马塞尔·博昆
斯泰凡·西尔万·博伊斯
塞巴斯蒂恩·菲利普·埃迪思·布尔盖奥伊斯
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Abstract

本发明涉及用于涡轮发动机的涡轮(1)，其沿着轴线延伸，所述涡轮包括环形壳体(4)和至少一个涡轮级(1)，所述至少一个涡轮级包括喷嘴(2)和被密封环(10)环绕的转子叶轮(5)，所述密封环包括可磨耗元件，所述叶轮(5)和所述密封环(10)位于所述喷嘴(2)的下游，所述密封环(10)具有通过锁定构件(12、12a)固持在所述壳体(4)上的上游端，所述涡轮具有与所述锁定构件(12、12a)以及与所述喷嘴或所述壳体(4)接触的弹性密封构件(48)以抵着所述密封环(10)按压所述锁定构件(12、12a)，所述锁定构件包括具有大体C形横截面的径向外部部分(12a)和从所述外部部分(12a)朝内径向延伸的径向部分(12b)，其中，所述密封构件包括分别在所述径向部分(12b)的任一侧上支承在所述径向部分(12b)上的两个弹性密封件(48、49)。

Description

用于涡轮发动机的涡轮
技术领域
本发明涉及用于例如飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机等涡轮发动机的涡轮。
背景技术
涡轮发动机常规地在涡轮发动机中的气流的方向上从上游向下游包含风扇、低压压缩机、高压压缩机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和排气射流喷嘴。
图1和2中示出根据现有技术的涡轮发动机的低压涡轮1。所述涡轮发动机包含四个级，其各自包括由涡轮1的外部壳体4承载的环形行的固定叶片3形成的喷嘴2，以及位于喷嘴2下游的叶轮5。
轮5包含相对于彼此轴向组装的盘片6，以及环形夹具7和支承径向轮叶8。这些轮5借助于紧固到盘片6的环形夹具7的驱动锥9连接到未图示的涡轮轴杆。
术语轴向、径向和周向相对于涡轮发动机轴线限定，涡轮发动机轴线与低压涡轮1的轴线汇合。
每个轮5的外部被由可磨耗材料制成的密封环10环绕，存在较小间隙。环10由借助于锁定部件12周向地紧固到涡轮1的壳体4的分区形成。每个分区包含径向外支撑件13，和紧固到支撑件13的可磨耗材料的径向内部块14。
喷嘴2包括径向内壳层15和外壳层16，其在其间界定涡轮1中的环形气流射流17，且叶片3在其间延伸。
支撑件13包含啮合在壳体4的上游轨道20的凹槽19中的上游突片18。突片18使用大体C形状的锁定部件12固持在凹槽19中的适当位置。锁定部件12由完全位于上游的喷嘴2的外壳层16的下游边缘21轴向固持。
此下游边缘21包含啮合在由壳体11的轨道24形成的凹槽23中的轴向部分22。此外，弹性密封部件25安装于壳体4和所述下游边缘21之间，所述部件趋向于在支承在锁定部件12上的情况下朝向下游推回所述边缘21。
支撑件13的下游端借助于位于下游的喷嘴2保持支承在壳体4的下游轨道26上。
转子轮叶8包含径向外部平台27，与可磨耗材料块14协作的条带28从所述径向外部平台延伸以形成动态密封。
为了改进涡轮发动机的性能，有必要限制位于密封环10、壳体4和喷嘴2(上游和下游)之间的区中的泄漏流。就此而言，上游环形密封板29安装在密封环10的支撑件13上且在上游方向中在形成于密封环10的上游端和下游边缘21之间的间隙中延伸。
此外，下游环形密封板30安装于支撑件13的下游端和壳体4的下游轨道26之间，所述下游板30在上游方向中在支撑件13和壳体4之间延伸，以在形成于这些元件之间的环形空间中延伸。
板29、30由角分区形成，所述角分区周向地端对端放置以在整个圆周上形成密封。然而，板29、30的周向端之间不存在重叠，使得在操作中在板29、30的不同分区之间出现泄漏流。
有必要确保这些板29、30处的良好密封。
此外，已经观察到，位于下游的喷嘴2经受较高的热机械应力。此应力尤其是归因于喷嘴2的外壳层16的径向内部区和下游边缘21的径向外端之间的温差。此应力不仅影响外壳层16，而且影响叶片3。还期望将锁定部件12可靠地固持在适当位置以改进喷嘴2、壳体4和密封环10之间的分界面处的密封。
发明内容
本发明的目的是简单地、可靠地且以低成本矫正上文列举的缺点。
为此，本发明涉及用于涡轮发动机的涡轮，其沿着轴线延伸，所述涡轮包含环形壳体和至少一个涡轮级，所述至少一个涡轮级包括喷嘴和被包含可磨耗元件的密封环环绕的转子叶轮，所述叶轮和所述密封环位于所述喷嘴的下游，所述密封环包含通过锁定构件固持在壳体上的上游端，所述涡轮的特征在于，其包含与锁定构件以及与喷嘴或壳体接触的弹性密封构件以抵着密封环按压锁定构件。
术语轴向、径向和周向相对于涡轮发动机轴线限定，涡轮发动机轴线与低压涡轮的轴线汇合。
密封构件还执行固持锁定构件的功能。
借助于弹性密封构件，锁定构件固持在适当位置，这确保改进密封。
密封构件可包含至少一个轴向可变形环形密封件。
可变形(尤其是可弹性变形)密封件的使用使得有可能允许元件相对于彼此略微轴向移动。此可变形密封件还可执行轴向返回功能且可施加轴向力。
锁定构件可包含具有大体C形横截面的部分。
密封构件可包含径向位于具有大体C形横截面的部分内部的至少一个环形密封件。
锁定构件可包含具有大体C形横截面的径向外部部分和从所述外部部分朝内径向延伸的径向部分，所述密封构件包含分别在径向部分的任一侧上支承在所述径向部分上的两个弹性密封件。
密封环可包括向上游轴向延伸的部分，其定位成至少部分地轴向面朝锁定构件和/或密封构件。
所述轴向延伸部分可从锁定构件和/或密封构件向上游轴向延伸。
密封环可分区且可包含端对端布置在圆周上的多个分区，密封元件在周向邻近的环分区的端部之间延伸。
密封元件可由条带或箔片形成。
密封元件可至少位于密封环的向上游轴向延伸的部分中。
因此，密封元件使得有可能改进密封构件和锁定构件的防热性，从而防止它们经受来自气流射流的热气体。
喷嘴可包含通过径向叶片连接的径向外壳层和径向内壳层，所述外壳层包含从外壳层朝外径向延伸且安装在壳体上的至少一个下游边缘，所述边缘至少部分朝向锁定构件轴向延伸。
喷嘴可包含通过径向叶片连接的径向外壳层和径向内壳层，所述外壳层包含从外壳层朝外径向延伸且安装在壳体上的至少一个下游边缘，所述下游边缘的径向外端径向位于锁定构件内部。
以此方式，有可能减小边缘的径向尺寸，这限制了在操作中尤其归因于温度梯度或温差效应而施加到喷嘴的热机械应力。密封环可包含通过锁定构件固持成径向支承以及轴向支承在壳体的一部分上的突片。
因此，所述突片用于形成径向止挡件和轴向止挡件，突片相对于壳体的定位由锁定构件实现。
根据本发明的涡轮可单独地或组合地包含以下特征中的一个或多个，条件是特征的组合技术上兼容：
-密封构件为环形且连续的，以确保整个圆周上的密封，这与现有技术的不连续的密封构件不同，不连续的密封构件是分区化的且不具有周向重叠，
-密封构件至少部分径向位于锁定构件内部，以归因于其相对于所述锁定构件的径向内部位置而保护锁定构件。确切地说，密封构件使得有可能限制锁定构件被来自源自燃烧室且通过涡轮的气流射流的热气体泄漏流加热。
-喷嘴是分区化的，
-喷嘴的外壳层包含各自从外壳层朝外径向延伸的上游边缘和下游边缘，
-外壳层的径向内表面为截头圆锥形且在下游方向中向外展开。此表面既定界定涡轮中的气流射流。
-上游边缘安装在壳体的轨道上，
-下游边缘安装在壳体的轨道上
-壳体包含截头圆锥形部分，每个轨道在所述截头圆锥形部分内部径向延伸，
-每个轨道在下游方向中从所述截头圆锥形部分延伸，
-上游边缘的径向外端径向支承在壳体的上游轨道上，
-下游边缘的一部分(例如径向外端)径向支承在壳体的下游轨道上，
-下游边缘包含在上游方向中从所述下游边缘的径向部分延伸的轴向部分，所述轴向部分形状上互补地啮合在设置于壳体中的凹槽中，
-轮缘和轨道的径向支撑件由圆柱形表面形成，
-壳体包含彼此紧固的上游部分和下游部分，
-壳体的上游部分环绕喷嘴，
-壳体的下游部分环绕密封环和叶轮，
-上游部分和下游部分彼此紧固在所述部分的径向夹具处，
-所述壳体包含用于安装密封环的上游突片的上游轨道，
-所述壳体包含用于安装密封环的下游区的下游轨道，
-用于安装密封环的上游轨道在上游方向中轴向延伸，
-密封环包含上游突片，其包括支承在相应上游轨道的径向内圆柱形表面上的圆柱形表面，和支承在相应上游轨道的上游径向表面上的径向表面，
-密封环的下游区包含支承在相应下游轨道的互补圆柱形表面上的圆柱形表面，
-密封环包含径向外支撑件，和紧固到支撑件的可磨耗材料的径向内部块，
-密封元件啮合在设置于密封环分区的周向端处的槽中。
-密封元件沿着分区的轴向尺寸的大部分延伸，例如沿着所述轴向尺寸的至少50％，优选地至少80％延伸，
-密封环包含径向内表面，其至少包含上游圆柱形区和下游圆柱形区，上游区的直径小于下游区的直径，
-叶轮的每个轮叶包含外部平台，至少上游条带和下游条带从所述外部平台朝外径向延伸，
-外部平台为截头圆锥形，且在下游方向中向外展开，
-上游条带与密封环的上游圆柱形区协作，下游条带与下游圆柱形区协作，
-涡轮包含至少一个锁定部件，例如沿着圆周规则地分布的若干锁定部件，每个锁定部件包含大体C形锁定区，
-锁定区包含通过径向基底连接的径向外部轴向分支和径向内部轴向分支，
-径向外部分支径向支承在壳体的相应上游轨道的径向外表面上，
-径向内部分支支承在密封环的上游突片上，
-内部和外部分支使得有可能保持突片径向支承在相应上游轨道上，
-基底支承在突片的上游端上，以在壳体的相应上游轨道的上游端上按压突片的上游端，
-突片包含在上游方向中从密封环的主区延伸的轴向延伸部分，所述轴向部分径向支承在壳体的相应上游轨道上，
-突片包含从突片的径向部分的上游端朝外径向延伸的部分，
-所述径向部分能够支承在壳体的上游轨道的上游端上，
-锁定部件包含从锁定区朝内径向延伸的定位或中心区。锁定构件仅表示锁定区，而不表示定位和中心区。
-锁定区和定位区由一个单件形成，或另一方面，由彼此紧固的至少两个单件形成，
-定位区可包含从锁定区朝内径向延伸的部分，以及在所述径向部分的径向内端的任一侧上轴向延伸的圆柱形部分，
-第一环形密封部件在喷嘴的下游边缘的径向面和定位区之间轴向延伸，
-第二环形密封部件在定位区和密封环的径向面之间轴向延伸，
-第一环形部件和/或第二环形部件可在轴向方向上弹性变形，
-第一环形部件和/或第二环形部件具有大体ω或W形横截面。
-第一和第二密封部件属于密封构件，
-环形边缘在下游方向中从喷嘴的下游边缘的径向面轴向延伸，
-环形边缘在上游方向中从密封环的径向面轴向延伸，
-或者，第一环形密封部件在锁定构件(例如锁定区的基底和壳体的径向面)之间轴向延伸，
-第二密封部件在密封环的径向面和壳体的径向面之间轴向延伸，
-第一密封部件和/或第二密封部件容纳于壳体的凹槽中，
-第一密封部件和第二密封部件相对于彼此轴向偏移，
-喷嘴的下游边缘的径向外端径向位于第一密封部件、第二密封部件和/或锁定构件内部，
-中间元件从下游边缘向下游安装在壳体上，
-内部元件借助于至少一个定位或中心块而相对于下游边缘定位，
-所述中间元件径向延伸。中间元件而非大径向尺寸的下游边缘的使用使得有可能限制涡轮的不同区之间的热差效应，
-中间元件的径向外周边紧固在壳体的第一部分的径向夹具和壳体的第二部分的径向夹具之间，
-中间元件包含在上游方向中延伸的径向支承在壳体的圆柱形表面上的轴向边缘，
-例如具有W或ω形横截面的例如可在径向方向上弹性变形的环形密封部件安装于下游边缘和中间元件之间，
-所述密封部件安装于中间元件的凹槽中，
-第一密封部件和第二密封部件位于同一径向平面中，
-密封板安装于密封环的外周边和壳体之间，
-密封板包含紧固在密封环的外周边处的上游端，以及径向安装在密封环和壳体的相应下游轨道之间的下游端。
本发明还涉及一种包含上文列举的涡轮的涡轮发动机。
本发明还涉及一种包含上文列举的类型的涡轮或涡轮发动机的飞行器。所述飞行器例如为飞机。
附图说明
[图1]是涡轮发动机的涡轮的轴向截面半视图，
[图2]是根据现有技术的涡轮的一部分的截面图，
[图3]是根据本发明的第一实施例的涡轮的一部分的截面图，
[图4]是根据本发明的第二实施例的涡轮的一部分的截面图，
[图5]是根据本发明的第三实施例的涡轮的一部分的截面图。
具体实施方式
图3示出根据本发明的第一实施例的涡轮1的一部分。所述涡轮包含环形壳体4和至少一个涡轮级，所述至少一个涡轮级包括喷嘴2以及被密封环10环绕的叶轮5，叶轮5和环10位于喷嘴2的下游。
喷嘴2是分区化的。喷嘴2的外壳层16包含各自从外壳层16朝外径向延伸的上游边缘31(图4中所见)和下游边缘21。
外壳层16的径向内表面32为截头圆锥形且在下游方向中向外展开。此表面32既定界定涡轮1中的气流射流17。
上游边缘31安装在壳体4的上游轨道32上。类似地，下游边缘21安装在壳体4的下游轨道24上。
壳体4包含分别上游4a和下游4b两个部分，其各自包括截头圆锥形壁和紧固夹具33、34。
壳体4的上游部分4a环绕喷嘴2。壳体4的下游部分4b环绕密封环10和叶轮5。
两个部分4a、4b彼此紧固在夹具33、34处。每个轨道32、24在第一部分4a的截头圆锥形壁内部径向延伸。每个轨道32、24在下游方向中从所述截头圆锥形壁延伸。
上游边缘31的径向外端径向支承在第一部分4a的上游轨道32的径向外圆柱形表面上。
下游边缘21的一部分(例如径向外端22)径向支承在壳体4的下游轨道24上。确切地说，下游边缘21包含在上游方向中从所述下游边缘21的径向部分延伸的轴向部分22，所述轴向部分22形状上互补地啮合在设置于壳体4中且形成下游轨道24的凹槽23中。
壳体4的第二部分4b包含用于安装密封环10的上游突片18的上游轨道20。此外，壳体4的部分4b包含用于安装密封环10的下游区的下游轨道26。
上游轨道20在上游方向中轴向延伸。密封环10的下游区包含支承在下游轨道26的互补圆柱形表面上的圆柱形表面。
密封环10包含径向外支撑件13，和紧固到支撑件13的可磨耗材料的径向内部块14。
密封环10是分区化的。例如条带或箔片等密封元件36啮合在设置于密封环10的分区的周向端处的槽中。
密封元件36沿着分区的轴向尺寸的大部分延伸，例如沿着所述轴向尺寸的至少50％，优选地至少80％延伸。
密封环10包含径向内表面，其至少包含上游圆柱形区37和下游圆柱形区38，上游区37的直径小于下游区38的直径。
叶轮5的每个轮叶8包含外部平台39，至少上游条带40和下游条带41从所述外部平台朝外径向延伸。外部平台39为截头圆锥形，且在下游方向中向外展开，上游条带40与密封环10的上游圆柱形区37协作，下游条带41与下游圆柱形区38协作。
涡轮1包含至少一个锁定部件12，例如沿着圆周规则地分布的若干锁定部件12，每个锁定部件12包含大体C形锁定区12a。
锁定区12a包含通过径向基底44连接的径向外部轴向分支42和径向内部轴向分支43。径向外部分支42径向支承在壳体4的相应上游轨道20的径向外表面上。径向内部分支43支承在密封环10的上游突片18上。内部43和外部42分支使得有可能保持突片18支承在相应上游轨道20上。基底44支承在突片的上游端18上，以在壳体4的相应上游轨道20的上游端上按压突片18的上游端。
密封环10的突片18包含在上游方向中从密封环10的主区轴向延伸的部分18a，所述轴向部分18a径向支承在壳体4的相应上游轨道20上。此外，突片18包含从突片18的径向部分18a的上游端朝外径向延伸的部分18b。所述径向部分18b能够支承在壳体4的上游轨道20的上游端上。
锁定部件12包含从锁定区12a朝内径向延伸的定位或中心区12b。
锁定区12a和定位区12b由一个单件形成，或另一方面，由彼此紧固的至少两个单件形成。定位区12b包含从锁定区12a朝内径向延伸的部分45，以及在所述径向部分45的径向内端的任一侧上轴向延伸的圆柱形部分46。
第一环形密封部件48在喷嘴2的下游边缘21的径向面和定位区12b之间轴向延伸。第二环形密封部件49在定位区12b和密封环10的径向面之间轴向延伸。第一环形部件48和/或第二环形部件49可在轴向方向上弹性变形。第一环形部件48和/或第二环形部件49具有大体ω或W形横截面。
环形边缘50边缘在下游方向中从喷嘴2的下游边缘21轴向延伸。环形边缘51边缘在下游方向中从密封环10轴向延伸。边缘50、51径向位于密封部件48、49外部。
密封环10包含在上游方向中轴向延伸的部分52，其至少部分地朝向密封部件48、49和锁定部件12定位。密封元件36还在轴向部分52中延伸。
应注意，分别在下游边缘21、径向部分45和上游突片18中形成孔或孔洞21a、45a和18c，这些孔或孔洞允许冷却或通风空气流的流动。
密封部件48、49和密封元件36确保整个圆周上的密封，这与现有技术的不连续的密封构件不同，不连续的密封构件是分区化的且不具有周向重叠。密封部件和元件48、49、36还使得有可能归因于其相对于所述锁定构件12a的径向内部位置而保护锁定构件12a。确切地说，其使得有可能限制锁定构件12a被来自源自燃烧室且通过涡轮1的气流射流17的热气体泄漏流加热。
此外，此结构适合于经由上游安装涡轮1的上文列举的元件。
图4示出本发明的第二实施例，其不同于上文参考图3所描述的实施例之处在于下文中描述的特征。在此实施例中，锁定部件12仅包含C形锁定区12a。
第一环形密封部件48在锁定部件12的基底44和壳体4的径向面之间轴向延伸。第二密封部件49在密封环10的径向面和壳体4的径向面之间轴向延伸。第一密封部件48容纳于壳体4的凹槽53中。第一密封部件48和第二密封部件49相对于彼此轴向偏移。
由轴向部分22形成的喷嘴2的下游边缘21的径向外端径向位于第一密封部件48、第二密封部件49和锁定部件12内部。一些部分可呈圆齿状，即包含中空区，以促进空气流。分别在壳体和上游突片18中形成孔或孔洞4b和18c，这些孔或孔洞允许冷却或通风空气流的流动。
图5示出第三实施例，其不同于上文参考图3和4所描述的实施例之处在于，中间元件54从喷嘴2的下游边缘21向下游安装在壳体4上。中间元件54借助于至少一个定位或中心块55相对于下游边缘21定位。所述中间元件54径向延伸。中间元件54的径向外周边紧固在壳体4的第一部分4a的径向夹具33和壳体4的第二部分4b的径向夹具34之间。
中间元件54包含在上游方向中延伸的径向支承在壳体4的圆柱形表面上的轴向边缘56。
环形密封部件57安装于下游边缘21和中间元件54之间。所述密封部件57安装于中间元件54的凹槽58中。第一密封部件48和第二密封部件49位于同一径向平面中。如果意图使用ω型密封件，则有可能将凹槽置于中间元件54上。
分别在中间元件54和上游突片18中形成孔或孔洞54a和18c，这些孔或孔洞允许冷却空气流或通风空气流的流动。

Claims (10)

1.用于涡轮发动机的涡轮(1)，其沿着轴线延伸，所述涡轮包含环形壳体(4)和至少一个涡轮级(1)，所述至少一个涡轮级包括喷嘴(2)和被密封环(10)环绕的转子叶轮(5)，所述密封环包含可磨耗元件，所述叶轮(5)和所述密封环(10)位于所述喷嘴(2)的下游，所述密封环(10)包含通过锁定构件(12、12a)固持在所述壳体(4)上的上游端，其特征在于，所述涡轮包含与所述锁定构件(12、12a)以及与所述喷嘴或所述壳体(4)接触的弹性密封构件(48)以抵着所述密封环(10)按压所述锁定构件(12、12a)，并且其中，所述锁定构件包含具有大体C形横截面的径向外部部分(12a)和从所述外部部分(12a)朝内径向延伸的径向部分(12b)，所述密封构件包含分别在所述径向部分(12b)的任一侧上支承在所述径向部分(12b)上的两个弹性密封件(48、49)。
2.根据权利要求1所述的涡轮(1)，其特征在于，所述密封构件(48、49)包含至少一个轴向可变形的环形密封件(48、49)。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮，其特征在于，所述锁定构件包含具有大体C形横截面的部分(12、12a)。
4.根据权利要求3所述的涡轮，其特征在于，所述密封构件包含至少一个附加环形密封件(49、57)，其位于具有大体C形横截面的部分内部，且抵着所述密封环(10)并且还抵着所述喷嘴或所述壳体(4)而接触。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮(1)，其特征在于，所述密封环(10)包含在上游方向中轴向延伸的部分(52)，其至少部分地朝向所述锁定构件(12、12a)和/或所述密封构件(48、49)定位。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮(1)，其特征在于，所述密封环(10)是分区化的且包含围绕轴线端对端布置在圆周上的多个分区，密封元件(36)在周向邻近的环分区的端部之间延伸。
7.根据权利要求5和6所述的涡轮(1)，其特征在于，所述密封元件(36)至少位于所述密封环(10)的在所述上游方向中轴向延伸的部分(52)中。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮(1)，其特征在于，所述喷嘴(2)包含通过径向叶片(3)连接的径向外壳层(16)和径向内壳层(15)，所述外壳层(16)包含从所述外壳层(16)朝外径向延伸且安装在所述壳体(4)上的至少一个下游边缘(21)，所述边缘(21)至少部分朝向所述锁定构件(12、12a)轴向延伸。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮(1)，其特征在于，所述喷嘴(2)包含通过径向叶片(3)连接的径向外壳层(16)和径向内壳层(15)，所述外壳层(16)包含从所述外壳层(16)朝外径向延伸且安装在所述壳体(4)上的至少一个下游边缘(21)，所述下游边缘(21)的径向外端径向位于所述锁定构件(12、12a)内部。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的涡轮(1)，其特征在于，所述密封环(10)包含突片(18)，其通过锁定构件(12、12a)固持成径向支承以及轴向支承在所述壳体(4)的部分(20)上。
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