CN117597501A - 包括具有载荷吸收和位置调节的cmc喷嘴的涡轮机涡轮 - Google Patents

包括具有载荷吸收和位置调节的cmc喷嘴的涡轮机涡轮 Download PDF

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Abstract

公开了一种涡轮，其包括外壳和涡轮喷嘴，该涡轮喷嘴包括固定到外壳的外金属护罩(9)、内金属护罩和由CMC制成且形成在外护罩(9)与内护罩之间延伸的环的多个喷嘴节段(20)，每个节段包括支柱(6)、内平台、外平台和至少一个具有由支柱(6)穿过的中空轮廓的叶片。针对每个叶片(20)，外平台(26)包括轴向止挡件(260)，该轴向止挡件从外平台(26)径向向外突出地延伸，并且外金属护罩(9)包括从外金属护罩(9)向内径向突出的互补轴向止挡件(96)，轴向止挡件(260)在上游并由互补轴向止挡件(96)轴向地支撑，并且加工有加工角度，该加工角度选择为用于调节节段中的该至少一个叶片相对于轴向方向(DA)的定向。

Description

包括具有载荷吸收和位置调节的CMC喷嘴的涡轮机涡轮
技术领域
本发明涉及涡轮机，特别是包括涡轮喷嘴的工业涡轮或航空涡轮喷气发动机，该涡轮喷嘴由陶瓷基质复合材料制成或具有至少部分陶瓷基质(下文称为CMC材料)。
背景技术
本发明的应用领域特别是燃气涡轮航空发动机的应用领域。然而，本发明可应用于其它涡轮机，例如工业涡轮。
涡轮机性能的提高及其污染排放的减少导致设想越来越高的运行温度。
因此，对于涡轮机的热部分的元件，已经提出了使用陶瓷基质复合材料，下文称为CMC。
CMC材料通常由耐火纤维(诸如碳纤维或陶瓷纤维)制成的纤维增强体形成，该纤维增强体通过陶瓷基质致密化或至少部分地由陶瓷制成。
这些材料具有显著的热结构性能(即，使其能够形成结构元件的机械性能)以及在高温下保持这些性能的能力。此外，CMC材料的每单位体积质量比传统上用于涡轮机的热部分的元件的金属材料低得多。
因此，文献WO 2010/061140、WO 2010/116066和WO 2011/080443描述了具有内置平台和踵部的由CMC制成的涡轮机叶轮的叶片的生产。特别是在文献WO 2010/146288、FR 2979 662和EP 2 443 318中，还提供了CMC材料用于涡轮喷嘴的应用。
传统的金属涡轮喷嘴呈由若干组装的节段组成的冠形形状，每个节段包括内平台、外平台以及在内平台与外平台之间延伸并附接到它们的多个翼型件。并置的内平台形成内护罩，而并置的外平台形成外护罩。内护罩和外护罩界定了喷嘴中的气体流动路径。
引入由CMC制成的喷嘴(例如高压喷嘴)使得与金属喷嘴相比可以提高所容许的最高温度，并由此减少所使用的冷却空气的量。这使得能够提高涡轮机的性能。
然而，CMC由于具有不同于金属的特性而对某些机械应力更为敏感。具体而言，CMC具有较大的刚度以及较低的膨胀。其在压缩下表现较好，但其容许拉伸应力低于金属的容许拉伸应力。
此外，由于CMC与金属之间的热膨胀差异，CMC部件难以集成到金属环境中。这在涡轮机中、尤其是在涡轮机的高压部分中甚至更为复杂，这是因为环境是热的，这加剧了材料之间的热膨胀系数的差异，高压喷嘴所经受的空气动力学载荷在该涡轮区域中也较高。
由CMC制成的喷嘴是已知的，诸如涡轮喷嘴，其包括固定到外壳的外支撑护罩、内支撑护罩以及多个喷嘴节段，该喷嘴节段形成在外支撑护罩与内支撑护罩之间延伸的冠部，且由CMC制成。各喷嘴节段支承在内支撑护罩和外支撑护罩上，并包括内平台、外平台和在外平台与内平台之间延伸并附接到它们的至少一个翼型件。
然而，需要对关于CMC喷嘴节段与内护罩的确定性保持(特别是在喷嘴节段的轴向保持方面和空气动力学载荷的吸收方面)的已知解决方案进行改进。
此外，显著的压差在径向和轴向方向上施加在喷嘴下方的外壳上。该外壳用于在转子与定子之间形成密封。该压差是会导致如下情况的载荷的来源，即，在给定的材料容许应力的情况下，若其施加在CMC上，则将会是高载荷。
还已知(特别是从文献FR 3 061 928和FR 2 973 435中)一种如上所述的喷嘴，该喷嘴还包括在叶片内部、在两个平台之间径向延伸的加强支柱，从而允许喷嘴通过支柱保持在外壳上。
然而，这种解决方案经由支柱吸收与喷嘴下方的压差相关的载荷和CMC冠部上的空气动力学载荷。此外，由于上述与CMC和金属材料之间的不同机械行为有关的原因，难以通过提供凸缘而将CMC部件定位在金属环境上。
在涡轮的运行期间，支柱与其所穿过的翼型件之间会产生显著的径向间隙。更具体而言，由于支柱的膨胀大于CMC翼型件的膨胀，因此在支柱与其所穿过的翼型件之间可能出现大于0.5mm、甚至大于1mm的径向间隙。该径向间隙在翼型件的位置上产生了不确定性，并且空气动力学的下压力根据空气动力学载荷的径向合成载荷而变得随机向上或向下。
在完全为金属的喷嘴中，喷嘴通常是铸造的并且若干翼型件形成单个喷嘴(通常是两个一组或三个一组，即每个环节段具有两个或三个翼型件)。在此情况下，由于制造过程的原因，通道截面是可控且可复制的。
由于若干原因，当叶片由集成到金属环境中的CMC材料制成时，情况不再如此。首先，由于缺乏对CMC部件上公差的控制，由于CMC材料翼型件没有受到位置应力以避免损坏，以及由于CMC材料翼型件与吸收载荷的金属支柱之间的接触。
因此，需要改进该解决方案的CMC喷嘴的确定性保持。
发明内容
本发明意在通过提供一种涡轮机涡轮来缓解上述缺点和克服上述困难，该涡轮机涡轮包括至少部分地由CMC制成的涡轮喷嘴，该涡轮喷嘴的安装被简化并适于在允许其喷嘴节段独立于金属交界面部件变形的同时确定性地保持所述喷嘴节段，同时也确保了令人满意的密封。
本发明的目的还在于允许调节翼型件在上部护罩上的轴向定位。
本发明的一个主题提供了一种涡轮机涡轮，其包括：外壳；由金属制成的外支撑护罩，该外支撑护罩固定到外壳并限定轴向方向和径向方向；由金属制成的内支撑护罩；环形的涡轮喷嘴，该涡轮喷嘴包括由陶瓷基质复合材料制成的多个喷嘴节段，该多个喷嘴节段形成在外支撑护罩与内支撑护罩之间延伸的冠部。
此外，每个节段包括内平台、外平台和至少一个翼型件，该至少一个翼型件在内平台与外平台之间径向延伸、并且具有中空轮廓，该中空轮廓限定径向延伸的内壳体，并且该涡轮针对每个节段还包括至少一个支柱，该至少一个支柱固定到金属护罩并且经由翼型件的壳件径向穿过该节段。
根据本发明的一般性特征，针对每个节段，外平台包括面向外金属护罩的径向外表面和从外平台的径向外表面径向突出地延伸的轴向止挡件，并且外金属护罩包括面向外平台的径向内表面和从外金属护罩的径向内表面径向突出地延伸的互补轴向止挡件，该轴向止挡件沿着轴向方向支承抵靠该互补轴向止挡件并且相对于要流过涡轮的气流的方向位于该互补轴向止挡件的上游，并且该轴向止挡件的与该互补轴向止挡件接触的表面相对于与该轴向方向正交的平面具有加工角度，该加工角度被选择为用于调节所述节段的至少一个叶片相对于轴向方向的定向。
因此，本发明提供了一种用于控制穿过喷嘴中的流动路径的流的通道截面的解决方案，其包括由金属支柱穿过但保持在非应力位置的中空CMC翼型件的组件。
在喷嘴节段与固定到支柱的外金属护罩之间的平面支承——即在两个平面表面之间——使得可以免除关于喷嘴环的支撑结构(特别是由外金属护罩9和外壳形成的支撑结构)绕喷嘴环的径向轴线的旋转自由度，且此外可以免除沿着轴向方向DA——即沿着发动机中心线——的平移自由度。这使得可以确保喷嘴保持在适当的位置，并由此在运行中控制喷嘴的通道截面，并具有可逐个翼型件地复制的通道截面，因为轴向止挡件的接触表面被加工成确保这种情况。
根据涡轮的第一方面，支柱和外金属护罩可以制成为单个部件。
所提出的构造使得可以控制定位在金属支柱上的中空CMC材料翼型件的通道截面，但使其保持在未受应力的位置。
根据涡轮的第二方面，支柱和外金属护罩可以制成为单个部件。
这使得在将分段护罩或支柱添加到外护罩的情况下可以尽可能地限制可能存在的任何泄漏。
根据涡轮的第三方面，外金属护罩可以沿着轴向方向包括上游端和下游端，互补轴向止挡件位于下游端上。
根据涡轮的第四方面，支柱可以是中空的。
因此，支柱使得可以将空气输送到在内护罩的径向内部的腔室中，以便对其加压并由此避免在喷嘴节段的内平台与外平台之间延伸的流动路径中循环的空气被重新引导到该流动路径之外而由此降低性能以及增加部件过热的风险。
本发明的另一个主题是一种涡轮机，其包括如上所限定的涡轮机涡轮。
本发明还提供了一种包括至少一个如上所限定的涡轮机的飞行器的主题。
本发明还具有一种制造如上所限定的涡轮机涡轮的方法的主题，该方法包括形成由陶瓷基质复合材料制成的环的第一步骤，然后控制由此形成的环的轮廓的第二步骤，然后确定与互补轴向止挡件接触的轴向止挡件的表面的加工角度以调节所述至少一个叶片相对于轴向方向的定向的第三步骤，以及以所确定的角度加工与互补轴向止挡件接触的轴向止挡件的表面的第四步骤，以及组装涡轮的第五步骤。
附图说明
[图1]图1是根据本发明的一种实施方式的涡轮的一个节段的示意性剖视图。
[图2]图2是图1的涡轮的环节段的示意性立体俯视图。
[图3]图3示出了图1的涡轮的外支撑护罩的示意性仰视立体图。
[图4]图4示意性地呈现了：针对三个不同的示例，在加工轴向止挡件的支承表面之前，由翼型件所形成的角度。
[图5]图5示出了：针对图4的三种构造，翼型件的轴向止挡件的加工角度。
[图6]图6示意性地呈现了：针对图4的三种构造，在两个翼型件之间的通道截面的差异。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一种实施例的涡轮的一个节段的示意性剖视图。如图1中部分地示出的，一种涡轮机(例如，航空涡轮喷气发动机)的高压涡轮1包括多个固定的喷嘴2，这些喷嘴2与叶轮在涡轮1中的气流F的流动方向(在图1中由箭头所示)上相交替，并且被安装在涡轮外壳中。
每个叶轮包括多个具有内护罩的叶片、以及从内护罩延伸并连结到该内护罩的至少一个翼型件。在内护罩的内侧上，叶片在根部延伸，该根部接合在盘片的壳件中。在外侧，每个叶片的梢端面对由环承载的可磨损材料，以在叶片梢端处提供密封。
在整个文本中，术语“内”或“内部”和“外”或“外部”是参照相对于涡轮1的限定涡轮1的轴向方向DA的旋转轴线的位置或取向而使用的。
叶轮的叶片可以是常规的金属叶片，或是由CMC材料制成的叶片，例如，如根据文献WO 2010/061140、WO 2010/116066和WO 2011/080443的描述所获得的。
涡轮1的喷嘴2中的至少一个喷嘴通过结合若干由CMC材料制成的环形喷嘴节段20以形成整个环而形成。箭头DA指示喷嘴2的轴向方向，而箭头DR指示喷嘴2的径向方向，并且标记DC指示周向方向。
喷嘴2的每个喷嘴节段20包括内平台24、外平台26以及在内平台24与外平台26之间延伸并附接到它们的翼型件28。在一种变型中，若干翼型件可以在同一喷嘴节段的内平台与外平台之间延伸。一旦与涡轮1的外壳组装在一起，节段20就形成喷嘴2的单个冠部，该冠部具有通过节段20的内平台24的并置而形成的内护罩和通过节段20的外平台26的并置而形成的外护罩。
内护罩和外护罩一起形成流体流动路径45，在涡轮1的运转期间，气流F在该流体流动路径45内流动。
在整个文本中，术语“上游”和“下游”是参照气流F在由箭头指示的路径45中的流动方向而使用的。
每个内平台24都具有意在与气流F接触并且因此径向上设置成面向形成外护罩的外平台26的外表面24e。此外，内平台24具有面向涡轮1的旋转轴线而设置的内表面24i。
每个外平台26都具有被设置成面向径向上在外部的外壳的外表面26e。此外，外平台26具有意在与气流F接触并且因此径向地设置成面向形成内护罩的内平台24且面向涡轮1的旋转轴线的内表面26i。
喷嘴2保持在内金属护罩5与外金属护罩9之间，由喷嘴2的环形节段20的组装而形成的冠部在内金属护罩5与外金属护罩9之间延伸。外金属护罩9固定到外壳，并且沿着径向方向DR具有内表面91和外表面92。
如图1以及同时如示出了喷嘴节段20的示意性俯视立体图的图2所示，每个翼型件28具有中空轮廓，该中空轮廓具有在翼型件28的整个高度上、即在环形节段20的内平台24与外平台26之间延伸的内壳体280。每个喷嘴节段20的内平台24包括孔口245，孔口245的形状对应于内壳体280在内平台24所延伸的平面中的截面。类似地，每个喷嘴节段20的外平台26包括孔口265，孔口265的形状对应于内壳体280在外平台26所延伸的平面中的截面。内平台24和外平台26的孔口245和265制成在翼型件28的内壳体280的延伸部中。
翼型件28的内壳体280以及内平台24和外平台26的孔口245和265可以连接到冷却***，该冷却***将冷却空气流从外壳输送到翼型件28以及内平台24和外平台26中。
如图1和示出了外支撑护罩9的示意性仰视立体图的图3所示，对于每个喷嘴节段20而言，外支撑护罩9包括从外金属护罩9的内表面91沿径向方向DR延伸的支柱6。
如图所示，支柱6包括杆部62，杆部62在内部沿径向方向DR从头部61突出地延伸并且构造成穿过外金属护罩9、翼型件28的内壳体280以及与翼型件28的内壳体280对准的内平台24和外平台26的孔口245和265。
换言之，支柱6包括径向内部的第一端6i和径向外部的第二端6e以及在支柱6的第一端6i与第二端6e之间基本上沿着径向方向DR延伸的主体62。
支柱6是中空的，以将空气输送到在内护罩的径向内部的腔室中，以便对其加压，并由此避免在喷嘴节段的内平台与外平台之间延伸的流动路径中循环的空气被重新引到该流动路径之外而由此降低性能以及增加部件过热的风险。支柱6因此包括在支柱6的第一端6i与第二端6e之间沿径向方向DR延伸的内壳体60。
外金属护罩9包括沿轴向方向DA的上游端94和下游端95。在其下游端95上，外金属护罩9包括肩部96，肩部96从外金属护罩9的内表面91径向向内在外金属护罩9的整个圆周上延伸，并沿着轴向方向DA形成支承表面960，外金属护罩的支承表面960沿着轴向方向DA定向成与流F的流动面对面——换言之面向上游。
外平台26包括从外平台26的外表面26e径向向外延伸的轴向止挡件260，轴向止挡件260具有轴向支承表面262，该轴向支承表面262沿着流F的流动方向沿轴向方向DA定向，即面向下游。因此，轴向止挡件260的轴向支承表面262面向并且甚至接触外金属护罩9的肩部96的支承表面960。
为了确保环形喷嘴2的每个节段20在这些翼型件28之间具有相同的通道截面，在完成喷嘴2与外金属护罩9的组装之前，通过在涡轮1的组装期间加工轴向止挡件260的轴向支承表面262，来调节翼型件相对于轴向方向DA的定向。
如图4所示，在CMC材料环节段20的形成过程中，节段20可以彼此略有不同，并且在与径向方向DR正交的平面中、在轴向止挡件260的轴向支承表面262与翼型件28的方向(特别是翼型件28后缘282的方向)之间形成的角度α略有差异。在图4中，由此观察到三个不同的角度α1、α和α2，特别地，具有尺寸关系α1<α<α2。在图4中，形成角度α的参考翼型件28的方向每次以虚线示出，而对于具有角度α1和α2的两个翼型件，实际翼型件28的方向以点划线示出。实际角度(α1和α2)与参考角度α之间的差形成分别标注为β1和β2的变化角度。
如图5所示，在翼型件28的方向上的变化导致翼型件28之间的距离L的变化，并因此导致通道截面的变化。图5示出了三对节段，其中，顶部的翼型件始终具有相同的后缘方向，在此情况下是与外平台26的轴向止挡件260的轴向支承表面262形成参考角度α的方向，而底部的翼型件具有首先形成角度α1、然后是相同的参考角度α、再然后是角度α2的方向。这具有在三对翼型件的翼型件之间获得三个不同的长度L、L1和L2的结果，并且由此获得了三个不同的通道截面。
为了抵消任何这样的变化以及调节节段20的定向以及因此调节翼型件28的定向，外平台26的轴向止挡件260的轴向支承表面262被加工成具有与所述变化角度β1或β2相对应的角度，例如，如以俯视图示出三个不同的轴向止挡件260的图6所示。
此外，内支撑护罩5包括被构造成接纳支柱6的孔口。支柱6提供了一种用于从顶部附接CMC喷嘴节段20、同时最小化弯矩的手段，使得由于支柱6穿过喷嘴节段而使弯曲长度减少了大约一半。因此，每个喷嘴节段20被确定性地保持，即，以避免喷嘴节段20开始振动并通过控制其位置的方式保持，同时还允许喷嘴节段20在温度和压力的作用下变形，特别是独立于金属界面部件而变形。
如果每个喷嘴节段要包括多个翼型件，则涡轮最多会针对每个喷嘴节段包括相应数量的支柱。
根据本发明的涡轮机涡轮包括至少部分地由CMC制成的涡轮喷嘴，该涡轮喷嘴的安装被简化并且适于确定性地保持喷嘴节段并同时允许这些节段独立于金属界面部件变形，并且同时改善支柱与外金属护罩之间的密封。

Claims (5)

1.一种制造涡轮机涡轮(1)的方法，其中，在第一步骤中，由陶瓷基质复合材料形成喷嘴(2)；然后在第二步骤中，控制其叶片轮廓的定向；然后在第三步骤中，确定与互补轴向止挡件(96)接触的轴向止挡件(260)的表面(262)的加工角度，以调整所述至少一个叶片相对于外金属护罩(9)的定向；在第四步骤中，加工与互补轴向止挡件(96)接触的所述轴向止挡件(260)的所述表面(262)；以及在第五步骤中，将所述喷嘴组装在所述护罩上以及所述涡轮的外壳上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述涡轮机涡轮(1)包括：外壳；由金属制成的外支撑护罩(9)，该外支撑护罩(9)固定到所述外壳并限定轴向方向(DA)和径向方向(DR)；由金属制成的内支撑护罩(5)；环形的涡轮喷嘴(2)，该涡轮喷嘴(2)包括由陶瓷基质复合材料制成的多个喷嘴节段(20)，所述多个喷嘴节段(20)形成在所述外支撑护罩(9)与所述内支撑护罩(5)之间延伸的冠部；
每个节段(20)包括内平台(24)、外平台(26)以及在所述内平台(24)与所述外平台(26)之间径向延伸的至少一个翼型件(28)，所述翼型件具有限定径向延伸的内壳体(280)的中空轮廓；
所述涡轮(1)针对每个节段(20)还包括至少一个支柱(6)，所述支柱(6)固定到所述外金属支撑护罩(9)并且经由所述翼型件(28)的壳件(280)径向地穿过所述节段(20)；
针对每个节段(20)，所述外平台(26)包括面向所述外金属护罩(9)的径向外表面(26e)和从所述外平台(26)的径向外表面(26e)径向突出地延伸的轴向止挡件(260)，并且所述外金属护罩(9)包括面向所述外平台(26)的径向内表面(91)和互补轴向止挡件(96)，所述互补轴向止挡件(96)从所述外金属护罩(9)的所述径向内表面(91)径向突出地延伸，所述轴向止挡件(260)沿轴向方向(DA)支承抵靠所述互补轴向止挡件(96)并且相对于将要流过所述涡轮(1)的空气流(F)的方向位于所述互补轴止挡件(96)的上游，所述轴向止挡件(260)的与所述互补轴向止挡件(96)接触的表面(262)具有相对于与所述轴向方向(DA)正交的平面的加工角度，所述加工角度选择为调节所述节段的所述至少一个叶片相对于所述轴向方向(DA)的定向。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述支柱(6)和所述外金属护罩(9)能够制成为单个部件。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述外金属护罩(9)沿着所述轴向方向(DA)包括上游端和下游端，所述互补轴向止挡件(96)位于所述下游端上。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的方法，其中，所述支柱(6)是中空的。
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