CN1752416B - 涡轮喷嘴的杆保持结构 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于单个喷嘴(12)的内杆保持的机械装置，能提供保护而防止灾难性的喷嘴故障。该机械装置包括一个有至少一个定子翼面(22)并包括一内平台杆(28)的涡轮喷嘴部分(13)、一个部分地与其一侧上的所述杆(28)沿轴向对准的涡轮喷嘴内支承环(30)、一个固定在所述内支承环(30)上并相对于与所述支承环(30)对置的所述杆(28)的一个轴向侧面上的所述杆(28)部分地成沿轴向隔开的对准关系的内保持器部分(36)、一个在内保持器部分(36)上的第一锥形斜面(50)、以及一个在涡轮喷嘴(12)的内平台杆(28)上的第二锥形斜面(52)，该第二锥形斜面(52)与第一锥形斜面(50)对置。由此，这两个对置的锥形斜面(50，52)将内平台杆(28)约束在内保持器部分(36)和内支承环(30)之间的涡轮喷嘴(12)上，从而形成一种楔形锁紧，该楔形锁紧防止喷嘴部分(13)的内平台(20)沿下游丢失在涡轮的转动机件中。

Description

涡轮喷嘴的杆保持结构
技术领域
本发明涉及燃气涡轮，特别是涉及一种用于防止灾难性的喷嘴故障的涡轮喷嘴的杆保持的机械结构。
发明背景
在燃气涡轮中，热诱生的应力始终导致涡轮喷嘴产生裂纹。由于苛刻的环境，先前的历史已经显示沿喷嘴翼面的发动机轴向(按翼弦方向)产生裂纹。如果一条裂纹通过一个翼面的整个长度扩展，使得翼面灾难性地发生故障，那么喷嘴的大块可能移去而沿下游移入涡轮的转动机件中。随后对涡轮构件(转子和定子两者)的损害将是极端严重而费钱的。
在双重或三重喷嘴的设计中(每个喷嘴部分分别为两个或三个翼面)，增加的翼面数目通过多重负荷路径的多余度而防止灾难性故障提供一定的保证。但是，在单个(单个叶片部分)喷嘴(每个部分1个翼面)的情况下，如果不在两个平台处保持，那么如果该翼面完全破裂为两个，则喷嘴、翼面和/或平台的一个大部分就可能丢失到流道中。
通常的惯例包括只在外保持环处可靠地附接的第一级喷嘴，该保持环提供轴向、径向和圆周方向的限制。在喷嘴的内杆处，通过在喷嘴弦状台阶密封件处的接触只提供轴向限制。该弦状台阶密封件概念允许大的瞬态径向增大(growth)差异，而同时由于在内外涡轮外壳之间的轴向生长的差异而允许喷嘴围绕外保持环钩而转动。
关于飞机涡轮发动机设计的考察表明，可靠附接的但机械上/构造上顺应的设计通常包括直接附接在所讨论的喷嘴部分的任一端上的多块薄金属板。由于在内外外壳(轴向的和径向的)之间瞬态生长中的很大差异，一种相似的附着方案对于该尺寸的以陆地为基础的涡轮将不可能行得通。同样，当与商业飞机发动中看到的相比较时，假定对一种以陆地为基础的涡轮需要苛刻环境和操作小时数的组合，那么，偏转顺应式设计(飞行重量)并不能使其成为结实的设计。
发明简述
本发明涉及一种用于单个喷嘴的内杆保持的防止灾难性的喷嘴故障的机械装置，但是本发明也能用于双重和三重喷嘴设计。
在本发明的一个示范性实施例中，提供一种机械装置，用于单个喷嘴的内杆保持以防止灾难性的喷嘴事故，该装置包括：一个涡轮喷嘴部分，有至少一个定子叶片并包含一内平台杆；一个涡轮喷嘴内支承环，在其一侧上部分地与所述杆沿轴向对准；一个内保持器部分，被固定在所述内支承环上，并与所述支承环对置，在所述杆的一个轴向侧面上，与所述杆而部分成沿轴向隔开地对准；一个在内保持器部分上的第一锥形斜面；以及一个在涡轮喷嘴的内平台杆上的第二锥形斜面，该第二锥形斜面与第一锥形斜面对置，由此，该两个对置的表面将内平台杆约束在涡轮喷嘴的内保持器部分和内支承环之间，形成一种楔形锁紧而防止喷嘴的内平台沿下游丢失在涡轮的转动机件中。
附图简述
图1是表示内保持器相对于6C型涡轮的周围构件特别是该涡轮的第一级的位置关系的示意截面图；
图2是该内保持器当应用于一种6C型涡轮时的示意前视图(仅上半个)，该图显示需要围绕该直径的多重部分的内支承环法兰；
图3是本发明的内保持器机械装置的更详细的示意截面图，表示当应用于6C型涡轮中时该内保持器相对于周围的涡轮构件包括第一级喷嘴、内支承环、垫圈和密封件的位置关系；
图4表示图3装置处在杆故障状况中，此时松开的喷嘴内平台/杆成楔形卡住在内保持器和内支承环之间。
发明详述
本发明涉及一种用于单个喷嘴的内杆保持的机械装置，以防止灾难性的喷嘴事故，虽然应当注意到，本发明也可以用于双重或三重喷嘴的设计。
本发明的内保持设计解决了内约束的缺乏而同时保持一个允许在涡轮的内壳和外壳之间的差异的生长/移动。本发明平衡了易于安装和拆卸的要求，不增加冷却气流的泄漏，并聚焦在防止内部物体损伤(“DOD”)上。
如果一个单个翼面喷嘴的喷嘴翼面完全破裂而产生两个分开的喷嘴部件，那么本发明的内保持器提供防止该故障喷嘴内部完全向下游丢失的可靠保持，从而防止灾难性的喷嘴事故。保持是通过喷嘴的内杆必然沿径向向外移动而后向后移入涡轮的流动气流中而完成的。通过使用一个在该保持器上而另一个在喷嘴内杆上的两个对置的斜面，能完成一种楔形的锁紧，这种楔形锁紧使内喷嘴保持就位。因此，即使内喷嘴平台向后转动而有可能对第一级叶片平台前沿产生摩擦，其故障方式也要比大块构件的完全丢失要轻得多。
现在参照附图，图1中例示的是一种6C型涡轮(未示出)的第一级涡轮部分10的截面图，该部分包括一个第一级喷嘴12和组成转子16的一部分的第一级叶片14。图2例示第一级喷嘴12的多个部分的前视图。喷嘴12由多个喷嘴部分13形成，包括一个外带或外平台18、一个内带或内平台20，以及一个或多个在平台18和20之间延伸的翼面22。如众所周知的，喷嘴翼面22以及叶片14延伸在涡轮的热燃气路径中，该热燃气路径具有用图1中箭头24表示的流动方向。每个喷嘴部分13的处平台18固定在外保持环26上。每个喷嘴部分包括一个沿径向向内指向的内平台杆28，其后表面支承紧靠一个防止沿向后方向的轴向移动的内支承环30。通常，每个杆28的后表面有一个拱形的凸出台阶，用于密封紧靠内支承环30的前轴向表面，杆28形成一个围绕支承环30的上下半环的环弦状密封件。每个弦状台阶密封件32通常包括一个与杆28的表面成一体的狭窄的凸起的拱形台阶31，与邻近的喷嘴一起形成一个支承紧靠该支承环30的弦状台阶密封件32的完全圆周形排列。
多个拱形内保持件部分36也用多个圆周形间隔的螺栓或销34固定在内支承环30上。部分36用多个拱形的内保持垫圈38与支承杆34隔开。内保持件部分36的径向外边缘区40沿向着内支承环30的方向沿轴向扩大，但与在保持器部分36和支承环30之间延伸的杆28隔开。同样，内平台杆28的径向内边缘区沿离开内支承环30的方向沿轴向扩大。
在本发明的一个示范实施例中，有三十二个形成围绕涡轮轴的喷嘴翼面22的环形排列喷嘴部分13与最好各六个内保持器部分3 6和内保持垫圈38，每个部分36和垫圈38设置在围绕涡轮轴的环形排列中。如可以理解的，内保持器部分36前面的区域42接收冷却空气，即高压下的压缩机排放空气，基本上密封了高压区42，与邻接前转子边缘空腔以及该边缘空腔外侧的热燃气路径的低压器44隔开。
再参照图1，第一级喷嘴12在外平台18处由外杆钩17支承在外杆环26的后钩19上。内平台20在内平台杆28的弦状台阶密封件32处通过与内支承环30接触而受到支承。内保持器36由多个部分组成，并由螺栓和销穿过多个密封件36和垫圈38而栓住在内支承环30上。
参照图2，图示第一级喷嘴部分的一部分与外保持环26和内支承环30的位置关系。为清楚起见，图2中仅示出此种喷嘴部分的上半个，但可以围绕发动机中心线延伸180度而给出此种喷嘴部分的完全图形。在图2中可以看到需要多重内保持部分37的支承环法兰/肋板23。
内保持环36包括六个独立的板部分37，其弧长做成可容纳内支承环30上的凸起的构造法兰/肋板23。虽然使设计复杂化了，但保持器36的部分化可以便于安装，即使涡轮的外壳已经安装好。在安装喷嘴12之后，从前方安装每个内保持器36然后用一个密封件36和一个垫圈38栓住在内支承环30上。用紧公差定位销钉(图1)来通过支承环30经过剪切而承载一个故障喷嘴12的负荷。
一种通常的故障模式是喷嘴12的翼面22中的完全通过翼面22而扩展的裂纹25。如图1中所示，裂纹25只是例示的，可以沿喷嘴12的跨度而在任何地方出现。如果出现这样一种裂纹25，那么喷嘴12将分离为两块，即外平台18和内平台20每个分别包含喷嘴12的翼面22的一个特定部分。在先有技术的涡轮设计中，有了这样一种分离，内平台20将变成松散的构件，没有添加内保持环36来在内杆28处提供限制。
参照提供了内保持环36的更详细的示意截面图的图3，该图表示内保持器36对周围构件的位置关系，包括外加在一种6C型涡轮中的第一级喷嘴的内杆28、内支承环30、垫圈38和密封件39。虽然内保持环36安装成与喷嘴内杆28紧邻，但这两个部件之间没有直接接触。内保持环36和喷嘴内杆28之间的间隙被最优化为在一最小值时，还允许喷嘴12移过其瞬间运动的全部范围。由于在内保持环36和喷嘴内杆28之间没有实际接触，该保持作用是通过两个对置的锥形斜面即内保持器36上的一个表面50和喷嘴12的内杆28上的一个表面来完成的。同时，由于没有实际接触，内保持器36对穿过喷嘴弦状台阶密封件32不产生对冷却空气泄漏的冲击。
图4表示图3中所示结构的杆故障状态，其中脱出的喷嘴内杆28楔入内保持器36和内支承环30之间。为清楚起见，图4中已除去内保持器密封件39。在出现故障如喷嘴12的叶片22中的裂纹25期间，喷嘴12的内平台20(见图1)的残余部分将不得不沿径向向外侧移动而离开发动机中心线然后向下游移动，如图4中箭头54所示。当这种情况出现时，两个对置的斜面50和52相接触而将内杆28约束在内保持器36和内支承环30之间。在图4的虚线圆圈中示出的所生成的楔形锁紧防止了喷嘴12的内平台20向下游丢失到转动的构件如第一级叶片36中，从而防止了灾难性的喷嘴事故。
虽然本发明的内杆保持机械装置特别应用于对单个喷嘴提供保护来防止灾难性喷嘴故障，但如上所述，本发明也可用于双重或三重喷嘴的设计。
同样，虽然本发明的内杆保持机械装置已参照6C型涡轮来描述，但它也可用于其它类型的涡轮。对其它发动机用途的修改可包括：1)不同数目和不同长度的保持器部分(与对6C型涡轮匹配的6个在约60度处的不同)，因为在其它发动机中可以要求增加或减少；2)部件扩大或缩小，以匹配一种给定的发动机尺寸；3)不用垫圈38，使其成为支承环30的一部分，或将其组合在保持板36中成为一件；4)改变斜面50和52的角度或形状；5)如果喷嘴颠倒或附接在外平台杆上而不是内平台杆28上(例如在6C型涡轮中那样)，那么保持器36可以在外杆上使用。与对6C型涡轮描述的本发明的实施例相同，在喷嘴12颠倒的实施例中，该外杆将支承紧靠一个外支承环，而且将有由多个拱形的外保持器垫圈与外支承杆隔开的多个像保持器36一样的拱形外保持器部分。这些外保持器部分的径向内边缘区也将是沿向着外支承环的方向沿轴向扩大，而该外平台杆的径向外边缘区沿离开该外支承环的方向沿径向扩大。
虽然本发明已联系目前认为是最实用和最优选的实施例来描述，但可以理解，本发明不限于已公开的实施例，相反，本发明预定覆盖包括在所附权利要求书的范围和精神内的各种修改和等效的装置。
部件清单
10  第一级涡轮部分
12  第一级喷嘴
13  喷嘴部分
14  第一级叶片
16  转子
17  外杆钩
18  外带或外平台
19  后钩
20  内带或内平台
22  翼面
23  支承环法兰/肋板
24  箭头
25  翼面裂纹
26  外保持环
28  内平台杆
30  内支承环
31  拱形凸出台阶
32  弦状台阶密封件
34  螺栓或定位销钉
36  拱形内保持器部分
37  内保持器部分
38  内保持垫圈
39  密封件
40  径向外边缘区
42  高压区
44  低压区
50  对置的锥形斜面
52  对置的锥形斜面

Claims (8)

1.一种涡轮，包括：
涡轮喷嘴部分(13)，有至少一个定子翼面(22)，并包含内平台杆(28)；
涡轮喷嘴内支承环(30)，在其一侧上部分地与所述杆(28)沿轴向对准；
内保持器部分(36)，被固定在所述内支承环(30)上，并与所述支承环(30)对置，在所述杆(28)的轴向侧上，与所述杆(28)部分成轴向隔开地对准；
在内保持器部分(36)上的第一表面(50)；以及
在内平台杆(28)上的第二表面(52)，该第二表面(52)与第一表面(50)对置；
由此，随着涡轮喷嘴部分(13)的结构故障，该两个对置的表面(50，52)相接触，并将内平台杆(28)约束在涡轮喷嘴(12)的内保持器部分(36)和内支承环(30)之间。
2.一种按照权利要求1所述的涡轮，其特征在于，该第一和第二表面(50，52)是斜面。
3.一种按照权利要求2所述的涡轮，其特征在于，该第一和第二表面(50，52)为锥形表面。
4.一种按照权利要求1所述的涡轮，其特征在于，内保持器部分(36)的径向外边缘区(40)沿向着内支承环(30)的方向沿轴向扩大。
5.一种按照权利要求4所述的涡轮，其特征在于，在内保持器部分(36)和内支承环(30)之间设有至少一个拱形内保持垫圈(38)。
6.一种按照权利要求4所述的涡轮，其特征在于，内保持器部分(36)上的第一表面(50)位于内保持器部分(36)的径向外边缘区(40)上。
7.一种按照权利要求4所述的涡轮，其特征在于，内平台杆(28)的径向内边缘区沿一个离开内支承环(30)的方向沿轴向扩大。
8.一种按照权利要求7所述的涡轮，其特征在于，内平台杆(28)上的第二表面(52)位于该内平台杆的径向内边缘区上。
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