冷热时具有支承件的涡轮环组件制造技术

技术编号:19246063 阅读:22 留言:0更新日期:2018-10-24 07:58
多个CMC环扇区形成涡轮环。支承结构(3)包括两个环状凸缘(32、36)。每个环扇区具有外表面,该外表面带有两个保持在支承结构的环状凸缘(32、36)之间的突片(14、16)。每个突片包括:突出部(140、160),突出部面对与存在于凸缘上的外壳(320、360)协配的凸缘;以及开口(15、17),其中带间隙地容纳有保持元件(40a、40b),保持元件具有比CMC更高的热膨胀系数并且固定到凸缘。外壳具有抵接在突出部上的两个部分(360a、360b)并且相对于径向方向(DA)和轴向方向(RA)倾斜。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】冷热时具有支承件的涡轮环组件
本专利技术的应用领域具体是燃气轮机航空发动机的应用领域。但是,本专利技术适用于其它涡轮发动机,例如,工业涡轮机。
技术介绍
已知陶瓷基复合(CMC)材料用于在高温下保持其机械性能,这使得它们适于构成热结构元件。对于完全由金属制成的涡轮环组件,有必要对组件的所有元件进行冷却,特别是对经受特别热的热流的涡轮环进行冷却。由于所使用的冷却流从流过发动机的主流中获得,这种冷却对发动机的性能具有显著影响。另外,尽管会改善航空发动机的性能,但涡轮环使用金属限制了提高涡轮机内温度的可能性。此外,金属涡轮环组件会在热流的作用下变形,从而改变与流动通道相关联的间隙,并因此改变涡轮机的性能。这就是为什么已提出将CMC用于发动机的各种热部分的原因,特别是因为CMC具有密度比常规使用的难熔金属密度低的额外优点。使用由CMC制成的环扇区使得能够显著减少冷却涡轮环所需的通风量。但是,保持或维持环扇区就位仍然是个问题,特别是在金属支承结构与CMC环扇区之间可能发生不同膨胀。另外,另一个问题在于,在冷热时均控制通道的形状,而不会在环扇区中产生连续应力。而且,由文献WO2015/191186可知,其公开了一种涡轮环组件。因此,需要改善使用CMC材料的现有涡轮环组件,以确保即使有不同的膨胀,环扇区仍维持就位,同时还限制CMC环扇区在运行中所承受的机械应力的大小。
技术实现思路
为此,在第一方面,本专利技术提供了一种涡轮环组件,包括:多个环扇区,多个所述环扇区由陶瓷基复合材料制成并形成涡轮环;以及环支承结构,所述环支承结构具有两个环状凸缘,每个环扇区具有形成环状基部的部分,所述环状基部具有内表面和外表面,所述内表面限定涡轮环内表面,从所述外表面突出至少两个突片,每个环扇区的突片保持在环支承结构的两个环状凸缘之间,环组件的特征在于,环扇区的每个突片在其面向两个环状凸缘之一的面上包括突出部,该突出部与存在于环状凸缘中的外壳协配,并且其中,环扇区的每个突片包括至少一个开口,在所述开口中接收有保持元件的一部分,所述保持元件固定到面向所述突片的环状凸缘,在所述突片的开口与保持元件存在于所述开口中的部分之间存在间隙,所述保持元件由具有比环扇区的陶瓷基复合材料的热膨胀系数大的热膨胀系数的材料制成。在本专利技术的环组件中,由于突出部与存在于环凸缘中的面对外壳之间的协配,环扇区在冷时被保持。由于环状凸缘的膨胀,在热时显然无法再确保通过各部分之间的这种协配来保持环扇区。在冷时,由于在保持元件与位于环扇区的突片中的开口之间存在间隙,因此在热时,保持元件的膨胀吸收保持力,该膨胀不会在环扇区上引起显著应力。在一实施例中,环状凸缘的外壳可以具有至少一个倾斜部,当在子午线截面中观察时,倾斜部相对于径向方向和轴向方向形成非零角度,并且抵靠与所述外壳协配的突出部。径向方向相当于沿着涡轮环半径的方向(将涡轮环的中心连接到其周边的直线)。轴向方向相当于沿着涡轮环旋转轴线的方向,并且还相当于流过通道的气流的流动方向。在环支承结构的环状凸缘中使用此种倾斜部有助于补偿环状凸缘与环扇区突片之间的膨胀差异,从而减小环扇区在运行中受到的机械应力。在一实施例中,环状凸缘中的外壳可以具有至少第一倾斜部和第二倾斜部,其抵靠与所述外壳协配的突出部,当在子午线截面中观察时,所述第一倾斜部和第二倾斜部可以相对于径向方向和轴向方向各自形成非零角度。具体而言,第一倾斜部可以抵靠突出部的径向内半部分,而第二倾斜部可以抵靠突出部的径向外半部分。在一实施例中,所述至少一个倾斜部可以相对于径向方向形成30°至60°范围内的角度。在一实施例中,保持元件的存在于所述开口中的部分的直径除以所述开口的直径的比率可以在(1+αCMC)/(1+αm)至1.1×(1+αCMC)/(1+αm)的范围内,其中αm表示保持元件的所述部分的热膨胀系数,而αCMC表示环扇区的陶瓷基复合材料的热膨胀系数,αm和αCMC在900℃测得,并且表达为10-6×℃-1。由于存在于开口与保持元件之间的间隙因保持元件的膨胀而被完全或基本上完全吸收,保持元件的存在于所述开口中的部分的直径与所述开口的直径之间的此种比率值用于确保环扇区在热时被良好地保持。在一实施例中,每个环扇区可以在轴向截面中呈π(Pi)形。本专利技术还提供一种包括如上所述的涡轮环组件的涡轮发动机。附图说明本专利技术的其它特征和优点从以下参照附图给出的本专利技术的特定非限制性实施例的描述中显现,其中:-图1是本专利技术的示例性涡轮环组件的径向剖视图;-图2示出图1的细节;以及-图3和图4是示出环扇区如何安装在图1环组件的环支承结构中的示意图。具体实施方式图1示出了高压涡轮环组件,其包括由陶瓷基复合(CMC)材料制成的涡轮环1和金属环支承结构3。涡轮环1包围一组旋转叶片5。涡轮环1由多个环扇区10构成,图1是在两个连续的环扇区之间穿过的平面上的径向剖视图。在所示示例中,环扇区10在轴向截面中呈π形。箭头DA表示相对于涡轮环1的轴向,而箭头DR表示相对于涡轮环1的径向。每个环扇区10的横截面大致呈倒置的希腊字母π的形状,其具有环状基部12,该环状基部12的内表面涂覆有耐磨材料层13,该耐磨材料层13限定出供气流流过涡轮的流动通道。上游突片14和下游突片16沿径向方向DR从环状基部12的外表面延伸。本文使用的术语“上游”和“下游”相对于流过涡轮的气流的流动方向(箭头F)。固定到涡轮壳体30的环支承结构3具有上游环状径向凸缘32和下游环状径向凸缘36。每个环扇区10的突片14、16保持在凸缘32、36之间。每个环状凸缘32、36限定对应的外壳320或360。这些外壳320、360与相应的突出部140或160协配,以便在冷时将环扇区10保持在环支承结构3上。术语“冷”在本专利技术中意指当涡轮不运行时环组件所处的温度,即,例如可以是约25℃的环境温度。突出部140位于突片14的面对凸缘32的表面14a上。突出部160位于突片16的面对凸缘36的表面16a上。在所示示例中,每个突片14、16具有形成突出部140或160的额外厚度的部分。在所示示例中,每个外壳320、360具有两个倾斜部。因此,如图2所示,外壳360具有第一倾斜部360a和第二倾斜部360b,相对于径向方向DR和轴向方向DA各自形成非零角度。第一倾斜部360a和第二倾斜部360b抵靠与所述外壳360协配的突出部160。如图所示,第一倾斜部360a和第二倾斜部360b无需相互平行。外壳360还可以具有径向部360c,其沿着径向方向DR延伸并且位于第一倾斜部360a与第二倾斜部360b之间。在所示示例中,当在子午线截面中观察时,第一倾斜部360a和第二倾斜部360b相对于径向方向DR形成30°至60°范围内的对应角度。在图2中,α1表示第一倾斜部360a与径向方向DR之间形成的角度,α2表示第一倾斜部360a与轴向方向DA之间形成的角度,α3表示第二倾斜部360b与径向方向DR之间形成的角度,α4表示第二倾斜部360b与轴向方向DA之间形成的角度。第一倾斜部360a抵靠突出部160的径向内半部分Mi,而第二倾斜部360b抵靠突出部160的径向外半部分Me。位于上游凸缘32中的外壳320具有与如上所述的外壳360类似的结构。此外,环扇区1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡轮环组件,包括:多个环扇区(10),多个所述环扇区由陶瓷基复合材料制成并形成涡轮环(1);以及环支承结构(3),所述环支承结构具有两个环状凸缘(32、36),每个环扇区(10)具有形成环状基部(10)的部分,所述环状基部具有内表面和外表面,所述内表面限定涡轮环的内表面,从所述外表面突出至少两个突片(14、16),每个环扇区(10)的突片(14、16)保持在环支承结构(3)的两个环状凸缘(32、36)之间,环组件的特征在于,环扇区(10)的每个突片(14、16)在其面向两个环状凸缘(32、36)之一的面(14a、16a)上包括突出部(140、160),该突出部(140、160)与存在于环状凸缘(32、36)中的外壳(320、360)协配,并且其中,环扇区(10)的每个突片(14、16)包括至少一个开口(15、17),在所述开口中接收有保持元件(40a、40b)的一部分,所述保持元件固定到面向所述突片(14、16)的环状凸缘(32、36),在所述突片(14、16)的开口(15、17)与保持元件(40a、40b)存在于所述开口(15、17)中的部分之间存在间隙(J),所述保持元件(40a、40b)由具有比环扇区(10)的陶瓷基复合材料的热膨胀系数大的热膨胀系数的材料制成,并且其中,环状凸缘(32、36)中的外壳(320、360)具有至少第一倾斜部(360a)和第二倾斜部(360b),所述第一倾斜部(360a)和所述第二倾斜部(360b)抵靠与所述外壳(320、360)协配的突出部(140、160),当在子午线截面中观察时,所述第一倾斜部(360a)和所述第二倾斜部(360b)相对于径向方向(DR)和轴向方向(DA)各自形成非零角度(α1、α2、α3、α4)。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.18 FR 15627411.一种涡轮环组件,包括:多个环扇区(10),多个所述环扇区由陶瓷基复合材料制成并形成涡轮环(1);以及环支承结构(3),所述环支承结构具有两个环状凸缘(32、36),每个环扇区(10)具有形成环状基部(10)的部分,所述环状基部具有内表面和外表面,所述内表面限定涡轮环的内表面,从所述外表面突出至少两个突片(14、16),每个环扇区(10)的突片(14、16)保持在环支承结构(3)的两个环状凸缘(32、36)之间,环组件的特征在于,环扇区(10)的每个突片(14、16)在其面向两个环状凸缘(32、36)之一的面(14a、16a)上包括突出部(140、160),该突出部(140、160)与存在于环状凸缘(32、36)中的外壳(320、360)协配,并且其中,环扇区(10)的每个突片(14、16)包括至少一个开口(15、17),在所述开口中接收有保持元件(40a、40b)的一部分,所述保持元件固定到面向所述突片(14、16)的环状凸缘(32、36),在所述突片(14、16)的开口(15、17)与保持元件(40a、40b)存在于所述开口(15、17)中的部分之间存在间隙(J),所述保持元件(40a、40b)由具有比环扇区(10)的陶瓷基复合材料的热膨胀系数大的热膨胀系数的材料制成,并且其中,环状凸缘(32、36)中的外壳(320、360)具有至少第一倾斜部(...

【专利技术属性】
技术研发人员:C·罗西勒T·泰松
申请(专利权)人:赛峰飞机发动机公司
类型:发明
国别省市:法国,FR

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