CN112243472A - 在其之间具有密封件的涡轮机叶片成角度部段 - Google Patents

Abstract

一种涡轮机(10)的固定的叶片环的成角度部段，尤其是一种整流装置或分配器的固定的叶片环的成角度部段，所述部段围绕所述环的轴线A以给定的角度延伸，并且该部段相对于所述轴线A包括径向外部平台、径向内部平台、在所述平台之间延伸的至少两个轮叶、以及至少一个可磨耗蜂窝材料块(44a)，该可磨耗蜂窝材料块在部段(34a)的横向端部(52a)之间相对于内部平台向内延伸，并且该可磨耗蜂窝材料块包括径向定向的管状室(54a)，其中，可磨耗材料块(44a)包括至少一个横向端部壁(52a)，在该横向端部壁处，所有室通过被定向成远离所述部段(34a)的开口(56a1，56a2)而敞开。

Description

在其之间具有密封件的涡轮机叶片成角度部段

技术领域

本发明涉及一种涡轮机叶片的成角度部段，尤其涉及一种装备压气机的整流装置的叶片成角度部段或装备该涡轮机的涡轮的分配器的叶片成角度部段。

背景技术

燃气涡轮发动机以已知的方式具有固定的内部叶片环，该内部叶片环被安装在发动机的主流道的外部壳体中并且在轴向上处于这些发动机的压气机移动叶片轮之间或者处于涡轮移动叶片轮之间。每个固定的叶片环围绕压气机或涡轮转子被动态地密封。为此，每个固定的叶片环包括内部可磨耗材料块，该内部可磨耗材料块被设计成与唇形密封元件配合，该唇形密封元件以旋转的方式与相关的压气机或涡轮转子成一体，以便确保气密性。

然而，部分气体可能会沿与主流在主流道中流通的方向相反的方向进入压气机的或涡轮转子的固定叶片与移动叶片之间。

当固定的内部叶片环处于压气机轮之间时，该内部叶片环构成整流装置，或者当该固定的内部叶片环处于涡轮的轮之间时，该内部叶片环构成分配器。

为了有助于固定的叶片环的装配并降低其制造成本，该固定的叶片环通常被制成为成角度的部段的组合件，该成角度的部段被彼此相邻地并置以便形成整体的固定的叶片环。因此，这些环留出了部段间间隙，该部段间间隙为气体留出了再流通通道，该再流通通道不再围绕成角度部段的根部，而是处于该成角度部段之间。

实际上，依照惯例，从上游到下游穿过固定的叶片的气体的一部分趋于从下游到上游穿过密封件进行再流通，该密封件根据一泄漏流速被形成在可磨耗材料块与唇形密封元件之间，尝试保持该泄漏流速尽可能最小，因为该泄漏流速会影响相应的压气机或涡轮的性能。从上游到下游穿过这些叶片的气体的另一部分趋于从下游到上游通过使该另一部分气体在部段之间迂回穿过部段之间的间隙(也被称为部段间间隙)来进行再流通。

确保令人满意的密封水平的困难之处在于下述事实：环的成角度部段由于在发动机运行期间发生的机械变形和热变形而进行移动。因此，部段间间隙和泄漏流速在发动机运行期间发生变化。此外，在热的发动机运行期间，间隙必须不为零，因为部段平台之间的接触可能导致处于固定的叶片外部的壳体呈椭圆形，和/或导致相接触的表面发生缠结，这会大大增加施加在固定的叶片上的应力，并尤其导致这些应力被传递到发动机的接纳固定的叶片的外部壳体。

传递这些应力可能会导致外部壳体呈椭圆形并且显著地改变该壳体与相邻的移动叶片之间的径向间隙，这在使用寿命方面对发动机具有非常不利的影响。

固定的叶片环的两个紧邻的成角度部段之间的传统密封由唇形密封系统来确保，该唇形密封系统处于这些部段之间以便限制部段之间的泄漏。这些密封系统可被用于对主流道中的固定的叶片的环部段进行密封，并且在双流发动机的情况下还被用于对次级流道中的固定的叶片的环部段进行密封。

在这种技术中，唇形件在已被机加工成部段的容置部中被容置在两个相邻的部段之间。唇形件被用于防止气体流穿过部段间间隙。

如在FR-2.552.159-A1和JP-2008/180149-A中所描述的，依照惯例，叶片环的成角度部段相对于环的轴线包括：径向外部平台，该径向外部平台基本呈一圆筒的成角度部段的形状；径向内部平台，该径向内部平台呈一圆筒的成角度部段的形状；在所述平台之间延伸的至少两个轮叶；被附接至内部平台的根部以及向内延伸至根部的至少一块可磨耗蜂窝材料。处于两个部段之间的唇形件被嵌入两个部段的两个相邻根部的质块中并且在容置部中面对两个部段的相邻的内部平台和外部平台。文献FR-2.732.416-A1、EP-1.229.213-A1和EP-0.017.534-A1描述了这种构造。

然而，这些唇形件不易于安装。另外，这些唇形件需要在固定的叶片环的成角度部段中制造容置部，这在制造方面是昂贵的。

另外，唇形件不能沿着根部的整个径向厚度被布置以便对内部平台的内部进行密封。因此，在部段之间保留了间隙，而气体能通过该间隙进行流动。

因此，需要一种替代性的密封技术，以便省略这种唇形件以及改善固定的叶片的环部段之间的密封。

发明内容

为此，本发明提出了利用被布置在内部平台内部的可磨耗材料块来提供固定的叶片环的两个相邻的成角度部段的横向端部壁之间的直接密封。

为此，本发明提供了一种涡轮机的固定的叶片环的成角度部段，尤其提供了一种整流装置或分配器的固定的叶片环的成角度部段，所述部段围绕固定的叶片环的轴线A以给定的角度延伸，并且该部段相对于所述固定的叶片环的轴线A包括径向外部平台、径向内部平台、在所述平台之间延伸的至少两个轮叶、以及至少一个可磨耗蜂窝材料块，该可磨耗蜂窝材料块在部段的横向端部之间在内部延伸至内部平台，并且该可磨耗蜂窝材料块包括径向定向的管状室，其特征在于，可磨耗蜂窝材料块包括至少一个横向端部壁，在该横向端部壁处，所有室经由背离所述部段的开口而敞开。

根据成角度部段的其它特征：

-可磨耗材料块径向地延伸直至平台为止，

-室的开口全被布置在所述壁的相同平面中，

-每个室的开口的宽度对应于所述室的总宽度，

-室是相同的并且具有多边形的形状。

本发明还涉及一种上述类型的两个相邻的成角度部段的组合件，其特征在于，所述相邻的成角度部段的横向端部壁包括彼此面对的敞开的室，以及，所述相邻的成角度部段中的一个的端部壁的室相对于所述相邻的成角度部段中的另一个的端部壁的室以一给定的偏移量沿轴向方向偏移。

根据组合件的其它特征：

-相邻的成角度部段的室以交错的方式被布置，相邻的成角度部段中的一个的端部壁的室相对于相邻的成角度部段中的另一个的端部壁的室以一给定的偏移量沿轴向方向偏移，该给定的偏移量等于室的宽度的一半，

-相邻的成角度部段中的一个的端部壁中的室的开口的平面与相邻的成角度部段中的另一个的端部壁中的室的开口的平面形成一给定的间隙，

-该给定的间隙为零或负值，使得轴向偏移的敞开的室形成隔障部。

最后，本发明涉及一种涡轮机的固定的叶片环，包括固定的叶片环的多个成角度部段，其特征在于，该固定的叶片环包括给定数量的部段，该给定数量的部段被并置以形成整体的固定的叶片环，以及，固定的叶片环的每个成角度部段包括两个相对的横向端部壁，所有的室在该横向端部壁处敞开，以及，固定的叶片环的每个成角度部段与固定的叶片环的每个相邻的成角度部段装配在一起，以形成上述类型的组合件。

附图说明

当参照附图阅读作为非限制性示例的以下说明时，本发明将被更好地理解，并且本发明的其它细节、特征和优点将更清楚地显现，在附图中：

-图1是根据现有技术的涡轮机的示意性剖视图；

-图2是图1中的涡轮机的涡轮的详细横截面视图；

-图3是图1中的涡轮机的压气机的详细横截面视图；

-图4是涡轮叶片的端部视图，该涡轮叶片包括根据本发明的成角度叶片部段的组合件；

-图5是根据现有技术的叶片部段的透视图；

-图6A是图5的叶片部段的剖视图；

-图6B是根据本发明的叶片部段的剖视图；

-图7是两个成角度叶片部段的可磨耗材料块组合件的透视图；

-图8是两个成角度叶片部段的可磨耗材料块的具有间隙的组合件的剖视图；

-图9是代表穿过成角度叶片部段的组合件的再流通流的流速随这些部段之间的间隙变化的视图；

-图10A是两个成角度叶片部段的可磨耗材料块的具有大间隙的组合件的剖视图，并且再流通气流穿过该高间隙；

-图10B是两个成角度叶片部段的可磨耗材料块的具有减小的间隙的组合件的剖视图，并且再流通气流穿过该减小的间隙。

具体实施方式

在下文的说明中，相同的附图标记指代相同的或具有相似功能的部件。

轴向方向意指平行于涡轮机的轴线A延伸的任一方向，而径向方向意指相对于轴向方向垂直并且径向地延伸的任一方向。

图1示出了双流类型的具有轴线A的涡轮机10。在本文中为涡轮喷气发动机10的这种涡轮机10以已知的方式包括风机12、低压(LP)压气机14、高压(HP)压气机16、燃烧室18、高压(HP)涡轮20、低压(LP)涡轮22和排气喷嘴24。HP压气机16的转子和HP涡轮20的转子通过高压HP轴26连接并且与该高压轴一同形成高压体。LP压气机14的转子和低压LP涡轮22的转子通过LP轴28连接并且与该轴一同形成低压体。

主空气流“P”穿过高压体和低压体，并且风机12产生次级空气流“S”，该次级空气流在涡轮喷气发动机10中、在涡轮喷气发动机的壳体11与外部壳体13之间以及在冷流通道15中流通。在喷嘴24的出口处，来自主流“P”的气体与次级流“S”混合，以产生推进力，在此次级流“S”提供了大部分推力。

LP压气机14和HP压气机16、以及HP涡轮20和LP涡轮22各自分别具有数个压气机级或涡轮级。例如如图2所示，LP涡轮22包括数个涡轮移动叶片轮22a、22b、22c、22d、22e，该涡轮移动叶片轮的叶片由相关的套管(virole)30a、30b、30c、30d、30e承载，该套管通过螺栓36被装配在一起。

LP涡轮22还包括扩压器32的叶片的固定的叶片环32a、32b、32c、32d，该固定的叶片环被置于涡轮移动叶片轮22a、22b、22c、22d、22e之间。

扩压器的每个固定的叶片环32a、32b、32c、32d由固定的叶片环的部段34a、34b、34c、34d的组合件形成，该部段的组合件围绕涡轮机的轴线A在360°上组装，以便构成完全围绕轴线A的固定的叶片环32a、32b、32c、32d。图4作为示例示出了由十个叶片部段34a的组合件构成的扩压器叶片32a。

以同样的方式，如图3所示，涡轮机10的HP压气机16可包括一系列压气机移动叶片轮22a、22b，整流装置的固定的叶片环32a被置于该移动叶片轮之间，该整流装置的固定的叶片环自身被制成为固定的叶片环的成角度部段34a的组合件的形式。因此，应理解的是，本发明应用于固定的叶片环的成角度部段34a的任意组合件，不论该成角度部段是用于压气机的整流装置的成角度部段34还是用于涡轮的扩压器的成角度部段。

还如图3所示，压气机的固定的叶片环32a由叶片环的成角度部段34a的组合件构成。可见每个固定的叶片环(尤其是叶片环32a)被置于主流道P中，该主流道与相邻的压气机轮22a和22b、尤其是与这些轮22a、22b的套管30a和30b形成间隙。主流P的从上游向下游流动的加压气体的一部分趋于在套管30a和30b与成角度部段34a之间迂回，以便按照在图3中由箭头示出的再流通流rc从下游向上游进行再流通，该再流通流趋于绕过成角度部段34a。

存在这种再流通流rc是尤其不利的。再流通流rc趋于降低涡轮的性能，或者在压气机的情况下趋于降低所述压气机的性能。这就是为什么当前的设计趋于通过使成角度部段34a配备密封装置并使该密封装置包围套管来使该再流通流rc最小化。

如图4所示，每个部段34a以给定的角度α围绕环32a的轴线延伸，该轴线对应于之前在图1中示出的涡轮机10的轴线A。

在径向方向上任何靠近轴线A的位置被称为“下部”，而在径向方向上任何比下部位置离轴线A更远的位置被称为“上部”。最后，“横向”意指包括轴线A并且平行于部段34的截切平面的任何平面或表面。

传统地，如图3所示，每个部段34a相对于叶片32a的轴线A包括径向外部平台38a、径向内部平台40a、在所述平台38a、40a之间基本沿径向方向R延伸的至少两个轮叶42a、从内部平台40a向内径向地延伸的根部43a以及至少一个可磨耗蜂窝材料块44a，因此该可磨耗蜂窝材料块在成角度部段34a的横向端部(未示出)之间也向内延伸至内部平台40a。

径向上在内部的径向密封面46a被构造成与迷宫式密封件50a的密封元件48a配合，该迷宫式密封件由涡轮机的转子(在本文中为套管30a)承载。

这种构造显著地减小了在部段34a与套管30a之间流通的再流通流rc的强度。然而，该构造对两个相邻的部段34a之间的再流通流没有影响。

传统地，如图5所示，相邻的部段34a之间的密封借助于唇形件35a、37a来实现，该唇形件被接纳在容置部39a、41a中，该容置部被布置成在部段34a之间彼此相对，以在部段34a之间形成针对再流通流rc的阻碍部。例如，每个部段34a包括上部容置部39a和下部容置部41a，该上部容置部形成在该部段的外部平台38a中并且接纳切向的唇形件35a，该下部容置部形成在该部段的根部43a中并且接纳径向的唇形件37a。这种构造是尤其昂贵的，因为该构造一方面需要容置部39a、41a具有精确的制造公差，并且因为该构造对特定的组合件、尤其是关于部段的组合件赋予了用于在组装该组合件期间封闭整个叶片32a的预防措施。

本发明提出了通过利用可磨耗材料块44a来简化部段34a之间的密封，该可磨耗材料块相对于内部平台40a已经存在于部段34a的径向内部，以便提供两个相邻的成角度部段34a的横向端部壁52a之间的直接密封。

如图7和图8所示，其示出了两个成角度部段34a在其可磨耗材料块44a处的组合件，每个可磨耗蜂窝材料块44a以自身已知的方式包括沿径向方向R径向地定向的管状室54a。根据本发明，在一个块44a的横向端部壁52a处(该横向端部壁用于与另一个相邻的块44a的横向端部壁52a配合)，所有的室54a通过开口56a1敞开，该开口背离在其中形成该室的部段44a并且与在相邻的部段34a的另一个块44a的壁52a中形成的开口56a2配合。

为了确保最优地减小部段34的内部平台40a下方的泄漏流速rc，在本发明的优选实施例中，部段34a的可磨耗材料块44a延伸至内部平台40a。在图6B中示出了这种构造。与如图6A所示的传统的成角度部段34a相比，根部43a已被移除并且可磨耗蜂窝材料块44a已径向延伸至内部平台40a，以便赋予可磨耗蜂窝材料块44a最大高度，从而提供最大程度的密封。另外，这种构造消除了对处于相邻的平台的根部43a之间的传统的唇形密封系统的需求。

如图7和图8所示，室54a的开口56a1、56a2全部被布置在壁52a的相同的相关平面T1、T2中。因此，可非常简单地得到壁52a。在本发明的优选实施例中，通过增材制造工艺得到可磨耗蜂窝材料块44a。这种构造使得能够形成设有规则的室54a的壁52a以及有规律地形成开口56a1、56a2，而不存在如可能使用材料减除工艺对壁52a进行制造的期间发生劣化的风险。

优选地，如图8所示，每个室54a的开口56a1、56a2的宽度对应于所述室54a的总宽度I。这种构造防止了气流rc被困留在室中并且产生了将会扰动气流的微湍流。

室54a的形状可以是圆筒形或多边形，并且也可以是彼此不同的。然而，已经发现当室54a相同并且形状为多边形时得到开口56a1、56a2的最优定向。

在这种构造中，有利地，可得到如图7和图8所示的两个相邻的成角度部段44a的组合件，其中，所述相邻的成角度部段34a中的一个的端部壁52的室54a相对于所述相邻的成角度部段34a中的另一个的端部壁52a的室以一给定的偏移量d沿轴向方向A偏移。如图7和图10B所示，该偏移量d针对流rc产生了一系列障碍部，该障碍部减慢了流速。偏移量d具有非零的值就足够了。

如图7和图8所示，相邻的成角度部段44a的室54a是交错的，其中相邻的成角度部段44a中的一个的端部壁52a的室54a相对于相邻的成角度部段44a中的另一个的端部壁52a的室以一偏移量d沿轴向方向A偏移，该偏移量d等于室54a的宽度I的一半。

如在图8中可见的，相邻的成角度部段44a中的一个的端部壁52a中的室的开口56a1的平面T1与相邻的成角度部段44中的另一个的端部壁52a的室54a的开口56a2的平面T2形成一给定的间隙J。该间隙J影响在部段之间通过的再流通流rc的流速。

如图9所示，其示出了随间隙J的值变化的流rc的流速D，可见流速D随着间隙J减小而减小。对于间隙J的最小值Jmin，该流速D保持为最小并固定不变，并且该流速等于最小流速Dmin。

如图7和图10B所示，只要室54a是交错的，则间隙J可以为零，这是因为由于室54a的偏移而使室54a之间不存在干涉的风险。在这种情况下，轴向偏移的敞开的室54a形成了隔障部，该隔障部以最高的效率减慢了气流rc。

间隙J也可以为负，在这种情况下，室54a套叠在彼此内部以形成隔障部。

图10A示出了对应于0.5mm的间隙J的气流rc，而图10B示出了对应于为零的间隙J的气流rc。在为零的间隙处流速rc被显著地减小，并且流速可被减小近96％。

如参照图4所见的，固定的叶片环32a包括固定的叶片环的给定数量的部段34a，该部段被并置以形成整个环，该环包括固定的叶片环的这些成角度部段34a中的至少两个成角度的部段，该至少两个成角度部段包括具有敞开的室54a的可磨耗材料44a的块44a。应理解的是，当然，固定的叶片环的所有部段均优选地包括具有敞开的室54a的块44a。因此，固定的叶片环的每个成角度部段34a与固定的叶片环的相邻的成角度部段34a中的每一个被组装成上述类型的组合件，并且每个块44a在两端处包括相对的横向端部壁52a，该相对的横向端部壁的形状被设置成具有敞开的室54a。

因此，有利地，本发明使得能够以简单而有效的方式确保固定的叶片环的成角度部段32a之间的密封，并且能够限制这些成角度部段32a之间的再流通流rc的流速，结果，这使得能够改善配备有固定的叶片环的这种成角度部段32a的压气机或涡轮的性能。

Claims (10)

1.一种涡轮机(10)的固定的叶片环(32a)的成角度部段(34a)，尤其是一种整流装置或分配器的固定的叶片环的成角度部段，所述部段(34a)围绕固定的叶片环(32a)的轴线A以一给定的角度(α)延伸，并且所述部段相对于所述环(32a)的轴线A包括径向外部平台(38a)、径向内部平台(40a)、在所述平台(38a，40a)之间延伸的至少两个轮叶(42a)、以及至少一个可磨耗蜂窝材料块(44a)，所述可磨耗蜂窝材料块在所述部段(34a)的横向端部(52a)之间在内部延伸至所述内部平台(40a)，并且所述可磨耗蜂窝材料块包括径向定向的管状室(54a)，

其特征在于，所述可磨耗蜂窝材料块(44a)包括至少一个横向端部壁(52a)，在所述横向端部壁处，所有的室(54a)经由背离所述部段(34a)的开口(56a1，56a2)而敞开。

2.根据前一项权利要求所述的成角度部段(34a)，其特征在于，所述可磨耗材料块(44a)径向地延伸直至所述内部平台(40a)为止。

3.根据前一项权利要求所述的成角度部段(34a)，其特征在于，所述室(54a)的开口(56a1，56a2)全被布置在所述壁(52a)的相同平面(T1，T2)中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的成角度部段(34a)，其特征在于，每个室(54a)的开口(56a1，56a2)的宽度对应于所述室(52a)的总宽度(I)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的成角度部段(34a)，其特征在于，所述室(54a)是相同的并且具有多边形的形状。

6.两个相邻的成角度部段(34a)的组合件，所述成角度部段为根据前一项权利要求所述的成角度部段，其特征在于，所述相邻的成角度部段(34a)的横向端部壁(52a)包括彼此面对的敞开的室(56a1，56a2)，以及，所述相邻的成角度部段(34a)中的一个的端部壁(52a)的室(56a1)相对于所述相邻的成角度部段(34a)中的另一个的端部壁(52a)的室以一给定的偏移量(d)沿轴向方向(A)偏移。

7.根据前一项权利要求所述的两个相邻的成角度部段(34a)的组合件，其特征在于，所述相邻的成角度部段(34a)的室(54a)以交错的方式被布置，所述相邻的成角度部段(34a)中的一个的端部壁(52a)的室(54a)相对于所述相邻的成角度部段(34a)中的另一个的端部壁(52a)的室(54a)以一给定的偏移量(d)沿轴向方向(d)偏移，所述偏移量等于室的宽度(I)的一半。

8.根据权利要求6或7与权利要求3相结合所述的两个相邻的成角度部段(34a)的组合件，其特征在于，所述相邻的成角度部段(34a)中的一个的端部壁(52)的室(54a)的开口(56a1，56a2)的平面(T1)与所述相邻的成角度部段中的另一个的端部壁的室(54a)的开口(56a2)的平面(T2)形成一给定的间隙(J)。

9.根据前一项权利要求所述的两个相邻的成角度部段(34a)的组合件，其特征在于，所述给定的间隙(J)为零或负值，使得轴向偏移的敞开的室(54a)形成隔障部。

10.一种涡轮机的固定的叶片环(32a)，包括所述固定的叶片环的多个成角度部段(34a)，其特征在于，所述固定的叶片环包括给定数量的部段(34a)，所述给定数量的部段被并置以形成整体的固定的叶片环(32a)，以及，所述固定的叶片环的每个成角度部段(34a)包括两个相对的横向端部壁(52a)，所有的室(54a)在所述横向端部壁处敞开，以及，所述固定的叶片环的每个成角度部段(34a)与所述固定的叶片环的每个相邻的成角度部段(34a)装配在一起，以形成根据权利要求6至9中任一项所述的组合件。

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