帶有沖擊擋板的渦輪噴嘴的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體涉及燃氣渦輪發(fā)動機，并且更特定地涉及用于合并低塑性材料的這樣的發(fā)動機的渦輪噴嘴。
【背景技術(shù)】
[0002]典型的燃氣渦輪發(fā)動機包括渦輪機芯部，其具有連續(xù)流關(guān)系的高壓壓縮機、燃燒器、以及高壓渦輪。芯部以已知的方式可操作來產(chǎn)生主氣體流。高壓渦輪機包括一個或更多個級，其從主氣體流獲取能量。各個級包括固定渦輪噴嘴，其跟隨有承載渦輪葉片的下游轉(zhuǎn)子。這些構(gòu)件在極高溫度環(huán)境下操作，并且必須由空氣流冷卻來確保足夠的使用壽命。典型地，用于冷卻的空氣被從壓縮機取出(泄出)。放氣使用不利地影響耗油率(“SFC”)，并且通常應(yīng)當(dāng)被降低。
[0003]金屬渦輪結(jié)構(gòu)可被具有更好的高溫能力的材料替換，例如，陶瓷基復(fù)合物(“CMC”)。CMC的密度是在渦輪發(fā)動機的熱區(qū)段中使用的常規(guī)的金屬超級合金的密度的近似三分之一，因而通過用CMC更換金屬合金，同時保持相同的部分的幾何形狀，部件的重量和用于冷卻空氣流的需要減少。
[0004]雖然CMC材料可用于渦輪部件中，但是難以將它們用于一些機械元件，例如，懸臂區(qū)段、彈簧、薄區(qū)段等。因而，CMC部件將典型地需要附接或連接至金屬部件，例如，擋板、彈簧元件或密封件。
[0005]這通過如下事實而復(fù)雜化:當(dāng)與金屬相比時，CMC材料具有相對低的拉伸塑性或低破壞應(yīng)變。而且，CMC具有超級合金的熱膨脹系數(shù)(“CTE”)的近似三分之一的熱膨脹系數(shù)，這意味著在兩種不同材料之間的剛性連接隨著溫度變化引起大的應(yīng)變和應(yīng)力，并且將CMC和金屬部件夾緊在一起可引入熱應(yīng)力或打開夾緊附接。CMC的可允許應(yīng)力限制還比金屬合金低，這驅(qū)動了對CMC部件的簡單和低應(yīng)力設(shè)計的需要。最終，因為CMC和金屬構(gòu)件的不同的材料組成，傳統(tǒng)的連接方法(例如，銅焊和焊接)是不可能的。
[0006]因而，存在對將CMC和其它低塑性部件與金屬部件結(jié)合的設(shè)備的需要，該金屬部件減少了在CMC部件上的機械載荷和熱應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]該需要通過本發(fā)明解決，本發(fā)明提供了一種由低塑性材料形成，并且具有附接至其的金屬沖擊擋板，并可選地包括其它金屬密封元件的渦輪噴嘴。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一方面，渦輪噴嘴設(shè)備包括:翼面形靜葉，其在內(nèi)部帶和外部帶之間延伸，其中，靜葉的內(nèi)部被打開并與在外部帶中的翼面形孔口連通，并且其中，靜葉和帶是由低塑性材料構(gòu)成的金屬整體的部分；金屬擋板，其布置在靜葉內(nèi)，擋板具有上和下端，并且包括外圍壁，其限定由在下端處的端壁封閉的中空內(nèi)部空間，其中，多個沖擊孔形成為穿過外圍壁；和金屬保持器，其具有帶有開放環(huán)形狀的主體，該開放環(huán)形狀與孔口的形狀大體配合，其中，主體靠置沖擊擋板的上端并通過多個機械緊固件連接至外部帶。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，槽口繞在保持器中的中心開口形成，并且擋板的上邊緣容納在槽口中。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，凹部在繞孔口的周界的外部帶中形成；并且擋板凸緣從上端附近的沖擊擋板的周界橫向向外延伸，并且容納在凹部中。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，擋板凸緣從上端附近的擋板的周界橫向向外延伸，并且容納在凹部中；外圍凹槽在槽口外橫向地分開的主體的底面中形成；并且，彈簧布置在外圍凹槽中，以便在保持器和擋板凸緣之間在徑向方向上施加載荷。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，外部帶包括:在其前端附近徑向向外延伸的前凸緣；和在其后端附近徑向向外延伸的后凸緣。保持器的主體包括由其延伸的延伸部，在其遠端處帶有徑向?qū)实谋３制鹘宇^，保持器接頭置于前凸緣或后凸緣附近且與其平行；并且保持器銷行進穿過保持器接頭和前凸緣或后凸緣。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，外部帶包括:在其后端附近徑向向外延伸的后凸緣；后延伸部，其布置在主體的后端，并且在其遠端處包括徑向?qū)实暮蟊３制鹘宇^，其置于后凸緣附近且平行于其；和后保持器銷，其行進穿過后保持器接頭和后凸緣；
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，后葉密封件布置在后凸緣和后保持器接頭之間。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，V形后彈簧布置在后保持器接頭和后葉密封件之間，從而使后葉密封件偏置為靠著后凸緣。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，外部帶包括:在其前端附近徑向向外延伸的前凸緣；前延伸部，其布置在主體的前端處，并且在其遠端處包括徑向?qū)实那氨３制鹘宇^，前保持器接頭具有兩個平行的腿部，前凸緣容納于在兩個腿部之間的空間中；以及前保持器銷，其行進穿過前保持器接頭和前凸緣。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，外部帶包括:密封唇，其定位在前凸緣的前面；和前葉密封件，其布置在前凸緣和密封唇之間。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，前彈簧布置在前保持器接頭和前葉密封件之間，從而使前葉密封件偏置為靠著密封唇。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，緩沖器的排列從沖擊擋板的外圍壁橫向向外延伸。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，低塑性材料具有不大于大約1 %的室溫拉伸塑性。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，靜葉包括后緣狹槽。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，靜葉包括薄膜冷卻孔。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，多個靜葉各具有擋板，并且保持器布置在內(nèi)部和外部帶之間。
【附圖說明】
[0023]可通過參照結(jié)合附圖做出的下列描述而最好地理解本發(fā)明，其中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明的方面構(gòu)造的用于燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪噴嘴節(jié)段的示意透視圖； 圖2是沿著圖1的線2-2做出的剖視圖；
圖3是沿著圖1的線3-3做出的剖視圖；
圖4是沿著圖1的線4-4做出的剖視圖；
圖5是圖1的渦輪噴嘴節(jié)段的頂視圖； 圖6是沿著圖5的線6-6做出的圖；
圖7是圖1的噴嘴節(jié)段的一對沖擊擋板的側(cè)視圖，其中，出于清晰性將圍繞的噴嘴移除；以及
圖8是圖1的噴嘴節(jié)段的保持器的底視透視圖。
【具體實施方式】
[0024]參照附圖，其中，遍及各種圖示相同的標號指代相同的元件，圖1繪出了根據(jù)本發(fā)明的方面構(gòu)造的示例性渦輪噴嘴10。渦輪噴嘴10是形成燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪區(qū)段的部分的固定部件。將理解的是，渦輪噴嘴10將在燃氣渦輪發(fā)動機中安裝于帶有轉(zhuǎn)子盤的渦輪轉(zhuǎn)子上游，該轉(zhuǎn)子盤承載翼面形渦輪葉片的排列，噴嘴和轉(zhuǎn)子限定一個渦輪級。噴嘴的主要功能為將燃燒氣體流引導(dǎo)入下游渦輪轉(zhuǎn)子級。
[0025]渦輪是已知類型的燃氣渦輪發(fā)動機的已知部件，并且起作用來從來自上游燃燒器(未顯示)的高溫、加壓燃燒氣體獲取能量，并且將能量轉(zhuǎn)化成機械功，該機械功然后用來驅(qū)動壓縮機、風(fēng)扇、軸或其它機械載荷(未顯示)。在本文中描述的原理同樣地可應(yīng)用于渦輪風(fēng)扇、渦輪噴氣發(fā)動機、以及渦輪軸發(fā)動機、和用于其它車輛或固定應(yīng)用中的渦輪發(fā)動機。
[0026]注意到的是，如在本文中所使用的，術(shù)語“軸向”或“縱向”意指平行于燃氣渦輪發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)軸線的方向，而“徑向”意指垂直于軸向方向的方向，并且“切向”或“周向”意指互相垂直于軸向和切向方向的方向。(見在圖1中的箭頭“A”、“R”以及“T”)。如在本文中所使用的，術(shù)語“向前”或“前”意指在穿過或繞部件行進的空氣流中的相對上游的位置，而術(shù)語“向后”或“后”意指在穿過或繞部件行進的空氣流中的相對下游的位置。該流的方向在圖1中通過箭頭“F”顯示。這些方向術(shù)語僅僅用于描述的便利性，并且不需要因而描述的結(jié)構(gòu)的特定朝向。
[0027]渦輪噴嘴10包括環(huán)形內(nèi)部帶12和環(huán)形外部帶14，其分別限定穿過渦輪噴嘴10的熱氣體流路的內(nèi)和外邊界。
[0028]翼面形渦輪靜葉(或僅僅“靜葉”)16的排列布置在內(nèi)部帶12和外部帶14之間。各個靜葉16具有相反的凹入和凸起側(cè)，其在前緣18和后緣20之間延伸，并且在跟端22和頂端24之間延伸。在示出的實例中，噴嘴10為較大環(huán)形結(jié)構(gòu)的節(jié)段并且包括兩個靜葉16。該構(gòu)造通常稱為“雙對(doublet)”。本發(fā)明的原理相同地可應(yīng)用于具有單個靜葉的噴嘴，應(yīng)用于具有多于兩個靜葉的節(jié)段，或應(yīng)用于完整的噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0029]內(nèi)部帶和外部帶12和14與靜葉16是全部由低塑性、高承溫材料構(gòu)成的整體的部分。適當(dāng)材料的一個實例為已知類型的陶瓷基復(fù)合物(CMC)材料。通常，商業(yè)上可獲得的CMC材料包括陶瓷型纖維，例如，碳化硅(SiC)，其形式覆蓋有例如氮化硼(BN)的順應(yīng)性材料。纖維在陶瓷型基質(zhì)中承載，其一個形式為SiC。典型地，CMC型材料具有不大于大約1%的室溫拉伸塑性，在本文中用來限定和意指“低塑性材料”。通常，CMC型材料具有在大約0.4%至大約0.7%的范圍中的室溫拉伸塑性。這與典型地具有至少大約5% (例如，在大約5%至大約15%的范圍中)的室溫拉伸塑性的金屬對比。
[0030]靜葉16是中空的并且合并冷卻空氣出口特征，例如，示出的后緣狹槽26和薄膜冷卻孔28。這樣的出口特征在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并且提供用于空氣從靜葉16的內(nèi)部行進至它們外部的流路。各個靜葉16的內(nèi)端通過內(nèi)部帶12封閉，并且各個靜葉16的內(nèi)部是開放的并且與在外部帶14中的翼面形孔口 30連通。凹部32繞各個孔口 30的周界形成(見圖3)。
[0031]參照圖6，外部帶14包括在其前端附近徑向向外延伸的前凸緣34。大體軸向地對準的一系列的孔36 (圖3)沿著前凸緣34分開。外部帶14還包括在其后端附近徑向向外延伸的后凸緣38。大體軸向地對準的一系列的孔40 (圖2)沿著后凸緣38分開。
[0032]帶有上和下端44和46的金屬沖擊擋板42容納在各個靜葉16的內(nèi)部中(見圖7)。沖擊擋板42具有限定中空內(nèi)部空間的外圍壁48。端壁50封閉下端46。擋板凸緣52 (圖
4)從沖擊擋板42的周界橫向向外延伸出離上端44的短距離。突出物或“緩沖器”54的排列從外圍壁48橫向向外延伸。多個沖擊孔56形成為穿過外圍壁48。沖擊孔56的尺寸和位置將改變來適應(yīng)特定應(yīng)用，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解在“沖擊孔”和其它類型的冷卻孔(例如薄膜冷卻孔)之間的區(qū)別，該沖擊孔尺寸確定為、成型為、并且定位為以便向附近表面排出冷卻空氣的射流。
[0033]金屬保持器58提供用于各個沖擊擋板42。如在圖7和8中可見，保持器58具有帶有前端和后端62和64的主體60。主體60形成為開放環(huán)，其帶有大體配合孔口 30的形狀的形狀。唇或槽口 66繞在保持器58中的中心開口形成，并且外圍凹