用于展延性低的渦輪噴嘴的安裝設備的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本發明大體涉及燃氣渦輪發動機，并且更特別地，涉及用于這樣的結合了展延性低的材料的翼型件的發動機的渦輪噴嘴。
【背景技術】
[0002]典型的燃氣渦輪發動機包括渦輪機核心，它具有成連續流關系的高壓壓縮機、燃燒器和高壓渦輪。核心可按已知的方式工作，以產生主要氣體流。高壓渦輪(也稱為氣體發生器渦輪)包括一個或多個級，它們從主要氣體流中抽取能量。各個級包括固定渦輪噴嘴，后面是承載渦輪葉片的下游轉子。這些構件在溫度非常高的環境中工作，并且必須用空氣流冷卻，以確保充分的使用期限。典型地，從壓縮機中抽取(放出)用于冷卻的空氣。使用放出空氣會不利地影響燃料消耗率(“SFC")，而且一般應當最大程度地減小燃料消耗率。
[0003]金屬渦輪結構可由具有較好的耐高溫能力的材料代替，諸如陶瓷基質復合材料(“CMC”)XMC的密度是渦輪發動機的熱區段中使用的傳統金屬超合金的大約三分之一，所以通過用CMC代替金屬合金，同時保持相同的部件幾何構造，構件的重量減小，對冷卻空氣流的需求也減小。
[0004]雖然在渦輪構件中可使用CMC材料，但當安裝到其它構件上時，與它們的金屬對等物相比，它們需要額外的設計考量。當與金屬相比時，CMC材料具有較低的拉伸延性或失效應變。CMC還具有大約為超合金的三分之一的熱膨脹系數(“CTE” ) XMC的容許應力極限也低于金屬合金，這使得CMC構件需要簡單且應力低的設計。
[0005]通過使負載在大面積上分布，而非使用點接觸或線接觸，可最佳地將負載傳遞出陶瓷構件。不幸的是，由于結構構件的熱失配，以及現有技術的銷構造，諸如渦輪噴嘴的構件的搖擺運動易于引入線接觸。
[0006]現有技術的CMC渦輪噴嘴使用了具有成型的接觸區域來在噴嘴相對于結構搖擺時幫助控制線接觸，而且通過對結構硬件添加墊子來代替銷。但是，這些修改增加了制造結構所需的復雜性和加工過程。
[0007]因此，需要一種用于安裝CMC和其它展延性低的渦輪噴嘴的設備，它最大程度地減小那些構件上的機械負載，復雜性最小。
【發明內容】
[0008]此需要由本發明解決，本發明提供一種包括非結構性翼型件的渦輪噴嘴，非結構性翼型件定位和固持到周圍結構上，同時容許有限的移動自由。
[0009]根據本發明的一方面，一種渦輪噴嘴包括:弓形內帶，其具有相反的流徑側和背偵U，以及從背側向外延伸的后凸緣；弓形外帶，其具有相反的流徑側和背側;在內帶和外帶的流徑側之間延伸的翼型件形渦輪導葉，其中內帶和外帶和導葉包括展延性低的陶瓷材料；以及包圍后凸緣的金屬套環。
[0010]根據本發明的另一方面，套環具有弓形形狀，其具有相反的前面和后面、相反的第一端面和第二端面，以及相反的上面和下面，上面設置在內帶的背側附近;并且槽口從上面到下面穿過套環，而且后凸緣接收在槽口中。
[0011]根據本發明的另一方面，套環具有弓形形狀，其具有相反的前面和后面、相反的第一端面和第二端面，以及相反的上面和下面，上面設置在內帶的背側附近;并且沿橫向延伸的軌道從套環的后面突伸。
[0012]根據本發明的另一方面，套環具有弓形形狀，其具有相反的前面和后面、相反的第一端面和第二端面，以及相反的上面和下面，上面設置在內帶的背側附近;槽口從上面到下面穿過套環，并且后凸緣接收在槽口中；并且后凸緣具有T形，而且槽口的內部具有與后凸緣互補的形狀。
[0013]根據本發明的另一方面，套環具有弓形形狀，其具有相反的前面和后面、相反的第一端面和第二端面，以及相反的上面和下面，上面定位成面向內帶的背側;在套環的第一端面40上，下部或徑向內部部分58相對于上部或徑向外部部分60凹陷；而且在套環的第二端面42上，上部或徑向外部部分62相對于下部或徑向內部部分64凹陷。
[0014]根據本發明的另一方面，內帶包括前凸緣，前凸緣從背側向外延伸，與后凸緣間隔開。
[0015]根據本發明的另一方面，套環通過金屬銷固定到后凸緣上，金屬銷穿過套環和后凸緣中的對齊孔。
[0016]根據本發明的另一方面，銷通過焊接或硬釬焊接頭固定到套環上。
[0017]根據本發明的另一方面，葉形密封件通過金屬銷附連到前凸緣上，金屬銷穿過葉形密封件和前凸緣中的對齊孔。
[0018]根據本發明的另一方面，金屬U形安裝夾安裝在前凸緣上面;銷穿過安裝夾和前凸緣中的對齊孔;并且銷通過焊接或硬釬焊接頭固定到安裝夾上。
[0019]根據本發明的另一方面，外帶、內帶和導葉是單個整體的一部分。
[0020]根據本發明的另一方面，兩個或更多個導葉設置在內帶和外帶之間。
[0021]根據本發明的另一方面，渦輪噴嘴組件包括布置成環形陣列的多個渦輪噴嘴，其中:各個套環具有弓形形狀，其具有相反的前面和后面、相反的第一端面和第二端面，以及相反的上面和下面，上面定位成面向內帶的背側;在套環的第一端面上，徑向內部部分相對于徑向外部部分凹陷;并且在套環的第二端面上，徑向外部部分相對于徑向內部部分凹陷；并且相鄰渦輪噴嘴的套環的端面彼此相互接合。
[0022]根據本發明的另一方面，沿橫向延伸的軌道從各個套環的后面突伸;并且成環形陣列的渦輪噴嘴設置成貼靠環形結構構件，其中軌道靠在環形結構上。
[0023]根據本發明的另一方面，各個套環利用銷附連到環形結構構件上，銷穿過套環和環形結構構件中的對齊孔。
【附圖說明】
[0024]通過參照結合附圖得到的以下描述，可最好地理解本發明，其中:
圖1是根據本發明的一方面構建而成的、用于燃氣渦輪發動機的渦輪噴嘴組件的示意性透視圖；
圖2是圖1中顯示的渦輪噴嘴的一部分的放大視圖； 圖3是圖1中顯示的渦輪噴嘴的一部分的放大視圖；
圖4是沿著圖2的線4-4得到的截面圖；
圖5是沿著圖2的線5-5得到的截面圖；
圖6是沿著圖2的線6-6得到的截面圖；以及圖7是沿著圖2的線7-7得到的截面圖；
圖8是顯示并排組裝好的圖1的兩個渦輪噴嘴的后視透視圖；以及圖9是安裝到周圍結構上的圖1的噴嘴的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0025]參照附圖，其中相同參考標號在各圖中表示相同元件，圖1-3描繪了根據本發明的一方面構建而成的示例性渦輪噴嘴10。渦輪噴嘴10是固定構件，其形成燃氣渦輪發動機的渦輪區段的一部分。將理解的是，渦輪噴嘴10將在渦輪轉子的上游安裝在燃氣渦輪發動機中，渦輪轉子具有承載成陣列的翼型件形渦輪葉片的轉子盤(未顯示)，噴嘴和轉子限定渦輪的一個級。噴嘴10的主要功能是將燃燒氣體流引導到下游渦輪轉子級中。
[0026]渦輪是已知類型的燃氣渦輪發動機的已知構件，并且用來從來自上游燃燒器(未顯示)的高溫加壓燃燒氣體中抽取能量，并且將該能量轉換成機械功，然后使用機械功驅動壓縮機、風扇、軸或其它機械負載(未顯示)。本文描述的原理同樣適用于渦輪風扇、渦輪噴氣飛機和渦輪軸發動機，以及用于其它車輛或固定應用中的渦輪發動機。
[0027]注意，如本文所用，用語“軸向”或“縱向”指的是平行于燃氣渦輪發動機的旋轉軸線的方向，而“徑向”則指的是垂直于軸向方向的方向，并且“切向”或“周向”指的是相互垂直于軸向和切向方向的方向。(參見圖1中的箭頭“A”、“R”和“T”)。如本文所用，用語“向前”或“前”指的是在傳送過構件或圍繞構件傳送的空氣流中較上游的位置，并且用語“向后”或“后”指的是在傳送通過構件或圍繞構件傳送的空氣流中較下游的位置。這個流的方向由圖1中的箭頭“F”顯示。使用這些方向用語僅僅為了方便描述，并且從而不要求所描述的結構有特定定向。
[0028]渦輪噴嘴10包括環形內帶12和環形外帶14，它們分別限定通過渦輪噴嘴10的熱氣流徑的內邊界和外邊界。
[0029]成陣列的翼型件形渦輪導葉(或簡稱為“導葉”)16設置在內帶12和外帶14之間。各個導葉16具有在前緣18和后緣20之間延伸的相反的凹側和凸側，并且在根部端21和尖部端23之間延伸。內帶12和外帶14中的各個具有面向導葉16的流徑側和相反的背側。在示出的示例中，噴嘴10是較大的環形結構的節段，并且包括兩個導葉16。此構造通常稱為“雙聯體”。本發明的原理同樣適用于具有單個導葉的噴嘴，或者具有不止兩個導葉的節段。
[0030]內帶12和外帶14和導葉16是由展延性低的耐高溫材料構建而成的單個整體的一部分。適當的材料的一個示例是已知類型的陶瓷基質復合(CMC)材料。大體上，可在商業上獲得的CMC材料包括陶瓷型纖維，例如碳化硅(SiC)，它們的外形涂有順應性材料，諸如氮化硼(BN)。纖維承載在陶瓷型基質中，它的一種形式是SiC。典型地，CMC類型的材料具有不超過大約1%的室溫拉伸延性，本文用它來定義和表示“展延性低的材料”。大體上，CMC類型材料具有范圍為大約0.4%至大約0.7%的室溫拉伸延性。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延性的金屬相當。
[0031]參照圖2，內帶12包括在其前端附近沿徑向向內(或者換句話說，遠離內帶的背側)延伸的前凸緣18。大體沿軸向對齊的一系列前孔20(參見圖4)沿著前凸緣18間隔開。內帶12還包括在弦線中點位置附近沿徑向向內(或者換句話說，遠離內帶的背側)延伸的后凸緣22。如在圖4中最佳地看到的那樣，大體沿軸向對齊的一系列后孔24沿著后凸緣22間隔開。當在正視圖或后視圖中看時后凸緣22具有“T”形，或者也可如描述的那樣具有帶凹口拐角的弓形形狀。后凸緣22包括相反的前面26和后面28，以及相反的端面30和32。沿徑向延伸的槽口 33形成于后凸緣22中。
[0032]提供套環34是為了接合后凸緣22，以便安裝渦輪噴嘴10就位，以及將來自渦輪噴嘴10的切向、徑向和軸向負載傳遞到支承結構硬件，作用是消除渦輪噴嘴10上的線負載。
[0033]套環34是單個金屬構件，并且可由傳統方法形成，諸如用鑄造、鍛造、坯料進行機械加工等。如在圖2中看到的那樣，套環34具有伸長的弓形塊形，其具有相反的前面36和后面38、相反的第一端面40和第二端面42，以及相反的上面44和下面46。上面44和下面46為弓形且大體彼此平行。后面38大體是平的。沿橫向延伸的軌道48從后面38沿軸向向后突伸。軌道48沿著由上面44限定的圓形形狀的弦定位。兩個或