專利名稱：為改善葉尖間隙而在殼體上使用的成套隔離片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪領(lǐng)域，特別涉及一種移動(dòng)渦輪葉片葉尖和殼體之間間隙控制裝置。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)通常包括一個(gè)單級(jí)或多級(jí)壓氣機(jī)、 一個(gè)ii燒室和單個(gè)或多個(gè)渦
輪級(jí)。壓氣才;ui接到渦輪上，向燃燒室掛共空氣，所產(chǎn)生的熱燃?xì)獗灰驕u輪，目 的是提取氣體能量。壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子沿其圓周都裝有成套葉片，所述葉片在環(huán)形 定子部件內(nèi)，與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線成直角轉(zhuǎn)動(dòng)，這些定子部件構(gòu)成了葉片固定環(huán)，相對(duì)于 葉片固定環(huán)而形成了一個(gè)工作間隙。這個(gè)間隙需要足夠大，這樣就不會(huì)形成摩擦， 否則會(huì)導(dǎo)致活動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)緩優(yōu)，但是這個(gè)間隙需要控制，以便防止一定數(shù)量的流體 從成套葉片的工作表面流失。因此，為了確?？赡苓_(dá)到的最高效率，控制這個(gè)間隙 是非常重要的。
本發(fā)明涉及至i鵬輪電機(jī)的工作間隙，特別涉及到位于燃燒室臨近下游的轉(zhuǎn)子。 在一個(gè)多轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中，也就是說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)是由兩個(gè)或多個(gè)一通常不超an個(gè)一獨(dú) 立軸組成，這就是高壓轉(zhuǎn)子。
葉尖處的徑向間隙是轉(zhuǎn)子和定子之間各個(gè)徑向熱機(jī)械動(dòng)作形成的結(jié)果。圖i是 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)i的軸向半剖面圖，從高壓渦輪區(qū)看去。渦輪轉(zhuǎn)子3包括一個(gè)轉(zhuǎn)子 盤(pán)31,提《將葉片33,這些葉片分布在轉(zhuǎn)子盤(pán)輪緣的周?chē)M向安裝在中央軸上。
轉(zhuǎn)子位于與燃燒室7相通的噴嘴導(dǎo)葉級(jí)5的下游，此處圖中只能看到導(dǎo)葉級(jí)的下部。 殼體9是由通過(guò)凸緣相連接的幾個(gè)殼體環(huán)組成。燃燒室殼體91和高壓渦輪殼體96 不同。兩個(gè)殼體都魏過(guò)凸纟線置95來(lái)固定。殼體支撐在燃燒室的各個(gè)部分，即上 游5和下游15噴嘴導(dǎo)葉和葉片固定環(huán)13的支架11。
這樣，下面幾種類(lèi)型的動(dòng)作就最終導(dǎo)致了葉尖33和葉片固定環(huán)11之間出現(xiàn)徑
向間隙
一隨著溫度的變化，各種材料的膨脹產(chǎn)生的熱位移；
一作用到轉(zhuǎn)動(dòng)部件上的離心力的變化和壓力的變化產(chǎn)生的機(jī)械位移。
轉(zhuǎn)子盤(pán)、葉片和定子部件都會(huì)受到機(jī)械位移和熱位移。
在發(fā)動(dòng)機(jī)的各種工作階段，由于這些位移并不總是出現(xiàn)在同一方向上，所以， 徑向間隙的出現(xiàn)總是恒定的。特別是，轉(zhuǎn)子和定子并不呈現(xiàn)相等幅度的位移，也不 具有相同的熱響應(yīng)時(shí)間。
圖2示出了因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī),隨著時(shí)間的推移所出現(xiàn)的變化，轉(zhuǎn)子R和定子S分
別出現(xiàn)的位移變化情況。為此，可以看出瞬間間隙A的縮小要大于在熱穩(wěn)定后獲得 的間隙B?？梢岳斫忾g隙的縮小程度就是轉(zhuǎn)子位移量減去定子位移量的幅度。人們
都知道在實(shí)際使用中采用了由通風(fēng)機(jī)構(gòu)組成的間隙控制裝置，目的是控制各個(gè)部分 的熱膨脹。在一、二個(gè)點(diǎn)上控制箭Ji將通風(fēng)空氣從壓氣機(jī)引出。如上所述，安裝一 個(gè)間p雜制裝置，盡可能將高壓渦輪葉片的葉尖間隙降低，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。通
常，這個(gè)由全權(quán)限數(shù)子電子控制機(jī)構(gòu)來(lái)管理，在英語(yǔ)中，通常稱之為FADEC。這 就是說(shuō)，溫度和空氣流量的控制信息被送到相關(guān)的定子構(gòu)件，從而對(duì)定子的熱位移 產(chǎn)生作用。
對(duì)于某些發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，人們一直試圖不用這些有效的間隙控制手段。在這種情 況下，葉尖的間隙是這樣設(shè)定的，即在發(fā)動(dòng)機(jī)壽命期間葉片最大磨損不超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī) 的性能。這個(gè)最大磨損是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命期間所觀察到的最大收縮間隙決定的并建 立在定子和轉(zhuǎn)子的位移基礎(chǔ)上。這個(gè)最大收縮量通常在所屬技術(shù)領(lǐng)域被稱之為臨界 重復(fù)突變的循環(huán)期間可觀察到。這種循環(huán)從穩(wěn)定的最大功率運(yùn),度，降低速度到 短期低空轉(zhuǎn)，然后再在短時(shí)間內(nèi)加速到最大功率。
在這個(gè)循環(huán)期間，間隙的收縮很大，其原因如下
—由于^是在發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)穩(wěn)定，在工作速度向慢速的快速變化是由于 這個(gè)轉(zhuǎn)子的巨大質(zhì)量引起時(shí)，轉(zhuǎn)子盤(pán)熱膨脹產(chǎn)生的位移很小，保證了較長(zhǎng)時(shí)間的熱
一定子構(gòu)件同樣是在最大功率運(yùn)魏度時(shí)穩(wěn)定，所以其質(zhì)量較小，因此，熱響 應(yīng)的時(shí)間更快。
—旦立即再次加速到全油門(mén)工作速度時(shí)，轉(zhuǎn)子還沒(méi)有以慢速達(dá)到穩(wěn)定，這是由 于其熱響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的緣故。相反，定子可能已經(jīng)到達(dá)了慢速工作狀態(tài)，因此，此
時(shí)出現(xiàn)間隙收縮，葉尖間隙較小。
由于加鵬的原因，轉(zhuǎn)子盤(pán)經(jīng)厲了一個(gè)離A翁移，導(dǎo)致暫時(shí)出現(xiàn)額,間隙收縮。 因?yàn)槿~尖與葉片固定環(huán)的接觸，這種額外間隙收縮的結(jié)果就會(huì)造成部件的磨損。
因此，可以看出，相對(duì)于轉(zhuǎn)子的熱響應(yīng)而言，殼體的熱響應(yīng)更快，間隙的收縮 就更多，在再次加速期間，葉尖磨損就更大。
發(fā)明專利內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的是尋求一個(gè)解決這個(gè)問(wèn)題的方法。
另一個(gè)目的是尋求一個(gè)不會(huì)涉及現(xiàn)有結(jié)構(gòu)重大改動(dòng)的解決方案，而且實(shí)施成本 不高。
根據(jù)本發(fā)明，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪定子包括一個(gè)渦輪殼體、 一個(gè)渦輪葉片固 定環(huán)和一個(gè)將葉片固定環(huán)連接到殼體的固定環(huán)支架，該渦輪定子的特征在于所述 支架提供有一個(gè)構(gòu)件，該構(gòu)件形成了渦輪一側(cè)的一個(gè)熱防護(hù)層。
因此，解決方案包括，使用熱防護(hù)層延纟纖燒室氣流中熱燃?xì)怆x的影響，從 而增加定子的熱響應(yīng)時(shí)間。這個(gè)解決方案經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，說(shuō)明非常有效，且相當(dāng)有利。 此外，它還可以通過(guò)使用相對(duì)簡(jiǎn)單的方式來(lái)實(shí)施。
這樣，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特性，構(gòu)成熱防護(hù)層的構(gòu)件包括一個(gè)薄板，它構(gòu)成 了相對(duì)于支架表面的一個(gè)空間。作為一種,方案，所述空間形成了一個(gè)氣體不會(huì) 掃過(guò)的盲空腔。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，所述空間包括一個(gè)隔熱材料。
本發(fā)明特別應(yīng)用于一種定子，所述定子的支架的一側(cè)包括一個(gè)徑向凸緣，可固 定到渦輪殼體上，在支架的另一側(cè)，包括一個(gè)機(jī)構(gòu)，可固定葉片固定環(huán)的部件。支 架可以很方便地構(gòu)成一個(gè)截頭圓錐體整體形狀的隔斷壁，而將葉片固定環(huán)部件緊固 用的機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)徑向凸緣，將葉片固定環(huán)的部件夾在兩者中間。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，構(gòu)成熱防護(hù)層的構(gòu)件包括一個(gè)固定在兩個(gè)徑向 凸緣之間的第一薄板。該構(gòu)件還包括一個(gè)第二薄板，該薄板軸向位于葉片固定環(huán)部 件固定機(jī)構(gòu)和將支架固定到殼體的徑向凸緣之間。


下面結(jié)合附圖并參照一個(gè)實(shí)施例來(lái)介紹本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于所述實(shí)施 例。附圖如下
圖l為一張軸向半剖面圖，示出了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部分一個(gè)示例，所示部分位 于燃燒室臨近下游的高壓渦輪部分；
圖2示出了形成工作間隙的轉(zhuǎn)子葉尖和定子構(gòu)件的位移D情況；
圖3是一張放大圖，更詳細(xì)地示出了渦輪殼體部分，所述渦輪帶有一個(gè)構(gòu)成熱 防護(hù)層的部件。
具體實(shí)施例方式
圖3示出了一個(gè)葉片固定環(huán)13在殼體9內(nèi)安裝的放大詳圖，其中具體體現(xiàn)了本
發(fā)明所提出的解決方案。根據(jù)該示例，葉片固定環(huán)支架ll由一個(gè)金屬隔斷壁組成， 諸如一種環(huán)形隔斷壁，該隔斷壁實(shí)際上呈整體截頭圓錐體形狀，其軸線與發(fā)動(dòng)機(jī)軸 線一致。此處所示支架形成了一個(gè)整體構(gòu)件，但是，也可以由幾個(gè)環(huán)纟媳形體組成，
所述環(huán)狀扇形體連接在一起形成一個(gè)環(huán)形整體。支架11包括徑向凸緣11a和1化， 用來(lái)固定構(gòu)成高壓渦輪葉片固定環(huán)的部件13。本發(fā)明所提出的固定方式是一種1fM 接合形式。對(duì)于上游固定來(lái)講，面向燃燒室，構(gòu)件13的背部形狀呈一個(gè)軸向開(kāi)口 槽13a，該槽與徑向凸緣1化的軸向折回部分11b1相嚙合。構(gòu)件13的下游固定也 通過(guò)一個(gè)槽13b，該槽的外邊緣與凸緣11a的軸向折回部分11a1相抵，并通過(guò)卡 箍17固定到位。
上游噴嘴導(dǎo)葉5通過(guò)螺栓固定到徑向凸緣11b上。
支架11本身經(jīng)由徑向橫向凸緣"c安裝在渦輪殼體93上。該凸緣插入凸i^ 置95內(nèi)，后者將殼體9的各^件連接在一起。支架11并不具有任何有效的間隙 控制，也不具有實(shí)現(xiàn)這種控制的任何通風(fēng)機(jī)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，熱防護(hù)層已經(jīng)安裝在支架11的內(nèi)表面上，即面向發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饬鞯?一面上。熱防護(hù)層的特點(diǎn)是，包括了一個(gè)第一薄板，該薄板與兩個(gè)徑向凸緣11a和 11b之間的支架隔斷壁11相并行。這個(gè)薄板可以通過(guò)焊接、釬焊、螺絲緊固或任何 其它方式固定到支架上。薄板21與隔斷壁11相距較遠(yuǎn)，從而形成了一個(gè)腔室21a。 該腔室雌盲腔室，即腔室內(nèi)的氣體不會(huì)循環(huán)。例如，可以是一^M閉腔室。這樣， 氣體的緩沖構(gòu)成了一個(gè)隔熱質(zhì)量。然而，如果合適，該腔室可以包含另一種隔熱材 料。第二薄板采用同樣的方式固定到凸緣"b的上游，即隔斷壁11的內(nèi)表面上， 與隔斷壁形成一定的距離。采用焊接、釬焊、螺絲緊固或任何其它方式固定到隔斷 壁上，并與隔斷壁11形成了一個(gè)盲腔室22a。該盲腔室內(nèi)所含的質(zhì)量從而形成了一
種隔熱層。
支架11是用一種與薄板21和22相同材料制成。在穩(wěn)定速度運(yùn)行時(shí)，葉尖33 和固定環(huán)13之間的間隙是固定的，是一個(gè)確定值。該間隙是移動(dòng)和靜止部件所承 受機(jī)械和熱產(chǎn)生變形之間進(jìn)行平衡后形成的結(jié)果。在瞬態(tài)情況下，這個(gè)平衡是恒定 的。如上所述，特別是在臨界重復(fù)突變的情況下，在轉(zhuǎn)速快速下降的過(guò)程中，傳動(dòng)
流的氣體穩(wěn)定下降。因?yàn)闊岱雷o(hù)層，與已有技術(shù)設(shè)置的響應(yīng)時(shí)間相比，對(duì)支架^J^ 下降的響應(yīng)時(shí)間減慢了。這就是說(shuō)，在突然加速或隨后的突然減速這種重復(fù)突變期 間，由于離心力增加，轉(zhuǎn)子的徑向位移不會(huì)與葉片固定環(huán)的部件產(chǎn)生干擾。葉尖和 葉片固定環(huán)部件之間不會(huì)出現(xiàn)接觸?？梢园l(fā)現(xiàn)，不論是葉尖摩擦帶還是構(gòu)件的耐磨 表面都不會(huì)出現(xiàn)磨損。
試驗(yàn)結(jié)果表明，該解決方案是有效的，發(fā)動(dòng)機(jī)效率得到改善。此外，固定板材 也不是特別昂貴?？傊?，該解決方案經(jīng)濟(jì)有效。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪定子，包括一個(gè)渦輪殼體，一個(gè)渦輪葉片固定環(huán)和一個(gè)將固定環(huán)連接到殼體的固定環(huán)支架，其特征在于支架提供有構(gòu)成熱防護(hù)層的構(gòu)件，后者位于渦輪一側(cè)，另外，支架還包括一個(gè)僅在其一側(cè)的徑向凸緣，通過(guò)該凸緣，支架固定到渦輪殼體上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子，其特征在于構(gòu)成熱防護(hù)層的構(gòu)件包括一個(gè)薄板， 形成了相對(duì)于支架表面的一個(gè)空間。
3. 根據(jù)權(quán)禾腰求2所述的定子，其特征在于戶艦空間構(gòu)成了一個(gè)燃?xì)獠粫?huì)掃過(guò)的 盲腔室。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的定子，其特征在于所述空間包含一個(gè)隔熱材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1，2，3或4所述的定子，其特征在于所述支架在所述徑向凸緣的對(duì)面一側(cè)有一個(gè)緊固葉片固定環(huán)構(gòu)件的機(jī)構(gòu)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的定子，其特征在于所述支架呈截頭圓錐體隔斷壁形式。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的定子，其特征在于所述葉片固定環(huán)構(gòu)件的固定機(jī)構(gòu)包括 兩個(gè)徑向凸緣，將構(gòu)件夾在兩者之間。
8. 根據(jù)前面權(quán)禾腰求戶腿的定子，其特征在于構(gòu)成熱防護(hù)層的構(gòu)件包括兩個(gè)徑向 凸緣之間固定的第一薄板。
9. 根據(jù)前面權(quán)利要求所述的定子，其特征在于構(gòu)成熱防護(hù)層的構(gòu)件包括一個(gè)軸向 位于葉片固定環(huán)構(gòu)件緊固機(jī)構(gòu)和將支架固定到殼體的徑向凸緣之間的第二薄板。
10. —種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括了根據(jù)上述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的 渦輪定子。
全文摘要
本發(fā)明涉及為改善葉尖間隙而在殼體上使用的成套隔離片，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪定子包括一個(gè)渦輪殼體(9)，一個(gè)渦輪葉片固定環(huán)(13)和一個(gè)將固定環(huán)(13)連接到殼體(9)上的葉片固定環(huán)支架(11)。在所述定子中，支架(11)配備有一個(gè)可形成熱防護(hù)層的構(gòu)件，該防護(hù)層位于渦輪一側(cè)。這個(gè)解決方案可以減小瞬態(tài)工作時(shí)的間隙縮小。
文檔編號(hào)F01D9/00GK101178016SQ200710151308
公開(kāi)日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2007年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日
發(fā)明者溫森特·菲利波 申請(qǐng)人:斯奈克瑪