專利名稱：用于渦輪機渦輪的噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于例如飛機渦輪噴氣發(fā)動機或渦輪螺旋槳發(fā)動機這樣的渦輪 機的渦輪的噴嘴。
背景技術(shù)：
渦輪機渦輪包括多個級，每個級具有葉輪和噴嘴。每個葉輪包括盤，該盤在其外周 邊上承載大致徑向的葉片，不同輪的盤通過適合方式沿公共軸線相互連接并連接到渦輪轉(zhuǎn) 子的驅(qū)動軸。每個噴嘴包括一內(nèi)環(huán)形平臺和和一外環(huán)形平臺，帶有大致徑向的導(dǎo)片在它們之間 延伸。噴嘴的外平臺包括用于接合和緊固到渦輪外殼上的機構(gòu)。內(nèi)環(huán)形平臺承載耐磨材料 的環(huán)形元件，用于與轉(zhuǎn)子元件的外環(huán)形掃刷配合以形成迷宮型密封。該密封用于確?？諝?沿軸向流過在噴嘴內(nèi)周邊與渦輪轉(zhuǎn)子之間的環(huán)形空間。在現(xiàn)有技術(shù)中，耐磨材料元件由通過徑向壁被連接到噴嘴內(nèi)平臺的環(huán)形環(huán)承載。 所述環(huán)、徑向壁以及噴嘴的內(nèi)平臺形成為具有相當(dāng)大厚度并由此具有相對較大重量的單一 鑄件。這種現(xiàn)有技術(shù)具有另一主要缺點。在工作中，噴嘴導(dǎo)片暴露于渦輪流動部分中的 熱氣體流。流動部分中的氣體溫度相對較高，通常在900°C的量級，而在噴嘴內(nèi)平臺與轉(zhuǎn)子 之間的區(qū)域的溫度較低，例如，約為700°C。所述平臺和支撐耐磨元件機構(gòu)的厚度使它們呈 現(xiàn)出相當(dāng)大的熱惰性，而且結(jié)合其所承受的較低溫度而言，不利于噴嘴導(dǎo)片的熱膨脹，這些 導(dǎo)片于是承受高程度機械應(yīng)力。這在導(dǎo)片中產(chǎn)生可見的裂紋和裂縫，導(dǎo)致其使用壽命顯著 縮短。已經(jīng)提出將耐磨元件緊固到金屬片部件上，金屬片部件自身通過螺母_螺栓或類 似類型的緊固件緊固到內(nèi)平臺的內(nèi)徑向邊沿。不幸的是，這樣的緊固件意味著其占據(jù)相對 較大量的軸向和徑向空間，而且其使用顯著增大了噴嘴的尺寸和重量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的具體目的是，針對這些問題提供一種簡單、有效和經(jīng)濟的解決方案。對此，本發(fā)明提供一種用于渦輪機的渦輪噴嘴，所述噴嘴包括兩個環(huán)形平臺，分 別為內(nèi)平臺和外平臺，所述內(nèi)平臺和外平臺通過大致徑向的導(dǎo)片相連，所述內(nèi)平臺承載耐 磨材料環(huán)形元件以與所述渦輪機的轉(zhuǎn)子的環(huán)形掃刷配合以形成迷宮型密封，所述噴嘴的特 征在于所述耐磨材料環(huán)形元件由沿徑向安裝在所述內(nèi)平臺內(nèi)的大致為L形、S形或C形截 面的環(huán)形金屬片扇形承載，每個金屬片扇形通過硬焊或熔焊而在其外周邊緊固到所述內(nèi)平 臺并且在其內(nèi)周邊緊固到耐磨材料元件或緊固到被緊固于耐磨材料元件的金屬片部件。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可顯著減少用于耐磨材料元件的支撐機構(gòu)的重量和所述 機構(gòu)的厚度和熱惰性。金屬片扇形的厚度顯著小于現(xiàn)有技術(shù)中所用鑄件的厚度。而且，金屬片扇形以簡單方式通過熔焊或硬焊而直接緊固到噴嘴的內(nèi)平臺上，而不使用任何沉重和龐大的螺母-螺栓類型的緊固機構(gòu)。噴嘴的導(dǎo)片因而在工作中更自由地 熱膨脹，由此減小應(yīng)力并能夠延長噴嘴的使用壽命。優(yōu)選地，每個金屬片扇形包括具有柱形內(nèi)周邊邊沿的徑向壁，并且通過其外周邊 邊緣緊固到所述內(nèi)平臺上。每個金屬片扇形的徑向壁的外周邊可壓靠和緊固到所述平臺的 內(nèi)徑向肋上。在變例中，每個金屬片扇形具有柱形外周邊邊沿，所述外周邊邊沿壓靠和緊固 到所述內(nèi)平臺的內(nèi)表面上。所述耐磨材料元件可緊固到所述金屬片扇形的柱形邊沿的內(nèi)表面，或者可選地緊 固到第二個大致柱形的金屬片部件的扇形，所述扇形裝配到和緊固到第一個金屬片扇形的 柱形邊沿的內(nèi)表面。有利地，金屬片扇形具有朝向相鄰轉(zhuǎn)子盤延伸的邊沿，以限制熱氣體沿徑向從渦 輪流動部分向內(nèi)流入容納迷宮型密封的環(huán)形間隙中。所述金屬片扇形的邊沿可例如由通過 硬焊或熔焊緊固到所述金屬片扇形的金屬片環(huán)形件形成。本發(fā)明噴嘴的內(nèi)平臺優(yōu)選由扇化柱形壁形成，所述平臺的扇形為鑄件并承載密封 條，所述密封條在一端熔焊或硬焊到平臺扇形并在另一端以滑動接觸方式壓靠相鄰的平臺 扇形，所述相鄰的平臺扇形與承載所述耐磨材料元件的金屬片扇形對準(zhǔn)。本發(fā)明還提供一種渦輪機渦輪，其特征在于，其包括前述類型的噴嘴。本發(fā)明還提 供一種渦輪機，例如飛機渦輪噴氣發(fā)動機或渦輪螺旋槳發(fā)動機，其特征在于，其包括裝配有 至少一個前述噴嘴的渦輪。


通過閱讀以下通過非限制性示例方式并參照附圖提供的描述，將會更好地理解本 發(fā)明，而且本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)、特征和優(yōu)點將更清楚地顯現(xiàn)，其中圖1是包括現(xiàn)有技術(shù)噴嘴的渦輪機的低壓渦輪的軸向截面的示意性半視圖；圖2是裝配有本發(fā)明噴嘴的渦輪機的低壓渦輪的局部示意性半視圖；和圖3是對應(yīng)于圖2并顯示出本發(fā)明變例的視圖。
具體實施例方式首先參見圖1，其為飛機渦輪機低壓渦輪10的截面的示意性半視圖，其中包含渦 輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線。渦輪轉(zhuǎn)子具有四個盤12、14、16和18，這四個盤通過環(huán)形法蘭20在公共軸線上依 次組裝，環(huán)形法蘭20承載環(huán)形成行的可移動葉片22，葉片22在其徑向內(nèi)端通過燕尾形或類 似形狀的葉根安裝在盤12、14、16和18的外周邊。轉(zhuǎn)子通過驅(qū)動錐24連接到渦輪軸，驅(qū)動 錐24利用環(huán)形法蘭26緊固在盤14和16的環(huán)形法蘭20之間。用于將可移動葉片沿軸向保持在盤上的環(huán)形板28也安裝在盤12、14、16和18之 間，每個環(huán)形板包括徑向壁30，徑向壁30沿軸向被夾緊在兩個相鄰盤的環(huán)形法蘭20之間。在成行的可移動葉片22之間存在噴嘴，每個噴嘴包括兩個環(huán)形平臺32、34，分別 為內(nèi)平臺和外平臺，二者通過環(huán)形成行的靜止導(dǎo)片36相連。噴嘴的外平臺34通過適當(dāng)?shù)?方式緊固到低壓渦輪的殼體38上。每個噴嘴內(nèi)平臺32包括徑向壁40，徑向壁40從平臺 的內(nèi)表面沿徑向向內(nèi)延伸并在其內(nèi)周邊連接到用于支撐耐磨材料環(huán)形元件44的柱形環(huán)42上。這些耐磨元件44在面向由板28承載的外環(huán)形掃刷46的外側(cè)上沿徑向布置。掃 刷46被設(shè)計為通過抵靠摩擦與元件44配合，以形成迷宮型密封并限制空氣沿軸向流過這 些密封部。柱形環(huán)42包括在其上游和下游側(cè)上的環(huán)形邊沿48，所述邊沿遠(yuǎn)離噴嘴內(nèi)平臺32 的徑向壁40大致沿軸向延伸。大致柱形的上游和下游擾流部50形成為從可移動葉片22 的根部沿軸向突出，并通過阻礙效應(yīng)與這些環(huán)形邊沿48且與內(nèi)平臺32的上游和下游邊緣 配合，以限制熱氣體從渦輪流沿徑向向內(nèi)流過迷宮型密封部。每個噴嘴的環(huán)42和徑向壁40與噴嘴的內(nèi)平臺32 —起制成為單一鑄件，由此產(chǎn)生 如前所述的多種缺陷。本發(fā)明通過利用環(huán)形金屬片扇形將耐磨元件44緊固到噴嘴平臺32上而可以至少 部分地彌補這些問題，這些金屬片扇形被硬焊或熔焊到耐磨元件或噴嘴內(nèi)平臺。在圖2的實施例中，渦輪具有三個噴嘴A、B和C，每個噴嘴均裝配有特定類型的金 屬片扇形。上游噴嘴A的內(nèi)平臺32具有從平臺的內(nèi)表面向內(nèi)延伸的徑向肋40’。此徑向肋 40’所具有的厚度和徑向尺寸顯著小于圖1中的徑向壁40的厚度和徑向尺寸。用于支撐耐磨元件44的金屬片扇形52具有大致L形的截面，每個金屬片扇形52 具有徑向壁54，徑向壁54在其內(nèi)周邊連接到柱形壁56的下游端，該下游端連接到外徑向邊 沿58。徑向壁54的外周邊壓靠噴嘴A的徑向肋40’的下游面，并通過熔焊或硬焊緊固到該 下游面。耐磨元件44通過硬焊或熔焊緊固到金屬片扇形的柱形壁56的內(nèi)表面。金屬片扇 形的邊沿58向外延伸至與位于噴嘴A上游的轉(zhuǎn)子盤12的下游擾流部50相距小的徑向距 罔。L形截面的金屬片環(huán)形件60布置在金屬片扇形52的下游，并且包括徑向上游部 分，該徑向上游部分壓靠金屬片扇形52的徑向壁54的下游面并通過熔焊或硬焊緊固到該 下游面；和柱形部分，該柱形部分在位于噴嘴A下游鄰近處的轉(zhuǎn)子盤14的上游擾流部50的 徑向內(nèi)側(cè)向下游延伸，并且與該上游擾流部50相距小的徑向距離。盤12的下游擾流部和盤14的上游擾流部通過阻礙效應(yīng)而分別與噴嘴A的平臺32 的上游邊緣和金屬片扇形52的外邊沿58并且與平臺32的下游邊緣和金屬片柱形件60配 合，以限制熱氣體沿徑向從渦輪流部分流到容納迷宮型密封的環(huán)形空間中。用于中間噴嘴B的耐磨元件44的支撐機構(gòu)包括與噴嘴A的金屬片扇形52類似的 環(huán)形金屬片扇形52’，每個金屬片扇形的徑向壁54’也在其外周邊連接到柱形邊沿62，柱形 邊沿62面向下游并壓靠內(nèi)平臺32的內(nèi)表面且通過熔焊或硬焊緊固到該內(nèi)表面。此平臺32 不具有徑向壁40或徑向肋40’。金屬片扇形52’的截面大致為S形。具有大致U形截面的金屬片環(huán)形件64也通過熔焊或硬焊緊固到金屬片扇形52’ 上并緊固到耐磨元件44上。此金屬片件64包括上游環(huán)形突部，該上游環(huán)形突部沿徑向向 外延伸并壓靠和緊固到金屬片扇形件52’的徑向壁54’的下游面上。金屬片64的大致柱 形的中間部分緊固到所述耐磨元件上。金屬片52’的下游環(huán)形突部以截錐方式向下游向外 延伸，其下游端位于盤16的上游擾流部50的徑向內(nèi)側(cè)并與上游擾流部50相距小的徑向距 罔ο
5
盤14、16的擾流部50通過阻礙效應(yīng)而與前述噴嘴B的平臺32的上游和下游邊緣、 金屬片扇形52’的上游邊沿58’和金屬片64的下游突部配合。裝配到下游噴嘴C的支撐機構(gòu)包括具有大致C形或U形截面的環(huán)形金屬片扇形 66，它們的開放側(cè)沿軸向面向上游。每個金屬片扇形66具有在徑向外側(cè)的柱形邊沿68，邊 沿68壓靠平臺32 (與噴嘴B的平臺相同)的內(nèi)表面，并通過熔焊或硬焊緊固到該內(nèi)表面。 邊沿68的下游端連接到成角度環(huán)形壁70的外周邊，環(huán)形壁70從上游到下游向內(nèi)延伸并使 其內(nèi)周邊連接到內(nèi)柱形壁72的下游端。耐磨材料元件44緊固到這些柱形壁72的內(nèi)表面。 環(huán)形壁70的下游端部分位于盤18的上游擾流部50的徑向內(nèi)側(cè)并接近于上游擾流部50，以 限制在壁70與擾流部50之間的空氣滲漏。具有大致L形截面的金屬片環(huán)形件74在下游端通過熔焊或硬焊緊固到金屬片扇 形的柱形壁72的外表面上。該金屬片件74的上游端部分沿徑向向外延伸到噴嘴B的下游 擾流部50的近處。此擾流部50通過阻礙效應(yīng)而與噴嘴C的平臺32的上游邊緣并與金屬 片件74配合。噴嘴C在金屬片扇形66下游不具有任何金屬片，以如在噴嘴A和B以及金屬片件 60和64的情況下那樣與位于其下游的盤的上游擾流部配合。相反，噴嘴C的金屬片扇形 66的形狀適于使它們能夠直接通過阻礙效應(yīng)而與盤18的上游擾流部50配合以限制空氣滲漏。圖2中所示的用于耐磨元件44的支撐機構(gòu)被設(shè)計為能夠替換現(xiàn)有技術(shù)(圖1)的 支撐機構(gòu)，即本發(fā)明的支撐機構(gòu)利用它們的形狀及構(gòu)造而適合于渦輪1的環(huán)境，以安裝于 其中而替代現(xiàn)有支撐機構(gòu)。這種替換可在維護操作過程中在渦輪上進行。在圖3中所示的實施例變例中，由于本發(fā)明的用于支撐耐磨元件的支撐機構(gòu)具有 小的徑向和軸向尺度，因而渦輪轉(zhuǎn)子已經(jīng)被重新設(shè)計以減小渦輪的徑向尺寸并由此減小渦 輪的重量。特別是，盤的緊固法蘭120被重新構(gòu)造和重新設(shè)置尺寸，使得板28的掃刷46更 接近于成行可移動葉片122的內(nèi)周邊。這樣，圖3中的支撐耐磨元件的金屬片扇形比圖2中的金屬片扇形呈現(xiàn)出更小的 徑向尺寸。噴嘴D的平臺132類似于圖2中的噴嘴A的平臺。此噴嘴的金屬片扇形152具有 L形截面，每個這些扇形的徑向壁154均在其外周邊通過硬焊或熔焊而緊固到噴嘴平臺132 的內(nèi)徑向肋140’的下游面。它們的金屬片扇形的柱形壁156從徑向壁154的內(nèi)周邊向上游 延伸，它們的內(nèi)表面壓靠另一大致柱形的金屬片件180的外表面，并通過熔焊或硬焊緊固 到該外表面。此另一金屬片件180在盤112、114的下游和上游擾流部的徑向內(nèi)側(cè)沿軸向延 伸并與所述下游和上游擾流部相距短的徑向距離，以通過阻礙效應(yīng)與所述擾流部配合。耐 磨材料元件144緊固到金屬片件180的內(nèi)表面。渦輪的中間噴嘴E具有大致C形截面的環(huán)形金屬片扇形166，金屬片扇形166具有 通過硬焊或熔焊緊固到噴嘴C的平臺132內(nèi)表面的外柱形壁168。金屬片扇形166的內(nèi)柱 形壁172在其上游端在盤114的下游擾流部的徑向內(nèi)側(cè)延伸并與該下游擾流部相距短的徑 向距離。這些柱形壁172不連接到外徑向邊沿或另外的用于與盤114的下游擾流部150配 合的金屬片件。大致L形的金屬片環(huán)形件160在其上游端緊固到金屬片扇形166的徑向壁170的下游面，并在盤116的上游擾流部150的徑向內(nèi)側(cè)向下游延伸，且與該上游擾流部150相距 小的徑向距離。下游噴嘴F的用于支撐耐磨元件144的支撐機構(gòu)包括金屬片扇形166’，類似于與 圖2中噴嘴C的金屬片扇形，這些支撐機構(gòu)不具有任何金屬片件74。每個金屬片扇形166’ 具有環(huán)形壁170’，環(huán)形壁170’在其外周邊連接到緊固于平臺132的柱形邊沿168’并在其 內(nèi)周邊連接到承載耐磨材料元件144的柱形壁172’，此金屬片扇形166’在其平坦化及其徑 向尺寸減小之后對應(yīng)于圖2中的金屬片扇形66，并且在擾流部150的近處延伸以限制空氣 滲漏。噴嘴的平臺32、132均通過由多個依次首尾相繼且沿周向分開的扇形構(gòu)成的扇化 的柱形壁形成。金屬片環(huán)形件60、64、74、180和160同樣被扇化。內(nèi)平臺32、132以及金屬 片環(huán)形件52、52，、66、152、166、166，和60、64、74、180、160的扇形沿徑向的尺寸大致相等， 且它們沿徑向相互對準(zhǔn)。在各個平臺扇形之間的密封利用條提供，所述條在一端通過硬焊或熔焊而緊固到 平臺扇形并在另一端以滑動接觸方式壓靠相鄰的平臺扇形。這些條在圖3中以虛線182、 182’示意性呈現(xiàn)。大致C形截面的密封條182在金屬片扇形166’的上游在噴嘴E的平臺132的徑 向內(nèi)側(cè)布置。每個條在其徑向外端緊固到平臺的內(nèi)表面，并沿周向可滑動地安裝在相鄰平 臺的內(nèi)表面上。這些條182成形為在兩個相鄰金屬片扇形之間的間隙中以小空隙與金屬片 扇形166的形狀匹配，以限制通過所述間隙的氣體流動。密封條182’布置在噴嘴F的金屬片扇形166’的上游和下游，它們的徑向外端如 前所述緊固到噴嘴的平臺132上。這些密封條還布置在金屬片扇形166’之間的扇形間間 隙中，以限制在這些扇形之間的氣體流動。所有金屬片扇形52、52’、70、152、166、166’均可通過這種類型的密封條在上游和
/或下游被覆蓋，其中密封條的徑向外端緊固到噴嘴的內(nèi)平臺上。
權(quán)利要求
一種用于渦輪機的渦輪噴嘴，所述噴嘴包括兩個環(huán)形平臺，分別為內(nèi)平臺(32)和外平臺(34)，所述內(nèi)平臺和外平臺通過大致徑向的導(dǎo)片(36)相連，所述內(nèi)平臺(32)承載耐磨材料環(huán)形元件(44)以與所述渦輪機的轉(zhuǎn)子的環(huán)形掃刷(46)配合以形成迷宮型密封，所述噴嘴的特征在于所述耐磨材料環(huán)形元件由沿徑向安裝在所述內(nèi)平臺(32)內(nèi)的大致L形、S形或C形截面的環(huán)形金屬片扇形(52，52’，66，152，166，166’)承載，每個金屬片扇形通過硬焊或熔焊而在其外周邊緊固到所述內(nèi)平臺并且在其內(nèi)周邊緊固到耐磨材料元件(44)上或緊固到被緊固于耐磨材料元件的金屬片部件(180)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴，其特征在于，每個金屬片扇形(52，52’，66，152，166， 166’ )包括具有柱形內(nèi)周邊邊沿的徑向壁，并且通過其外周邊邊緣緊固到所述內(nèi)平臺(32) 上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的噴嘴，其特征在于，每個金屬片扇形的徑向壁的外周邊壓靠 并緊固到所述平臺(32，132)的內(nèi)徑向肋(40，，140，)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的噴嘴，其特征在于，每個金屬片扇形具有柱形外周邊邊沿 (62,68,168,168')，所述外周邊邊沿(62，68，168，168，)壓靠并緊固到所述內(nèi)平臺(32， 132)的內(nèi)表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的噴嘴，其特征在于，所述耐磨材料元件(44)緊 固到所述金屬片扇形的柱形邊沿(56，56’，72，172，172’ )的內(nèi)表面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的噴嘴，其特征在于，每個金屬片扇形(52，52’， 66，152，166，166，)具有朝向相鄰轉(zhuǎn)子盤(12，14，16，18)延伸的邊沿，以防止熱氣體朝向所 述轉(zhuǎn)子逸散。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的噴嘴，其特征在于，所述金屬片扇形的邊沿由通過硬焊或熔 焊緊固到所述金屬片扇形(52，52’，66，166)的金屬片環(huán)形件(60，64，74，160)形成。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的噴嘴，其特征在于，其內(nèi)平臺(32，132)是扇化的柱形 壁，所述平臺的扇形為鑄件并承載密封條(182，182’)，所述密封條(182，182’)在一端熔焊 或硬焊到平臺扇形并在另一端以滑動接觸方式壓靠相鄰的平臺扇形，所述相鄰的平臺扇形 與承載所述耐磨材料元件的金屬片扇形(52，52’，66，152，166，166’ )對準(zhǔn)。
9.一種渦輪機渦輪，其特征在于，其包括至少一個根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的噴嘴。
10.一種渦輪機，例如飛機渦輪噴氣發(fā)動機或渦輪螺旋槳發(fā)動機，其特征在于，其包括 裝配有至少一個根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述噴嘴的渦輪。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于渦輪機的渦輪噴嘴，所述噴嘴包括內(nèi)、外環(huán)形平臺(32)，內(nèi)平臺和外平臺通過導(dǎo)片(36)相連在一起，內(nèi)平臺(32)承載耐磨材料環(huán)形元件(44)以與渦輪機轉(zhuǎn)子的環(huán)形掃刷(46)配合以形成迷宮型密封，這些耐磨材料元件由大致L形、S形或C形截面的環(huán)形金屬片扇形(52，52’，66)承載，金屬片扇形通過硬焊或熔焊在它們的外周邊緊固到內(nèi)平臺并且在它們的內(nèi)周邊緊固到耐磨材料元件。
文檔編號F01D11/00GK101970805SQ200980108686
公開日2011年2月9日 申請日期2009年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
發(fā)明者吉恩-盧克·索皮宗, 帕特里克·約瑟夫·瑪麗·吉拉德, 蒂里·法查特 申請人:斯奈克瑪