用于涡轮机涡轮的喷嘴 技术领域 本发明涉及一种用于例如飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机这样的涡轮 机的涡轮的喷嘴。
背景技术 涡轮机涡轮包括多个级， 每个级具有叶轮和喷嘴。 每个叶轮包括盘， 该盘在其外周 边上承载大致径向的叶片， 不同轮的盘通过适合方式沿公共轴线相互连接并连接到涡轮转 子的驱动轴。
每个喷嘴包括一内环形平台和和一外环形平台， 带有大致径向的导片在它们之间 延伸。喷嘴的外平台包括用于接合和紧固到涡轮外壳上的机构。内环形平台承载耐磨材料 的环形元件， 用于与转子元件的外环形扫刷配合以形成迷宫型密封。该密封用于确保空气 沿轴向流过在喷嘴内周边与涡轮转子之间的环形空间。
在现有技术中， 耐磨材料元件由通过径向壁被连接到喷嘴内平台的环形环承载。 所述环、 径向壁以及喷嘴的内平台形成为具有相当大厚度并由此具有相对较大重量的单一 铸件。
这种现有技术具有另一主要缺点。在工作中， 喷嘴导片暴露于涡轮流动部分中的 热气体流。流动部分中的气体温度相对较高， 通常在 900℃的量级， 而在喷嘴内平台与转子 之间的区域的温度较低， 例如， 约为 700℃。所述平台和支撑耐磨元件机构的厚度使它们呈 现出相当大的热惰性， 而且结合其所承受的较低温度而言， 不利于喷嘴导片的热膨胀， 这些 导片于是承受高程度机械应力。这在导片中产生可见的裂纹和裂缝， 导致其使用寿命显著 缩短。
已经提出将耐磨元件紧固到金属片部件上， 金属片部件自身通过螺母 - 螺栓或类 似类型的紧固件紧固到内平台的内径向边沿。不幸的是， 这样的紧固件意味着其占据相对 较大量的轴向和径向空间， 而且其使用显著增大了喷嘴的尺寸和重量。
发明内容
本发明的具体目的是， 针对这些问题提供一种简单、 有效和经济的解决方案。
对此， 本发明提供一种用于涡轮机的涡轮喷嘴， 所述喷嘴包括 ： 两个环形平台， 分 别为内平台和外平台， 所述内平台和外平台通过大致径向的导片相连， 所述内平台承载耐 磨材料环形元件以与所述涡轮机的转子的环形扫刷配合以形成迷宫型密封， 所述喷嘴的特 征在于 ： 所述耐磨材料环形元件由沿径向安装在所述内平台内的大致为 L 形、 S 形或 C 形截 面的环形金属片扇形承载， 每个金属片扇形通过硬焊或熔焊而在其外周边紧固到所述内平 台并且在其内周边紧固到耐磨材料元件或紧固到被紧固于耐磨材料元件的金属片部件。
与现有技术相比， 本发明可显著减少用于耐磨材料元件的支撑机构的重量和所述 机构的厚度和热惰性。金属片扇形的厚度显著小于现有技术中所用铸件的厚度。
而且， 金属片扇形以简单方式通过熔焊或硬焊而直接紧固到喷嘴的内平台上， 而不使用任何沉重和庞大的螺母 - 螺栓类型的紧固机构。喷嘴的导片因而在工作中更自由地 热膨胀， 由此减小应力并能够延长喷嘴的使用寿命。
优选地， 每个金属片扇形包括具有柱形内周边边沿的径向壁， 并且通过其外周边 边缘紧固到所述内平台上。 每个金属片扇形的径向壁的外周边可压靠和紧固到所述平台的 内径向肋上。 在变例中， 每个金属片扇形具有柱形外周边边沿， 所述外周边边沿压靠和紧固 到所述内平台的内表面上。
所述耐磨材料元件可紧固到所述金属片扇形的柱形边沿的内表面， 或者可选地紧 固到第二个大致柱形的金属片部件的扇形， 所述扇形装配到和紧固到第一个金属片扇形的 柱形边沿的内表面。
有利地， 金属片扇形具有朝向相邻转子盘延伸的边沿， 以限制热气体沿径向从涡 轮流动部分向内流入容纳迷宫型密封的环形间隙中。 所述金属片扇形的边沿可例如由通过 硬焊或熔焊紧固到所述金属片扇形的金属片环形件形成。
本发明喷嘴的内平台优选由扇化柱形壁形成， 所述平台的扇形为铸件并承载密封 条， 所述密封条在一端熔焊或硬焊到平台扇形并在另一端以滑动接触方式压靠相邻的平台 扇形， 所述相邻的平台扇形与承载所述耐磨材料元件的金属片扇形对准。 本发明还提供一种涡轮机涡轮， 其特征在于， 其包括前述类型的喷嘴。 本发明还提 供一种涡轮机， 例如飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机， 其特征在于， 其包括装配有 至少一个前述喷嘴的涡轮。
附图说明
通过阅读以下通过非限制性示例方式并参照附图提供的描述， 将会更好地理解本 发明， 而且本发明的其它细节、 特征和优点将更清楚地显现， 其中 ：
图 1 是包括现有技术喷嘴的涡轮机的低压涡轮的轴向截面的示意性半视图 ；
图 2 是装配有本发明喷嘴的涡轮机的低压涡轮的局部示意性半视图 ； 和
图 3 是对应于图 2 并显示出本发明变例的视图。 具体实施方式
首先参见图 1， 其为飞机涡轮机低压涡轮 10 的截面的示意性半视图， 其中包含涡 轮转子的旋转轴线。
涡轮转子具有四个盘 12、 14、 16 和 18， 这四个盘通过环形法兰 20 在公共轴线上依 次组装， 环形法兰 20 承载环形成行的可移动叶片 22， 叶片 22 在其径向内端通过燕尾形或类 似形状的叶根安装在盘 12、 14、 16 和 18 的外周边。转子通过驱动锥 24 连接到涡轮轴， 驱动 锥 24 利用环形法兰 26 紧固在盘 14 和 16 的环形法兰 20 之间。
用于将可移动叶片沿轴向保持在盘上的环形板 28 也安装在盘 12、 14、 16 和 18 之 间， 每个环形板包括径向壁 30， 径向壁 30 沿轴向被夹紧在两个相邻盘的环形法兰 20 之间。
在成行的可移动叶片 22 之间存在喷嘴， 每个喷嘴包括两个环形平台 32、 34， 分别 为内平台和外平台， 二者通过环形成行的静止导片 36 相连。喷嘴的外平台 34 通过适当的 方式紧固到低压涡轮的壳体 38 上。每个喷嘴内平台 32 包括径向壁 40， 径向壁 40 从平台 的内表面沿径向向内延伸并在其内周边连接到用于支撑耐磨材料环形元件 44 的柱形环 42上。 这些耐磨元件 44 在面向由板 28 承载的外环形扫刷 46 的外侧上沿径向布置。扫 刷 46 被设计为通过抵靠摩擦与元件 44 配合， 以形成迷宫型密封并限制空气沿轴向流过这 些密封部。
柱形环 42 包括在其上游和下游侧上的环形边沿 48， 所述边沿远离喷嘴内平台 32 的径向壁 40 大致沿轴向延伸。大致柱形的上游和下游扰流部 50 形成为从可移动叶片 22 的根部沿轴向突出， 并通过阻碍效应与这些环形边沿 48 且与内平台 32 的上游和下游边缘 配合， 以限制热气体从涡轮流沿径向向内流过迷宫型密封部。
每个喷嘴的环 42 和径向壁 40 与喷嘴的内平台 32 一起制成为单一铸件， 由此产生 如前所述的多种缺陷。
本发明通过利用环形金属片扇形将耐磨元件 44 紧固到喷嘴平台 32 上而可以至少 部分地弥补这些问题， 这些金属片扇形被硬焊或熔焊到耐磨元件或喷嘴内平台。
在图 2 的实施例中， 涡轮具有三个喷嘴 A、 B 和 C， 每个喷嘴均装配有特定类型的金 属片扇形。
上游喷嘴 A 的内平台 32 具有从平台的内表面向内延伸的径向肋 40’ 。此径向肋 40’ 所具有的厚度和径向尺寸显著小于图 1 中的径向壁 40 的厚度和径向尺寸。
用于支撑耐磨元件 44 的金属片扇形 52 具有大致 L 形的截面， 每个金属片扇形 52 具有径向壁 54， 径向壁 54 在其内周边连接到柱形壁 56 的下游端， 该下游端连接到外径向边 沿 58。径向壁 54 的外周边压靠喷嘴 A 的径向肋 40’ 的下游面， 并通过熔焊或硬焊紧固到该 下游面。耐磨元件 44 通过硬焊或熔焊紧固到金属片扇形的柱形壁 56 的内表面。金属片扇 形的边沿 58 向外延伸至与位于喷嘴 A 上游的转子盘 12 的下游扰流部 50 相距小的径向距 离。
L 形截面的金属片环形件 60 布置在金属片扇形 52 的下游， 并且包括 ： 径向上游部 分， 该径向上游部分压靠金属片扇形 52 的径向壁 54 的下游面并通过熔焊或硬焊紧固到该 下游面 ； 和柱形部分， 该柱形部分在位于喷嘴 A 下游邻近处的转子盘 14 的上游扰流部 50 的 径向内侧向下游延伸， 并且与该上游扰流部 50 相距小的径向距离。
盘 12 的下游扰流部和盘 14 的上游扰流部通过阻碍效应而分别与喷嘴 A 的平台 32 的上游边缘和金属片扇形 52 的外边沿 58 并且与平台 32 的下游边缘和金属片柱形件 60 配 合， 以限制热气体沿径向从涡轮流部分流到容纳迷宫型密封的环形空间中。
用于中间喷嘴 B 的耐磨元件 44 的支撑机构包括与喷嘴 A 的金属片扇形 52 类似的 环形金属片扇形 52’ ， 每个金属片扇形的径向壁 54’ 也在其外周边连接到柱形边沿 62， 柱形 边沿 62 面向下游并压靠内平台 32 的内表面且通过熔焊或硬焊紧固到该内表面。 此平台 32 不具有径向壁 40 或径向肋 40’ 。金属片扇形 52’ 的截面大致为 S 形。
具有大致 U 形截面的金属片环形件 64 也通过熔焊或硬焊紧固到金属片扇形 52’ 上并紧固到耐磨元件 44 上。此金属片件 64 包括上游环形突部， 该上游环形突部沿径向向 外延伸并压靠和紧固到金属片扇形件 52’ 的径向壁 54’ 的下游面上。金属片 64 的大致柱 形的中间部分紧固到所述耐磨元件上。金属片 52’ 的下游环形突部以截锥方式向下游向外 延伸， 其下游端位于盘 16 的上游扰流部 50 的径向内侧并与上游扰流部 50 相距小的径向距 离。
盘 14、 16 的扰流部 50 通过阻碍效应而与前述喷嘴 B 的平台 32 的上游和下游边缘、 金属片扇形 52’ 的上游边沿 58’ 和金属片 64 的下游突部配合。
装配到下游喷嘴 C 的支撑机构包括 ： 具有大致 C 形或 U 形截面的环形金属片扇形 66， 它们的开放侧沿轴向面向上游。每个金属片扇形 66 具有在径向外侧的柱形边沿 68， 边 沿 68 压靠平台 32( 与喷嘴 B 的平台相同 ) 的内表面， 并通过熔焊或硬焊紧固到该内表面。 边沿 68 的下游端连接到成角度环形壁 70 的外周边， 环形壁 70 从上游到下游向内延伸并使 其内周边连接到内柱形壁 72 的下游端。耐磨材料元件 44 紧固到这些柱形壁 72 的内表面。 环形壁 70 的下游端部分位于盘 18 的上游扰流部 50 的径向内侧并接近于上游扰流部 50， 以 限制在壁 70 与扰流部 50 之间的空气渗漏。
具有大致 L 形截面的金属片环形件 74 在下游端通过熔焊或硬焊紧固到金属片扇 形的柱形壁 72 的外表面上。该金属片件 74 的上游端部分沿径向向外延伸到喷嘴 B 的下游 扰流部 50 的近处。此扰流部 50 通过阻碍效应而与喷嘴 C 的平台 32 的上游边缘并与金属 片件 74 配合。
喷嘴 C 在金属片扇形 66 下游不具有任何金属片， 以如在喷嘴 A 和 B 以及金属片件 60 和 64 的情况下那样与位于其下游的盘的上游扰流部配合。相反， 喷嘴 C 的金属片扇形 66 的形状适于使它们能够直接通过阻碍效应而与盘 18 的上游扰流部 50 配合以限制空气渗 漏。 图 2 中所示的用于耐磨元件 44 的支撑机构被设计为能够替换现有技术 ( 图 1) 的 支撑机构， 即本发明的支撑机构利用它们的形状及构造而适合于涡轮 1 的环境， 以安装于 其中而替代现有支撑机构。这种替换可在维护操作过程中在涡轮上进行。
在图 3 中所示的实施例变例中， 由于本发明的用于支撑耐磨元件的支撑机构具有 小的径向和轴向尺度， 因而涡轮转子已经被重新设计以减小涡轮的径向尺寸并由此减小涡 轮的重量。特别是， 盘的紧固法兰 120 被重新构造和重新设置尺寸， 使得板 28 的扫刷 46 更 接近于成行可移动叶片 122 的内周边。
这样， 图 3 中的支撑耐磨元件的金属片扇形比图 2 中的金属片扇形呈现出更小的 径向尺寸。
喷嘴 D 的平台 132 类似于图 2 中的喷嘴 A 的平台。此喷嘴的金属片扇形 152 具有 L 形截面， 每个这些扇形的径向壁 154 均在其外周边通过硬焊或熔焊而紧固到喷嘴平台 132 的内径向肋 140’ 的下游面。 它们的金属片扇形的柱形壁 156 从径向壁 154 的内周边向上游 延伸， 它们的内表面压靠另一大致柱形的金属片件 180 的外表面， 并通过熔焊或硬焊紧固 到该外表面。此另一金属片件 180 在盘 112、 114 的下游和上游扰流部的径向内侧沿轴向延 伸并与所述下游和上游扰流部相距短的径向距离， 以通过阻碍效应与所述扰流部配合。耐 磨材料元件 144 紧固到金属片件 180 的内表面。
涡轮的中间喷嘴 E 具有大致 C 形截面的环形金属片扇形 166， 金属片扇形 166 具有 通过硬焊或熔焊紧固到喷嘴 C 的平台 132 内表面的外柱形壁 168。金属片扇形 166 的内柱 形壁 172 在其上游端在盘 114 的下游扰流部的径向内侧延伸并与该下游扰流部相距短的径 向距离。这些柱形壁 172 不连接到外径向边沿或另外的用于与盘 114 的下游扰流部 150 配 合的金属片件。
大致 L 形的金属片环形件 160 在其上游端紧固到金属片扇形 166 的径向壁 170 的
下游面， 并在盘 116 的上游扰流部 150 的径向内侧向下游延伸， 且与该上游扰流部 150 相距 小的径向距离。
下游喷嘴 F 的用于支撑耐磨元件 144 的支撑机构包括金属片扇形 166’ ， 类似于与 图 2 中喷嘴 C 的金属片扇形， 这些支撑机构不具有任何金属片件 74。每个金属片扇形 166’ 具有环形壁 170’ ， 环形壁 170’ 在其外周边连接到紧固于平台 132 的柱形边沿 168’ 并在其 内周边连接到承载耐磨材料元件 144 的柱形壁 172’ ， 此金属片扇形 166’ 在其平坦化及其径 向尺寸减小之后对应于图 2 中的金属片扇形 66， 并且在扰流部 150 的近处延伸以限制空气 渗漏。
喷嘴的平台 32、 132 均通过由多个依次首尾相继且沿周向分开的扇形构成的扇化 的柱形壁形成。金属片环形件 60、 64、 74、 180 和 160 同样被扇化。内平台 32、 132 以及金属 片环形件 52、 52’ 、 66、 152、 166、 166’ 和 60、 64、 74、 180、 160 的扇形沿径向的尺寸大致相等， 且它们沿径向相互对准。
在各个平台扇形之间的密封利用条提供， 所述条在一端通过硬焊或熔焊而紧固到 平台扇形并在另一端以滑动接触方式压靠相邻的平台扇形。这些条在图 3 中以虚线 182、 182’ 示意性呈现。 大致 C 形截面的密封条 182 在金属片扇形 166’ 的上游在喷嘴 E 的平台 132 的径 向内侧布置。每个条在其径向外端紧固到平台的内表面， 并沿周向可滑动地安装在相邻平 台的内表面上。这些条 182 成形为在两个相邻金属片扇形之间的间隙中以小空隙与金属片 扇形 166 的形状匹配， 以限制通过所述间隙的气体流动。
密封条 182’ 布置在喷嘴 F 的金属片扇形 166’ 的上游和下游， 它们的径向外端如 前所述紧固到喷嘴的平台 132 上。这些密封条还布置在金属片扇形 166’ 之间的扇形间间 隙中， 以限制在这些扇形之间的气体流动。
所有金属片扇形 52、 52’ 、 70、 152、 166、 166’ 均可通过这种类型的密封条在上游和 / 或下游被覆盖， 其中密封条的径向外端紧固到喷嘴的内平台上。