专利名称：用于低延性涡轮罩的安装装置的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及气体涡轮发动机，且更特别地涉及将由低延性材料制成的罩安装在这样的发动机的涡轮区段的装置和方法。
背景技术：
典型的气体涡轮发动机包括涡轮机芯，该涡轮机芯具有处于串行流关系的高压压缩机、燃烧器以及高压涡轮。可以以已知的方式操作机芯来产生主级气体流。高压涡轮(也被称为气体发生器涡轮)包括从主级气体流提取能量的一个或更多转子。各个转子包括由旋转盘装载一环形列的叶片或动叶。穿过转子的流路被罩部分地限定，该罩为包围限定叶片或动叶的梢的固定结构。这些构件在极高温的环境中运行，并必须被空气流冷却以确保足够的使用寿命。典型地，从压缩机提取(抽取)用于冷却的空气。抽取空气的使用负面地影响燃料消耗率(“SFC”)并通常应该减小。已建议以诸如陶瓷基体复合物(CMCs)的具有更佳的高温耐性的材料来代替金属罩结构。这些材料具有独特的必须在诸如罩片段的物体的设计和应用的期间考虑的机械特性。例如，与金属材料相比，CMC材料具有相对低的拉伸延性或相对低的断裂应变。而且，CMCs具有约1.5-5微英寸/英寸/° F的范围的热膨胀系数(“CTE”)，该热膨胀系数与用作针对金属罩的支撑件的商业的金属合金显著地不同。这样的金属合金典型地具有约7-10微英寸/英寸/° F的范围的CTE。CMC罩肯定地必须位于发动机内以有效地工作。一些CMC罩已被设计成带有罩构件，通过使用金属夹紧元件而将该罩构件附连至发动机外壳。这些设计尽管对于安装和定位是有效的，但是可能需要多个紧密地隔开的螺栓。在螺栓可能产生高的弯曲应力，这有悖于针对螺栓的使用的最佳工程实践。其他CMC罩安装设计避免了使用栓接的夹具，但是从周围的金属硬件通过CMC罩本身的箱横截面而传输高负荷。这降低了罩片段的可靠性。由此，需要用于安装CMC及其他低延性的涡轮结构的装置，该装置使位于罩的机械负荷减小
发明内容
本发明致力于该需求，提供了被保持器定位并保持至周围的结构的罩片段，该保持器允许罩和悬挂件之间的径向间隙。根据本发明的一个方面，用于气体涡轮发动机的罩装置包括环形的金属悬挂件、罩片段以及保持器，该罩片段设置于悬挂件的内侧，包含低延性材料并具有由对置的前壁和后壁以及对置的内壁和外壁限定的横截面形状，壁在对置的第一端面和第二端面之间延伸，其中，内壁限定弓形的内流路表面，该保持器机械地联接至接合罩片段的悬挂件而将罩片段保持至悬挂件，并允许罩片段沿径向移动。
结合附图并参照以下的描述，可以最佳地理解本发明，在附图中:
图1是合并了根据本发明的一方面而构造的罩安装装置的气体涡轮发动机的涡轮区段的一部分的示意性横截面 图2是图1示出的罩片段的示意性透视 图3是图2的罩片段的底视 图4是图3的一部分的放大图；以及 图5是图1示出的涡轮区段的一部分的正面截面图。
具体实施例方式参照附图，其中，相同的标号在各种视图中始终表示同一要素，图1描绘了涡轮的一小部分，该部分为已知类型的气体涡轮发动机的一部分。涡轮的功能是以已知的方式从来自上游燃烧器(图中未显示)的高温加压燃烧气体提取能量并将能量转化为机械功。涡轮通过轴而驱动上游压缩机(图中未显示)以将加压空气供应至燃烧器。在此描述的原理同样地可应用至涡轮风扇、涡轮喷气机、涡轮轴发动机以及用于其他运载体或固定应用的涡轮发动机。此外，尽管涡轮罩被用作示例，但是本发明的原理可应用于至少部分地暴露至气体涡轮发动机的主燃烧气体流路的任何低延性的流路构件。涡轮包括固定喷嘴10。该固定喷嘴10可以为单体构造或组合构造，并包括被环形的外带14包围限定的多个翼形固定涡轮静叶12。外带14限定了穿过涡轮喷嘴10的气体流的外部径向界限。外带14可以为连续的环形元件或可以被分段。在喷嘴10的下游，存在转子盘(图中未显示)，该转子盘绕着发动机的中心轴线旋转，并装载一列翼形涡轮叶片16。布置包括多个弓形罩片段18的罩，以环绕并紧密地包围涡轮叶片16，由此，对于流经涡轮叶片16的热气体流而限定外部径向流路界限。在涡轮叶片16的下游，存在下游固定喷嘴17。该固定喷嘴17可以为单体构造或组合构造，并包括被环形的外带21包围限定的多个翼形固定涡轮静叶19。外带21限定了穿过涡轮喷嘴17的气体流的外部径向界限。外带21可以为连续的环形元件或可以被分段。如图2所示，各个罩片段18具有由对置的内壁20和外壁22以及前壁24和后壁26限定的大致空心的横截面形状。可以在壁的相交处使用辐射状的、尖锐的或四方缘的过渡。罩腔28被限定于壁20、22、24以及26内。过渡壁29在前壁24和外壁22之间以某个角度延伸，且在以横截面观看时与中央纵向轴线成锐角。轴向伸长的安装槽27穿过外壁
22、过渡壁29以及前壁24。内壁20限定了弓形的径向内流路表面30。内壁20轴向地向前延伸超过前壁24以限定前凸缘或前悬突32，并且还轴向地向后延伸超过后壁26以限定后凸缘或后悬突34。流路表面30在正视图中沿圆弧行进(例如，从前向后看，反之亦然)。罩片段18由已知类型的陶瓷基体复合(CMC)材料构造而成。通常地，可商业性地获得的CMC材料包括陶瓷型纤维，例如，被涂覆诸如氮化硼(BN)的覆盖材料的形式的SiC。纤维被装载于陶瓷型基体内，该陶瓷型基体的一个形式为碳化硅(SiC)。典型地，CMC型材料具有不大于约1%的室温拉伸延性，在此用来限定并意味着低拉伸延性的材料。通常地，CMC型材料具有约0.4%至约0.7%的范围的室温拉伸延性。与此相比，金属具有至少约5%的室温拉伸延性，例如，约5%至约15%的范围的室温拉伸延性。罩片段18也能够由其他低延性、耐高温的材料构造而成。罩片段18的流路表面30可以合并一层环境阻隔涂层(“EBC”)，该层可以为适于与CMC材料一起使用的已知类型的防磨损材料和/或耐摩擦材料。该层有时被称作“耐摩涂层”，标号38。如在此所使用的那样，术语“防磨损”暗示着当涡轮叶片16高速地转入罩片段18的内侧时，耐摩涂层38能够在与涡轮叶片16的梢接触的期间被磨损、研磨或侵蚀，而对涡轮叶片的梢不造成损害或几乎不造成损害。该防磨损特性可能为耐摩涂层38的基于其物理结构或一些组合的材料复合的结果。耐摩涂层38可以包括陶瓷层，诸如氧化钇稳定的氧化错或娃招酸银钡。通过引用而合并于本文中的美国专利N0.7749565 (Johnson等)描述了适于制造耐摩涂层38的示范性复合和方法。图3和图4更详细地描绘了耐摩涂层38。在所说明的示例中，耐摩涂层38形成图案。图案通过降低暴露而与涡轮叶片16的梢接触的表面面积，从而提高耐摩涂层的防磨损性。特别地，耐摩涂层38具有形成于此的多个并排的凹槽39。凹槽39的存在将包括交替的峰41和谷43的形状赋予表面。凹槽39通常沿前后方向行进，且各个凹槽39具有前端45、中央部47以及后端49。在平视图中，凹槽39可以弯曲。例如，如图3所示，各个凹槽39弯曲，使得其中央部47相对于其前端45和后端49而沿横向方向或切线方向偏移。罩片段18包括对置的端面42 ( —般也被称为“切口”面)。端面42可以位于被称为“径向平面”的与发动机的中央轴线平行的平面，或者端面42可以从径向平面轻微地偏移，或者端面42可以被定向成使得端面42与这样的径向平面成锐角。当被组装成完整的环时，端隙存在于相邻的罩片段18的端面42之间。一个或更多的密封件(图中未显示)可以设于端面42。类似的密封件通常被称为“花键密封件”并采用插入在位于端面42的槽中的金属或其他合适的材料的薄条的形式。花键密封件横跨罩片段18之间的间隙。罩片段18被安装至图1所示的固定金属发动机结构。在该示例中，固定结构为涡轮外壳44的一部分。罩片段18的环经由一列保持器48和螺栓50而安装至一列弓形的罩悬挂件46。 如图1和图5最佳示出的那样，各个悬挂件46包括沿大致轴向延伸的环形的主体52。主体52成角度，使得其前端在其后端的径向内侧。主体52被径向对齐的螺栓孔54相隔一定距离地穿透。环形的前外腿56设置在主体52的前端。前外腿56在主体52的外侧沿大致径向延伸，并包括轴向地向后延伸的前钩58。环形的后外腿60设置在主体52的后端。后外腿60在主体52的外侧沿大致径向延伸，并包括轴向地向后延伸的后钩62。环形的前内腿64设置在主体52的前端。前内腿64在主体52的内侧沿大致径向延伸，并包括面向后方的环形的前支承表面66。环形的后内腿68设置在主体52的后端。后内腿68在主体52的内侧沿大致径向延伸，并包括面向前方的环形的后支承表面70。如以下更详细地解释的那样，后内腿68配置成起到弹簧元件的作用。主体52具有形成于此的一个或更多的冷却剂供给通道71，该冷却剂供给通道71用于从发动机之内的源(诸如压缩机抽取空气)接收冷却剂并将冷却剂发送至主体52的内侧。悬挂件46如下地安装至涡轮外壳44中。前钩58由外壳44的轴向地面向前方的前轨72容纳。后钩62由外壳44的轴向地面向前方的后轨74容纳。防转销76或其他类似的防转特征被容纳于前轨72并延伸至位于前钩58的匹配槽(图中未显示)中。图5更详细地显示了保持器48的构造。各个保持器48具有中央部78，该中央部78带有两个横向延伸的臂80。各个臂80的远端包括相对于臂80的剩余部而径向地向外突出的凹状地弯曲的接触垫82。中央部78沿径向升高至臂80之上并限定夹紧表面84。径向对齐的孔86延伸穿过中央部78。大致管状的插入件88被型锻(swage)或否则固定至孔86并包括螺纹紧固孔。可选地，孔86能够带有螺纹并省去插入件88。保持器48定位于罩腔28中，而中央部78和夹紧表面84通过位于外壁22的安装孔27而暴露。保持器48被螺栓50或其他合适的紧固件夹紧至悬挂件46的隆起90，且弹簧92被夹紧在隆起90和夹紧表面之间。各个弹簧92包括带有安装孔的中央区段和对置的横向延伸臂94。选择隆起90、保持器48以及罩片段18的相对尺寸，使得保持器48限制罩片段18的内侧移动，但是不沿径向将罩片段18夹紧至悬挂件46。换言之，保持器48对于沿径向外侧方向的移动允许明确的间隙。在运行中，当保持器48少量偏斜时，次级流路中的主要的气体压力负荷促使罩片段18径向地在内侧紧贴保持器48。弹簧92用于在组装期间保持罩片段18径向地在内侧紧贴保持器48并对于最初的研磨过程使罩片段18的环成圆形。然而，弹簧92的尺寸使得该弹簧92不将实质性的夹紧负荷施加于罩片段18。悬挂件46的后内腿68沿轴向作为大的悬臂弹簧而在运行中抵消空气压力负荷。该弹簧作用促使罩片段18的前壁24紧贴前内腿64的前支承表面66，造成金属悬挂件46和CMC罩片段之间的有利的密封，由此降低冷却流的泄漏。在已安装的条件下，前悬突32和后悬突34以与罩片段18的前后构件轴向地接近或轴向地重叠的关系设置。在所说明的示例中，在后悬突34和后喷嘴带21之间存在重叠配置，而前悬突32接近前外带14。该配置减小了构件之间的泄漏并阻碍从主级流路至次级流路的热气摄取。如上所述，安装槽27穿过外壁22、过渡壁29以及前壁24。罩片段18因此合并了大量的敞开区域。在安装槽27的周边和悬挂件46之间不存在空气密封，且罩片段18自身不起到气室的作用。而是罩片段18与悬挂件46协作而形成大致显示于图1的“P”的气室。特别地，环形密封接触存在于前支承表面66和罩片段18的前壁24之间。而且，环形密封接触存在于后支承表面70和罩片段18的后壁26之间。如上所述，由后内腿68的弹簧作用确保密封接触。罩片段18可以被认为是气室的“内部”且悬挂件46可以被认为是气室的“外部”。空心的金属冲击挡板96设置在各个罩片段18的内侧。冲击挡板96紧密地配合保持器48。冲击挡板的内壁具有形成于此的多个冲击孔98，该冲击孔98引导位于片段18的冷却剂。冲击挡板96的内部通过形成于保持器48的传递通道73而与冷却剂供给通道71连通。在运行中，空气流经通道71、传递通道73、挡板96、冲击孔98使气室P增压。来自气室P的已使用的冷却空气穿过形成于罩片段18的前壁24的净化孔100而离开。以上描述的罩安装装置有效地将低延性的罩安装于涡轮发动机而不将夹紧负荷直接地施加至涡轮发动机，与现有技术相比，具有若干优点。特别地，位于罩的前侧的渐缩缘(或楔)形允许罩安装系统将负荷从罩片段18传输至涡轮外壳44而不直接地通过罩片段18而传输。通过使罩片段18附近的负荷换向，使得位于罩片段18的应力保持相对地低。此外，悬突32和34允许罩片段18保护接近流路的支撑结构，同时通过在罩片段18和轴向相邻的喷嘴之间使用重叠而阻碍热气摄取。该重叠配置需要更少的冷却流来净化罩至喷嘴的腔，由此，改善整体的发动机性能。由于罩材料比相邻的喷嘴具有更佳的高温耐性和更低的应力，因而悬突32和34的使用提供了整体的涡轮寿命的改善。上述已描述了用于气体涡轮发动机的涡轮罩安装装置。尽管已描述了本发明的具体实施例，但是，在不脱离本发明的要旨和范围的情况下，本领域的技术人员清楚能够对其进行各种修改。因此，仅出于说明的目的而不出于限制的目的，提供了本发明的优选实施例和用于实施本发明的最佳模式的以上描述。
权利要求
1.一种用于气体涡轮发动机的罩装置，包括: 环形的金属悬挂件； 罩片段，设置在所述悬挂件的内侧，包含低延性材料并具有由对置的前壁和后壁以及对置的内壁和外壁限定的横截面形状，所述壁在对置的第一端面和第二端面之间延伸，其中，所述内壁限定弓形的内流路表面；以及 保持器，机械地联接至接合所述罩片段的所述悬挂件而将所述罩片段保持至所述悬挂件，并允许所述罩片段沿径向移动。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述保持器包括中央部，该中央部带有从该中央部横向地向外延伸的一对对置的臂。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述保持器的表面被夹紧至所述悬挂件，且所述罩片段的所述外壁被限制于所述悬挂件和所述保持器的一部分之间。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，弹簧被夹紧于所述悬挂件和所述保持器之间并弹性地支承所述罩片段以促使该罩片段径向地在内侧紧贴所述保持器。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述内壁轴向地向前延伸超过所述前壁以限定前悬突，且所述内壁轴向地向后延伸超过所述后壁以限定后悬突。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述悬挂件被环形的涡轮外壳包围并装载。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述悬挂件包括分别被所述涡轮外壳的前轨和后轨容纳的轴向隔开的前钩和后钩。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述悬挂件具有环形主体，该环形主体带有相对于其后端径向地设置于内侧的前端。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述罩片段包括过渡壁，该过渡壁设置在所述前壁和所述外壁之间并以锐角延伸至所述前壁和所述外壁的这两者。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述过渡壁与所述悬挂件的所述主体大致平行地延伸。
11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述悬挂件包括弹性的后内腿，该后内腿轴向地向前弹性地加载所述罩片段紧贴所述悬挂件的前内腿的支承表面。
12.根据权利要求1所述的装置，还包括设置在所述罩片段的内侧的空心的冲击挡板。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，冷却剂供给通道延伸穿过所述悬挂件并连接至所述冲击挡板的内部。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述罩片段包含陶瓷基体复合材料。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，罩片段的环布置于所述外壳内的环形列。
16.一种用于气体涡轮发动机的罩装置，包括: 罩片段，包含低延性材料并具有限定弓形的内流路表面的内壁和从所述内壁径向地向外延伸的轴向隔开的前壁和后壁， 其中，所述内壁轴向地延伸超过所述前壁或所述后壁中的至少一者以限定悬突。
17.根据权利要 求16所述的装置，其中，所述内壁轴向地向前延伸超过所述前壁以限定前悬突，且所述内壁轴向地向后延伸超过所述后壁以限定后悬突。
18.根据权利要求16所述的装置，其中，所述罩片段包括从所述内壁隔开并在所述前壁和所述后壁之间延伸的外壁。
19.根据权利要求18所述的装置，还包括过渡壁，该过渡壁设置在所述前壁和所述外壁之间并以锐角延伸至所述前壁和所述外壁的这两者。
20.根据权利要求16所述的装置，其中，一列所述罩片段被布置以形成闭合的环面。
21.根据权利要求16所述的装置，其中，所述罩片段包含陶瓷基体复合材料。
22.根据权利要求16所述的装置，还包括设置于所述内流路表面的防摩涂层。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述涂层包括位于其中的凹槽的图案。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述图案包括多个平行的并排的凹槽。
25.根据权利要求23所述的装置，其中，所述凹槽弯曲，各个凹槽具有设置在前端和后端之间的中央部，所述中央部相对于所述前端和所述后端而沿切线方向偏移。
26.一种用于气体涡轮发动机的罩装置，包括: 环形的金属悬挂件，包括弓形主体以及从所述主体径向地向内延伸的轴向隔开的前内腿和后内腿，所述前内腿包括弓形 的前支承表面，所述后内腿包括弓形的后支承表面；以及 罩片段，设置在所述悬挂件的内侧，包含低延性材料并具有限定弓形的内流路表面的内壁和从所述内壁径向地向外延伸的轴向隔开的前壁和后壁， 其中，所述罩片段相对于所述悬挂件而安装，使得所述前支承表面支承所述前壁且所述后支承表面支承所述后壁，使得所述罩片段和所述悬挂件协作地限定其间的气室。
27.根据权利要求26所述的罩装置，还包括保持器，该保持器机械地联接至接合所述罩片段的所述悬挂件而将所述罩片段保持至所述悬挂件，并允许所述罩片段沿径向移动。
28.根据权利要求26所述的罩装置，其中，所述后内腿轴向地向前弹性地加载所述罩片段紧贴所述悬挂件的所述前支承表面。
全文摘要
本发明涉及用于低延性涡轮罩的安装装置。具体而言，一种用于气体涡轮发动机的罩装置，包括环形的金属悬挂件、罩片段以及保持器，该罩片段设置在悬挂件的内侧，包含低延性材料并具有由对置的前壁和后壁以及对置的内壁和外壁限定的横截面形状，壁在对置的第一端面和第二端面之间延伸，其中，内壁限定弓形的内流路表面，该保持器机械地联接至接合罩片段的悬挂件而将罩片段保持至悬挂件，并允许罩片段沿径向移动。
文档编号F01D25/28GK103161525SQ20121054147
公开日2013年6月19日 申请日期2012年12月14日 优先权日2011年12月15日
发明者M.J.弗兰克斯, R.L.道蒂, J.D.夏皮洛, S.R.鲁利 申请人:通用电气公司