涡轮壳体冷却装置的制作方法

1.本发明涉及涡轮机的涡轮壳体，特别是涡轮喷气发动机或飞机涡轮螺旋桨发动机的涡轮壳体。


背景技术：

2.低压涡轮的壳体是用于承载低压涡轮并确保膨胀能量正确地传递到低压涡轮、低压压缩机和风扇的主要部件。该壳体主要使用壳体钩来支撑环部段，所述的环部段围绕每个轮和喷嘴引导扇叶。这些钩经受高温和陡峭的温度梯度。具体来说，在壳体外部，空气的温度水平大约是数百度，而温度可达1000℃以上的流道空气在壳体内部流通。因此，对壳体钩进行冷却是有利的。
3.此外，为了保证涡轮机的高效率，建议对不流经不同级的轮的气流进行限制，即，对叶片的径向外端部与可磨损材料环之间的泄漏进行限制。为此，建议控制该界面位置处的间隙，该间隙取决于壳体的温度，特别是所述壳体的包括支撑环的钩或凸缘的区域的温度。
4.为了控制上述间隙且避免涡轮的不同的固定部件和可动部件的任何过早劣化，因此有必要提供可容易地并入涡轮机的环境中的有效的冷却装置。
5.附图1示出了根据以本技术人署名的专利申请fr3021700的壳体冷却装置。该图示出了低压涡轮7的壳体18的冷却装置21，该涡轮7本身仅在图3和图4中可见。该冷却装置包括收集器箱22，每个收集器箱22形成轴向延伸的通道。装置21还包括在收集器箱22的两侧周向地延伸的管23。所述管的23还称为歧管，由具有圆形截面的曲线管线形成，每个管23围绕壳体周向地延伸，例如围绕大约90度的角度延伸。每个管23包括空气入口和封闭的远端，空气入口开通至对应的收集器箱22的通道中。每个管23还包括圆柱形壁，该圆柱形壁设置有朝向壳体18的空气排出孔，使得冷却空气可进入收集器箱22中，然后进入管23中，然后通过面向壳体18的排出孔敞开，以使壳体冷却。这特别地被称为冲击冷却，原因是空气冲击在壳体18上。
6.此外，虽然在图1中不可见，但是壳体18在其径向内部面上包括至少一个环形钩，该环形钩使得能够安装固定扇叶或密封环部段。然而，前面提到的空气射流冲击冷却技术不可能正确地冷却这些钩。因此，期望改善壳体表皮的冷却，使得改善钩在其整个长度上的冷却，从而改善钩末端处的热阻。
7.文献ep1847687也是已知的，该文献提供用于冷却涡轮机的涡轮壳体的装置。附图2、2a和2b示出了这样的冷却装置。冷却装置使用旨在冷却涡轮上游的喷嘴引导扇叶的空气的一部分来冷却钩70、72和锁紧部74(钩70、72和锁紧部74使得能够附接环部段34)。因此，在该文献中，供应腔室48使用圆柱形管54将空气供应到喷嘴引导扇片的扇叶的内腔46。开口80、82、90制造成将扇叶的内腔46连接到环形容纳空间76，附接钩70、72位于环形容纳空间76中。更准确地说，开口被制造在
[0008]-包围每个扇叶的内腔的板64中和喷嘴引导扇叶的外壁38的下游外边缘42中，如
图2和图2a所示；或
[0009]-喷嘴引导扇叶的环形外边缘42中和喷嘴引导扇叶的该外边缘42的环形突片44中，如图2b所示。
[0010]
然而，在这两种情况下，由于与喷嘴引导扇叶的径向外平台38的对流交换，导致用于冷却钩的空气相对较热。此外，将冷却空气从扇叶的内部送到钩的管道相对较长，这意味着空气在这些管道中经历额外的热交换。
[0011]
最后，从文献ep 0892153、gb 2103718、ep 1205637和us2014/030066中，已知用于冷却壳体的装置，壳体在其径向内部面上装备有环部段附接钩。然而，所有这些装置均包括旨在输送冷却空气的收集器管道，该收集器管道与承载钩的壳体分隔开。冷却通过空气排出孔而完成，空气排出孔穿透收集器管道并沿着所述壳体的方向定向。这样的冲击冷却不足以有效地冷却所述钩。
[0012]
因此，需要改进现有技术中的冷却技术。


技术实现要素：

[0013]
本发明的一个目的是提供比上述现有技术的解决方案更好的对涡轮机壳体钩的冷却。
[0014]
因此，根据本发明的第一方面，提供一种涡轮机涡轮壳体，所述壳体围绕轴线延伸、包括环形壁和冷却装置，壁设置有至少一个壳体钩，至少一个壳体钩从壁的内侧径向突出地延伸，每个钩构造成允许在壳体上安装围绕轴线沿周向以端部对端部的方式设置的多个环部段，其中，冷却装置包括至少一个收集器管道，至少一个收集器管道旨在输送冷却空气并围绕壁沿周向延伸，每个收集器管道具有冷却空气入口和冷却空气出口。
[0015]
根据本发明，每个收集器管道和壁具有公共部分，公共部分限定所述收集器管道且对应的钩从公共部分延伸。
[0016]
换句话说，从其中延伸出钩的壁构成旨在输送冷却空气的收集器管道的壁的一部分。
[0017]
这种构造能够使所述壳体的外表面的被冷却部分比可使用现有技术的装置冷却的部分更大，从而增加壳体的寿命。
[0018]
有利地，涡轮壳体还包括下述特征中的一个或多个特征：
[0019]-冷却装置包括两个轴向相邻的收集器管道，这两个轴向相邻的收集器管道由分隔壁分隔开。
[0020]-每个收集器管道与通风回路流体连通，通风回路在对应的钩中延伸。
[0021]-每个通风回路在对应的钩的轴向范围的更大的轴向部分中延伸。
[0022]-每个通风回路在对应的钩中沿周向延伸。
[0023]-每个收集器管道的入口连接到供应管，供应管用于将空气输送到收集器管道中。
[0024]-每个通风回路主要通过入口通道径向地开通至对应的收集器管道中。
[0025]-每个通风回路通过出口通道开通至冷却装置的外表面上。
[0026]-入口通道和/或出口通道与对应的钩垂直地延伸。
[0027]-入口通道和出口通道在对应的钩的第一周向位置和第二周向位置处延伸，所述对应的钩的第一周向位置和第二周向位置旨在与旨在悬挂在对应的钩上的环部段的沿周
向相对的端部重合。
[0028]
所提出的冷却装置使得能够在壳体钩的整个长度上对壳体钩进行更好的冷却，通过限制钩的长度上的热梯度以及通过限制切向热梯度来增加钩的寿命。
[0029]
此外，空气在周向延伸的部段上的流通使得能够更好地冷却钩端部，并减少角度热变形。
[0030]
此外，壳体收集器系统能够使壳体的入口冷却温度均匀化。
[0031]
此外，与现有技术相比，所提出的冷却装置使得能够抽出较低的排气流量来提供相同的壳体热保护功能。
[0032]
此外，所提出的冷却装置可容易地并入由具有钩的壳体组成的发动机模型中。
[0033]
根据第二方面，本发明提供一种涡轮机，涡轮机包括涡轮，以及根据上述特征之一的涡轮壳体。
附图说明
[0034]
本发明的其它特征、目的和优点将通过下文的描述而变得明显，下文的描述是纯说明性的，而非限制性的，且必须参照附图来阅读，其中：
[0035]
上文描述的图1是现有技术的冷却装置的透视图；
[0036]
上文描述的图2是现有技术的冷却装置的截面图；
[0037]
上文描述的图2a是图2的装置的放大截面图；
[0038]
上文描述的图2b是另一现有技术的冷却装置的放大截面图；
[0039]
图3是现有技术的双路式涡轮喷气发动机的轴向截面图；
[0040]
图4是现有技术的涡轮喷气发动机的一部分的轴向截面图，具体示出了低压涡轮；
[0041]
图5是根据本发明的一个实施例的涡轮机壳体冷却装置的透视图；以及
[0042]
图6是图5的涡轮机壳体冷却装置的细节视图。
具体实施方式
[0043]
图3示出了双轴双路式涡轮机1。涡轮机的轴线以附图标记x指示且对应于旋转部件的旋转轴线。在下文中，术语“轴向”和“径向”相对于轴线x来定义。
[0044]
涡轮机1沿着气体的流动方向从上游到下游包括风扇2、低压压缩机3、高压压缩机4、燃烧室5、高压涡轮6和低压涡轮7。
[0045]
来自风扇2的空气分成主流8和次级流10，主流8在主环形流动路径9中流动，次级流10流经围绕第一环形流动路径9的次级环形流动路径11。低压压缩机3、高压压缩机4、燃烧室5、高压涡轮6和低压涡轮7形成在主流动路径9中。
[0046]
高压涡轮6的转子和高压压缩机4的转子通过第一轴12旋转地联接，以形成高压心轴。
[0047]
低压涡轮7的转子和低压压缩机3的转子通过第二轴13旋转地联接，以形成低压心轴，风扇2能够直接连接到低压压缩机3的转子，或者例如通过周转齿轮系连接到低压压缩机3的转子。
[0048]
如可以在图4中更清楚地看到的，低压涡轮7尤其包括不同的接连的级，所述的级包括轮14和固定部件。轮包括盘15，扇叶16安装在盘15的位置处。扇叶16的端部由可磨损材
料制成的固定环17围绕，所述环17附接到涡轮的壳体18。喷嘴引导扇叶19位于轮14的上游。喷嘴引导扇叶19和环17通过凸缘或钩20安装在壳体上，凸缘或钩20从壳体18的径向内表面延伸。该壳体18主要使用附接到壳体的周向钩20来支撑环部段，环部段围绕每个轮14和喷嘴引导扇叶19。
[0049]
参照图5和图6，示出了根据本发明的实施例的涡轮壳体130(例如，用于涡轮机1的低压涡轮)的冷却装置100。
[0050]
该冷却装置100并入壳体130中。
[0051]
壳体130围绕涡轮机的纵向轴线x延伸，纵向轴线x也是涡轮的纵向轴线。
[0052]
壳体130在径向壁上包括外表面131和内表面132。
[0053]
壳体130还包括相对于其内表面132径向向内突出的多个钩120，如之前所描述的，钩120实现了低压涡轮的定子扇叶(喷嘴引导扇叶)的扇叶与密封环部段的附接，密封环部段包括可磨损元件，该可磨损元件旨在布置成径向地面对转子的叶片。
[0054]
有利地，钩120在内表面132的周向上连续地延伸，使得在相对于壳体130轴向偏移的多个位置处形成环形歧管。
[0055]
有必要保护壳体130免于过度受热，以保持壳体130的元件的完整性，而且起到另一个作用，即，控制涡轮的叶片和围绕叶片的壳体130之间的径向间隙。具体地说，由于壳体130的热膨胀，壳体130的温度变化导致叶片和壳体之间的间隙改变。
[0056]
叶片的尖端和壳体130之间的间隙的减小是涡轮机性能的决定性因素，原因是径向间隙越小，绕过叶片的流量就越小，涡轮的效率就越高。
[0057]
因此，控制间隙能够避免涡轮损失性能。在发动机中，控制叶片的尖端和外周封壳之间的间隙是至关重要的。该环形封壳的径向位移取决于壳体130的膨胀，因此有必要使用新鲜空气控制该壳体130的至少一部分的温度。
[0058]
由于这些钩120是壳体130的直接决定叶片端部处的间隙的部分，因此对于冷却装置100而言，提供用于冷却这些钩120的构件是非常有用的。
[0059]
为此目的，装置100包括多个收集器管道110，多个收集器管道100基本上在整个外周上(即，基本上以360
°
)完全围绕壳体130周向地延伸。在图5和图6所示的示例性实施例中，这些收集器管道110的数量为两个。
[0060]
每个收集器管道110在壳体130的相应周向部分上围绕壳体。如所示的，钩120设置在壳体130的内表面132的周向上，横跨轴向分开的多个级。有利地，每个收集器110设置成在包括钩120的级的周向部段上延伸。
[0061]
通常，针对低压涡轮，冷却装置100包括设置在壳体130的钩120的尽可能多的级上的多个收集器管道110。
[0062]
每个收集器管道110连接到供应管道140。所述供应管道140主要是径向的，并开通至冷却装置100的外表面上。供应管道140构造成从排放点抽出冷空气；排放点通常是来自机器的气体的次级流动路径的点，该点的一部分气流以现有技术已知的方式被抽出。因此，每个收集器管道110连接到用于将空气输送到所述管道110中的加压空气供应源。
[0063]
在所示的实施例中，收集器管道110包括外壁111(径向地在外侧)和内壁112(径向地在内侧)，以及设置在外壁111和内壁112的两侧的两个侧壁113。两个轴向相邻的收集器管道110可由分隔壁分隔开，该分隔壁由两个相邻的收集器管道110共有的侧壁113中的一
个构成。
[0064]
外壁111包括用于将收集器管道110连接到供应管道140的孔。与加压空气供应源的连接可形成在收集器110的除了内壁112之外的任何壁上。
[0065]
外壁111和内壁112同心，收集器管道110能够具有梯形横截面。
[0066]
有利地，内壁112构造成与壳体130的周向部段的形状相适配，使得内壁112构成壳体130的外表面(表皮)的一部分。换句话说，每个收集器管道110和配备有至少一个钩120的壁112具有公共部分150，如可以在图5中看到的。这种构造能够使所述壳体130的外表面的被冷却部分比可使用现有技术的装置冷却的部分更大，从而增加壳体130的寿命。
[0067]
有利地，收集器管道110由单个部件制成，且可通过诸如激光熔化的增材制造工艺获得。
[0068]
如图6中更详细地示出的，与现有技术不同，至少一个钩120不是实心部段，而是包括至少一个通风回路121，该通风回路包括入口通道122、出口通道124和内部纵向通道123，内部纵向通道123在入口通道122和出口通道124之间在钩120的周向长度上延伸。
[0069]
入口通道122用于将纵向通道123与收集器管道110的内部连接。优选地，入口通道122与钩120垂直。
[0070]
通过穿过收集器管道110并开通至外壁111的表面上的通路115，出口通道124使得能够将纵向通道123与壳体130的外部和收集器管道110的外部连接。优选地，出口通道124与钩120垂直。
[0071]
有利地，出口通道124用于将纵向通道123连接到涡轮机1的一个点，该点处的压力低于排放点的压力。优选地，排出点位于芯部中。
[0072]
如之前所描述的，钩120构造成支撑环部段。优选地，针对每个环部段，钩120包括一个入口通道122和一个出口通道124。有利地，入口通道122和出口通道124设置在钩120的第一周向位置和第二周向位置处，第一周向位置和第二周向位置对应于定位在钩120中的环部段的沿周向相对的端部。因此，纵向通道123的周向长度大致相当于一个环部段的周向长度。
[0073]
通常，针对低压涡轮，壳体130钩120配置成支撑20至30个环部段。因此，对于壳体130的一个周向部段包括钩120的一个级，冷却装置100将包括对应数量的通风回路121，即，沿周向彼此相随的20至30个通风回路。
[0074]
优选地，在同一个钩120内，对于两个接连的通风回路121，第一个通风回路121的出口通道124连接到第二个通风回路121的入口通道122。
[0075]
有利地，与通过冲击射流装置来冷却钩的现有技术不同，冷却装置100使得能够使用加压空气源并使加压空气在壳体130钩120内流通，从而通过泵送冷却空气来增加冷却能力。
[0076]
此外，空气在周向延伸的部段上的流通使得能够更好地冷却钩端部，并减少角度热变形。
[0077]
因此，冷却装置100使得能够在壳体130钩120的整个长度上对壳体130钩120进行更好的冷却，通过限制钩120的长度上的热梯度以及通过限制切向热梯度来增加钩的寿命。
[0078]
此外，壳体130的收集器管道110系统能够使壳体130的冷却入口温度均匀化。
[0079]
此外，与现有技术相比，冷却装置100使得能够抽出较低的排气流量来执行相同的
壳体热保护功能。
[0080]
此外，冷却装置100可容易地并入包括具有钩的壳体的发动机模型中。
[0081]
自然，本发明不限于参照附图描述的实施例，且在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想不同的变型。因此，收集器管道可具有其它几何形状。