帶有沖擊擋板的渦輪噴嘴的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明大體涉及燃氣渦輪發動機，并且更特定地涉及用于合并低塑性材料的這樣的發動機的渦輪噴嘴。
【背景技術】
[0002]典型的燃氣渦輪發動機包括渦輪機芯部，其具有連續流關系的高壓壓縮機、燃燒器、以及高壓渦輪。芯部以已知的方式可操作來產生主氣體流。高壓渦輪機包括一個或更多個級，其從主氣體流獲取能量。各個級包括固定渦輪噴嘴，其跟隨有承載渦輪葉片的下游轉子。這些構件在極高溫度環境下操作，并且必須由空氣流冷卻來確保足夠的使用壽命。典型地，用于冷卻的空氣被從壓縮機取出(泄出)。放氣使用不利地影響耗油率(“SFC”)，并且通常應當被降低。
[0003]金屬渦輪結構可被具有更好的高溫能力的材料替換，例如，陶瓷基復合物(“CMC”)。CMC的密度是在渦輪發動機的熱區段中使用的常規的金屬超級合金的密度的近似三分之一，因而通過用CMC更換金屬合金，同時保持相同的部分的幾何形狀，部件的重量和用于冷卻空氣流的需要減少。
[0004]雖然CMC材料可用于渦輪部件中，但是難以將它們用于一些機械元件，例如，懸臂區段、彈簧、薄區段等。因而，CMC部件將典型地需要附接或連接至金屬部件，例如，擋板、彈簧元件或密封件。
[0005]這通過如下事實而復雜化:當與金屬相比時，CMC材料具有相對低的拉伸塑性或低破壞應變。而且，CMC具有超級合金的熱膨脹系數(“CTE”)的近似三分之一的熱膨脹系數，這意味著在兩種不同材料之間的剛性連接隨著溫度變化引起大的應變和應力，并且將CMC和金屬部件夾緊在一起可引入熱應力或打開夾緊附接。CMC的可允許應力限制還比金屬合金低，這驅動了對CMC部件的簡單和低應力設計的需要。最終，因為CMC和金屬構件的不同的材料組成，傳統的連接方法(例如，銅焊和焊接)是不可能的。
[0006]因而，存在對將CMC和其它低塑性部件與金屬部件結合的設備的需要，該金屬部件減少了在CMC部件上的機械載荷和熱應力。

【發明內容】

[0007]該需要通過本發明解決，本發明提供了一種由低塑性材料形成，并且具有附接至其的金屬沖擊擋板，并可選地包括其它金屬密封元件的渦輪噴嘴。
[0008]根據本發明的一方面，渦輪噴嘴設備包括:翼面形靜葉，其在內部帶和外部帶之間延伸，其中，靜葉的內部被打開并與在外部帶中的翼面形孔口連通，并且其中，靜葉和帶是由低塑性材料構成的金屬整體的部分；金屬擋板，其布置在靜葉內，擋板具有上和下端，并且包括外圍壁，其限定由在下端處的端壁封閉的中空內部空間，其中，多個沖擊孔形成為穿過外圍壁；和金屬保持器，其具有帶有開放環形狀的主體，該開放環形狀與孔口的形狀大體配合，其中，主體靠置沖擊擋板的上端并通過多個機械緊固件連接至外部帶。
[0009]根據本發明的另一方面，槽口繞在保持器中的中心開口形成，并且擋板的上邊緣容納在槽口中。
[0010]根據本發明的另一方面，凹部在繞孔口的周界的外部帶中形成；并且擋板凸緣從上端附近的沖擊擋板的周界橫向向外延伸，并且容納在凹部中。
[0011]根據本發明的另一方面，擋板凸緣從上端附近的擋板的周界橫向向外延伸，并且容納在凹部中；外圍凹槽在槽口外橫向地分開的主體的底面中形成；并且，彈簧布置在外圍凹槽中，以便在保持器和擋板凸緣之間在徑向方向上施加載荷。
[0012]根據本發明的另一方面，外部帶包括:在其前端附近徑向向外延伸的前凸緣；和在其后端附近徑向向外延伸的后凸緣。保持器的主體包括由其延伸的延伸部，在其遠端處帶有徑向對準的保持器接頭，保持器接頭置于前凸緣或后凸緣附近且與其平行；并且保持器銷行進穿過保持器接頭和前凸緣或后凸緣。
[0013]根據本發明的另一方面，外部帶包括:在其后端附近徑向向外延伸的后凸緣；后延伸部，其布置在主體的后端，并且在其遠端處包括徑向對準的后保持器接頭，其置于后凸緣附近且平行于其；和后保持器銷，其行進穿過后保持器接頭和后凸緣；
根據本發明的另一方面，后葉密封件布置在后凸緣和后保持器接頭之間。
[0014]根據本發明的另一方面，V形后彈簧布置在后保持器接頭和后葉密封件之間，從而使后葉密封件偏置為靠著后凸緣。
[0015]根據本發明的另一方面，外部帶包括:在其前端附近徑向向外延伸的前凸緣；前延伸部，其布置在主體的前端處，并且在其遠端處包括徑向對準的前保持器接頭，前保持器接頭具有兩個平行的腿部，前凸緣容納于在兩個腿部之間的空間中；以及前保持器銷，其行進穿過前保持器接頭和前凸緣。
[0016]根據本發明的另一方面，外部帶包括:密封唇，其定位在前凸緣的前面；和前葉密封件，其布置在前凸緣和密封唇之間。
[0017]根據本發明的另一方面，前彈簧布置在前保持器接頭和前葉密封件之間，從而使前葉密封件偏置為靠著密封唇。
[0018]根據本發明的另一方面，緩沖器的排列從沖擊擋板的外圍壁橫向向外延伸。
[0019]根據本發明的另一方面，低塑性材料具有不大于大約1 %的室溫拉伸塑性。
[0020]根據本發明的另一方面，靜葉包括后緣狹槽。
[0021]根據本發明的另一方面，靜葉包括薄膜冷卻孔。
[0022]根據本發明的另一方面，多個靜葉各具有擋板，并且保持器布置在內部和外部帶之間。
【附圖說明】
[0023]可通過參照結合附圖做出的下列描述而最好地理解本發明，其中:
圖1是根據本發明的方面構造的用于燃氣渦輪發動機的渦輪噴嘴節段的示意透視圖； 圖2是沿著圖1的線2-2做出的剖視圖；
圖3是沿著圖1的線3-3做出的剖視圖；
圖4是沿著圖1的線4-4做出的剖視圖；
圖5是圖1的渦輪噴嘴節段的頂視圖； 圖6是沿著圖5的線6-6做出的圖；
圖7是圖1的噴嘴節段的一對沖擊擋板的側視圖，其中，出于清晰性將圍繞的噴嘴移除；以及
圖8是圖1的噴嘴節段的保持器的底視透視圖。
【具體實施方式】
[0024]參照附圖，其中，遍及各種圖示相同的標號指代相同的元件，圖1繪出了根據本發明的方面構造的示例性渦輪噴嘴10。渦輪噴嘴10是形成燃氣渦輪發動機的渦輪區段的部分的固定部件。將理解的是，渦輪噴嘴10將在燃氣渦輪發動機中安裝于帶有轉子盤的渦輪轉子上游，該轉子盤承載翼面形渦輪葉片的排列，噴嘴和轉子限定一個渦輪級。噴嘴的主要功能為將燃燒氣體流引導入下游渦輪轉子級。
[0025]渦輪是已知類型的燃氣渦輪發動機的已知部件，并且起作用來從來自上游燃燒器(未顯示)的高溫、加壓燃燒氣體獲取能量，并且將能量轉化成機械功，該機械功然后用來驅動壓縮機、風扇、軸或其它機械載荷(未顯示)。在本文中描述的原理同樣地可應用于渦輪風扇、渦輪噴氣發動機、以及渦輪軸發動機、和用于其它車輛或固定應用中的渦輪發動機。
[0026]注意到的是，如在本文中所使用的，術語“軸向”或“縱向”意指平行于燃氣渦輪發動機的旋轉軸線的方向，而“徑向”意指垂直于軸向方向的方向，并且“切向”或“周向”意指互相垂直于軸向和切向方向的方向。(見在圖1中的箭頭“A”、“R”以及“T”)。如在本文中所使用的，術語“向前”或“前”意指在穿過或繞部件行進的空氣流中的相對上游的位置，而術語“向后”或“后”意指在穿過或繞部件行進的空氣流中的相對下游的位置。該流的方向在圖1中通過箭頭“F”顯示。這些方向術語僅僅用于描述的便利性，并且不需要因而描述的結構的特定朝向。
[0027]渦輪噴嘴10包括環形內部帶12和環形外部帶14，其分別限定穿過渦輪噴嘴10的熱氣體流路的內和外邊界。
[0028]翼面形渦輪靜葉(或僅僅“靜葉”)16的排列布置在內部帶12和外部帶14之間。各個靜葉16具有相反的凹入和凸起側，其在前緣18和后緣20之間延伸，并且在跟端22和頂端24之間延伸。在示出的實例中，噴嘴10為較大環形結構的節段并且包括兩個靜葉16。該構造通常稱為“雙對(doublet)”。本發明的原理相同地可應用于具有單個靜葉的噴嘴，應用于具有多于兩個靜葉的節段，或應用于完整的噴嘴環結構。
[0029]內部帶和外部帶12和14與靜葉16是全部由低塑性、高承溫材料構成的整體的部分。適當材料的一個實例為已知類型的陶瓷基復合物(CMC)材料。通常，商業上可獲得的CMC材料包括陶瓷型纖維，例如，碳化硅(SiC)，其形式覆蓋有例如氮化硼(BN)的順應性材料。纖維在陶瓷型基質中承載，其一個形式為SiC。典型地，CMC型材料具有不大于大約1%的室溫拉伸塑性，在本文中用來限定和意指“低塑性材料”。通常，CMC型材料具有在大約0.4%至大約0.7%的范圍中的室溫拉伸塑性。這與典型地具有至少大約5% (例如，在大約5%至大約15%的范圍中)的室溫拉伸塑性的金屬對比。
[0030]靜葉16是中空的并且合并冷卻空氣出口特征，例如，示出的后緣狹槽26和薄膜冷卻孔28。這樣的出口特征在現有技術中是已知的，并且提供用于空氣從靜葉16的內部行進至它們外部的流路。各個靜葉16的內端通過內部帶12封閉，并且各個靜葉16的內部是開放的并且與在外部帶14中的翼面形孔口 30連通。凹部32繞各個孔口 30的周界形成(見圖3)。
[0031]參照圖6，外部帶14包括在其前端附近徑向向外延伸的前凸緣34。大體軸向地對準的一系列的孔36 (圖3)沿著前凸緣34分開。外部帶14還包括在其后端附近徑向向外延伸的后凸緣38。大體軸向地對準的一系列的孔40 (圖2)沿著后凸緣38分開。
[0032]帶有上和下端44和46的金屬沖擊擋板42容納在各個靜葉16的內部中(見圖7)。沖擊擋板42具有限定中空內部空間的外圍壁48。端壁50封閉下端46。擋板凸緣52 (圖
4)從沖擊擋板42的周界橫向向外延伸出離上端44的短距離。突出物或“緩沖器”54的排列從外圍壁48橫向向外延伸。多個沖擊孔56形成為穿過外圍壁48。沖擊孔56的尺寸和位置將改變來適應特定應用，但是本領域技術人員將理解在“沖擊孔”和其它類型的冷卻孔(例如薄膜冷卻孔)之間的區別，該沖擊孔尺寸確定為、成型為、并且定位為以便向附近表面排出冷卻空氣的射流。
[0033]金屬保持器58提供用于各個沖擊擋板42。如在圖7和8中可見，保持器58具有帶有前端和后端62和64的主體60。主體60形成為開放環，其帶有大體配合孔口 30的形狀的形狀。唇或槽口 66繞在保持器58中的中心開口形成，并且外圍凹