为改善叶尖间隙而在壳体上使用的成套隔离片

摘要

本发明涉及为改善叶尖间隙而在壳体上使用的成套隔离片，燃气涡轮发动机的涡轮定子包括一个涡轮壳体(9)，一个涡轮叶片固定环(13)和一个将固定环(13)连接到壳体(9)上的叶片固定环支架(11)。在所述定子中，支架(11)配备有一个可形成热防护层的构件，该防护层位于涡轮一侧。这个解决方案可以减小瞬态工作时的间隙缩小。

说明书

技术领域

本发明涉及涡轮领域，特别涉及一种移动涡轮叶片叶尖和壳体之间间隙控制装 置。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括一个单级或多级压气机、一个燃烧室和单个或多个涡 轮级。压气机连接到涡轮上，向燃烧室提供空气，所产生的热燃气被引向涡轮，目 的是提取气体能量。压气机和涡轮转子沿其圆周都装有成套叶片，所述叶片在环形 定子部件内，与发动机轴线成直角转动，这些定子部件构成了叶片固定环，相对于 叶片固定环而形成了一个工作间隙。这个间隙需要足够大，这样就不会形成摩擦， 否则会导致活动部件转动缓慢，但是这个间隙需要控制，以便防止一定数量的流体 从成套叶片的工作表面流失。因此，为了确保可能达到的最高效率，控制这个间隙 是非常重要的。

本发明涉及到涡轮电机的工作间隙，特别涉及到位于燃烧室临近下游的转子。 在一个多转子发动机中，也就是说，发动机是由两个或多个一通常不超过三个一独 立轴组成，这就是高压转子。

叶尖处的径向间隙是转子和定子之间各个径向热机械动作形成的结果。图1是 燃气涡轮发动机1的轴向半剖面图，从高压涡轮区看去。涡轮转子3包括一个转子 盘31，提供有叶片33，这些叶片分布在转子盘轮缘的周围，并横向安装在中央轴上。 转子位于与燃烧室7相通的喷嘴导叶级5的下游，此处图中只能看到导叶级的下部。 壳体9是由通过凸缘相连接的几个壳体环组成。燃烧室壳体91和高压涡轮壳体96 不同。两个壳体都是通过凸缘装置95来固定。壳体支撑在燃烧室的各个部分，即上 游5和下游15喷嘴导叶和叶片固定环13的支架11。

这样，下面几种类型的动作就最终导致了叶尖33和叶片固定环11之间出现径 向间隙：

-随着温度的变化，各种材料的膨胀产生的热位移；

-作用到转动部件上的离心力的变化和压力的变化产生的机械位移。

转子盘、叶片和定子部件都会受到机械位移和热位移。

在发动机的各种工作阶段，由于这些位移并不总是出现在同一方向上，所以， 径向间隙的出现总是恒定的。特别是，转子和定子并不呈现相等幅度的位移，也不 具有相同的热响应时间。

图2示出了因为发动机转速随着时间的推移所出现的变化，转子R和定子S分 别出现的位移变化情况。为此，可以看出瞬间间隙A的缩小要大于在热稳定后获得 的间隙B。可以理解间隙的缩小程度就是转子位移量减去定子位移量的幅度。人们 都知道在实际使用中采用了由通风机构组成的间隙控制装置，目的是控制各个部分 的热膨胀。在一、二个点上控制流速将通风空气从压气机引出。如上所述，安装一 个间隙控制装置，尽可能将高压涡轮叶片的叶尖间隙降低，增加发动机的性能。通 常，这个由全权限数子电子控制机构来管理，在英语中，通常称之为FADEC。这 就是说，温度和空气流量的控制信息被送到相关的定子构件，从而对定子的热位移 产生作用。

对于某些发动机来说，人们一直试图不用这些有效的间隙控制手段。在这种情 况下，叶尖的间隙是这样设定的，即在发动机寿命期间叶片最大磨损不超过发动机 的性能。这个最大磨损是根据发动机寿命期间所观察到的最大收缩间隙决定的并建 立在定子和转子的位移基础上。这个最大收缩量通常在所属技术领域被称之为临界 重复突变的循环期间可观察到。这种循环从稳定的最大功率运转速度，降低速度到 短期低空转，然后再在短时间内加速到最大功率。

在这个循环期间，间隙的收缩很大，其原因如下：

-由于转子是在发动机最大功率时稳定，在工作速度向慢速的快速变化是由于 这个转子的巨大质量引起时，转子盘热膨胀产生的位移很小，保证了较长时间的热 响应时间。

-定子构件同样是在最大功率运转速度时稳定，所以其质量较小，因此，热响 应的时间更快。

一旦立即再次加速到全油门工作速度时，转子还没有以慢速达到稳定，这是由 于其热响应时间较长的缘故。相反，定子可能已经到达了慢速工作状态，因此，此 时出现间隙收缩，叶尖间隙较小。

由于加速度的原因，转子盘经厉了一个离心位移，导致暂时出现额外间隙收缩。 因为叶尖与叶片固定环的接触，这种额外间隙收缩的结果就会造成部件的磨损。

因此，可以看出，相对于转子的热响应而言，壳体的热响应更快，间隙的收缩 就更多，在再次加速期间，叶尖磨损就更大。

发明专利内容

本发明的第一个目的是寻求一个解决这个问题的方法。

另一个目的是寻求一个不会涉及现有结构重大改动的解决方案，而且实施成本 不高。

根据本发明，燃气涡轮发动机的涡轮定子包括一个涡轮壳体、一个涡轮叶片固 定环和一个将叶片固定环连接到壳体的固定环支架，该涡轮定子的特征在于：所述 支架提供有一个构件，该构件形成了涡轮一侧的一个热防护层。

因此，解决方案包括，使用热防护层延缓燃烧室气流中热燃气温度的影响，从 而增加定子的热响应时间。这个解决方案经过验证，说明非常有效，且相当有利。 此外，它还可以通过使用相对简单的方式来实施。

这样，根据本发明的另一个特性，构成热防护层的构件包括一个薄板，它构成 了相对于支架表面的一个空间。作为一种优选方案，所述空间形成了一个气体不会 扫过的盲空腔。根据另一个实施例，所述空间包括一个隔热材料。

本发明特别应用于一种定子，所述定子的支架的一侧包括一个径向凸缘，可固 定到涡轮壳体上，在支架的另一侧，包括一个机构，可固定叶片固定环的部件。支 架可以很方便地构成一个截头圆锥体整体形状的隔断壁，而将叶片固定环部件紧固 用的机构包括两个径向凸缘，将叶片固定环的部件夹在两者中间。

根据本发明的一个具体实施例，构成热防护层的构件包括一个固定在两个径向 凸缘之间的第一薄板。该构件还包括一个第二薄板，该薄板轴向位于叶片固定环部 件固定机构和将支架固定到壳体的径向凸缘之间。

附图说明

下面结合附图并参照一个实施例来介绍本发明，但本发明并不仅限于所述实施 例。附图如下：

图1为一张轴向半剖面图，示出了燃气涡轮发动机部分一个示例，所示部分位 于燃烧室临近下游的高压涡轮部分；

图2示出了形成工作间隙的转子叶尖和定子构件的位移D情况；

图3是一张放大图，更详细地示出了涡轮壳体部分，所述涡轮带有一个构成热 防护层的部件。

具体实施方式

图3示出了一个叶片固定环13在壳体9内安装的放大详图，其中具体体现了本 发明所提出的解决方案。根据该示例，叶片固定环支架11由一个金属隔断壁组成， 诸如一种环形隔断壁，该隔断壁实际上呈整体截头圆锥体形状，其轴线与发动机轴 线一致。此处所示支架形成了一个整体构件，但是，也可以由几个环状扇形体组成， 所述环状扇形体连接在一起形成一个环形整体。支架11包括径向凸缘11a和11b， 用来固定构成高压涡轮叶片固定环的部件13。本发明所提出的固定方式是一种榫槽 接合形式。对于上游固定来讲，面向燃烧室，构件13的背部形状呈一个轴向开口 槽13a，该槽与径向凸缘11b的轴向折回部分11b1相啮合。构件13的下游固定也 通过一个槽13b，该槽的外边缘与凸缘11a的轴向折回部分11a1相抵，并通过卡 箍17固定到位。

上游喷嘴导叶5通过螺栓固定到径向凸缘11b上。

支架11本身经由径向横向凸缘11c安装在涡轮壳体93上。该凸缘插入凸缘装 置95内，后者将壳体9的各个部件连接在一起。支架11并不具有任何有效的间隙 控制，也不具有实现这种控制的任何通风机构。

根据本发明，热防护层已经安装在支架11的内表面上，即面向发动机燃气流的 一面上。热防护层的特点是，包括了一个第一薄板，该薄板与两个径向凸缘11a和 11b之间的支架隔断壁11相并行。这个薄板可以通过焊接、钎焊、螺丝紧固或任何 其它方式固定到支架上。薄板21与隔断壁11相距较远，从而形成了一个腔室21a。 该腔室优选盲腔室，即腔室内的气体不会循环。例如，可以是一个封闭腔室。这样， 气体的缓冲构成了一个隔热质量。然而，如果合适，该腔室可以包含另一种隔热材 料。第二薄板采用同样的方式固定到凸缘11b的上游，即隔断壁11的内表面上， 与隔断壁形成一定的距离。采用焊接、钎焊、螺丝紧固或任何其它方式固定到隔断 壁上，并与隔断壁11形成了一个盲腔室22a。该盲腔室内所含的质量从而形成了一 种隔热层。

支架11是用一种与薄板21和22相同材料制成。在稳定速度运行时，叶尖33 和固定环13之间的间隙是固定的，是一个确定值。该间隙是移动和静止部件所承 受机械和热产生变形之间进行平衡后形成的结果。在瞬态情况下，这个平衡是恒定 的。如上所述，特别是在临界重复突变的情况下，在转速快速下降的过程中，传动 流的气体稳定下降。因为热防护层，与已有技术设置的响应时间相比，对支架温度 下降的响应时间减慢了。这就是说，在突然加速或随后的突然减速这种重复突变期 间，由于离心力增加，转子的径向位移不会与叶片固定环的部件产生干扰。叶尖和 叶片固定环部件之间不会出现接触。可以发现，不论是叶尖摩擦带还是构件的耐磨 表面都不会出现磨损。

试验结果表明，该解决方案是有效的，发动机效率得到改善。此外，固定板材 也不是特别昂贵。总之，该解决方案经济有效。