专利名称：涡轮喷嘴组件的制作方法
技术领域：
本文公开的主题涉及燃气轮机，并且更具体而言，涉及用于燃气轮机系统的喷嘴 组件。
背景技术：
燃气轮机喷嘴是构造成以便将热气路径中的热气( 2300° F)引导到涡轮的旋 转部分(即达到转子的目标旋转运动)的燃气轮机的静态构件。虽然已经取得了高温能力 的很大提高，但是通常必须用空气冷却超合金构件，以及/或者用涂层保护超合金构件，以 在燃气轮机发动机的某些区段(例如翼型件)中呈现适当的使用寿命。为了经受住燃烧所 产生的高温，会冷却涡轮中的翼型件。冷却翼型件会对动力设备造成寄生损耗，因为必须压 缩用来冷却部件的空气，但是可提取的有用功的量相对较小。因而，合乎需要的是用尽可能 低的空气流来冷却这些部件，以允许涡轮进行高效运行。可通过使用可经受流径中的高温 条件的更先进的材料来减少所需要的冷却空气。这些材料往往比目前的超镍合金贵几个数 量级，或者这些材料可能很难制造成传统喷嘴系统所需的形状。诸如陶瓷和单晶超合金的 材料可提高燃气轮机的效率，因为它们的属性允许低的冷却要求，直至没有冷却要求。但 是，这些材料可提高成本，并且通常不能满足寿命要求。
发明内容
根据本发明的一方面，公开了一种喷嘴。在示例性实施例中，喷嘴可包括第一流 壁、第二流壁和设置在第一流壁与第二流壁之间的导叶，其中，导叶机械地联接到第一流壁 上，并且与第二流壁接触。根据本发明的另一方面，公开了一种喷嘴组件。在示例性实施例中，喷嘴组件可包 括喷嘴导叶片段、设置在喷嘴导叶片段附近的喷嘴结构片段，以及由喷嘴结构片段支承的 级间密封件托架。根据本发明的又一方面，(公开了)一种喷嘴片段。在示例性实施例中，喷嘴片段 可包括第一流壁、设置在第一流壁上的凸起部、第一材料制成的第二流壁；以及导叶，导叶 是与第一流壁和第二流壁不同的材料，导叶通过凸起部机械地联接到第一流壁上，并且与 第二流壁接触。根据结合附图得到的以下描述，这些和其它优点与特征将变得更加显而易见。
在说明书结论部分处的权利要求书中特别指出和清楚地声明保护了被视为本发 明的主题。根据结合附图得到的以下详细描述，本发明的前述和其它特征以及优点是显而 易见的，在图中图1示出了示例性喷嘴导叶片段的视图；图2示出了示例性喷嘴结构片段的视3
图3示出了示例性喷嘴组件，其示出了图1的示例性喷嘴导叶片段和图2的示例 性喷嘴结构片段的备选布置；图4示出了图1的示例性喷嘴导叶片段的分解视图；图5示出了成部分组装状态的、图1和4的示例性喷嘴导叶片段的视图；图6示出了示例性喷嘴结构片段的分解视图；图7示出了在涡轮环境中的示例性导叶中的一个的截面侧视图。图8示出了在涡轮环境中的示例性撑架导叶的截面侧视图。图9示出了在涡轮环境中的、在导叶和相应的表面之间的近视图。图10示出了可设置在第二流壁上的槽沟的示例性实施例。图11示出了在涡轮环境中的、设置在第二流壁附近的导叶上的鸣声器尖部 (squealer tip)的示例性实施例。图12示出了在涡轮环境中的、设置在第二流壁附近的导叶上的可磨损尖部的示 例性实施例。参照附图，以实例的方式，详细描述阐述了本发明的实施例，以及特征和优点。部件列表200喷嘴导叶片段205 导叶206轴向鸠尾榫210 导叶211轴向鸠尾榫215 导叶216轴向鸠尾榫220 第一流壁221凸起部222凸起部孔口225 第二流壁226 表面230导叶栓231 孔口235 端盖240级间密封件托架245级间密封件300喷嘴结构片段305 导叶306轴向鸠尾榫310撑架导叶311内部空气空间315 导叶316轴向鸠尾榫
320第一流壁
321凸起部
322凸起部孔口
325第二流壁
326表面
330导叶栓
335立而盖
340级间密封件托架
341空气空间
342空气吹扫孔
345级间密封件
400喷嘴组件
800涡轮环境
805涡轮叶片
810涡轮叶片
900涡轮环境
1005间隙
1105槽沟
1205可磨损尖部
1305鸣声器尖部
具体实施例方式
图1示出了示例性喷嘴导叶片段200的视图。喷嘴导叶片段200(喷嘴)可包括 若干个导叶205、210、215。出于说明性目的而显示了三个导叶205、210、215。在其它示例 性实施例中，构想了更少或更多导叶。喷嘴片段200可进一步包括第一(例如外部)流壁 220和第二(例如内部)流壁225。如本文进一步描述的那样，导叶205、210、215机械地联 接到第一流壁220上，并且与内部第二流壁225的表面2 机械地接触。因而，导叶205、 210,215是悬臂式的，由第一流壁220支承。另外，导叶205,210,215由与第一流壁220和 第二流壁225不同的材料构成。在示例性实施例中，导叶205、210、215可为陶瓷的或陶瓷基 质复合物(CMC)材料，并且第一流壁220和第二流壁225可为金属的(例如超合金，诸如镍 合金)。因而，导叶205、210、215与第一流壁220和第二流壁225分离，从而使得导叶205、 210,215不刚性地连接到第一流壁220和第二流壁225上，这与现有技术相对比，在现有技 术中，导叶和流壁典型地是单个整体金属件。导叶205、210、215以及第一流壁220和第二 流壁225因此机械地且在热方面隔开，部分地是因为导叶205、210、215以及第一流壁220 和第二流壁225为不同的材料。另外，导叶205、210、215不是片段200形成其一部分的导 叶排的结构部件。因此减小了典型地存在于是单个整体件的导叶和流壁之间的交接部处的 热应力。当导叶205、210、215机械地联接到第一流壁220上且与第二流壁225接触时，喷 嘴片段200的机械布置会经受由通过导叶205、210、215的热气路径引起的热应力。例如， 翼型件空气载荷是仅有的反作用力，并且被视为导叶205、210、215上的弯曲应力。在其它示例性实施例中，还构想了除了 CMC之外的材料，以解决包括片段200的系统的温度/应力要求。在示例性实施例中，喷嘴导叶片段200可进一步包括设置在导叶205、210、215中 的各个上的导叶栓230和端盖235。导叶栓230和端盖235机械地联接到相应的导叶205、 210,215上，如本文进一步描述的那样，并且刚性地联接到第一流壁220上(例如通过焊 接)。在示例性实施例中，导叶栓230和端盖235也彼此联接(例如通过焊接)，并且联接 到第一流壁220上的凸起部221上(例如通过焊接或铜焊)。在示例性实施例中，导叶栓 230和端盖235是与第一流壁220和第二流壁225类似的金属材料。这样，如上所述，导叶 205,210,215就机械地联接到第一流壁220上。另外，通过将导叶栓230和端盖235焊接到 凸起部221上，建立了隔离导叶205,210,215内的空气流和导叶205,210,215外部的热的 涡轮流径的密封。在示例性实施例中，喷嘴导叶片段200可进一步包括级间密封件托架240和级间 密封件M5。现有技术的喷嘴典型地承载其本身的级间密封件托架。在示例性实施例中，第 二流壁225联接到级间密封件托架240上。但是，导叶205、210、215通过机械接触而联接 到第二流壁上，但是不支承第二流壁225或级间密封件托架M0。如关于图2所进一步描述 的那样，级间密封件托架MO由单独的示例性结构支承。在示例性实施例中，级间密封件托 架是适于承载级间密封件的任何材料，包括但不限于不锈钢。级间密封件245可为任何适 当的密封件，包括但不限于蜂窝密封件。图2示出了示例性喷嘴结构片段300的视图。喷嘴导叶片段300可包括若干个导 叶305、315。出于说明性目的而显示了两个导叶305、315。在其它示例性实施例中，构想了 更少或更多导叶。喷嘴结构片段300可进一步包括第一(例如外部)流壁320和第二(例 如内部)流壁325。另外，喷嘴结构片段300可进一步包括撑架导叶310。如本文进一步描 述的那样，导叶305、315机械地联接到第一流壁320上，并且与内部第二流壁325的表面 3 机械接触。因而，导叶305、315是悬臂式的，由第一流壁320支承。另外，导叶305、315 由与第一流壁320和第二流壁325不同的材料构成。在示例性实施例中，导叶305、315可 为陶瓷或CMC材料，并且第一流壁320和第二流壁325可为金属的(例如超合金，诸如镍超 合金、钴超合金和铁超合金)。因而，导叶305、315与第一流壁320和第二流壁325分离， 这与现有技术相对比，在现有技术中，导叶和流壁典型地是单个整体金属件。导叶305、315 以及第一流壁320和第二流壁325因此机械地分开。这样，导叶305、315不是片段300为 其中的一部分的导叶排的结构部件。因此减小了典型地存在于导叶和流壁之间的交接部处 的热应力。当导叶305、315机械地联接到第一流壁320和第二流壁325上时，机械联接件 会经受来自通过导叶305、315的热气路径的热应力。相反，撑架导叶310可为与第一流壁 320和第二流壁325类似或相同的材料。例如，如上所述，第一流壁320和第二流壁325可 为金属的。类似地，撑架导叶310可为金属的。在示例性实施例中，第一流壁320和第二流 壁325以及撑架导叶310可为单个整体件。在示例性实施例中，可通过喷射叶轮空间吹扫 空气来冷却撑架导叶310。两次使用该空气来冷却结构导叶以及然后吹扫叶轮空间腔体允 许翼型件系统(喷嘴结构片段300是其中的一部分)具有0%的净冷却流要求，这使系统简 化，并且提高了循环的性能。在示例性实施例中，喷嘴结构片段300可进一步包括设置在导叶305、315中的各个上的导叶栓330和端盖335。导叶栓330和端盖335机械地联接到相应的导叶305、315 上，如本文进一步描述的那样，并且刚性地联接到第一流壁320上(例如通过焊接)。在示 例性实施例中，导叶栓330和端盖335也彼此联接(例如通过焊接)，并且联接到第一流壁 320上的凸起部321上(例如通过焊接)。在示例性实施例中，导叶栓330和端盖335是与 第一流壁320和第二流壁325以及撑架导叶310类似的金属材料。如上所述，导叶305、315 机械地联接到第一流壁320上。在示例性实施例中，喷嘴结构片段300可进一步包括级间密封件托架340和级间 密封件345。在示例性实施例中，级间密封件托架340和级间密封件345与图1的级间密封 件托架240和级间密封件245连续地布置。类似地，各个喷嘴结构片段300与若干个喷嘴 导叶片段200连续地布置。如上所述，现有技术的喷嘴典型地承载其本身的级间密封件托 架。另外，喷嘴导叶片段200不支承级间密封件托架M0。但是，喷嘴结构片段300不支承 级间密封件托架340。如上所述，第一流壁320和第二流壁325以及撑架导叶310是单个 整体件。因而，第二流壁联接到级间密封件托架340上，并且第一流壁320联接到涡轮壳体 (未显示)上。因此，喷嘴结构片段300支承级间密封件托架340。在示例性实施例中，级 间密封件托架340是适于承载级间密封件的任何材料，包括但不限于不锈钢。级间密封件 345可为任何适当的密封件，包括但不限于蜂窝密封件。图3示出了示例性喷嘴组件400，其示出了图1的示例性喷嘴导叶片段200和图2 的示例性喷嘴结构片段300的布置。图3示出了大多数导叶205、210、215、305、315是悬臂 式的，与相应的片段200、300的第二流壁225、325没有任何连接。如上所述，导叶205、210、 215,305,315接触相应的第二流壁225、325的相应的表面226、326。另外，撑架导叶310连 接到第一流壁320和第二流壁325两者上。在示例性实施例中，撑架导叶310或者作为整 体件或者通过焊接或其它适当的联接方法机械地连接到第一流壁320和第二流壁325上。图3进一步示出了关于图1和2所描述的级间密封件托架240、340和级间密封件 245,345.在示例性实施例中，级间密封件托架340和级间密封件345与图1的级间密封件 托架240和级间密封件245连续地布置。在示例性实施例中，级间密封件托架240、340可 包括两个半部，以便于在工业涡轮环境中拆卸。级间密封件托架通过各种机械附连件(包 括但不限于螺栓)来承载第二流壁225、325。如本文所述，示例性实施例包括图1的示例性喷嘴导叶片段200和图2的示例性 喷嘴结构片段300。通过在整个喷嘴组件400中包括两个不同的片段200、300，喷嘴结构片 段300可承载级间密封件托架对0、340，从而将级间密封件托架240、340联接到涡轮系统的 周围的壳体上。如本文所述，片段200的导叶205、210、215机械地连接到第一流壁220上， 但是如现在描述的那样保持分离。图4示出了图1的示例性喷嘴导叶片段200的分解视图。图5示出了成部分地组 装状态的图1和4的示例性喷嘴导叶片段200的视图。喷嘴导叶片段200可包括若干个导 叶205、210、215。喷嘴导叶片段200进一步包括第一流壁220和第二流壁225。如本文所 述，当片段200完全组装好时，导叶205、210、215机械地联接到第一流壁220上，并且与内 部第二流壁225的表面2 机械接触。因而，导叶205、210、215与第一流壁220和第二流 壁225分离，从而使得导叶205、210、215不刚性地连接到第一流壁220和第二流壁225上， 这与现有技术相对比，在现有技术中，导叶和流壁典型地是单个整体金属件。在示例性实施例中，导叶205,210,215中的各个包括轴向鸠尾榫206、211、216。另外，各个导叶栓230包 括可滑动地固定到相应的轴向鸠尾榫206、211、216上的孔口 231。在导叶栓230可滑动地 固定到相应的轴向鸠尾榫206、211、216上后，就可将端盖235连接(例如焊接)到各个导 叶栓230上。在示例性实施例中，凸起部孔口 222限定在第一流壁220上的各个凸起部221 内。在示例性实施例中，凸起部孔口 221与各个导叶205、210、215的相应的轮廓匹配，从而 使得导叶205、210、215可滑动通过凸起部孔口 222。各个导叶栓230比凸起部孔口 222更 宽，从而使得当导叶205、210、215滑动通过凸起部孔口 222时，导叶栓不穿过凸起部221且 与凸起部221齐平。如本文所述，端盖235可焊接到导叶栓230上，并且端盖235和导叶栓 230可焊接到凸起部221上。因而，轴向鸠尾榫206、211、216承座在导叶栓230内，并且能够在导叶栓230内自 由地膨胀和收缩。因此。不存在刚性连接(例如，如现有技术中的类似的材料(制成)的导 叶和流壁之间的焊接)所引起的应力。但是，导叶205、210、215通过导叶栓230、端盖235和 凸起部221之间的刚性连接(例如通过焊接)而固定到流壁220上。如上所述，导叶205、 210,215以及第一流壁220和第二流壁225因此在机械方面和热方面隔开，因为导叶205、 210,215以及第一流壁220和第二流壁225是彼此不同的材料。另外，导叶205、210、215不 是片段200是其中一部分的导叶排的结构部件。因此降低或消除了典型地存在于是单个整 体件的导叶和流壁之间的交接部处的热应力。当导叶205、210、215机械地联接到第一流壁 220上且与第二流壁225接触时，喷嘴片段200的机械布置会经受来自通过导叶205、210、 215的热气路径的热应力。图6示出了示例性喷嘴结构片段300的分解视图。如上所述，喷嘴结构片段300 包括第一流壁320和第二流壁325，它们可与撑架导叶310为单个整体件。图6示出了导 叶305、315可滑动通过凸起部孔口 322，类似于上述组装技术。导叶栓330可以可滑动地 固定到轴向鸠尾榫306、316上，并且端盖335可连接(例如焊接)到导叶栓330上。导叶 栓330、端盖335和凸起部321可通过适当的技术(例如但不限于焊接)全部彼此刚性地连 接。图7示出了在涡轮环境800中的导叶205、210、215、305、315中的一个的截面侧视 图。因而，该截面侧视图可示出或者喷嘴导叶片段200的导叶205、210、215或者喷嘴结构 片段300的导叶305、315。图7示出了导叶205、210、215、305、315在涡轮环境800中的定 向。出于说明目的，片段200、300在两个涡轮叶片805，810附近。图7进一步示出了第一流 壁220、320和第二流壁225、325、导叶栓230、330、级间密封件托架340和级间密封件345。图8示出了在涡轮环境900中的撑架导叶310的截面侧视图。因而，(示出了)喷 嘴结构片段300的撑架导叶310的截面侧视图。图8示出了撑架导叶310在涡轮环境900 中的定向。图8进一步示出了第一流壁320和第二流壁325，以及级间密封件托架340。图 8进一步示出了撑架导叶310可包括内部空气空间311，冷却空气可流过该内部空气空间 311，如本文所述。内部空气空间311可与级间密封件托架340中的空气空间341和空气吹 扫孔342处于流体连通。再次参照图7，如上所述，导叶205、210、215、305、315与第二流壁225、325的相应 的表面2沈、3沈接触。机械接触可在接触点处留下间隙。图9示出了导叶205、210、215、 305、315和相应的表面226、3沈之间的间隙1005的近视图。因而，间隙1005中可存在空气泄漏，从而降低涡轮的效率。虽然可减小间隙1005来降低空气泄漏，但是间隙1005对涡轮 环境内部的热位移可为敏感的。图10-12仅示出了实现来减少来自间隙1005的空气泄漏 的实例。在其它示例性实施例中，构想了其它实例。图10示出了可设置在第二流壁225、325上的槽沟1105的一个示例性实施例。相 应的导叶205、210、215、305、315可设置在槽沟1105内，这使得空气比在没有槽沟1105的 情况下更难通过，从而在第二流壁225、325和导叶205、210、215、305、315之间建立更好的密封。图11示出了在第二流壁225、325附近设置在导叶205、210、215、305、315上的可 磨损尖部1205的一个示例性实施例。可磨损尖部1205是在第二流壁225、325附近、在导 叶205、210、215、305、315上的涂层，用来建立阻碍空气在间隙1005中的运动的齿状结构。 “可磨损”指的是在导叶205、210、215、305、315和第二流壁225、325的表面2沈、3沈之间有 接触的情况下会磨损的任何类型的涂层。在其它示例性实施例中，可结合CMC材料来实现 其它涂层，以防止对涡轮的部件造成环境损害。图12示出了在第二流壁225、325附近设置在导叶205、210、215、305、315上的鸣 声器尖部1305的一个示例性实施例。在示例性实施例中，鸣声器尖部1305是在第二流壁 225,325附近形成于导叶205、210、215、305、315的尖部中的腔体。这个腔体会产生阻碍泄 漏的气体作用。因而，导叶205、210、215、305、315包括来自腔体的导叶尖部几何改进(即 鸣声器尖部1305)。技术效果包括降低喷嘴区段的冷却要求、提高涡轮效率，同时在对翼型件区段包 括了陶瓷(或其它高温材料，例如单晶合金)的实施(implementation)时维持成本较低。 另外，降低或消除了抗热应力(thermal fight stress)，因为导叶是彼此不连接的，这允许 实施陶瓷材料，陶瓷材料可导致显著地减少的冷却流。虽然已经结合仅有限数量的实施例来详细描述了本发明，但是应当容易地理解， 本发明不限于这种公开的实施例。相反，可修改本发明，以便结合此前未描述但是与本发明 的精神和范围相当的任何数量的变型、更改、替换或等效布置。另外，虽然已经描述了本发 明的各个实施例，但是将理解，本发明的各方面可包括描述的实施例中的仅一些。因此，本 发明不应视为受前述描述的限制，而是仅由所附权利要求书的范围限制。
权利要求
1.一种喷嘴，包括 第一流壁(220)；第二流壁025)；以及设置在所述第一流壁和第二流壁(220,22 之间的导叶005)， 其中，所述导叶(20 机械地联接到所述第一流壁(220)上，并且与所述第二流壁 (225)接触。
2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述第一流壁和第二流壁(220，225)为第 一材料，并且所述导叶(20 为第二材料。
3.根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述第一材料和所述第二材料是不同的。
4.根据权利要求3所述的喷嘴，其特征在于，所述第一材料是金属。
5.根据权利要求3所述的喷嘴，其特征在于，所述第二材料是陶瓷。
6.根据权利要求3所述的喷嘴，其特征在于，所述第二材料是陶瓷基质复合物(CMC)。
7.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述第一流壁进一步包括 凸起部021)；以及设置在所述凸起部021)中的凸起部孔口 022)。
8.根据权利要求7所述的喷嘴，其特征在于，所述导叶(205)进一步包括设置在所述凸 起部孔口(222)中的轴向鸠尾榫(306)。
9.根据权利要求8所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴进一步包括设置在所述凸起部 (221)上的导叶栓(330)，其中，所述轴向鸠尾榫(306)可滑动地固定到所述导叶栓(330)上。
10.根据权利要求9所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴进一步包括设置在所述凸起部 (221)和所述导叶栓(330)上的端盖(235)。
全文摘要
本发明涉及涡轮喷嘴组件。在示例性实施例中，一种喷嘴可包括第一流壁(220)、第二流壁(225)和设置在第一流壁与第二流壁(220，225)之间的导叶(205)，其中，导叶(205)机械地联接到第一流壁(220)上，并且与第二流壁(225)接触。
文档编号F01D9/02GK102128059SQ20111002509
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月13日 优先权日2010年1月14日
发明者A·J·加西亚-克雷斯波 申请人:通用电气公司