专利名称：组装涡轮发动机的方法和装置的制作方法
技术领域：
本申请是2005年12月8日提交的美国专利申请序列号11/297,082的部分延续。
本发明总的来说涉及一种涡轮发动机，并且更特别地涉及组装燃气轮机的方法和装置。
背景技术：
已知的燃气轮机包括点燃燃料-空气混合物的燃烧室，该燃料-空气混合物接着通过涡轮喷嘴组件被引导入涡轮机。至少一些已知的涡轮喷嘴组件包括沿圆周布置的多个弓形喷嘴部分。至少一些已知的涡轮喷嘴包括由整体形成的内带和外带平台连接的多个圆周地间隔开的空心翼型叶片。更特别地，该内带形成形成径向内部流道边界的一部分，并且外带形成径向外部流道边界的一部分。
在已知的发动机组件中，在涡轮喷嘴和燃烧室后端之间的交界面是公知的鱼嘴形密封。更特殊地，在这种发动机组件中，涡轮喷嘴外带和内带平台的前缘通常相对于延伸在其间的每一翼型叶片的前缘对准上游。因此，在这样的发动机组件中，当从燃烧室中释放的热的燃烧气体接近喷嘴叶片前缘时，从叶片前缘反射的压力波或冲击波产生停滞并从喷嘴组件向上游传播一段距离，导致横穿环前缘的圆周上出现压力变化和不均匀的气压分布。这种压力变化可导致局部的喷嘴氧化和/或局部的高温气体喷射，以上任一种都会降低发动机的效率。此外，这种压力变化还可导致叶片前缘相对于该叶片的其它部分在增高的温度下操作。
发明内容
一方面，本发明提供了一种组装燃气轮机的方法。该方法包括提供包括内带、外带和至少一个在内带和外带之间延伸、并将涡轮喷嘴连接到燃气轮机内部的叶片，从而该涡轮喷嘴位于燃烧室下游，并且至少通过使用至少第一环形交界面密封件将该涡轮喷嘴连接到燃烧室，其中该第一环形交界面密封件基本上密封着限定在涡轮喷嘴和燃烧室之间的间隙，并且其中该第一环形交界面密封件包括至少第一层和连接在该第一层上的第二层。
另一方面，本发明提供了一种用于包括燃烧室的涡轮发动机的涡轮发动机喷嘴组件。该发动机喷嘴组件包括外带和内带，其中所述外带包括前缘，后缘，和在它们其间延伸的主体，所述内带包括前缘，后缘，和在它们其间延伸的主体，至少一个延伸在所述外带和内带之间的叶片，所述至少一个叶片包括于前缘和后缘处连接在一起的第一侧壁和第二侧壁，所述至少一个叶片前缘定位在所述内带和外带前缘的下游，和一构造为将所述喷嘴连接到燃烧室的系统，所述系统包括连接在所述外带和燃烧室之间的第一环形交界面密封件和连接在所述内带和燃烧室之间的第二环形交界面密封件，所述第一和第二环形交界面密封件中的每一个都包括第一层和连接到所述第一层上的第二层。
再一个方面，本发明提供了一种燃气轮机组件。该燃气轮机组件包括燃烧室，位于所述燃烧室下游并与该燃烧室流体连通的涡轮喷嘴组件，所述喷嘴组件包括外带、内带，至少一个在所述外带和内带之间延伸的叶片，和前缘倒角，所述至少一个叶片包括于前缘和后缘处连接在一起的第一侧壁和第二侧壁，和构造为将所述喷嘴连接到燃烧室的系统，所述系统包括连接在所述外带和燃烧室之间的第一环形交界面密封件和连接在所述内带和燃烧室之间的第二环形交界面密封件，所述第一和第二环形交界面密封件中的每一个都包括第一层和连接到所述第一层上的第二层。
图1是示例性燃气轮机的示意图；图2是可用于图1中所示燃气轮机的示例性涡轮喷嘴的侧视图；图3是图2中所示涡轮喷嘴的透视图；图4是可用于图2和3中所示涡轮喷嘴的示例性的交界面密封件的放大侧视图；图5是图2和3中所示涡轮喷嘴的侧视图，该涡轮喷嘴通过图4中所示的交界面密封件连接到一燃烧室，其中该燃烧室可用于图1中所示发动机；图6描绘了图5中所述的涡轮喷嘴和交界面密封件以及第一耐磨涂层；图7描绘了图5中所述的涡轮喷嘴和交界面密封件以及第二耐磨涂层；图8描绘了图5中所述的涡轮喷嘴和交界面密封件以及第三耐磨涂层；图9描绘了图5中所述的涡轮喷嘴和交界面密封件以及第四耐磨涂层。
具体实施例方式
图1是示例性燃气轮机10的示意图，该燃气轮机10包括风扇组件12，高压压气机14，和燃烧室16。发动机10还包括高压涡轮机18和低压涡轮机20。风扇组件12和涡轮机20由第一轴21连接，压气机14和涡轮机18由第二轴22连接。在一个实施例中，燃气轮机10是购自于俄亥俄州辛辛那提的通用电气航空发动机公司的LM2500发动机。在另一个实施例中，燃气轮机10是购自于俄亥俄州辛辛那提的通用电气航空发动机公司的CFM发动机。
在操作中，气流通过风扇组件12向高压压气机14提供压缩空气。该高压空气被传送到燃烧室16。在通过排气喷嘴24排出燃气轮机10之前，来自燃烧室16的气流通过涡轮喷嘴(图1中未示出)被引导以驱动涡轮机18和20。
图2是示例性涡轮喷嘴50的侧视图，该涡轮喷嘴可用于燃气轮机，例如涡轮发动机10(如图1所示)。图3是涡轮喷嘴50的透视图。在示例性实施例中，喷嘴50是圆周地定位以在燃气轮机内部形成一喷嘴组件(未示出)的多个部分中的一部分。喷嘴50包括至少一个在弓形径向外带或平台54与弓形径向内带或平台56之间延伸的翼型叶片52。更特别地，在该示例性实施例中，外带54和内带56分别与翼型叶片52整体地形成。
叶片52包括连接在前缘64和弦向间隔的后缘66上的压力侧侧壁60和吸入侧侧壁62，从而冷却腔68定义在侧壁60和62之间。叶片侧壁60和62中的每一个都在环54和56之间径向延伸并且在示例性实施例中，侧壁60大致是凹形的，二侧壁62大致是凸形的。
外带和内带54和65分别包括前缘70和72、后缘74和76，和在前后缘之间延伸的平台体78和80。翼型叶片(多个叶片)52被定向为使外带和内带前缘70和72分别位于距翼型叶片前缘64一段距离d的上游。距离d被可变化地选择以确保前缘70和72位于叶片前缘64的上游，并且便于环54和56防止沿叶片前缘64的热气喷射，如下文详细所述。
在示例性实施例中，内带56包括从该内带56向内径向延伸的后部凸缘90。更特别地，凸缘90相对于环56的径向内表面92从环56径向地向内延伸。内带56还包括从该内带56径向向内延伸的前部凸缘94。前部凸缘84被定位在内带前缘72和后部凸缘90之间，并且从环56径向地向内延伸。在示例性实施例中，前部凸缘94的上游侧100基本上是位于凸缘94的径向最外部表面102和径向内表面92之间的平面。
内带56还包括多个圆周地间隔的从该内带径向地向内延伸的径向凸起110。更特别地，在示例性实施例中，径向凸起110的数目与叶片52的数目相同。在示例性实施例中，每个凸起110分别包括基本上平行的上游和下游表面120和122。径向凸起110布置在与前部凸缘94距离为d2的下游处，从而在每个径向凸起110和前部凸缘94之间定义了一保持通道130。
在示例性实施例中，外带54包括由该外带54大致径向地向外延伸的后部凸缘140。更特别地，凸缘140相对于环54的径向外表面142从环54处径向地向外延伸。外带54还包括由该外带54径向向外延伸的前部凸缘144。前部凸缘144定位在外带前缘70和后部凸缘140之间，并且由环54径向地向外延伸。在示例性实施例中，前部凸缘144的上游侧146基本上是位于凸缘144的径向最外部表面147和径向外表面142之间的平面。
外带54还包括多个圆周地间隔的由该外带径向地向外延伸的径向凸起160。更特别地，在示例性实施例中，径向凸起160的数目与叶片52的数目相同。在示例性实施例中，每个凸起160分别包括基本上平行的上游和下游表面162和164。径向凸起160布置在与前部凸缘144距离为d3的下游处，从而在每个径向凸起160和前部凸缘144之间定义了一保持通道166。在示例性实施例中，通道160具有与通道130大致相同的尺寸。
涡轮喷嘴50还包括多个前缘倒角170。倒角170通常比已知的涡轮喷嘴中使用的倒角大，并且在外平台54与叶片52之间的每个叶片前缘64的尖端区域180内延伸，以及在内平台56和叶片52之间的每个叶片前缘64的轮毂区域182内延伸。特别地，在尖端区域180中，从叶片前缘64处穿过内平台54的径向外表面184并且至内带前缘70，倒角170与它们形成一体。此外，在轮毂区域182中，从叶片前缘64处穿过内平台56的径向外表面186并且至内带前缘72，倒角170与它们形成一体。因此，喷嘴叶片前缘64在轮毂区域182和尖端区域180内被放大，从而倒角170促进了从中穿过的气流的加速。
在示例性实施例中，倒角170上形成有多个延伸穿过倒角170并被构造为将冷却空气向内排放至流过叶片52的边界气流内的冷却口190。特别地，每个冷却口190被定向为朝向叶片52的节线，从而便于开口190激发边界层内的流动动量，从而前缘64上游的马蹄形涡流的形成被减轻。马蹄形涡流形成的减轻促进提升了空气动力学性能。此外，多个冷却口190还有利于降低叶片52的表面热量和工作温度。
在操作中，内带和外带56和54分别相对于叶片前缘64的位置有利于降低沿叶片前缘64的热气喷射。此外，扩大的倒角170和冷却孔190的组合有利于加速气流并激发边界层的流动动量，从而马蹄形涡流的形成被很容易地减轻。结果，空气动力学性能很容易地被提升并且喷嘴翼面叶片52的工作温度被很容易地降低。从而，涡轮喷嘴50的使用寿命被延长。
图4是示例性的交界面密封件200的放大侧视图，该密封200可用于涡轮喷嘴50(如图2和3所示)。在示例性实施例中，交界面密封件200基本上是L形密封，具有长度204和小于该长度204的宽度208。交界面密封件200被制成包括多个材料层。在示例性实施例中，交界面密封件200包括至少第一层220和第二层222，它们连接起来以形成一个两层的交界面密封件200。交界面密封件200还具有上游端224和下游端226。在示例性实施例中，第一和第二层220和222分别由金属材料制成。例如，第一层和第二层220和222可由镍基合金例如HS 188制成。
在组装过程中，第一和第二层220和222在至少一个离散的位置连接在一起以促进降低或抑制从中传递的振动。例如，第一和第二层220和222可在点230处被施以点焊，所述点230位于沿第一部分202的大致中点处。可选择地，第一和第二层220和222可在多个离散的位置通过各种技术连接在一起以提高减振性能。在示例性实施例中，交界面密封件200的宽度或厚度232的尺寸被定制为下游端226可至少部分地插入通道166或通道130(如图2和3所示)中。因此，下游端226的尺寸被确定为可插入保持通道166和130中。
如上所述，交界面密封件200由可抵抗变形的弹性金属材料制成。例如，交界面密封件200可由形状记忆材料制成。在另一可选择的实施例中，交界面密封件200可由使交界面密封件200具有这里所述功能的任意材料制成。
图5是通过采用两个交界面密封件200连接到燃烧室16上的涡轮喷嘴50的侧视图。燃烧室16包括分别由环形的、径向的内部和外部支撑元件244和246形成的燃烧区域240，和燃烧室内衬250。燃烧室内衬250遮挡所述外部和内部支撑元件使其不受燃烧区域240内产生的热的影响。更特别地，燃烧室16包括环形内部内衬256和环形外部内衬258。内衬256和258定义了燃烧区域240，从而燃烧区域240从圆顶组件(未示出)向下游延伸至涡轮喷嘴50。外部和内部内衬258和256分别包括多个分离的包括一系列台阶262的板260，每个台阶形成燃烧室内衬250的截然不同的部分。
每个内衬256和258还分别包括环形支撑凸缘，或后部凸缘270和272。特别地，每个支撑凸缘270和272将每个相应的内衬256和258的后端274和276连接到支撑元件244和246上。更特别地，每个支撑凸缘270和272到每个支撑元件244和246的连接形成一环形间隙或鱼嘴形开口278。
每个支撑凸缘270和272包括径向部分280和锥形基准区域282。每个径向部分280形成有多个从中延伸穿过的优先的冷却口或喷口284以促进冷却空气向喷嘴50的排放。从喷口284排放出的空气有利于降低叶片前缘64上游的马蹄形涡流的形成，从而有利于提高喷嘴50的空气动力学性能。每个锥形基准区域282整体地由每个径向部分280向外和向上游延伸，从而锥形基准区域282定义了每个鱼嘴形开口278的径向内部286。每个鱼嘴形开口278的径向外部288由每个支撑元件244或246定义。鱼嘴形开口278用于将每个交界面密封件200连接在燃烧室16和喷嘴50之间。
在组装过程中，燃烧室16通过使用包括多个交界面密封件200的系统连接到喷嘴50。更特别地，该系统至少包括至少第一环形交界面密封件201，和第二环形交界面密封件203。第一和第二环形交界面密封件201和203的每一个都是采用图4中所示的交界面密封件200来实现的。在示例性实施例中，第一和第二交界面密封件201和203的上游端224分别固定连接在相应的鱼嘴形开口278内，并且下游端226分别被插入相应的保持通道130和166中。
当发动机被完全组装时，交界面密封件201和203将燃烧室16连接到喷嘴50并且还有利于燃烧室16和喷嘴50之间的密封。从而，提供了一种机械地柔性密封布置，该布置提供了结构上的稳定性和对于燃烧室16的后端的支撑。此外，交界面密封件201和203在燃烧室16和喷嘴50之间的组装通常劳动强度较低，并且比组装其它燃气轮机的交界面所使用的已知密封消耗的时间更少。
在示例性实施例中，至少一个喷嘴50，交界面密封件201，和/或交界面密封件203可至少部分地涂敷有耐磨涂层材料，以降低喷嘴50和相应的交界面密封件之间的磨损，并且从而涡轮喷嘴和交界面密封件两者的使用寿命。此外，尽管此处所描述的耐磨涂层是根据交界面密封件201和定义在前部凸缘144和凸起160之间的保持通道166加以图示的，但应当认识到，该耐磨涂层还可应用于交界面密封件201和定义在前部凸缘94和凸起110之间的保持通道130上。
例如，图6描绘了包括形成于凸缘144的下游侧148上的耐磨涂层300的涡轮喷嘴50和交界面密封件201。图7描绘了包括耐磨涂层300和302的涡轮喷嘴50和交界面密封件201，其中，耐磨涂层300应用于凸缘144的下游侧148，而耐磨涂层302应用于凸起160的上游侧162。图8描绘了包括耐磨涂层300、302以及304的涡轮喷嘴50和交界面密封件201，其中耐磨涂层304应用于最接近下游端206的交界面密封件201的上游侧400。图9描绘了包括耐磨涂层300、302、304以及306的涡轮喷嘴50和交界面密封件201，其中耐磨涂层306应用于交界面密封件201的下游侧402。在示例性实施例中，耐磨涂层300，302，304，306的每一个都是T800耐磨涂层，或可选择地，应用于此处所述的表面上的铜焊带。
在每个实施例中，上述涡轮喷嘴包括分别从叶片前缘向上游延伸一段距离的内带和外带，以有利于降低沿叶片前缘的热气喷射。此外，由于内带和外带分别沿叶片前缘向上游延伸，因此每个环相对于已知的涡轮喷嘴将容纳放大的倒角。内带和外带的结合，延伸穿过燃烧室支撑凸缘的冲击喷口，以及延伸穿过倒角的冷却口有利于降低排气叶片的工作温度，减少在每个叶片前缘上游的马蹄形涡流的形成，并提高喷嘴的空气动力学性能。此外，交界面密封件通过使用多层金属材料制成并且在燃烧室和涡轮喷嘴之间延伸，从而为燃烧室提供了增强的结构支撑，同时通过涡轮喷嘴被偏压于涡轮密封装置内。结果，通过可靠并且节约成本的方式轻松地延长了涡轮喷嘴的使用寿命。
涡轮喷嘴的示例性实施例已在上文中做了详细的描述。交界面密封件，倒角，和冷却口以及喷口不仅限于用于此处所描述的特定的喷嘴实施例，而是这些构件可独立地并且与此处所述的其它涡轮喷嘴构件分开使用。此外，本发明不仅限于上文中详细描述的喷嘴组件的实施例。而是，在权利要求的精神和范围内可使用喷嘴组件实施例的其它变形。
尽管本发明是通过多种特定实施例的方式加以描述的，但本领域的技术人员会认识到，本发明可在权利要求的精神和范围内加以修改。
部件列表
权利要求
1.一种用于涡轮发动机(10)中的涡轮发动机喷嘴组件(50)，所述涡轮发动机(10)包括燃烧室(16)，所述发动机喷嘴组件包括外带(54)，该外带包括前缘(70)、后缘(74)和在两者之间延伸的主体(78)；内带(56)，该内带包括前缘(72)、后缘(76)和在两者之间延伸的主体；至少一个在所述外带和内带之间延伸的叶片(52)，所述至少一个叶片包括在前缘(64)和后缘(66)处连接在一起的第一侧壁(60)和第二侧壁(62)，所述至少一个叶片前缘位于所述内带前缘和外带前缘的下游；和构造为将所述喷嘴连接到燃烧室上的系统，所述系统包括连接在所述外带和燃烧室之间的第一环形交界面密封件(200)以及连接在所述内带和燃烧室之间的第二环形交界面密封件(201)，所述第一和第二环形交界面密封件均包括第一层(220)和连接在所述第一层上的第二层(222)。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机喷嘴组件(50)，其特征在于，所述第一环形交界面密封件(200)和所述第二环形交界面密封件(201)中的至少一个包括L形的环体。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机喷嘴组件(50)，其特征在于，所述第一和第二环形交界面密封件(200，201)均包括第一金属层和连接在所述第一金属层上的第二金属层。
4.根据权利要求1所述的涡轮发动机喷嘴组件(50)，其特征在于，所述第一和第二环形交界面密封件(200，201)均包括第一镍基合金层和连接在所述第一镍基合金层上的第二镍基合金层。
5.根据权利要求1所述的涡轮发动机喷嘴组件(50)，其特征在于，所述喷嘴组件(50)还包括施加在所述第一和第二环形交界面密封件(200，201)中的至少一个上的耐磨涂层(30，302，304，306)。
6.根据权利要求1所述的涡轮发动机喷嘴组件(50)，其特征在于，所述喷嘴组件(50)还包括施加在所述涡轮喷嘴的至少一部分(202)上的耐磨涂层(300，302，304，306)。
7.根据权利要求1所述的涡轮发动机喷嘴组件(50)，其特征在于，所述喷嘴组件(50)还包括施加在所述第一和第二环形交界面密封件(200，201)中的至少一个上以及施加在所述涡轮喷嘴的至少一部分(202)上的耐磨涂层(300，302，304，306)。
8.一种燃气轮机(10)，包括燃烧室(16)；位于所述燃烧室下游并与该燃烧室流体连通的涡轮喷嘴组件(50)，所述喷嘴组件包括外带(54)、内带(56)、至少一个在所述外带和内带之间延伸的叶片(52)以及前缘倒角(170)，所述至少一个叶片包括在前缘(64)和后缘(66)处连接在一起的第一侧壁(60)和第二侧壁(62)；和构造为将所述喷嘴连接到燃烧室上的系统，所述系统包括连接在所述外带和燃烧室之间的第一环形交界面密封件(200)以及连接在所述内带和燃烧室之间的第二环形交界面密封件(201)，所述第一和第二环形交界面密封件均包括第一层(220)和连接在所述第一层上的第二层(222)。
9.根据权利要求8所述的涡轮发动机喷嘴组件(50)，其特征在于，所述第一环形交界面密封件(200)和所述第二环形交界面密封件(201)中的至少一个包括L形的环体。
10.根据权利要求8所述的涡轮发动机喷嘴组件(50)，其特征在于，所述第一和第二环形交界面密封件(200，201)均包括第一金属层和连接在所述第一金属层上的第二金属层。
全文摘要
本发明提供了一种用于包括燃烧室(16)的涡轮发动机(10)的涡轮发动机喷嘴组件(50)。该发动机喷嘴包括外带(54)，内带(56)、至少一个在外带和内带之间延伸的叶片(52)和构造为将喷嘴连接到燃烧室上的系统。其中，外带包括前缘(70)、后缘(74)以及在两者之间延伸的主体(78)；内带包括前缘(72)、后缘(76)以及在两者之间延伸的主体；至少一个叶片包括在前缘(64)和后缘(66)处连接在一起的第一侧壁(60)和第二侧壁(62)；至少一个叶片前缘位于内带和外带前缘的下游；系统包括连接在外带和燃烧室之间的第一环形交界面密封件(200)和连接在内带和燃烧室之间的第二环形交界面密封件(201)，第一和第二环形交界面密封件均包括第一层(220)和连接在第一层上的第二层(222)。
文档编号F23R3/28GK101033858SQ20061006408
公开日2007年9月12日 申请日期2006年12月8日 优先权日2005年12月8日
发明者J·P·黑沃德, J·M·京特尔特, 李经邦 申请人:通用电气公司