涡轮发动机的花键的制作方法

涡轮发动机，尤其是气轮机或燃气涡轮发动机，是旋转发动机，其从通过燃烧器的燃烧气体流中提取能量，然后将能量输送到多个涡轮叶片上，燃烧气体流通过包括成对的旋转叶片和静止轮叶的一系列压缩机级中的发动机。在压缩机级中，叶片由从转子突出的柱支撑，而轮叶被安装到定子盘。燃气涡轮发动机已经用于陆地和航海运动以及发电，但最常用于航空应用，例如用于飞机，包括直升机。在飞机中，燃气涡轮发动机用于推进飞行器。

用于飞行器的燃气涡轮发动机被设计成在高温下操作以使发动机推力最大化，因此在操作期间，必需冷却某些发动机部件。期望的是，减少燃气涡轮发动机中相邻流动路径段之间的冷却空气泄漏，以使效率最大化并降低特定燃料消耗。在相邻的压缩机和涡轮级中，轴向和径向段间隙产生了允许泄漏的流动路径。使用花键密封件来减少这些区域中的泄漏。

技术实现要素：

在一个方面中，本公开涉及一种涡轮发动机，其包括叶片组件、护罩组件和第一密封通道，叶片组件包括可旋转盘，可旋转盘具有多个周向间隔开的叶片，该叶片在前缘和后缘之间轴向延伸并在根部和尖部之间径向延伸，护罩组件包括多个周向布置的护罩段，该护罩段具有环绕叶片组件的内径向面并具有面对端面，第一密封通道设置在至少一个端面中并具有由通道中的弯曲部生成的冠部。

在另一个方面中，本公开涉及一种叶片组件，其包括可旋转盘、护罩组件和第一密封通道，可旋转盘具有多个周向间隔开的叶片，该叶片在前缘和后缘之间轴向延伸并在根部和尖部之间径向延伸，护罩组件包括多个周向布置的护罩段，该护罩段具有环绕叶片组件的内径向面并具有面对端面，第一密封通道设置在至少一个端面中并具有由通道中的弯曲部生成的冠部。

在另一个方面中，本公开涉及一种冷却护罩段的方法，护罩段具有花键密封件，花键密封件在面对端面之间延伸，面对端面具有一组密封通道，一组密封通道设置在每个面对端面中，其中一组密封通道包括由通道中的弯曲部生成的冠部，每个弯曲部具有轴向长度和径向长度，该方法包括控制在面对的弯曲部之间流动的冷却空气的量。

附图说明

在附图中：

图1是根据本文描述的本公开各方面的涡轮发动机的示意性截面视图。

图2是根据本文描述的本公开各方面的叶片组件和喷嘴组件的示意性截面视图。

图3是根据本文描述的本公开各方面的来自图2的第一示例性护罩组件和一部分叶片的侧视图。

图4是根据本文描述的本公开各方面的来自图2的第二示例性护罩组件和一部分叶片的侧视图。

图5是根据本文描述的本公开各方面的来自图2的第三示例性护罩组件和一部分叶片的侧视图。

图6是根据本文描述的本公开各方面的来自图2的第四示例性护罩组件和一部分叶片的侧视图。

图7是根据本文描述的本公开各方面的来自图2的第五示例性护罩组件和一部分叶片的侧视图。

图8是根据本文描述的本公开各方面的来自图2的第六示例性护罩组件和一部分叶片的侧视图。

图9是根据本文描述的本公开各方面的花键密封件的立体图。

图10是以分解视图示出的图8的护罩组件和图9的花键密封件的立体图。

图11a是根据本文描述的本公开各方面的图8的护罩组件的一部分的立体图。

图11b是根据本文描述的本公开各方面的图11b的护罩组件的一部分的俯视图。

具体实施方式

本发明的所描述的实施例涉及与在涡轮发动机中导向空气流有关的系统、方法和其他装置。出于说明的目的，将关于飞行器燃气涡轮发动机描述本发明。然而，应该理解，本发明不限于此，并且可以在非飞行器应用中，例如在其他移动应用和非移动工业、商业和住宅应用中，具有普遍适用性。

图1是用于飞行器的燃气涡轮发动机10的示意性横截面图。发动机10具有大致纵向延伸的轴线或中心线12，轴线或中心线12从前向14延伸至后向16。发动机10按下游串行流动关系包括风扇区段18、压缩机区段22、燃烧区段28、涡轮区段32和排气区段38，风扇区段18包括风扇20，压缩机区段22包括增压器或低压(lp)压缩机24和高压(hp)压缩机26，燃烧区段28包括燃烧器30，涡轮区段32包括hp涡轮34和lp涡轮36。

风扇区段18包括包围风扇20的风扇壳体40。风扇20包括围绕中心线12径向设置的多个风扇叶片42。hp压缩机26、燃烧器30和hp涡轮34形成产生燃烧气体的发动机10的核心44。核心44被核心壳体46包围，核心壳体46可与风扇壳体40联接。

围绕发动机10的中心线12同轴设置的hp轴或线轴48将hp涡轮34驱动地连接到hp压缩机26。lp轴或线轴50将lp涡轮36驱动地连接到lp压缩机24和风扇20，lp轴或线轴50围绕发动机10的中心线12同轴设置在较大直径的环形hp线轴48内。线轴48,50可绕发动机中心线旋转并联接到多个可旋转元件，多个可旋转元件可共同限定转子51。

lp压缩机24和hp压缩机26分别包括多个压缩机级52,54，其中一组压缩机叶片56,58相对于相应的一组静态压缩机轮叶60,62(也称为喷嘴)旋转，以压缩或加压通过该级的流体流。在单个压缩机级52,54中，多个压缩机叶片56,58可以设置成环并且可以相对于中心线12从叶片平台径向向外延伸到叶片尖端，同时相应的静态压缩机轮叶60,62被定位在旋转叶片56,58的上游并邻近旋转叶片56,58。注意，图1中所示的叶片、轮叶和压缩机级的数量仅被选择用于说明目的，并且其他数量是可能的。

用于一级压缩机的叶片56,58可被安装到盘61，盘61被安装到hp和lp线轴48,50中相应的一个，并且每一级具有其自己的盘61。用于一级压缩机的轮叶60,62可以以周向布置安装到核心壳体46。

hp涡轮34和lp涡轮36分别包括多个涡轮级64,66。叶片组件67包括一组涡轮叶片68,70。该组涡轮叶片68,70相对于相应的喷嘴组件73旋转，喷嘴组件73包括一组涡轮轮叶72,74。该组静态涡轮轮叶72,74(也称为喷嘴)从通过该级的流体流中提取能量。在单个涡轮级64,66中，多个涡轮叶片68,70可以设置成环，并且可以相对于中心线12从叶片平台径向向外延伸到叶片尖端，同时相应的静态涡轮轮叶72,74被定位在旋转叶片68,70的上游并且邻近旋转叶片68,70。注意，图1中所示的叶片、轮叶和涡轮级的数量仅被选择用于说明目的，并且其他数量是可能的。

用于一级涡轮的叶片68,70可被安装到盘71，盘71被安装到hp和lp线轴48,50中相应的一个，并且每一级具有专用盘71。用于一级压缩机的轮叶72,74可以以周向布置安装到核心壳体46。

与转子部分互补地，发动机10的静止部分，例如压缩机区段22和涡轮区段32之中的静态轮叶60,62,72,74也被单独或共同称为定子63。因此，定子63可以指整个发动机10中的非旋转元件的组合。

在操作中，离开风扇区段18的气流被分流，使得该气流的一部分被引导到lp压缩机24，然后lp压缩机24向hp压缩机26供给加压空气76，hp压缩机26进一步使空气加压。来自hp压缩机26的加压空气76与燃烧器30中的燃料混合并被点燃，从而产生燃烧气体。通过hp涡轮34从这些气体中提取一些功，其驱动hp压缩机26。燃烧气体被排放到lp涡轮36中，lp涡轮36提取另外的功，以驱动lp压缩机24，并且最终经由排气区段38从发动机10排放排气。驱动lp涡轮36驱动了lp线轴50，以使风扇20和lp压缩机24旋转。

可以从压缩机区段22抽取一部分加压气流76作为引气77。引气77可以从加压气流76被抽取并提供给需要冷却的发动机部件。进入燃烧器30的加压气流76的温度显著增加。因此，由引气77提供的冷却对于这种发动机部件在升高的温度环境中操作是必要的。

剩余的一部分气流78绕过lp压缩机24和发动机核心44，并在风扇排气侧84处，通过静止轮叶排，更具体地，通过包括多个翼型件导向轮叶82的出口导向轮叶组件80，离开发动机组件10。更具体地，邻近风扇区段18，利用周向排的径向延伸的翼型件导向轮叶82，对气流78施加一些方向控制。

由风扇20供给的一些空气可绕过发动机核心44，并用于发动机10的部分的冷却，特别是发动机10的热部分的冷却，和/或用于冷却飞行器的其他方面或为飞行器的其他方面提供动力。在涡轮发动机的情况下，发动机的热部分通常在燃烧器30的下游，尤其是涡轮区段32，hp涡轮34是最热部分，因为它直接在燃烧区段28的下游。其他冷却流体源可以是但不限于从lp压缩机24或hp压缩机26排放的流体。

图2示出了hp涡轮34的叶片组件67和喷嘴组件73。叶片组件67包括一组涡轮叶片68。叶片68和轮叶74中的每一个具有前缘90和后缘92。叶片组件67由发动机部件(周边组件102)环绕，周边组件102具有围绕叶片68的多个周向布置的周边壁103。周边组件102限定主流流动m并且可周向地包围叶片、轮叶或周向布置在发动机10内的其他翼型件。

在所示的实例中，周边组件102是具有护罩段106的护罩组件104，护罩段106具有相对且面对的端面112。花键密封件114沿着护罩段106的面对端面112延伸。每个护罩段106从前向缘116轴向延伸到后向缘118，并且至少部分地将相对高压h的区域与相对低压l的区域分开。护罩段106至少部分地将涡轮发动机10中的冷却气流(cf)与热气流(hf)分开。

图3是护罩段106的第一示例性面对端面112的放大视图。虽然仅示出了一个面对端面112，但应该理解，另一个面对端面，虽然对于本发明不是必需的，但是通常是所示的面对端面112的镜像。在每个面对端面112中形成一组面对密封通道120。该组面对密封通道120可包括第一密封通道122和第二密封通道124。第一密封通道122可以在靠近护罩段106的前向缘116的转换点130处从轴向部分126a转换到径向部分128a。第二密封通道可以在靠近护罩段106的后向缘118的第二转换点132处从轴向部分126b转换到径向部分128b。径向部分128a,128b和轴向部分126a,126b可以是该组面对密封通道120中的一个、两个的部分、或不是该组面对密封通道120中的任何一个的部分。

可选地，间隙134可以设置在第一密封通道122或第二密封通道124中的至少一个内。间隙134可以沿着但不限于第一密封通道122的后端136被定位。间隙134的位置取决于护罩段106相对于涡轮发动机10的位置，因此可以位于任何位置以及位于第一密封通道122或第二密封通道124中的任一个中。还预期的是，间隙134可以是设置在第一密封通道122或第二密封通道124内的多个位置处的多个间隙。

间隙134可以限定间隙距离(g)，该间隙距离(g)的大小范围取决于面对端面112的几何形状。间隙距离(g)可以与第一距离(g1)一样大，第一距离(g1)在转换点130和第二转换点132之间被测量。最小的间隙距离至少为0.01in(0.03cm)。

图4示出了具有示例性的面对端面212和多组面对密封通道220的替代构造的另一个护罩段206。另一个示例性面对端面212在功能上类似于图3中所示的第一示例性面对端面112，因此相同的部件将用相同的数字增加100来标识。应当理解，除非另有说明，否则示例性面对端面112的相同部分的描述适用于另一示例性面对端面212。

具有面对端面212的第二示例性护罩段206包括在第二通道224中由前弯曲部242和后弯曲部244生成的冠部240。每个弯曲部242,244由轴向长度(a)和径向长度(r)限定。轴向长度(a)与径向长度(r)的比率可以在0.1和10之间的范围。较高的比率对应于在弯曲部242,244处的最小受控泄漏，而较低的比率对应于在弯曲部242,244处的最大受控泄漏。前弯曲部242可以径向向外倾斜并且后弯曲部244可以径向向内倾斜，以限定冠部240。后弯曲部244可以在转换点232附近联接到第二密封通道224。冠部240可以至少部分地位于面对端面212的轴向下游部分246中。

护罩段206位于具有前缘190和后缘192的叶片168的径向外侧。第一长度l1可以从护罩段206的后向缘218到叶片168的前缘190被轴向测量。第二长度l2可以从叶片168的前缘190到弯曲部(前弯曲部242)的最前面被轴向测量，使得第二长度l2小于第一长度l1。l2可以等于零，但绝不能小于零，使得前弯曲部242不比叶片168的前缘190更向前。距离l2的大小适于定位前弯曲部242，使得弯曲部242处的受控泄漏处于冷却的有利位置。

图5、6和7示出了具有示例性面对端面312,412,512以及多组面对密封通道320,420,520的替代构造的其他护罩段306,406,506。其他示例性面对端面312,412,512在功能上类似于图4中所示的第二示例性面对端面212，因此，相同的部件将用相同的数字增加100、200和300来标识。应当理解，除非另有说明，否则示例性面对端面212的相同部分的描述适用于其他示例性面对端面312,412,512。

转到图5，第三示例性护罩段306类似于第二示例性护罩段206。第三示例性护罩段306包括面对端面312，面对端面312在第二通道324中具有冠部340，其中前弯曲部342靠近护罩段306的前向缘316，后端344靠近护罩段306的后向缘318。第三示例性冠部340在轴向上长于第二示例性冠部240。在所示的实例中，第二长度l2为零。预期的是，第二长度l2可以大于零并且小于第一长度l1，使得冠部340至少部分地位于面对端面312的轴向上游部分347中。

转到图6，第四示例性护罩段406描绘了多个冠部440a和440b。每个冠部440a,440b包括径向向外倾斜的前弯曲部442a,442b和径向向内倾斜的后弯曲部444a,444b。第一冠部440a位于面对端面412的轴向上游部分447中，并且第二冠部440b位于面对端面412的轴向下游部分446中。

在图7中，第五示例性护罩段506包括倒置的冠部540，其中前弯曲部542径向向内倾斜，并且后弯曲部544径向向外倾斜。在第五示例性冠部540中，第二长度l2的长度范围可以使得冠部540至少部分地位于面对端面512的轴向上游部分547或下游部分546中。

尽管在第二、第三、第四和第五示例性护罩段中未示出第一示例性护罩段106中描绘的间隙134，但应理解，所示的第一和第二通道的每个构造可包括本文所描述的间隙。间隙134的放置和大小取决于护罩段相对于涡轮发动机10的位置。间隙134可以直接沿着面对端面112在第一和第二密封通道122,124之间提供后冲击空气用于冷却。

进一步预期的是，本文所述的冠部的任何组合可应用于第二、第三、第四和第五示例性护罩段中的每一个护罩段中所示的一组面对密封通道。

图8示出了具有示例性面对端面612以及多组面对密封通道320,420,520的替代构造的另一个护罩段606。另一个示例性面对端面612在功能上类似于图4中所示的第一示例性面对端面212，因此相同的部件将用相同的数字增加400来标识。应当理解，除非另有说明，否则示例性面对端面212的相同部分的描述适用于另一个示例性面对端面612。

转到图8，第六示例性护罩段606包括形成在面对端面612中的一组面对密封通道620。该组面对密封通道620包括第一密封通道622和第二密封通道624。第二面对密封通道624包括冠部640，在冠部640中设有至少一个槽648。冠部640可包括所示的多个槽648。每个槽648具有开口的顶部650并且限定在第二密封通道624的径向内侧654中的通道652。可以在第一密封通道622的后端636处，或如本文在前讨论的，可以在第一或第二密封通道622,624中的任何其他适当的位置，设置间隙634。

转到图9，在示例性实施例中，图2的花键密封件114可以是具有狗骨形状的花键密封件614。花键密封件614可以是大致矩形的，其末端660,662通过相对的侧面664,666连接，释放部分(reliefportion)668形成在侧面664,666中的至少一个中。在示例性花键密封件614中，释放部分668形成在两个侧面664,666中，以限定狗骨形状。末端660,662可以具有任何长度并且具有当组装时使得花键密封件614具有最小移位的宽度。末端660,662处的宽度大于释放部分668处的宽度。花键密封件614可包括中心点(cp)，纵向轴线(la)和横向轴线(ta)均穿过该中心点(cp)，其中花键密封件614相对于纵向轴线(la)和横向轴线(ta)中的至少一个对称。释放部分668的长度对应于槽648的放置和位置。释放部分668连同槽648的大小和放置可以设置成适于向端面612、花键密封件614或者护罩段606提供特定的冷却量。

转到图10，当组装时，护罩段606沿周向布置，其中至少一个花键密封件614设置在第二密封通道624中，使得释放部分668邻近槽648。花键密封件614可弯曲并成形为适配到第二密封通道624的冠部640中。花键密封件614在相应的面对密封通道624之间延伸。虽然仅示出了一个花键密封件614，但应该理解，其他花键密封件可以设置在包括轴向和径向部分626a,628a的第一密封通道622中，以及第二密封通道624的任何其余部分中，包括但不限于轴向部分628b中。相对且面对的端面612限定第一和第二径向间隔表面612a,612b。

图11a是沿着第二密封通道624的径向内侧654的线xia获得的立体图。第二密封通道624中的槽648的通道652部分地延伸到第二密封通道624中。还预期的是，通道652可以完全延伸到面对的一组密封通道620中，包括超过面对密封通道620的深度，并且不限于部分延伸。槽648设置在一组面对密封通道620中的相对密封通道中并且彼此轴向间隔开。另外，槽可以被替换成，在一组面对密封通道620中的相应的槽648彼此不面对，如虚线670所示。还预期的是，槽彼此直接交叉。花键密封件614被放置成使得释放部分668在通道652的开口顶部650上方。

图11b示出了图11a的俯视图。花键密封件614的释放部分668覆盖在第二密封通道624中生成开口672的开口顶部650的至少一部分。可以根据通道652延伸到面对密封通道620中的程度来调节释放部分668，以生成开口672。冷却空气(c)可以通过开口672流入槽648，穿过通道652并到达面对端面612。在花键密封件614的末端660处，相对的侧面664,666抵接相对第二密封通道624的相对内缘674。因此，花键密封件614通过相对第二密封通道624的相对内缘674保持就位，同时维持由释放部分668生成的开口672。

冷却相邻护罩段606的方法可包括使冷却空气(c)通过由释放部分668形成的开口672流入槽648或沿着面对密封通道624轴向间隔开的多个槽648中。该方法还可以包括使冷却空气(c)流入沿着面对密封通道624轴向偏移和轴向间隔开的多个槽中。此外，该方法可包括使冷却空气(c)流入冲击面对面612。冷却空气(c)从相对较高压力h的区域流动到相对较低压力l的区域。

冷却护罩段606的另一种方法可以包括控制在面对弯曲部642,644之间流动的冷却空气(c)的量。控制冷却空气(c)的量可以包括通过形成径向长度(r)大于轴向长度(a)的弯曲部642,644，来使在面对弯曲部642,644之间流动的冷却空气的量最大化。较大的径向长度(r)对应于花键密封件614中的较陡的弯曲部，使得花键密封件614在组装时将不会精确地符合弯曲部，这有助于允许冷却空气(c)的受控泄漏。同样地，控制冷却空气(c)还可以包括通过使轴向长度(a)大于径向长度(r)，来使在面对弯曲部642,644之间流动的冷却空气(c)的量最小化。

控制冷却空气(c)的量可以进一步包括通过根据相对高压(h)的区域和相对低压(l)的区域之间的压力变化，定位弯曲部642,644，来控制一组密封通道620中的振动。因此，可以针对每个护罩段606的具体实施和位置优化弯曲部642,644。

冷却将冷却气流(cf)与热气流(hf)分开的花键密封件614的另一种方法可包括以本文已经描述的方式使冷却空气(c)在槽648或多个槽648中流动。

冷却护罩段606的又一方法可包括如本文所述的，通过将冷却空气(c)通过间隙634供应到开口672，使流体或冷却空气(c)通过第一密封通道622到达第二密封通道624。该方法还可包括平衡相对高压(h)区域和相对低压(l)区域之间的压力负荷。

应当理解，虽然使用与第六示例性护罩段606相关联的数字描述了本文所述的方法，但是在本文所述的所有示例性护罩组件中，可以全部或部分地或以任何组合实施该方法。因此，该方法不限于如本文所述的护罩段的任何一种布置。

本文所述的一组密封通道620的密封布置的益处包括通过将冷却气流定向到特定位置以使那些区域中的冷却剂的所需量最小化，来优化冷却性能。本文所述的密封布置的每个部件，一组密封通道620，间隙634，冠部640和至少一个槽648分别可以被优化以增强其他部件的益处，然而，也可以预期，每一块都可以单独实施。各个部件与密封布置一起作为整体可以通过降低操作期间的温度来改善部件寿命，同时通过降低操作温度来保护花键密封件免于烧穿。

花键密封件614被设计成阻止滑动到一组密封通道620的一侧，使得开口672在操作期间保留。狗骨形状通过确保始终存在泄漏路径，而不管一组密封通道620内的花键密封件614的位置，来防止流动减少。

弯曲部642,644防止花键密封件614由于振动或过热而损坏。弯曲部642,644的位置、间隔和大小可以适于优化泄漏和振动控制。延长花键密封件614的寿命导致整体高压涡轮机效率增加和飞行器的在翼时间增加。

槽648降低了局部材料温度并使额外的泄漏最小化。槽648有助于增加花键密封件614的寿命并保护花键密封件614免于烧穿。

间隙634有助于通过叶片568在主气流附近正确地加载一组面对密封件620。堆叠该组面对密封件620同时提供间隙634有助于防止密封失效。如本文所述的密封布置确保了在密封件的整个轴向长度上的正压力负载，因此防止密封振动并进一步防止密封失效。

应当理解，虽然使用与第六示例性护罩段606相关联的数字描述了本文所述的益处，但是这些益处可以全部或部分地应用于本文所述的所有示例性护罩组件。因此，这些益处不限于如本文所述的护罩段的任何一种布置。

应当理解，所公开的设计的应用不限于具有风扇和增压器区段的涡轮发动机，而是也适用于涡轮喷气发动机和涡轮增压发动机。应该进一步理解，所公开的设计也可以应用于但不限于喷嘴内带和外带，或者也可以应用于叶片平台，并且不限于本文所述的护罩组件。

本书面描述使用实例来描述本文描述的本公开的各方面，包括最佳模式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本公开的各方面，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本公开的各方面的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他实例。如果这些其他实例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他实例意图在权利要求书的范围内。