[发明专利]用于燃气涡轮发动机的护罩段和包括其的护罩设备

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2011年12月15日提交的序列号为13/327，349的申请(目前未决)的部分继续。

技术领域

本发明大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及这种发动机的涡轮区段中的由低延展性材料制成的护罩。

背景技术

典型的燃气涡轮发动机包括涡轮机核心，其具有处于串行流关系的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。该核心可以以已知的方式操作而产生主气流。高压涡轮(也称为气体发生器涡轮)包括从主气流提取能量的一个或更多转子。每个转子包括由旋转盘承载的叶片或动叶的环形阵列。通过转子的流路部分地由护罩限定，护罩是限制叶片或动叶的顶端的静止结构。这些构件在非常高的温度环境中操作，并且必须被空气流冷却以确保足够的使用寿命。通常，用于冷却的空气从压缩机提取(汲取)。排出空气的使用不利地影响燃料比耗 (“SFC”)并且通常应当减少。

已提出利用具有更好的高温能力的材料(例如陶瓷基质复合材料(CMC))取代金属护罩结构。这些材料具有独特的机械性能，这是在诸如护罩段的物件的设计和应用期间必须考虑的。例如，CMC材料在与金属材料相比时具有相对较低的拉伸延展性或低失效应变。此外，CMC具有在约1.5-5微英寸/英寸/℉的范围内的热膨胀系数(“CTE”)， 这与用作金属护罩的支撑物的商用金属合金显著不同。这样的金属合金通常具有在约7-10微英寸/英寸/℉的范围内的CTE。

CMC材料由基质材料和增强纤维的层压物组成，并且正交各向异性(orthotropic)到至少一定程度。基质或非主纤维方向(本文中称为层间)通常比复合材料系统的纤维方向更弱(即，1/10或更小)，并且可为限制性设计因素。

护罩结构经受施加在它们的壁之间的接合部的层间拉伸应力，该拉伸应力必须承载在较弱的基质材料中。这些层间拉伸应力可为护罩设计中的极限应力位置。

因此，存在对于带有降低的层间应力的复合护罩结构的需要。

发明内容

这种需要由本发明解决，本发明提供了一种配置成以便减小其中的层间应力的护罩段。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机的护罩段，护罩段由复合材料构成，复合材料包括嵌入基质中的增强纤维，并且护罩段具有由相对的前壁和后壁以及相对的内壁和外壁限定的截面形状，壁在相对的第一端面和第二端面之间延伸，其中，内壁限定弧形的内流路表面；并且其中，复合圆角(compound fillet)设置在壁的第一壁和第二壁之间的接合部，复合圆角包括第一部分和第二部分，第二部分具有延伸到壁的第一壁中的凹曲度。

根据本发明的另一方面，一种用于燃气涡轮发动机的护罩设备包括：环形金属悬架(hanger)；设置在悬架内侧的护罩段，该护罩段由复合材料构成，复合材料包括嵌入基质中的增强纤维，并且护罩段具有由相对的前壁和后壁以及相对的内壁和外壁限定的截面形状，壁在相对的第一端面和第二端面之间延伸，其中，内壁限定弧形的内流路表面，并且其中，复合圆角设置在壁的第一壁和第二壁之间的接合部，复合圆角包括第一部分和第二部分，第二部分具有延伸到壁的第一壁中的凹曲度；以及，机械地联接至悬架的保持件，该保持件接合护罩段以将护罩段保持至悬架，同时允许护罩段在径向方向上的移动。

附图说明

通过参考结合附图的以下描述，可最好地理解本发明，在附图中：

图1是燃气涡轮发动机的涡轮区段的一部分的示意性截面图，该涡轮区段并入根据本发明的一方面构造的护罩安装设备；

图2是图1中所示的护罩段的示意性透视图；

图3是图2的护罩段的底视图；

图4是图3的一部分的放大图；

图5是图1中所示的涡轮区段的一部分的截面正视图；

图6是图1中所示的护罩段的一部分的截面图；

图7是图1中所示的备选护罩段的一部分的截面图；

图8是图7中所示的护罩段的一部分的截面图。

具体实施方式

参照附图，其中相同的标号在所有各个视图中表示相同的元件，图1示出涡轮的一小部分，其是一种已知类型的燃气涡轮发动机的一部分。涡轮的作用是从来自上游燃烧器(未示出)的高温、加压的燃烧气体提取能量并以公知的方式将该能量转换成机械功。涡轮通过轴驱动上游压缩机(未示出)，以便向燃烧器供应加压空气。