界壁受冷却的涡轮喷管 本发明的背景
本发明总的涉及燃气涡轮发动机，更具体地说，涉及这种发动机内的涡轮喷管。
在燃气涡轮发动机中，空气在压气机内受到加压，然后在燃烧室与燃油混合燃烧产生热的燃气，该燃气向后流过各级涡轮，将能量传给涡轮。高压涡轮首先接收来自燃烧室的燃气，它具有一个定子喷管，该喷管导引上述燃气向下游流过从支转子轮盘沿径向向外延伸的一排高压涡轮转子叶栅。在两级涡轮中，第二级定子喷管配置在第一级转了叶片的下游，而在第二级定子喷管后面又有一排从另一个支承转子轴沿径向向外延伸的第二级转子叶片。
上述的第一和第二级转子盘通过相应的转子轴与压气机相连接，以便在工作过程中带动压气机转动。在通常的为飞机提供飞行动力的涡扇式航空发动机结构中，一多级低压涡轮后面有两级高压涡轮，这些低压涡轮通常通过第二转子轴与配置在该压气机上游的风扇相连接的。
当燃气向下游流过各级涡轮时，释放出能量，并使其压力降低。例如，第二级涡轮喷管两端，有明显的压力降。因此，通常要在该部位设置级间密封件，以阻止喷管周围的燃气漏泄。
更具体地说，在第一和第二级转子盘之间沿轴向安装一个在工作时随之转动的环形级间密封圈，该密封圈具有沿径向向外延伸的迷宫式密齿。在第二级喷管的紧靠该密封齿的内端安装一个蜂窝状定子密封件，起迷宫密封作用，以便使它们之间的流体流动减至最少。
上述的级间密封圈具有一个在迷宫式密封齿的一侧限定前腔室的环形前部和一个在迷宫式密封齿地另一侧限定后腔室的环形后部。
喷管叶片是空心的，在工作过程中有一部分来自压气机的增压空气被用来冷却叶片。然后将叶片中的一部分空气沿径向向内导引流过内界壁并通过相应的几排前、后排气孔排到位于迷宫式密封齿相对两侧的前腔室和后腔室内。
为了加强导向叶片本身的冷却，这些叶片通常具有一个或多个防冲击板或者说插板，这种防冲击板是具有许多穿透它的冲击孔的薄板金属构件。冲击板的外围壁与空心叶片之内表面紧邻地隔开，以便对其排出相应的冲击喷气流，加强叶片之冷却。用过的冲击气流随后通过经叶片的压力侧或负压侧或两者形成的各气膜冷却孔排出。
支承着叶片的径向内、外喷管界壁构成燃气流的相应的限界，相应地对冷却的要求并不高。在一种通常的结构中，每个引射管叶片具有一个从外界壁向外延伸的进口管或短管来自压气机的冷却空气被输入该管。上述空气沿径向向内流过每个叶片内部的防冲击板，并且通常有一部分空气被导引沿径向流过内界壁而排入相应的前腔室和后腔室内。
在一种工业结构中，通过内界壁延伸一根转接管，将预冲击空气直接供入在各叶片下面由紧邻地与它隔开的薄金属盖板形成的小空腔内。上述薄金属盖板本身由通过上述转接管导入的空气进行冲击冷却，然后将用过的冲击空气导入例如前腔室内。
级间的蜂窝状密封件通常具有薄的金属衬板，该衬板固定连接在内界壁的相应部位上，一般没有专门的冷却环路。
这种将内界壁与蜂窝状密封件连接在一起的结构要求多种零部件，这就增加了结构复杂性，提高了成本。而且，这种结构只具有局部的冷却能力，仅限于冷却靠近各个导向叶片下方的区域。
然而，在一种改进的涡扇式燃气涡轮发动机的研制中发现，从燃烧室排出并导入到第二级涡轮喷管的燃气的最高温度区或者说峰值温度区偏近于内界壁部位，而不像先前的发动机那样峰值温度位于中心部位。因此，在工作时内界壁承受较大的热负荷，故要求专门设置一种冷却装置对它进行冷却以保证第二级喷管具有合适的使用寿命。
所以，希望提供一种在支承级间蜂窝状密封件的机构中具有冷却内界壁的功能的改进的涡轮喷管。
本发明的简要说明
一种涡轮喷管具有多个固定在内、外界壁之间的空心导向叶片。上述的内界壁具有一个环绕其周边的整体的裙部，该裙部与蜂窝状密封件的衬板相连接而在裙部内形成一个空腔。内界壁具有多个用于将冷却空气供入上述空腔内的供气孔，裙部则具有多个排出冷却空气的前、后排气孔。在工作过程中，流过空腔的空气对内界壁的背面进行冷却，然后通过排气孔排出来。
附图的简述
在下面结合附图的详细说明中按照优选的和典型的实施例更具体地说明本发明的其他的目的和优点，附图中：
图1是具有按本发明的示例性实施例的第二级涡轮喷管的示例性的涡扇燃气轮机的局部轴向剖视简图；
图2是沿按本发明优选实施的图1所示的涡轮喷管的一个环形段件的分解等角透视图；
图3是沿图1的3-3线的涡轮喷管的一部分的后视剖视图。
本发明的详细说明
图1简单示出为飞机提供飞行动力的一种涡扇燃气轮机的典型实施例的燃气轮机10的一部分。该发动机10相对于纵向轴线或者说中心轴线12轴向对称，它具有一个安置在风扇(未示出)后面的普通的多级轴流式压气机14。空气16首先经过风扇和压气机进入发动机，在压气机14内加压后进入环形的燃烧室18(图中只示出其后部分)，在燃烧室18内与燃油混合，并点火燃烧产生热的燃气20，该燃气20从燃烧室排出后依序流过相应的各级涡轮。
在图1中以示例性结构表示了一个两级高压涡轮(HPT)被包围在环形内壳22内。
上述HPT具有一个首先接收来自燃烧室出口端的燃气的第一级环形涡轮喷管24。该喷管24可以是任何普通的结构，并具有一个固定连接于适当支承在发动机内的径向内、外界壁上的空心定子叶栅。
一排第一级转子叶片26从支承第一转子盘28之周边沿径向向外延伸，并首先从喷管24排出的燃气中获得能量。
第二级涡轮喷管30适当地安装在紧接第一级转子叶片26的下游，以使燃气改变后向流过其后面的从相应的第二转子盘34径向向外延伸的第二级转子叶片32。上述的第一级和第二级转子盘28，34通过一根在它们之间延伸的公用转子轴与压气机转子14固定连接，在运转过程中，上述两级转子叶片获得的能量用于带动压气机转动。
图1和2所示的第二级涡轮喷管30是一种分段的环件，每个环段件具有一对其径向两端固定连接于相应的径向内、外界壁40，38上的空心导向叶片或者说空心定子叶片36，上述内、外界壁40，38是一种分段的弧形件，每一段最好只有两个叶片、各段弧形界壁彼此沿圆周互相连接，并按普通方法采用设置在它们之间的相应的塞缝片加以密封。
在图1所示的示例性实施例中，从燃烧室18排出的燃气20温度的径向分布T的情况是其最高温度或者说峰值温度偏向于与通道跨距径向中心相对的通道内边界。因此，与燃气20的温度分布按一般方式在中央具有最高值的情况不同，第二级涡轮喷管30的内界壁40便承受着比外界壁38更大的热负荷。峰值温度分布跨度小有利于提高发动机的性能，但相应地使喷管内界壁受到较大的热负荷。
因此，第二级喷管30的内界壁40采用了在图2较详细示出的改进的结构，这种结构可简单而经济地为第一级与第二级涡轮转子之间的组件提供有效的冷却。
示于图2的每个喷管环段件具有一对径向穿过两个叶片36中相对应的每一个的供气孔42，内界壁40还具有从其周边径向向内延伸的整体裙部44而形成一个公共的冷却空腔或者说充气道46。冷却空腔46在每段内界壁的下方和两个叶片下面延伸，以便最大限度地露出内界壁的与热燃气流过的外表面相对的内表面区域。
上述的裙部44具有从内界壁的轴向相对端穿过它的前排气孔48和后排气孔50，用于与冷却空腔46连通。供气孔42具有供冷却空气进入公共气道或者说空腔46的入口，而排气孔48，50则具有从公共空腔46排气的出口。
再看图1，在第一级与第二级转子盘28，34之间形成一个级间密封件，该密封件包括一个具有多个径向向外延伸的迷宫式密封齿54的级间密封圈52，该密封圈52具有一个紧接第一级转子轴28而形成一个环形的前排气腔56的环形前部和一个紧接第二级转子轴34而形成一个环形的后排气腔58的环形后部。密封圈52可以是任何普通结构，它的前部和后部的形状通常做成一种用于相应转子叶片26，32的轴向鸠榫保持在它们各自的转子盘内的整体的叶片保持器的形状。
迷宫式密封齿54与具有合适地固定在它上面的薄的金属衬片或者说衬板62的级间定子蜂窝状密封件60相配合。该蜂窝状密封件60固定在第二级喷管的内界壁40上而与相应的迷宫式密封齿54形成较小的径向间隙以保持前、后排气腔56、58之间的压力差。上述的薄的金属衬板62可以采用加强筋(例如示于图3中央的那一种)局部加强之。
在图1和2所示的优选实施例中，上述衬板62钎接到裙部44上而密封地闭合冷却空腔46，以便在工作时使其中的冷却空气循环流动来加强内界壁40背面的冷却。
如图2和3更详细所示的，衬板62最好是不穿孔的，以便采用钎接法沿其整个周边密封地闭合冷却空腔46。而且衬板62在环绕裙部44的整个周边内沿圆周方向大致均匀地与内界壁40隔开，以便使冷却空气沿内界壁40的整个内表面基本上畅通地循环流动而形成对流冷却。这样，在工作过程中，冷却空气可直接进入冷却空腔46，并在内界壁40的大致整个范围内循环流动，使承受流过其外表面的高温燃气的内界壁得到冷却。
从图1和3可清楚地看出，每个导向叶片36最好具有一个用薄金属板制成的按任何普通方式紧靠空心叶片内表面设置的穿孔的防冲击板或者说插板64，该挡板64上具有许多小孔，它们在工作时可导引冷却空气16形成冲击叶片内表面的相应的喷射气流。
如图1所示，外界壁38具有一个沿径向穿过它而与相应的防冲击板64的上部呈流体连通的相应的入口管或者说短管66，以便常规地导引一部分来自压气机的空气沿径向向内流过防冲击板64。被导入挡板的冷却空气一部分通过其冲击孔排出到叶片内，然后通过叶片36的正压侧面(叶背)或负压侧面(叶盆)上的或两个侧面上的对流气膜冷却孔68排出去。
如图3所示，每个挡板64最好还具有一个穿过相应的一个供气孔42进入公共空腔46的出口引射管70，以便从挡板内部直接供给一部分预冲击空气进入空腔46而不是首先进行导向叶片内表面的冲击冷却。挡板64的底端由一种与引射管70合适地钎接的金属薄板封住。
在图2和3所示的优选实施例中，引射管70是圆筒形的，并具有一个与它合适地钎接的圆形金属盖板72，该盖板72面对着衬板62以阻碍冷却气流冲击衬板62。每个引射管70相应地具有至少一个侧向孔74以便将冷却空气沿侧向排入空腔46而循环流动。
在图3所示的优选实施例中，盖板72是不穿孔的，而引射管70则具有4个彼此隔开的侧向孔74，以便形成多方向进入冷却空腔46的冷却空气射流。
引射管70的尺寸应具有合适的可供足够的冷却空气流量排入冷却空腔46内的流通面积，其一个或多个侧向孔74的总的流通面积最好大致等于引射管本身的流通面积，这样，冷却空气可以有效地从侧向喷入冷却空腔46而最大限度地对内界壁40的内表面进行对流冷却。
冷却空腔46的径向高度应足够地大，以保证从每段喷管环段件的两个引射管70排出的冷却空气可在公共的空腔46内形成环流并基本上畅通地循环流动。因此，引射管70穿过内界壁40并沿径向向内越过空腔46而使其端盖72位于紧靠衬板62处。而且，侧向孔74最好位于内界壁40与衬板62之间的中央位置上以使冷却空气沿侧向分布于整个空腔46内而畅通地流动。
由于衬板62是金属薄板制成的，而内界壁40和周边裙部44是厚得多的铸造金属件，并经受着局部不同的工作条件，所以在工作过程中它们的热响应有所不同。在引射管70端部设置盖板72可以大大减轻或防止对热反应敏感的衬板62的直接冲击冷却(在受到冲击冷却时衬板62会局部受到高的热应力和变形)。而衬板62变形又会使蜂窝状密封件60变形，且对迷宫式密封齿54的密封性能有不利影响。
从引射管70的侧向排出冷却空气可使冷却空腔46周围部位得到更均匀的冷却从而减小其热应力并减轻相应的变形。而且，最重要的是，内界壁40的大部分内表面都与空腔40内的循环流动的冷却空气相接触，从而使内界壁40本身在工作过程中得到有效的冷却。
如图1和2所示，每个叶片36都具有沿轴向相对的前缘和后缘76，78，还具有沿轴向位于前、后缘之间并沿径向位于内、外界壁之间跨区内的通常是凸起的正压面(叶背)和通常是凹入的负压面(叶盖)。
如图2所示，裙部44具有位于叶片前缘76之下方的前壁和位于叶片后缘78之下方的后壁。而且，裙部44的一对沿圆周相对的侧壁或者说端壁位于每个内界壁段件内的叶片对的相对侧面上而形成一个位于两个叶片下方的大致为矩形的公共冷却空腔46。
如图2和3所示，每个叶片36最好是具有相应的一半内、外界壁40，38的公共铸件，而所述的内、外界壁40，38则具有可钎接在一起而形成一个在相应的内、外界壁内具有一对叶片的整体的喷管环段件的公用端面或者说接缝80。这样，便可铸出带有相应的内、外界壁部分和整体裙部的相应部分的叶片，然后将两个铸造叶片和裙部的互补部分沿公用端面80钎接在一起而成为一个具有两个叶片和相配合的界壁段的整体的独立组件，再将各喷管环段件沿涡轮喷管的整个圆周互相连接，并在喷管环段件的端面之间按普通的密封方法设置普通的密封塞缝片。
在图3所示的优选实施例中，裙部44是与内界壁40共同铸出的部分，其前壁和后壁最初在铸造时以及在钎接组装前是沿铸造分型线分开的。两个裙部端壁中相应的一个最初是铸造在每个叶片环段上的，然后将它们钎焊在一起而形成公共空腔46的完整的封闭周边。
在图1和2所示的优选实施例中，内界壁裙部的后壁具有一个沿周围延伸并沿轴向朝前的固位槽82，以便按舌-槽机械连接方式承接衬板62的后端部。如图2所示，裙部44的其余两个端壁和前壁具有大致平滑的窄边条84，可用来靠紧衬板62的相应周边，然后可按普通方法将它们钎接在一起。
另外，衬板62的前端的沿轴向的剖面形状最好是弧形或L形的，并与裙部前壁的互补的弧形外表面相吻合，以便将它们钎焊在一起，这样，上述的窄边条84便形成衬板62与裙部44之间的窄的边缘钎接密封件，衬板62的钎接密封的后端部被机械地挡在固位槽82内，而衬板62的钎接密封的前端部则构成可承受剪切载荷的部位以提高衬板与裙部之间的连接强度。
由于如图1所示的公共冷却空腔46与后部排气腔58之间的差动压力大于与前部排气腔56之间的差动压力，故后固位槽82可增强衬板62对作用在它上面的较大的差动压力的机械承受力。
上面所述的涡轮喷管具有结构特别的内界壁和相配的裙部以加强内界壁的冷却并补充所需的排入前排气腔和后排气腔内的气流。上述结构组元的结合可减少零件数目、并使结构更简单、且显著降低安装级间蜂窝状密封件的涡轮喷管的成本而不损害发动机性能，同时，仍可加强整个内界壁的冷却。
蜂窝状密封件60的衬板62通过钎焊法直接安装在坚固的铸造裙部44上。在内界壁40与衬板62之间形成的冷却空腔46可使冷却空气沿内界壁背面基本上畅通地循环流动，这就可在燃气温度分布中的峰值温度偏离中心的情况下有效地冷却内界壁40。引射管70直接与相应的防冲击板64的内端相连接而提供具有最大压力和最大冷却能力的预冲击冷却空气进入的内界壁冷却空腔46。
空气通过引射管70的侧向孔74喷出可使其在公共空腔46内循环流动而不会对蜂窝状密封件的衬板62形成直接的冲击冷却，这就可减小衬板62的热应力和相应的变形。奇特的固位槽82与钎接到内界壁上的衬板一起可有效地固定蜂窝状密封件而使结构比普通的用螺钉固定的蜂窝状密封件以及各种形式的舌-槽支承掣夹来固定的那些密封件简单。
由于将裙部与内界壁做成整体，故可将各个的叶片段和其相应的内、外界壁部分做成一种公共铸件，从而降低制造的复杂性并降低成本。在优选实施例中，将两个叶片环段件钎接在一起而形成具有一个端部敞开的公共空腔46的有一对叶片的喷管段件，然后可简单地由钎接到裙部周边的蜂窝状密封件的无孔衬板将上述敞开端部封闭。
另外，也可将3个叶片环段件钎接在一起而形成具有3个叶片的喷管环段件，其中外侧叶片段具有3个裙壁，而内侧叶片段则具有两个一起构成由衬板封闭的公共空腔的裙壁。而且，即使是各个叶片的段件也可有其自己的由4个裙壁构成并由衬板封闭的内界壁空腔。
最后，按照界壁裙部的前壁和后壁的外围连续性来看，可以在其内部做出具有最大切向斜度的前排气孔和后排气孔48，50(这在先前的有限的空间结构中是不可能的)。这样，上述排气孔可导出具有最大速度的喷气而使构成前排气腔和后排气腔的转动盘的速度差减至最小。因此，可以提高公共冷却腔46的排气效率。
虽然前面已经说明了认为是本发明的优选的和典型的实施例，但是，熟悉本技术的人们将会明白从本发明的原理出发所进行的对本发明的其他改型，因此，应当把所有符合本发明的实际精神和处在本发明范围的各种改型纳入所附权利要求书中。
因此，美国专利所保护的内容就是在下列由我们提出的权利要求书中所限定和区别的本发明内容。