金属通风回路所穿过的具有由陶瓷基复合材料制成的叶片装置的涡轮喷嘴的制作方法

本发明涉及涡轮发动机的涡轮的领域，特别地涉及用于飞行器的推进组件的涡轮的领域。本发明更具体地涉及这种涡轮的喷嘴，该喷嘴包括由陶瓷基复合材料制成的叶片装置。

背景技术

陶瓷基复合材料(在下文中使用表述“CMC材料”或“CMC”)通常包括纤维增强材料和陶瓷或部分陶瓷材料。CMC是一种热结构复合材料，能够承受相对较高的热应力并具有较低的密度，特别是具有低于通常用于生产涡轮发动机的涡轮部件的金属材料的密度的密度。

在航空领域，已经提出用CMC制造涡轮叶片。例如，文献FR 2 979 662描述了包括CMC定子桨叶的涡轮喷嘴。与具有金属桨叶的喷嘴相比，这种喷嘴使得可以减少所使用的通风空气的量，这有助于提高涡轮发动机的性能。

在传统的航空涡轮中，通常在涡轮发动机的压缩机处提取通风空气，并在涡轮中输送通风空气以特别地对暴露于燃烧气体的定子桨叶以及该涡轮的转子轮盘进行冷却。为此目的，定子桨叶通常包括内通道和一系列端口，通风空气被引入内通道中，这一系列端口一方面通向该内通道，另一方面在前缘或后缘处敞开。

为了对盘进行冷却，通常将通风空气的一部分经由涡轮的定子桨叶的至少一部分的内通道输送到中心腔，特别地，转子盘毂在中心腔中延伸。

这种喷嘴的CMC定子桨叶通常连接到该喷嘴的金属内环壳。然而，CMC材料的热膨胀系数通常比传统航空涡轮中使用的金属合金的热膨胀系数低大约三倍。CMC桨叶和金属内环壳的不同热膨胀导致在涡轮发动机运行期间这些部件之间存在间隙，从而产生气密性缺陷。实际上，这种间隙使得通风空气发生泄漏并将燃烧气体引入中心腔中。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种涡轮发动机的涡轮喷嘴，该涡轮喷嘴包括由陶瓷基复合材料制成的桨叶，并且使得能够改善具有CMC叶片装置的传统喷嘴的气密性缺陷。

为此目的，本发明涉及一种涡轮发动机的涡轮喷嘴，该涡轮发动机围绕纵向中心轴线延伸，该喷嘴包括围绕所述纵向中心轴线延伸的由金属材料制成的径向外环壳、与径向外环壳同心的由金属材料制成的径向内环壳；以及由陶瓷基复合材料制成的多个桨叶，该多个桨叶围绕纵向中心轴线沿周向连续地形成，每个桨叶在径向内环壳和径向外环壳之间径向地延伸，每个桨叶具有中空轮廓，该中空轮廓形成通往该桨叶的径向内端部和径向外端部的内凹部。

根据本发明，该喷嘴包括由金属材料制成的至少一个内衬，该内衬形成径向通道，径向通道用于输送穿过桨叶中的相应桨叶的内凹部的通风空气，该内衬包括附接到径向外环壳的径向外端部和与径向内环壳接合的径向内端部，使得径向通道面对径向内环壳的相应开口，以通过该开口输送通风空气，喷嘴包括设置在径向内环壳和内衬之间的至少一个密封件，以确保径向内环壳的所述开口与径向通道之间的气密性。

因此，根据本发明的喷嘴可以包括一个或多个内衬，并因此包括由这些内衬形成的一个或多个径向通道。当喷嘴包括单个径向通道时，该径向通道穿过桨叶中的一个桨叶的内凹部。表述“至少一个内衬，该内衬形成形成径向通道[…]穿过桨叶中的相应桨叶的内凹部的[…]”意味着，当喷嘴包括多个内衬并因此包括多个径向通道时，这些径向通道中的每个径向通道从一桨叶(另一径向通道穿过其内凹部)穿过不同桨叶的内凹部。此外，对于给定的桨叶由多个径向通道穿过的实施例，该措辞是非排他性的，在这种情况下，上述多个径向通道属于径向通道的不同组，表述“至少一个内衬[…]形成径向通道”指的是这些组中的一个组的至少一个径向通道。

根据本发明的喷嘴可进一步包括一个或多个密封件。不管内衬的数量如何，至少有一个密封件设置在径向内环壳和内衬中的每个内衬之间。在下文描述的实施例中，每个内衬被认为与单个密封件相关联，使得每个密封件设置在径向内环壳和相应内衬之间，以确保由该内衬形成的径向通道和径向内环壳的相应的开口之间的气密性。本发明还包括多个密封件插入在径向内环壳和给定的内衬之间的实施例，以及给定的密封件插入在径向内环壳和多个衬垫之间的实施例。

在下文中，参照单个内衬和单个相应的密封件来描述与至少一个内衬和至少一个密封件有关的特征、功能和优点。显然，当喷嘴包括多个内衬和多个密封件时，这些特征、功能和优点适用于内衬中的每个内衬和密封件中的每个密封件。

本发明使得尽管CMC叶片和该金属径向内环壳的热膨胀不同，仍能够确保在径向内环壳处具有令人满意的气密性。

实际上，这样的喷嘴构造使得通风空气能够在结构上与桨叶分离的通风回路的一部分中流通，在这种情况下，通风回路的该部分由径向通道和径向内环壳的相应的开口组成。特别地，这使得能够防止在桨叶和径向内环壳的不同热膨胀期间气密性劣化，这会在这些部件之间产生间隙。

内衬和径向内环壳都是金属的，这些部件具有基本相同的热膨胀系数，这使得在这些部件的热膨胀期间可以在这些部件之间保持基本恒定的组装间隙。

通过设置在内衬和径向内环壳之间的密封件进一步显著增强了气密性。

此外，由于内衬是金属的，因此内衬还可以吸收喷嘴、尤其是桨叶所承受的机械力，该机械力会使喷嘴倾斜。这样的结构加强件使得可以减轻CMC桨叶的压力，CMC桨叶的许用机械应力低于传统金属桨叶的许用机械应力。

为了进一步提高喷嘴的气密性，密封件可以设置在径向内环壳和内衬之间，使得密封件在径向内环壳和内衬之间被径向地压缩。

为此，内衬可以优选地包括形成支撑表面的肩部，该支撑表面径向地面对径向内环壳的相应的支撑表面，使得密封件能够在这些支撑表面之间被径向地压缩。

实际上，一方面，内衬在桨叶的内凹部中径向地延伸，这使内衬具有基本上细长的形状。这导致该内衬基本上沿径向方向膨胀。内衬通过其径向外端部附接到外环壳，内衬的膨胀趋于使其径向内端部径向地向内移动。

此外，径向内环壳由于其环形形状而趋向于径向地向外扩展。

因此，内衬和径向内环壳的相应热膨胀导致这些部件的相对径向运动，这使内衬的径向内端部更靠近径向内环壳移动，从而引起密封件的压缩力，并且因此增强了气密性。

在实施例中，密封件可以形成沿内衬的径向内端部的外周界延伸的封闭珠。

优选地，密封件可以包括编织纤维。

编织纤维使得可以增强密封件的耐高温性(特别是约600℃的温度)，同时赋予密封件所需的柔韧性和弹性。

在实施例中，喷嘴可以包括：

-同心的环形的喷射器支撑件，该喷射器支撑件径向地位于径向内环壳的内部，该喷射器支撑件包括进气腔，

-至少一个连接构件，该至少一个连接构件紧邻径向内环壳的开口延伸，以能够将穿过径向内环壳的开口的通风空气输送到进气腔。

喷嘴可以包括一个或多个连接构件，连接构件的数量和周向位置可以与内衬的数量和周向位置相关联。

在下文中，参照单个连接构件来描述与至少一个连接构件有关的特征、功能和优点。显然，当喷嘴包括多个连接构件时，这些特征、功能和优点适用于每个连接构件。

在实施例中，连接构件可以是环形的并且可以包括连接到径向内环壳的径向外连接端部和连接到喷射器支撑件的径向内连接端部。

优选地，连接构件的连接端部可以具有圆形形状。

这种圆形形状使得径向内环壳和喷射器支撑件能够进行一些相对移动，同时确保在这些部件的相对移动期间具有令人满意的气密性。

在实施例中，内衬的径向通道可以至少部分地设置成面对连接构件。

换言之，当喷嘴包括多个内衬时，喷嘴可以包括相应数量的连接构件，使得每个径向通道至少部分地设置成面对相应的连接构件。

在实施例中，喷射器支撑件可以径向地界定内腔的外部并且可以包括被构造成使进气腔和内腔流体连通的喷射构件。

当喷嘴与转子轮相关联以一起形成涡轮级时，内腔通常是其中毂从该转子轮的需要用通风空气来冷却的盘延伸的腔。

至少一个连接构件使得可以将来自喷嘴内衬的径向通道的通风空气经由进气腔和喷射构件输送到该内腔并因此输送到待冷却的转子轮的盘毂。

本发明还涉及一种涡轮发动机涡轮，该涡轮包括至少一个如上所述的喷嘴。

特别地，涡轮可以是低压涡轮机，并且优选地，涡轮可以包括多个级，多个级中的至少第一级包括这种喷嘴。

本发明还涉及一种至少包括这种涡轮的涡轮发动机。

特别地本发明可以应用于航空领域，使得涡轮发动机可以是用于飞行器推进组件的涡轮发动机，因此该组件还涵盖包括这种涡轮发动机的飞行器推进组件以及配备有这种推进组件的飞行器。

本发明的其他优点和特征将通过阅读以下非限制性的详细描述而显现。

附图说明

以下详细描述参照附图，在附图中：

[图1]是根据本发明的飞行器推进组件的示意性轴向截面图；

[图2]是根据本发明的涡轮喷嘴的局部示意图；

[图3]是根据本发明的喷嘴的局部示意性透视图；

[图4]是图2中的径向内环壳和喷嘴内衬的示意性透视图；

[图5]是图2中的喷嘴的内衬的局部示意性透视图，该内衬包括对密封件进行支承的径向内端部；

[图6]是图5中的内衬的径向内端部的局部示意性透视图；

[图7]是图2中的喷嘴的径向内环壳的局部示意性透视图；

[图8]是图2中的喷嘴的局部示意图，示出了内衬与该喷嘴的径向内环壳的气密接合；

[图9]是图2中的喷嘴的连接管的示意性透视图。

具体实施方式

附图包括分别限定相互正交的纵向方向、径向方向和周向方向的参考L、R和C。

在图1中，示出了飞行器推进组件1，该飞行器推进组件包括由机舱3整形的涡轮发动机2。在该示例中，涡轮发动机2是双体双流喷气发动机。

在下文中，术语“上游”、“下游”是相对于当推进组件1被推进时通过推进组件的气流的主要方向D1来定义的。方向D1与纵向方向L平行。

喷气发动机2具有纵向中心轴线A1，喷气发动机的各种部件围绕该纵向中心轴线延伸，在这种情况下，各种部件从喷气发动机2的上游到下游为风扇4、低压压缩机5、高压压缩机6、燃烧室7、高压涡轮8和低压涡轮9。压缩机5和6、燃烧室7、以及涡轮8和9形成气体发生器。

在喷气发动机2运行期间，空气流10通过机舱3上游的空气入口进入推进组件1，穿过风扇4，然后被分成中央主流10A和次级流10B。主流10A穿过压缩机5和6、燃烧室7以及涡轮8和9流入主气体流通射流道11A。次级流10B本身在围绕气体发生器并在径向外部由机舱3界定的次级射流道11B中流动。

以本身已知的方式，诸如高压涡轮8或低压涡轮9的涡轮包括一个或多个级，每个级包括喷嘴(也被称为定子)和转子轮。级的喷嘴包括定子桨叶，该定子桨叶被构造成将主流10A从燃烧室7偏转到同一级的转子轮的桨叶，以使该转子轮旋转。对于涡轮8和9中的每一个，一个或多个喷嘴形成涡轮的定子，而一个或多个转子轮形成涡轮的转子。

本发明更具体地涉及一种喷嘴20，该喷嘴在该示例中属于低压涡轮9的第一级。显然，低压涡轮9和/或高压涡轮8的一个或多个级可以包括如下文所述的喷嘴20。

参照图2和图3，喷嘴20包括径向外环壳21(也被称为“外环壳”)、喷射器支撑件22(也被称为“支撑件”)、以及径向内环壳23(也被称为“内环壳”)，它们各自形成大体环形的部分，该大体环形的部分的中心轴线为平行于纵向方向L的轴线A1。

除非另有说明，否则以下描述指的是图2中的实施例，并且所描述的特征照原样适用于图3中的实施例，这两个实施例在支撑件22的几何形状方面彼此本质上不同。

外环壳21、喷射器支撑件22和内环壳23基本同心。

内环壳23和喷射器支撑件22各自在外环壳21的内部径向地延伸。

在该示例中，外环壳21固定地安装在涡轮9的外壳30上。外壳30和喷嘴20形成涡轮9的定子。

在结构配置方面，喷射器支撑件22包括基本上沿纵向方向L延伸的径向内端部24。

喷射器支撑件22形成在径向外部由径向内端部24界定的进气腔64。

喷射器支撑件22支承至少一个喷射构件35。在该示例中，喷射构件35是从径向内端部24轴向突出的常规喷嘴喷射器。

喷射构件35被构造成使进气腔64和内腔63流体连通，该内腔在径向外部由喷射器支撑件22界定。

在未示出的实施例中，多个喷射构件可各自经由至少一个端口横穿喷射器支撑件22。

每个喷射构件35使得可以将来自压缩机5或6的通风空气输送到涡轮9的内腔63(进一步参见下文)。

喷射器支撑件22还包括下游部分25，该下游部分形成台阶，从径向内端部24的下游端部向下游且径向向外地延伸。喷射器支撑件22在该下游部分25的内表面上支承耐磨材料36，该耐磨材料以本身已知的方式旨在与位于喷嘴20下游的转子轮(未示出)的密封元件接合，从而在内腔63和主射流道11A之间形成下游动态密封。

喷射器支撑件22还包括从径向内端部24的上游端部径向向外延伸的径向臂26和从径向臂26的径向外端部向上游延伸的上游部分27。在图2的实施例中，上游部分27基本上平行于纵向方向L。在图3的实施例中，上游部分27被截断。

喷射器支撑件22还包括分别从上游部分27的上游端部和下游部分25的下游端部径向向外延伸的两个径向臂28和29。

在该示例中，喷射器支撑件22形成接纳内环壳23的凹槽。内环壳23气密地或间隙地安装在径向臂28和29之间。在未示出的实施例中，内环壳23通过诸如螺钉的附接装置附接到喷射器支撑件22。

在该示例中，喷射器支撑件22还包括支承耐磨材料39的支撑元件38，该耐磨材料旨在与高压涡轮8的位于喷嘴20下游的转子轮(未示出)的密封元件接合，以便在内腔63和主射流道11A之间形成动态密封。

外环壳21、喷射器支撑件22、内环壳23和外壳30由使它们能够承受相当大的机械应力和热应力的材料制成，在该示例中，由例如基于镍或钴的金属材料制成。

喷嘴20还包括由陶瓷基复合材料(在下文中被称为“CMC”)制成的围绕轴线A1周向连续的多个桨叶40。

图2和图3示出了单个桨叶40，以下描述涉及该桨叶40。这些图中未示出的其他桨叶在此与桨叶40相同。

以本身已知的方式，桨叶40包括叶片41、外平台42和内平台43。叶片41包括前缘45和后缘46，前缘和后缘被构造成将来自燃烧室7的主流10A引导到位于喷嘴20下游的所述转子轮的桨叶(未示出)。

桨叶40在外环壳21和内环壳23之间，以及在外环壳21和喷射器支撑件22之间径向地延伸，使得叶片41延伸穿过主射流11A，从而可以实现上文所述的引导功能。

在该示例中，桨叶40的内平台43通过密封凸片50连接到喷射器支撑件22，使得喷射器支撑件22能够相对于桨叶40进行相对径向的平移。桨叶40的内平台43包括径向臂47，该径向臂使用销51连接到内环壳23，销51以一间隙安装在桨叶40中，以使得销51能够在涡轮发动机2运行期间膨胀。

根据本发明的喷嘴20包括由金属材料制成的多个内衬，在该示例中，内衬的数量与桨叶40的数量相同。

在下文中参照图2及其以后的图来描述单个内衬70。这些图中未示出的其他内衬在此与内衬70相同。

参照图4和图5，内衬70在径向方向R上具有整体细长的形状。

内衬70包括径向外端部71和主体72，径向外端部形成平台，主体连接到平台71并且包括与平台71径向相对的、形成该内衬70的径向内端部73的端部。

内衬70的主体72沿径向方向R具有大致渐扩的形状，在平台71处具有比在径向内端部73处更大的纵向尺寸L和周向尺寸C。

参照图2，内衬70通过其平台71、使用与连接装置接合的附接装置52(例如螺钉)附接到外环壳21，连接装置例如为在外环壳21中产生的螺纹端口(未示出)。附接装置52穿过设置在平台71中的开口74(参见图4和图5)。

内衬70穿过桨叶40，同时设置在桨叶的内凹槽中。

实际上，桨叶40具有中空轮廓，中空轮廓形成在该桨叶40的径向内端部和径向外端部处敞开的内凹槽48。内凹槽48具有与内衬70的主体72的形状基本相应的形状，使得内衬的主体基本上模制桨叶40的内凹槽48。显然，桨叶40的内凹槽48和内衬70的主体72的相对尺寸使得这些部件可以在其不同的热膨胀的作用下相对于彼此在径向方向R上移动。

外环壳21还包括开口(未示出)，该开口的形状基本对应于内衬70的主体72的径向外部的形状。

参照图2，内衬70的主体72穿过外环壳21的开口和桨叶40的内凹槽48，使得内衬的平台71径向地支承在外环壳21的外表面上，内衬的主体72容纳在桨叶40的内凹槽48中，并且内衬的径向内端部73在桨叶40的内平台43处在该内凹槽48的外部敞开。

内衬70形成用于输送通风空气的径向通道78。

该径向通道采用端口78的形式，该端口在两侧径向地穿过该内衬70，以便一方面在平台71处敞开，另一方面在径向内端部73处敞开。该端口78的形状基本类似于内衬70的主体72的外部形状，因此类似于桨叶40的内凹槽48的形状。

内衬70的径向内端部73被构造成以下文描述的方式与内环壳23接合。

参照图4、图7和图8，内环壳23包括开口80，在该示例中，开口的数量与内衬70的数量相同。

图4和图7示出了包括三个开口80的内环壳23的截面。

除非另有说明，否则在下文中参照图8描述单个开口80。这些图中未示出的其他开口在此与开口80相同。

开口80在两侧径向地穿过内环壳23，以便一方面通往该内环壳23的内表面，另一方面通往该内环壳的外表面。

在该示例中，通过在内环壳23的内表面上加工第一埋头孔81并且在内环壳23的外表面上加工第二埋头孔82来获得开口80。

在开口80处，第三埋头孔83被加工在内环壳23的外表面上，以限定用于密封件90的支撑表面84。

内衬70被构造成使得由此形成的径向通道78面对内环壳23的开口80。

在该示例中，内衬70的径向内端部73包括在图6和图8中可见的肩部75，该肩部形成径向地面对上述支撑表面84的支撑表面76。

参照图6和图8，径向内端部73的部分77相对于肩部75与主体72径向地相对，具有基本对应于埋头孔82的形状的形状并且接合在开口80中。在该示例中，该部分77和埋头孔82的尺寸被设计成使得这些部件之间的在纵向方向L和周向方向C上的间隙最小。

图6示出了安装在内衬70上的密封件90。该密封件90形成封闭珠，该封闭珠沿着内衬70的径向内端部73的外周界延伸，更具体地，沿着该径向内端部73的部分77的一部分延伸，以径向地支承在由肩部75形成的支撑表面76上。

通过说明，图7示出了与内衬70分开的、容纳在开口80的所述第三埋头孔83中的密封件90。密封件90径向地支承在由该第三埋头孔83形成的所述支撑表面84上。

图8示出了该单元的组装，密封件90被设置在内衬70和内环壳23之间，以在这些部件之间被压缩，更具体地在支撑表面76和84之间被压缩。

在该示例中，密封件90包括编织纤维。

显然，密封件90以相同的方式围绕相应的开口80设置在内环壳23和其他内衬中的每个内衬之间(在图中未示出)。

参照图2和图3，内环壳23和喷射器支撑件22在彼此之间径向地界定环形空间60。

多个连接构件100被容纳在该环形空间60的内部。在该示例中，喷嘴20包括与内衬70相同数量的连接构件100。

在下文中参照图2、图3、图8和图9来描述单个连接构件100。这些图中未示出的其他连接构件在此与连接构件100相同。

连接构件100在内环壳23和喷射器支撑件22之间径向地延伸。

连接构件100是大致环形的，以形成如图9所示的连接管。

该连接管100具有回转轴线A2，并且包括径向外连接端部104、径向内连接端部105和凸缘106。

径向外连接端部104和径向内连接端部105关于与穿过凸缘106的轴线A2垂直的平面彼此对称。

该连接管100的连接端部104和105中的每一个都具有圆形或半球形的形状。

连接管100包括沿轴线A2在两侧穿过该管100的端口107。

对于每个连接管100，喷嘴20包括刚性地连接到内环壳23的第一连接元件101和刚性地连接到喷射器支撑件22的第二连接元件102(参见图3)。

在该示例中，连接元件101和102通过钎焊分别附接到内环壳23和喷射器支撑件22，这有助于通风回路的气密性。

连接元件101和102各自包括在两侧径向地穿过这些元件的大致圆筒形端口。

当连接管100被安装在喷嘴20上时，连接管100的回转轴线A2与径向方向R基本平行，径向外连接端部104压配合在第一连接元件101的端口中，并且径向内端部105压配合在第二连接元件102的端口中。

更一般地，连接管100至少部分地设置成面向径向通道78，使得该连接管100的端口107一方面与内环壳23的开口80流体连通(参见图8)，另一方面与进气腔64和相应的喷射构件35流体连通(参见图2)。

因此，图2中的喷嘴20形成通风回路，该通风回路在通风空气流的方向上包括：

-至少一个供应导管61，该至少一个供应导管在外壳30中产生并且被构造成将在涡轮发动机2的压缩机5处抽取的通风空气输送到在径向内部由内衬70中的每个内衬的平台71界定的外环形腔62中，

-多个分配支路，该多个分配支路被构造成将通风空气从该外腔62输送到涡轮9的内腔63。

每个分配支路包括：

-由内衬70中的穿过相应桨叶40的一个内衬形成的径向通道78，

-内环壳23的相应的开口80，

-连接构件100，

-进气腔64，

-相应的喷射构件35。

对于每个分配支路，相应的密封件90通过防止通风空气穿过在径向通道78和该分配支路的开口80之间的间隙而泄漏，并防止燃烧气体通过这些间隙从主射流11A引入，从而有助于通风回路的气密性。

密封件90在内衬70和该分配支路的内环壳23的热膨胀作用下的压缩增强了这种气密性。

显然，以上描述决不是限制性的。例如，在未示出的实施例中，仅桨叶40的一部分被内衬70穿过。在另一个实施例中，喷嘴20被构造成使得从一个或多个径向通道78流出的通风空气通过在没有连接构件100的情况下穿过环形空间60而被输送到一个或多个喷射构件35。