空气导管封严环件以及燃气涡轮发动机的制作方法

1.本发明涉及燃气涡轮发动机领域，具体涉及一种空气导管封严环件以及燃气涡轮发动机。


背景技术：

2.燃气涡轮发动机，例如航空发动机，其正常运转离不开空气系统复杂的引气流路，以实现涡轮气冷叶片供气与冷却、温控高温零部件、支点封严和轮缘封严等功能。在构成空气系统引气流路的各个零组件中，空气导管是重要的不可或缺的零件，空气导管可以将发动机高压压气机中间级叶根处引出的相对低温的主流道气流引导、供给高压涡轮用于叶片冷却、封严等。空气导管除需实现引气功能，还需保证其前端面具有良好的封严功能，以保证发动机运行期间气流不发生泄漏。


技术实现要素：

3.本发明的一个目的是提供一种空气导管封严环件。
4.本发明的一个目的是提供一种燃气涡轮发动机。
5.根据本发明一个方面的一种空气导管封严环件，包括第一封严环，材料为弹性材料；第二封严环，材料为预压缩的第一记忆合金材料，相变温度为第一相变温度；第三封严环，材料为预压缩的第二记忆合金材料，相变温度为第二相变温度；其中，所述第一封严环、第二封严环、第三封严环在径向由外至内分布，所述第一相变温度小于所述第二相变温度。
6.在所述封严环件的一个或多个实施例中，所述第一封严环、所述第二封严环、所述第三封严环在径向嵌套连接。
7.在所述封严环件的一个或多个实施例中，所述径向嵌套连接的结构包括所述第二封严环、第三封严环的一方具有第一连接凹槽，另一方具有第一连接凸起，所述第一连接凹槽与所述第一连接凸起构成第一嵌套连接结构，该第一嵌套连接结构的高度大于所述第二封严环以及第三封严环相变的尺寸变形量，所述第二封严环发生相变的尺寸变形量小于所述第三封严环发生相变的尺寸变形量。
8.在所述封严环件的一个或多个实施例中，所述径向嵌套连接的结构包括所述第一封严环、第二封严环的一方具有第二连接凹槽，另一方具有第二连接凸起，所述第二连接凹槽与所述第二连接凸起构成第二嵌套连接结构，该第二嵌套连接结构的高度大于所述第二封严环相变的尺寸变形量。
9.在所述封严环件的一个或多个实施例中，所述第二封严环具有的第一连接凹槽或第一连接凸起，与所述第二封严环具有的第二连接凸起或第二连接凹槽在周向的位置错开。
10.在所述封严环件的一个或多个实施例中，所述封严环件具有多个在周向均匀分布的第一嵌套连接结构，以及多个在周向均匀分布的第二嵌套连接结构，所述第一嵌套连接结构与所述第二嵌套连接结构在周向错开。
11.在所述封严环件的一个或多个实施例中，所述第一封严环、第二封严环、第三封严环均为分段式环体，每段环体的周向两端为阶梯状切口，相邻的环体之间形成阶梯状缺口。
12.在所述封严环件的一个或多个实施例中，所述第一封严环具有一个所述阶梯状缺口，所述第二封严环、第三封严环具有在周向均匀分布的多个所述阶梯状缺口。
13.根据本发明一个方面的一种燃气涡轮发动机，包括压气机、空气导管、以及以上所述的封严环件，所述封严环件位于所述空气导管与所述压气机的压气机轴之间的径向空间。
14.在所述燃气涡轮发动机的一个或多个实施例中，所述燃气涡轮发动机具有第一状态、第二状态以及第三状态：在所述第一状态，所述空气导管封严区域的温度小于所述第一相变温度，所述封严环件与所述压气机轴之间为间隙配合；在所述第二状态，所述空气导管封严区域的温度在所述第一相变温度以上，小于第二相变温度，所述封严环件与所述压气机轴为第一过盈配合，对应的过盈量为第一过盈量；在所述第三状态，所述空气导管封严区域的温度在所述第二相变温度以上，所述封严件与所述压气机轴为第二过盈配合，对应的过盈量为第二过盈量，其中，所述第二过盈量大于所述第一过盈量。
15.在所述燃气涡轮发动机的一个或多个实施例中，所述空气导管的封严区域包括具有封严凹槽，用于安装容置所述封严环件；所述封严凹槽的上游无装配导引角。
16.本发明的进步效果包括但不限于，通过采用在径向多圈设置的多个封严环的封严结构，并且采用记忆合金环件，使得封严环在装配状态与压气机轴为间隙配合，运行期间为过盈配合，从而封严结构便于装配和分解，避免发生硬碰硬摩擦，延长零件使用寿命。
附图说明
17.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：
18.图1为一实施例的燃气涡轮发动机的结构示意图。
19.图2为一实施例的空气导管封严环件的一视角结构示意图。
20.图3为一实施例的空气导管封严环件的另一视角的结构示意图。
21.图4为一实施例的空气导管封严环件的第一封严环的结构示意图。
22.图5为一实施例的空气导管封严环件的第二封严环的结构示意图。
23.图6为一实施例的空气导管封严环件的第三封严环的结构示意图。
24.图7为对比方案的结构示意图。
25.部分附图标记：
26.10-空气导管封严环件
27.1-第一封严环
28.2-第二封严环
29.3-第三封严环
30.41-第一连接凹槽
31.42-第二连接凹槽
32.51-第一连接凸起
33.52-第二连接凸起
34.61-第一嵌套连接结构
35.62-第二嵌套连接结构
36.7-阶梯状切口
37.70-阶梯状缺口
38.100-燃气涡轮发动机
39.101-风扇
40.102-增压级
41.103-高压压气机
42.104-燃烧室
43.105-高压涡轮
44.106-低压涡轮
45.107-中介机匣
46.108-级间机匣
47.109-空气导管
48.110-涨圈
49.120-封严凹槽
50.130-装配引导角结构
具体实施方式
51.下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。
52.另外，使用“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个或多个实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
53.如图1所示的，燃气涡轮发动机，以双转子的航空用燃气涡轮发动机为例，在一实施例中，燃气涡轮发动机100包括风扇101，气流从风扇101进入后，一部分经过增压级102，高压压气机103，进入燃烧室104与燃油进行燃烧反应，输出高温燃气至高压涡轮105、低压涡轮106，增压级102与高压压气机103之间具有中介机匣107，高压涡轮105与低压涡轮106之间具有级间机匣108。空气导管109位于高压压气机103的压气机轴的径向内侧，封严环件1位于空气导管109高压压气机103的压气机轴之间的径向空间，以对空气导管进行封严。可以理解到，燃气涡轮发动机不限于作为航空发动机，例如还可以作为船用燃气涡轮发动机。
54.如图2至图6所示的，在一些实施例中，空气导管封严环件10包括第一封严环1、第二封严环2、第三封严环3。第一封严环1、第二封严环2、第三封严环3在径向由外至内分布。第一封严环1的材料为弹性材料，由于空气导管封严环件10所处的高压压气机的温度可能较高，因此一般为常规的金属材料，根据具体运行温度选择，但不以此为限，例如也可以是
耐高温性能较好的非金属弹性材料，只需要满足在运行温度下的弹性以及耐久性要求即可，能够承受多次扩张-回复循环。第二封严环2、第三封严环3的材料均是形状记忆合金(shape memory alloy，sma，以下简称记忆合金)。记忆合金(sma)是一类能够“记忆”其初始形状的合金材料，由于同时具有传感器和驱动功能，是一种智能材料。sma具有两种特殊的宏观力学性能：形状记忆效应和超弹性，其中，形状记忆效应是指sma在环境温度低于其相变温度时，对其加载并卸载，卸载后存在残余应变，此时加热至相变温度以上就可以使残余应变消失，恢复到加载前的状态。例如，利用sma制成的承载重物的弹簧，通过对弹簧反复加热、冷却，弹簧将反复地提升、降低重物。第二封严环2、第三封严环3为预压缩形状记忆合金材料制造而成，在低于相变温度下对其加载成型，卸载后存在残余应变，第二封严环2、第三封严环3在装配时为压缩状态，可在温度高于相变点后自动发生变形回复，在形状记忆效应驱动下使得第一封严环1张开，并在温度低于相变点时再次发生变形，在第一封严环1的本身弹性作用下，三个封严环构成的封严环件整体再次压缩。
55.其中，第二封严环2与第三封严环3的记忆合金材料的相变温度不同，即第二封严环2的材料为预压缩的第一记忆合金材料，相变温度为第一相变温度t1；第三封严环3的材料为预压缩的第二记忆合金材料，相变温度为第二相变温度t2，t1小于t2。第二封严环2达到t1后的变形量一般小于第三封严环3达到t2后的变形量。t1、t2的具体范围，一般根据空气导管封严处的温度而定，第一相变温度t1、第二相变温度t2与大气温度t0、发动机不同运行状态下空气导管封严处温度t1*、t2*的关系为：大气温度t0《第一相变温度t1《发动机中小工况下封严处温度t1*《第二相变温度t2《发动机大工况下封严处温度t2*。
56.如此获得的有益效果在于，使得封严环在装配状态与压气机轴为间隙配合，运行期间为过盈配合，从而封严结构便于装配和分解，避免发生硬碰硬摩擦，延长零件使用寿命。具体而言，在发动机停车期间，空气导管封严处温度为大气温度t0，此时第二封严环2和第三封严环3的记忆合金材料均未发生相变，此时第一封严环1的外径d较小，与压气机轴之间为间隙配合。在发动机在中小工况运行期间，封严处温度t1*介于第一相变温度t1、第二相变温度t2之间，此时仅是位于中间层的第二封严环2的形状记忆合金发生相变，在变形回复能力的作用下第二封严环2直径增大，带动第一封严环1外径由d增大为d1，与压气机轴的配合由间隙配合变为小过盈配合，过盈量为第一过盈量，保证此时空气导管封严环实现在发动机中小工况下的封严功能；在发动机大工况运行期间，高状态封严处温度t2*第一相变温度t1以及第二相变温度t2，此时中间层的第二封严环2的形状记忆合金和内层的第三封严环3的记忆合金均已发生相变，在变形回复能力的作用下第三封严环3、第二封严环2的直径均增大，带动外层的常规金属材料的弹性的第一封严环1的外径再次略微增大，由d1变为d2，封严环a与压气机轴的配合由小过盈配合变为大过盈配合，过盈量为第二过盈量，即第二过盈量大于第一过盈量。保证此时空气导管封严环实现在发动机大工况下的封严功能，如此可以满足在大工况下期间发动机对封严的更为严格的要求，避免对泄漏引起的发动机性能下降、耗油率上升。
57.另外，发明人发现，由于发动机运行期间可能存在振动导致封严结构碰磨，且空气导管前端温度较高，环境恶劣等因素，若设置在发动机中小工况运行期间就使得封严结构为大过盈配合，在多次温度升高、降低的工作循环后，外层的常规金属材料的第一封严环1容易发生疲劳损伤导致使用寿命下降，甚至引起裂纹、失效等故障，因此设置第二封严环2、
第三封严环3且相变温度不同，也可以使得封严环件10的疲劳寿命长，可靠性高。
58.比较图7所示的对比方案，可以更清楚地理解以上实施例的有益效果。在图7所示的对比方案中，空气导管109前端封严采用涨圈110，采用开口的c型卡环/卡圈等结构，在装配时靠装配技能人员手动压入封严凹槽120，撤掉外力后涨圈110将向外自然张开，装配期间需靠与之配合的压气机轴上加工出来的特殊的装配引导角结构130，引导过盈配合的涨圈110装配到位。装配到位后涨圈110与外侧配合的压气机轴之间形成径向的过盈量压紧，保证实现封严功能。实际装配期间发动机前端竖直向下，工装先将空气导管沉降到压气机前端，再向上提拉空气导管，经过引导角结构130将空气导管装配到位。对比方案存在发动机装配期间难装配、需设计特殊引导角结构；空气导管封严处受到压气机中间级引气温度较高和运行期间振动摩擦等因素影响，且为过盈配合，故分解时将更为困难，会造成卡环/卡圈结构与压气机轴之间产生不可避免的硬碰硬摩擦，进一步造成卡环/卡圈、空气导管和压气机轴等零件磨损和使用寿命缩短的负面影响。相比于图7所示的对比方案，以上实施例的封严环件1也可以设置于封严凹槽120，但封严凹槽120的上游可以无需具有装配到引导角130，如此可以简化发动机的结构设计，并且在装配和分解之期间为间隙配合，便于装配和分解，避免发生硬碰硬摩擦，延长零件使用寿命。
59.继续参考图2至图6，在一些实施例中，第一封严环1、所述第二封严环2、第三封严环3在径向嵌套连接，具体的径向嵌套连接结构可以是，第二封严环2、第三封严环3的一方具有第一连接凹槽41，另一方具有第一连接凸起51，如图5以及图6所示的，可以是第二封严环具有第一连接凹槽41、第三封严环3具有第一连接凸起51，第一连接凹槽41与第一连接凸起51构成第一嵌套连接结构61，第一嵌套连接结构61的高度h大于所述第二封严环2以及第三封严环3相变的尺寸变形量。其有益效果在于，可以使得第一嵌套连接结构61的连接稳固，其原理在于，当第一相变温度t1《发动机中小工况下封严处温度t1*《第二相变温度t2时，此时第二封严环2发生变形回复，而第三封严环3仍是安装时的尺寸，因此第一嵌套连接结构61的高度的设置可避免第二封严环2、第三封严环3在发动机运行过程中脱离。同理，当温度从发动机大工况下封严处温度t2*降低至发动机中小工况下封严处温度t1*时，此时第三封严环3的相变的变形量已消除，回复至安装初始状态，而第二封严环2仍具有相变的变形量，因此第一嵌套连接结构61的高度的设置可避免第二封严环2、第三封严环3在发动机运行过程中脱离。类似地，在一个或多个实施例中，参考图4以及图5，径向嵌套连接的结构还包括所述第一封严环1、第二封严环2的一方具有第二连接凹槽42，另一方具有第二连接凸起52，第二连接凹槽42与第二连接凸起52构成第二嵌套连接结构62，该第二嵌套连接结构62的高度大于第二封严环2相变的尺寸变形量。虽然第一封严环1本身具有弹性，发生第一封严环1与第二封严环2松脱的可能性相比于第二封严环2、第三封严环3之间较低，但如此设置的高度可以使得第二嵌套连接结构62的可靠性更高。
60.参考图5，在一实施例中，第二封严环2具有的第一连接凹槽41，与第二封严环2具有的第二连接凸起52在周向的位置错开，如此可以减少应力集中，提高第二封严环2的疲劳寿命。同理，若第二封严环2具有第一连接凸起，第二连接凹槽，则两者在周向也是错开的。进一步地，参考图2以及图3，多个第一嵌套连接结构61、多个第二嵌套连接结构62在封严环件10的周向均匀分布，并且多个第一嵌套连接结构61、多个第二嵌套连接结构62在周向错开，如此交错布置，使得封严环之间的径向嵌套连接更为可靠牢固。
61.继续参考图2至图6所示的，在一些实施例中，第一封严环1、第二封严环2、第三封严环3均为分段式环体，每段环体的周向两端为阶梯状切口7，相邻的环体之间形成阶梯状缺口70。如图4至图6所示的，第一封严环1具有一个阶梯状缺口70，第二封严环2、第三封严环3具有在周向均匀分布的四个阶梯状缺口70。采用阶梯状缺口有益效果在于，易于装配与拆卸，并且发动机运行状态时易于张开、压缩，减少漏气现象。
62.承上可知，采用上述实施例介绍的空气导管封严环件以及燃气涡轮发动机的有益效果包括但不限于，通过采用在径向多圈设置的多个封严环的封严结构，并且采用记忆合金环件，使得封严环在装配状态与压气机轴为间隙配合，运行期间为过盈配合，从而封严结构便于装配和分解，避免发生硬碰硬摩擦，延长零件使用寿命。
63.本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。