用于燃氣渦輪發(fā)動機的護罩段和包括其的護罩設備相關申請的交叉引用本申請是2011年12月15日提交的序列號為13/327，349的申請(目前未決)的部分繼續(xù)。技術領域本發(fā)明大體上涉及燃氣渦輪發(fā)動機，并且更具體而言，涉及這種發(fā)動機的渦輪區(qū)段中的由低延展性材料制成的護罩。

背景技術：
典型的燃氣渦輪發(fā)動機包括渦輪機核心，其具有處于串行流關系的高壓壓縮機、燃燒器和高壓渦輪。該核心可以以已知的方式操作而產生主氣流。高壓渦輪(也稱為氣體發(fā)生器渦輪)包括從主氣流提取能量的一個或更多轉子。每個轉子包括由旋轉盤承載的葉片或動葉的環(huán)形陣列。通過轉子的流路部分地由護罩限定，護罩是限制葉片或動葉的頂端的靜止結構。這些構件在非常高的溫度環(huán)境中操作，并且必須被空氣流冷卻以確保足夠的使用壽命。通常，用于冷卻的空氣從壓縮機提取(汲取)。排出空氣的使用不利地影響燃料比耗(“SFC”)并且通常應當減少。已提出利用具有更好的高溫能力的材料(例如陶瓷基質復合材料(CMC))取代金屬護罩結構。這些材料具有獨特的機械性能，這是在諸如護罩段的物件的設計和應用期間必須考慮的。例如，CMC材料在與金屬材料相比時具有相對較低的拉伸延展性或低失效應變。此外，CMC具有在約1.5-5微英寸/英寸/℉的范圍內的熱膨脹系數(“CTE”)，這與用作金屬護罩的支撐物的商用金屬合金顯著不同。這樣的金屬合金通常具有在約7-10微英寸/英寸/℉的范圍內的CTE。CMC材料由基質材料和增強纖維的層壓物組成，并且正交各向異性(orthotropic)到至少一定程度?；|或非主纖維方向(本文中稱為層間)通常比復合材料系統(tǒng)的纖維方向更弱(即，1/10或更小)，并且可為限制性設計因素。護罩結構經受施加在它們的壁之間的接合部的層間拉伸應力，該拉伸應力必須承載在較弱的基質材料中。這些層間拉伸應力可為護罩設計中的極限應力位置。因此，存在對于帶有降低的層間應力的復合護罩結構的需要。

技術實現要素：
這種需要由本發(fā)明解決，本發(fā)明提供了一種配置成以便減小其中的層間應力的護罩段。根據本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的護罩段，護罩段由復合材料構成，復合材料包括嵌入基質中的增強纖維，并且護罩段具有由相對的前壁和后壁以及相對的內壁和外壁限定的截面形狀，壁在相對的第一端面和第二端面之間延伸，其中，內壁限定弧形的內流路表面；并且其中，復合圓角(compoundfillet)設置在壁的第一壁和第二壁之間的接合部，復合圓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。根據本發(fā)明的另一方面，一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的護罩設備包括：環(huán)形金屬懸架(hanger)；設置在懸架內側的護罩段，該護罩段由復合材料構成，復合材料包括嵌入基質中的增強纖維，并且護罩段具有由相對的前壁和后壁以及相對的內壁和外壁限定的截面形狀，壁在相對的第一端面和第二端面之間延伸，其中，內壁限定弧形的內流路表面，并且其中，復合圓角設置在壁的第一壁和第二壁之間的接合部，復合圓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，機械地聯接至懸架的保持件，該保持件接合護罩段以將護罩段保持至懸架，同時允許護罩段在徑向方向上的移動。附圖說明通過參考結合附圖的以下描述，可最好地理解本發(fā)明，在附圖中：圖1是燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪區(qū)段的一部分的示意性截面圖，該渦輪區(qū)段并入根據本發(fā)明的一方面構造的護罩安裝設備；圖2是圖1中所示的護罩段的示意性透視圖；圖3是圖2的護罩段的底視圖；圖4是圖3的一部分的放大圖；圖5是圖1中所示的渦輪區(qū)段的一部分的截面正視圖；圖6是圖1中所示的護罩段的一部分的截面圖；圖7是圖1中所示的備選護罩段的一部分的截面圖；圖8是圖7中所示的護罩段的一部分的截面圖。具體實施方式參照附圖，其中相同的標號在所有各個視圖中表示相同的元件，圖1示出渦輪的一小部分，其是一種已知類型的燃氣渦輪發(fā)動機的一部分。渦輪的作用是從來自上游燃燒器(未示出)的高溫、加壓的燃燒氣體提取能量并以公知的方式將該能量轉換成機械功。渦輪通過軸驅動上游壓縮機(未示出)，以便向燃燒器供應加壓空氣。文中描述的原理同樣適用于渦輪風扇發(fā)動機、渦輪噴氣發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機，以及用于其它交通工具或靜止應用中的渦輪發(fā)動機。此外，雖然渦輪護罩被用作示例，但本發(fā)明的原理可適用于至少部分暴露至燃氣渦輪發(fā)動機的主燃燒氣流路的任何低延展性流路構件。渦輪包括靜止噴嘴10。它可為整體或組合的構造，并且包括由環(huán)形外帶14限制的多個翼型形狀的靜止渦輪靜葉12。外帶14限定通過渦輪噴嘴10的氣流的徑向外邊界。它可為連續(xù)的環(huán)形元件，或者它可為分段的。在噴嘴10的下游，存在轉子盤(未示出)，其圍繞發(fā)動機的中心軸線旋轉，并且承載一列翼型形狀的渦輪葉片16。包括多個弧形護罩段18的護罩設置成以便包圍并緊緊圍繞渦輪葉片16，且由此為流過渦輪葉片16的熱氣流限定外部徑向流路邊界。在渦輪葉片16的下游，存在下游靜止噴嘴17。它可為整體或組合的結構，并且包括由環(huán)形外帶21限制的多個翼型形狀的靜止渦輪靜葉19。外帶21限定通過渦輪噴嘴17的氣流的徑向外邊界。它可為連續(xù)的環(huán)形元件，或者它可為分段的。如圖2所示，每個護罩段18具有大體中空的截面形狀，其由相對的內壁20和外壁22以及前壁24和后壁26限定。在壁的相交部可使用圓角的、尖銳的或方形邊緣的過渡。護罩腔28被限定在壁20、22、24和26內。過渡壁29在前壁24和外壁22之間以一角度延伸，并且在截面中觀察時關于發(fā)動機的中心縱向軸線成銳角。軸向伸展的安裝槽27穿過外壁22、過渡壁29和前壁24。內壁20限定弧形的徑向內流路表面30。內壁20軸向向前延伸越過前壁24以限定前凸緣或突出部32，并且它也軸向向后延伸越過后壁26以限定后凸緣或突出部34。流路表面30在正視圖(例如，從前向后看或反之亦然)中順著圓形弧。護罩段18由公知類型的陶瓷基質復合(CMC)材料構成。通常，商業(yè)上可得到的CMC材料包括陶瓷型纖維(例如SiC)，其形式涂覆有適應性材料，例如氮化硼(BN)。纖維被承載在陶瓷型基質中，其一種形式是碳化硅(SiC)。通常，CMC型材料具有不大于約1%的室溫拉伸延展性，在此用于限定和意指低拉伸延展性材料。CMC型材料一般具有在約0.4%至約0.7%的范圍內的室溫拉伸延展性。這是與具有至少約5%(例如在約5%至約15%的范圍內)的室溫拉伸延展性的金屬相比。護罩段18還可由其它低延展性、能夠耐高溫的材料構成。CMC材料正交各向異性到至少一定程度，即，材料的沿平行于纖維長度的方向(“纖維方向”)的拉伸強度比沿垂直方向(“基質”，“層間”，或者“二級”或“三級”纖維方向)的拉伸強度更強。諸如模量和泊松比的物理性能也在纖維和基質方向之間不同。護罩段18的流路表面30可并入一層環(huán)境屏障涂層(“EBC”)，該涂層可為可磨耗材料和/或適合與CMC材料一起使用的公知類型的耐磨材料。該層有時稱為“摩擦涂層”，以38標注。如本文中使用的，用語“可磨耗”意味著摩擦涂層38能夠在與渦輪葉片16的頂端接觸期間(當它們在護罩段18內以高速旋轉時)被磨耗、研磨或侵蝕掉，而對渦輪葉片頂端有很少損壞或不造成損壞。這種可磨耗性能可為摩擦涂層38的材料復合的結果，通過其物理配置，或者通過其一些組合。摩擦涂層38可包括陶瓷層，例如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯或鋇鍶硅鋁酸鹽。在美國專利No.7,749,565(Johnson等人)中描述了適用于制作摩擦涂層38的示例性組成和方法，該專利通過引用并入本文中。圖3和圖4更詳細地示出摩擦涂層38。在所示示例中，摩擦涂層38帶有圖案。圖案通過減少暴露至與渦輪葉片16的頂端的接觸的表面積而增強摩擦涂層的耐磨性。具體而言，摩擦涂層38具有形成于其中的多個并排凹槽39。凹槽39的存在給予表面包括交替的峰41和谷43的形狀。凹槽39大體沿前后方向行進，并且每個凹槽39具有前端45、中心部分47和后端49。在平面圖中，凹槽39可為彎曲的。例如，如圖3所示，每個凹槽39是彎曲的，使得其中心部分47相對于其前端45和后端49在橫向或切向方向上偏置。護罩段18包括相對的端面42(通常也稱為“切”面)。端面42可位于平行于發(fā)動機的中心軸線的平面(被稱為“徑向平面”)中，或者它們可從徑向平面略微偏置，或者它們可定向成使得它們與這種徑向平面成銳角。當組裝成完整環(huán)時，在相鄰護罩段18的端面42之間存在端部間隙。一個或更多密封件(未示出)可設在端面42處。類似的密封件通常被稱為“槽接密封件”，并且采取金屬或其它合適材料的薄條帶的形式，這些薄條帶被插入端面42中的槽中。槽接密封件跨過護罩段18之間的間隙。圖6更詳細地示出護罩段18的內部構造。在內壁22和后壁26之間存在凹形圓角19。該圓角19代表存在于四個相交部中的每一個處的接合部，四個側壁中的兩個在該接合部彼此相接。在操作中，這種類型的配置可在材料的表面下方(靠近圓角19的位置)經歷峰值層間拉伸應力，該峰值層間拉伸應力必須承載在較弱的基質材料中。這可為護罩段18的設計中的極限應力位置。圖7示出一種備選護罩段118。基本配置類似于護罩段18的配置，但護罩段118配置成減少復合材料中的層間應力。它具有由相對的內壁120和外壁122以及前壁124和后壁126限定的大體中空的截面形狀。護罩腔128被限定在壁120、122、124和126內。復合圓角119存在于內壁122和后壁126之間。該圓角119代表存在于四個相交部中的每一個處的接合部，四個側壁中的兩個在該接合部彼此相接。如在圖8中最佳示出的，復合圓角119包括第一部分119A，其具有設置成與后壁126的內表面和內壁120的內表面成銳角的表面。第一部分119A的表面可為大體平坦的。第一部分119A呈現相對于后壁126的標稱厚度的材料增加，如通過虛線130的位置示出的。復合圓角119還包括第二部分119B，其為具有半徑R的凹形曲面。第二部分119B的第一端132與第一部分119A相接，并且第二部分119B的第二端134與內壁120的內表面相接且過渡至內壁120的內表面。第二部分119B呈現相對于后壁126的標稱厚度的材料減少，如通過虛線136的位置示出的。復合圓角119(尤其是第二部分119B)可被認為是集中的層間應力區(qū)域之前或鄰近的“底切”或“打薄”。在第一部分119A和后壁126的內表面的接合部，存在第一過渡表面138，其被示出為平滑的凹形曲線?？僧a生類似結果的其它配置包括直線或鍵槽形狀。第二過渡部分140設置在第二部分119B和內壁120的內表面的接合部，其被示出為平滑的凸形曲線?？僧a生類似結果的其它配置包括直線或鍵槽形狀。復合圓角119的輪廓成形為以便與復合材料兼容。構件內的增強纖維通常順著(即平行于)內壁120、復合圓角119和后壁126的邊界表面的輪廓。這些表面成形為使得纖維在放置向外尖部(cusp)之處不會彎曲或起皺。雖然已在示例性二維截面圖中示出復合圓角119的輪廓，但注意到，實際形狀在不同截面處可不同。在所示示例中，內壁120的厚度在復合圓角119的第二部分119B的位置處最小?？筛淖儚秃蠄A角119的確切形狀和尺寸以適應特定應用和所用的具體復合材料。復合圓角119已被示出為設置在后壁126和前壁120之間。注意到，在任何或所有壁120、122、124和126之間的接合部可實行相同或類似的配置。護罩段18被安裝至靜止的金屬發(fā)動機結構，如圖1中所示。在該示例中，靜止結構是渦輪殼體44的一部分。護罩段18的環(huán)通過一列保持件48和螺栓50安裝至一列弧形護罩懸架46。如在圖1和圖5中最佳示出的，每個懸架46包括沿大體軸向方向延伸的環(huán)形主體52。主體52成角度，使得其前端在其后端的徑向內側。它由徑向對齊的螺栓孔54不時地穿透。環(huán)形前外腿部56設置在主體52的前端。它在主體52的外側沿大體徑向方向延伸，并且包括軸向向后延伸的前鉤部58。環(huán)形后外腿部60設置在主體52的后端。它在主體52的外側沿大體徑向方向延伸，并且包括軸向向后延伸的后鉤部62。環(huán)形前內腿部64設置在主體52的前端。它在主體52的內側沿大體徑向方向延伸，并且包括面朝后的環(huán)形前支承表面66。環(huán)形后內腿部68設置在主體52的后端。它在主體52的內側沿大體徑向方向延伸，并且包括面朝前的環(huán)形后支承表面70。如將在下文更詳細說明的，后內腿部68配置成用作彈簧元件。主體52具有形成于其中的一個或更多冷卻劑進給通道71，其用于從發(fā)動機內的源(例如壓縮機排放空氣)接收冷卻劑并將冷卻劑導引至主體52的內側。懸架46如下被安裝到渦輪殼體44中。前鉤部58被殼體44的軸向面朝前的軌道72接納。后鉤部62被殼體44的軸向面朝后的軌道74接納。防旋轉銷76或其它類似的防旋轉特征被接納在前軌道72中，并且延伸到前鉤部58的匹配槽(未示出)中。在圖5中更詳細地示出保持件48的構造。每個保持件48具有中心部分78，該中心部分帶有兩個橫向延伸的臂80。每個臂80的遠端包括凹形彎曲的接觸墊82，接觸墊82相對于臂80的其余部分徑向向外突出。中心部分78在徑向方向上升到臂80上方并限定夾緊表面84。徑向對齊的孔86延伸穿過中心部分78。大致管狀的插入件88被模鍛(swage)或以其它方式固定至孔86，并且包括帶螺紋的緊固孔。可選地，孔86可帶有螺紋且插入件88可排除。保持件48在中心部分78和夾緊表面84通過外壁22中的安裝孔27暴露的情況下定位在護罩腔28中。保持件48由螺栓50或其它合適的緊固件夾持抵靠懸架46的凸臺90，并且彈簧92被夾持在凸臺90和夾緊表面之間。每個彈簧92包括帶有安裝孔的中心區(qū)段，以及相對的橫向延伸的臂94。凸臺90、保持件48和護罩段18的相對尺寸被選擇成使得保持件48限制護罩段18的向內移動，但不在徑向方向上夾持護罩段18抵靠懸架46。換言之，保持件48允許一定的間隙以用于在徑向向外方向上的移動。在操作中，二級流路中的普遍氣體壓力負載迫使護罩段18徑向向內抵靠保持件48，而保持件48偏轉少量。彈簧92起作用以在組裝期間保持護罩段18徑向向內抵靠保持件48且用于初始研磨過程以使護罩段18的環(huán)成圓形。然而，彈簧92尺寸形成為使得它們不在護罩段18上施加顯著的夾緊負載。在軸向方向上，懸架46的后內腿部68充當大懸臂彈簧以抵消操作中的空氣壓力負載。這種彈簧作用迫使護罩段18的前壁24抵靠前內腿部64的前支承表面66，導致金屬懸架46和CMC護罩段之間的可靠密封，由此減少冷卻流泄漏。在安裝好的狀況下，前突出部32和后突出部34設置成與護罩段18的前部或后部的構件成軸向緊密靠近或軸向重疊的關系。在所示示例中，在后突出部34和后噴嘴帶21之間存在重疊配置，而前突出部32緊密靠近前外帶14。這種配置減少了構件之間的泄漏，并且阻礙從主流路到二級流路的熱氣體攝取。如上所述，安裝槽27穿過外壁22、過渡壁29和前壁24。護罩段18因而并入大量的開放區(qū)域。在懸架46和安裝槽27的周邊之間不存在空氣密封，并且護罩段18不(在其中或其自身)用作氣室。而是，護罩段18與懸架46一起形成氣室，大體上在圖1中的“P”處示出。具體而言，環(huán)形密封接觸存在于護罩段18的前壁24和前支承表面66之間。此外，環(huán)形密封接觸存在于護罩段18的后壁26和后支承表面70之間。密封接觸通過如上所述的后內腿部68的彈簧作用來確保。護罩段18可被認為是氣室的“內部部分”，并且懸架46可被認為是其“外部部分”。中空金屬沖擊擋板96設置在各個護罩段18內。沖擊擋板96緊密適配至保持件48。沖擊擋板的內壁具有形成于其中的一些沖擊孔98，其引導段18處的冷卻劑。沖擊擋板96的內部通過形成于保持件48中的輸送通道73與冷卻劑供給通道71連通。在操作中，空氣流過通道71、輸送通道73、擋板96、沖擊孔98并將氣室P加壓。來自氣室P的用過的冷卻空氣通過形成于護罩段18的前壁24中的清除孔100離開。上述護罩安裝設備對于在渦輪發(fā)動機中安裝低延展性護罩而不直接向其施加夾緊負載是有效的，并且與現有技術相比具有若干優(yōu)點。特別地，護罩的前側上的漸縮邊緣(或楔形)的形狀允許護罩安裝系統(tǒng)從護罩段18的前部傳送負載到渦輪殼體44而不直接傳輸通過護罩段18。通過將護罩段18周圍的負載重新定向，護罩段18中的應力保持相對較低。此外，通過使用護罩段18和軸向相鄰噴嘴之間的重疊，突出部32和34允許護罩段18保護支撐結構靠近流路，同時阻礙熱氣體攝取。這種重疊配置需要較少的冷卻流來清掃護罩到噴嘴的腔，由此提高整體發(fā)動機性能。由于護罩材料比相鄰的噴嘴具有更好的高溫性能和更低的應力，因而突出部32和34的使用提供了整體渦輪機壽命改善。最后，復合圓角119的并入允許護罩段壁相交部的層間應力在更大區(qū)域上分布，從而減少峰值層間拉伸應力值。分析已顯示，上述配置可大量降低峰值層間拉伸應力，例如，與不帶有復合圓角的配置相比降低約50%，而對主要面內(或纖維方向)應力沒有重大改變。前文已描述了一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪護罩設備。雖然已描述了本發(fā)明的具體實施例，但是，對本領域技術人員而言將顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對其做出各種修改。因此，本發(fā)明的優(yōu)選實施例的上述描述以及用于實施本發(fā)明的最佳模式僅僅為了說明的目的而提供，而不是為了限制的目的。