[發明專利]具有用于侵蝕控制的加壓內腔的CMC葉片

有效

• 申請號: 201310045730.9
• 申請日: 2013-02-05
• 公開（公告）號: CN103362559A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: A.J.加西亞-克雷斯波;J.W.戈伊克
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F01D5/14
• 分類號: F01D5/14;F01D5/28;F01D25/14
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李強;譚祐祥

技術領域

本發明涉及用于在發電和航空工業中使用的燃氣渦輪機的陶瓷基復合（“CMC”）葉片，并且特別地涉及一種新型CMC葉片，其保持在固定壓力下以防止由于長期使用期間對葉片產生的異物損傷而損害葉片腔（否則其可能導致發動機的災難性故障）。本發明得到政府支持，在能源部授予的合同第DE-FC26-05NT42643號下完成。政府享有本發明的某些權益。

背景技術

多年來，燃氣渦輪發動機的性能標準不斷地增加，發動機效率相應地改善、推重比更佳、排放更低并且燃料消耗改善。然而，燃氣渦輪發動機溫度常常達到或超過構造材料的極限，由此損害發動機的熱部段中的部件（特別是燃氣渦輪發動機葉片）的結構完整性。因此，由于燃氣渦輪機操作溫度增加，因此已開發出各種方法來幫助保護轉子和渦輪機部段中的葉片，例如對于燃燒器和渦輪機葉片使用高溫合金。最初，將陶瓷熱屏障涂層（“TBC”）應用于暴露于熱燃燒廢氣的部件的表面以便減小傳熱率，并且為底層金屬和合金部件提供熱保護。這樣的改進有助于減小基底金屬的峰值溫度和熱梯度。

在當今時代，陶瓷基復合材料（“CMC”）作為在常規渦輪發動機中使用的許多高溫合金的替代物被開發。CMC提供勝過金屬葉片的改善承溫能力和密度優點，常常使它們在更新一代的渦輪發動機的更高預期操作溫度下成為選擇材料。也已開發出許多新的制造技術來使用CMC構造材料生產質量更好的發動機部件，特別是渦輪機葉片。例如，現在由滲透有熔融硅的纖維材料形成碳化硅CMC，例如由“Silcomp”工藝制造的產品。用于形成CMC部件的其它技術包括聚合物滲透和熱解（polymer?infiltration?and?pyrolysis，“PIP”）和漿料鑄造熔融滲透（“MI”）工藝。所有這樣的工藝集中于在不犧牲發動機性能的情況下改善燃氣發動機部件的結構完整性。

直到現在還在繼續努力開發具有高強度、長細絲復合在輕質基體中的改進復合轉子葉片、定子葉片和翼型。阻礙引入新型輕質復合燃氣渦輪發動機葉片的一個問題是它們比較容易受到異物損傷。許多類型和尺寸的異物會被帶入燃氣渦輪發動機（特別是航空發動機）的入口中，范圍從鳥類到冰雹、砂子和塵粒。來自異物的渦輪機損傷典型地呈現兩種形式。較小物體會侵蝕CMC葉片材料并最終減小效率，并且降低發動機的性能。由較大物體產生的任何撞擊會破裂或刺穿葉片，并且被撞擊葉片的部分甚至會被扯松開、并且導致對相鄰和下游葉片或其它關鍵發動機部件的大范圍二次損傷。異物損傷的影響似乎在高旁路燃氣渦輪發動機的低壓壓縮器中最大。

已嘗試了各種設計改進以試圖防止由于異物引起的復合葉片故障，例如包括保護前緣葉片帶，其幫助防止災難性葉片故障，同時為葉片提供一定的侵蝕保護，特別是沿著前緣。邊緣保護帶允許撞擊的能量（例如由于鳥擊引起）向下傳遞到葉片的后緣。然而，甚至撞擊能量的消散也可以導致葉片局部地振蕩、和/或在不同程度上位移，并且最終出故障。后緣的任何振蕩或大快速位移也引起葉片基體的應變，所述應變可以超過材料系統極限、并且產生內部脫層和/或葉片表面破裂。撞擊葉片的物體甚至可以導致邊緣材料的損失和轉子不平衡，這又限制發動機速度和功率。

盡管CMC材料很耐高溫（遠高于金屬），但是廢氣流中的水蒸汽會導致基體（matrix）的快速退化，并且因此材料通常必須涂覆有環境屏障涂層（“EBC”）以便保護底層基體免于存在于燃燒氣流中的水蒸汽。不幸的是，CMC部件上的熱涂層的使用不能防止由于操作期間物體撞擊在葉片上引起的渦輪機葉片自身的破裂，特別是沿著前緣。因此，如果由于異物損傷或通過其它手段（例如熱機械震動）發生EBC的任何穿透，則底層CMC材料面臨由于暴露于熱氣體路徑中的任何水分的增加而引起的加速退化。

所以在燃氣渦輪發動機領域中在熱氣體路徑中的陶瓷基復合材料的使用方面仍然存在明顯的設計問題。盡管加入屏障涂層（EBC）有助于密封基體并且保護它免于熱氣體攻擊，但是異物損傷的問題仍然存在，特別是穿透涂層的撞擊。如下詳細所述，作為改善葉片和發動機性能的長期可靠性的明顯階躍變化已開發出一種新型陶瓷基復合葉片。

發明內容