[發明專利]用于燃氣渦輪機的混合陶瓷基復合材料部件

在審

• 申請號: 201580078244.4
• 申請日: 2015-03-27
• 公開（公告）號: CN107771240A
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 斯特凡·蘭彭舍夫;拉梅什·蘇布拉馬尼亞;杰伊·A·莫里森
• 申請（專利權）人: 西門子公司
• 主分類號: F01D5/28
• 分類號: F01D5/28;B32B18/00;B33Y10/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 王艷江,嚴小艷

技術領域

本發明涉及在高溫環境比如燃氣渦輪機中使用的高溫材料。更具體地，本發明的各個方面涉及機械解耦以及熱解耦的復合式部件，該復合式部件包括由陶瓷基復合(CMC)材料形成的層壓件的堆疊件和至少一個金屬支承結構，所述至少一個金屬支承結構延伸穿過所述堆疊件。本發明的各個方面還包括用于制造復合式部件的方法。

背景技術

燃氣渦輪機包括用于容置壓縮機部分、燃燒室部分和渦輪部分的殼體或氣缸。一定量的空氣在壓縮機部分中被壓縮并且被引導到燃燒室部分中。被壓縮的空氣進入燃燒室入口并與燃料混合。隨后空氣/燃料混合物燃燒以產生高溫高壓的氣體。該工作氣體隨后被噴射經過燃燒器過渡部并注入到渦輪機的渦輪部分中。

渦輪部分包括將工作氣體引導至渦輪動葉片的翼型部的一排排靜葉片。工作氣體行進通過渦輪部分，從而引起渦輪動葉片旋轉，進而轉動轉子。轉子還附接至壓縮機部分，從而轉動壓縮機并且還轉動用于發電的發電機。燃氣渦輪機的高效率通過將流過燃燒室部分的氣體加熱到實用的高溫來實現。然而，熱氣體可能使各個金屬制渦輪機部件性能退化，比如當熱氣體流過渦輪機時經過的燃燒器、過渡管道、靜葉片、環形部段和渦輪動葉片。

為此，已經開發出使這些部件免受極端溫度影響的策略，比如開發并且選擇適合于承受這些極端溫度的高溫材料，以及用以保持部件在操作期間充分冷卻的冷卻策略。舉例來說，已經開發出耐高達1200℃的溫度的陶瓷基復合(CMC)材料。CMC材料包括通過陶瓷纖維增強的陶瓷基體。通常，纖維可以具有預定的取向以為CMC材料提供額外的機械強度。然而，已經發現的是，由于在許多具有典型的復雜形狀的渦輪機部件的部件邊緣處定向纖維比較困難，因此由CMC材料形成渦輪機部件可能具有挑戰性。為此，已經開發了由堆疊的CMC層壓件形成的部件。堆疊的CMC層壓件包括由具有期望取向的纖維的CMC材料形成的多個層壓件。通過包括多個平坦的層壓件，每個平坦的層壓件具有期望的纖維取向和形狀，可以更好地控制部件的總體構成和形狀。

還發現的是，盡管CMC材料提供了優異的熱保護性能，但CMC材料的機械強度仍明顯低于對應的高溫超合金材料的機械強度。為此，已經嘗試向CMC材料添加另外的強化材料或者用具有更大機械強度的材料來支承CMC材料。例如，在一些情況下，堆疊的層壓件可以在桿上滑動并經由對層壓件的堆疊件進行壓縮的保持結構或其他結構來保持/壓縮。

這種方法的一個主要問題是每個層壓件的鑄造/制造公差使得難以理想地使CMC層壓板與桿的分界面在整個部件的全部長度(例如，高度)上落在公差范圍內，特別對具有相對較大的結構比如動葉片或靜葉片而言更是如此。此外，盡管氧化物CMC材料和非氧化物CMC材料可以在超過1200℃的溫度下繼續使用，但它們在不被冷卻的情況下在燃燒環境中只能繼續使用有限的時間。因此，完全或基本上由CMC材料形成的部件還需要合適的冷卻機構。

附圖說明

將根據附圖在下面的描述中對本發明進行說明，附圖示出了：

圖1是根據本發明的一個方面的在添加金屬芯之前的層壓件的立體圖。

圖2是根據本發明的一個方面的包括位于層壓件的本體中的開口內的金屬芯的層壓件的立體圖。

圖3是根據本發明的一個方面的位于開口內的金屬芯的俯視圖。

圖4是根據本發明的一個方面的在金屬芯與CMC材料部的本體的壁之間具有間隙的層壓件的俯視圖。

圖5是根據本發明的一個方面的包括位于間隙內的偏置構件的層壓件的俯視圖。

圖6是根據本發明的一個方面的包括位于間隙內的金屬部的層壓件的俯視圖，該金屬部具有格子結構(lattice structure)，該格子結構為金屬部提供一定程度的彈性。

圖7是根據本發明的一個方面的包括金屬芯的層壓件的立體圖，該金屬芯具有延伸至CMC材料的多個指狀部。

圖8是根據本發明的一個方面的包括金屬芯的層壓件的立體圖，該金屬芯具有與層壓件的突部互鎖的多個指狀部。

圖9是根據本發明的一個方面的包括金屬芯的層壓件的立體圖，該金屬芯包括延伸穿過每個金屬芯的冷卻通道。

圖10示出了根據本發明的一個方面的由多個層壓件形成的混合CMC/金屬靜葉片。

圖11A至圖11H示出了根據本發明的一個方面的用于制備混合CMC/金屬部件的方法。

圖12A至圖12C示出了根據本發明的一個方面的用于制備混合CMC/金屬部件的另一方法。