[發明專利]用于對接陶瓷基復合材料構件至金屬構件的方法和系統

有效

• 申請號: 201610581509.9
• 申請日: 2016-07-22
• 公開（公告）號: CN106368742B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: B.L.黑特曼;D.G.塞尼爾;M.R.蒂爾特謝爾;G.S.菲爾普斯;B.G.菲;S.J.墨菲
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F01D9/04
• 分類號: F01D9/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 朱鐵宏,周心志

技術領域

本說明書涉及復合噴嘴組件，且更具體地涉及用于在燃氣渦輪發動機中對接陶瓷基復合材料構件至金屬構件的方法和系統。

背景技術

至少一些已知的燃氣渦輪發動機包括具有呈串聯流動關系的高壓壓縮機、燃燒器和高壓渦輪（HPT）的核心（core）。核心發動機可操作以產生主氣流。高壓渦輪包括環形陣列（“排”）的靜止導葉（vane）或噴嘴，其引導離開燃燒器的氣體進入旋轉葉片或輪葉。一排噴嘴和一排葉片共同地構成一“級”。通常，兩個或更多級呈串聯流動關系地使用。這些構件在極高溫度環境中操作，并且可由空氣流來冷卻以確保足夠的使用壽命。

HPT噴嘴常常構造為在環形內帶和外帶之間延伸的翼型狀導葉的陣列，該翼型狀導葉限定穿過噴嘴的主流路。由于燃氣渦輪發動機內的操作溫度，故采用熱膨脹系數低的材料。例如，為了在此類不利溫度和壓力條件下有效地操作，可采用陶瓷基復合（CMC）材料。這些熱膨脹系數低的材料比類似的金屬部件具有更高的溫度性能，使得當在較高操作溫度下操作時發動機能夠以更高的發動機效率操作。然而，此類陶瓷基復合材料（CMC）具有在CMC的設計和應用期間必須考慮的機械性能。當相比于金屬材料時，CMC材料具有相對低的拉伸延展性或低的斷裂應變。此外，CMC材料具有顯著不同于用作對于CMC型材料的約束支承件或懸掛件的金屬合金的熱膨脹系數。因此，如果在操作期間CMC構件在一個表面上受到約束和冷卻，則會產生應力集中從而導致該區段的壽命縮短。

至今，由CMC材料形成的噴嘴經歷了已超出CMC材料能力的局部應變，從而導致噴嘴壽命縮短。已發現，該應變起因于施加至噴嘴及相關附接特征結構的瞬間應變、不同材料類型的部件之間有差別的熱生長，以及在噴嘴和相關附接特征結構之間的界面處的集中路徑上的加載。

發明內容

在一個實施例中，一種用于燃氣渦輪發動機的翼型組件由陶瓷基復合（CMC）材料形成并且包括關于燃氣渦輪發動機的軸向方向的前端和后端。翼型組件還包括徑向外端構件，其包括具有非壓縮負載承載特征結構的徑向向外面向的端表面，該特征結構從向外面向的端表面沿徑向向外延伸并且與外端構件一體地形成。該特征結構構造成與在第一翼型組件支承結構的徑向內表面中形成的互補特征結構相匹配（或配合）。該特征結構有選擇地正交于施加到翼型組件中的力定位。翼型組件還包括徑向內端構件，以及在內端構件和外端構件之間延伸的中空翼型本體。翼型本體構造成接納在第一端處可聯接至第一翼型組件支承結構的支柱（strut）。

在另一實施例中，一種從陶瓷基復合材料（CMC）導葉組件傳遞負載至金屬導葉組件支承部件的方法包括提供CMC導葉組件，其中，該導葉組件包括徑向外端構件，其包括具有一個或更多沿徑向向外延伸的負載傳遞特征結構的徑向向外面向表面。導葉組件還包括徑向內端構件，以及在內端構件和外端構件之間延伸的翼型本體。該方法還包括使徑向外端構件接合沿周向圍繞氣體流動路徑隔開的多個金屬導葉組件支承部件中的至少之一。導葉組件支承部件包括定型成與負載傳遞特征結構互補的一個或更多負載接納特征結構。負載傳遞特征結構包括楔形截面。

在又一個實施例中，一種燃氣渦輪發動機包括由第一金屬材料形成的內支承結構，該內支承結構包括支柱，該支柱包括第一匹配端、相反的第二匹配端以及在第一匹配端和第二匹配端之間沿徑向延伸的支柱本體。燃氣渦輪發動機還包括由第二金屬材料形成的外支承結構以及包括陶瓷基復合（CMC）材料并且在內支承結構和外支承結構之間延伸的翼型組件。翼型組件包括徑向外端構件，其包括具有非壓縮負載承載特征結構的徑向向外面向的端表面，該特征結構從向外面向的端表面沿徑向向外延伸并且與外端構件一體地形成。該特征結構構造成與在外支承結構的徑向內表面中形成的互補特征結構相匹配。該特征結構有選擇地正交于施加到徑向向外面向的端表面中的力定位。翼型組件還包括徑向內端構件，以及在徑向外端構件和徑向內端構件之間延伸的中空翼型本體。翼型本體構造成接納在第一端處可聯接至外支承結構的支柱。

附圖說明

圖1至圖13示出了文中所述方法和設備的示范性實施例。

圖1為示例性燃氣渦輪發動機的示意圖。

圖2為根據本公開內容的示范性實施例的噴嘴環的透視圖。

圖3為根據本公開內容的示范性實施例從前向后透視觀察的噴嘴區段組件的局部分解圖。

圖4為同樣從前向后透視觀察的噴嘴區段組件的另一局部分解圖。

圖5為包括徑向向外面向端表面的噴嘴區段組件的透視圖。

圖6為包括徑向向外面向端表面的噴嘴區段組件的另一實施例的透視圖。