[發明專利]具有用于先進膜冷卻的小的復雜特征的CMC制品

在審

• 申請號: 201610866225.4
• 申請日: 2016-09-30
• 公開（公告）號: CN107035415A
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: R.S.班克;K.R.菲爾德曼;D.R.史密斯;K.D.賈利爾;D.S.馬泰因;R.A.武科哈
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18;F01D5/14;F01D9/04;F01D25/14;F02C7/18;F23R3/58
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 嚴志軍,譚祐祥

技術領域

本發明大體上涉及陶瓷基質渦輪發動機構件，并且更具體地涉及具有小的復雜特征的陶瓷基質復合物燃氣渦輪發動機構件。

背景技術

為了提高燃氣渦輪發動機的效率和性能以便提供增大的推力與重量比、較低排放和改善的耗油率，渦輪發動機的任務是在較高溫度下操作。較高溫度達到且超過發動機的熱區段且特別是發動機的渦輪區段中的構件的材料的極限。由于現有材料可能經不起較高的操作溫度，故必須開發出用于高溫環境中的新材料。

當發動機操作溫度提高時，開發出了冷卻包括燃燒器和渦輪翼型件的高溫合金的新方法。例如，陶瓷熱障涂層(TBC)應用到熱的流出氣體的流中的構件的表面來降低傳熱速率，對下面的金屬提供熱保護，且使構件能夠經得起較高溫度。這些改善有助于降低構件的峰值溫度和熱梯度。還引入了冷卻孔來提供膜冷卻，以改善熱能力或保護。同時，陶瓷基質復合物已開發作為高溫合金的替換物。在許多情況中，陶瓷基質復合物(CMC)提供優于金屬的改善的溫度和密度益處，使得它們為期望較高操作溫度和/或減輕的重量時選擇的材料。

CMC具有相對較低的導熱性，且因此在較長時間段內良好適于高溫環境。熱氣體中的CMC構件猛烈地膜冷卻，特別是在具有另外未冷卻的后緣的設計中。然而，改善的膜冷卻性能可減少所需的冷卻膜流和/或提高CMC構件的耐用性。

發明內容

本發明的方面和優點將在以下描述中部分地提出，或可從描述中清楚，或可通過實施本發明學習到。

發動機構件大體上設置成用于生成熱燃燒氣流的燃氣渦輪發動機。在一個實施例中，發動機構件包括由CMC材料構造且具有面向熱燃燒氣流的熱表面和面向冷卻流體流的冷卻表面的基底。熱燃燒氣流大體上限定相對于熱表面的上游方向和下游方向。基底還限定膜孔，其延伸穿過基底且具有設在冷卻表面上的入口和設在熱表面上的出口以及連接入口和出口的通路。通路包括計量區段；以及擴散區段，其中擴散區段包括架、第一外凸耳和第二外凸耳。

技術方案1. 一種用于生成熱燃燒氣流的燃氣渦輪發動機的發動機構件，包括：

基底，其由CMC材料構造且具有面向所述熱燃燒氣流的熱表面和面向冷卻流體流的冷卻表面，所述熱燃燒氣流大體上限定相對于所述熱表面的上游方向和下游方向，且其中所述基底限定膜孔，所述膜孔延伸穿過所述基底且具有設在所述冷卻表面上的入口、設在所述熱表面上的出口以及連接所述入口和所述出口的通路，其中所述通路包括：

計量區段；以及

擴散區段，其中所述擴散區段包括架、第一外凸耳和第二外凸耳。

技術方案2. 根據技術方案1所述的發動機構件，其中，所述第一外凸耳和所述第二外凸耳允許所述冷卻流體流在所述計量區段下游在所述擴散區段內沿側向擴張。

技術方案3. 根據技術方案1所述的發動機構件，其中，所述架在與所述熱表面的會合區域處限定下游邊緣，其中側向擴散線從所述出口的上游邊緣至所述架的最外側點限定，且其中側向擴散角限定在所述側向擴散線和所述熱燃燒氣流中的中心線之間，其中所述側向擴散角為大于0°到大約15°。

技術方案4. 根據技術方案1所述的發動機構件，其中，側向擴散線從所述出口的上游邊緣至所述架的最外側點限定，且其中所述擴散區段具有從所述計量區段內的計量直徑位置至局部外表面切線的交點限定的長度，所述外凸耳中的每一個具有沿其相應側向擴散線測量的開孔深度，所述開孔深度為所述長度的大約10%到大約75%。

技術方案5. 根據技術方案1所述的發動機構件，其中，各個開孔具有有效直徑，所述有效直徑為限定在所述計量區段內的計量直徑的大約0.5倍到大約1倍。

技術方案6. 根據技術方案1所述的發動機構件，其中，所述膜孔的通路限定上游內表面和下游內表面之間的截面面積，其中所述上游內表面大致平行于穿過所述通路的中心線。

技術方案7. 根據技術方案6所述的發動機構件，其中，下游內表面具有相對于穿過所述通路的所述中心線的擴散角，其中所述擴散角為0°到大約15°。

技術方案8. 根據技術方案6所述的發動機構件，其中，下游內表面具有相對于穿過所述通路的所述中心線的擴散角，其中所述擴散角為大于0°到大約15°。

技術方案9. 根據技術方案1所述的發動機構件，其中，所述發動機構件還包括：

緩沖區域，其在所述出口的上游且包括向下游延伸且在所述熱表面的切線下方凹入的臺肩，其中所述臺肩限定在臺肩深度處從其延伸的臺肩深度切線。

技術方案10. 根據技術方案9所述的發動機構件，其中，所述架具有達到所述臺肩深度的5倍的長度。