[发明专利]安装有支柱的陶瓷基复合材料喷嘴及其概念

说明书

提供了一种部分地由热膨胀系数低的材料形成的喷嘴组件。组件包括由热膨胀系数低的材料形成的喷嘴整流罩，并包括径向地延伸穿过喷嘴整流罩的金属支柱。负荷以两个方式中的任一个从喷嘴整流罩传递至静态结构：第一，支柱可以直接地接收负荷；和/或第二，负荷可以从喷嘴整流罩传递至内和外支撑环中的至少一个。而且，喷嘴整流罩和支柱可以允许用于内部空气流以用于冷却。

关于联邦政府资助的研究的声明

无。

技术领域

本实施例通常涉及复合材料喷嘴段组件。更具体地，本实施例涉及包括提供结构支撑的支柱的复合材料喷嘴段组件。

背景技术

燃气涡轮发动机包括涡轮机械核心，涡轮机械核心按照顺序流动的关系具有高压压缩机、燃烧器以及高压涡轮(“HPT”)。核心可按已知的方式运行，以生成主气流。高压涡轮包括将退出燃烧器的气体引导至旋转叶片或轮叶中的固定导叶或喷嘴的环形阵列(“行”)。一行喷嘴和一行叶片共同地组成“级”。典型地，按照顺序流动的关系使用两级或更多级。这些构件在极高的温度环境下运行，必须通过空气流而冷却，以确保足够的使用寿命。

HPT喷嘴往往配置为在限定穿过喷嘴的主流路的环形内带与外带之间延伸的翼型状导叶的阵列。

由于燃气涡轮发动机内的运行温度，期望的是，利用热膨胀系数低的材料。例如，为了在这样的剧烈的温度和压力条件下有效地运行，提出了复合材料，并且具体地，例如陶瓷基复合材料(CMC)。这些热膨胀系数低的材料具有比金属零件更高的耐热能力。发动机内的更高的运行温度导致更高的发动机效率。然而，这样的陶瓷基复合材料(CMC)具有在CMC的设计和应用的期间必须考虑的机械性质。在与金属材料相比时，CMC材料具有相对低的拉伸塑性或低的应变来失效。而且，CMC材料具有与用作 CMC类型的材料的约束支架或吊架的金属合金显著地不同的热膨胀系数。因此，如果CMC构件在运行的期间在一个表面上受到约束且被冷却，则可能逐渐产生应力集中， 导致段的故障。

人们已尝试由CMC材料形成的现有技术的喷嘴，获得有限的成功。这些喷嘴必须具有使受负荷控制的应力最小化的构造。人们已尝试承载作用于CMC喷嘴上的压力负荷，以在喷嘴的外带和内带处支撑。通常，在内带和外带的圆角处创建力矩，以实现该构造。这导致导叶和带的接口处的高应力，为CMC构件创建耐久性的挑战。

期望的是，改进已知的喷嘴组件，以便消除喷嘴与相关联的附件特征之间的接口处的力矩的创建。进一步期望的是，提供在限制零件上的负荷的同时，支撑CMC喷嘴的组件。进一步期望的是，允许不同的材料类型的零件之间的差热生长。

说明书的本背景部分中所包括的信息(包括本文中所引用的任何参考及其任何描述或讨论)仅出于技术参考的目的而被包括在内，并且不被认为是约束本发明的范围的主题。

发明内容

提供了一种喷嘴组件，该喷嘴组件部分地由热膨胀系数低的材料形成。组件包括由热膨胀系数低的材料形成的喷嘴整流罩，并包括径向地延伸穿过喷嘴整流罩的金属支柱。负荷以两个方式中的任一个从喷嘴整流罩传递至静态结构：第一，支柱可以直接地接收负荷；和/或第二，负荷可以从喷嘴整流罩传递至内和外支撑环中的至少一个。而且，喷嘴整流罩和支柱可以允许内部空气流以用于冷却。

根据一些实施例，喷嘴段组件包括：外支撑环和内支撑环；具有外带和内带的由热膨胀系数低的材料形成的喷嘴整流罩；喷嘴整流罩还具有在外带与内带之间延伸的导叶；在外支撑环与内支撑环之间延伸的金属支柱，支柱提供所述喷嘴整流罩与支柱或所述喷嘴整流罩与内和外支撑环中的至少一个的至少一对之间的负荷的传递，金属支柱延伸穿过喷嘴整流罩，并允许支柱穿过导叶的扩展。