[发明专利]用于燃气涡轮机的混合陶瓷基复合材料部件

说明书

技术领域

本发明涉及在高温环境比如燃气涡轮机中使用的高温材料。更具体地，本发明的各个方面涉及机械解耦以及热解耦的复合式部件，该复合式部件包括由陶瓷基复合(CMC)材料形成的层压件的堆叠件和至少一个金属支承结构，所述至少一个金属支承结构延伸穿过所述堆叠件。本发明的各个方面还包括用于制造复合式部件的方法。

背景技术

燃气涡轮机包括用于容置压缩机部分、燃烧室部分和涡轮部分的壳体或气缸。一定量的空气在压缩机部分中被压缩并且被引导到燃烧室部分中。被压缩的空气进入燃烧室入口并与燃料混合。随后空气/燃料混合物燃烧以产生高温高压的气体。该工作气体随后被喷射经过燃烧器过渡部并注入到涡轮机的涡轮部分中。

涡轮部分包括将工作气体引导至涡轮动叶片的翼型部的一排排静叶片。工作气体行进通过涡轮部分，从而引起涡轮动叶片旋转，进而转动转子。转子还附接至压缩机部分，从而转动压缩机并且还转动用于发电的发电机。燃气涡轮机的高效率通过将流过燃烧室部分的气体加热到实用的高温来实现。然而，热气体可能使各个金属制涡轮机部件性能退化，比如当热气体流过涡轮机时经过的燃烧器、过渡管道、静叶片、环形部段和涡轮动叶片。

为此，已经开发出使这些部件免受极端温度影响的策略，比如开发并且选择适合于承受这些极端温度的高温材料，以及用以保持部件在操作期间充分冷却的冷却策略。举例来说，已经开发出耐高达1200℃的温度的陶瓷基复合(CMC)材料。CMC材料包括通过陶瓷纤维增强的陶瓷基体。通常，纤维可以具有预定的取向以为CMC材料提供额外的机械强度。然而，已经发现的是，由于在许多具有典型的复杂形状的涡轮机部件的部件边缘处定向纤维比较困难，因此由CMC材料形成涡轮机部件可能具有挑战性。为此，已经开发了由堆叠的CMC层压件形成的部件。堆叠的CMC层压件包括由具有期望取向的纤维的CMC材料形成的多个层压件。通过包括多个平坦的层压件，每个平坦的层压件具有期望的纤维取向和形状，可以更好地控制部件的总体构成和形状。

还发现的是，尽管CMC材料提供了优异的热保护性能，但CMC材料的机械强度仍明显低于对应的高温超合金材料的机械强度。为此，已经尝试向CMC材料添加另外的强化材料或者用具有更大机械强度的材料来支承CMC材料。例如，在一些情况下，堆叠的层压件可以在杆上滑动并经由对层压件的堆叠件进行压缩的保持结构或其他结构来保持/压缩。

这种方法的一个主要问题是每个层压件的铸造/制造公差使得难以理想地使CMC层压板与杆的分界面在整个部件的全部长度(例如，高度)上落在公差范围内，特别对具有相对较大的结构比如动叶片或静叶片而言更是如此。此外，尽管氧化物CMC材料和非氧化物CMC材料可以在超过1200℃的温度下继续使用，但它们在不被冷却的情况下在燃烧环境中只能继续使用有限的时间。因此，完全或基本上由CMC材料形成的部件还需要合适的冷却机构。

附图说明

将根据附图在下面的描述中对本发明进行说明，附图示出了：

图1是根据本发明的一个方面的在添加金属芯之前的层压件的立体图。

图2是根据本发明的一个方面的包括位于层压件的本体中的开口内的金属芯的层压件的立体图。

图3是根据本发明的一个方面的位于开口内的金属芯的俯视图。

图4是根据本发明的一个方面的在金属芯与CMC材料部的本体的壁之间具有间隙的层压件的俯视图。

图5是根据本发明的一个方面的包括位于间隙内的偏置构件的层压件的俯视图。

图6是根据本发明的一个方面的包括位于间隙内的金属部的层压件的俯视图，该金属部具有格子结构(lattice structure)，该格子结构为金属部提供一定程度的弹性。

图7是根据本发明的一个方面的包括金属芯的层压件的立体图，该金属芯具有延伸至CMC材料的多个指状部。

图8是根据本发明的一个方面的包括金属芯的层压件的立体图，该金属芯具有与层压件的突部互锁的多个指状部。

图9是根据本发明的一个方面的包括金属芯的层压件的立体图，该金属芯包括延伸穿过每个金属芯的冷却通道。

图10示出了根据本发明的一个方面的由多个层压件形成的混合CMC/金属静叶片。

图11A至图11H示出了根据本发明的一个方面的用于制备混合CMC/金属部件的方法。

图12A至图12C示出了根据本发明的一个方面的用于制备混合CMC/金属部件的另一方法。