CN102272419A - 涡轮环组件 - Google Patents

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艾伦·多米尼克·加德兰德
乔治斯·哈巴罗
胡伯特·伊兰德
达米恩·帮诺
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Abstract

该涡轮环组件包括环支撑结构和多个环段(10)，每个环段包括一陶瓷基合成材料制成的单一件，每个环段具有第一部分(12)，该第一部分形成一环形基体，该环形基体具有内侧面和外侧面，所述内侧面限定涡轮环的内侧面，从所述外侧面延伸出两个片形成部分(14，16)，所述片形成部分的端部接合在所述环支撑结构中的壳体中，所述环段(10)的截面大致为π形，所述片(14，16)的端部(14a，16a)由该环支撑结构无间隙地径向保持。优选地，所述片(14，16)在子午线截面中的自由长度不小于它们平均宽度的三倍。

Description

涡轮环组件
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮机的涡轮环组件，该组件包括环支撑结构和多个环段，每个环段包括一陶瓷基合成材料制成的单一件。
背景技术
本发明的应用领域具体为气体涡轮航空发动机领域。然而，本发明也可用于其他涡轮机，例如工业涡轮机。
陶瓷基合成物(CMC)材料因它们良好的机械性能和在高温下保持其性能的能力而为人们所知，其中良好的机械性能使它们适于制造结构性部件。
在气体涡轮航空发动机领域中，在较高的工作温度下提高效率和减少污染排放是首要目标。
因此，已设想在此发动机不同较热部分使用CMC材料，特别是CMC材料的密度小于传统使用的高熔点金属的密度。
因此，制造单件CMC涡轮环段已经记载在文献US 6 932 566中。该环段具有K形子午线截面，带有环形基底，其中内表面限定涡轮环的内表面；以及外表面，从该外表面延伸出两个片形部分，其端部接合于支撑该环的金属结构的U形壳体中。所述片的端部接合于所述U形壳体中，具有径向间隙，它们通过弹性构件被保持为径向支撑壳体的表面，所述弹性构件在环段上施加一反向力，该力沿径向朝向环的轴线。
所述片的端部带有间隙地接合于壳体中使得在CMC与环支撑结构的金属间可适应不同的膨胀，然而，该弹性装配具有一些缺点。
因而，这样的弹性装配与在环段初始安装后通常进行的抛光加工不相适应，该抛光加工是为了赋与环的内表面几乎完美的圆柱形。
另外，当由环围绕的转子轮上的叶片的尖端与涂覆于其内表面上的耐磨涂层接触时，该弹性装配产生不期望的振动现象。
而且，在环段内侧上气流的密封相对于环段外侧受到影响。
发明内容
本发明寻求避免这些缺点，为此目的，本发明提出一种涡轮环组件，其包括一环支撑结构和多个环段，每个环段包括一陶瓷基合成材料的单一件，每个环段具有一第一部分，该第一部分形成一环形基底，该环形基底具有内表面和外表面，该内表面限定涡轮环的内表面，从该外表面延伸出两个片形的部分，所述片形部分的端部接合在环支撑结构的壳体中，在该涡轮环组件中，所述环段的截面大致为π形，所述片的端部被该环支撑结构无间隙地径向保持。
因此，该涡轮环组件的特征为，CMC环段由环支撑结构无间隙地径向保持，它们的形状使得它们被保持的位置距离工作中的最热区域相对较远。
有利地，所述片在子午线截面中的自由长度不小于它们平均宽度的3倍。
同样有利的是，所述片在子午线截面中大致为S形。
根据该涡轮环组件的一个特征，所述片的一个或第一个，其端部通过接合在该环支撑结构的单件钩形部分中的一大致U形截面的壳体中而径向保持。在示例中，此第一片为上游片。优选地，U形截面的壳体由相对的内、外分支所限定，内分支的长度小于外分支的长度。
根据该涡轮环组件的另一个特征，所述片的一个或第二个，其端部通过一配合的夹子无间隙地抵靠环支撑结构的环形表面而径向保持。在示例中，此第二片为下游片。
根据该涡轮环组件的又一特征，每个环段通过凸出的大致互补的轴向保持部分的相互接合而轴向保持，其中所述轴向保持部分形成在片和环支撑结构的一个部分的相对支撑表面上。在所述相对支撑表面之间可插入一密封衬垫。该连接片的支撑表面上凸出的轴向保持部分可以是与形成在环支撑结构的支撑表面上的凸肋配合的槽的形式，该槽有利地具有大致V形的剖面轮廓。
附图说明
在阅读以下作为非限定性例子的实施例的说明后，本发明将得到更好的理解。该说明参照附图，其中：
图1是显示本发明涡轮环组件的一实施例的子午线半截面图；
图2-4是显示图1中环组件的环支撑结构中一环段的组件的示意图；
图5A和5B是显示图1所示环组件的用于CMC环段的纤维坯料实施例的两个三维编织平面图；
图6是显示图1中涡轮环组件的用于CMC环段的纤维预成型件；
图7显示制造CMC涡轮环段的方法所实施的连续步骤；和
图8是显示用于本发明的涡轮环组件的CMC环段的一变化实施例的子午线截面图。
具体实施方式
图1显示一高压涡轮环组件，其包括CMC涡轮环1和金属环支撑结构3。涡轮环1包围一组旋转叶片5。该涡轮环1由多个环段10组成，图1为在两个相邻环之间穿过的一平面上的子午线截面图。
每个环段10的截面大致为π形，带有一环形基底12，该基底具有涂覆有耐磨材料的层13的内面，该内面限定通过涡轮的气流的流动通道。具有大致S形的子午线截面的片14、16从环形基底12的外面延伸过其整个长度。所述片中的一个，或上游片14，向上游延伸，其上游端部14a位于环形基底12的上游端的上游。另一片16，或下游片，向下游延伸，其下游端部16a位于环形基底12的下游端的下游。在此使用的术语“上游”和“下游”是参照穿过涡轮的气流的流动方向(箭头F)。
固定到涡轮壳体30上的环支撑结构3包括环形上游径向法兰32，该环形上游径向法兰具有环形截面的钩34，带有U形子午线截面，其沿下游轴向打开。钩34具有相对的内、外环形分支34a和34b。片14的环形上游端部分14a接合在分支34a、34b的内面35a、35b之间。具有面35a的钩34的分支34a比具有面35b的分支34b短，分支35a因而从分支35b的端部终止向上游。面35a具有直线的轮廓，而面35b具有缩进35c，使得钩开口附近的面35a和35b之间的径向距离d比钩34底部附近的面35a和35b之间的径向距离稍小。距离d等于或稍小于片14的端部分14a的厚度e，使得片14的端部分14a无间隙地甚至在一定压力下接合在钩34开口附近的表面34a和34b之间。与此相反，在钩34底部附近的端部分14a和表面34d之间留有小量的间隙j。也应当观察到，在面35a的下游端部形成有一倒角。
将片14的端部分14a安装到钩34中于是在气流的流动通道与环段的外面之间，在其上游端提供密封。
在下游端，该环支撑结构包括L截面的环形法兰36，其终止于环形支撑部分36a，片16的环形端部分16a撑靠在该环形支撑部分36a上。按已知方式，该片16的端部分16a和法兰36的支撑部分36a通过具有U形子午线截面的夹38而无间隙地持续互相压靠。该夹通过插在指36b和16b之间而被阻止相对于法兰36和片16周向移动，所述指36b和16b从法兰36的部分36a和从片16的端部分16a向下游凸出。
法兰36的支撑部分36a具有一圆周的凸肋37，该凸肋向内凸出并容纳于槽17中，槽17形成在片16的端部分16a的外环形表面中。槽17的截面优选大致V形，而凸肋的截面为大致U形或V形。这用来阻止环段沿轴向相对于环支撑结构移动。
为了确保穿过涡轮的气流流动通道与在其下游端的涡轮环的外侧之间具有最好可能密封，一衬垫20被压于法兰36的支撑部分36a与片16的端部分16a之间。在示例中，衬垫20由保持在一壳体中的金属编织层构成，该壳体形成在凸肋37下游的支撑部分36a的内面中。
另外，段间密封由位于槽中的密封舌提供，所述槽在两相邻环段的面对边缘中相互面对。一舌22a越过在其中间部分的环形基底12的几乎整个长度延伸。另一舌22b沿片14延伸。在一端，舌22b与舌22a邻靠，而在另一端，舌22b来到片14的端部分14a的上面，优选位于该片无间隙地接合在钩34中的位置。另一舌22c沿片16延伸。在一端，舌22c与舌22a邻靠，而在另一端，舌22c来到片16的端部分16a的上面，优选位于衬垫20的位置。在示例中，舌22a、22b和22c由金属制成，它们在冷却时具有间隙地安装在它们的壳体中，以在它们工作时的温度下提供密封作用。
将CMC环段的片14和16与环支撑结构的金属部分无相对间隙的组装是可能的，尽管热膨胀系数有所不同，因为：
·组装在与环形基底12的暴露于气流的热表面具有一定距离处进行；和
·在片14和16的子午线截面中，片14和16的长度优选相对于它们的平均宽度较长，使得在环形基底12与片14和16的端部之间获得有效的热衰减，特别是由于CMC具有较低的热传导率。
而且，以传统方式，穿过法兰32形成通风孔32a，用于从涡轮环10的外侧带来凉空气。
优选地，片的自由长度等于它们平均宽度的至少3倍。在此使用的术语“自由长度”表示在与环形基底12相连处与和支撑结构接触处之间的子午线截面的轮廓长度。
图2-4显示组装一环段的连续步骤。分支34a、34b轴向长度的差异，在钩34底部间隙j的存在，以及在面35a端部倒角的存在使得为穿过凸肋37而倾斜环段变得容易(图2)，几度的较小倾斜角已足够。这避免在CMC环段上的过大的弯曲应力。
当槽17面对凸肋37时，环段可退回入位(图3)。
当片14的端部分14a抵靠法兰36的支撑部分36a时(图4)，片14的端部分14a牢固地压靠钩34的开口附近的钩34的分支34b的面35b，并撑靠相对面35a。片14的端部分14a因此与面35a和35b紧密接触。
所有的密封舌22a、22b和22c可在将所有段10装进涡轮壳体前就位。在一变例中，段10可一个接一个无舌地安装在壳体中，它们可连续周向间隔设置，以插入所述舌。
每个环段10由CMC通过形成纤维预成型件以及通过用陶器基体密化环段而制成，其中该预成型件的形状与环段的形状接近。
为了制造纤维预成型件，可使用陶瓷纤维的纱线，例如SiC纤维的纱线，例如由日本供应商Nippon Carbon以名称“Nicalon”出售的纱线，或碳纤维纱线。
该纤维预成型件优选通过三维编织制成，或通过多层编织制成，具有非互连区域，以使对应于片14和16的预成型件部分与对应于基底12的预成型件部分分隔开。
经线截面中的图5A和5B显示用于编织坯料100的连续编织平面的例子，该坯料适于获得一环段预成型件。
在所示例子中，弯曲纱线层的总数量为4。自然地，它也可不为4，特别是可以更大。在第一平面图中(图5A)，经纱层均通过一纬纱互连，该纬纱位于对应于环的上游端和下游端之间的环的中央部分的坯料的中央部分，而该中央部分的每侧均具有互连的经纱的仅最上面两层。在后面的平面图(图6)中，经纱层仍全部由位于坯料中央部分的纬纱互连，同时经纱仅两底层的中央部分的每侧互连。
应观察到，经纱上层的经纱数量大于底层的数量，以对连接片提供足够的长度。
编织可以是互锁型的，如图中所示。也可使用其他三维或多层编织法，例如多平纹或多缎纹编织法。可参考文献WO 2006/136755。
在编织后，坯料100可成形以获得环段预成型件110，而不切去任何纱线，如图6中所示，其中仅可看到经纱和预成型件110的包络轮廓。
图7显示制造CMC环段的一种方法的连续步骤，例如由SiC纤维制成的纤维预成型件。
在步骤70中，使用SiC纤维纱线编织连续的纤维带，所述带沿经纱方向具有其纵向方向，如图5A和5B中所示的那样。
在步骤71中，纤维带被处理以消除纤维上的胶料以及纤维表面的氧化物。所述氧化物通过酸性处理而消除，特别是通过在氢氟酸浴中的浸没而消除。如果胶料无法通过酸处理而消除，则实施消除胶料的前期处理，例如通过短期热处理来分解胶料。
在步骤72中，一薄层界面涂层通过化学蒸汽渗透(CVI)形成在纤维带的纤维上。在示例中，界面涂层的材料是热解炭或高温碳(PyC)、一氮化硼(BN)或含硼的碳(BC，例如具有5％-20％原子百分数的B，余下的是C)。该界面涂层的薄层优选具有较小厚度，例如不大于100纳米(nm)，或实际上不大于50nm，以使纤维坯料保持良好的变形能力。该厚度优选不小于10nm。
在步骤73中，纤维带与其涂有一薄层界面涂层的纤维由加固合成物浸渍，典型为选择性在溶剂中稀释的树脂。可使用碳前身树脂，例如酚醛树脂或呋喃树脂，或陶瓷前身树脂，例如为SiC前身的聚硅氨烷或聚硅氧烷树脂。
在通过从树脂去除任何溶剂而进行干燥(步骤74)后，单个的纤维坯料100被切去(步骤75)。
在步骤76中，用此方法切除的纤维坯料被成形并置于一例如由石墨制成的模具或成形器中，用于成形以获得形状与所制造环段10的形状接近的预成型件110。
其后，树脂被固化(步骤77)，固化后的树脂热解(步骤78)。固化和热解可通过逐渐提升模具内的温度而连续进行。
在热解后，获得一纤维预成型件，其由热解残质固结。选择固结树脂的量，使得热解树脂结合预成型件的纤维足以处理预成型件，在无工具帮助的情况下保持其形状，可以理解固结树脂的量优选为尽可能小。
如果需要以获得足以履行对于合成材料的脆化减缓功能的整个纤维基界面的厚度，则一第二界面层可由CVI形成(步骤79)。该第二界面层的材料可选自PyC、BN、BC，并且不必与第一界面层的材料相同。已知的是，此种界面材料能够履行释放位于裂缝底部的应力的功能，所述裂缝穿过合成材料的基体到达界面，从而避免或减慢会造成纤维断裂的穿过纤维的裂缝的传播，从而使合成材料具有较低脆性。该第二界面层的厚度优选不小于100nm。
如上所述，优选由两个界面层形成界面。第一界面层帮助避免过分粘附到热解固结树脂的残质的纤维上。
其后，固结的预成型件用陶瓷基体密化。该密化可由CVI进行，使用它可使第二界面层形成，并可在同一炉中接连地用陶瓷基体进行密化。
使用CVI以用陶瓷，特别是用SiC基体来密化预成型件已众所周知。可使用一种包含甲基三氯硅烷(MTS)和气态氢气(H2)的反应气体。加固后的预成型件置于一容器中，不用使用工具来使其保持形状，所述气体被引入该容器。在受控条件下，特别是温度和压力受控的条件下，该气体穿过该预成型件的孔散播，以通过气体组分之间的反应沉积SiC基体。
该加固后预成型件的CVI密化可使用除SiC外的基体进行，特别是使用一种自修复基体，举例来说一种三元Si-B-C系统或碳化硼B4C。可参考文献US 5 246 736和US 5 965 266，其描述通过CVI获得此种自修复基体。
密化可通过两个连续步骤(步骤80和82)进行，这两个步骤被步骤81分开，其中步骤81为将制造部分加工至希望的尺寸。该第二密化步骤不仅完成将合成材料密化至核心，而且形成涂覆在任何在加工过程中可能裸露的纤维上的表面。
应观察到，可在步骤77与78之间，即在固化树脂之后热解树脂之前进行预加工或预修整。
在密化后，可例如以已知方式通过物理气体沉积形成耐磨涂层。
参照图7，论及用于形成合成材料的纤维加强物的SiC纤维纱线的使用。自然地，可使用由一些其他陶瓷或碳纤维制成的纤维。当使用碳纤维时，步骤71被省略。
在上面的描述中，环段制成为具有连接片，其具有S形的子午线截面。
在一变例中，该连接片的子午线截面可以是L形的，象图8中所示的环段10’的片14’、16’。

Claims (12)

1.一种涡轮环组件，其包括环支撑结构和多个环段(10)，每个环段包括一陶瓷基合成材料制成的单一件，每个环段具有第一部分(12)，该第一部分形成一环形基体，该环形基体具有内侧面和外侧面，所述内侧面限定涡轮环的内侧面，从所述外侧面延伸出两个片形成部分(14，16)，所述片形成部分的端部接合在所述环支撑结构中的壳体中，其特征在于，所述环段(10)的截面大致为π形，所述片(14，16)的端部(14a，16a)由该环支撑结构无间隙地径向保持。
2.如权利要求1所述的涡轮环组件，其特征在于，所述片(14，16)在子午线截面中具有自由长度，该自由长度不小于它们平均宽度的三倍。
3.如权利要求1或2所述的涡轮环组件，其特征在于，所述片(14，16)在子午线截面中大致为S形。
4.如权利要求1-3中任何一项所述的涡轮环组件，其特征在于，所述片(14)中的一个或第一个的端部(14a)通过接合在一大致U形截面的壳体中而径向保持，该壳体位于所述环支撑结构的单件钩形部分(34)中。
5.如权利要求4所述的涡轮环组件，其特征在于，所述第一片是上游片(14)。
6.如权利要求4或5所述的涡轮环组件，其特征在于，所述U形截面的壳体由相对的内、外分支限定，所述内分支(34a)的长度比所述外分支的长度短。
7.如权利要求1-6中任何一项所述的涡轮环组件，其特征在于，所述片(16)中的一个或第二个的端部(16a)通过一安装的夹(38)抵靠所述环支撑结构的环形表面而无间隙地径向保持。
8.如权利要求7所述的涡轮环组件，其特征在于，所述第二片为下游片(16)。
9.如权利要求1-8中任何一项所述的涡轮环组件，其特征在于，每个环段(10)通过凸出的大致互补的轴向保持部分(17，37)的相互接合而被轴向保持，其中所述轴向保持部分形成在片(16)和所述环支撑结构的部分(36)的面对支撑表面上。
10.如权利要求9所述的涡轮环组件，其特征在于，在所述面对支撑表面之间插入一密封衬垫(20)。
11.如权利要求9或10所述的涡轮环组件，其特征在于，连接片(16)的支撑表面上凸出的轴向保持部分是与形成在所述环支撑结构的支撑表面上的凸肋(37)配合的槽(17)的形式。
12.如权利要求11所述的涡轮环组件，其特征在于，所述槽(17)的轮廓大致为V形。
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