CN104822904A - 燃气涡轮的喷嘴、喷嘴吊架和陶瓷对金属附接系统 - Google Patents

Abstract

提供了喷嘴、喷嘴吊架和陶瓷对金属附接系统。该陶瓷对金属附接系统包括：喷嘴，其为陶瓷基复合材料；和喷嘴吊架，其为金属。附接系统还包括卡紧部件，其邻接喷嘴的第二表面和喷嘴的安装部件。附接系统包括多个附接部件，其将喷嘴、卡紧部件和喷嘴吊架固定在一起。喷嘴吊架的密封部件封锁喷嘴的翼形件使其不受邻接的气流。

Description

燃气涡轮的喷嘴、喷嘴吊架和陶瓷对金属附接系统

相关申请的交叉引用

本专利申请主张对在2012年6月29日申请且题为“喷嘴、喷嘴吊架和陶瓷对金属附接”的美国临时专利申请序列号No. 61/666,411的优先权，通过引用如同完全重写地将其公开合并入本文。

技术领域

本发明大体涉及涡轮。更具体地，涉及用于涡轮的喷嘴、喷嘴吊架和陶瓷对金属附接系统。

背景技术

过去已使用许多技术来制造涡轮发动机构件，例如使用陶瓷基复合材料(CMC)的涡轮叶片或喷嘴。制造CMC构件的一种方法涉及包含纤维性材料的碳化硅基复合材料，该纤维性材料渗透有熔化的硅，在本文中称为Silcomp工艺。该纤维通常具有大约140微米或更大的直径，这阻碍了通过Silcomp工艺制造错综、复杂的形状，诸如涡轮叶片构件。

制造CMC涡轮叶片的另一种技术是公知为浆体铸造熔渗(MI)工艺的方法。在使用浆体铸造MI方法制造的一种方法中，通过首先提供均衡的二维(2D)织布的折叠来产生CMCs，该织布包括含碳化硅(SiC)纤维，具有相对于彼此成基本90°角度的两个编织方向，具有在两个编织方向上延伸的基本相同数量的纤维。

通常，这种涡轮构件要求邻接金属硬件和/或金属表面的附接。与将CMC附接至金属硬件相关的两个缺点为：由硬的、耐磨的陶瓷材料表面造成的金属硬件的磨损；和在CMC中的负载分布的缺乏。在CMC构件与金属表面(例如围带)之间的界面中，负载分配是关键的。典型地，已将金属垫片或陶瓷布插入在CMC与金属表面之间以改善负载分布。通常通过涂层对金属硬件或涂层对喷嘴附接表面的应用来减少磨损。

因此，在本领域中，不受上述缺点影响的喷嘴、喷嘴吊架和陶瓷基复合材料对金属附接系统是合乎需要的。

发明内容

根据本公开的示范实施例，提供一种喷嘴。该喷嘴包括第一带、第二带、连接第一带和第二带的翼形件、和安装部件，安装部件与第二带和翼形件一体地形成。安装部件具有第一表面和第二表面。安装部件包括延伸穿过翼形件的腔。安装部件包括围绕腔的径向外承载表面。安装部件包括与径向外承载表面相反的径向内承载表面。安装部件包括径向外承载表面与径向内承载表面之间的切向界面。安装部件包括弯矩(moment)界面表面，该弯矩界面表面在径向外承载表面与径向内承载表面之间并与切向界面相反。安装部件将喷嘴附接至围绕的静止表面。

根据本公开的另一示范实施例，提供一种喷嘴吊架。该喷嘴吊架包括喷嘴接收表面和围带吊架，围带吊架与喷嘴接收表面一体地形成并邻接喷嘴接收表面。喷嘴吊架包括近似垂直于喷嘴接收表面的轴向承载表面。喷嘴吊架包括近似垂直于喷嘴接收表面的切向承载表面。喷嘴吊架包括与切向承载表面相反的弯矩承载表面。喷嘴吊架接收喷嘴并将喷嘴和吊架的负载传递至围绕的静止结构。

根据本公开的另一示范实施例，提供一种陶瓷对金属附接系统。陶瓷对金属附接系统包括喷嘴、喷嘴吊架、卡紧部件、和多个附接部件。该喷嘴包括第一带、第二带、连接第一带和第二带的翼形件、和安装部件，该安装部件与第二带和翼形件一体地形成。喷嘴的安装部件具有第一表面和第二表面，并且包括延伸穿过翼形件的腔。喷嘴的安装部件包括围绕腔的径向外承载表面。喷嘴的安装部件包括与径向外承载表面相反的径向内承载表面。喷嘴的安装部件包括径向外承载表面与径向内承载表面之间的切向界面。喷嘴的安装部件包括弯矩界面表面，该弯矩界面表面在径向外承载表面与径向内承载表面之间并与切向界面相反。喷嘴的安装部件将喷嘴附接至围绕的静止表面。喷嘴吊架包括喷嘴接收表面和围带吊架，该围带吊架与喷嘴接收表面一体地形成并邻接喷嘴接收表面。喷嘴吊架包括近似垂直于喷嘴接收表面的轴向承载表面。喷嘴吊架包括近似垂直于喷嘴接收表面的切向承载表面。喷嘴吊架包括与切向承载表面相反的弯矩承载表面。喷嘴吊架包括围绕腔且位于喷嘴接收表面与喷嘴之间的密封部件。喷嘴吊架接收喷嘴并将喷嘴和吊架的负载传递至围绕的静止结构。卡紧部件邻接喷嘴的第二表面和喷嘴的安装部件。多个附接部件将喷嘴、卡紧部件和喷嘴吊架固连在一起。喷嘴吊架的密封部件密封翼形件以使其不受邻接的气流影响。

本发明的其他特征和优点从结合附图进行的优选实施例的下列更详细的描述中将变得显而易见，附图通过实例示出本发明的原理。

附图说明

图1是本公开的喷嘴的透视示意侧视图。

图2是本公开的喷嘴的透视示意俯视图。

图3是本公开的喷嘴的示意俯视图。

图4是本公开的喷嘴吊架的透视示意仰视图。

图5是本公开的喷嘴吊架的透视示意俯视图。

图6是本公开的喷嘴吊架的示意侧视图。

图7是本公开的陶瓷对金属附接系统的部分的局部透视示意图。

图8是本公开的陶瓷对金属附接系统的侧截面图。

图9是本公开的卡紧部件的透视图。

图10是本公开的卡紧部件的俯视图。

只要有可能，则将遍及附图使用相同的标号来代表相同的部分。

具体实施方式

提供喷嘴、喷嘴吊架和陶瓷对金属附接系统。

本公开的实施例的一个优点包括：陶瓷基复合材料(CMC)喷嘴可在比传统金属喷嘴高的温度下操作。实施例的另一优点包括CMC喷嘴在悬臂位置中的附接。本公开的实施例的又一优点包括用于将CMC喷嘴附接至金属喷嘴吊架的系统。本公开的另一优点包括用于将金属喷嘴附接至金属喷嘴吊架的系统。实施例的又一优点为：系统提供了从翼形件至附接的直接负载路径。实施例的另一优点为降低了喷嘴构件应力。本公开的又一优点为该系统允许喷嘴和附接吊架的不同热生长。本公开的另一优点为该系统提供用于翼形件腔密封的便利放置。

图1是喷嘴100的透视示意侧视图。根据一个实施例，喷嘴可具有前端和后端。例如，如在图1-3中所绘出，喷嘴100具有前端110和后端108。喷嘴110可包括第一带102、第二带104、和连接第一带102和第二带104的翼形件106。如在本文中所使用的，“带”指喷嘴的用于限定翼形件通路的顶部和底部的较高或较低部分。喷嘴100可为陶瓷基复合材料(CMC)，并且可使用适当的铺叠(layup)技术或其它已知的CMC构件制造技术而形成。喷嘴100可包括安装部件120,安装部件120与第二带104和翼形件106一体地形成。安装部件120可具有第一表面114和第二表面116。安装部件120可包括延伸穿过翼形件106的腔130。安装部件120可包括第二带104的第一表面114上的径向外承载表面140。径向外承载表面140可围绕腔130。径向外承载表面140在操作期间可接收并支承来自喷嘴100的压力负载。安装部件120可包括在第二带104的第二表面116上且与径向外承载表面140相反的径向内承载表面150。径向内承载表面150在操作期间可接收并支承来自喷嘴100的压力负载。安装部件120可包括径向外承载表面140与径向内承载表面150之间的切向界面160。在一个实施例中，切向界面160在操作期间可接收并支承来自喷嘴100的压力负载。安装部件120可包括径向外承载表面140与径向内承载表面150之间且与切向界面160相反的弯矩界面170。安装部件120可将喷嘴100附接至围绕的静止表面800，例如壳体(见图8)。

根据一个实施例，安装部件可包括邻接弯矩界面且在径向外承载表面与径向内承载表面之间的轴向界面。例如，如图1-3所示，安装部件120可包括邻接弯矩界面170且在径向外承载表面140与径向内承载表面150之间的轴向界面180。安装部件120可包括用于接收附接部件702的安装孔190(见图7-8)。如图1所示，安装部件120可与第二带104和翼形件106一体地形成，并且可包括安装部件120的第二表面116与第二带104之间的间隔122。间隔122可适于接收卡紧部件710(见图7-10)。安装部件120可设计为补充且配合喷嘴吊架400，使得安装部件120和喷嘴吊架400可具有互补的成角度表面。角度可在无论何处都为从大约0度至大约45度，或备选地为从大约5度至大约40度，或备选地为从大约10度至大约35度。在一个实施例中，可选择角度以匹配流路。如图3所示，腔130形成在安装部件120中，并且延伸穿过翼形件106和第一带102。在一个实施例中，腔130包括用于冷却空气的至少一个孔口132和用于螺栓附接至密封箱(未显示)的通路134。

根据一个实施例，提供喷嘴吊架。例如，图4-6示出了本公开的喷嘴吊架400的实施例。图4是喷嘴吊架400的透视示意俯视图。喷嘴吊架400可由镍基或钴基超级合金构成。喷嘴吊架400可包括用于接收喷嘴100的喷嘴接收表面410。喷嘴吊架400可包括围带吊架430，围带吊架430与喷嘴接收表面410一体地形成并邻接喷嘴接收表面410。围带吊架430能够操作以将喷嘴吊架400附接至静止结构800，即壳体(见图8)。喷嘴吊架400可包括轴向承载表面440，其近似垂直于喷嘴接收表面410。如在本文中所使用的，“近似垂直”为大约±25度。喷嘴吊架400可包括切向承载表面450，其近似垂直于喷嘴接收表面410。喷嘴吊架400可包括弯矩承载表面460，其与切向承载表面450相反。喷嘴吊架400可在喷嘴接收表面410处接收喷嘴100，并且可将喷嘴100和喷嘴吊架100的负载传递至围绕的静止结构800，例如围带(见图8)。例如，如图5所示，喷嘴吊架400可包括至少一个通路480，以用于接收用于翼形件106腔130的冷却空气。如所绘出，喷嘴吊架400可包括用于接收喷嘴100的两个密封凹槽470。密封凹槽470可接收密封部件，例如但不限于绳式密封件和陶瓷密封件，从而密封翼形件106以使其不受邻接的气流影响。在备选实施例中，喷嘴吊架400可为单个节段或组成360°度环的任意数量的节段。如图6所示，喷嘴吊架400可为单件，但在备选实施例中，喷嘴吊架400可为两件或更多件。

根据一个实施例，提供了陶瓷对金属附接系统，其包括喷嘴、喷嘴吊架、卡紧部件、和多个附接部件。例如，图7和8示出了陶瓷对金属附接系统700。陶瓷对金属附接系统700可包括喷嘴100、喷嘴吊架400、卡紧部件710、和多个附接部件702。喷嘴100可与喷嘴吊架400协作且附接至喷嘴吊架400。如图8所示，喷嘴100和喷嘴吊架400两者可包括角度，从而允许喷嘴100具有悬臂构造。卡紧部件710可位于间隔122中，该间隔122邻接喷嘴100的第二带104和安装部件120。卡紧部件710可降低喷嘴100的振动并且可将在间隔122中固连喷嘴100。附接部件702和衬垫704可将喷嘴100、卡紧部件710和喷嘴吊架400固连在一起。喷嘴100可包括用于接收附接部件702的安装孔190。卡紧部件710可包括用于接收附接部件702的螺栓孔990。喷嘴吊架400可包括用于容纳附接部件702的孔口490。在一个实施例中，例如，如图7所绘出，安装孔190(见图1)、螺栓孔990(见图9)和孔口490(见图4)可对准以接收附接部件702。

根据一个实施例，提供卡紧部件。例如，图9和图10示出了卡紧部件710的实施例。卡紧部件710的第一表面902可包括多个凸起表面910和912。第一凸起表面910可与安装部件120的径向内承载表面150协作。第二凸起表面912可与安装部件120的第二表面116协作。卡紧部件710可由金属构成，诸如但不限于镍基或钴基超级合金。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解，可进行各种更改并且为它们的成分替换等同物而不脱离本发明的范畴。此外，可进行许多修改以使具体情形或材料适应本发明的教导而不脱离其基本范畴。因此，意图为，本发明不限于作为构思以用于实施本发明的最佳实施方式而公开的的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (16)

1.一种喷嘴，包括：

第一带；

第二带；

翼形件，其连结所述第一带和所述第二带；和

安装部件，其与所述第二带和所述翼形件一体地形成，所述安装部件具有第一表面和第二表面，所述安装部件包括：

       腔，所述腔延伸穿过所述翼形件；

       径向外承载表面，其围绕所述腔；

       径向内承载表面，其与所述径向外承载表面相反；

       切向界面，其在所述径向外承载表面与所述径向内承载表面之间；和

       弯矩界面表面，其在所述径向外承载表面与所述径向内承载表面之间，且与所述切向界面相反；

       其中，所述安装部件将所述喷嘴附接至围绕的静止表面。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴为陶瓷基复合材料或金属。

3.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴以悬臂布置来安装。

4.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述安装部件包括轴向界面，所述轴向界面邻接所述弯矩界面且在所述径向外承载表面与所述径向内承载表面之间。

5.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，加工安装部件以形成所述切向承载表面和所述弯矩界面表面。

6.一种喷嘴吊架，包括：

喷嘴接收表面；

围带吊架，其与所述喷嘴接收表面一体地形成并且邻接所述喷嘴接收表面；

轴向承载表面，其近似垂直于所述喷嘴接收表面；

切向承载表面，其近似垂直于所述喷嘴接收表面；和

弯矩承载表面，其与所述切向承载表面相反；

其中，所述喷嘴吊架接收喷嘴并将喷嘴和吊架的负载传递至围绕的静止结构。

7.根据权利要求6所述的喷嘴吊架，其特征在于，所述喷嘴吊架为金属。

8.根据权利要求6所述的喷嘴吊架，其特征在于，所述围带吊架将所述喷嘴吊架附接至壳体。

9.根据权利要求6所述的喷嘴吊架，其特征在于，喷嘴为陶瓷基复合材料构件。

10.根据权利要求6所述的喷嘴吊架，其特征在于，所述喷嘴吊架包括密封部件。

11.一种陶瓷对金属附接系统，包括：

喷嘴，所述喷嘴包括：

       第一带；

       第二带；

       翼形件，其连结所述第一带和所述第二带；

       和安装部件，其与所述第二带和所述翼形件一体地形成，所述安装部件具有第一表面和第二表面，所述安装部件包括：

              腔，所述腔延伸穿过所述翼形件；

              径向外承载表面，其围绕所述腔；

              径向内承载表面，其与所述径向外承载表面相反；

              切向界面，其在所述径向外承载表面与所述径向内承载表面之间；和

              弯矩界面表面，其在所述径向外承载表面与所述径向内承载表面之间，并与所述界面相反；

       其中，所述安装部件将所述喷嘴附接至围绕的静止表面；

喷嘴吊架，其用于接收所述喷嘴，所述喷嘴吊架包括：

       喷嘴接收表面；

       围带吊架，其与所述喷嘴接收表面一体地形成并且邻接所述喷嘴接收表面；

       轴向承载表面，其近似垂直于所述喷嘴接收表面；

       切向承载表面，其近似垂直于所述喷嘴接收表面；

       弯矩承载表面，其与所述切向承载表面相反；和

       密封部件，其围绕所述腔并且位于所述喷嘴接收表面与所述喷嘴之间；

       其中，所述喷嘴吊架接收喷嘴并将所述喷嘴和所述架的负载传递至围绕的静止结构；

卡紧部件，其邻接所述喷嘴的第二表面和所述喷嘴的安装部件；和

多个附接部件，所述附接部件将所述喷嘴、所述卡紧部件和所述喷嘴吊架固连在一起；

其中，所述喷嘴吊架的密封部件密封所述翼形件以使其不受邻接的气流影响。

12.根据权利要求11所述的陶瓷对金属附接系统，其特征在于，所述喷嘴为陶瓷基复合材料或金属。

13.根据权利要求11所述的陶瓷对金属附接系统，其特征在于，所述喷嘴吊架为金属。

14.根据权利要求11所述的陶瓷对金属附接系统，其特征在于，所述卡紧部件包括多个凸起表面。

15.根据权利要求11所述的陶瓷对金属附接系统，其特征在于，所述围带吊架将所述喷嘴吊架附接至围带。

16.根据权利要求11所述的陶瓷对金属附接系统，其特征在于，所述卡紧部件为金属。