CN106640206A

CN106640206A - 单面板或多面板的制造

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Publication number: CN106640206A
Application number: CN201610540287.6A
Authority: CN
Inventors: P-D.格拉佐; A.施坦科夫斯基; S.普伊多卡斯
Original assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2016-07-11
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2036-07-11
Also published as: US20170009600A1; EP3115199A1; EP3115200B1; CN106640206B; EP3115200A1

Abstract

一种结构冷却面板的制造方法，包括：将脱浆2D陶瓷切割成组织；通过至少一个刀片涂布方法在组织中渗入浆料；将组织层叠成多层面板，其中在每层之后浸渍浆料，其中组织具有组合纤维和/或预先构成的冷却孔；干燥；脱模；烧结多层面板，其中组合纤维的部分在烧结过程期间烧尽，留下形成冷却结构的阴架构，且/或预先构成的冷却孔限定冷却结构；使用下者进行修整：i)后加工，和/或ii)表面光滑化/再加工，和/或iii)涂层施加，和/或其它程序。

Description

单面板或多面板的制造

技术领域

本发明涉及模块化工业燃气轮机(IGT)构件的先进构想，其基于根据现有技术水平的IGT构件的每个领域的工业范围中使用最适合材料的原理。其是指用于施加到构件上以使最终构件适于特定功能的隔离结构或面板、冷却结构或面板的制造的方法。

此外，本发明涉及i)组合式面板结构；ii)形成组合式面板结构的各种面板的特殊处理；iii)涉及结构冷却面板的制造构想；iv)由组合式面板结构组装的各种IGT构件。

此外，本发明涉及模块化结构组件和CMC翼型件固定在具有上述结构IGT构件的金属芯的金属平台上，尤其是指导叶或转子叶片翼型件。

背景技术

最适合材料的选择总体上与工作经历下的环境、热、机械和热机械负载条件相关。根据该设计构想，整体的陶瓷和陶瓷基质复合物(CMC)材料尤其有益于施加到高温负载区域中，而金属合金优选主要用于机械或中等热机械负载的区段。该原理是指使用整体陶瓷且尤其是CMC用于生成GT构件或构件模块/涡轮和燃烧器GT区段中的特殊区域，如，平台和翼型件、插入件，或更一般地作为衬套材料。

该途径也是适于较高温度应用的涉及WO 2014/146829 A1的新重整/修理原理。实际上，整体陶瓷材料和陶瓷基质复合物在经历高和很高的温度(1000到1700°)和周期操作状况时，不易于受热退化作用。相比于使用必须由与热障涂层(即，TBC系统)组合的环境金属涂层保护的金属合金，允许了相当长的总体构件寿命。

陶瓷系统(包括CMC)也可能需要由陶瓷制成的环境和热障保护涂层，尤其是在高温范围中，但因此允许在金属合金不可忍受的温度水平下操作，或较大地延长了构件寿命。

基于该构想，主要存在两个因素驱使陆基IGT的涡轮叶片和燃烧器区段的整体和陶瓷复合物制成的本体的发展，且这至少部分对于航空GT也是有效的：

1.构件耐温且延长寿命；

2.涡轮叶片的前级的冷却需要可通过向叶片(旋转和/或静止)提供陶瓷壳作为针对操作期间的热气体的冲击的保护隔层来较大减小。

模块化IGT构件设计中的现今标准整体陶瓷和CMC系统的典型缺陷：

i. 脆性性质和低断裂韧性(整体陶瓷)；

ii.很有限的疲劳性质，尤其是整体陶瓷，而且CMC系统也是；

iii.有限抗蠕变性(CMC)；

iv.成本较高(CMC)。

市售的以及文献中描述的CMC材料仍存在：

在考虑涡轮零件且尤其是在旋转叶片(蠕变负载)的情况下，CMC的机械强度值大体上在设计要求的极限内。考虑不同构件区段的简单功能分开(即，机械和热去耦)并不足够，如，构件分成不同的子构件，其中某些区域主要需要承受机械负载，而其它构件区段将必须对抗高热负载(如若干专利和公开文献所述)。壳的一些特殊区域应对很高的温度，且针对来自很高气体质量流、气体压力和离心负载的不可忽略的机械负载。

强各向异性机械和物理CMC材料性质。该现象基于CMC复合物内的无机纤维的本来的2D/3D织造微观结构。尤其是在需要较厚材料强度的情况下，多层布置不可避免，这附加地提高了内在的不均一，且导致独立层叠层之间的局部缺陷或完全分层的风险。除此方面外，增大多孔性的总体风险随用于形成最终的壳或线性区段的层数而提高。

有限蠕变性质，如主要由作为增强元件包含在CMC微观结构内的纤维性质驱动。陶瓷复合材料的该特质甚至进一步限制了设计灵活性和随后在较长操作时间内应用于组合的机械和高温负载的区域中。

将预计到翼型件周围的高热梯度(温度不均一)。事实上，所得的最大热和机械负载可很局部化，这存在局部破坏形成的高风险，这可最终导致CMC系统的完全破坏。

发明内容

本发明的目的在于概括用于IGT构件的先进的整体陶瓷和CMC区段以及相关模块化构件设计方案的局限性和不足。出于此目的，必须克服以下关键方面：

i. CMC材料的机械性质的显著各向异性；

ii.标准整体和CMC材料的机械、热和热机械局限；

iii.CMC材料的侵蚀极限；

iv.标准整体和CMC材料的抗冲击性；

v. 导致基质和纤维性质退化的非氧化物陶瓷的高温化学稳定性(陶瓷腐蚀)和氧化的极限；

vi.独立CMC区段的高成本(例如，翼型件壳、衬套和其它构件)。

本发明的目的涉及根据独立权利要求的实施例。

此外，本发明的目的关于基于模块化结构组装涡轮机的导叶或转子叶片的方法，其中至少翼型件壳、衬套和其它构件包括至少一个隔离面板，其由根据本描述的一个或多个所附权利要求的制造过程制备。

使用基于模块化结构的涡轮机的导叶组件的实例，该导叶包括至少一个翼型件、内平台、外平台，其中导叶翼型件和/或平台具有在其一端的用于在彼此间连接导叶元件的目的的构型。

导叶元件在彼此间的连接，尤其是根据本描述的所附权利要求中的一项或多项的制造相对于涡轮机的转子轴线而构造为相对于翼型件的径向或准径向延伸部是可分开的、永久或半永久固定的。

翼型件相对于至少一个平台的组装基于力配合和/或形状配合连接，或翼型件相对于至少一个平台的组装基于金属和/或陶瓷配合表面的使用，或翼型件相对于至少一个平台的组装基于具有可分开的、永久或半永久固定的力闭合装置。

至少导叶翼型件或翼型件的备选基础结构包括至少一个流填充的外热气体路径衬套，其包围导叶翼型件的至少一部分，其中流填充的外热气体路径衬套通过使用收缩接头连接到导叶翼型件或翼型件的备选的接触结构上。

此外，至少一个导叶翼型件或翼型件的备选基础结构包括至少一个填填充的外热气体路径衬套，其包围导叶翼型件的至少一部分。流填充的外热气体路径衬套相对于导叶翼型件或翼型件的备选基础结构通过使用收缩接头来连接。

此外，至少导叶翼型件或翼型件的备选基础结构包括至少一个流填充的外热气体路径衬套，其包围限定的导叶翼型件的至少一部分，其中平台包括至少一个插入元件或机械联锁件，和/或沿热应力区域的附加的热障涂层。

此外，至少导叶翼型件或翼型件的备选基础结构包括至少一个流填充的外热气体路径衬套，其包围限定的导叶翼型件的至少一部分，其中平台和/或翼型件和/或翼型件载体和/或外热气体路径包括沿热应力区域或在热应力区域内的至少一个插入元件和/或机械联锁件。

如果其关于转子叶片或衬套和相关联的结构和构件，则相同或相似的考虑也适用。

组装导叶或转子叶片的方法特征在于基于根据本描述的一个或多个所附权利要求的隔离面板的插入元件和/或形成相应的流填充区域的机械联锁件以力配合方式或具有附加固定器件的推动加载的抽屉的方式至少插入适当设计的凹口中。

作为组装转子叶片的实例，以下程序是可能的：转子叶片组件包括至少一个转子叶片翼型件、至少一个踏板安装部分，而转子叶片元件具有在其一端处的用于彼此之间可互换连接的目的的器件。至少一个翼型件根据本发明的一个或多个所附权利要求制造。翼型件相对于其它元件的连接基于相对于燃气轮机的轴线的径向或准径向延伸部中的固定，而叶片翼型件关于踏板安装部分的组装基于由依附互连促动的摩擦锁定的连结。作为备选，与踏板安装部分连接的叶片翼型件的组装基于将转子叶片元件固定到彼此上的金属和/或陶瓷表面的使用。或者，与踏板安装部分连接的叶片翼型件的组装基于具有可分开、永久或半永久固定的闭合器件，而踏板安装部分由至少两折的元件构成。单独的踏板安装部分相对于转子叶片翼型件的脚侧的长形部分的组装利用往复轴向引导的联接进行，而具有轴向相对的裂缝或抓爪的踏板安装部分(120,130)对应于柄下方结构的长形部分的沿轴向延伸的轮廓。柄下方结构的长形部分的沿轴向延伸的轮廓大致对应于翼型件的轴向流入平面。

此外，主要目标在于断开涉及与CMC翼型件联接的模块和接头的构想的热和机械负载，尤其涉及导叶或转子叶片翼型件。

用于CMC翼型件壳整体结合到部分上的基本物件基于：

CMC灵活固定到金属平台上，即，允许翼型件(图上名称为壳)沿X-Y轴线扩张，而没有收缩；

中间层作为金属壳的支承件，且作为"缓冲器"功能来补偿热膨胀失配和可能的冲击。

定义：面板由具有限定布置的组织纤维单或多半板层(=多层)结构构成。多板层结构的各层可由不同纤维布置、定向、构架或几何一致性(例如，尺寸)制成。

差别在于：

1.标准CMC面板使用标准布置和/或织造的纤维组织。多层面板中的不同层，其不必具有相同的纤维定向或织造结构(系统1、面板1，见图1)。

2."冷却图案"CMC面板，使用组合纤维结构(系统2、面板2，见图1和3a)，或使用具有预先构成的冷却孔的组织(系统2、面板2)。该面板包括冷却结构，其可由不同性能构成(见图3a, 3b, 5b, 11a, 11b)。

3."隔离CMC面板"，其由具有从顶部到底部布置的至少以下部分的本体构成：

-涂层，如果需要；

-CMC(一个或多个板层)；

-陶瓷毡(浸渍或未浸渍陶瓷浆料基质系统)(一个或多个板层)；

-CMC(一个或多个板层)。

取决于需要，涂层可通过各种不同过程(热喷涂、浸渍、CVD及其他)加到面板的内表面或外表面的顶部上(系统3、面板3，例如，见图5c)。

取决于需要，该布置可为(见图1和4)：

i)具有隔离面板(面板3)，作为标准CMC面板(面板1)顶部上的外部面板，

ii)具有隔离面板(面板3)，作为夹层的中心部分，即，具有标准CMC面板(面板1)作为外部面板内和内部面板。

iii)及其他。

4.其它组合可取决于特定应用实现。面板的层合顺序也可不同。使用的组合结构面板可为上文提出的不同面板系统的组合，即：

i)面板1：CMC、涂层，如果需要；

ii)面板2：冷却图案CMC；

iii)面板3：隔离面板、陶瓷毡。

作为单个面板或作为组合结构面板，面板可为复杂的3D几何形状，如，燃气轮机转子叶片或导叶翼型件。

5.此外，冷却空气孔(CAH)的实施使用销插入陶瓷组织纤维束之间以避免纤维的断开/破坏。

在此情况下，不需要复杂的后处理(如，激光钻孔或其它加工操作)。这可在现有技术水平的CMC面板中或在不同的面板系统和它们的组合中完成。

6.制造期间使用销来使冷却孔整体结合。就此而论，纤维并未切割，且CMC层的完整性保持不变。

此外，用语(短语)"陶瓷纺织物"是"组织"的同义词；这里可更常使用"陶瓷织物"。各种用语的随后使用应当在此背景下查看。

制造步骤使用标准CMC多板层生产过程，其中一些步骤或特殊组织或物件整体结合，以便获得目标特征。

方法的优点在于，使用一个单干燥和一个单烧结步骤生成具有多个系统构造的复杂面板(使最终产品适于特定功能)，且最小化(或完全消除)再加工步骤，如，后加工、表面再加工或涂层施加。以下方法优选用作基础：

涉及隔离结构/面板的制造构想包括以下操作a)-h)：

a)将脱浆的3D陶瓷组织切割成正确的尺寸和形状用于应用。脱浆意思是除去用于制造陶瓷组织的纤维涂层的过程。b)优选通过刀片涂布(该水平也开启了其它浆料渗入方法)来将浆料渗入到组织中，c)根据面板层合在单层或多层的模具上：该方法操作包括至少三个步骤，即，i)将一层施加到标准陶瓷组织的n层上(以布置的纤维，即，单向布置(UD)或织造纤维)；以及ii)多层面板中的不同层不必具有相同的纤维定向或织造架构，以及iii)在各个单层之后，例如通过刀片涂布来使浆料渗入到组织中。三个提到的步骤不必共同发生。d)根据系统1(即，面板1)将单层，或根据系统3(即，面板3)将多层层叠在多层的底部上：该方法操作包括至少两个步骤，即，i)将一层施加到陶瓷毡的n层上，以及ii)例如通过刀片涂布，在各个单层之后使浆料渗入到组织中(仅部分地：仅组织的外表面，以便将其连结到CMC的多板层面板上，或完全地浸渍)。两个提到的步骤不一定共同发生。e)可选的：销施加(构想为具有插入的销)，以便生成穿过多个面板结构的厚度的一部分或整个厚度的直冷却路径(即，冷却空气孔，CAH)：该方法操作包括至少三个步骤，即，销可为i)具有陶瓷层涂层的永久金属销，以避免基质附接到销上，以及烧结期间销的过强氧化；以及ii)永久陶瓷销，其可在烧结之后容易地除去；以及iii)在烧结过程期间通过热处理消除的销(例如，例如，碳销)，使孔结构无损。此外，销通过使它们滑动穿过多个面板结构的厚度的一部分或穿过整个厚度来施加。在后一情况中，为了便于定位销，下方的模具可设有定位孔，销可利用适当的位置和角度配合在定位孔中。销插入组织纤维束之间，以便避免处理和随后除去销期间的陶瓷纤维的任何破坏。所有提到的步骤不必共同发生。e)干燥。f)脱模。g)在一个步骤中烧结整个结构，以使构件特定区域或构件模块完成。h)仅在可选操作的情况下，e)产生：除去销以避免它们周围的纤维束的破坏。除去技术将取决于使用的销的类型[见e)下的各种步骤]。i)修整，即，使用下者：i)后加工，和/或ii)表面光滑化/再加工，和/或iii)涂层施加，和/或其它程序，如果需要的话。

阐释：刀片涂布是一个使用的方法。这有效地保持渗入方法作为总体步骤，且将刀片涂布称为实例。例如，其它方法是压力渗入、预处理、电泳沉积等。

施加到模具上的初始系统不必强制为系统1。然而，初始系统也可如各种图中描述的系统2或3，其中各种组合将描述且将取决于最终应用或目标特征。

制造构想涉及冷却结构/面板(图3a)和3b)和图9,10和11)。

使用与纤维架构(图3a和9和10)组合的组织的制造构想包括以下操作a)-j)：

a)将脱浆的3D陶瓷组织切割成正确的尺寸和形状用于应用。在此上下文中，脱浆意思是除去用于制造陶瓷组织的纤维涂层的过程。b)例如，通过刀片涂布，浆料渗入到组织中。c)层合在根据系统2的单层或多层的模具上(即，面板2)：该方法操作包括至少三个步骤，即，i)将一层施加到n层的组合纤维架构陶瓷组织上(见图3a)和图9)；以及ii)多层面板中的不同层不必具有相同的冷却路径架构；以及iii)在各个单层之后，例如通过刀片涂布来使浆料渗入到组织中。三个提到的步骤不必共同发生。d)将单层或根据系统1(即，面板1)的多层层合到多层系统2(即，面板1)的顶部上：该方法操作包括至少三个步骤，即，i)将一层施加到n层标准陶瓷组织(具有布置的纤维，例如，单向布置(UD)或织造纤维)上；以及ii)多层面板中的不同层不必具有相同的纤维定向或织造架构，以及iii)在各个单层之后，例如通过刀片涂布来使浆料渗入到组织中。三个提到的步骤不一定共同发生。e)可选的：销施加(见图5)，以便生成穿过多个面板结构的厚度的一部分或整个厚度的直冷却路径(即，冷却空气孔，CAH)：销可为：i)金属销，其具有在顶部上的陶瓷层以避免基质附接到销上和烧结期间销的强氧化；ii)永久陶瓷销，其可在烧结之后容易地除去；iii)在烧结过程期间通过热处理消除的销(例如，例如，碳销)，使孔结构无损。此外，销通过使它们滑动穿过多个面板结构的厚度的一部分或穿过整个厚度来施加。在后一情况中，为了便于定位销，下方的模具可设有定位孔，销可利用适当的位置和角度配合在定位孔中。所有提到的步骤不必共同发生。销插入组织纤维束之间，以便避免处理和随后除去销期间的陶瓷纤维的任何破坏。f)干燥。g)脱模。h)在一个或多个步骤中烧结整个结构，以便完成构件特殊区域或构件模块：在烧结过程期间，"牺牲"纤维(即，图3a中绘出的黑色纤维)和图9将在烧结过程期间烧尽，以留下形成冷却结构的阴架构。i)仅在可选操作5的情况下产生：除去销以避免它们周围的纤维束的破坏。除去技术将取决于使用的销的类型(见e)下的各种步骤)。i)修整，即，使用下者：i)后加工，和/或ii)表面光滑化/再加工，和/或iii)涂层施加，和/或其它程序。

施加到模具上的初始系统不必强制为系统2。但也可为如各种附图中描述的系统1或3，其中描述了各种组合，且将取决于最终应用或目标特征。

使用与纤维架构组合的组织的制造构想包括以下操作a)-j)：(图3b,11)

a)将脱浆的3D陶瓷组织切割成正确的尺寸和形状用于应用。在此上下文中，脱浆意思是除去用于制造陶瓷组织的纤维涂层的过程。b)例如，通过刀片涂布，浆料渗入到组织中。c)层合在根据系统2的单层或多层的模具上(即，面板2)，包括至少以下步骤：i)将一层施加到n层织造组织上，组织具有整体结合的冷却孔结构(见图3b);6;10)；ii)例如通过刀片涂布在各个单层之后将浆料渗入到组织中。所有提到的步骤不必共同发生。d)可选的：将根据系统1(即，面板1)的单层或多层层叠在根据系统2(即，面板1和/或2)的多层的顶部上，以构成紧急冷却空气孔系统。如果系统1被破坏，则使用系统2形成的下方的冷却结构将允许破坏区域的紧急冷却。该方法操作包括至少三个步骤，i)将一层施加到n层标准陶瓷组织(具有布置的纤维，例如，单向布置(UD)或织造纤维)上；ii)多层面板中的不同层不必具有相同的纤维定向或织造架构；iii)在各个单层之后，例如通过刀片涂布来使浆料渗入到组织中。所有提到的步骤不必共同发生；e)可选用于需要从操作开始冷却的区域。销施加(见图3b); 6; 7; 10)，以便生成穿过多个面板结构的厚度的一部分或整个厚度的直冷却路径(即，冷却空气孔，CAH)：销可为：i)具有在顶部上的陶瓷层以避免基质附接到销上和烧结期间销的强氧化的金属销；ii)永久陶瓷销，其可在烧结之后容易地除去；iii)在烧结过程期间通过热处理消除的销(例如，例如，碳销)，使孔结构无损。销通过使它们滑动穿过多个面板结构的厚度的一部分或穿过整个厚度来施加。在后一情况中，为了便于定位销，下方的模具可设有定位孔，销可利用适当的位置和角度配合在定位孔中。此外，销插入组织纤维束之间，以便避免处理和随后除去销期间的陶瓷纤维的任何破坏。f)干燥。g)脱模。g)在一个步骤中烧结整个结构，以使构件特定区域或构件模块完成，即：在烧结过程期间，"牺牲"纤维(即，图3b和9中绘出的黑色纤维)和图9将在烧结过程期间烧尽，以留下形成冷却结构的阴架构。i)仅在根据文献的可选程序情况中，e)：除去销以避免它们周围的纤维束的破坏。因此，除去技术将取决于使用的销的类型(见程序e)。i)修整，即，使用下者：i)后加工，和/或ii)表面光滑化/再加工，和/或iii)涂层施加，和/或其它程序，如果需要。

施加到模具上的初始系统不必强制为系统2。然而，初始系统也可如各种图中描述的系统1或3，其中各种组合将描述且将取决于最终应用或目标特征。

关于中间层，以下方面应当强调：在此情况下，中间层的两个主要功能是显著的：

a)用作"缓冲器"，其支承标准CMC或多面板CMC结构，以便最小化作用在其上的弯曲力。这些弯曲力可由结构中的热梯度或操作瞬变(例如，发动机启动和停止)或由冲击物体引起的应力生成。

b)用作CMC结构与下方金属结构之间的CTE(热膨胀系数)失配的"补偿器/调节器"，以此方式限制很高用力累积在CMC结构中。

在此背景下，参照了现有技术，即，参照

DE 10 201 3110381 A1和US 8 267 659 B2，其中特征(可对应于中间层)用作支承结构(例如，金属翼型件芯)与CMC壳之间的间隔物。

制造构想涉及包括以下操作a)-k)的中间层：

a)将脱浆的3D陶瓷组织切割成正确的尺寸和形状用于应用。在此上下文中，脱浆意思是除去用于制造陶瓷组织的纤维涂层的过程。b)例如，通过刀片涂布，浆料渗入到组织中。c)层合在单层或多层系统1,2或3的模具上。d)将单层或多层系统1,2或3层合在系统1,2或3的顶部上。e)重复操作c)和d)，直到达到目标CMC结构。f)干燥。g)脱模。h)将由CMC制成的"波状"结构(见图12)组合至由操作a)至e)获得的多面板结构。

a. "波状"结构通过使用与标准CMC组织相同的制造路线单独地制成，且适合的模具包括干燥和脱模步骤。

b. 结构在从操作a)到e)获得的多面板结构的内腔中滑动。

c. 两个结构可使用用于陶瓷组织渗入的相同陶瓷浆料胶合，或仅准时粘结，以便允许"波状"结构的较大侧向移动/膨胀。

d. 两个结构之间的粘结还可通过不同的连结方法产生，如，陶瓷胶或使用两个陶瓷结构上的金属化表面的硬钎焊技术。

i)干燥，如果执行操作h)中的步骤c。j)在一个步骤中烧结整个结构，以便完成构件特殊区域或构件模块。k)修整，即，使用下者：i)后加工，和/或ii)表面光滑化/再加工，和/或iii)涂层施加，和/或其它程序。

如果需要，使用销的冷却孔生成可加上以上制造顺序。

具有增强插入件和插入件整体结合的灵活制造构想：

插入件可为翼型件前缘(LE)区域，或后缘(TE)区域，或其它区域，包括从热和机械负载观点而强烈要求的平台。

具有非浸渍组织(LE)的中间区域的正确的3D翼型件形状的预浸渍CMC面板(AF/SS和 AF/PS=见图13,14)在围绕LE区域的插入件封装，且通过连结方法在点C和D(后缘TE)(见图13a)上联接，该方法可包括加入特别准备的组织，以确保2个面板的有效连结(例如，交织的TE组织以避免依靠纯胶合方法)(见图14)。

与浸渍一起，通过各种方法(例如，组合方法)的浆料渗入也可应用。

图13b)中示出了LE处的插入件和C＋D点处的粘结区域的最终部分。提到的LE插入件为实例，且重要的是提出插入件也可取决于构件特殊热机械负载用于TE或翼型件的其它特殊区域处。此构想也可用于叶片或导叶平台区段或衬套构件(涡轮中或燃烧器燃气轮机区段中)的情况中。

以下操作产生a)-m)：

a)将脱浆的3D陶瓷组织切割成正确的尺寸和形状用于应用。在此上下文中，脱浆意思是除去用于制造陶瓷组织的纤维涂层的过程。b)例如，通过区域A到C和B到D中的刀片涂布，浆料渗入到组织中。c)层合在多层系统1,2或3的模具上，其中在以上说明的意义内，考虑插入件的厚度而LE(前缘)区域仍较薄。d)可选的：在区域A到C和B到D中将单层或多层系统1,2或3层合在系统1,2或3的顶部上。e)重复操作c)和d)，直到达到目标CMC结构。f)干燥。g)脱模。h)封装插入件，其预先制造且因此容易在封壳中整体结合，以用于利用如图13中所示的预先制备的面板系统的最终制造步骤：

a. 相同陶瓷浆料可用于将插入件连接到面板系统上。

b. 还可使用其它连结方法，如，陶瓷胶或使用两个陶瓷结构上的金属化表面的硬钎焊技术。

c. 在TE处，特殊织造组织特征可整体结合，以便确保AF/SS和AF/PS CMC面板(见图13)之前的更有效/贯穿连结。

d. 插入件由陶瓷制成，其具有特殊内部结构，以允许通过穿过结构的空气有效冷却插入件。这可使用陶瓷泡沫生成，但也使用更创新的系统，如，网格结构(即，"工程孔隙")。插入件以一种方式制成，使得其除有效换热特征之外，还向构件或构件模块的特殊区域提供后续的热和机械阻力。

i)例如通过LE区域(图13,14中的点A到B)中的刀片涂布的组织中的浆料渗入。j)干燥。k)在需要特殊模具来将插入件和CMC面板保持在正确位置的情况下，脱模。l)烧结整个结构，以便完成构件的特殊区域或构件模块。i)修整，即，使用下者：i)后加工，和/或ii)表面光滑化/再加工，和/或iii)涂层施加，和其它布置，如果需要。

如果需要，使用销的冷却孔生成可加上以上制造顺序。

附图说明

现在借助于不同实施例且参照附图来更详细阐释本发明。

图1示出了面板布置、标准CMC制造组织与其它面板类型如隔离面板(也见图2)的组合或冷却结构/特征面板(也见图3)的各种实例；

图2示出了置于两个标准CMC面板之间的隔离面板的典型面板布置。此外，还示出了面板布置的外表面上的陶瓷涂层的可选施加，这里在图解结合了图1；更详细的描述，见图8；

图3示出了a)组合不同陶瓷纤维束形成特殊冷却架构的织造陶瓷组织的实例；b)具有预先设计/整体结合的冷却孔特征的陶瓷组织的实例。这些组织将用于形成冷却结构/特征面板，其将带入具有如图1中所示的其它面板系统的不同布置中；

图4示出了面板组合的一些实例，其中a)示出了使用标准布置和/或织造纤维组织的标准CMC面板，b) 示出了将标准CMC面板和"冷却图案"CMC放在一起的面板组合，c) 示出了置于两个标准CMC面板之间的"冷却图案"CMC面板，在d)中，示出了三个不同的面板系统(标准CMC面板、隔离面板和冷却结构/特征面板)组合；

图5示出了如图4的面板组合的一些实例，其中允许形成冷却空气孔w/o，破坏不同组织的陶瓷纤维的销插入的下一个步骤已经执行；

图6为与图4的面板组合的相同的实例，其中销除去，留下穿过多层系统的冷却孔和通道；

图7示出了具有插入的销的CMC面板的实际实例；

图8示出了典型面板布置的结构，其中隔离板置于根据图2的两个CMC面板之间；此外，还示出了面板布置的外表面上的陶瓷涂层的可选施加；

图9示出了组合的纤维架构的各种实例，其中使用的纤维根据子图a)-e)不同地示出；

图10A示出了具有CMC表皮之间的冷却通道的复合面板的结构；

图10B示出了图10A的放大图，即，具有CMC表皮之间的冷却通道的复合面板的结构；

图11示出了根据子图a)和b)的使用具有预先构成的冷却孔的面板结构；

图12示出了根据子图a)-c)的由CMC制成的面板的波状结构；子图b)示出了附接到标准CMC面板上的波状结构；

图13示出了根据子图a)和b)的具有涉及叶片/导叶硬件的增强插入件的灵活制造构想；

图14示出了织造组织形成预先连结的后缘区域以便以免TE区域处的CMC仅依靠胶合/硬钎焊来作为连结技术的构想；

图15-17示出了包括不同中间层设计的部分组件；

图18-23示出了金属翼型件牢固固定的各种实例，即：

图18示出了燃气轮机的示例性导叶；

图19示出了穿过导叶的截面，包括附加的流施加的外热气体路径，也称为壳模块；

图20示出了外平台的区域中的组装的导叶，其中组件通过硬钎焊和/或摩擦连接和/或机械加载来产生；

图21示出了外平台的区域中的组装的导叶，其中组件由陶瓷套管制成；

图22示出了内平台的区域中的组装的导叶，其中组件由陶瓷套管制成；

图23示出了导叶构想。

具体实施方式

本描述的附图示出了针对系统布置提供的单和/或多板层CMC面板的各种实施例。基本上，CMC面板可根据操作要求设计成具有个性化的纤维结构。一定比例的纤维可具有不同的直径，其旨在主要在流施加操作期间承载机械负载(在较大直径的情况下)和热应力。

图4示出了面板组合的各种实例。大体上，面板意思是多板层的布置或织造的纤维组织。图4a)示出了使用标准布置和/或织造纤维组织的标准CMC面板，也称为面板1。多层面板中的不同层不一定具有相同的纤维定向或织造架构。根据图4b)的面板组合将标准CMC面板(由标准陶瓷组织的多个板层中的一个制成)和"冷却图案"CMC(也见图3下的描述)(也称为面板2)放在一起。

图4c)："冷却图案"CMC面板置于两个标准CMC面板之间。

图4d)：与图4c)相同，但"隔离"面板(所谓的面板3)加在底部(红色)。此外，图1中示出了各种面板的构造。这些并非针对详尽的构造。

其它组合可取决于特定应用实现。面板的层合顺序也可不同。面板可由复杂3D几何形状制成，如，燃气轮机转子叶片/导叶翼型件(见图1下的实例)。

图2示出了"隔离面板"的结构。对于详细的描述，见图8。

提到的CMC区域20,40可由叠层结构构成，使得实现单个中间层(不同组织板层)之间的适当粘结。此外，区域可由多个夹层结构形成。"叠层结构"意思是以多层制造材料的技术，以便复合材料从不同材料的使用中实现改善的强度、稳定性、隔音、外形或其它性质。叠层结构通常由热、压力、焊接或粘合剂永久地组装。

此外，CMC区20,40之间的提到的陶瓷毡30，类似于具有较细纤维的3D/3D组织结构的构成，用于将陶瓷基质固定到整体纤维基础结构上。陶瓷毡的纤维可使用相同或不同的材料不同地织造，在陶瓷毡内，且在面板的各侧上，包括第一纤维材料和第二纤维材料两者。面板布置的厚度内的不同织造纤维的任何层叠顺序都是可能的。

图3示出由至少两个实施例构成的冷却架构面板的各种布置：图3a)示出了使用组合纤维架构的面板，例如，与碳纤维60组合的标准CMC织造纤维50。其它图3b)示成了使用具有预先构成的冷却孔70的组织的面板。可产生使用纤维和具有预先构成的孔的组织的组合。

图5示出了具有销100的构想，在单面板或面板组合的制造过程期间，销100插入穿过根据图1至4的各种面板。销在构成面板结构的情况下定位，且在过程的烧结步骤之后除去。引入的销的数目、尺寸和刺入位置具体关于单面板的冷却要求从情况到情况确定。

图6示出了通过图5的提到的面板布置，其中除去了销，因此所得的通道构成适合的冷却孔。

此外，有效地连接到面板内的结构冷却或混沌的延伸通道上的冷却孔针对对流和/或冲击和/或渗出冷却效果指定。此外，在一些特殊构造中或使用特殊类型的销，穿过织造结构的引入的销(见图5，物件100)可通过使用热和/或化学处理来整体或部分地消除。

提到的一个附加点在于，销可经由单个面板或面板组合的完整厚度插入。然而，还可能的情况是销仅部分地穿入面板组合的厚度插入，不穿过整个厚度。

图7示出了制造实例，具有金属销110，且插入CMC组织120中，且在干燥操作之前固定在下方的模具上。此实施方式可在每个上文提到的面板1,2和3(见图5)中产生。

图8以放大比例示出了如图2下已经示出的相同布置，且其相当于图4c)下的面板3。当然，图4或5下的所有其它示出的面板也可产生。

图8示出了"隔离面板"的结构包括从涂层区10的顶部到底部看的由一个或多个板层构成的CMC区20、浸渍或未浸渍有陶瓷浆料基质系统的中心(中间)布置的陶瓷毡30，以及最后的另一CMC区40(也见图8)。取决于要求，涂层(区10)可由各种不同的过程添加到面板的内表面或外表面的顶部上，例如，热喷涂、浸渍、CVD等。

图9a)-e)示出了使用组合的纤维架构的各种组织架构。第一陶瓷纤维50(白色)用于标准CMC织造组织。补充的纤维60(黑色)由碳纤维构成。"黑色"纤维为"牺牲纤维"，其将在烧结过程期间烧尽，留下形成冷却结构的阴架构。两种纤维可使用相同或不同材料不同地织造。所得的架构具有矩形或准矩形的织造，或倾斜或准倾斜或非矩形的成角度织造。此外，架构可指定为正弦或准正弦交错的织造。面板布置的厚度内的不同织造纤维的任何层叠顺序都是可能的。图9a)-e)反映了不同的织造结构。

图10A和B中示出了根据图9的制造的实际结果。具体而言，图10A和B示出了设置在其间的中心的冷却通道130,140。

图11a)对应于图3b和11b)。这是陶瓷组织中预先构成CAH的实例，其然后浸渍在标准CMC面板中，以形成具有精确定位的CAH的翼型件。

在此背景下，使用特殊织物(见"发明内容"下的定义)，其中冷却结构(CAH)直接在陶瓷织物内织造，且施加为层。执行如下：

1)由特殊织物切割条或预先限定的几何形状的组织。

2)将条或预先限定的几何形状的组织整体结合到陶瓷纤维中，例如，通过由陶瓷纤维切割对应的几何形状。

参看图11b)，具有形成冷却结构(CAH)的特殊织造的一层提供为层。

图12a)-c)示出了由CMC制成的主面板或中间层的波状结构80,90。波状结构可起到"缓冲器"和"CTE失配补偿器"的作用。最终目的在于将CMC制成的波状结构组合至从各种操作获得的单或多面板结构。波状结构80,90使用与标准CMC组织相同的制造路线和包括干燥和脱模步骤的适合的模具来单独地制造。结构在由各种操作获得的多面板结构的内腔中滑动。两个结构可使用用于陶瓷组织渗入的相同陶瓷浆料胶合，或仅准时粘结，以便允许"波状"结构的较大侧向移动/膨胀。两个结构(即，面板/波状结构)之间的粘结还可通过不同的连结方法产生，如，陶瓷胶或使用两个陶瓷结构上的金属化表面的硬钎焊技术。

抗热和氧化的柔性层(图12a-c)的附加使用将补偿陶瓷CMC与金属IGT芯区段之间的CTE失配，如，中心金属芯与旋转或静止叶片(转子叶片/导叶)的周围的壳之间。其还将包括减振功能(在外来物体冲击的情况下)，且避免受损的CMC壳或衬套系统的完全分解。此3D中间层结构可由3D结构的金属网格制成，或波纹金属结构的形式，呈现出蜂窝或任何类似的质地。

图13示出了根据子图a)和b)的具有涉及叶片/导叶翼型件的增强插入件的灵活制造构想，且图14示出了连结后缘(TE)区域的CMC织造物的构想。见本公开内容的13-15页上的详细描述。

两个陶瓷组织在一个末端处交织，以便允许例如TE处的连接，这不仅依靠胶合/硬钎焊方法。

图15示出了使用简单翼梁或双金属翼梁构造的设计实例。

图16示出了具有整体结合的冷却特征的陶瓷增强插入件。

图17示出了用于翼梁与CMC壳之间的CTE失配控制和CMC壳支承和冷却控制的中间层。

图18-23示出了金属翼型件牢固固定的各种实例，即：

图18示出了典型的导叶，其大体上具有翼型件100、外平台200和内平台300。外平台布置为用于将导叶固定到燃气轮机的内壳体(也称为定子)上且形成流过涡轮的工作介质的热气体导管的外边界的壁元件。为了工作介质流的有效发送，导叶排布置在转子叶片排的上游，其中导叶通常配备有有轮廓的导叶翼型件。导叶翼型件100在一侧上的导叶根部与相对于另一侧整体结合形成在导叶上的盖板之间延伸；该盖板或平台界定相应的导叶排的区域中沿朝涡轮轴的方向的工作介质的热气体导管。导叶翼型件和导叶根部与盖板形成对应的导叶的导叶基体，其通常包括可选的单件设计的内平台300。此类导叶基体例如可通过铸造、锻造产生，或如果适合，也以单晶形式。除翼型件外，导叶基体的至少一部分可基于根据涉及本描述的一个或多个所附权利要求的隔离面板制成。

因此，各个导叶均提供径向外平台200、翼型件100和径向内平台300。径向外平台包含安装钩201,202，其插入第一涡轮级(未示出)的定子构件的安装凹槽中。导叶的内平台300通常包围与转子衬套的间隙，经由其，冷却介质的吹扫流可喷射到燃气轮机内的热气流中。以相同方式，冷却介质的吹扫流经由间隙喷射，间隙由定子构件的部分、导叶的外平台200的上游边缘，以及外燃烧器衬套(也称为定子衬套)包围。大体上，在外平台200的下游，热障层(未示出)安装在定子构件内，这以与外平台200的情况相同的方式防止了定子构件的内面区域的过热。

大体上，用于导叶元件的可互换连接的目的器件(即，翼型件、内平台、外平台和可选的流载体)包括基于摩擦锁定粘结或永久连接或固定的往复凸耳或凹口。

图19示出了穿过导叶的截面视图，包括如图13中所示的附加的流施加的外热气体路径衬套400，也称为壳模块。导叶前缘侧冷却路径100a、中间冷却路径100b,100c和导叶后缘侧冷却路径100d,100e在导叶前缘400a侧与导叶后缘400b侧之间独立地形成。

流施加的壳模块整体结合地或部分地包围根据空气动力要求的导叶的基础导叶翼型件的外轮廓。部分壳结构有效地连接到导叶的基础翼型件的前缘上，其中基础翼型件的外轮廓由独立流填充的部分构成，其有效地连接到导叶的翼型件的前缘上。流填充的壳结构整体结合地包围基础导叶翼型件的外轮廓，符合导叶的空气动力最终目的，或流填充的壳结构部分地包围沿燃气轮机的工作介质的流动方向的基础翼型件的外轮廓，符合导叶的空气动力最终目的。根据附加实施例，基础导叶翼型件包括由翼梁构造形成的内侧的补充本体。替代基础导叶，翼型件可将翼梁制造为基础结构。壳结构可由整体结合或分段的本体的形式形成。第一壳结构包括内部的第二或中间非流填充的或部分地流填充的壳结构，符合导叶的空气动力最终目的。两个壳衬套相邻，或具有与彼此的中间距离。当第一流填充的壳结构整体结合地包围导叶翼型件的外轮廓时，该壳结构包括至少两个本体，其完全地或部分地形成基础导叶翼型件的外轮廓。完全地或部分地形成外壳结构的提到的本体沿其径向界面硬钎焊或焊接，且它们具有径向或准径向间隙，这填充密封和/或陶瓷材料。

外壳为可互换的，可消耗的，预制的、具有径向或周向补片的单件或多件，或相对于导叶翼型件的子结构使用收缩接头。

此外，中间壳或多个壳为可选组件的部分。提到的壳为可互换的、预制的、布置为具有径向或周向补片单件或多件、未冷却或冷却的(对流、膜、渗入、冲击冷却)、制造为用于外壳和翼梁的不同热膨胀的补偿物，且具有相对于不同冷却构造的冷却套以用于优化操作要求。作为导叶翼型件或壳组件的子结构的翼梁是可互换的，预制加热或各种制造，单件或多件，未冷却或使用对流、膜、渗入、冲击冷却来冷却，具有用于冷却或刚性改善的腹板结构。

图20示出了外平台的区域中的组装的导叶，其中翼型件100和外平台200或翼型件载体220之间的组件由硬钎焊和/或摩擦连接210来产生。该接头可机械地加载，不需要绝对的紧密性。此外，组装的导叶包括以下器件：外平台200包括翼型件载体220，其形成外热气体衬套，可铸造、加工或锻造。翼型件载体可包括用于冷却或刚性改善的内部局部腹板结构。材料选择和性质针对独立应用优化。翼型件载体220包括柔性冷却构造，其针对燃气轮机的功能要求相对于基础负载、峰值负载或局部负载提供。另一接头222影响导叶的径向方向上的不同水平上的翼型件100与外平台之间的融合，超过了硬钎焊和/或摩擦连接和/或机械加载210产生的翼型件100与外平台200之间的上述组装。接头222未构造成吸收机械负载，而是作为密封连接。另一个接头225影响定子的侧部上的外平台200与翼型件载体220之间的融合。该接头225并未构造成吸收机械负载，而是作为密封连接。相对于热气体，外平台200的流施加下侧包括导叶的径向方向的不同水平上的保护衬套221,223。提到的衬套221,223由硬钎焊和/或摩擦连接和/或机械加载224产生。相同手段相对于内平台300施加(未特别示出)。

一般而言，平台200,300和导叶翼型件不是可消耗的部分。相比之下，提到的密封和衬套是可消耗的部分。翼型件载体可取决于成本而是可消耗的。翼型件载体220是铸造、加工或锻造的，包括具有用于冷却或刚性改善的内部局部腹板结构的附加添加特征。此外，翼型件载体包括针对操作要求(如，燃气轮机的基本负载、峰值负载、局部负载)调整的灵活冷却构造。

图21示出了外平台的区域中的组装的导叶，其中翼型件100和外平台200或翼型件载体220之间的组件由陶瓷套管230产生。该接头231可机械地加载，不需要绝对的紧密性。组件的其余结构基本上对应于如图4中所见的布置。

外平台200以金属片或板铸造、锻造或加工。外平台关于预定循环可消耗，且在特定维护周期下频繁替换，且可与导叶翼型件机械地断开，其中外平台可使用力闭合元件(即，螺栓)互补机械连接到翼型件载体上。外平台可涂布有CMC或陶瓷材料，或可由根据所附权利要求的隔离面板制造。

图22示出了内平台300的区域中的组装的导叶，其中翼型件100与内平台300之间的组装由陶瓷套管240产生。接头241可为机械加载的，不需要绝对紧密性。组件的其余结构基本上对应于如图17中所见的布置。

内平台300以金属片或板铸造、锻造或加工。外平台可消耗，且在特定维护周期下频繁替换，且可与导叶翼型件机械地断开，其中内平台可使用力闭合元件(即，螺栓)互补机械地连接到翼型件载体上。内平台可涂布有CMC或陶瓷材料，或可由根据所附权利要求的隔离面板制造。

图23示出了具有金属壳700的导叶的典型布置。图20中所示的元件容易由本领域的技术人员理解，即：710金属壳；702翼梁；703翼型件载体；704外平台载体；705外平台热气体衬套；706内平台热气体衬套；707内平台载体；708螺栓和销；709补片。元件的技术方面由前述附图和相关描述产生。内平台包括硬钎焊/焊接补片。热气体衬套和热气体载体构成硬钎焊结构。外平台包括冲击冷却。外平台包括硬钎焊/焊接结构。翼梁包括相对于翼型件的密封结构。外平台包括固定和旋转元件。

Claims

1.一种制造用于施加到构件上来使最终构件适于特定冷却功能的结构冷却面板的方法，所述面板通过以下操作制成：

a)将脱浆的2D陶瓷切割成正确尺寸和形状的组织来用于施加；

b)通过至少一个刀片涂布方法来将浆料渗入所述组织中；

c)将所述组织层叠成多层面板，其中在各层之后浸渍浆料，其中所述组织具有组合纤维和/或预先构成的冷却孔；

d)干燥；

e)脱模；

g)烧结所述多层面板，其中所述组合纤维的部分在烧结过程期间烧尽，留下形成所述冷却结构的阴架构，且/或所述预先构成的冷却孔限定所述冷却结构；

h)使用下者来进行修整：i)后加工，和/或ii)表面光滑化/再加工，和/或iii)涂层施加，和/或其它程序。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了生成涉及穿过所述面板结构的厚度的一部分或穿过整个厚度的冷却空气孔的直冷却路径而利用多个销的销应用包括以下步骤中的至少一者，即，销可为：i)金属销，其在顶部上具有陶瓷层以避免基质附接到所述销上和烧结期间所述销的过强氧化；ii)永久陶瓷销，其可在烧结之后容易地除去；iii)将在所述烧结过程期间经由热处理消除的销。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，被消除的销由碳材料制成。

4.根据权利要求1至权利要求3中的一项所述的方法，其特征在于，所述销通过使它们滑动穿过厚度的一部分或穿过所述面板结构来施加，其中为了便于所述销的定位，下方模具可设有定位孔，所述销以适合的位置和角度配合到所述孔中。

5.根据权利要求1至权利要求4中的一项所述的方法，其特征在于，所述销插入组织纤维束之间，以便避免所述销的处理和随后的除去期间的所述陶瓷纤维的任何破坏。

6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的方法，其特征在于，将由CMC制成的补充面板结构组合至所述多面板结构。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述补充面板结构包括以下制造步骤中的一个或多个：i)使用与所述标准CMC组织相同的制造路线和包括干燥和脱模步骤的适合模具来单独的制造所述结构；ii)使所述结构在由操作a)到g)获得的多面板结构的内腔中滑动；iii)使用用于所述陶瓷组织的渗入的相同陶瓷浆料胶合两个结构，或仅准时地粘结两个结构，以便允许所述补充结构有较大侧向移动/膨胀；iv)两个结构之间的粘结通过不同连结方法产生，如，陶瓷胶或使用两个陶瓷结构上的金属化表面的硬钎焊技术。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤iii)执行时，进行随后的干燥操作。

9.根据权利要求7至权利要求8中的一项所述的方法，其特征在于，所述补偿面板结构由波状或准波状构造构成。

10.根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的方法，其特征在于，层叠包括将一层陶瓷毡层叠到n层陶瓷毡上，其中浆料渗入所述毡中。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述毡的渗入仅包括所述毡的外表面渗入以将其粘结到所述CMC多板层面板上，或在各个单层之后通过刀片涂布来完全浸渍。

12.根据权利要求1至权利要求11中的一项或多项的单面板结构的使用，其特征在于，所述面板结构形成涡轮机的导叶或转子叶片或衬套的连续元件中的至少一者，其中用于热保护目的的元件至少包括翼型件，其具有至少一个CMC壳、至少一个中间层、相对于翼型件平台和/或金属脚的至少一个柔性接头、至少一个内平台和外平台。