CN109026205B - 用于cmc结构的cte匹配的吊架 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种用于燃气涡轮发动机的流动路径组件。所述流动路径组件可以包括：外壳，所述外壳包括具有第一热膨胀系数的金属材料；陶瓷结构，所述陶瓷结构包括具有第二热膨胀系数的陶瓷材料；以及安装部件，所述安装部件在第一端上附接到所述外壳并且在第二端上附接到所述陶瓷结构。安装部件可以由至少两种材料构成，所述至少两种材料从所述第一端向所述第二端过渡，以使所述第一端处的热膨胀系数与所述第二端处不同。

Description

用于CMC结构的CTE匹配的吊架
技术领域
本发明主题涉及燃气涡轮发动机。更确切地说，本发明主题涉及燃气涡轮发动机的流动路径组件，以及用于定位燃气涡轮发动机内的流动路径组件的特征。
背景技术
燃气涡轮发动机通常按串联顺序包括压缩机部分，燃烧部分，涡轮部分和排气部分。在操作中，空气进入压缩机部分的入口，其中一个或多个轴流式压缩机(axialcompressor)渐进地压缩空气，直到所述空气到达燃烧部分。燃料在燃烧部分内与压缩空气混合并且燃烧，从而产生燃烧气体。燃烧气体从燃烧部分流动通过限定在涡轮部分内的热气路径，然后经由排气部分离开所述涡轮部分。
所属领域中不断寻求提高燃气涡轮发动机的操作温度，以提高它们的效率。尽管已经通过制备铁基、镍基和钴基超合金显著提高了高温性能，但是也对替代材料进行了研究。其中的一个显著示例是CMC材料，因为所述材料的高温性能可以显著降低冷却空气要求。CMC材料通常包括嵌入陶瓷基体材料中的陶瓷纤维增强材料。所述增强材料可以是分散在所述基体材料中的不连续短纤维或者定向在所述基体材料内的连续纤维或纤维束，并且用作CMC的承载成分。陶瓷基体转而保护所述增强材料、维持其纤维的定向，并且用于将载荷分布到增强材料。
由于由CMC材料制成的某些部件例如护罩(例如，围绕涡轮部分中的旋转叶片的材料环)处于涡轮发动机的热气路径内，CMC部件与其他材料部件之间可能产生热失配。也就是说，与其他金属零件相比，所述CMC部件具有相对较低的CTE。因此，与发动机的金属部件相比，所述CMC部件在使用期间不宜发生热膨胀和收缩。
因此，需要补偿燃气涡轮发动机内的CMC部件与金属部件之间的热失配。
发明内容
各方面和优点将部分地在以下说明中阐明，或根据本说明书可显而易见，或可以通过实践本发明了解到。
提供一种用于燃气涡轮发动机的流动路径组件。在一个实施例中，所述流动路径组件包括：外壳，所述外壳包括具有第一热膨胀系数的金属材料；陶瓷结构，所述陶瓷结构包括具有第二热膨胀系数的陶瓷材料；以及安装部件，所述安装部件在第一端上附接到所述外壳并且在第二端上附接到所述陶瓷结构。在一个实施例中，所述安装部件由至少两种材料构成，所述至少两种材料从所述第一端向所述第二端过渡，以使所述第一端处的热膨胀系数与所述第二端处不同。
所述流动路径组件在所述陶瓷结构是包括燃烧器部分和涡轮部分的整体式外壁时尤其有用，其中所述燃烧器部分延伸穿过所述燃气涡轮发动机的燃烧部分，并且所述涡轮部分延伸穿过所述燃气涡轮发动机的涡轮部分的至少第一涡轮级。例如，所述燃烧器部分和涡轮部分一体成形为单个整体结构。
参照以下说明和附图将更好地理解这些和其他特征、方面和优点。附图并入本说明书并构成本说明书的一部分，所述附图图示了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的某些原理。
具体地，本申请技术方案1涉及一种一种用于燃气涡轮发动机的流动路径组件，所述流动路径组件包括：外壳，所述外壳包括具有第一热膨胀系数的金属材料；陶瓷结构，所述陶瓷结构包括具有第二热膨胀系数的陶瓷材料；以及安装部件，所述安装部件在第一端上附接到所述外壳并且在第二端上附接到所述陶瓷结构，其中所述安装部件由至少两种材料构成，所述至少两种材料从所述第一端向所述第二端过渡，以使所述第一端处的所述热膨胀系数与所述第二端处的不同。
技术方案2涉及根据技术方案1所述的流动路径组件，其中所述安装部件在所述第一端处的热膨胀系数在所述第一热膨胀系数的约50％内，并且其中所述安装部件在所述第二端处的热膨胀系数在所述第二热膨胀系数的约300％内。
技术方案4涉及根据技术方案1所述的流动路径组件，其中所述安装部件由至少两种金属合金形成。
技术方案5涉及根据技术方案1所述的流动路径组件，其中所述安装部件包括位于所述第一端处的第一金属，并且其中所述安装部件包括位于所述第二端处的第二金属。
技术方案6涉及根据技术方案5所述的流动路径组件，其中所述第一金属包括镍基合金或铁基合金，并且其中所述第二金属包括钨基合金或铁基合金，并且进一步，其中所述第一金属的成分与所述第二金属不同。
技术方案7涉及根据技术方案1所述的流动路径组件，其中所述安装部件在所述第一端处的热膨胀系数在所述第一热膨胀系数的约25％内，并且其中所述安装部件在所述第二端处的热膨胀系数在所述第二热膨胀系数的约25％内。
技术方案8涉及根据技术方案1所述的流动路径组件，其中所述安装部件在所述第一端处的热膨胀系数在所述第一热膨胀系数的约10％内，并且其中所述安装部件在所述第二端处的热膨胀系数在所述第二热膨胀系数的约200％内。
技术方案9涉及根据技术方案1所述的流动路径组件，其中所述陶瓷结构包括陶瓷基体复合材料。
技术方案10涉及根据技术方案1所述的流动路径组件，其中所述陶瓷结构是包括燃烧器部分和涡轮部分的整体式外壁，其中所述燃烧器部分延伸通过所述燃气涡轮发动机的燃烧部分，并且所述涡轮部分延伸通过所述燃气涡轮发动机的涡轮部分的至少第一涡轮级，所述燃烧器部分和所述涡轮部分一体成形为单个整体结构。
技术方案11涉及根据技术方案10所述的流动路径组件，进一步包括：环，所述环围绕所述陶瓷结构并且定位成与所述安装部件相邻，从而以机械方式约束所述安装部件在所述第二端处的径向热生长。
技术方案12涉及根据技术方案13所述的流动路径组件，其中所述环包括热膨胀系数在所述第二热膨胀系数的约10％内的材料。
技术方案13涉及一种用于燃气涡轮发动机的流动路径组件，所述流动路径组件包括：外壳，所述外壳包括具有第一热膨胀系数的金属材料；陶瓷结构，所述陶瓷结构包括具有第二热膨胀系数的陶瓷材料；以及环，所述环围绕所述陶瓷结构并且定位成与所述安装部件相邻，以便以机械方式约束所述安装部件在所述第二端处的径向热生长，其中所述环的热膨胀系数在所述第二热膨胀系数的约10％内。
技术方案14涉及根据技术方案13所述的流动路径组件，其中所述环包括热膨胀系数在所述第二热膨胀系数的约1％内的材料。
技术方案15涉及根据技术方案13所述的流动路径组件，其中所述环包括陶瓷材料。
技术方案16涉及根据技术方案13所述的流动路径组件，其中所述环包括所述陶瓷结构的所述陶瓷材料。
技术方案17涉及根据技术方案13所述的流动路径组件，进一步包括：多个安装部件，所述多个安装部件在第一端上附接到所述外壳并且在第二端上附接到所述陶瓷结构以将所述陶瓷结构居中在所述外壳内。
技术方案18涉及一种用于燃气涡轮发动机的流动路径组件，所述流动路径组件包括：外壳，所述外壳包括具有第一热膨胀系数的金属材料；陶瓷结构，所述陶瓷结构包括具有第二热膨胀系数的陶瓷材料，其中所述陶瓷结构包括陶瓷基体复合材料；以及安装部件，所述安装部件在第一端上附接到所述外壳并且在第二端上附接到所述陶瓷结构，其中所述安装部件包括至少两种金属材料，所述至少两种金属材料从所述第一端向所述第二端过渡，以使所述第一端处的所述热膨胀系数高于所述第二端处。
技术方案19涉及根据技术方案18所述的流动路径组件，其中所述第一金属包括镍基合金或铁基合金，并且其中所述第二金属包括钨基合金或铁基合金，并且进一步其中，所述第一金属的成分与所述第二金属不同。
技术方案20涉及根据技术方案18所述的流动路径组件，其中所述陶瓷结构是包括燃烧器部分和涡轮部分的整体式外壁，其中所述燃烧器部分延伸通过所述燃气涡轮发动机的燃烧部分，并且所述涡轮部分延伸通过所述燃气涡轮发动机的涡轮部分的至少第一涡轮级，所述燃烧器部分和所述涡轮部分一体成形为单个整体结构。
附图说明
本说明书参考附图，针对所属领域中的普通技术人员，完整且可实现地公开了本发明，包括其最佳模式，在附图中：
图1提供了根据本发明主题的各种实施例的示例性燃气涡轮发动机的截面示意图；
图2提供了根据本发明主题的示例性实施例的图1所示燃气涡轮发动机的燃烧部分和高压涡轮部分的示意性分解截面图；
图3A提供了根据本发明主题的示例性实施例的图2所示燃烧部分和高压涡轮部分的截面示意图；
图3B、图3C、图3D和图3E提供了根据本发明主题的其他示例性实施例的图2所示燃烧部分和高压涡轮部分的截面示意图；
图3F提供了根据本发明主题的示例性实施例的图2所示燃烧部分和高压涡轮部分的一体式外边界结构和内边界结构的一部分的局部透视图；以及
图4提供根据本发明主题的示例性实施例的流动路径组件的截面图。
本说明书和附图中重复使用参考标记旨在表示相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，所述实施例中的一个或多个示例如附图中所示。每个示例以解释本发明而非限制本发明的方式提供。事实上，所属领域的技术人员将能够显而易见地了解到，可以在不脱离本发明范围或精神的前提下对本发明做出各种修改和变化。例如，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可与其他实施例结合使用，从而得到又一个实施例。因此，本发明应包括在随附权利要求书及其等效物范围内的修改和变化。
本说明书中所用的术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以区分一个部件与另一个部件，并且这些术语并不旨在表示个体部件的位置或重要性。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流动的来向，并且“下游”是指流体流动的去向。
大体上提供将陶瓷结构(例如，CMC结构)固定到金属壳从而将两种材料之间的热膨胀失配的影响减至最小的组件和方法。因此，本说明书中所描述的组件和方法能够通过改变所述结构在金属硬件和CMC结构(例如，内衬或喷嘴带)之间的加热和冷却循环中的相对尺寸来将陶瓷结构定位(例如，居中)在金属壳内。因此，这些组件和方法可以将流动路径与吊架系统之间的径向失配减至最小，从而通过避免复杂的滑动接头(例如轮毂和辐条)和减少磨损(由相对运动引起)来简化接口。
确切地说，可以利用安装部件将陶瓷结构定位在外壳(例如，金属外壳)内。所述安装部件可以由至少两种材料制成，所述至少两种材料使所述安装部件的热膨胀系数(CTE)从附接到所述外壳的一端向附接到所述陶瓷结构的另一端过渡。例如，所述安装部件可以通过在加工期间采用不同材料(例如，不同金属和/或金属合金)进行增材制造来形成，从而控制沿安装部件长度的CTE。因此，所述安装部件可以将发动机的吊架系统与流动路径结构之间的径向失配减至最小，从而通过避免复杂的滑动接头(例如轮毂和辐条)和减少磨损(由相对运动引起)来简化接口。
尽管下文参照附图中所示的实施例进行描述，但是本发明教导适用于跨具有不同CTE特性的材料的任何安装部件，特别适用于位于金属外壳与定位在其中的陶瓷结构之间的安装部件。
现参照附图，其中相同数字是指附图中的相同元件，图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的截面示意图。更确切地说，对于图1所示的实施例，燃气涡轮发动机是高旁通涡轮风扇喷气发动机10，在本说明书中称为“涡轮风扇发动机10”。如图1中所示，涡轮风扇发动机10限定轴向A(平行于出于参照目的提供的纵向中心线12延伸)和径向R。大体上，涡轮风扇发动机10包括风扇部分14以及设置在风扇部分14下游的核心涡轮发动机16。
图示的示例性核心涡轮发动机16大体上包括限定环形入口20的大体管状外壳18。外壳18以串行流的关系围封：压缩机部分，所述压缩机部分包括升压机或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24；燃烧部分26；涡轮部分，所述涡轮部分包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30；以及喷射排气喷嘴部分32。高压(HP)轴或转轴34以驱动方式将HP涡轮28连接到HP压缩机24。低压(LP)轴或转轴36以驱动方式将LP涡轮30连接到LP压缩机22。在涡轮风扇发动机10的其他实施例中，可以设置额外转轴，以便可以将发动机10描述成多转轴发动机。
对于图示的实施例，风扇部分14包括风扇38，所述风扇具有多个风扇叶片40，所述多个风扇叶片以隔开方式连接到盘42。如图所示，风扇叶片40大体上沿径向R从盘42向外延伸。风扇叶片40和盘42能够通过LP轴36共同围绕纵轴12旋转。在一些实施例中，可以包括具有多个齿轮的动力齿轮箱，用于将LP轴36的旋转速度逐级降低到更有效的旋转风扇速度。
仍然参考图1所示的示例性实施例，盘42被可旋转前机舱48覆盖，所述可旋转前机舱为气动型轮廓，以促使气流通过多个风扇叶片40。另外，示例性风扇部分14包括环形风扇壳体或外机舱50，所述环形风扇壳体或外机舱周向围绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应认识到，机舱50可以配置成相对于核心涡轮发动机16由多个周向隔开的出口导向轮叶52支撑。此外，机舱50的下游部分54可以延伸在核心涡轮发动机16的外部部分之上，从而限定介于它们之间的旁通气流通道56。
在涡轮风扇发动机10的操作期间，空气体积58从机舱50和/或风扇部分14的相关入口60进入涡轮风扇发动机10中。随着所述空气体积58穿过风扇叶片40，用箭头62所示的所述空气58的第一部分转入或被引导进入旁通气流通道56中，并且用箭头64表示的所述空气58的第二部分转入或被引导进入到LP压缩机22中。所述空气第一部分62和空气第二部分64之间的比率通常称为旁路比。之后，随着空气第二部分64被引导通过高压(HP)压缩机24并且进入燃烧部分26中，空气第二部分的压力增大，其中所述空气第二部分在所述燃烧部分中与燃料混合并且燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被引导通过HP涡轮28，其中在所述HP涡轮中，通过连接到外壳18的HP涡轮定子轮叶68以及连接到HP轴或转轴34的HP涡轮转子叶片70的连续级将燃烧气体66中的一部分热能和/或动能提取出来，从而使HP轴或转轴34旋转，进而支持HP压缩机24的操作。燃烧气体66随后被引导通过LP涡轮30，其中在所述LP涡轮中，通过连接到外壳18的LP涡轮定子轮叶72和连接到LP轴或转轴36的LP涡轮转子叶片74的连续级将燃烧气体66中的第二部分热能和动能提取出来，从而使LP轴或转轴36旋转，从而支持LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后被引导通过核心涡轮发动机16的喷射排气喷嘴部分32，以提供推进力。同时，当空气第一部分62被引导通过旁通气流通道56时并且在所述空气第一部分从涡轮风扇发动机10的风扇喷嘴排气部分76排出之前，空气第一部分62的压力大幅升高，因而也提供了推进力。HP涡轮28、LP涡轮30以及喷射排气喷嘴部分32至少部分限定热气通道78，所述热气通道用于引导燃烧气体66通过核心涡轮发动机16。
应认识到，尽管上文相对于具有核心涡轮发动机16的涡轮风扇发动机10进行描述，但是本发明主题可以适用于其他类型的涡轮机械。例如，本发明主题可以适用于与涡轮螺桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机、工业和船用燃气涡轮发动机和/或辅助动力装置一起使用，或者用在它们之中。
在一些实施例中，涡轮风扇发动机10的部件，确切地说，热气路径78内的部件例如燃烧部分26、HP涡轮28和/或LP涡轮30的部件可以包括陶瓷基体复合(CMC)材料，所述CMC材料是具有高温性能的非金属材料。当然，涡轮风扇发动机10的其他部件例如HP压缩机24的部件也可以包括CMC材料。用于所述部件的示例性CMC材料可以包括碳化硅(SiC)，硅，二氧化硅或氧化铝基体材料及其组合。陶瓷纤维可嵌入所述基体内，例如氧化稳定增强纤维，包括单丝例如蓝宝石和碳化硅(例如Textron的SCS-6)以及包括碳化硅(例如Nippon Carbon公司的
Figure BDA0001693110770000091
Ube Industries公司的
Figure BDA0001693110770000092
和Dow Corning公司的
Figure BDA0001693110770000093
)、硅酸铝(例如，Nextel 440和480)的粗纱和细砂，以及斩碎晶须和纤维(例如Nextel440和
Figure BDA0001693110770000094
)，以及视情况而定的陶瓷颗粒(例如Si、Al、Zr、Y的氧化物及其组合)和无机填料(例如叶蜡石、硅灰石、云母、滑石、蓝晶石和蒙脱土)。例如，在特定实施例中，可以包括陶瓷耐火材料涂层的纤维束将成形为增强带，例如单向增强带。多个所述带可以层叠在一起(例如，成层)，以形成预成型部件。在形成所述预成型件之前或者在形成所述预成型件之后，所述纤维束可以浸渍浆料组分。随后，所述预成型件可以经历热处理，例如固化或烧光以使预成型件中具有高炭残留量，并且之后经历化学处理，例如硅熔体浸渗或化学蒸汽渗透，以得到由具有预期化学成分的CMC材料形成的部件。在其他实施例中，CMC材料可以成形为例如碳纤维布而不是纤维带。
如上所述，包括CMC材料的部件可以用在热气通道78内，例如用在发动机10的燃烧和/或涡轮部分内。例如，燃烧部分26可以包括由CMC材料形成的燃烧器并且/或者HP涡轮28的一个或多个级可以由CMC材料形成。但是，CMC部件也可用于其他部分，例如压缩机和/或风扇部分。当然，在一些实施例中，可以使用其他高温材料和/或其他复合材料来形成发动机10的一个或多个部件。
图2提供了根据本发明主题的示例性实施例的涡轮风扇发动机10的燃烧部分26以及涡轮部分的HP涡轮28的截面分解示意图。图3A提供了图2所示燃烧部分26和HP涡轮28的未分解截面示意图，其中主要示出通过燃烧部分26和HP涡轮28的流动路径的外边界。所图示的燃烧部分26包括大体环形燃烧器80，并且在燃烧部分26的下游，HP涡轮28包括多个涡轮级。更确切地说，对于所图示的实施例，HP涡轮28包括第一涡轮机级82和第二涡轮机级84。在其他实施例中，HP涡轮28可以包括不同数量的涡轮级；例如，HP涡轮28可以包括一个涡轮级或两个以上涡轮级。第一涡轮级82定位在燃烧部分26的紧接下游，并且第二涡轮级84定位在第一涡轮级82的紧接下游。此外，每个涡轮级82、84包括喷嘴部分和叶片部分；第一涡轮级82包括喷嘴部分82N和叶片部分82B，并且第二涡轮级84包括喷嘴部分84N和叶片部分84B。第一涡轮级82的喷嘴部分82N位于燃烧部分26的紧接下游，以使第一涡轮级82的喷嘴部分82N也可以称为燃烧器排出喷嘴。此外，燃烧器80限定大体环形的燃烧室86，以使燃烧器80可以描述成大体环形的燃烧器。
此外，如下文更详细描述，通过燃烧部分26和HP涡轮28的流动路径100由流动路径组件101的外边界和内边界限定。所述外边界和内边界形成使燃烧气体66通过燃烧部分26和HP涡轮28的流动路径；因此，所述流动路径100可以包括上述热气通道78的至少一部分。此外，在其他实施例中，流动路径100也可以延伸通过LP涡轮30和喷射排气口32；在又一些其他实施例中，所述流动路径100也可以在燃烧部分26的上游向前延伸，例如进入HP压缩机24中。因此，应认识到，本说明书中关于燃烧部分26和HP涡轮28的讨论仅作为示例，并且还可以应用于不同构造的燃气涡轮发动机和流动路径100。
如图2中的分解图所示，所述外边界和内部边界可以分别由外壁102和内壁120限定，其中所述外壁和内壁可以包括燃烧部分26和HP涡轮28的若干部分。例如，燃烧器80包括限定通过燃烧器80流动路径的外边界的外衬108。每个喷嘴部分82N、84N包括外带，所述外带限定通过每个涡轮级的喷嘴部分的流动路径的外边界；并且每个叶片部分82B、84B包括护罩，所述护罩限定通过每个涡轮级的叶片部分的流动路径的外边界。更确切地说，如图2所示，第一涡轮级喷嘴部分82N包括外带110，第一涡轮级叶片部分82B包括护罩112，第二涡轮级喷嘴部分84N包括外带114，并且第二涡轮级叶片部分84B包括护罩116。燃烧部分26和HP涡轮28中的这些部分可以包括外壁102的至少一部分，如下文更详细描述。
此外，如图2所示，燃烧器80包括限定通过燃烧器80的流动路径的内边界的内衬122。每个喷嘴部分82N、84N包括内带，所述内带限定通过每个涡轮级的喷嘴部分的流动路径的内边界；并且每个叶片部分82B、84B包括一个或多个叶片平台，所述一个或多个叶片平台限定通过每个涡轮级的叶片部分的流动路径的内边界。更确切地说，如图2所示，第一涡轮级喷嘴部分82N包括内带124，第一涡轮级叶片部分82B包括叶片平台132，第二涡轮级喷嘴部分84N包括内带136，并且第二涡轮级叶片部分84B包括叶片平台132。燃烧部分26和HP涡轮28中的这些部分可以包括内壁120的至少一部分，如下文更详细描述。
而且，在所图示的实施例中，燃烧器圆顶118径向延伸穿过燃烧器80的前端88。燃烧器圆顶118可以是外壁102的一部分,可以是内壁120的一部分,可以是外壁102和内壁120这两者的一部分(例如，燃烧器圆顶118的一部分可以由外壁102限定，并且其余部分可以由内壁120限定)，或者可以是与外壁102和内壁120分开的单独部件。另外，多个喷嘴翼型件定位在喷嘴部分82N、84N中的每一者内。第一涡轮级喷嘴部分82N内的每个喷嘴翼型件126从外带110径向延伸到内带124，并且喷嘴翼型件126围绕纵向中心线12周向间隔开。第二涡轮级喷嘴部分84N内的每个喷嘴翼型件128从外带114径向延伸到内带136，并且喷嘴翼型件128围绕纵向中心线12周向间隔开。另外，多个叶片翼型件130定位在叶片部分82B、84B中的每一者内。第一涡轮级叶片部分82B内的每个叶片翼型件130附接到叶片平台132，所述叶片平台转而附接到第一级转子134。附接到第一级转子134的叶片翼型件130围绕纵向中心线12周向间隔开。类似地，第二涡轮级叶片部分84B内的每个叶片翼型件130附接到叶片平台132，所述叶片平台转而附接到第二级转子138。附接到第二级转子138的叶片翼型件130围绕纵向中心线12周向间隔开。每个叶片翼型件130朝向外壁102即流动路径100的外边界径向向外延伸，并且每个叶片翼型件130的径向外尖端140与外壁102之间限定间隙，使得每个涡轮转子134、138能够在其相应涡轮级内自由旋转。尽管未示出，但是HP涡轮28的每个涡轮转子134、138连接到HP轴34(图1)。通过这种方式，转子叶片翼型件130可以从通过由HP涡轮28限定的流动路径100的燃烧气体流中提取以旋转能的形式施加到HP轴34的动能。
因此，通过燃烧部分26和HP涡轮28的流动路径100由具有内边界和外边界的流动路径组件101限定，并且内边界和外边界限定燃烧气体66通过燃烧部分26和HP涡轮28的流动路径。流动路径组件101的外边界的各部分可以集成或统一到限定气流路径100径向外边界的单件式外壁102中。例如，外壁102可以包括：燃烧器部分104，所述燃烧器部分延伸通过燃烧部分，例如燃烧部分26；以及涡轮部分106，所述涡轮部分延伸通过涡轮部分的至少第一涡轮级，例如HP涡轮28的第一涡轮级82。燃烧器部分104和涡轮部分106形成为一体，使得燃烧器部分和涡轮部分是单个整体结构，即整体式外壁102。
在图3A所示的示例性实施例中，外壁102包括：燃烧器部分104，所述燃烧器部分延伸通过燃烧部分26；以及涡轮部分106，所述涡轮部分延伸通过涡轮部分的至少第一涡轮级82和第二涡轮级84。在其他实施例中，涡轮部分106可以延伸通过更少个级(例如，上述的通过一个涡轮级)或通过更多个级(例如，通过位于HP涡轮28下游的LP涡轮30的一个或多个级)。燃烧器部分104和涡轮部分106形成为一体，使得燃烧器部分104和涡轮部分106是单个整体结构，在本说明书中称为整体式外壁102。
本说明书中所用的术语“整体”表示相关联的部件例如外壁102在制造期间制成为单件，即，最终的整体部件是单件。因此，整体部件的结构为：集成一体的各部分是不可分开的，这与包括接合在一起的多个单独部件部分的部件不同，这些单独的部件部分一旦接合在一起则称为单个部件，即便所述部件部分仍然是独立的并且此单个部件并不是不可分开的(即，这些部分可以再次分开)。最终的整体部件可以包括一件大体连续的材料，或者在其他实施例中，可以包括彼此永久粘结在一起的多个部分。在任何情况下，形成整体部件的各个部分彼此集成为一体，使得所述整体部件是具有不可分开部分的单件。
如图3A所示，形成整体结构的外壁102的燃烧器部分104包括燃烧器80的外衬108。涡轮部分106包括第一涡轮级喷嘴部分82N的外带110、第一涡轮级叶片部分82B的护罩112、第二涡轮级喷嘴部分84N的外带114以及第二涡轮级叶片部分84B的护罩116。如上所述，这些外边界部件集成为单件，以形成作为外壁102的整体结构。因此，在图2所示的示例性实施例中，外衬108、外带110、护罩112、外带114和护罩116形成一体，即构造成单个单元或单件以形成集成式或整体式外壁102。
在一些实施例中，流动路径组件101的其他部分可以集成到外壁102的整体结构中，并且在又一些其他实施例中，外边界和内边界的至少一部分制造成单个整体部件，以使得流动路径组件101可以称为集成流动路径组件。例如，参照图3B，整体式外壁102的燃烧器部分104还可以包括燃烧器圆顶118，所述燃烧器圆顶跨燃烧器80的前端88延伸。因此，在图3B所示的示例性实施例中，外衬108、外带110、护罩112、外带114、护罩116和燃烧器圆顶118形成为单个单元或单件，以形成集成式或整体式外壁102。也就是说，外衬108，外带110、114，护罩112、116和燃烧器圆顶118形成一体，以使得外衬108，外带110、114，护罩112、116和燃烧器圆顶118是单个整体结构。
再如，参照图3C，限定流动路径100内边界的内壁120的至少一部分可以与外壁102集成一体，以形成集成式流动路径组件101。在图3C所示的示例性实施例中，燃烧器部分104进一步包括内衬122，以使得内衬122与图3B所示的外壁102的整体结构集成一体。因此，外衬108、外带110、护罩112、外带114、护罩116、燃烧器圆顶118和内衬122形成一体，以使得外衬108，外带110、114，护罩112、116，燃烧器圆顶118和内衬122是单个整体结构。在图3D所示的示例性实施例中，涡轮部分106进一步包括第一涡轮级喷嘴部分82N的内带124，以使得内带124与图3C所示的流动路径组件101的整体结构集成一体。因此，外衬108、外带110、护罩112、外带114、护罩116、燃烧器圆顶118、内衬122和内带124形成一体，以使得外衬108，外带110、114，护罩112、116，燃烧器圆顶118，内衬122和内带124是单个整体结构。在图3E所示的示例性实施例中，涡轮部分106进一步包括多个喷嘴翼型件126，以使得第一涡轮级喷嘴部分82N的多个喷嘴翼型件126中的每个喷嘴翼型件126与图3D所示的流动路径组件101的整体结构集成一体。因此，外衬108、外带110、护罩112、外带114、护罩116、燃烧器圆顶118、内衬122、内带124和喷嘴翼型件126形成一体，以使得外衬108，外带110、114，护罩112、116，燃烧器圆顶118，内衬122，内带124和喷嘴翼型件126是单个整体结构。
当然，第一涡轮级喷嘴部分82N的喷嘴翼型件126可以与外壁102集成一体而不与内壁120集成一体。例如，多个喷嘴翼型件126可以与外衬108、外带110、护罩112、外带114、护罩116一起成形为单个单元或单件，以使得外衬108，外带110、114，护罩112、116和喷嘴翼型件126是单个整体结构，即整体式外壁102。在其他实施例中，整体式外壁102还可以包括燃烧器圆顶118，以使得外衬108、外带110、护罩112、外带114、护罩116、燃烧室圆顶118和喷嘴翼型件126形成为一体或者构造为单个单元或单件。在又一些其他实施例中，还可以包括内衬122，以使得外衬108、外带110、护罩112、外带114、护罩116、燃烧室圆顶118、内衬122和喷嘴翼型件126一体成形为单个整体结构，即整体式外壁102。
如图3A、3B、3C、3D和3E中的每个附图所示，图示了用于定位流动路径组件101的安装部件224。例如，可以在轮毂和辐条式构造中使用多个安装部件224，其中流动路径组件101是轮毂，一个或多个安装部件224(即，辐条)沿一个或多个方向将流动路径组件101居中和/或对其进行约束，同时允许不同材料之间具有不同热生长速率。从上文对燃气涡轮发动机10和流动路径组件101的说明中将认识到，包括一个或多个安装部件224的定位系统可用于将流动路径组件101定位(例如居中)在发动机10的外壳18内。此外，所述定位系统可以有助于将流动路径组件101定位在发动机10的压缩机部分24的下游。此外，所述定位系统可以有助于相对于发动机10的一个或多个燃料喷嘴组件90来定位流动路径组件101，例如以使得燃料喷嘴位于相对于燃烧器80的适当深度处。另外，如上所述，所述流动路径组件101包括整体式外壁102，所述整体式外壁至少形成流动路径100的单件式外边界，但是也可以与流动路径组件101的其他部分集成一体。所述整体式外壁102延伸通过燃烧部分26以及HP涡轮部分28的至少第一涡轮级82，但是也可以延伸通过额外的涡轮级。因此，图3A到图3E中所示的安装部件224将整个流动路径组件101定位在发动机10内，而不是通过燃烧部分和涡轮部分的流动路径的若干单独部分(例如分开的外衬和内衬、外带和内带、护罩等)。因此，将流动路径组件101定位在发动机10内的方法包括使用一个或多个安装部件224来定位流动路径组件101的单件式外边界，如下文更详细描述。
图3F提供了一体式流动路径组件101的一部分的局部透视图，其具有成为单件式部件的外壁102和内壁120的。如上文相对于图3D所述以及如图3F所示，在燃烧气体流动路径组件101的一些实施例中，外衬108、外带110、护罩112、外带114、护罩116、燃烧器圆顶118、内衬122和内带124形成一体，以使得外衬108，外带110、114，护罩112、116，燃烧器圆顶118，内衬122和内带124是单个整体结构。图3F进一步示出，用于接收燃料喷嘴组件90和/或旋流器92的多个开口142可以限定在整体式流动路径组件101的燃烧器80的前端88中。此外，将认识到，图3F仅示出了一体式流动路径组件101的一部分，并且尽管图3F中未示出其整个圆周，但是流动路径组件101沿周向以及轴向均为单个整体件。因此，所述一体式流动路径组件101限定位于外壁102与内壁120之间的大体环形(annular)，即，大体环状(ring-shaped)的流动路径。
将上述流动路径组件101的外边界和内边界的各部件集成一体可以减少发动机10内单独件或单独部件的数量，并且与已知的燃气涡轮发动机相比减小发动机10的重量、泄漏和复杂性。例如，已知的燃气涡轮发动机在流动路径组件的单独件之间的接口处采用密封件或密封机构，以试图使来自所述流动路径的燃烧气体的泄漏减至最少。通过与外边界集成一体，例如相对于整体式外壁102所描述，可以消除燃烧器外衬与第一涡轮级外带之间、第一涡轮级外带与第一涡轮级护罩之间等的分流点或接口，从而消除泄漏点以及防止泄漏所需的密封或密封机构。类似地，通过集成内边界的部件集成，集成式内边界部件之间的分流点或接口得以消除，从而消除泄漏点以及内边界处所需的密封或密封机构。因此，通过利用流动路径组件中的整体部件，可以避免不良泄漏以及不必要的重量和复杂性。所属领域中的普通技术人员将认识到整体式外壁102、整体式内壁120和/或整体式流动路径组件101的其他优点。
如图3A到图3F所示，外壁102和内壁120限定它们之间的大体环形流动路径。也就是说，整体式外壁102周向围绕内壁120；换言之，整体式外壁102是围绕内壁120延伸360°的单件，从而限定位于它们之间的大体环形或环状流动路径。因此，延伸穿过燃烧器80的前端88的燃烧器圆顶118是大体环形的燃烧器圆顶118。此外，燃烧器圆顶118限定用于接收位于前端88处的燃料喷嘴组件90的开口142。燃料喷嘴组件90例如向燃烧室86提供来自压缩机部分的燃料和压缩空气混合物，其中所述燃料和压缩空气混合物在燃烧室86内燃烧以产生通过流动路径100的燃烧气体流。燃料喷嘴组件90可以附接到燃烧器圆顶118或者可以相对于燃烧器圆顶118和流动路径100“浮动”，即，燃料喷嘴组件90可以不附接到燃烧器圆顶118。在图示的实施例中，燃料喷嘴组件90包括旋流器92，并且在一些实施例中，旋流器92可以附接到燃烧器圆顶118，但是替代地，旋流器92可以相对于燃烧器圆顶118和流动路径100浮动。将认识到，燃料喷嘴组件90或旋流器92可以相对于燃烧器圆顶118和流动路径100沿径向R和轴向A浮动或者仅沿径向R和轴向A中的一者或另一者浮动。此外，应理解，燃烧器圆顶118可以限定多个开口142，每个开口接收旋流器92或燃料喷嘴组件90的其他部分。
如图3A到图3F中进一步图示，流动路径组件101大致限定会聚-扩张型流动路径100。更确切地说，外壁102和内壁120限定大致环形的燃烧室86，所述燃烧室形成流动路径100的前部。向燃烧室86的后部或下游移动，外壁102和内壁120大致在第一涡轮级82的区域中朝向彼此会聚。继续向第一涡轮级82的下游行进，外壁102和内壁120大体上在第二涡轮级84的区域中扩张。外壁102和内壁120可以继续在第二涡轮级84的下游扩张。在示例性实施例中，例如，如图3A所示并且仅涉及整体式外壁102，外壁102的第一涡轮级喷嘴外带部分110和叶片护罩部分112朝向轴向中心线12会聚。外壁102的第二涡轮级喷嘴外带部分114和叶片护罩部分116背离轴向中心线12扩张。因此，由整体式外壁102形成的流动路径100外边界限定会聚-扩张型流动路径100。
在图3A到图3E所示的实施例中，安装部件224在第一端240上附接到外壳18。例如，第一端240可以附接到从外壳18延伸的至少一个附接法兰230，例如利用销232(或者其他附接机构，例如螺栓、螺钉等)。
在第二端242上，安装部件224附接到陶瓷结构(即外壁102，所述外壁102形成通过燃烧室86的流动路径的外边界的至少一部分)。在图示的实施例中，所述陶瓷结构是包括燃烧器部分和HP涡轮部分28的整体式外壁102，其中所述燃烧器部分延伸通过所述燃气涡轮发动机16的燃烧部分26，并且所述HP涡轮部分延伸通过涡轮部分的至少第一涡轮级82。在本实施例中，燃烧器部分26和涡轮部分28一体成形为单个整体结构102。
在一个实施例中，安装部件224构造成使第一端240处的热膨胀系数与第二端242处不同。例如，安装部件224可以由从第一端240向第二端242过渡的至少两种材料构成。例如，可以通过以增材制造的方式制造在第一端240和第二端242处采用不同材料的安装部件224来形成所述成分过渡。例如，第一端240可以包括第一金属(例如镍基合金，例如镍基超合金)，而第二端包括第二金属(例如钨基合金，例如钨基超合金)。或者，铁基合金和超合金可以作为第一金属和/或第二金属包括在内。所述成分过渡可以是逐渐或逐步改变。另外，所述成分过渡可以沿安装部件224的整个长度或者在介于第一端240到第二端242之间的过渡区域内。
在一个特定实施例中，安装部件224在第一端240处的热膨胀系数大于在第二端242处的热膨胀系数，因此特别适于将金属部件附接到第一端240并且将陶瓷部件附接到第二端242。
在一个特定实施例中，安装部件224在第一端240处的热膨胀系数(CTE)可以在外壳18的热膨胀系数的约50％内，例如约25％内(例如，约10％内)。相反，金属材料与CMC组分之间的CTE匹配更困难。例如，安装部件224在第二端242处的热膨胀系数可以在外壁102的热膨胀系数的约300％内，例如约200％内(例如，约50％内)。相应CTE的这些比较可以在任何温度下进行，例如在室温下或在操作温度下进行。
然而，在更高温度下，相应CTE的相似性可以更高，特别是对于第二端242和外壁102的CTE而言。例如，在约537.78℃(即，约1000℉)下，安装部件224在第二端242处的热膨胀系数可以在外壁102的热膨胀系数的约50％内，例如外壁102的热膨胀系数的约25％内。
在图3A到图3E所示的实施例中，安装部件224在第二端242处附接到从外壁102延伸的至少一个附接法兰244，例如利用销246或者其他附接机构(例如螺栓、螺钉等)。但是，可以形成安装部件224的第二端242到外壁102的任何适当附接。
例如，图4示出了实施例，其中安装部件224连接到吊架225，所述吊架延伸到限定在外壁102的第一涡轮级护罩部分82B中的开口226中。用于从中插入吊架225的槽228限定在安装部件224中。应认识到，图4中所示的吊架225仅以示例方式提供。同样如图4所示，外壁102在外壁102的第一涡轮级护罩部分82B(即，图2中的部分112)区域内隆起或者具有增大厚度，以接收吊架225，其中所述区域位于第一涡轮级叶片的上方。如所示，吊架225定位在第一涡轮级82B的叶片部分上方。
流动路径组件101或者至少外壁102和内壁120可以由CMC材料制成，而发动机10的安装部件204、224和其他部件是金属部件，以使CMC部件的热膨胀速率与金属部件不同。在发动机10的操作期间，金属部件的热膨胀程度大体上高于CMC部件，因而可影响发动机10内的流动路径组件101的位置。使用图3A到3E或者图4中所示的任何系统，可以将由于例如热膨胀或类似状况引起的流动路径组件101或周围结构的任何变形控制在叶片部分82B的区域中，从而控制径向R上的膨胀，从而有助于保持叶片尖端140与外壁102之间的间隙G。所述定位对发动机10的性能的影响可比流动路径组件101的其他部分高。
此外，如图4所示，安装部件224中的槽228的尺寸可设置成使得槽228中的吊架225能够进行一定轴向移动，例如以适应沿轴向A的零件定位的一定变化或者允许轴向热膨胀。但是，安装部件224可以通过将内壁120螺栓连接到吊架225来沿径向、切向和轴向约束流动路径组件101。在其他实施例中，安装部件224可允许流动路径组件101进行一定的相对移动，例如以将流动路径组件101适当定位在发动机10内或者补偿各种部件在发动机操作期间的热膨胀。
作为所述安装结构的附加或替代，环250可以围绕外壁102(即，陶瓷结构)并且定位成与安装部件224相邻，从而以机械方式约束安装部件224朝向第二端242的径向热生长。环250的热膨胀系数可以在外壁102的热膨胀系数的约10％内，例如约5％内(例如，约1％内)。在一个特定实施例中，环250包括陶瓷材料(例如，具有与外壁102的陶瓷材料大体相同的材料)。
如上所述，外壁102、内壁120和燃烧器圆顶118，并且在一些实施例中，第一涡轮级喷嘴翼型件126和第二涡轮级喷嘴翼型件128可以包括CMC材料。更确切地说，在示例性实施例中，流动路径组件101的燃烧器部分104和涡轮部分106由CMC材料一体成形，使得得到的整体结构是CMC部件。例如，在燃烧器部分104包括燃烧器80的外衬108并且涡轮部分106包括第一涡轮级喷嘴部分82N的外带110、第一涡轮级叶片部分82B的护罩112、第二涡轮级喷嘴部分84N的外带114以及第二涡轮级叶片部分84B的护罩116的情况下，外衬108，外带110、114和护罩114、116可以由CMC材料一体成形，从而产生整体式CMC外壁102。如上所述，在其他实施例中，附加CMC部件可以与外衬108，外带110、114和护罩114、116集成一体，从而构成整体式CMC外壁102。类似地，内壁120可以由CMC材料形成。例如，如果内壁120包括分开的部件，例如内衬122，内带124、136以及叶片平台132，则内壁120的每个部件可以由CMC材料形成。在两个或更多个部件集成一体以形成整体式内壁120的实施例中，所述部件可以由CMC一体成形，从而构成整体式CMC内壁120。
CMC材料特别是SiC/Si-SiC(纤维/基体)连续纤维增强陶瓷复合材料(CFCC)和工艺的示例如美国专利5,015,540；5,330,854；5,336,350；5,628,938；6,024,898；6,258,737；6,403,158和6,503,441以及美国专利申请公开案2004/0067316中所描述。所述方法大体上需要使用多个预浸渍(预浸)层制造CMC，例如，所述层材料可以包括由陶瓷纤维、织造或编织陶瓷纤维布或者已经浸渍基体材料的层叠陶瓷纤维束构成的预浸材料。在一些实施例中，每个预浸层采用包括预期陶瓷纤维增强材料、CMC基体材料的一种或多种前体以及有机树脂粘合剂的“带”的形式。预浸胶带可以通过将增强材料浸渍含有陶瓷前体和粘合剂的浆料来形成。优选的前体材料将取决于CMC部件的陶瓷基体所需的特定组分，例如，SiC粉末，以及/或者如果预期基体材料是SiC，则取决于一种或多种含碳材料。应注意，含碳材料包括炭黑、酚醛树脂和呋喃树脂，包括呋喃甲醇(C4H3OCH2OH)。其他典型的浆料成分包括改善预浸带柔韧性的有机粘合剂(例如，聚乙烯醇缩丁醛(PVB))和改善浆料流动性的粘合剂溶剂(例如，甲苯和/或甲基异丁酮(MIBK))，以使得能够浸渍纤维增强材料。所述浆料可进一步包括预期存在于CMC部件的陶瓷基体中的一种或多种颗粒填料，例如在Si-SiC基体的情况下，包括硅和/或SiC粉末。如上所述，切短纤维或晶须或其他材料也可嵌入上述基体内。也可以使用用于生产复合制品的其他组分和工艺，并且更确切地说，也可以使用其他浆料和预浸带组分，例如美国专利申请公开案2013/0157037中所述的工艺和组分。
所得的预浸带可以与其他带层叠在一起，以使由所述带形成的CMC部件包括多个薄层，每个薄层均得自单个预浸胶带。每个薄层包括围封在陶瓷基体中的陶瓷纤维增强材料，所述陶瓷纤维增强材料通过例如在焙烧和密实化循环中转换陶瓷基体前体来完全或部分成形，如下文更完全所描述。在一些实施例中，所述增强材料是单向纤维束阵列的形式，每个纤维束包括连续纤维或细丝。也可以使用单向纤维束阵列的替代方案。此外，适当的纤维直径、纤维束直径以及中心到中心纤维束间距将取决于特定应用、特定薄层以及此薄层所形成的带的厚度以及其他因素。如上所述，也可以使用其他预浸材料或非预浸材料。
将带或层层叠在一起以形成层叠件之后，将所述层叠件压实并且在适当的情况下，在经受升高压力和温度的同时固化以产生预成型件。所述预成型件随后在真空或惰性气氛中加热(焙烧)以分解粘合剂、去除溶剂，并且将前体转化成预期陶瓷基体材料。由于粘合剂的分解，结果将得到多孔CMC主体，所述多孔CMC主体可以经历密实化例如熔体浸渗(MI)，以填充所述孔洞并且得到CMC部件。上述工艺的具体加工技术和参数将取决于材料的特定组分。例如，硅CMC部件可以由纤维材料形成，所述纤维材料例如通过通常称为Silcomp工艺的方法渗入熔融硅。制造CMC部件的另一种技术是称为浆料浇注熔体浸渗(MI)工艺的方法。在使用浆料浇注MI方法的一种制造方法中，CMC的生产方法首先提供多层包括含碳化硅(SiC)纤维的平衡二维(2D)织造布，所述平衡二维(2D)织造布具有彼此大体成90°角的两个编织方向，这两个编织方向上的纤维数大体上相同。术语“含碳化硅纤维”是指具有包括碳化硅的组分的纤维，并且优选情况下大体上是碳化硅。例如，所述纤维可以具有被碳包围的碳化硅芯，或者相反，所述纤维可以具有被碳化硅包围或围封的碳芯。
形成CMC部件的其他技术包括聚合物渗透和热解(PIP)以及氧化物/氧化物工艺。在PIP工艺中，碳化硅纤维预成型件先渗透预聚陶瓷聚合物，例如聚硅氮烷，然后进行热处理以形成SiC基体。在氧化物/氧化物加工中，铝或铝硅酸盐纤维可以预先浸渍，然后层压成预选几何形状。部件也可以由碳纤维增强碳化硅基体(C/SiC)CMC制成。C/SiC加工包括以预选几何形状层叠在工具上的碳纤维预成型件。与用于SiC/SiC浆料浇注方法中的相同，所述工具由石墨材料构成。在约1200℃的化学蒸汽渗透工艺中，采用所述工具来承载所述纤维预成型件，由此形成C/SiC CMC部件。在又一些其他实施例中，可以在MI、CVI、PIP或其他工艺中使用2D、2.5D和/或3D预成型件。例如，2D织造物的切割层可以如上所述以交替编织方向层叠，或者可以采用3D编织、缝合或缝针来卷绕或编织和组合细丝，以形成具有多轴向纤维结构的2.5D或3D预成型件。也可以使用形成2.5D或3D预成型件的其他方式，例如使用其他织造或编织方法或使用2D织物。
因此，可以使用各种工艺来形成整体结构，例如图3A中所示的外壁102，作为整体式CMC部件。更确切地说，可以使用多层CMC材料来形成每个整体结构。所述多层可以彼此交替以整合各个部分从而形成整体结构。例如，图3A所示的整体式外壁102可以由多层外衬、多层第一涡轮级外带、多层第一涡轮级护罩、多层第二涡轮级外带和多层第二涡轮级护罩制成。如果所述外衬层与所述第一涡轮级外带层相遇，所述外衬层的端部可与所述外带层的端部交替以将用于形成外衬部分的层与用于形成整体式外壁102的第一涡轮级外带部分的层集成一体。也就是说，形成整体式外壁102的层之间的任何接头可以通过将接头一侧上的层与接头另一侧上的层交替来形成。因此，用于形成整体式外壁102的层可以交替，从而集成所述层并且因此而集成所述整体式外壁102的每个部分。当然，所述CMC层也可以以其他方式层叠以形成整体结构。此外，层叠所述多个CMC层可以包括整体结构或其他部件的限定特征(例如，内衬122，当不与内带124集成一体以形成整体式内壁120或单独的燃烧器圆顶118时)。
在层叠多个CMC层以限定整体式CMC部件预成型件之后，所述预成型件固化以产生单件整体式CMC部件，所述单件整体式CMC部件随后将焙烧并且密实化，例如硅熔体浸渗，以形成最终的整体式CMC结构。继续上述外壁102的示例，所述外壁预成型件可以在高压釜中加工，以产生坯体状态的整体式外壁102。之后，可以将所述坯体状态的整体式外壁102置于熔炉中以烧光过量粘合剂或类似物质，然后将其置于具有硅件或硅板的熔炉中并且焙烧以将所述整体式外壁102熔体浸渗至少硅。更确切地说，对于由如上所述制备的预浸带的CMC层形成的整体式外壁102，在真空或惰性气氛中加热(即，焙烧)所述坯体状态的部件将分解粘合剂、去除溶剂并且将前体转成预期陶瓷体积材料。通过分解粘合剂，结果将得到多孔CMC主体；所述多孔CMC主体可以经历密实化例如熔体浸渗(MI)，以填充所述孔洞。在坯体状态的整体式外壁102与硅一起进行焙烧的前述示例中，外壁102经历硅熔体浸渗。但是，密实化可以使用任何已知密实化技术进行，包括但不限于Silcomp、熔体浸渗(MI)、化学气相浸渗(CVI)、聚合物浸渗和热解(PIP)以及氧化物/氧化物工艺，以及采用任何材料，包括但不限于硅。在一个实施方案中，密实化和焙烧可以在真空炉或处于1200℃以上的温度下具有确定气氛的惰性气氛中进行，以允许硅或其他适当材料或材料组合熔体浸渗到部件中。密实化的CMC主体将硬化成最终的整体式CMC外壁102。在一些实施例中，所述最终整体结构可以精加工，例如以使结构处于容差内或限定开口，例如在燃烧器80的前端88中的开口或涡轮喷嘴82N、84N的开口。此外，可以将环境屏障涂层(EBC)施加到整体结构，例如以保护所述整体结构免受热燃烧气体损害。应理解，也可以使用形成CMC部件的其他方法或工艺，例如整体式CMC外壁102、整体式CMC内壁120等。
附加地或替代地，用于生产整体部件的其他工艺可以用于形成整体式外壁102和/或整体式内壁120，并且整体结构可以由其他材料形成。在一些实施例中，可以使用增材制造工艺来形成整体式外壁102和/或整体式内壁120。例如，增材工艺例如熔融沉积建模(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、立体平板印刷(SLA)、数字光加工(DLP)、直接金属激光烧结(DMLS)、激光网形状制造(LNSM)、电子束烧结或其他已知工艺可用于制造整体式外壁102和/或整体式内壁120。通常，增材工艺使用部件的三维信息例如三维计算机模型来制造部件。所述三维信息转换成多个切片，每个切片针对所述切片的预定高度限定所述组件的截面。所述部件随后逐片或逐层地“层叠”，直到完成。增材工艺中可以使用超合金金属材料或其他适当材料来形成整体式外壁102和/或整体式内壁120。在其他实施例中，整体式外壁102和/或整体式内壁120可以使用锻造或铸造工艺形成。也可以使用其他适当工艺或方法。
本说明书使用示例性实施例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域中的技术人员得出的其他示例。如果任何其他示例的结构构件与权利要求书的字面意义无差别，或如果此类示例包括的等效结构构件与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类示例也在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于燃气涡轮发动机的流动路径组件，所述流动路径组件包括：
外壳，所述外壳包括具有第一热膨胀系数的金属材料；
陶瓷结构，所述陶瓷结构包括具有第二热膨胀系数的陶瓷材料；以及
安装部件，所述安装部件在第一端上附接到所述外壳并且在第二端上附接到所述陶瓷结构，其中所述安装部件由至少两种材料构成，所述至少两种材料从所述第一端向所述第二端过渡，以使所述第一端处的所述热膨胀系数与所述第二端处的不同，
其中，所述陶瓷结构包括涡轮级护罩部分，该涡轮级护罩部分从所述燃气涡轮发动机的涡轮部分的多个叶片径向向外布置，并且
其中，所述第二端在所述涡轮级护罩部分处连接到所述陶瓷结构。
2.根据权利要求1所述的流动路径组件，其中所述安装部件在所述第一端处的热膨胀系数在所述第一热膨胀系数的50％内，并且其中所述安装部件在所述第二端处的热膨胀系数在所述第二热膨胀系数的300％内。
3.根据权利要求1所述的流动路径组件，其中所述第一热膨胀系数大于所述第二热膨胀系数。
4.根据权利要求1所述的流动路径组件，其中所述安装部件由至少两种金属合金形成。
5.根据权利要求1所述的流动路径组件，其中所述安装部件包括位于所述第一端处的第一金属，并且其中所述安装部件包括位于所述第二端处的第二金属。
6.根据权利要求5所述的流动路径组件，其中所述第一金属包括镍基合金或铁基合金，并且其中所述第二金属包括钨基合金或铁基合金，并且进一步，其中所述第一金属的成分与所述第二金属不同。
7.根据权利要求1所述的流动路径组件，其中所述安装部件在所述第一端处的热膨胀系数在所述第一热膨胀系数的25%内，并且其中所述安装部件在所述第二端处的热膨胀系数在所述第二热膨胀系数的25%内。
8.根据权利要求1所述的流动路径组件，其中所述安装部件在所述第一端处的热膨胀系数在所述第一热膨胀系数的10%内，并且其中所述安装部件在所述第二端处的热膨胀系数在所述第二热膨胀系数的200%内。
9.根据权利要求1所述的流动路径组件，其中所述陶瓷结构包括陶瓷基体复合材料。
10.根据权利要求1所述的流动路径组件，其中所述陶瓷结构是包括燃烧器部分和涡轮部分的整体式外壁，其中所述燃烧器部分延伸通过所述燃气涡轮发动机的燃烧部分，并且所述涡轮部分延伸通过所述燃气涡轮发动机的涡轮部分的至少第一涡轮级和第二涡轮级，其中所述涡轮部分包括
所述第一涡轮级的喷嘴部分的外带，
所述第一涡轮级的叶片部分的护罩，
所述第二涡轮级的喷嘴部分的外带，以及
所述第二涡轮级的叶片部分的护罩，并且
所述燃烧器部分和所述涡轮部分一体成形为单个整体结构。
11.根据权利要求10所述的流动路径组件，进一步包括：
环，所述环围绕所述陶瓷结构并且定位成与所述安装部件相邻，从而以机械方式束所述安装部件在所述第二端处的径向热生长。
12.根据权利要求11所述的流动路径组件，其中所述环包括热膨胀系数在所述第二热膨胀系数的10%内的材料。
13.一种用于燃气涡轮发动机的流动路径组件，所述流动路径组件包括：
外壳，所述外壳包括具有第一热膨胀系数的金属材料；
陶瓷结构，所述陶瓷结构包括具有第二热膨胀系数的陶瓷材料；以及
环，所述环围绕所述陶瓷结构并且定位成与安装部件相邻，以便以机械方式束所述安装部件在第二端处的径向热生长，其中所述环的热膨胀系数在所述第二热膨胀系数的10％内，
其中，所述陶瓷结构是包括燃烧器部分和涡轮部分的整体式外壁，其中所述燃烧器部分延伸通过所述燃气涡轮发动机的燃烧部分，并且所述涡轮部分延伸通过所述燃气涡轮发动机的涡轮部分的至少第一涡轮级和第二涡轮级，其中所述涡轮部分包括
所述第一涡轮级的喷嘴部分的外带，
所述第一涡轮级的叶片部分的护罩，
所述第二涡轮级的喷嘴部分的外带，以及
所述第二涡轮级的叶片部分的护罩，并且
所述燃烧器部分和所述涡轮部分一体成形为单个整体结构。
14.根据权利要求13所述的流动路径组件，其中所述环包括热膨胀系数在所述第二热膨胀系数的1%内的材料。
15.根据权利要求13所述的流动路径组件，其中所述环包括陶瓷材料。
16.根据权利要求13所述的流动路径组件，其中所述环包括所述陶瓷结构的所述陶瓷材料。
17.根据权利要求13所述的流动路径组件，进一步包括：多个安装部件，所述多个安装部件在第一端上附接到所述外壳并且在第二端上附接到所述陶瓷结构以将所述陶瓷结构居中在所述外壳内。
18.一种用于燃气涡轮发动机的流动路径组件，所述流动路径组件包括：
整体式外壁，其包括延伸穿过所述燃气涡轮发动机的燃烧部分的燃烧器部分和延伸穿过所述燃气涡轮发动机的涡轮部分的至少第一涡轮级和第二涡轮级的涡轮部分，
其中所述涡轮部分包括
所述第一涡轮级的喷嘴部分的外带，
所述第一涡轮级的叶片部分的护罩，
所述第二涡轮级的喷嘴部分的外带，以及
所述第二涡轮级的叶片部分的护罩，并且
所述燃烧器部分和所述涡轮部分一体成形为单个整体结构；
外壳，所述外壳包括具有第一热膨胀系数的金属材料；
陶瓷结构，所述陶瓷结构包括具有第二热膨胀系数的陶瓷材料，其中所述陶瓷结构包括陶瓷基体复合材料；以及
安装部件，所述安装部件在第一端上附接到所述外壳并且在第二端上附接到所述陶瓷结构，其中所述安装部件包括至少两种金属材料，所述至少两种金属材料从所述第一端向所述第二端过渡，以使所述第一端处的所述热膨胀系数高于所述第二端处。
19.根据权利要求18所述的流动路径组件，其中第一金属包括镍基合金或铁基合金，并且其中第二金属包括钨基合金或铁基合金，并且进一步其中，所述第一金属的成分与所述第二金属不同。
20.根据权利要求18所述的流动路径组件，其中所述陶瓷结构是包括燃烧器部分和涡轮部分的整体式外壁，其中所述燃烧器部分延伸通过所述燃气涡轮发动机的燃烧部分，并且所述涡轮部分延伸通过所述燃气涡轮发动机的涡轮部分的至少第一涡轮级，所述燃烧器部分和所述涡轮部分一体成形为单个整体结构。
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