CN109311283A - 用于燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件 - Google Patents

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Abstract

提供了陶瓷基质复合(CMC)构件和用于形成燃气涡轮发动机的CMC构件的方法。在一个实施例中，用于燃气涡轮发动机的CMC构件包括：内壁，其限定第一内表面；外壁，其限定第二内表面；以及喷嘴，其从内壁延伸至外壁。内壁、外壁以及喷嘴由CMC材料整体地形成，使得内壁、外壁以及喷嘴为单个一体式构件。用于形成CMC构件的示例性方法包括安置CMC材料的多个板层；处理多个板层，以形成未加工状态的构件；烧制未加工状态的构件；以及使烧制的构件致密化，以产生最终的一体式构件。一体式构件包括燃烧器衬里部分和燃烧器排气喷嘴级部分。

Description

用于燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件
联邦资助研究
本发明利用在美国空军的合同号FA8650-07-C-2802下的政府支持完成。政府在本发明中可拥有一定权利。
技术领域
本主题大体上涉及陶瓷基质复合构件，并且更具体而言，涉及用于燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件。
背景技术
燃气涡轮发动机大体上包括布置成与彼此流动连通的风扇和核心。此外，燃气涡轮发动机的核心大体上以串联流动的顺序包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段以及排气区段。在操作中，空气被从风扇提供至压缩机区段的入口，在压缩机区段，一个或更多个轴向压缩机渐进地压缩空气，直到其抵达燃烧区段。燃料与压缩空气混合并且在燃烧区段内燃烧，以提供燃烧气体。燃烧气体被从燃烧区段导送至涡轮区段。穿过涡轮区段的燃烧气体流驱动涡轮区段，并且接着被导送穿过排气区段，例如至大气。
典型地，燃气涡轮发动机包括燃烧器，其具有由燃烧器衬里限定的燃烧室。燃烧器衬里包括内衬壁和外衬壁。紧接着在燃烧器下游的是涡轮喷嘴级，该涡轮喷嘴级包括固定导叶、定子导叶等，其设成通过其从燃烧区段引导燃烧气体流。涡轮喷嘴级通常包括多个沿周向间隔开的涡轮喷嘴区段。类似于燃烧器衬里，各个喷嘴区段通常具有内端壁和外端壁，其中喷嘴在其间延伸。因此，典型的燃气涡轮发动机利用了燃烧器衬里，其与紧接着在燃烧器下游的涡轮喷嘴区段分离，从而在衬里与喷嘴级之间需要多个密封件，以试图控制燃烧器与第一涡轮喷嘴级之间的寄生泄漏。密封件及其相关硬件增加发动机的重量和复杂性，这可对发动机性能和组装产生负面影响。
此外，非传统的高温材料(如陶瓷基质复合(CMC)材料)更常用于燃气涡轮发动机内的各种构件。例如，因为CMC材料可耐受相对极端的温度，所以特别感兴趣的是用CMC材料替换燃烧气体的流动路径内的构件。燃烧器衬里和涡轮喷嘴级均具有暴露于燃烧气体的流动路径或在其内的表面和/或特征。
因此，在不增加不必要的重量或复杂性的情况下基本上消除对密封的需要的燃烧器和涡轮喷嘴级组件将为合乎需要的。例如，消除对衬里与喷嘴级之间的密封的需要的整体燃烧器衬里和涡轮喷嘴级将为有益的。具体而言，整体CMC燃烧器衬里和涡轮喷嘴级(即，由CMC材料整体地形成的燃烧器衬里和涡轮喷嘴级)将为有利的。用于形成整体CMC燃烧器衬里和涡轮喷嘴级的方法也将为有用的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地得到阐述，或者可根据描述为显而易见的，或者可通过本发明的实践而习知。
在本公开的一个示例性实施例中，提供一种用于燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件。陶瓷基质复合构件包括：内壁，其限定第一内表面；外壁，其限定第二内表面；以及喷嘴，其从内壁延伸至外壁。内壁、外壁以及喷嘴由陶瓷基质复合材料整体地形成，使得内壁、外壁以及喷嘴为单个一体式构件。
在本公开的另一示例性实施例中，提供一种用于形成燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件的方法。方法包括：安置陶瓷基质复合材料的多个板层；处理多个板层，以形成未加工状态的构件；烧制未加工状态的构件；以及使烧制的构件致密化，以产生最终的一体式构件。一体式构件包括燃烧器衬里部分和燃烧器排气喷嘴级部分。
在本公开的一个示例性方面中，提供一种用于形成燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件的方法。方法包括：安置陶瓷基质复合材料的多个板层；处理多个板层，以形成未加工状态的构件；烧制未加工状态的构件；以及使烧制的构件致密化，以产生最终的一体式构件。安置多个板层包括使多个燃烧器衬里板层与多个燃烧器排气喷嘴级板层穿插。此外，一体式构件包括内壁和外壁，并且内壁和外壁限定邻近一体式构件的前端的燃烧室。一体式构件还包括喷嘴，其从内壁延伸至邻近一体式构件的后端的外壁。
本发明的这些及其它特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求而变得更好理解。结合在本说明书中并且构成本说明书的部分的附图示出本发明的实施例，并且连同描述一起用于阐释本发明的原理。
附图说明
包括针对本领域普通技术人员的其最佳模式的本发明的完整且开放的公开在参照附图的说明书中得到阐述，在附图中：
图1为根据本主题的各种实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性截面视图。
图2为图1的示例性燃气涡轮发动机的燃烧区段和涡轮区段的特写侧视图。
图3A为根据本公开的示例性实施例的整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级的多个CMC板层的示意图。
图3B为根据本公开的示例性实施例的整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级的穿插的CMC板层的示意图。
图3C为根据本公开的示例性实施例的在烧制和致密化之后的整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级的示意图。
图4为根据本公开的示例性实施例的用于形成整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级的方法的流程图。
部件列表
12涡扇喷气发动机
13纵向或轴向中心线
14风扇区段
16核心涡轮发动机
18外壳
20入口
22低压压缩机
24高压压缩机
26燃烧区段
28高压涡轮
30低压涡轮
32喷气排气区段
34高压轴/转轴
36低压轴/转轴
38风扇
40叶片
42盘
44促动部件
46动力齿轮箱
48机舱
50风扇壳或机舱
52出口导叶
54下游区段
56旁通气流通路
58空气
60入口
62空气的第一部分
64空气的第二部分
66燃烧气体
68定子导叶
70涡轮转子叶片
72定子导叶
74涡轮转子叶片
76风扇喷嘴排气区段
78热气体路径
80燃烧器
82第一涡轮喷嘴级
84第二涡轮喷嘴级
85第二级涡轮喷嘴区段
86涡轮转子叶片的第一级
87第二级涡轮喷嘴
88燃料喷嘴
90内端壁
91外端壁
92c内/外端壁的冷侧
92h内/外端壁的热侧
93涡轮转子叶片
94涡轮转子
95围带
96平台
97c平台的冷侧
97h平台的热侧
98密封件
99密封件
100整体的衬里和排气喷嘴级
102前端
104后端
106燃烧器衬里部分
108燃烧器排气喷嘴级部分
110内壁
112第一内表面
114外壁
116第二内表面
118喷嘴
120燃烧室
122整体构件的冷侧
124 CMC板层
126衬里板层
128喷嘴级板层
400方法
402安置板层
404处理板层
406烧制未加工状态的构件
408使绕制的构件致密化
410按需要精加工
R径向方向
A轴向方向
C周向方向。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的本实施例，其一个或更多个实例在附图中被示出。详细描述使用了数字和字母标号来表示附图中的特征。附图和描述中相似或类似的标号用于表示本发明的相似或类似的部分。如本文中使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，并且不旨在表示独立构件的位置或重要性。用语“上游”和“下游”表示相对于流体通道中的流体流的相对方向。例如，“上游”表示流体流自的方向，而“下游”表示流体流至的方向。
现在参照附图，其中遍及附图，相同数字指示相同元件，图1为根据本公开的示例性实施例的涡轮机的示意性截面视图。更具体而言，对于图1的实施例而言，涡轮机构造为燃气涡轮发动机，更精确地说构造为高旁通涡扇喷气发动机12，其在本文中被称为“涡扇发动机12”。如图1中示出的，涡扇发动机12限定轴向方向A(平行于用于参照而提供的纵向中心线13延伸)和径向方向R，以及绕着轴向方向A延伸的周向方向C(绕着纵向中心线13延伸)。大体上，涡扇10包括风扇区段14以及设置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。
描绘的示例性核心涡轮发动机16大体上包括大致管状的外壳18，其限定环形入口20。外壳18包封并且核心涡轮发动机16以串联流动关系包括：包括增压器或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24的压缩机区段；燃烧区段26；包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30的涡轮区段；以及喷气排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或转轴34将HP涡轮28驱动地连接至HP压缩机24。低压(LP)轴或转轴36将LP涡轮30驱动地连接至LP压缩机22。因此，LP轴36和HP轴34均为旋转构件，其在涡扇发动机12的操作期间绕着轴向方向A旋转。
仍然参照图1的实施例，风扇区段14包括可变桨距风扇38，其具有以间隔开的方式联接至盘42的多个风扇叶片40。如描绘的，风扇叶片40大体上沿着径向方向R从盘42向外延伸。各个风扇叶片40可由于风扇叶片40可操作地联接至适合的桨距变化机构44而绕着桨距轴线P相对于盘42旋转，适合的桨距变化机构44构造成使风扇叶片40的桨距全体一致地改变。风扇叶片40、盘42以及桨距变化机构44可通过横过动力齿轮箱46的LP轴36而绕着纵向轴线12一起旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，用于将风扇38相对于LP轴36的旋转速度调节成更高效的旋转风扇速度。更具体而言，风扇区段包括可通过横过动力齿轮箱46的LP轴36旋转的风扇轴。因此，风扇轴也可被认为是旋转构件，并且类似地由一个或更多个轴承支持。
仍然参照图1的示例性实施例，盘42由可旋转的前轮毂48覆盖，该前轮毂48以空气动力学设计轮廓以促进气流穿过多个风扇叶片40。因此，示例性风扇区段14包括环形风扇壳或外机舱50，其沿周向包绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。示例性机舱50相对于核心涡轮发动机16由多个沿周向间隔开的出口导叶52支持。此外，机舱50的下游区段54在核心涡轮发动机16的外部部分上延伸，以便在它们之间限定旁通气流通路56。
在涡扇发动机12的操作期间，一定量的空气58通过机舱50和/或风扇区段14的关联入口60进入涡扇10。在一定量的空气58横穿风扇叶片40时，如由箭头62指示的空气58的第一部分被引导或导送到旁通气流通路56中，并且如由箭头64指示的空气58的第二部分被引导或导送到核心空气流动路径37中，或者更具体而言，被引导或导送到LP压缩机22中。空气的第一部分62与空气的第二部分64之间的比率通常被称为旁通比。空气的第二部分64的压力接着在其被导送穿过高压(HP)压缩机24并且到燃烧区段26中时增大，在燃烧区段26处，空气的第二部分64与燃料混合并且燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被导送穿过HP涡轮28，在此，经由联接至外壳18的HP涡轮定子导叶68和联接至HP轴或转轴34的HP涡轮转子叶片70的顺序级提取来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分，从而使HP轴或转轴34旋转，由此支持HP压缩机24的操作。燃烧气体66接着被导送穿过LP涡轮30，在此，经由联接至外壳18的LP涡轮定子导叶72和联接至LP轴或转轴36的LP涡轮转子叶片74的顺序级从燃烧气体66提取热能和/或动能的第二部分，从而使LP轴或转轴36旋转，由此支持LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后被导送穿过核心涡轮发动机16的喷气排气喷嘴区段32，以提供推进推力。同时，当空气的第一部分62在其从涡扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被导送穿过旁通气流通路56时，空气的第一部分62的压力显著增大，也提供推进推力。HP涡轮28、LP涡轮30以及喷气排气喷嘴区段32至少部分地限定热气体路径78，用于将燃烧气体66导送穿过核心涡轮发动机16。
在一些实施例中，涡扇发动机12的构件(特别是热气体路径78内的构件)可包括陶瓷基质复合(CMC)材料，陶瓷基质复合(CMC)材料为具有高温能力的非金属材料。用于此类构件的示例性CMC材料可包括碳化硅、硅、二氧化硅，或氧化铝基质材料及它们的组合。陶瓷纤维可嵌入在基质内，如氧化稳定的增强纤维，其包括单丝，像蓝宝石和碳化硅(例如，Textron的SCS-6)，以及粗纱和纱线，其包括碳化硅(例如，Nippon Carbon的NICALON®、UbeIndustries的TYRANNO®，以及Dow Corning的SYLRAMIC®)、硅酸铝(例如，Nextel的440和480)，和斩碎的晶须和纤维(例如，Nextel的440和SAFFIL®)，以及任选地包括陶瓷颗粒(例如，Si、Al、Zr、Y的氧化物及它们的组合)和无机填料(例如，叶蜡石、硅灰石、云母、滑石、蓝晶石以及蒙脱石)。作为另外的实例，CMC材料还可包括碳化硅(SiC)或碳纤维织物。
现在参照图2，提供图1的涡扇发动机12并特别是燃烧区段26和涡轮区段的HP涡轮28的特写截面视图。描绘的燃烧区段26大体上包括环形燃烧器80，并且在燃烧区段26下游，HP涡轮28包括多个涡轮构件级。各个涡轮构件级包括多个涡轮构件。更具体而言，对于描绘的实施例而言，HP涡轮28包括多个涡轮喷嘴级(如图2中示出的第一涡轮喷嘴级82和第二涡轮喷嘴级84)，以及涡轮转子叶片的一个或更多个级(如涡轮转子叶片级86)。
典型地，燃烧器包括由具有内衬壁和外衬壁的燃烧器衬里限定的燃烧室，并且HP涡轮包括第一涡轮喷嘴级，其定位成紧接着在燃烧区段下游，使得第一涡轮喷嘴级也可被称为燃烧器排气喷嘴级。燃烧器排气喷嘴级通常包括多个沿周向间隔开的涡轮喷嘴区段。各个喷嘴区段包括内端壁和外端壁，其中喷嘴从内端壁大体上沿径向延伸至外端壁。因此，典型的涡扇发动机利用了与紧接着在燃烧器下游的涡轮喷嘴区段分离的燃烧器衬里。
然而，如图2中示出的，涡扇发动机12包括整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级100。图2中描绘的整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级100具有前端102和后端104。燃烧器衬里部分106限定成邻近前端102，并且燃烧器排气喷嘴级部分108限定成邻近后端104。
整体的衬里和喷嘴级100还包括内壁110和外壁114，内壁110限定整体的衬里和喷嘴级100的第一内表面112，外壁114限定整体的衬里和喷嘴级100的第二内表面116。在图2的描绘的实施例中，外壁114绕着内壁110大体上沿周向延伸，即，外壁114相对于内壁110沿径向向外间隔开。喷嘴118在燃烧器排气喷嘴级部分108内从内壁110大体上沿径向(即，大体上沿着径向方向R)延伸至外壁114。将认识到的是，虽然在图2中仅描绘一个喷嘴118，但是整体的衬里和喷嘴级100包括多个喷嘴118，多个喷嘴118在燃烧器排气喷嘴级部分108内绕着纵向中心线13大体上沿周向间隔开。多个喷嘴中的各个喷嘴118从内壁110大体上沿径向延伸至外壁114。
内壁110、外壁114以及喷嘴118由陶瓷基质复合材料整体地形成，使得内壁110、外壁114以及喷嘴118为单个一体式构件。更具体而言，在整体的衬里和喷嘴级100包括多个喷嘴118的情况下，各个喷嘴118与内壁110和外壁114整体地形成，使得内壁110、外壁114以及多个喷嘴118为单个一体式构件。就此而言，整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级100也可被称为整体构件100或一体式构件100。在示例性实施例中，整体构件100由CMC材料形成。用于形成整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级100(特别是整体的CMC燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级)的方法和/或过程在下面更详细地被描述。
此外，如本文中使用的用语“一体式”表示相关的构件(特别是整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级100)在制造期间被制作为单件，即，一体式构件为连续的材料件。因此，一体式构件具有整体式结构，并且不同于由下者制作的构件：连结在一起以形成单个构件的多件构件。更具体而言，在图2的示例性实施例中，内壁110、外壁114以及喷嘴118构造为单个单元或件，以形成一体式构件100。
仍然参照图2，在一体式构件100的燃烧器衬里部分106内，内壁110和外壁114在大体上沿着轴向方向A延伸的前端102处或邻近前端102限定燃烧室120。因此，内壁110的部分110C和外壁114的部分114C基本上限定燃烧器衬里，并且因此形成一体式构件100的燃烧器衬里部分106。在一体式构件100的后端104处，内壁110的部分110N和外壁114的部分114N(其中喷嘴118在其间延伸)基本上限定HP涡轮28的第一喷嘴级，并且因此形成一体式构件100的燃烧器排气喷嘴级108。
多个燃料喷嘴88定位在一体式构件100的前端102处，用于为燃烧室120提供来自压缩机区段的燃料和压缩空气的混合物。如以上论述的，燃料和空气混合物在燃烧室120内燃烧，以生成穿过其中的燃烧气体流。就此而言，第一内表面112和第二内表面116大体上限定一体式构件100的热侧。热侧暴露于并且部分地限定延伸穿过燃烧室120的核心空气流动路径37的部分，以及燃烧器排气喷嘴级部分108，使得喷嘴118定位在核心空气流动路径37内。与热侧相反的是冷侧122，并且尽管未描绘，但内壁110和/或外壁114可包括热管理特征，如从冷侧延伸至热侧的一个或更多个冷却孔，以将内壁110和/或外壁114的温度维持在期望的操作温度范围内。
另外，对于图2的描绘的示例性实施例而言，涡扇发动机12包括在整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级100下游的第二涡轮喷嘴级84。即，整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级100从邻近燃料喷嘴88的前端102延伸至邻近第二涡轮喷嘴级84的后端104，使得整体的构件100在燃烧区段26和HP涡轮区段28内延伸。第二涡轮喷嘴级84包括沿着周向方向C间隔开的多个涡轮喷嘴区段85。各个第二涡轮喷嘴区段85包括定位在核心空气流动路径37内的第二级涡轮喷嘴87，以及内端壁90和外端壁91，其中第二级涡轮喷嘴87从内端壁90大体上沿着径向方向R延伸至外端壁91。第二喷嘴区段85的内端壁90和外端壁91均限定冷侧92c和相反的热侧92h，热侧92h暴露于并且至少部分地限定核心空气流动路径37。
HP涡轮28定位成紧接着在一体式构件100下游并且紧接着在第二涡轮喷嘴级84上游，其包括涡轮转子叶片93的第一级86。涡轮转子叶片93的第一级86包括沿着周向方向C间隔开的多个涡轮转子叶片93和第一级转子94。多个涡轮转子叶片93附接至第一级转子94。尽管未描绘，但涡轮转子94继而连接至HP轴34(图1)。以此方式，涡轮转子叶片93可从穿过由HP涡轮28限定的核心空气流动路径37的燃烧气体流提取动能，其作为旋转能被施加至HP轴34。涡扇发动机12另外包括围带(shroud)95，其暴露于并且至少部分地限定核心空气流动路径37。此外，类似于一体式构件100的内壁110和外壁114以及第二涡轮喷嘴级84的内端壁90和外端壁91，涡轮转子叶片93中的各个包括壁或平台96。涡轮转子叶片93中的各个的平台96限定冷侧97c和相反的热侧97h，热侧97h暴露于并且至少部分地限定核心空气流动路径37。
如图2中进一步示出的，一体式构件100的后端104包括密封件98，并且第二涡轮喷嘴级84的各个涡轮喷嘴区段85包括密封件98。另外，各个涡轮转子叶片93的平台96包括密封件99。密封件99构造成与一体式构件100的排气喷嘴级部分108和形成第二涡轮喷嘴级84的涡轮喷嘴区段85的密封件98相互作用。密封件98,99的相互作用有助于在涡轮转子叶片93的第一级86与整体的衬里和喷嘴级100之间以及在第一涡轮叶片级86与第二涡轮喷嘴级84之间防止来自核心空气流动路径37的非期望的燃烧气体流。然而，如图2中示出的，因为燃烧器衬里部分106与燃烧器排气喷嘴级部分108整体地形成，所以不需要密封件来防止燃烧气体在燃烧器80与涡轮喷嘴的第一级82(即，一体式构件100的燃烧器排气喷嘴级部分108)之间的非期望的泄漏。就此而言，可基本上消除燃烧器与第一涡轮喷嘴级之间的任何泄漏，以及可归因于在燃烧器衬里与燃烧器排气喷嘴级分离时将在燃烧器衬里与燃烧器排气喷嘴级之间使用的密封件或密封机构的任何重量和复杂性。
现在参照图3A至图3C的示意性图示，将更详细地描述整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级100。转向图3A，CMC材料的多个板层124可用于形成整体构件100。在此类实施例中，内壁110、外壁114以及喷嘴118由CMC板层124形成。CMC板层124可为例如用基质材料预浸渍(预浸)的板层，并且可由预浸带等形成。例如，CMC板层可由预浸带形成，该预浸带包括期望的陶瓷纤维增强材料、CMC基质材料的一个或更多个前体以及有机树脂粘合剂。根据常规实践，预浸带可通过用包含(多个)陶瓷前体和粘合剂的浆料浸渍增强材料来形成。浆料还可包含促进浆料的流动性以实现纤维增强材料的浸渍的用于粘合剂的溶剂，以及意在存在于CMC构件的陶瓷基质中的一个或更多个粒状填料，例如，在Si-SiC基质的情况下的硅和/或SiC粉末。用于前体的优选材料将取决于CMC构件的陶瓷基质所需的特定组合物。例如，如果期望的基质材料为SiC，则前体材料可为SiC粉末和/或一个或更多个含碳材料；值得注意的含碳材料包括炭黑、酚醛树脂，以及呋喃树脂，包括糠醇(C4H3OCH2OH)。
如图3B中示意性地示出的，多个CMC板层124可包括用于形成燃烧器衬里部分106的多个CMC板层126和用于形成燃烧器排气喷嘴级部分108的多个CMC板层128。衬里板层126可包括用于形成燃烧器衬里部分106的内壁110C的板层，以及用于形成燃烧器衬里部分106的外壁114C的板层。类似地，喷嘴级板层128可包括用于形成燃烧器排气喷嘴级部分108的内壁110N的板层、用于形成燃烧器排气喷嘴级部分108的外壁114N的板层，以及用于形成燃烧器排气喷嘴级部分108的喷嘴118的板层。就此而言，喷嘴级板层128包括用于形成内端壁、外端壁以及燃烧器排气涡轮喷嘴级的多个喷嘴的板层。
在图3B中描绘的示例性实施例中，衬里板层126和喷嘴级板层128彼此穿插(interspersed)。更具体而言，在衬里板层126与喷嘴级板层128相接的情况下，板层126与板层128交错，以使用于形成燃烧器衬里部分106的板层与用于形成燃烧器排气喷嘴级部分108的板层成整体。即，板层126,128之间的任何接合处可由板层126,128的交错层形成。在一些实施例中，可使单个板层126,128交错，以使板层126和128成整体，并且由此使燃烧器衬里部分106与燃烧器排气喷嘴级部分108成整体。在其它实施例中，一个或更多个衬里板层126可形成为叠层，该叠层与一个或更多个喷嘴级板层128的叠层交错，以使板层126和128成整体，并且由此使燃烧器衬里部分106与燃烧器排气喷嘴级部分108成整体。
当然，整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级100可由多个内壁板层、多个外壁板层以及多个喷嘴板层形成，各个板层由CMC材料制成。内壁板层、外壁板层以及喷嘴板层可在板层相接的地方穿插，例如交错(如图3B中示出的)，以形成整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级100。以该方式，形成燃烧器衬里部分106的板层与形成燃烧器排气喷嘴级部分108的板层穿插，并且由此与其成整体。
此外，将认识到的是，图3B中示出的邻近板层126与邻近板层128之间的任何间隔仅出于说明的目的。例如，在各种实施例中，当板层126,128在形成整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级100的过程期间被安置时，很少空间或没有空间可限定在邻近板层126与邻近板层128之间。相反，在示例性实施例中，板层126可与邻近板层126接触，除了如以上描述的在板层126与板层128穿插的地方。当然，邻近板层126和/或邻近板层128之间的一定间隔可导致板层126,128的安置(layup)，但不一定达到如图3B的示意图中示出的那样的程度或如图3B的示意图中示出的那样在每个邻近板层之间都如此。
现在参照图3C，在示例性实施例中，限定内壁110、外壁114以及喷嘴118的多个板层124被固化，以产生单件构件100，接着烧制并经历硅熔融渗透，以形成最终的一体式构件100。例如，板层124可在高压釜中处理，以产生未加工状态的整体的衬里和排气喷嘴级100。接着，未加工状态的构件100可放置在具有硅片或硅板的炉中并且烧制，以用硅来熔融渗透构件100。更具体而言，对于由如以上描述那样产生的预浸带的CMC板层124形成的一体式构件100而言，使未加工状态的构件在真空或惰性气氛中加热(即，烧制)分解粘合剂，去除溶剂，并且将前体转化为期望的陶瓷基质材料。粘合剂的分解导致多孔的CMC本体；本体可经历致密化(例如，熔融渗透(MI))，以填充孔隙。在未加工状态的构件用硅烧制的前述实例中，构件100经历硅熔融渗透。熔融渗透的CMC本体硬化成最终的一体式CMC构件100。
图4提供示出根据本主题的示例性实施例的用于形成整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级100的方法400的图表。如在图4中的402处示出的，可安置用于形成一体式构件100的CMC材料的多个板层124，以限定期望的形状。在大体上在402处示出的安置期间，可大体上限定期望的构件形状；构件形状可在板层按需要那样处理和机加工之后最终被限定。板层124可安置在安置工具、心轴、模具或用于支持板层且/或用于限定期望的形状的其它适当的装置上。此外，安置板层124可包括通过如前文描述的那样使板层126,128的层交错来使衬里板层126和喷嘴级板层128，或内壁板层、外壁板层以及喷嘴板层成层。即，安置板层124可包括使衬里板层126和喷嘴级板层128，或内壁板层、外壁板层以及喷嘴板层穿插。形成燃烧衬里部分106和燃烧器排气喷嘴级部分108的穿插板层124使部分106,108成整体，使得所得构件为整体的燃烧器衬里和燃烧器排气喷嘴级100。
在安置板层124之后，板层可被处理，例如在高压釜中压实和固化，如在图4中的404处示出的。在处理之后，板层形成未加工状态的构件100，即，未加工状态的整体的衬里和喷嘴级100。未加工状态的构件100为单件构件，即，固化板层124产生由连续的CMC材料件形成的一体式构件100。未加工状态的构件100接着可经历烧制和致密化(在图4中的406和408处示出的)，以产生最终的一体式构件100。如先前描述的，一体式构件100包括内壁110和外壁114，它们限定邻近构件100的前端102的燃烧器衬里部分106和邻近构件100的后端104的燃烧器排气喷嘴级部分108。喷嘴118从一体式构件100的内壁110和外壁114延伸。
在方法400的示例性实施例中，未加工状态的构件100放置在具有硅的炉中，以烧穿(burn off)在形成CMC板层124时使用的任何形成心轴的材料和/或溶剂，以分解溶剂中的粘合剂，并且将板层的陶瓷基质前体转化成一体式CMC构件100的基质的陶瓷材料。在烧穿/烧制期间，硅熔融并渗透由于粘合剂的分解而导致的由基质形成的任何孔隙。然而，致密化可使用任何已知的致密化技术执行，包括但不限于Silcomp、熔融渗透(MI)、化学气相渗透(CVI)、聚合物渗透和热解(PIP)，以及氧化物/氧化物过程。在一个实施例中，致密化和烧制可在真空炉或具有在高于1200℃的温度下的建立的气氛的惰性气氛中进行，以允许硅或其它适当的一种或多种材料熔融渗透到构件100中。在烧制和致密化之后，如在图4中的410处示出的，具有燃烧器衬里部分106和燃烧器排气喷嘴级部分108的一体式构件100可在需要的情况下并按需要进行精加工。另外或备选地，环境障碍涂层(EBC)可施加至一体式构件100。
方法400仅通过实例的方式被提供。例如，可使用其它处理循环，例如，利用用于压实和/或固化CMC板层的其它已知的方法或技术。此外，一体式构件100可使用熔融渗透过程或化学气相渗透过程进行后处理或致密化，或者构件100可为被烧制以获得陶瓷基质的预陶瓷聚合物的基质。备选地，也可使用这些或其它已知过程的任何组合。
本书面描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法。本发明的可专利性范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例包括不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构要素，则此类其它实例意在处于权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件，所述陶瓷基质复合构件包括：
内壁，其限定第一内表面；
外壁，其限定第二内表面；以及
喷嘴，其从所述内壁延伸至所述外壁，
其中所述内壁、外壁以及喷嘴由陶瓷基质复合材料整体地形成，使得所述内壁、外壁以及喷嘴为单个一体式构件。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合构件，其特征在于，所述一体式构件具有前端和后端，并且其中所述一体式构件包括邻近所述前端的燃烧器衬里部分和邻近所述后端的燃烧器排气喷嘴级部分。
3.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合构件，其特征在于，所述一体式构件具有前端和后端，并且其中所述内壁和外壁限定邻近所述前端的燃烧室。
4.根据权利要求1所述的陶瓷基质复合构件，其特征在于，所述内壁、外壁以及喷嘴由所述陶瓷基质复合材料的板层形成。
5.根据权利要求4所述的陶瓷基质复合构件，其特征在于，形成所述一体式构件的一个部分的板层与形成所述一体式构件的另一部分的板层穿插。
6.根据权利要求5所述的陶瓷基质复合构件，其特征在于，用于形成所述一体式构件的所述一个部分的所述板层与用于所述一体式构件的另一部分的所述板层交错，以使所述板层穿插。
7.根据权利要求4所述的陶瓷基质复合构件，其特征在于，所述穿插的板层被固化并且用硅熔融渗透，以形成所述一体式构件。
8.一种用于形成燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件的方法，所述方法包括：
安置陶瓷基质复合材料的多个板层；
处理所述多个板层，以形成未加工状态的构件；
烧制所述未加工状态的构件；以及
使所述烧制的构件致密化，以产生最终的一体式构件，
其中所述一体式构件包括燃烧器衬里部分和燃烧器排气喷嘴级部分。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，安置所述多个板层包括安置多个燃烧器衬里板层和多个燃烧器排气喷嘴级板层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，安置所述多个板层包括使所述燃烧器衬里板层与所述燃烧器排气喷嘴级板层穿插，其中使所述燃烧器衬里板层与所述燃烧器排气喷嘴级板层穿插使所述燃烧器衬里部分和所述燃烧器排气喷嘴级部分成整体。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使所述燃烧器衬里板层与所述燃烧器排气喷嘴级板层穿插包括使燃烧器衬里板层与燃烧器排气喷嘴级板层交错。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述多个燃烧器衬里板层包括用于形成燃烧器衬里的内壁的多个板层，和用于形成燃烧器衬里的外壁的多个板层。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述多个燃烧器排气喷嘴级板层包括用于形成燃烧器排气喷嘴级的内端壁的多个板层、用于形成燃烧器排气喷嘴级的内端壁的多个板层，以及用于形成燃烧器排气喷嘴级的多个喷嘴的多个板层。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，处理所述板层包括固化所述板层，以产生单件构件。
15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述烧制的构件的致密化包括硅熔融渗透。
16.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述一体式构件包括内壁和外壁。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述一体式构件还包括从所述内壁延伸至所述外壁的喷嘴。
18.一种用于形成燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合构件的方法，所述方法包括：
安置陶瓷基质复合材料的多个板层，其中安置所述多个板层包括使多个燃烧器衬里板层与多个燃烧器排气喷嘴级板层穿插；
处理所述多个板层，以形成未加工状态的构件；
烧制所述未加工状态的构件；以及
使所述烧制的构件致密化，以产生最终的一体式构件，
其中所述一体式构件包括内壁和外壁，所述内壁和外壁限定邻近所述一体式构件的前端的燃烧室，并且
其中所述一体式构件包括喷嘴，所述喷嘴从所述内壁延伸至邻近所述一体式构件的后端的外壁。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，使所述燃烧器衬里板层与所述燃烧器排气喷嘴级板层穿插包括使燃烧器衬里板层与燃烧器排气喷嘴级板层交错。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述多个燃烧器排气喷嘴级板层包括用于形成燃烧器排气喷嘴级的内端壁的多个板层、用于形成所述燃烧器排气喷嘴级的外端壁的多个板层，以及用于形成所述燃烧器排气喷嘴级的多个喷嘴的多个板层。
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