CN1948719A - 用于控制陶瓷基复合材料制品中的热应力的组件 - Google Patents

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CN1948719A CNA2006101359248A CN200610135924A CN1948719A CN 1948719 A CN1948719 A CN 1948719A CN A2006101359248 A CNA2006101359248 A CN A2006101359248A CN 200610135924 A CN200610135924 A CN 200610135924A CN 1948719 A CN1948719 A CN 1948719A
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Abstract

一种用于控制在经受高温同时受到金属制品支承时存在于陶瓷基制品内的热应力的组件和方法。所述组件包括由金属材料形成的且具有相对设置的第一表面和第二表面的第一主体，以及由陶瓷基材料形成的且受到所述第一主体的第一表面支承的第二主体。所述第一主体和第二主体位于热气路中，从而使得第二主体与第一主体的第一表面直接受到流动热气的冲击。所述组件进一步包括从第一主体的第二表面中伸出的大致呈均匀图案的翼片，和/或位于所述第一主体与第二主体之间的界面结构，所述界面结构形状配合地将第二主体保持在第一主体上并且使第一主体与第一主体热绝缘。

Description

用于控制陶瓷基复合材料制品中的热应力的组件
技术领域
本发明涉及陶瓷基复合材料(CMC)制品，例如燃气轮机引擎中的陶瓷基复合材料部件。更具体而言，本发明针对用于控制在经受高温同时受到金属结构的支承时存在于陶瓷基复合材料制品内的热诱发应力的组件和方法。
背景技术
为了提高燃气轮机引擎的效率，人们不断地寻求燃气轮机引擎更高的工作温度。然而，随着工作温度的升高，引擎中部件的高温耐久性也必须得到相应地增加。通过铁、镍和钴基超合金配方已经在高温性能方面取得了显著的进展。尽管如此，超合金部件必须经常进行空气冷却和/或受到一些形式的热和/或环境涂层体系的保护，以便使燃气轮机引擎中的一些部段例如涡轮机、燃烧器和增压器具有适当的使用寿命。
作为一个实例，图1和图2示出了多个喷嘴部段中的一个喷嘴部段10，当所述多个喷嘴部段被连接在一起时构成燃气轮机引擎中的环形高压涡轮(HPT)喷嘴组件。喷嘴部段10包括多个叶片12，每个叶片限定出一个翼面并且在外部平台(条带)14与内部平台(条带)16之间进行延伸。叶片12以及平台14和16可单独成形，然后例如通过将每个叶片12的端部硬钎焊在平台14和16上限定的开口内进行组装。另一种可选方式是，整个部段10可成形为一体的铸件。由于位于引擎的高压涡轮部段中，因此叶片12以及平台14和16面向叶片12的表面要经受来自引擎燃烧器的热的燃烧气体。由压缩机排出的空气常常被供应至叶片12以及平台14和16，用以如利用冲击和薄膜冷却技术提供强排通风冷却。隔热涂层(TBC)体系典型地被施涂在暴露于热的燃烧气体中的叶片12以及平台14和16的表面上，用以提供环境保护并且减少向喷嘴部段10的传热。
人们可以预期，喷嘴部段10在瞬态引擎工作条件下当被加热和进行冷却时分别产生膨胀和收缩。尽管设置有热防护装置以将使用温度降至最低，但是叶片12在热气路中的直接放置导致叶片12维持明显高于平台14和16温度的温度。结果是，在叶片12以及平台14和16由相似材料例如广泛使用的镍基超合金制成的情况下，叶片12产生膨胀和收缩的程度大于平台14和16产生膨胀和收缩的程度，由此导致在喷嘴部段10中产生明显的热诱发应变和应力。此外，由于受到燃烧气体的直接加热且平台14和16起到散热器的作用，因此沿每个叶片12的长度存在明显的温度梯度，由此进一步增大了叶片12内的热诱发应力。
鉴于燃气轮机引擎寻求更高的工作温度以提高其效率，陶瓷基复合材料(CMC)如含有碳化硅(SiC)的陶瓷基复合材料已被提议作为燃气轮机引擎中的一些部件，例如燃气轮机引擎中的涡轮叶片、桨叶、罩、燃烧器衬层和其它高温部件的材料。陶瓷基复合材料比当前使用的超合金具有更高的温度性能，因此能够更好地耐受燃气轮机引擎的热气路中所维持的温度。根据具体所使用的材料，CMC叶片12还典型地具有相对更低的热膨胀系数(CTE)，从而导致相对于平台14和16而言由叶片12维持的更高的温度热诱发出更小的应力和应变。然而，与超合金相比，CMC材料还具有更小的延性且具有明显更低的热导率，从而使得CMC叶片特别易于由于热诱发应变和应力而受到损伤。结果是，使用超合金平台(例如14和16)支承CMC叶片(例如12)的通常方法在于使用多个平台支承叶片的端部，从而允许叶片相对于所述平台进行差热移动。在共同转让的Olsen等的美国专利No.5,630,700和Darolia等的美国专利No.6,464,456中描述了一些值得关注的方法。
尽管Olsen等和Darolia等提出了以上进展，但是需要进一步的改进以便完全实现具有受到金属平台支承的CMC叶片的喷嘴组件。特别是，所希望的是改进CMC叶片与金属平台的界面和附接，以便不仅降低温度和热诱发应力和应变，而且将存在于CMC叶片12内的明显的温度梯度减至最小，常常会发现所述温度梯度超过约600°F/英寸(约124℃/厘米)。
发明内容
本发明主要提供一种用于控制在经受高温同时受到金属制品的结构支承时存在于陶瓷基制品内的热应力的组件和方法。
所述组件包括由金属材料形成的且具有相对设置的第一表面和第二表面的第一主体，以及由陶瓷基材料形成的且受到所述第一主体的第一表面支承的第二主体。所述第一主体和第二主体位于热气路中，从而使得第二主体与第一主体的第一表面直接受到流动热气的冲击。根据本发明的第一方面，所述组件进一步包括大致呈均匀图案的从第一主体的第二表面中伸出的翼片。所述翼片具有足够大的尺寸以增强第一主体的刚度并且促进从第一主体的传热。根据本发明的一个优选方面，所述翼片进一步用以在第一主体和第二主体内获得更加均匀的温度并且增强所述第一主体的刚硬性，从而使得能够将所述第一主体的热质量减至最小。
根据本发明的第二方面，所述组件进一步包括位于所述第一主体与第二主体之间的界面结构。所述界面结构包括：设置在第一主体与第二主体之间且被接收在所述第一主体的第一表面上的凹部中的弹性密封构件，以及与第一主体和第二主体分开形成的、与弹性密封构件一起被接收在凹部中且设置在弹性密封构件与第二主体之间的陶瓷鞍座。根据本发明的这一方面，所述陶瓷鞍座和弹性密封构件配合协作以有助于将第二主体形状配合保持在第一主体上并且使第一主体和第一主体彼此热绝缘，从而使得减小了第二主体内的热应力，所述热应力例如由第二主体内的热梯度所致。
本发明的方法主要要求：使由金属材料构成的第一主体形成以具有第一表面和大致呈均匀图案的从相对设置的第二表面中伸出的翼片。所述翼片具有足够大的尺寸以增强第一主体的刚度并且促进从第一主体的传热。然后，由陶瓷基材料构成的第二主体受到来自所述第一主体的第一表面的支承。然后，所得到的组件被放置在热气路中，从而使得第二主体与第一主体的第一表面直接受到流动热气的冲击。
通过上面所述可以意识到：本发明特别适用于燃气轮机引擎中的喷嘴组件，特别是陶瓷基叶片受到一对平台支承且被支承在一对平台之间的情况。
通过下面的详细说明能够更好地理解本发明的其它目的和优点。
附图说明
图1和图2分别是可受益于本发明的类型的燃气轮机引擎的喷嘴部段的透视图和剖视图；
图3示出了根据本发明的一个优选实施例构造的喷嘴组件的一部分的透视图；
图4是沿图3中剖面线4-4截取的图3所示喷嘴组件的剖视图；和
图5是沿图4中剖面线5-5截取的图3所示喷嘴组件的剖面图。
具体实施方式
图3至图5示意性地示出了喷嘴部段20的一部分，在与具有相似构造的部段组装在一起时，其构成燃气轮机引擎中的环形高压涡轮喷嘴组件。如图中所示喷嘴部段20包括受到单个平台24支承的单个叶片22，尽管应该理解：多个叶片可受到平台24以及第二平台的支承，导致与图1和图2所示大体上相似的构造。如图中所示叶片22是中空的，虽然也有可能存在多种不同的构造，包括被构造具有支柱、翼梁、机械支承结构的插件、用于增强内部冷却的障板等的叶片。尽管将结合HPT喷嘴组件对本发明作出描述，但是应该意识到：本发明的利益可适用于多种其它部件，包括但不限于，燃气轮机引擎中的低压涡轮(LPT)喷嘴组件和其它热部段部件。
平台24可由适于在燃气轮机引擎中使用的常规类型的材料如单晶镍、钴或铁基超合金形成。常规实践还已形成了包含相同或相似超合金的叶片22，从而使得叶片22和平台24具有相似的热膨胀系数和热导率，从而将引擎工作期间产生的热诱发应变和应力降至最小。然而，根据本发明，叶片22由陶瓷基材料形成，且更优选由CMC材料如SiC/SiC(强化相/基体相)陶瓷基复合材料形成。然而，应该理解：本发明适用于使用多种陶瓷基材料和金属材料，以及金属间化合物材料例如镍铝的金属互化物(NiAl)，以及特别是能够导致显著不同的热膨胀系数和/或热导率组合在一起的这些材料的组合。例如，特别适用于叶片22的CMC材料的热膨胀系数和热导率分别可在约1.9×10-6至约2.3×10-6in/in·°F(约8.7×10-5至约1.9×10-4mm/mm·℃)的范围内以及约7.8至约19.6BTU/hr·ft·°F(约13.5至约33.9W/mK)的范围内，相比之下，镍基超合金的热膨胀系数和热导率一般分别可在约7.3×10-6至约8.5×10-6in/in·°F(约3.3×10-4至约3.9×10-4mm/mm·℃)的范围内以及约6.8至约14.6BTU/hr·ft·°F(约11.8至约25.3W/mK)的范围内。特别是在瞬态引擎状态下当热导率和热质量也开始起作用时，这种热膨胀系数差异可导致在叶片22和平台24之间产生相当大的差热移动。
由图3至图5可见，叶片22受到平台24的表面26的支承。在如图3至图5所示的特定实施例中，平台24在引擎内沿径向自叶片22向内取向，且因此可被称作喷嘴部段20的内部平台(条带)。当被安装在燃气轮机引擎上时，叶片22和平台24的表面26直接受到由燃烧器(未示出)排出的并且沿引擎的热的气路流动的热的燃烧气体的冲击。因而，在引擎工作过程中，叶片22和平台24二者均受到剧烈加热。因此，可使用排气系统从引擎的压缩机(未示出)中抽出一部分压缩空气以冷却叶片22和平台24，例如通过借助在与叶片22相对的平台24的内表面28处直接排出空气和/或借助使排出的空气流过叶片22，对平台24进行背面冷却，所述排出空气的一部分可通过叶片22表面上的薄膜冷却孔(未示出)而被可选地排出。这种冷却技术在本领域中是已公知的，因此不需要对其进行进一步解释说明。
由图3至图5明显可见，平台24被构造用以包括从其内表面28中伸出的翼片30。翼片30具有足够大的尺寸以作为增强平台24刚度的加强件，由此允许平台24的剖面厚度减至最小从而降低平台24的热质量。结果是，降低了平台24的热惯性，利用背面冷却促进从平台24进行更快速地传热。由于热量能够辐射到的表面积增大，因此翼片30还优选起到促进从平台24进行辐射传热的次要作用。沿平台24长度的翼片30的适当的尺寸通常包括约2至约3毫米的厚度(平行于表面28)，和约2.5至约10毫米的高度(正交于表面28)。在如图3至图5所示的实施例中，刚好在叶片22下面翼片30的高度增大，从而结构性容纳被限定在平台24的外表面26上的凹部38(在下文中将对此进行更详细地描述)。为了促进平台24内的温度更加均匀，翼片30优选被构造用以限定出大致均匀的图案，例如如图3至图5所示的平行图案，且翼片30间的适当的均匀的间距为约6至约13毫米。由于翼片30使得平台24的刚硬性增大，因此在保持相同刚硬性的条件下，平台24(不包括翼片30)的剖面厚度可减小例如约15％-约25％，且同时导致平台24的热质量减少约10％-20％或更多。翼片30优选延伸达平台24的全部周界长度，并且例如在任何已公知类型的铸造工艺过程中与平台24的剩余部分一体成形并且被用以生产用于燃气轮机引擎喷嘴组件的平台。另一种可选方式是，翼片30可单独成形并且通过焊接、硬钎焊等进行附接。
图3至图5示出的叶片22利用界面结构32被装配到平台24上，所述界面结构32在叶片22与平台24之间提供一条弹性的、低热导率的通路。图中示出所述界面结构32包括密封部34和鞍座36，图中示出以上二者被嵌套在被限定在平台24的外表面26上的前述凹部38内。凹部38提供对叶片22的形状配合地轴向和切向保持，其作用效果可通过形成凹部38以延伸穿过平台24的内表面28并进入刚好在图4所示的凹部38下面的较高的翼片30中而得到促进。图4中一起示出了完全填充凹部38且在叶片22和平台24的相对表面之间是连续的密封部34和鞍座36。
密封部34主要提供叶片22和平台24之间所需的弹性互连，同时还用以阻止在叶片22和平台24之间发生气体泄漏和传热。密封部34优选以可被称作布封件的形式存在，所述布封件意味着由纤维织造出的织物型片材。为了耐受高压涡轮机内的燃烧气体的高温，尽管也可预见使用其它高温材料，但是纤维优选由氧化物弥散强化(ODS)材料形成。为了具有足够大的弹性并且提供所需水平的绝热，密封部34优选至少2-3毫米厚(正交于表面26)，孔隙率为约0.5％至约1.0％。此外，与过去提出的使用围绕CMC叶片底部的环形绳索密封部相比较，在叶片22下面，密封部34优选是连续的。密封部34的强度和刚度还必须足够大，从而在叶片22和平台24之间存在压缩载荷的情况下能够抵抗压缩。鉴于以上考虑，适于用作密封部34的材料的一个实例为商业上可从Plansee GmbH购买得到的商品名为PM2000的氧化物弥散强化FeCrAl合金。
鞍座36优选由陶瓷基材料形成，更优选由预浇铸的单块陶瓷材料如SiC形成。由于需要相对精确地控制鞍座36的几何结构，例如连结平行和正交于平台24的表面26的鞍座36部分的小半径倒角(fillet)，因此预浇铸的单块材料被认为比CMC材料更加优选。在不与由密封部34提供的弹性连接部分相互干扰的情况下，鞍座36通过邻接由凹部38限定出的带有台阶的台肩42提供叶片22与平台24间的形状配合保持。所述鞍座36边缘与台肩42之间的邻接-支承布置与在叶片22相对于平台24的端部处的适当支承相结合还阻止密封部34被鞍座36压紧。在该优选实施例中，鞍座36不会有意压缩密封部34。鞍座36的陶瓷材料还在界面结构32内提供附加的热绝缘，从而阻止在叶片22与平台24之间进行传热。为了具有足够大的厚度以达到一定的结构强度，鞍座36平行于和正交于平台24的表面26的部分分别优选为至少2.5至5毫米厚。带有台阶的台肩42位于平台24的表面26下面的深度优选等于鞍座36在凹部38内的部分的厚度，从而使得部分鞍座36与表面26大体上齐平。
图中示出鞍座36、叶片22和平台24的表面26上的凹部38具有互补构造，所述互补构造在其间形成搭接，如图4所示。特别是，图中示出密封部34和鞍座36具有彼此嵌套在一起且与在叶片22的壁部中限定出的凹部40嵌套在一起的L形剖面，限定出在平行于表面26的平面中和在正交于表面26的平面中的交叠部分。所述顺序搭接用以减少叶片22与平台24间的气体泄漏。
如上文中所述，翼片30用以通过促进从平台24进行的辐射传热并且减小平台24的热质量而降低平台24的温度。与如图3至图5所示的密封部34和鞍座36组合，界面结构32使叶片22与平台24热绝缘，由此降低了可能导致产生结构损伤的叶片22内的热梯度。界面结构32进一步使得叶片22能够被紧固到平台24上，从而允许在温度发生变化时叶片22相对于平台24产生膨胀和收缩，由此减小了在引擎工作过程中可能会导致叶片22破裂的叶片22内的热诱发应变和应力。更具体而言，叶片22能够沿径向和横向产生膨胀和收缩，所述横向包括引擎的周向和轴向。叶片22与平台24相对的端部上按照与现有技术相同的方式或者可选地按照与现有技术相一致的方式可紧固有第二平台(与图1所示的外部平台14相对应)，所述方式包括采用刚性更大的附接技术。使用任何一种方法，界面结构32都能够在叶片22与其平台24之间大概提供弹性足够大的连接部分，从而避免由如图1和2所示的多个喷嘴部段构造出喷嘴组件的现有技术实践，而是将内部平台24(以及外部平台)成形为单个连续的环。
尽管已结合特定实施例对本发明进行了描述，但是明显的是：本领域的技术人员也可以采取其它形式。例如，叶片22、平台24、翼片30和界面结构32可被构造成不同于附图中所示出的形式，同时仍然能够实现本发明的一个或多个旨在目的。因此，本发明的范围仅受到下面的权利要求书的限制。
零件列表
10  部段
12  叶片
14  平台
16  平台
20  部段
22  叶片
24  平台
26  表面
28  表面
30  翼片
32  结构
34  密封部
36  鞍座
38  凹部
40  凹部
42  台肩

Claims (10)

1、一种组件(20)，包括：由金属材料形成的且具有第一表面(26)和相对设置的第二表面(28)的第一主体(24)，以及由陶瓷基材料形成的且受到所述第一主体(24)的第一表面(26)支承的第二主体(22)，所述第一主体(24)和第二主体(22)位于热气路中，从而使得第二主体(22)与第一主体(24)的第一表面(26)直接受到流动热气的冲击，其特征在于：
大致呈均匀图案的翼片(30)从第一主体(24)的第二表面(28)中伸出，所述翼片(30)具有足够大的尺寸以增强第一主体(24)的刚度并且促进从第一主体(24)的传热。
2、根据权利要求1所述的组件(20)，其特征在于，所述翼片(30)与所述第一主体(24)一体成形。
3、根据权利要求1所述的组件(20)，其特征在于，所述第一主体(24)具有位于其第一表面(26)上的凹部(38)，所述组件(20)进一步包括位于所述第一主体(24)与第二主体(22)之间的界面结构(32)，所述界面结构(32)包括被接收在凹部(38)中且设置在第一主体(24)与第二主体(22)之间的弹性密封构件(34)，所述界面结构(32)进一步包括与第一主体(24)和第二主体(22)分开形成的、与弹性密封构件(34)一起被接收在凹部(38)中且设置在弹性密封构件(34)与第二主体(22)之间的陶瓷鞍座(36)。
4、一种组件(20)，包括第一主体(24)和第二主体(22)，所述第一主体(24)由金属材料形成且具有第一表面(26)、相对设置的第二表面(28)和所述第一表面(26)中的凹部(38)，所述第二主体(22)由陶瓷基材料形成且受到所述第一主体(24)的第一表面(26)的支承，所述第一主体(24)和第二主体(22)位于热气路中，从而使得第二主体(22)与第一主体(24)的第一表面(26)直接受到流动热气的冲击，其特征在于：
界面结构(32)被设置在第一主体(24)与第二主体(22)之间，所述界面结构(32)包括被接收在凹部(38)中且设置在第一主体(24)与第二主体(22)之间的弹性密封构件(34)，所述界面结构(32)进一步包括与第一主体(24)和第二主体(22)分开形成的、与弹性密封构件(34)一起被接收在凹部(38)中且设置在弹性密封构件(34)与第二主体(22)之间的陶瓷鞍座(36)。
5、根据权利要求3或4所述的组件(20)，其特征在于，所述陶瓷鞍座(36)和弹性密封构件(34)在其间形成搭接。
6、根据权利要求3-5中任一项所述的组件(20)，其特征在于，所述弹性密封构件(34)包括在叶片(22)与平台(24)之间连续的织物片材。
7、根据权利要求3-6中任一项所述的组件(20)，其特征在于，所述陶瓷鞍座(36)由单块陶瓷材料形成。
8、根据权利要求1-7中任一项所述的组件(20)，其特征在于，冷却空气冲击第一主体(24)的第二表面(28)。
9、根据权利要求1-8中任一项所述的组件(20)，其特征在于，所述组件(20)是燃气轮机引擎中的喷嘴部段(20)，所述第一主体(24)是喷嘴部段(20)中的平台(24)，且所述第二主体(22)是喷嘴部段(20)中的叶片(22)。
10、根据权利要求1-9中任一项所述的组件(20)，进一步包括相对第一主体(24)支承第二主体(22)以使第二主体(22)位于第一主体(24)与第三主体之间的第三主体。
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