用于燃烧式涡轮发动机的陶瓷部件制造技术

一种用于燃烧式涡轮发动机的部件，该部件具有陶瓷基质复合材料(“CMC”)中央基板(73)；中央基板具有基板肋(77)，基板肋桥接相对的基板侧壁(74、76)。中央基板(73)包括嵌入的增强纤维的第一图案，该嵌入的增强纤维的第一图案由一对织物增强片(80、100)叠置而成。相应的片(80、100)包括具有共面的侧连条状部的脊部(90、110)。每个片上的交替排的条状部被折叠成突出的褶状部(86、94、106、114)。相应的片(80、100)通过使其脊部(90、110)处于相对且相互间隔开的关系而被定向。相应的片(80、100)的脊部(90、110)被嵌入其相应的基板侧壁(74、76)内。相应的片的褶状排(86、94、106、114)被嵌入基板肋(77)及基板肋相对的相应第一侧壁(74)或第二侧壁(76)内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于燃烧式涡轮发动机的陶瓷部件
本专利技术涉及用于燃烧式涡轮发动机或燃气涡轮发动机的陶瓷基质复合材料(“CMC”)部件，比如涡轮叶片、轮叶、燃烧过渡部或发动机套管衬套。更具体地，本专利技术涉及包含用于部件的结构支承的纤维增强的固化陶瓷基板的CMC部件。每个基板中的纤维增强结构由在嵌入固结的固化陶瓷材料内之前折叠成各种结构的增强织物片构造。
技术介绍
已知的燃烧式涡轮发动机或燃气涡轮发动机包括：多级压缩机部分、燃烧部分、多级涡轮部分和转子。多个燃烧器联接至下游过渡部件，该下游过渡部件将燃烧气体从燃烧器引导至涡轮部分。大气压进气通常在沿着涡轮发动机的轴向长度流动的方向上被吸入压缩机部分。进气通过成排的旋转压缩机叶片而在压缩机部分中被逐渐加压，并且通过相配合的压缩机轮叶被引导至燃烧部分，进气在燃烧部分处与燃料混合并被点燃。被点燃的高温燃料/空气混合物——现在处于比初始进气的压力和速度大的压力和速度下——被引导通过过渡部而至涡轮部分中的连续的轮叶和叶片排。发动机的转子和轴对呈翼型横截面形状的多排涡轮叶片进行保持。常规地，具有暴露于热的燃烧气体的燃烧式涡轮发动机的部件比如燃烧器筐部、燃烧器过渡部、发动机套管衬套、涡轮部分叶片和涡轮部分轮叶由镍基超级合金或钴基超级合金构造。图1中示出了由超级合金材料构造的示例性已知类型的铸造金属涡轮叶片20。叶片20具有叶片根部平台22，从叶片根部平台22轴向地突出有叶片翼型件24，叶片翼型件24终止于鸣声器型(squealer-type)叶片稍部26。叶片翼型件24具有压力侧28和低压抽吸侧30。中空的叶片翼型件24被整体铸造的增强肋32桥接，从而将中空的叶片腔界定为前叶片腔34和后叶片腔36。下层的镍基超级合金基板或钴基超级合金基板通常限于约950摄氏度至1000摄氏度的工作温度。为了提高发动机的工作效率，希望燃烧温度高于1000摄氏度。为此，叶片流体冷却特征已经被结合到叶片中，以允许在更高的燃烧温度下的操作叶片。通常在位于前几个涡轮级中的超级合金基板上施加外部绝缘层或热障涂层(“TBC”)38，使得发动机操作温度高于1400摄氏度，同时将超级合金基板的内部温度限制为1000摄氏度或更低的温度。陶瓷基质复合材料(“CMC”)结构被结合到燃气涡轮发动机部件中，以作为这些部件的绝缘层和/或结构元件，比如绝缘套筒、轮叶和涡轮叶片，从而代替其原有类型的超级合金金属部件。CMC包括嵌入固结的固化陶瓷材料内的结构支承纤维。与不包含嵌入纤维的陶瓷结构相比，CMC的陶瓷基板内的嵌入纤维改善了抗伸长断裂性、断裂韧性、抗热冲击性和动态负载性能。CMC嵌入纤维取向还有助于部件的结构特性的选择性的各向异性的改变。CMC结构通过将陶瓷纤维——也称为“粗纱”——定向成织物、长丝缠绕物、多股丝束或编织物来制造。用于CMC的纤维增强制造与用以形成用于飞行器机翼或船体的纤维增强聚合物结构部件所进行的制造类似。纤维在其被定向之前用陶瓷材料进行预浸渍，或者替代性地，纤维在被定向之后然后通过比如气体沉积、熔体渗透、预制陶瓷聚合物热解、化学反应、烧结或陶瓷粉末的电泳沉积之类的技术而用陶瓷材料进行浸渍，从而形成具有嵌入式定向的陶瓷纤维的固化陶瓷结构。燃烧式涡轮发动机中的CMC部件提供了更好的抗氧化性和更高的温度性能，对于基于氧化物的陶瓷基质复合材料而言为在约1150摄氏度(“C”)的范围内，以及对于基于碳化硅纤维-碳化硅基板(“SiC-SiC”)的陶瓷基质复合材料而言为在高达约1350C的范围内，其显著高于在发动机内经受类似操作条件的超级合金材料部件的1000摄氏度的温度限制。虽然1150C(对于基于SiC-SiC的CMC而言为1350C)的操作性能是对常规超级合金温度限制的改进，但CMC的机械强度(例如，承载能力)也受到晶粒生长和与基质的反应过程和/或1150C/1350C及更高的环境温度的限制。在期望的燃烧式涡轮发动机的燃烧温度高达1600C至1700C的情况下，CMC需要在其自身与燃烧气体之间置入附加的热绝缘保护，以将其温度保持在1150C/1350C以下。CMC可以有利地接受通过如过去所做的将TBC层施加于超级合金部件而产生的附加的热绝缘保护。图2中示出了已知类型的示例性自支承复合涡轮叶片部件40。复合材料叶片40具有已知轮廓侧壁，该已知轮廓侧壁形成了包括压力侧44和抽吸侧46的叶片翼型件。侧壁包括嵌入到固化陶瓷材料内的一个或更多个层片的陶瓷增强织物的雪茄形外包裹物42。如以上所描述的，在使用的情况下，TBC通常被施加于外包裹物42。叶片40具有由前叶片腔48和中央叶片腔50界定的中空的内部腔。用于复合材料叶片40的内部肋结构支承件由预成形的内包裹物提供，预成形的内包裹物通常是嵌入到固化陶瓷材料中的一个或更多个层片的陶瓷增强织物的卷。复合材料叶片40具有前内包裹物(“FIW”)52和中央内包裹物(“CIW”)54。FIW52和CIW54的与侧壁桥接的部分构成基板肋55，基板肋55的功能与图1中示出的铸造叶片20的增强肋32的功能类似。前叶片腔48由FIW52的内部周边界定，并且中央叶片腔50由CIW54界定。位于外包裹物42内的在CIW54后面的朝向叶片40的渐缩尾缘的腔通常填充有未示出的附加的结构增强纤维和冷却通道。复合材料叶片40具有由抵接的外包裹物(“OW”)42、FIW52和CIW54制成的面向外部的表面为平面的包裹层，包裹层仅通过固化陶瓷材料附着至彼此，包裹层相互嵌入固化陶瓷材料中。由于复合材料叶片40在发动机运转期间受轴向载荷、径向载荷和扭转载荷的影响，因此在由参考支架56(由FIW52/CIW54形成的基板肋55)、58、62(相应地由OW42/FIW52形成)和60、64(相应地由OW42/CIW54形成)标识的相应的表面接合处产生剪切应力。如果那些剪切应力在示例性的参考包裹表面接合处未被抵抗，则包裹物中的一个或更多个包裹物可能会分层，从而损坏复合材料叶片40的结构。在这些示例性参考位置处的抗剪切应力依赖于固体陶瓷材料与包裹物之间的粘合强度以及固化陶瓷材料的剪切强度。美国专利No.7,799,405——其全部内容通过参引并入本文——通过使平面邻接的增强织物层相对于彼此互锁而增加了平面邻接的增强织物层之间的抗分层性。一个或更多个织物层中的互补的在平面之外的结构特征在邻接的一个或更多个织物层中的相配合的空隙或孔内进行互锁。
技术实现思路
用于燃烧式涡轮发动机的部件具有陶瓷基质复合材料(“CMC”)中央基板，该陶瓷基质复合材料(“CMC”)中央基板具有至少一个基板肋，所述至少一个基板肋联接至相对的第一基板侧壁和第二基板侧壁并且桥接相对的第一基板侧壁和第二基板侧壁，并且在基板肋和基板侧壁内嵌入有增强纤维的第一图案。第一图案由一对织物增强片或成对的多层片构造。相应的片对(或层片)包括脊部，其中，在脊部的至少一个横向侧具有共面的侧连条状部。在一些实施方式中，条状部通过对片进行切割来制造。交替排的条状部被折叠成从中央脊部横向突出的褶状部，而其余条状部保持与脊部共面。相应的片通过使其中央脊部处于相对且相互间隔开的关系而被定向。褶状条状部横跨第一片与第二片之间的预制件。相应的第一片和第二片的脊部嵌入其相应的第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于燃烧式涡轮发动机的陶瓷基质复合材料(“CMC”)部件，所述部件包括：固结且固化的纤维增强的陶瓷中央基板(73、133、330)，所述中央基板(73、133、330)具有至少一个基板肋(77A、77B、137A、137B)和增强纤维的第一图案，所述至少一个基板肋(77A、77B、137A、137B)联接至相对的第一基板侧壁(74、134)和第二基板侧壁(76、136)且桥接相对的所述第一基板侧壁(74、134)和所述第二基板侧壁(76、136)，所述增强纤维的第一图案被嵌入所述基板肋和所述基板侧壁内，所述第一纤维图案包括：相应的相对的增强织物的第一平面片(80、140、332、400)和增强织物的第二平面片(100、160、342、410)，所述第一片和所述第二片两者通过多排成一体的条状部分别形成了在至少一个横向侧侧连的长形脊部(90、110、150、170、333、343、402、412)，所述多排成一体的条状部交错排列成与所述脊部共面的交替的顺序排的平坦条状部(406、416)以及从所述脊部和所述平坦条状部向外突出的交替的顺序排的褶状条状部(408、418)；相应的所述第一片及所述第二片的脊状部和平坦条状部分别嵌入相应的所述第一基板侧壁(73、74、76)和所述第二基板侧壁(133、134、136)内，并且相应的所述第一片和所述第二片的交错排列的、共同对准且顺序相对排褶状部嵌入所述基板肋(77A、77B、137A、137B)及所述基板肋相对的相应第一侧壁或第二侧壁内；以及固结且固化的纤维增强的陶瓷外包裹物(72、132)，所述外包裹物(72、132)具有嵌入其中的第三增强织物的第二纤维图案，所述外包裹物限定所述中央基板(73、133、330)。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于燃烧式涡轮发动机的陶瓷基质复合材料(“CMC”)部件，所述部件包括：固结且固化的纤维增强的陶瓷中央基板(73、133、330)，所述中央基板(73、133、330)具有至少一个基板肋(77A、77B、137A、137B)和增强纤维的第一图案，所述至少一个基板肋(77A、77B、137A、137B)联接至相对的第一基板侧壁(74、134)和第二基板侧壁(76、136)且桥接相对的所述第一基板侧壁(74、134)和所述第二基板侧壁(76、136)，所述增强纤维的第一图案被嵌入所述基板肋和所述基板侧壁内，所述第一纤维图案包括：相应的相对的增强织物的第一平面片(80、140、332、400)和增强织物的第二平面片(100、160、342、410)，所述第一片和所述第二片两者通过多排成一体的条状部分别形成了在至少一个横向侧侧连的长形脊部(90、110、150、170、333、343、402、412)，所述多排成一体的条状部交错排列成与所述脊部共面的交替的顺序排的平坦条状部(406、416)以及从所述脊部和所述平坦条状部向外突出的交替的顺序排的褶状条状部(408、418)；相应的所述第一片及所述第二片的脊状部和平坦条状部分别嵌入相应的所述第一基板侧壁(73、74、76)和所述第二基板侧壁(133、134、136)内，并且相应的所述第一片和所述第二片的交错排列的、共同对准且顺序相对排褶状部嵌入所述基板肋(77A、77B、137A、137B)及所述基板肋相对的相应第一侧壁或第二侧壁内；以及固结且固化的纤维增强的陶瓷外包裹物(72、132)，所述外包裹物(72、132)具有嵌入其中的第三增强织物的第二纤维图案，所述外包裹物限定所述中央基板(73、133、330)。2.根据权利要求1所述的部件，所述褶状条状部(406、416)包括具有矩形轮廓的箱形褶状部(408、418)、或具有三角形轮廓的可折叠褶状部(346、352)或者具有正弦轮廓的波形褶状部。3.根据权利要求1所述的部件，还包括轴向增强肋(“ARR”)(190、192、240、242、244、246、310、312、314、316、360、362、430)，所述轴向增强肋(190、192、240、242、244、246、310、312、314、316、360、362、430)嵌入所述中央基板(73、133、330)的所述基板肋内且与所述第一增强织物片和所述第二增强织物片的相应的褶状条状部抵接。4.根据权利要求3所述的部件，所述轴向增强肋(190、192、240、242、244、246、310、312、314、316、360、362、430)被编织在所述第一增强织物片(80、140、332、400)和所述第二增强织物片(100、160、342、410)的交替且对准的相应的褶状部之间。5.根据权利要求3所述的部件，还包括轴向增强肋，该轴向增强肋在所述第一增强织物片(80、140、332、400)和所述第二增强织物片(100、160、342、410)的相应的突出的褶状部彼此交叉的每个位置处桥接基板肋。6.根据权利要求1所述的部件，所述第一增强织物片(80、140、332、400)和所述第二增强织物片(100、160、342、410)的相应的褶状条状部沿着他们相应的抵接表面(364、366)附着至其相对的织物片。7.根据权利要求1所述的部件，所述第一增强织物片和所述第二增强织物片的相应的褶状条状部能够沿着他们相应的抵接表面(368、369)相对于彼此和/或所述外包裹物滑动。8.根据权利要求1所述的部件，还包括由所述中央基板限定的固结且固化的纤维增强的陶瓷内包裹物(250)。9.根据权利要求1所述的部件，包括旋转涡轮叶片(70、130、330)或固定轮叶，所述中央基板(73、133)和所述外包裹物(72、132)形成所述叶片或所述轮叶的翼型件部分，其中，所述第一增强织物片和所述第二增强织物片的相应的脊部沿着从所述叶片或所述轮叶的根部到稍部的轴线对准；并且所述外包裹物以及所述中央基板的第一侧壁和第二侧壁形成所述翼型件的侧壁。10.根据权利要求1所述的部件，还包括覆于所述外包裹物且结合至所述外包裹物的热喷涂的、或气相沉积的或者溶液/悬浮等离子喷涂的热障涂层(“TBC”)。11.一种用于制造用于燃烧式涡轮发动机的陶瓷基质复合材料(“CMC”)部件的方法，所述方法包括：叠置出陶瓷纤维的第一图案(440)，以制造固结且固化的纤维增强的陶瓷中央基板，所述中央基板具有至少一个基板肋，所述至少一个基板肋联接至相对的第一基板侧壁和...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯蒂安·沙维尔·坎贝尔，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE