具有互锁机械接头的CMC喷嘴和制造制造技术

一种包括叶片和带的喷嘴，叶片和带中的每一个都具有限定的互锁特征。叶片和带各自由陶瓷基质复合物(CMC)形成，陶瓷基质复合物包括嵌入基质中的增强纤维。叶片和带包括一个或多个互锁特征。喷嘴还包括将叶片和带彼此连接的互锁机械接头。还提供了用于在互锁特征处连接叶片和带以形成互锁机械接头的方法。

CMC nozzle and manufacturing with interlock mechanical joint

A nozzle including a blade and a belt, each of which has a defined interlock feature. Blade and band free ceramic matrix composites (CMC) are formed, and the CMC includes reinforcing fibers embedded in the matrix. Blades and bands include one or more interlocking features. The nozzle also includes an interlock mechanical joint that connects the blades and the belt to each other. A method for connecting blades and strips at interlocking features to form an interlocking mechanical joint is also provided.

【技术实现步骤摘要】
具有互锁机械接头的CMC喷嘴和制造
本文公开的主题涉及陶瓷基质复合物(CMC)子部件和这些子部件的连接。更具体地，本专利技术涉及一种CMC喷嘴和利用一个或多个互锁机械接头由多个子部件形成CMC喷嘴的方法。
技术介绍
燃气涡轮发动机具有多个部件。空气进入发动机并通过压缩机。压缩空气通过一个或多个燃烧器。在燃烧器内是一个或多个喷嘴，其用于将燃料引入通过燃烧器的空气流中。所产生的燃料-空气混合物在燃烧器中由点火器点燃，以产生约1100℃至2000℃范围内的热的加压燃烧气体。离开燃烧器的这种高能量气流被第一级涡轮喷嘴改变方向到下游的高压和低压涡轮级。燃气涡轮发动机的涡轮部分包括转子轴和一个或多个涡轮级，每个涡轮级具有安装或以其他方式由轴承载的涡轮盘(或转子)和安装到盘的周边并从盘的周边径向延伸的涡轮叶片。涡轮组件通常通过扩展由燃料-空气混合物的燃烧产生的高能量气流来产生旋转轴动力。燃气涡轮铲斗或叶片通常具有翼型形状，其设计成将流动路径气体的热能和动能转换成转子的机械旋转。在这些阶段中，膨胀的热气体在涡轮叶片上施加力，从而提供额外的旋转能量，例如，驱动发电发电机。在用于燃气涡轮发动机的先进气体路径(AGP)传热设计中，CMC的高温能力使其成为一种有吸引力的材料，由此可以制造诸如涡轮叶片，喷嘴和护罩的弓形部件。在涡轮发动机内，喷嘴级包括多个叶片，也称为桨叶或翼型，每个叶片或多个叶片连接到多个带，也称为平台。已经使用许多技术来制造涡轮发动机部件，例如使用CMC的涡轮叶片，喷嘴或护罩。CMC材料通常包括嵌入陶瓷基质材料中的陶瓷纤维增强材料。在基质破裂的情况下，增强材料用作CMC的承载组分；陶瓷基质保护增强材料，保持其纤维的取向，并在没有基质破裂的情况下承载负荷。高温应用(例如在燃气涡轮发动机中)特别感兴趣的是硅基复合材料。已经提出基于碳化硅(SiC)的CMC材料作为燃气涡轮发动机的某些部件的材料，例如涡轮叶片，叶片，燃烧器衬里，喷嘴和护罩。SiC纤维已被用作各种陶瓷基质材料的增强材料，包括SiC，C和Al2O3。已知各种方法用于制造基于SiC的CMC部件，包括Silicomp，熔体渗透(MI)，化学气相渗透(CVI)和聚合物渗透和热解(PIP)。除了基于非氧化物的CMC(例如SiC)之外，还存在基于氧化物的CMC。尽管这些制造技术彼此显著不同，但每个都涉及预制件的制造和致密化，以通过包括在各种处理阶段施加热和/或压力的处理来生产部件。在许多情况下，制造复杂的复合部件，例如制造CMC燃气涡轮喷嘴，涉及在小半径上形成纤维，这可能导致可制造性的挑战。更复杂的几何形状可能需要复杂的加工，复杂的压实等。结果，可以制造两个或更多个更简单形状的部件并将其连接成更复杂的形状。这种方法降低了制造复杂性。因此，在CMC领域中特别感兴趣的是将一种CMC子部件或预制件连接到另一CMC或陶瓷子部件上以形成完整的部件结构。例如，当整个完整结构的形状复杂性可能太复杂而不能作为单个部件制造时，例如使用前面提到的燃气涡轮喷嘴，尤其是喷嘴叶片和带，可能会出现一个CMC子部件与另一个CMC子部件的连接。可能出现将一个CMC子部件连接到另一个CMC子部件的另一个例子是当大的复杂结构难以作为单个部件铺设时的情况，并且制造并连接多个子部件以形成大的复杂结构。目前粘合CMC子部件的处理包括但不限于扩散粘合，反应形成，熔体渗透，钎焊，粘合剂等。在由连体子部件形成的这些CMC部件结构中特别关注的是在施加负载的影响下在连接处理中形成的接头的分离或失效。因此，需要一种改进的互锁机械接头和将燃气涡轮喷嘴的一个CMC子部件连接到另一个CMC子部件或陶瓷整体式子部件以形成完整的燃气涡轮喷嘴的方法。所产生的互锁机械接头为燃气涡轮喷嘴结构提供强度和韧性。
技术实现思路
本公开的各种实施例包括陶瓷复合材料燃气涡轮喷嘴和使用互锁机械接头的制造。根据一个示例性实施例，公开了一种用于燃气涡轮的陶瓷基质复合物(CMC)部件。陶瓷基质复合物(CMC)部件包括：由陶瓷基质复合物(CMC)组成的叶片，陶瓷基质复合物包括嵌入基质中的增强纤维；由陶瓷基质复合物(CMC)组成的带，陶瓷基质复合物包括嵌入基质中的增强纤维；和连接叶片和带以形成陶瓷基质复合物(CMC)部件的至少一个互锁机械接头。该带包括在其中形成表面的互锁凹部。根据另一示例性实施例，公开了一种用于燃气涡轮的喷嘴。该喷嘴包括：叶片，其包括腔体包裹物，腔体包裹物纵向延伸穿过叶片并从叶片的至少一端延伸并在其中限定腔；带，其包括形成在其中的开口和限定在外表面中的凹部；以及至少一个互锁机械接头，其连接叶片和带以形成喷嘴。叶片由陶瓷基质复合物(CMC)组成，陶瓷基质复合物包括嵌入基质中的增强纤维。该带由陶瓷基质复合物(CMC)组成，陶瓷基质复合物包括嵌入基质中的增强纤维。腔体包裹物构造成在至少一个互锁机械接头处与带中的开口接合。根据又一个示例性实施例，公开了一种形成陶瓷基质复合物(CMC)部件的方法。该方法包括：提供由陶瓷基质复合物(CMC)组成的叶片，陶瓷基质复合物包括嵌入基质中的增强纤维；提供由陶瓷基质复合物(CMC)组成的带，陶瓷基质复合物包括嵌入基质中的增强纤维，带在多个互锁特征处将叶片机械连接到带，以在它们之间形成多个互锁机械接头。叶片和带中的每一个包括多个互锁特征。多个互锁特征中的一个或多个包括至少一个互锁接头和形成在带中的凹部。通过参考附图阅读以下详细描述和所附权利要求，本公开的其他目的和优点将变得显而易见。在结合若干附图和所附权利要求阅读以下详细描述后，本申请的这些和其他特征和改进对于本领域普通技术人员将变得显而易见。附图说明通过以下结合描述本公开的各种实施例的附图的本公开的各个方面的详细描述，将更容易理解本公开的这些和其他特征，其中：图1是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的航空燃气涡轮发动机的横截面图示；图2是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的燃气涡轮喷嘴的一部分，更具体地，处于未连接状态的叶片和带，的示意性立体图；图3是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的燃气涡轮喷嘴的一部分，更具体地，处于连接状态的叶片和带，的示意性立体图；图4是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的燃气涡轮喷嘴的一部分，更具体地，处于连接状态的叶片和带，的示意性立体图；图5是示出根据本文所示或所述的一个或多个实施例的用于连接喷嘴的多个子部件的互锁机械接头的简化剖视图；图6是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的图5的带子部件的顶部示意图；图7A是示出根据本文所示或所述的一个或多个实施例的用于连接喷嘴的多个子部件的互锁机械接头的另一实施例的简化剖视图；图7B是示出根据本文所示或所述的一个或多个实施例的用于连接喷嘴的多个子部件的互锁机械接头的另一实施例的简化剖视图；图8是示出根据本文所示或所述的一个或多个实施例的用于连接喷嘴的多个子部件的互锁机械接头的另一实施例的简化剖视图；图9是示出根据本文所示或所述的一个或多个实施例的用于连接喷嘴的多个子部件的互锁机械接头的另一实施例的简化剖视图；图10是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的图9的带子部件的下侧的示意性立体图；图11是示出根据本文所示或所述的一个或多个实施例的用于连接喷嘴的多个子部件的互锁机械本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷基质复合物(CMC)部件(60,100,105,110,120,130,140,150,160,170,180,185)，其特征在于，包括：叶片(62)，所述叶片(62)由陶瓷基质复合物(CMC)组成，所述陶瓷基质复合物包括嵌入基质中的增强纤维(94)；带(64)，所述带(64)由陶瓷基质复合物(CMC)组成，所述陶瓷基质复合物包括嵌入基质中的增强纤维(94)，所述带(64)包括在其中形成表面的互锁凹部(84)；和至少一个互锁机械接头(98)，所述至少一个互锁机械接头(98)连接所述叶片(62)和所述带(64)，以形成所述陶瓷基质复合物(CMC)部件。

【技术特征摘要】
2018.05.02 US 15/969,4351.一种陶瓷基质复合物(CMC)部件(60,100,105,110,120,130,140,150,160,170,180,185)，其特征在于，包括：叶片(62)，所述叶片(62)由陶瓷基质复合物(CMC)组成，所述陶瓷基质复合物包括嵌入基质中的增强纤维(94)；带(64)，所述带(64)由陶瓷基质复合物(CMC)组成，所述陶瓷基质复合物包括嵌入基质中的增强纤维(94)，所述带(64)包括在其中形成表面的互锁凹部(84)；和至少一个互锁机械接头(98)，所述至少一个互锁机械接头(98)连接所述叶片(62)和所述带(64)，以形成所述陶瓷基质复合物(CMC)部件。2.根据权利要求1所述的部件(60,100,105,110,120,130,140,150,160,170,180,185)，其特征在于，其中所述叶片(62)包括腔体包裹物(78)，所述腔体包裹物(78)至少实质上延伸穿过所述叶片(62)并在其中限定腔(80)，所述腔体包裹物(78)构造成与所述带(64)中的开口(82)接合。3.根据权利要求2所述的部件(100,105,110)，其特征在于，其中所述至少一个互锁接头(98)包括一个或多个突起(102)，所述一个或多个突起(102)被限定在所述带(64)中，并且与形成在所述叶片(62)中的相应的一个或多个凹部(104)配合地接合。4.根据权利要求2所述的部件(120,130)，其特征在于，其中所述至少一个互锁接头(98)包括所述腔体包裹物(80)中的弯曲部，所述弯曲部使所述腔体包裹物(80)与形成在所述带(64)中的所述开口(82)配合地接合。5.根据权利要求2所述的部件(140)，其特征在于，其中所述至少一个互锁接头(98)包括将所述叶片(62)联接到所述带(64)的一个或多个带状物(142)。...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨拉·萨克斯顿·安德伍德，道格拉斯·格伦·迪赛尔，迈克尔·雷·图尔茨，丹尼尔·吉恩·邓恩，道格拉斯·梅尔顿·卡珀，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US