陶瓷基体复合材料涡轮喷嘴壳体和组装方法技术

本发明专利技术题为“陶瓷基体复合材料涡轮喷嘴壳体和组装方法”。本公开提供了一种制造陶瓷基体复合材料(CMC)涡轮喷嘴壳体的方法。该方法包括：组装一次外部喷嘴平台、一次内部喷嘴平台、芯和后缘预成型件、以及翼型体；将一次外部喷嘴平台接合到翼型体的二次外部喷嘴平台；以及将一次内部喷嘴平台接合到翼型体的二次内部喷嘴平台。复合材料层片周向地环绕所述翼型体，并且它们的纵向边缘被切割成向下折叠的指状物。指状物在二次平台层片之间交织以形成二次外部喷嘴平台和二次内部喷嘴平台。

Ceramic matrix composite turbine nozzle shell and assembly method

【技术实现步骤摘要】
陶瓷基体复合材料涡轮喷嘴壳体和组装方法政府权利声明本公开中描述的专利技术是在美国政府的支持下以由能源部授予的合同号DE-FE0024006进行的。美国政府对本专利技术享有一定权利。
本公开涉及陶瓷基体复合材料制品及其生产方法的领域。更具体地，本公开涉及用于生产气体涡轮的陶瓷基体复合材料(CMC)喷嘴的更有效的方法，其中分开组装的预成型件组合以形成CMC喷嘴。
技术介绍
一些常规涡轮机器诸如气体涡轮系统用于产生电力。一般来讲，气体涡轮系统包括压缩机、一个或多个燃烧器、以及涡轮。空气可以经由其入口被吸入压缩机，在那里，空气通过经过多级旋转叶片和固定喷嘴而被压缩。压缩空气被引导到一个或多个燃烧器，在那里，燃料被引入，并且燃料/空气混合物被点燃并燃烧以形成燃烧产物。燃烧产物用作涡轮的工作流体。然后，工作流体流过涡轮中的流体流动路径，流动路径被限定在多个旋转叶片与设置在旋转叶片之间的多个固定轮叶之间，使得每组旋转叶片和每组对应固定喷嘴限定涡轮级。当多个旋转叶片旋转气体涡轮系统的转子时，联接到转子的发电机可以从转子的旋转产生电力。涡轮叶片的旋转还导致联接到转子的压缩机叶片的旋转。更具体地，气体涡轮喷嘴是涡轮区段的静态部件，其被配置为将热气路径中的热气(在高于2,200℉的温度下)引导到涡轮的旋转部分以实现转子的旋转运动。通常，气体涡轮喷嘴和叶片由超合金(金属)材料制成，其被涂覆有热障涂层和/或具有复杂的空气冷却特征。然而，转移到涡轮部件的空气代表气体涡轮的寄生损失，这降低了气体涡轮的总体效率。r>通过使用能够承受热气流动路径中的高温条件的更先进的材料，可以减少冷却部件所需的冷却空气的体积。陶瓷基体复合材料(CMC)是这种先进材料的一个示例。这种材料的特性降低相应零件的冷却要求，从而与常规气体涡轮相比提高了气体涡轮的效率。组装陶瓷基体复合材料部件可能是耗时的，特别是如果该部件包括复杂几何形状的话。例如，涡轮喷嘴包括基本上中空的翼型体，该翼型体定位在内部喷嘴平台与外部喷嘴平台之间。组装CMC部件的更有效的方法将会缩短这些部件的生产时间。在一些情况下，尽管用CMC材料实现了改进的热性能，但是涡轮喷嘴可能在竖直取向的翼型体与水平取向的内部平台壁和外部平台壁之间的接头处经受应力(具有发生破裂的可能性)。因此，加固这些接头的改进方法将会改进这些部件的耐用性和使用寿命。
技术实现思路
提供了一种制造陶瓷基体复合材料(CMC)涡轮喷嘴壳体的方法。该方法包括：组装一次外部喷嘴平台、一次内部喷嘴平台、芯和后缘预成型件、以及翼型体；将一次外部喷嘴平台接合到翼型体的二次外部喷嘴平台；以及将一次内部喷嘴平台接合到翼型体的二次内部喷嘴平台。通过堆叠和热压实第一多个平台层片来组装一次外部喷嘴平台；通过堆叠和热压实第二多个平台层片来组装一次内部喷嘴平台。通过将多个后缘层片堆叠并热压实为大体V形形状来组装后缘预成型件。通过将多个芯层片包裹在具有较宽端和较窄端的工具周围并且通过将堆叠的后缘层片布置在多个芯层片的较窄端附近来组装芯和后缘预成型件。通过将一组复合材料包裹层片周向地包裹在芯和后缘预成型件周围来组装翼型体。一组复合材料包裹层片中的每个复合材料包裹层片具有第一层和第二层，第一层具有平行于涡轮喷嘴的纵向轴线取向的第一单向纤维，第二层具有相对于第一单向纤维在横向方向上取向的第二单向纤维。复合材料包裹层片具有第一纵向边缘和第二纵向边缘。将第一纵向边缘和第二纵向边缘切割成指状物，并且使指状物在横向方向上远离芯层片折叠并在第二平台层片之间交织以限定二次内部喷嘴平台和二次外部喷嘴平台。将一次外部喷嘴平台接合到二次外部喷嘴平台，并且将一次内部喷嘴平台接合到二次内部喷嘴平台。附图说明涉及本领域的普通技术人员的说明书阐述本专利技术的系统和方法的完整的且能够实现的公开内容，包括使用该系统和方法的最佳模式。说明书涉及附图，其中：图1是可结合本公开的各种实施方案的示例性气体涡轮的功能框图；图2是根据本公开的一个方面的涡轮喷嘴的分解图；图3是根据本公开的一个方面的用于组装翼型件预成型件的部件的示意图；图4是根据本公开的芯预成型件的示意性俯视平面图；图5是根据本公开的后缘预成型件的示意性俯视平面图；图6是图4和图5的芯和后缘预成型件的示意性俯视平面图，一对示例性复合材料包裹层片包裹在该芯和后缘预成型件周围；图7是在堆叠成复合材料包裹层片之前的0度层片和90度层片的示意图；图8是使用图7的0度层片和90度层片组装的复合材料包裹层片的示意图；图9是示例性翼型件预成型件的一部分的透视图，其示出了在制造图3的翼型件预成型件期间执行的初始步骤；图10是图3的翼型件预成型件的一部分的示意性剖视图；图11是图2的陶瓷基体复合材料喷嘴预成型件的一部分的示意性剖视图；并且图12A和图12B是描述制造本专利技术的陶瓷基体复合材料喷嘴预成型件的方法的流程图。具体实施方式现在将详细地参考本公开的各种实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。具体实施方式使用数字和字母名称指代附图中的特征结构。附图和说明书中的相似或类似的名称已经用于指代本公开的相似或类似的零件。为了清楚地描述本公开的陶瓷基体复合材料喷嘴及其部件，将使用某些术语指代和描述本公开范围内的相关机器部件。在可能范围内，通用行业术语将以与术语的接受含义一致的方式来使用和采用。除非另有说明，否则应当对此类术语给出与本申请的上下文和所附权利要求书的范围一致的广义解释。本领域的普通技术人员将了解，通常可以使用若干不同或重叠术语来引用特定部件。在本文中可描述为单个零件的物体可以包括多个部件并在另一个上下文中被引用为由多个部件组成。另选地，在本文中可描述为包括多个部件的物体可以在别处被称为单个集成零件。此外，在本文中可以有规律地使用若干描述性术语，如下所述。术语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示单独部件的位置或重要性。通常，需要描述处于不同径向、轴向和/或周向位置的零件。如图1所示，“A”轴线表示轴向取向。如本文所用，术语“轴向的”和/或“轴向地”是指物体沿着轴线A的相对位置/方向，该轴线基本上平行于气体涡轮系统的旋转轴线。在特定零件诸如主喷嘴和翼型件预成型件的上下文中，术语“轴向的”和/或“轴向地”是指物体沿着轴线A的相对位置/方向，该轴线沿着零件的长度延伸穿过其中心线(如图3所示)。如本文进一步所用，术语“径向的”和/或“径向地”是指物体沿着轴线“R”的相对位置或方向，该轴线仅在一个位置处与轴线A相交。在一些实施方案中，轴线R基本上垂直于轴线A。最后，术语“周向的”是指围绕轴线A的移动或位置(例如，轴线“C”)。术语“周向的”可以是指围绕相应物体(例如，转子或零件的纵向轴线)的中心延伸的尺寸。本文所用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，并且不旨在进行限制。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造陶瓷基体复合材料(CMC)涡轮喷嘴壳体的方法，所述方法包括：/n堆叠和压实第一多个平台层片以组装一次外部喷嘴平台；堆叠和压实第二多个平台层片以组装一次内部喷嘴平台；/n将多个后缘层片堆叠成V形形状；/n通过将多个芯层片包裹在具有较宽端和较窄端的工具周围以限定中空翼型形状以及将所述堆叠的后缘层片布置在所述多个芯层片的所述较窄端附近来组装芯和后缘预成型件；/n通过以下方式组装翼型体：将一组复合材料包裹层片周向地包裹在所述芯和后缘预成型件周围，所述一组复合材料包裹层片中的每个复合材料包裹层片具有第一层和第二层，所述第一层具有平行于所述涡轮喷嘴的纵向轴线取向的第一单向纤维，所述第二层具有相对于所述第一单向纤维在横向方向上取向的单向纤维，其中每个复合材料层片具有第一纵向边缘和第二纵向边缘；将所述第一纵向边缘和所述第二纵向边缘切割成指状物；以及使所述指状物在横向方向上远离所述芯层片折叠并使每个复合材料包裹层片的所述指状物在第二平台层片之间交织以限定二次内部喷嘴平台和二次外部喷嘴平台；将所述一次外部喷嘴平台接合到所述二次外部喷嘴平台；以及/n将所述一次内部喷嘴平台接合到所述二次内部喷嘴平台。/n...

【技术特征摘要】
20181025 US 16/170,7731.一种制造陶瓷基体复合材料(CMC)涡轮喷嘴壳体的方法，所述方法包括：
堆叠和压实第一多个平台层片以组装一次外部喷嘴平台；堆叠和压实第二多个平台层片以组装一次内部喷嘴平台；
将多个后缘层片堆叠成V形形状；
通过将多个芯层片包裹在具有较宽端和较窄端的工具周围以限定中空翼型形状以及将所述堆叠的后缘层片布置在所述多个芯层片的所述较窄端附近来组装芯和后缘预成型件；
通过以下方式组装翼型体：将一组复合材料包裹层片周向地包裹在所述芯和后缘预成型件周围，所述一组复合材料包裹层片中的每个复合材料包裹层片具有第一层和第二层，所述第一层具有平行于所述涡轮喷嘴的纵向轴线取向的第一单向纤维，所述第二层具有相对于所述第一单向纤维在横向方向上取向的单向纤维，其中每个复合材料层片具有第一纵向边缘和第二纵向边缘；将所述第一纵向边缘和所述第二纵向边缘切割成指状物；以及使所述指状物在横向方向上远离所述芯层片折叠并使每个复合材料包裹层片的所述指状物在第二平台层片之间交织以限定二次内部喷嘴平台和二次外部喷嘴平台；将所述一次外部喷嘴平台接合到所述二次外部喷嘴平台；以及
将所述一次内部喷嘴平台接合到所述二次内部喷嘴平台。


2.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述一次外部喷嘴平台和形成所述一次内部喷嘴平台的步骤同时执行。


3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一多个平台层片中的所述平台层片包括具有在第一纤维方向上取向的单向纤维的第一平台层片和具有在横向于所述第一纤维方向的第二纤维方向上取向的单向纤维的第二平台层片；并且其中在所述一次外部喷嘴平台的所述组装中所述第一多个平台层片的所述堆叠和压实包括使所述第一平台层片与所述第二平台层片交替。


4.根据权利要求3所述的方法，其中所述一次外部喷嘴平台的所述组装还包括对所述堆叠和压实的第一多个平...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·德迭戈，约翰·埃林顿·格林，大卫·兰德尔·霍巴特，詹姆斯·约瑟夫·默里三世，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US