[发明专利]具有互锁机械接头的CMC喷嘴和制造

说明书

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。

技术领域

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，本发明涉及一种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。

背景技术

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。

发明内容