專利名稱：渦輪環(huán)組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于渦輪機的渦輪環(huán)組件，該組件包括環(huán)支撐結(jié)構(gòu)和多個環(huán)段， 每個環(huán)段包括一陶瓷基合成材料制成的單一件。
背景技術(shù)：
本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域具體為氣體渦輪航空發(fā)動機領(lǐng)域。然而，本發(fā)明也可用于其他渦輪機，例如工業(yè)渦輪機。陶瓷基合成物(CMC)材料因它們良好的機械性能和在高溫下保持其性能的能力而為人們所知，其中良好的機械性能使它們適于制造結(jié)構(gòu)性部件。在氣體渦輪航空發(fā)動機領(lǐng)域中，在較高的工作溫度下提高效率和減少污染排放是首要目標(biāo)。因此，已設(shè)想在此發(fā)動機不同較熱部分使用CMC材料，特別是CMC材料的密度小于傳統(tǒng)使用的高熔點金屬的密度。因此，制造單件CMC渦輪環(huán)段已經(jīng)記載在文獻US 6 932 566中。該環(huán)段具有K形子午線截面，帶有環(huán)形基底，其中內(nèi)表面限定渦輪環(huán)的內(nèi)表面；以及外表面，從該外表面延伸出兩個片形部分，其端部接合于支撐該環(huán)的金屬結(jié)構(gòu)的U形殼體中。所述片的端部接合于所述U形殼體中，具有徑向間隙，它們通過彈性構(gòu)件被保持為徑向支撐殼體的表面，所述彈性構(gòu)件在環(huán)段上施加一反向力，該力沿徑向朝向環(huán)的軸線。所述片的端部帶有間隙地接合于殼體中使得在CMC與環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的金屬間可適應(yīng)不同的膨脹，然而，該彈性裝配具有一些缺點。因而，這樣的彈性裝配與在環(huán)段初始安裝后通常進行的拋光加工不相適應(yīng)，該拋光加工是為了賦與環(huán)的內(nèi)表面幾乎完美的圓柱形。另外，當(dāng)由環(huán)圍繞的轉(zhuǎn)子輪上的葉片的尖端與涂覆于其內(nèi)表面上的耐磨涂層接觸時，該彈性裝配產(chǎn)生不期望的振動現(xiàn)象。而且，在環(huán)段內(nèi)側(cè)上氣流的密封相對于環(huán)段外側(cè)受到影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明尋求避免這些缺點，為此目的，本發(fā)明提出一種渦輪環(huán)組件，其包括一環(huán)支撐結(jié)構(gòu)和多個環(huán)段，每個環(huán)段包括一陶瓷基合成材料的單一件，每個環(huán)段具有一第一部分， 該第一部分形成一環(huán)形基底，該環(huán)形基底具有內(nèi)表面和外表面，該內(nèi)表面限定渦輪環(huán)的內(nèi)表面，從該外表面延伸出兩個片形的部分，所述片形部分的端部接合在環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的殼體中，在該渦輪環(huán)組件中，所述環(huán)段的截面大致為η形，所述片的端部被該環(huán)支撐結(jié)構(gòu)無間隙地徑向保持。因此，該渦輪環(huán)組件的特征為，CMC環(huán)段由環(huán)支撐結(jié)構(gòu)無間隙地徑向保持，它們的形狀使得它們被保持的位置距離工作中的最熱區(qū)域相對較遠。有利地，所述片在子午線截面中的自由長度不小于它們平均寬度的3倍。
同樣有利的是，所述片在子午線截面中大致為S形。根據(jù)該渦輪環(huán)組件的一個特征，所述片的一個或第一個，其端部通過接合在該環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的單件鉤形部分中的一大致U形截面的殼體中而徑向保持。在示例中，此第一片為上游片。優(yōu)選地，U形截面的殼體由相對的內(nèi)、外分支所限定，內(nèi)分支的長度小于外分支的長度。根據(jù)該渦輪環(huán)組件的另一個特征，所述片的一個或第二個，其端部通過一配合的夾子無間隙地抵靠環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的環(huán)形表面而徑向保持。在示例中，此第二片為下游片。根據(jù)該渦輪環(huán)組件的又一特征，每個環(huán)段通過凸出的大致互補的軸向保持部分的相互接合而軸向保持，其中所述軸向保持部分形成在片和環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的一個部分的相對支撐表面上。在所述相對支撐表面之間可插入一密封襯墊。該連接片的支撐表面上凸出的軸向保持部分可以是與形成在環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的支撐表面上的凸肋配合的槽的形式，該槽有利地具有大致V形的剖面輪廓。


在閱讀以下作為非限定性例子的實施例的說明后，本發(fā)明將得到更好的理解。該說明參照附圖，其中圖1是顯示本發(fā)明渦輪環(huán)組件的一實施例的子午線半截面圖；圖2-4是顯示圖1中環(huán)組件的環(huán)支撐結(jié)構(gòu)中一環(huán)段的組件的示意圖；圖5A和5B是顯示圖1所示環(huán)組件的用于CMC環(huán)段的纖維坯料實施例的兩個三維編織平面圖；圖6是顯示圖1中渦輪環(huán)組件的用于CMC環(huán)段的纖維預(yù)成型件；圖7顯示制造CMC渦輪環(huán)段的方法所實施的連續(xù)步驟；和圖8是顯示用于本發(fā)明的渦輪環(huán)組件的CMC環(huán)段的一變化實施例的子午線截面圖。
具體實施例方式圖1顯示一高壓渦輪環(huán)組件，其包括CMC渦輪環(huán)1和金屬環(huán)支撐結(jié)構(gòu)3。渦輪環(huán)1 包圍一組旋轉(zhuǎn)葉片5。該渦輪環(huán)1由多個環(huán)段10組成，圖1為在兩個相鄰環(huán)之間穿過的一平面上的子午線截面圖。每個環(huán)段10的截面大致為π形，帶有一環(huán)形基底12，該基底具有涂覆有耐磨材料的層13的內(nèi)面，該內(nèi)面限定通過渦輪的氣流的流動通道。具有大致S形的子午線截面的片 14、16從環(huán)形基底12的外面延伸過其整個長度。所述片中的一個，或上游片14，向上游延伸，其上游端部Ha位于環(huán)形基底12的上游端的上游。另一片16，或下游片，向下游延伸， 其下游端部16a位于環(huán)形基底12的下游端的下游。在此使用的術(shù)語“上游”和“下游”是參照穿過渦輪的氣流的流動方向(箭頭F)。固定到渦輪殼體30上的環(huán)支撐結(jié)構(gòu)3包括環(huán)形上游徑向法蘭32，該環(huán)形上游徑向法蘭具有環(huán)形截面的鉤34，帶有U形子午線截面，其沿下游軸向打開。鉤34具有相對的內(nèi)、外環(huán)形分支3 和34b。片14的環(huán)形上游端部分Ha接合在分支34a、34b的內(nèi)面35a、 35b之間。具有面35a的鉤34的分支34a比具有面35b的分支34b短，分支35a因而從分支35b的端部終止向上游。面3 具有直線的輪廓，而面3 具有縮進35c，使得鉤開口附近的面3 和3 之間的徑向距離d比鉤34底部附近的面3 和3 之間的徑向距離稍小。距離d等于或稍小于片14的端部分14a的厚度e，使得片14的端部分1 無間隙地甚至在一定壓力下接合在鉤34開口附近的表面3 和34b之間。與此相反，在鉤34底部附近的端部分Ha和表面34d之間留有小量的間隙j。也應(yīng)當(dāng)觀察到，在面3 的下游端部形成有一倒角。將片14的端部分14a安裝到鉤34中于是在氣流的流動通道與環(huán)段的外面之間， 在其上游端提供密封。在下游端，該環(huán)支撐結(jié)構(gòu)包括L截面的環(huán)形法蘭36，其終止于環(huán)形支撐部分36a， 片16的環(huán)形端部分16a撐靠在該環(huán)形支撐部分36a上。按已知方式，該片16的端部分16a 和法蘭36的支撐部分36a通過具有U形子午線截面的夾38而無間隙地持續(xù)互相壓靠。該夾通過插在指3 和16b之間而被阻止相對于法蘭36和片16周向移動，所述指3 和1 從法蘭36的部分36a和從片16的端部分16a向下游凸出。法蘭36的支撐部分36a具有一圓周的凸肋37，該凸肋向內(nèi)凸出并容納于槽17中， 槽17形成在片16的端部分16a的外環(huán)形表面中。槽17的截面優(yōu)選大致V形，而凸肋的截面為大致U形或V形。這用來阻止環(huán)段沿軸向相對于環(huán)支撐結(jié)構(gòu)移動。為了確保穿過渦輪的氣流流動通道與在其下游端的渦輪環(huán)的外側(cè)之間具有最好可能密封，一襯墊20被壓于法蘭36的支撐部分36a與片16的端部分16a之間。在示例中， 襯墊20由保持在一殼體中的金屬編織層構(gòu)成，該殼體形成在凸肋37下游的支撐部分36a 的內(nèi)面中。另外，段間密封由位于槽中的密封舌提供，所述槽在兩相鄰環(huán)段的面對邊緣中相互面對。一舌2 越過在其中間部分的環(huán)形基底12的幾乎整個長度延伸。另一舌22b沿片14延伸。在一端，舌22b與舌2 鄰靠，而在另一端，舌22b來到片14的端部分14a的上面，優(yōu)選位于該片無間隙地接合在鉤34中的位置。另一舌22c沿片16延伸。在一端，舌 22c與舌2 鄰靠，而在另一端，舌22c來到片16的端部分16a的上面，優(yōu)選位于襯墊20的位置。在示例中，舌22a、22b和22c由金屬制成，它們在冷卻時具有間隙地安裝在它們的殼體中，以在它們工作時的溫度下提供密封作用。將CMC環(huán)段的片14和16與環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的金屬部分無相對間隙的組裝是可能的， 盡管熱膨脹系數(shù)有所不同，因為·組裝在與環(huán)形基底12的暴露于氣流的熱表面具有一定距離處進行；和 在片14和16的子午線截面中，片14和16的長度優(yōu)選相對于它們的平均寬度較長，使得在環(huán)形基底12與片14和16的端部之間獲得有效的熱衰減，特別是由于CMC具有較低的熱傳導(dǎo)率。而且，以傳統(tǒng)方式，穿過法蘭32形成通風(fēng)孔32a，用于從渦輪環(huán)10的外側(cè)帶來涼空氣。優(yōu)選地，片的自由長度等于它們平均寬度的至少3倍。在此使用的術(shù)語“自由長度”表示在與環(huán)形基底12相連處與和支撐結(jié)構(gòu)接觸處之間的子午線截面的輪廓長度。圖2-4顯示組裝一環(huán)段的連續(xù)步驟。分支34a、34b軸向長度的差異，在鉤34底部間隙j的存在，以及在面3 端部倒角的存在使得為穿過凸肋37而傾斜環(huán)段變得容易(圖2)，幾度的較小傾斜角已足夠。這避免在CMC環(huán)段上的過大的彎曲應(yīng)力。當(dāng)槽17面對凸肋37時，環(huán)段可退回入位(圖3)。當(dāng)片14的端部分1 抵靠法蘭36的支撐部分36a時(圖4)，片14的端部分1 牢固地壓靠鉤；34的開口附近的鉤34的分支34b的面35b，并撐靠相對面35a。片14的端部分14a因此與面3 和3 緊密接觸。所有的密封舌22a、22b和22c可在將所有段10裝進渦輪殼體前就位。在一變例中，段10可一個接一個無舌地安裝在殼體中，它們可連續(xù)周向間隔設(shè)置，以插入所述舌。 每個環(huán)段10由CMC通過形成纖維預(yù)成型件以及通過用陶器基體密化環(huán)段而制成， 其中該預(yù)成型件的形狀與環(huán)段的形狀接近。為了制造纖維預(yù)成型件，可使用陶瓷纖維的紗線，例如SiC纖維的紗線，例如由日本供應(yīng)商Nippon Carbon以名稱“Nicalon”出售的紗線，或碳纖維紗線。該纖維預(yù)成型件優(yōu)選通過三維編織制成，或通過多層編織制成，具有非互連區(qū)域， 以使對應(yīng)于片14和16的預(yù)成型件部分與對應(yīng)于基底12的預(yù)成型件部分分隔開。經(jīng)線截面中的圖5A和5B顯示用于編織坯料100的連續(xù)編織平面的例子，該坯料適于獲得一環(huán)段預(yù)成型件。在所示例子中，彎曲紗線層的總數(shù)量為4。自然地，它也可不為4，特別是可以更大。在第一平面圖中(圖5A)，經(jīng)紗層均通過一緯紗互連，該緯紗位于對應(yīng)于環(huán)的上游端和下游端之間的環(huán)的中央部分的坯料的中央部分，而該中央部分的每側(cè)均具有互連的經(jīng)紗的僅最上面兩層。在后面的平面圖(圖6)中，經(jīng)紗層仍全部由位于坯料中央部分的緯紗互連， 同時經(jīng)紗僅兩底層的中央部分的每側(cè)互連。應(yīng)觀察到，經(jīng)紗上層的經(jīng)紗數(shù)量大于底層的數(shù)量，以對連接片提供足夠的長度。編織可以是互鎖型的，如圖中所示。也可使用其他三維或多層編織法，例如多平紋或多緞紋編織法。可參考文獻WO 2006/136755。在編織后，坯料100可成形以獲得環(huán)段預(yù)成型件110，而不切去任何紗線，如圖6中所示，其中僅可看到經(jīng)紗和預(yù)成型件110的包絡(luò)輪廓。圖7顯示制造CMC環(huán)段的一種方法的連續(xù)步驟，例如由SiC纖維制成的纖維預(yù)成型件。在步驟70中，使用SiC纖維紗線編織連續(xù)的纖維帶，所述帶沿經(jīng)紗方向具有其縱向方向，如圖5A和5B中所示的那樣。在步驟71中，纖維帶被處理以消除纖維上的膠料以及纖維表面的氧化物。所述氧化物通過酸性處理而消除，特別是通過在氫氟酸浴中的浸沒而消除。如果膠料無法通過酸處理而消除，則實施消除膠料的前期處理，例如通過短期熱處理來分解膠料。在步驟72中，一薄層界面涂層通過化學(xué)蒸汽滲透(CVI)形成在纖維帶的纖維上。 在示例中，界面涂層的材料是熱解炭或高溫碳(PyC)、一氮化硼(BN)或含硼的碳(BC，例如具有5% -20%原子百分數(shù)的B，余下的是C)。該界面涂層的薄層優(yōu)選具有較小厚度，例如不大于100納米(nm)，或?qū)嶋H上不大于50nm，以使纖維坯料保持良好的變形能力。該厚度優(yōu)選不小于10nm。在步驟73中，纖維帶與其涂有一薄層界面涂層的纖維由加固合成物浸漬，典型為選擇性在溶劑中稀釋的樹脂?？墒褂锰记吧順渲?，例如酚醛樹脂或呋喃樹脂，或陶瓷前身樹
6脂，例如為SiC前身的聚硅氨烷或聚硅氧烷樹脂。在通過從樹脂去除任何溶劑而進行干燥(步驟74)后，單個的纖維坯料100被切去(步驟75)。在步驟76中，用此方法切除的纖維坯料被成形并置于一例如由石墨制成的模具或成形器中，用于成形以獲得形狀與所制造環(huán)段10的形狀接近的預(yù)成型件110。其后，樹脂被固化(步驟77)，固化后的樹脂熱解(步驟78)。固化和熱解可通過逐漸提升模具內(nèi)的溫度而連續(xù)進行。在熱解后，獲得一纖維預(yù)成型件，其由熱解殘質(zhì)固結(jié)。選擇固結(jié)樹脂的量，使得熱解樹脂結(jié)合預(yù)成型件的纖維足以處理預(yù)成型件，在無工具幫助的情況下保持其形狀，可以理解固結(jié)樹脂的量優(yōu)選為盡可能小。如果需要以獲得足以履行對于合成材料的脆化減緩功能的整個纖維基界面的厚度，則一第二界面層可由CVI形成(步驟79)。該第二界面層的材料可選自PyC、BN、BC，并且不必與第一界面層的材料相同。已知的是，此種界面材料能夠履行釋放位于裂縫底部的應(yīng)力的功能，所述裂縫穿過合成材料的基體到達界面，從而避免或減慢會造成纖維斷裂的穿過纖維的裂縫的傳播，從而使合成材料具有較低脆性。該第二界面層的厚度優(yōu)選不小于 IOOnm0如上所述，優(yōu)選由兩個界面層形成界面。第一界面層幫助避免過分粘附到熱解固結(jié)樹脂的殘質(zhì)的纖維上。其后，固結(jié)的預(yù)成型件用陶瓷基體密化。該密化可由CVI進行，使用它可使第二界面層形成，并可在同一爐中接連地用陶瓷基體進行密化。使用CVI以用陶瓷，特別是用SiC基體來密化預(yù)成型件已眾所周知?？墒褂靡环N包含甲基三氯硅烷(MTQ和氣態(tài)氫氣(H2)的反應(yīng)氣體。加固后的預(yù)成型件置于一容器中，不用使用工具來使其保持形狀，所述氣體被引入該容器。在受控條件下，特別是溫度和壓力受控的條件下，該氣體穿過該預(yù)成型件的孔散播，以通過氣體組分之間的反應(yīng)沉積SiC基體。該加固后預(yù)成型件的CVI密化可使用除SiC外的基體進行，特別是使用一種自修復(fù)基體，舉例來說一種三元Si-B-C系統(tǒng)或碳化硼B(yǎng)4C?？蓞⒖嘉墨IUS 5 246 736和US 5 965沈6，其描述通過CVI獲得此種自修復(fù)基體。密化可通過兩個連續(xù)步驟(步驟80和8 進行，這兩個步驟被步驟81分開，其中步驟81為將制造部分加工至希望的尺寸。該第二密化步驟不僅完成將合成材料密化至核心，而且形成涂覆在任何在加工過程中可能裸露的纖維上的表面。應(yīng)觀察到，可在步驟77與78之間，即在固化樹脂之后熱解樹脂之前進行預(yù)加工或
預(yù)修整。在密化后，可例如以已知方式通過物理氣體沉積形成耐磨涂層。參照圖7，論及用于形成合成材料的纖維加強物的SiC纖維紗線的使用。自然地， 可使用由一些其他陶瓷或碳纖維制成的纖維。當(dāng)使用碳纖維時，步驟71被省略。在上面的描述中，環(huán)段制成為具有連接片，其具有S形的子午線截面。在一變例中，該連接片的子午線截面可以是L形的，象圖8中所示的環(huán)段10’的片 14，、16，。
權(quán)利要求
1.一種渦輪環(huán)組件，其包括環(huán)支撐結(jié)構(gòu)和多個環(huán)段(10)，每個環(huán)段包括一陶瓷基合成材料制成的單一件，每個環(huán)段具有第一部分(1 ，該第一部分形成一環(huán)形基體，該環(huán)形基體具有內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面，所述內(nèi)側(cè)面限定渦輪環(huán)的內(nèi)側(cè)面，從所述外側(cè)面延伸出兩個片形成部分(14，16)，所述片形成部分的端部接合在所述環(huán)支撐結(jié)構(gòu)中的殼體中，其特征在于，所述環(huán)段(10)的截面大致為π形，所述片(14，16)的端部(14a，16a)由該環(huán)支撐結(jié)構(gòu)無間隙地徑向保持。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪環(huán)組件，其特征在于，所述片(14，16)在子午線截面中具有自由長度，該自由長度不小于它們平均寬度的三倍。
3.如權(quán)利要求1或2所述的渦輪環(huán)組件，其特征在于，所述片(14，16)在子午線截面中大致為S形。
4.如權(quán)利要求1-3中任何一項所述的渦輪環(huán)組件，其特征在于，所述片(14)中的一個或第一個的端部(14a)通過接合在一大致U形截面的殼體中而徑向保持，該殼體位于所述環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的單件鉤形部分(34)中。
5.如權(quán)利要求4所述的渦輪環(huán)組件，其特征在于，所述第一片是上游片(14)。
6.如權(quán)利要求4或5所述的渦輪環(huán)組件，其特征在于，所述U形截面的殼體由相對的內(nèi)、外分支限定，所述內(nèi)分支(3 )的長度比所述外分支的長度短。
7.如權(quán)利要求1-6中任何一項所述的渦輪環(huán)組件，其特征在于，所述片(16)中的一個或第二個的端部(16a)通過一安裝的夾(38)抵靠所述環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的環(huán)形表面而無間隙地徑向保持。
8.如權(quán)利要求7所述的渦輪環(huán)組件，其特征在于，所述第二片為下游片(16)。
9.如權(quán)利要求1-8中任何一項所述的渦輪環(huán)組件，其特征在于，每個環(huán)段(10)通過凸出的大致互補的軸向保持部分(17，37)的相互接合而被軸向保持，其中所述軸向保持部分形成在片(16)和所述環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的部分(36)的面對支撐表面上。
10.如權(quán)利要求9所述的渦輪環(huán)組件，其特征在于，在所述面對支撐表面之間插入一密封襯墊(20)。
11.如權(quán)利要求9或10所述的渦輪環(huán)組件，其特征在于，連接片(16)的支撐表面上凸出的軸向保持部分是與形成在所述環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的支撐表面上的凸肋(37)配合的槽(17)的形式。
12.如權(quán)利要求11所述的渦輪環(huán)組件，其特征在于，所述槽(17)的輪廓大致為V形。
全文摘要
該渦輪環(huán)組件包括環(huán)支撐結(jié)構(gòu)和多個環(huán)段(10)，每個環(huán)段包括一陶瓷基合成材料制成的單一件，每個環(huán)段具有第一部分(12)，該第一部分形成一環(huán)形基體，該環(huán)形基體具有內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面，所述內(nèi)側(cè)面限定渦輪環(huán)的內(nèi)側(cè)面，從所述外側(cè)面延伸出兩個片形成部分(14，16)，所述片形成部分的端部接合在所述環(huán)支撐結(jié)構(gòu)中的殼體中，所述環(huán)段(10)的截面大致為π形，所述片(14，16)的端部(14a，16a)由該環(huán)支撐結(jié)構(gòu)無間隙地徑向保持。優(yōu)選地，所述片(14，16)在子午線截面中的自由長度不小于它們平均寬度的三倍。
文檔編號F01D25/24GK102272419SQ201080004094
公開日2011年12月7日 申請日期2010年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月9日
發(fā)明者喬治斯·哈巴羅, 弗蘭克·羅杰·丹尼斯·德奈斯, 胡伯特·伊蘭德, 艾倫·多米尼克·加德蘭德, 達米恩·幫諾 申請人:斯奈克瑪, 斯奈克瑪穩(wěn)固推進力公司