整体分段式cmc护罩悬挂器和保持器系统的制作方法_2

文档序号:9354661阅读:来源:国知局
20而退出燃烧器16。在高压涡轮20中,从热的燃烧气体中提取能量,促使涡轮叶片旋转,其继而促使轴24的旋转。轴24朝向发动机的前面传递以使一个或更多个压缩机级14、涡轮风扇18或入口风扇叶片继续旋转(取决于涡轮设计)。涡轮风扇18通过轴28连接至低压涡轮21并为涡轮发动机10创建推力。低压涡轮21还可以利用来提取进一步的能量并给另外的压缩机级供以动力。低压空气也可以用于帮助冷却发动机的构件。
[0022]另外参照图2,描绘了示例性涡轮护罩区域。涡轮20包括一排周向间隔开的固定叶片和位于叶片下游的多个周向间隔开的涡轮叶片。叶片23是翼型状的,并安装至涡轮转子盘。叶片23中的每一个朝着护罩40沿径向延伸。护罩40围绕发动机轴线26沿周向延伸,并由多个护罩分段41组成。可选地,护罩40可由一个一体的结构形成。护罩40相对于叶片23紧密地构造来限定用于流动穿过涡轮20的热燃烧气体的外部径向流道边界。
[0023]燃气涡轮10围绕发动机轴线26或轴24是轴对称的,使得各种发动机部件围绕发动机轴线26或轴24旋转。轴对称的轴24穿过涡轮发动机前端延伸进入后端并通过轴承沿着轴结构的长度来轴颈支撑以围绕中心线26旋转。轴24可能是中空的,以允许低压涡轮轴28在轴24中且独立于轴24旋转的旋转。轴28还可围绕发动机的中心轴线26旋转。在运转期间,轴28与诸如涡轮的转子组件的连接至轴的其它结构一起旋转,以便创建动力或推力以用于在电力和工业或航空应用领域中使用的各种类型的涡轮。
[0024]再次参照图2,描绘了涡轮20的侧剖视图。发动机外壳35围绕发动机轴线26沿周向延伸(图1)。悬挂器70从发动机外壳35的径向内侧延伸。悬挂器70使护罩分段41保持在围绕发动机轴线26的圆形构造,并限定涡轮20内的流动边界。
[0025]现在参照图3,描绘了示例性护罩分段41的等轴视图。各个护罩分段41具有由径向内壁42和径向外壁44以及前壁和后壁46、48限定的大体中空的横截面形状。各种横截面形状可被限定,并且所描绘的形状不应被认为是限制性的。壁42、44、46、48限定中空的内部或腔50,空气可经过其以用于护罩分段41的冷却。过渡壁52还可位于前壁46和径向外壁44之间。过渡壁52可能如图所示是弯曲的,或者相对于发动机10的纵向轴线26成锐角。壁42、44、46、48、52可通过在壁的相交处之间的成圆弧的、尖锐的或方形边缘的过渡来连结。如本文中所示的,壁大体上是成圆弧的,其可改善该部分的制造。
[0026]径向内壁42延伸超出前壁46和后壁48来限定前后悬梁54、56。当多个护罩分段40定位在一起时,沿着壁42的径向内面限定基本连续的流动表面60。这在图5的从前向后看的视图中最好看出。
[0027]护罩分段40包括端面68,其一般被称为“斜面”。斜面68可位于与发动机10的中心线轴线平行的平面中,该平面被称为“径向平面”,或者斜面68可轻微地从径向平面偏移,或用其它的方法定向使得它们相对这样的径向平面成锐角。沿着斜面是起伏区域62、64,其结合相邻分段41的相邻的起伏区域而形成孔。当定位多个分段41来形成护罩或护罩组件40时,护罩40具有多个沿周向间隔开的孔,其由位于斜面68上的相邻的起伏区域62,64形成。护罩40在这些位置受到来自发动机外壳35的支撑(图2)。
[0028]当分段41装配成完整的环时,在相邻的护罩分段41的面68之间可呈现端隙。在端面68上可提供一个或更多个密封件。这些密封件通常被称为“花键”密封件,其由薄的金属带或其它合适的材料形成,其插入端面中的槽中以跨越相邻分段40之间的间隙。
[0029]护罩分段41可由包括但并不限于陶瓷基质复合物(CMC)各种低延展性和低热膨胀系数的材料构成。通常,CMC材料包括例如金刚砂(SiC)的陶瓷纤维,其形式用例如氮化硼(BN)的顺应性材料来涂覆。纤维被涂覆在陶瓷类型的基质中,其一种形式是金刚砂(SiC) ο典型地,护罩分段40还可由其它低延展性的、耐高温的材料构成。CMC材料通常具有小于或等于大约1%的室温拉伸的延展性,其在本文中用于限定低拉伸延展性材料。通常,CMC材料具有在大约0.4%至大约0.7%范围内的室温拉伸延展性。
[0030]CMC材料具有其中在平行于纤维长度的方向(“纤维方向”)的材料拉伸强度比垂直方向的拉伸强度更强的特征。该垂直方向可包括基质、层间、第二的或第三的纤维方向。各种物理属性在纤维方向和基质方向之间也可能不同。
[0031]护罩分段的流动路径60可并入一层环境屏障涂层66,其可能是可磨耗材料,和/或已知类型的适合于与CMC材料一起使用的容许摩擦材料。该层有时被称为“摩擦涂层”66。如本文中所使用的,用语“可磨耗的”意味着摩擦涂层66能够在涡轮叶片23以高速于护罩分段41内部旋转时与涡轮叶片23的顶端接触期间是磨耗掉,磨掉或侵蚀掉的,而很少或不会对涡轮叶片顶端造成损伤。这种可磨耗的属性可能是摩擦涂层66的材料成分由于其物理构造或通过其一些组合而造成的结果。摩擦涂层66可包括例如氧化钇稳定的氧化锆或钡锶铝硅酸盐的陶瓷层。在(詹森等人)美国专利N0.7,749,565中描述了适合于制造摩擦38的示例性成分和方法,该申请的内容通过引用而并入在本文中。
[0032]现在参照图4,是带有整体保持器组件30的悬挂器的剖视图。悬挂器70包括第一壁72和前述第一壁后面的第二壁74。在径向外端处,悬挂器包括薄片73、75以用于悬挂器70到发动机外壳35的连接(图2)。在第一壁72和第二壁74之间延伸的是保持器支撑壁76。根据一个实施例,壁76从第一壁72处的较低的径向高度至第二壁74处的较高的径向高度是斜的。
[0033]保持器80悬挂于保持器支撑壁76。保持器80由第一部件81和第二部件83形成。中空的开口 85成形于壁76、部件81、83和支脚82、84之间。备选地,中空区域85可用材料填充,例如在重量不是所关心的应用中。支脚82、84定位穿过由相邻的起伏区域62、64限定的开口。
[0034]现在参照图5,描绘了带有两个相邻的护罩分段41受到支撑的悬挂器70的从前向后看的视图。悬挂器70形成使得悬挂器70的末端从护罩分段41的末端或斜面68偏移。悬挂器70具有上薄片73、75,其沿周向方向和如在实例图中看到的深度方向的轴向方向上延伸。保持器支撑壁76沿周向延伸以限定第一臂和第二臂92、94。臂92、94终止于相对的肩部77、79。肩部77、79沿着相邻的护罩分段41的周向长度居中地落下。
[0035]悬挂器70还包括从第一臂和第二臂92、94向下悬挂下来的保持器本体80。保持器本体80具有从本体80的下端延伸的支脚82、84。靠近支脚82、84的末端的是衬垫86、88。支脚82、84中的每一个可包括一个或更多个这些衬垫。支脚82、84定位穿过相邻护罩40的起伏区域62、64,使得衬垫86、88接合径向外壁44的下表面。肩部77、79接合径向外壁44的上表面,使得护罩分段40被捕获在衬垫和悬挂器70的肩部之间。在该构造中,分段41的径向运动受到限制。悬挂器70的第一壁和第二壁72、74抑制了护罩40的轴向运动。
[0036]悬挂器70和保持器80是整体地形成的,并且还可由包括但并不限于例如陶瓷基质复合物(CMC)的各种低延展性和低热膨胀系数的材料构成。通常,CMC材料包括例如金刚砂(SiC)的陶瓷纤维,其形式为用例如氮化硼(BN)的顺应性材料来涂覆。纤维被涂覆在陶瓷类型的基质中,其一种形式是金刚砂(SiC)。CMC材料具有其中在平行于纤维长度的方向(“纤维方向”)的材料拉伸强度比垂直方向的拉伸强度更强的特征。该垂直方向可包括基质、层间、第二的或第三的纤
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