专利名称：由cmc所制成的涡轮机分配器元件，制造它的方法，包括它的分配器和燃气涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及由复合材料所制成的涡轮机喷管，该复合材料具有陶瓷基体或至少部分是陶瓷的基体，并且下面称作CMC材料。本发明的应用领域更特别地是用于航空或工业的燃气涡轮机。
背景技术：
改进燃气涡轮机的性能和减少它们的污染排放正在引起所设想的更高的燃烧温度。对于燃气涡轮机的发热部分，已经提出的建议是使用CMC材料，因此它们明显的热结构特性，即，因为它们相关联使它们适于构建结构元件的机械特性与在高温时保存这些机械特性的能力。CMC材料通常是使用纤维增强材料形成的，该纤维增强材料是由耐火纤维，诸如碳纤维或陶瓷纤维制成，并且用陶瓷或至少部分是陶瓷的基体来致密。公知，界面相可以存在于纤维和基体之间以通过偏转到达界面相的裂缝来进行复合材料的脆化释放功能。这种界面相可以由热解炭(PyC)、氮化硼(BN)或硼掺碳(BC)制成。相同类型的脆化释放界面相也可以掺入到陶瓷基体相之间的基体内。在任何情况下，至少基体的外相是陶瓷的。文献EPO 399 879公开了 CMC涡轮机喷管，它由多个组装在一起的部分，S卩，带有叶片和齿形环的轮毂组成，该齿形环接合凸榫，该凸榫形成在叶片的径向端。通过加工固体CMC部件获得涡轮机喷管的组件，因此引起了很大的材料损失，并且导致CMC中纤维增强中纤维的多个破裂。文献EPl 087 103公开了具有多个叶片的涡轮机喷管元件，该叶片在内环形平台扇区和外环形平台扇区之间延伸。每个叶片都由两部分组成在前缘旁带有编织的纤维增强材料的CMC部分，和在后缘旁的固体陶瓷部分。平台扇区由CMC组成，该CMC带有由叠加的层所构建的纤维增强。每个叶片的CMC部分的编织增强延伸超出叶片的纵向端以插入在平台扇区的纤维加强层之间。喷管元件因此部分地仅仅由CMC制成，而纤维增强是由需要组装在一起的多个分开的部分组成。文献JP 2003-148 105同样地公开了由单件陶瓷基体复合材料制造的喷管元件。纤维增强是部分地获自条带形式的编织坯体，该坯体具有用于形成叶片预制件的管状中心部分，该部分在其每端都延伸有互相面对的折翼。折翼在中心部分的每侧上展开，并且缝合它们以分别获得纤维层，以形成内和外平台预制件。占据喷管元件的整个体积的纤维结构因此由需要互相组装在一起的多个分开的部分组成。文献WO 91/15357公开了由陶瓷基体复合材料制成单件的涡轮机喷管元件。从条带形式的坯体获得纤维增强，该条带形式的坯体可以是机织的，但是优选针织的。对折条带以获得喷管元件的纤维预制件。在对应于叶片的部分，通过下述方式折叠一段条带的两个边缘占有并置位置，并且通过缝合连接在一起。因此，沿着在叶片纵向方向延伸的线条，在每个叶片外围处，在机织或针织纤维增强中存在不连续性。这种不连续性从机械的视点看是不利的。文献EPO 466 602也公开了由通过纤维预制件致密所获得的CMC所制成的单件喷管元件。通过成形叠置的层或三维编织织物获得预制件。喷管元件包括具有非对称根部分的叶片，并且不带有内和外平台扇区，该扇区在它们与叶片连接的区域的每侧上延伸。
发明内容
本发明的目的是提供不具有上述缺点的CMC喷管元件。通过由复合材料制造的单片涡轮机喷管元件达到该目的，该复合材料包含由基体致密的纤维增强，该基体至少部分是陶瓷的，喷管元件包括内环线平台扇区，外环形平台扇区，和在平台扇区之间延伸和连接两者的至少一个叶片，平台扇区在它们与叶片或每个叶片的连接区的每侧上延伸，喷管元件显著特征在于纤维增强包括纤维结构，该纤维结构由三维或多层编织法所编织并在喷管元件的整个体积上和叶片或每个叶片的整个周边上具
有连续性。在喷管元件的整个体积上编织的增强纤维结构的存在，所述结构在喷管元件的整个体积上具有连续性，即，不是通过组装多个分别获得的部分构成的，并且在叶片或每个叶片的全部周边上都具有连续性，即，在所述周边中没有任何编织的中断，这些都有利于获得好的机械性能。此外，它可以直接获得单件增强纤维结构。叶片或每个叶片可以是实心的，或者它可以具有沿着叶片整个长度延伸并且向外开口直到平台扇区内的内纵向通道。也有利地，喷管元件包括至少两个在平台扇区之间延伸的叶片，和包括纱线的纤维结构，该纱线沿着连续的路径行走，该路径沿着第一平台扇区的一部分，沿着第一叶片，沿着另一个或第二平台扇区的一部分，沿着第二叶片，然后沿着第一平台扇区的一部分连续地延伸。在本发明的另一个方面，本发明提供了一种能够制造上述涡轮机喷管元件的方法。该方法包括·通过三维或多层编织法来制造编织的单件纤维坯体，该坯体在纵向方向上包括至少一个模式，该模式包括形成叶片预制件还体的第一段，在第一段的一个纵向端延伸和形成互相面对的两个折翼的第二段，在第一段的另一端延伸和形成互相面对的两个折翼的第二段;·第二段的折翼和第一段之间在第一段每侧上其第一端之间相对枢转，以引起第二段的折翼基本上垂直于第一段延伸，以及第三段的折翼和第一段之间在第一段每侧上其第二端之间相对枢转，以引起第三段的折翼基本上垂直于第一段，这样来展开坯体；·成形展开的坯体以获得喷管元件的纤维预制件，该纤维预制件具有通过成形第一段获得的至少叶片预制件形成部分和从折翼获得的平台扇区预制件形成部分；和·用至少部分地是陶瓷的基体致密预制件，这样就获得了带有纤维增强的单件涡轮机喷管元件，该纤维增强包括纤维预制件，该纤维预制件在喷管元件的整个体积上以及叶片或每个叶片的整个周边上具有连续性。
优选地，坯体制造有第二段和第三段，该第二段和第三段的宽带要大于第一段的宽度并且该宽度侧向延伸超过第一段的侧边缘。在这种情况下并且有利地，在第二和第三段的至少之一中，两个折翼中每个折翼形成有补翼，该补翼在非折叠状态中延长折翼的部分，该折翼侧向突出超过第一段的纵向边缘，沿着所述边缘延伸，同时与该边缘分开，并且当展开坯体时，使折翼的补翼与其它折翼的补翼互相地重叠。互相重叠的补翼可以结合在一起，例如通过缝合或通过嵌入纱线或针来结合在一起。也优选地，纤维坯体制成具有所述模式重复的单件，第一模式的第三段和连续的第二模式的第二段互相延伸和互相连续，同时展开还体时，使第一模式的第一段相对于第一模式的第三段在一个方向上枢转，使第二模式的第一段在相反的方向上相对第二模式的第二段进行枢转以使第一和第二模式的第一段基本上互相平行。在这种情况下，当展开坯体时，引起第一模式的第二段的折翼和连续的模式的第三段的折翼互相延伸以能够形成平台扇区预制件的一部分。坯体展开后，已经互相延伸的折翼结合在一起，例如通过缝合或通过嵌入纱线或针来结合在一起。有利地，当进行坯体的多层编织时，在两层之间形成非互相连接的区域以在第二段的两个折翼之间和第一段的两个折翼形成分离。也是有利地，在坯体的多层编织期间，在都沿着第一段的两层之间形成非相互连接的区域，该非相互连接的区域仅仅在第一段宽度的一部分上延伸，距离其纵向边缘一段距离，这样成形后，它形成了带内通道的叶片纤维预制件，该内通道在预制件的整个长度上延伸。本发明也提供了涡轮机喷管，它包括多个并置的喷管元件，每个喷管元件都如上所述或者是通过上述方法获得的。本发明也提供了装有这种涡轮机喷管的燃气涡轮机。
通过阅读下面参考附图，通过非限制性示例所给出的说明，可以更好地理解本发明，其中图I是燃气涡轮机的一部分的轴向半剖面的部分示意图。图2是涡轮机喷管元件的立体示意图。图3是用于制造本发明第一实施方式中由CMC所制成的涡轮机喷管元件的纤维预制件的编织纤维坯体的示意图。图4、图5和图6是沿图3的平面IV、V和VI的纵向剖面示意图。图7、图8、图9和图10沿图3的平面VII、VIII、IX和X的剖面示意图。图11表示准备用于展开的图3坯体的示意图。图12和图13分别表示部分地和完全地展开时的图11的坯体。图14是成形展开的图13的坯体后喷管元件预制件的立体示意图。图15表示制造由CMC所制成的涡轮机喷管元件的方法中连续的步骤。图16是编织条带的示意图，由该条带可以切出图13中所示类型的坯体。图17、图18和图19每个都表示用于图3纤维坯体的部分的多层编织的两个连续平面和对应于图7、图8和图9的剖面的示意图。图20是用于制造本发明第二实施方式中由CMC所制成的涡轮机喷管元件的纤维预制件的编织纤维坯体的示意图。图21是沿图20平面XXI的纵向剖面视图。图22是表示准备用于展开的图20和图21的坯体的侧面正视图。图23和图24分别表示部分地和完全地展开时的图22坯体。图25是用于制造本发明第三实施方式中由CMC所制成的涡轮机喷管元件的纤维
预制件的编织纤维坯体的示意图。图26沿图25的平面XVI的纵向剖面示意图。图27是表示准备用于展开的图25和图26的坯体的侧面正视图。图28表示完全地展开时图27的坯体。图29是另一个喷管元件的立体示意图。和图30是表示用于制造图29中所示类型的喷管元件的纤维预制件的编织坯体的示意图。
具体实施例方式本发明更特别地涉及用于航空或用于工业上的燃气涡轮机的涡轮机喷管。图I是双轴燃气涡轮机中高压(HP)涡轮机2的一部分和低压(LP)涡轮机4的一部分的轴向半剖面的部分示意图。HP涡轮机2通过HP涡轮机喷管3接收来自于燃烧室的气体(箭头F)。LP涡轮机4接收HP涡轮机2下游的气体，并且包括多个涡轮机级，每个涡轮机级都包括LP涡轮机喷管，诸如5和转子叶轮。HP和LP涡轮机的转子叶轮以公知的方式通过各自共轴的轴分别地驱动HP压缩机以及LP压缩机或风扇。HP和LP涡轮机的喷管安装在外壳上。每个喷管包括部分地确定气流流道的内和外环形平台，以及在平台之间延伸并且与其连接的多个静叶片。叶片可以具有各自的内纵向通道，该通道形成气流道用于冷却气体。涡轮机喷管制造为单件或制造为并置的多个元件以构建完整喷管，每个元件包括内平台扇区，外平台扇区以及在它们之间延伸和连接它们的一个或多个叶片，这是已知的。在该实施例中，本发明应用于由多个并置的喷管元件组成的HP涡轮机喷管或LP涡轮机喷管。更通常地，本发明应用于单轴或多轴燃气涡轮机中的涡轮机喷管。图2表示根据本发明可以制造的涡轮机喷管元件的实施例。涡轮机喷管元件E包括内环形平台扇区20，外环形平台扇区30以及在所示实施例中，在平台扇区20和30之间延伸，并且与它们两个连接的两个叶片IOa和10b。可以看出平台扇区在与叶片连接的连接区的每侧上延伸。叶片具有各自的纵向通道12a和12b，该通道在叶片端部向外开口，在平台扇区20和30的外表面中。在位于上游和下游(气流的流动方向)的它们端部的一个和/或另一个端部，平台扇区可以具有突出部分，诸如凸缘26、36或凸边28,380参考图3到图10，它们表示纤维结构或坯体100，通过它们可以获得用于制造图2中所示的涡轮机喷管元件的纤维预制件，元件制成CMC单件。如下所述，通过多层编织制造坯体100。在纵向方向A上，坯体100包括图3中通过虚线分别表示的两个相似的连续模式Ma和Mb。模式Ma包括第一段110a，在第一段IlOa的第一纵向端延伸的第二段120a，和在第一段IlOa的另一个纵向端延伸的第三段130a。以相似的方式,模式Mb包括第一段IlOb,在第一段IlOb的第一纵向端延伸的第二段120b，和在第一段IlOb的另一个纵向端延伸的第三段130b。段130a和120b相互延伸，并且相互连续。段I IOa和IlOb用于形成叶片IOa和IOb的纤维预制件部分。段IlOa和IlOb在该实施例中几乎具有相同的宽度1，该宽度I基本上是恒定的。然而，段IlOa和IlOb可以给出变化的宽度以反映变化横向维度的叶片IOa和10b，这是在所述横向维度变化显著的情况下。在该实施例中，段120a、130a、120b、130b同样地几乎都具有相同的宽度L，该宽度L基本上是恒定的。宽度L大于宽度I。段120a和130a在段IlOa每侧上侧向地延伸超过段IlOa的纵向边缘。相似地，段120b和130b在段IlOb每侧上侧向地延伸超过段IlOb的侧向边缘。如图4到图10所示，在坯体100的一个纵向端，段120a在分离区123a的每侧上形成互相面对的并连接段IlOa第一端的两个折翼121a和122a。相似地，在坯体100的另一个纵向端，段130b在分离区133b的每侧上形成互相面对的并连接段IlOb第二端的两个折翼131b和132b。在段IlOa的每侧上，折翼121a和122a延伸有补翼12Γ a和122' a,这两个补翼沿着段IlOa的纵向边缘延伸有限的距离，同时与其分离。同样地，在段130b的每侧上，折翼131b和132b延伸有补翼13Γ b和132' b，这两个补翼沿着段130b的纵向边缘延伸有限的距离，同时与其分离。在坯体100的中心部分，段130a因此形成位于分离区133a的每侧上和连接段IlOa的第二端的两个面对的折翼131a和132a，段120b形成位于分离区123b的每侧上和连接段IlOb的第一端的两个面对的侧翼121b和122b。进行多层编织后通过进行切割，或者以下面所解释的方式，通过在多层编织期间设置非相互连接的区可以获得面对的折翼之间的分离区 123a、133a、123b 和 133b。段IlOa和IlOb中每个段在其整个长度上都具有各自的分离区112a或112b，该分离区通过仅仅中间部分将该段分成两个面对的部分，分离区终止于距离段IlOa或IlOb的纵向边缘的一段距离处。分离区112a和112b用于使叶片中纵向通道12a和12b能够形成，并且它们与它们将要连接的折翼之间的分离区位于相同的水平上。进行多层编织后通过进行切割，或者以下面所解释的方式，通过在进行多层编织时设置非相互连接的区可以获得分离区112a和112b。下面参考图11到15描述由坯体100形成喷管元件预制件的方法。在坯体100的整个宽度上和其厚度的一部分上形成横向切口 134，以分开折翼132a和122b的端部(图11)。此外，通过移除材料来减少补翼12Γ a,122/ a、13f b和132; b的厚度，以使它们在随后的坯体100展开期间能够被重叠，而与折翼的厚度比较，不会形成明显额外的厚度。补翼的厚度实际上可以被减少到一半，如所示，或者它们可以被逐步地减少以形成斜面。在折翼121a和131b的端部进行相似的厚度减少。应该观察到折翼131a和121b通过它们共有的端部保持连接在一起。如图11中箭头所示，引起折翼121a和122a在在段IlOa的每侧上其第一端枢转，以引起它们基本上垂直于段110a，并且引起折翼131b和132b在段IlOb的每侧上在其第二端枢转，以引起它们基本上垂直于段110b。补翼12Γ a和122' a互相重叠，如补翼131' b和132' b互相重叠一样。此外，引起折翼132a相对段IlOa在其第二端枢转，以引起它基本上垂直于段IlOa延伸，并且引起折翼122b相对于段IlOb的第一端枢转，以引起它基本上垂直于段IlOb延伸。坯体100的形状然后如图12中所示。图12中箭头表示展开是如何继续进行折翼121a和122a所形成的组件，段110a，并且在段IlOa的第二端的折翼132a被枢转，继续进行折翼131b和132b所形成的组件，段IlOb和在段IlOb的第二端的折翼122b也被枢转。如图13所示，由此引起段IlOa和IlOb基本上互相平行和折翼121a和131b的向下薄端互相重叠。为使如图13中所示形状的展开还体更容易地保持形状,例如,通过缝合(125、135和126)，相互重叠的补翼12Γ a和122' a，和同样的131' b和132' b，以及折翼121a和131b的相互重叠端可以连接在一起。可以使用其它的连接技术，例如可以嵌入纱线或针。如图13中所示，展开的坯体具有接近待要制造的喷管元件的形状的形状。通过加工包括用于成形内和外平台扇区的预制件的元件，用于成形叶片预制件的外形的元件和用于成形它们纵向内通道的元件，来成形喷管元件的预制件，成形元件穿到分离区112a和112b 中。图14是所得到的预制件140的示意图，该预制件140能够获得图2的喷管元件。形成内平台的预制件120的部分由折翼132a、折翼131a和121b (它们在其共有端保持相互连接)和折翼122b形成。形成外平台的预制件130的部分由折翼122a、121a、131b和132b形成。用于叶片的预制件部分由段IlOa和IlOb形成。为了获得与平台预制件端部的凸边的形状接近的形状部分，切口 127和137可以通过图13中所示的方式形成。在图15中概述了制造图2由CMC所制成的喷管元件的方法的连续步骤。在步骤151中，通过三维(3D)编织法或通过多层编织法编织图16中所示类型的纤维条带150，以提供一排连续的纤维坯体100。在所示的实施例中，坯体100的纵向方向A在经向方向，S卩，在条带150的纵向方向上延伸。在变化形式中，它们可以定向在纬向，在条带150的横向方向。此外，在条带150的宽度上可以编织几排平行的坯体。用陶瓷纤维纱线，例如，基于SiC的纤维纱线，诸如，例如由日本供应商NipponCarbon以“Nicalon”名称所供应的纤维纱线,编织纤维条带150。然而,可以设想使用由碳纤维所制成的纱线。图17、图18和图19是放大比例的纱线剖面图，表示编织的两个连续的平面，用于分别对应于图7、图8、图9的剖面的坯体100的一部分。条带150包括一组经纱层，在该实施例中这些层的数量等于8(层C1到C8)，该经纱通过纬纱连接在一起。在所示的实施例中，编织是用缎面织法或多缎面织法进行的多层编织。可以使用其它类型的3D或多层编织法，例如使用多平纹编织法或带有连锁类型编织的织法的多层织法。这里使用的术语“连锁”织法意指用编织进行的织法，其中每层经纱相互连接多层纬纱，在给定的纬纱列中所有纱线以相同的方式在编织平面中移动。在文献W02006/136755中描述了各种3D或多层编织技术。在坯体100的段120a中，图17表示将经纱C1到C4层连接在一起的纬纱&到t3，将经纱C5到C8层连接在一起的纬纱t5到t7，层C4到C5不连接在一起以留下非相互连接区，形成折翼121a和122a之间的分离123a。在坯体100的段120b、130a和130b中进行相同
的程序。在邻接段IlOa的第一端的部分中，图18表示将经纱C1到C4层连接在一起的纬纱h到t3，以及将经纱C5到C8层连接在一起的纬纱t5到t7。在经纱的层C4和C5之间设置非相互连接的区，以在折翼121a和122a的补翼12Γ a和122' a之间形成分离123a和以在段IlOa的中心部分中形成分离区112a。层C4和C5通过经纱t4在段IlOa的侧面部分连接在一起。在邻近段IlOb的第二端的部分中进行相同的程序。在段IlOa的剩余部分中，图19表示如何在经纱的层C4和C5之间设置中心的非相互连接的区以在段IlOa的中心部分中形成分离区112a。如图18所示，层(；和C5在段IlOa的侧面部分被连接在一起。对于段IlOb进行相同的程序。用于制造段120a、130a、120b和130b的在段IlOa和IlOb的每侧上延伸的经纱在段IlOa和IlOb中不被编织。在条带150中，在连续坯体之间提供额外长度的区101 (图16)，以提供用于切割的边缘。在步骤152中，优选地处理条带以排除存在于纤维上浆料，例如，通过短时热处理，并且也用于排除纤维表面上氧化物的存在，例如，通过氢氟酸处理。在步骤153中，通过化学气相渗透(CVI)在纤维条带的纤维上形成薄界面相涂层。举例说明，界面相涂层材料是热解炭(PyC)、氮化硼(BN)或硼掺碳(BC，例如，具有5%到20%的B，平衡的是C)。薄界面相涂层优选地具有小的厚度，例如，不大于100纳米(nm)，或者实际上不大于50nm，以在纤维坯体中保持良好的变形能力。厚度优选地是至少10nm。在步骤154中，用固结组合物浸溃纤维条带，该纤维条带带有用薄界面相涂层所涂层的纤维，该固结组合物通常是在溶剂中可以稀释的树脂。可以使用碳前体树脂，例如，分别作为SiCN、SiCo和SiC前体的聚硅氮烷、聚硅氧烷或聚碳硅烷树脂。通过排除任何树脂溶剂干燥后(步骤155)，切割单个的纤维坯体100 (步骤156)。在切割期间，排除在段IlOa的每侧上段120a和130a之间延伸的经纱部分，如同在段IlOb的每侧上段120b和130b之间延伸的经纱部分。此外，制造切口以从段IlOa分开补翼121' a和122' a，和以从段IlOb分开补翼131' b和132' b。在步骤157中，通过成形工具，例如由石墨所制成的成形工具来制备、展开和成形用这种方法所切割的纤维坯体，以获得参考图11到图14上述的预制件150。此后，固化树脂(步骤158)和热解固化的树脂(步骤159)。通过逐步地升高成形工具中温度，固化和热解可以相继地进行。热解后，获得纤维预制件，该纤维预制件已经被热解残基固化了。选择固化树脂的量以使热解树脂充分地与预制件的纤维结合在一起，以使预制件能够被处理，同时保持其形状，而不需要借助于加工工具，优选地，尽可能少地选择固化树脂的量，这是可以理解的。排除浆料、进行酸处理以及在Sic纤维的基质上形成界面涂层已经是已知的。可以参考文献US 5 071 679。如果需要，可以通过CVI进行第二界面相层，以获得完全的纤维基体界面相，该界面相的厚度足以进行复合材料的脆化释放功能。第二界面相层可以是选自Pyc、BN和BC的材料，并且它不必与第一界面相层的材料相同。第二界面相层的厚度优选地不小于lOOnm。然后，用陶瓷基质致密固化的预制件。可以通过CVI进行这种致密，以能够在相同的烘炉中相继地进行第二界面相层的形成和通过陶瓷基体的致密。通过陶瓷基体，特别是SiC基体的预制件的CVI致密是公知的。可以使用包含甲基三氯硅烷(MTS)和氢气(H2)的反应气体。固化的预制件放置在密封室里，不需要维持成形的加工工具的帮助，并且将气体引入密封室。在特别是温度和压力可控的条件下，气体扩散到预制件的孔中以通过气体组分之间的反应沉积SiC基体。自然地，根据所期望的复合材料的性质，使用除了陶瓷纤维以外的纤维，例如碳纤维所制成的纤维条带可以实施该方法。然后省略用于排除氧化物层的酸处理。同样地，可以使用除了 SiC基体以外的基体，特别是碳基体或自愈合基体进行固化预制件的CVI致密，自愈合基体材料的例子是Si-B-C三组分体系或碳化硼B4C。可以参考文献US 5 246 736和US 5 965 266，所述文献描述了通过CVI获得这种自愈合基体。 可以通过两个连续步骤进行致密(步骤161和163)，这两个步骤被步骤162所分开，步骤162是加工要制成期望维度的部件。第二次致密步骤不仅用于完成对复合材料核心的致密，也用于在加工期间是裸露的任何纤维上形成表面涂层。应该观察到，在固化后及热解树脂前，可以在步骤158和159之间进行预加工或修
難
iF. O在变化形式中，在编织纤维条带150和进行处理以排除浆料和氧化物后，可以从纤维条带切割单个的纤维坯体100，然后展开每个纤维坯体，用成形工具进行成形，在成形中它被固定住以通过CVI形成释放脆化的界面相层。在预制件还在成形工具中被固定成形时，通过部分致密固化它，通过CVI在纤维表面上形成陶瓷沉积来进行固化。通过CVI的界面相层的形成以及通过CVI，通过陶瓷沉积的固化可以在相同CVI烘炉中相继地进行。成形加工工具优选地由石墨制成，并且具有有利于反应气体通过的孔洞以通过CVI沉积界面相和沉积陶瓷。当固化足以允许处理预制件，同时在不需要支持工具帮助的情况下保持其形状，从成形工具拔出固化预制件，并且进行通过CVI用陶瓷基体的致密。图20到图22表示纤维坯体200，从该坯体200可以获得纤维预制件，该纤维预制件用于制造由CMC所制成单件的涡轮机喷管元件，该元件包括内平台扇区和外平台扇区以及在平台扇区之间延伸和连接它们两个的三个叶片。在纵向方向A上，坯体200包括三个相似的模式Ma、Mb和Mc，它们与上述坯体100的模式Ma和Mb相似，并且用虚线分开表示。因此，模式Ma包括用以形成第一叶片的预制件部分的第一段210a，在第一段210a的第一纵向端延伸和形成两个相互面对的折翼221a和222a的第二段220a，在第一段210a的另一纵向端延伸和形成两个相互面对的折翼231a和232a的第三段230a。模式Mb包括用以形成第二叶片的预制件部分的第一段210b，在第一段210b的第一纵向端延伸和形成两个相互面对的折翼221b和222b的第二段220b,在第一段210b的另一纵向端延伸和形成两个相互面对的折翼231b和232b的第三段230b。模式Mc包括用以形成第三叶片的预制件部分的第一段210c，在第一段210c的第一纵向端延伸和形成两个相互面对的折翼221c和222c的第二段220c，在第一段210c的另一纵向端延伸和形成两个相互面对的折翼231c和232c的第三段230c。段230a和220b相互延伸和是相互连续的，如同段230b和220c—样。在每个模式中，第二和第三段具有大于第一段宽度的宽度，并且它们延伸超过其纵向边缘的水平。在段210a的每侧上，折翼221a和222a以与坯体100的折翼121a和122a相同的方式延伸有补翼221' a和222' a。相似地，在段230c的每侧上，折翼231c和232c以与坯体100的折翼131b和132b相同的方式延伸有补翼231' c和232' C。段210a、210b和210c具有基本上恒定的相同宽度。然而，当所构建的喷管元件中叶片的横向维度变化很大时，它们也可以具有变化的宽度。以与段IlOa和IlOb相同的方式，每个段210a、210b和210c沿着其整个长度都具有各自的分离区212a、212b或212c，该分离区仅仅形成在中间部分。这些分离区终止于与段210a、210b和210c的纵向边缘的一段距离处，并且它们达到折翼之间的分离区。
以与坯体100相同的方式，从包含一排或多排坯体的连续编织条带切割坯体200。编织是3D或多层类型编织。如上所述，或者通过编织后的切割，通过在编织期间提供非相互连接的区，可以形成段220a、230a、220b、230b、220c和230c的折翼之间的分离区和段210a、2IOb和210c的中间部分中的分离区。如图22中所示，通过制造切口 234和235，准备用于展开的坯体200，以分离折翼232a和222b的端部，和以分离折翼231b和221c的端部。以和用于坯体100的方式相同的方式，在补翼22Γ a、222' a、231' c和232' c中，以及在折翼221a、231b和231c的端部中也可以进行厚度的减少，以在展开坯体后叠置它们时避免额外的厚度。折翼231a和221b在它们的端部保持连接在一起，和折翼232b和222c —样。图23 表示枢转折翼 221a, 222a,、232a、222b、231b、221c、231c 和 232c 后，坯体 200部分地被展开，如图22中箭头所示，折翼然后基本上垂直于纵向方向A延伸。图24表示由折翼221a和222a，段210a和折翼232a所形成的组件和由折翼231b，段210b和折翼222b所形成的组件以及由折翼231c和232c，段210c和折翼221a所形成的组件已经枢转后，完全展开状态的坯体200，如图23中箭头所示。相互重叠的折翼的补翼和端部通过缝合或通过嵌入纱线或针可以结合在一起。通过成形工具来成形展开的坯体，该成形工具具有用于成形内和外平台扇区预制件的元件，用于成形叶片预制件外部形状的元件和用于成形它们纵向内通道的元件，后面的成形元件穿入到分离区212a、212b和212c中。因此可以获得喷管元件预制件，其中内平台预制件部分由折翼232a、折翼231a和221b、折翼222b、折翼232c和折翼231c制成，外平台预制件部分由折翼222a、折翼221a、折翼231b、折翼232b和222c和折翼221c所制成，叶片预制件部分由段210a、210b和210c所形成。可以形成切口 227和237以在平台预制件的一个端部获得凸边的形状。用于构建由CMC所制成的喷管元件的完整方法可以按照参考图15所描述的方法。图25和图26表示纤维坯体300，由该纤维坯体300可以获得用于制造CMC单件的涡轮机喷管的纤维预制件，该喷管带有内平台扇区、外平台扇区和在平台扇区之间延伸并且连接两者的单个叶片。在纵向方向A上，坯体300包括模式M，该模式M包括用于形成涡轮机喷管叶片的预制件部分的第一段310，在第一段310的一个纵向端延伸和形成互相面对的两个折翼321和322的第二段320，在第一段310的另一个纵向端延伸和形成互相面对的两个折翼331和332的第三段330。段320和330的宽度大于段310的宽度，并且它们延伸超过了其纵向边缘。在段310的每侧上，以坯体100的折翼121a和122a相同的方式，折翼321和322延伸有补翼32Γ和322 ^，同时以坯体100的折翼131b和132b相同的方式，折翼331和332延伸有331'和 332'。段310的宽度基本上是恒定的。然而，可以给出变化的宽度，这样当所述横向维度显著地变化时，放映涡轮机喷管叶片变化的横向维度。段310在其整个宽度上具有仅在中间部分中所形成的分离区312，该分离区终止于距离段310的纵向边缘一段距离处。以和坯体100相同的方式，从包含一排或多排坯体的连续编织条带切割坯体300。编织是3D或多层编织的类型。如上所述，或者通过编织后形成切割，通过编织期间设置非相互连接的区来形成折翼321和322之间、折翼331和332之间以及段310中的分离区。 如图27所示，通过在补翼32Γ ,322/、33Γ和332'中形成厚度减少来准备用于展开的坯体300，以避免展开坯体后叠置它们时的额外厚度。图28表示如图27中箭头所示，通过枢转折翼321、322、331和332所展开的坯体300，然后折翼基本上垂直于纵向方向A延伸。相互重叠的补翼32Γ和322 ^通过缝合或通过嵌入纱线或针可以结合在一起，如同补翼33Γ和332' —样。通过成形工具来成形展开的坯体，该成形工具具有用于内和外平台扇区预制件的成形元件，用于叶片预制件外部形状的成形元件和用于叶片预制件中纵向内通道的成形元件，后面的成形元件穿入到分离区312中。这提供了喷管元件预制件，其中内平台预制件部分由折翼331和332制成，外平台预制件部分由折翼321和322制成，叶片预制件由段310所组成。可以形成切口 327和337以在平台预制件的一个端部获得凸边的形状。用于构建由CMC所制成的喷管元件的完整方法可以按照参考图15所描述的方法。上面的描述涉及具有一个、两个或三个叶片的CMC喷管元件的实施方式。自然地，通过形成具有期望数量的连续模式，诸如模式Ma、Mb和Mc的纤维坯体，叶片的数量可以更多。而且，在上面的描述中，所述喷管元件描述为制成带有一个或多个中空叶片，每个具有纵向内通道。然而，本发明也适于制造带有一个或多个实心叶片的喷管元件。对于该实心叶片，在纤维坯体编织期间，在将要构成叶片预制件的任何部分中提供非相互连接的区。上面的描述涉及制造图2中所示类型的喷管元件，其中内和外平台扇区互相基本上平行地延伸。然而，本发明也适于下面的情况待制造的CMC喷管元件E'具有互相不平行的内和外平台元件60和70，如图29中所示。在该实施例中，如同图2中，喷管元件具有在平台扇区60和70之间延伸和与其连接的两个叶片50a和50b，该叶片具有沿着它们整个长度延伸的纵向通道52a和52b。平台扇区在叶片连接区的每侧上延伸。通过展开纤维坯体，诸如图30中坯体400可以获得用于制造喷管元件E'的纤维预制件，使用3D或多层编织法编织该纤维坯体。为了简化的原因，坯体400的元件给出了与图3中具有相同功能的坯体100的元件相同的附图标记。坯体400不同于坯体100，因为一个模式的第一段和相同模式的第二和第三段至少之一之间的连接相对于纵向方向A的法线以非零角度延伸。因此，如图30中所示，段120a连接段IlOa以相对于方向A的法线形成非零角度α，并且段130a通过相对于方向A的法线形成非零的角度β连接段120a。在该实施例中，角度α和β具有相反的符号。以相似的方式，段130b通过形成基本上等于α的角度来连接段110b，并且段120b通过形成基本上等于β的角度来连接段110b。坯体400以和坯体100相同的方式展开。像坯体100 —样，从连续编织的条带切割坯体400。可以进行图30中虚线所画出轮廓所限定部分的3D或多层编织，然后进行切割以获得坯体400的外形。也可以在编织期 间在首先地模式第一段和其次地相同模式的第二和第三段的每个之间的连接处进行斜纹路编织。自然地，具有互相不平行的内和外平台扇区的CMC喷管元件可以制造成带有除了2片叶片数量以外的一些数量的叶片。
权利要求
1.一种由复合材料所制成的单件涡轮机喷管元件，该复合材料包括由至少部分地是陶瓷的基体致密的纤维增强，该喷管元件包括内环形平台扇区(20 ;60)，外环形平台扇区(30 ；70)，以及在平台扇区之间延伸和连接它们两者的至少一个叶片(10a、IOb ;50a、50b)，平台扇区在它们与叶片或每个叶片的连接区的每侧上延伸，该元件的特征在于纤维增强包括纤维结构，该纤维结构由三维或多层编织法所编织并且在喷管元件的整个体积上和叶片或每个叶片的整个周边上具有连续性。
2.根据权利要求I所述的喷管元件，其特征在于叶片或每个叶片具有在叶片整个长度上延伸和在平台扇区中向外开口的内纵向通道(12a、12b)。
3.根据权利要求I所述的喷管元件，其特征在于叶片或每个叶片是实心的。
4.根据权利要求I至3中任一权利要求所述的涡轮机喷管元件，其特征在于它包括在平台扇区之间延伸的至少两个叶片(10a、10b ;50a、50b)，并且纤维结构包括纱线，该纱线沿着连续的路径行走，该路径沿着第一平台扇区的一部分，沿着第一叶片，沿着另一个或第二平台扇区的一部分，沿着第二叶片，然后沿着第一平台扇区的一部分连续地延伸。
5.—钟制造由复合材料所制成的单件涡轮机喷管元件的方法，该复合材料包括由至少部分地是陶瓷的基体致密的纤维增强，该喷管元件包括内环形平台扇区(20 ;60)，外环形平台扇区(30 ;70)，以及在平台扇区之间延伸和连接它们两者的至少一个叶片(10a、10b ;50a、50b)，该方法包括通过三维或多层编织法制造纤维坯体，成形纤维坯体以获得喷管元件的纤维预制件，和用至少部分地是陶瓷的基体致密预制件，该方法特征在于 通过三维或多层编织法制造编织的单件纤维坯体(100 ；200 ；300 ;400)，该坯体在纵向方向上包括至少一个模式，该模式包括形成叶片预制件坯体的第一段(110a、110b、210a、210b、210c ；310),在第一段的一个纵向端延伸和形成互相面对的两个折翼(121a_122a、121b-122b ;221a-222a ;221b-222b ;221c、222c ;321-322)的第二段(120a、120b ;220a、220b,220c ;320)，在第一段的另一端延伸和形成互相面对的两个折翼(131a_132a、131b-132b ;231a-232a、231b-232b、231c-232c ;331-332)的第三段(130a, 130b ；230a,230b, 230c ；330)； 第二段的折翼和第一段之间在第一段每侧上其第一端进行相对枢转，以引起第二段的折翼基本上垂直于第一段延伸，以及第三段的折翼和第一段之间在其每侧上其第二端进行相对枢转，以引起第三段的折翼基本上垂直于第一段，这样来展开坯体；和 成形展开的坯体以获得喷管元件的纤维预制件(140)，该纤维预制件具有通过成形第一段获得的至少一个叶片预制件形成部分和从折翼获得的平台扇区预制件形成部分； 因此，致密后，用包括纤维预制件的纤维增强获得单件涡轮机喷管元件，该纤维预制件在喷管元件的整个体积上以及叶片或每个叶片的整个周边上具有连续性。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于坯体制造成具有第二段和第三段，该第二段和第三段的宽度大于第一段的宽度和侧向地延伸超过第一段的侧边缘。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于第二和第三段至少之一中，两个折翼中每个折翼形成有补翼(121' a-122' a、131' b-132/ b ；221' a~222' a、231' c-232' c ；321' -322;、331' -332;)，所述补翼在非展开状态时延长折翼的部分，该折翼侧向地突出超过第一段的纵向边缘，沿着所述边缘延伸，同时与其分离，当展开坯体时，引起折翼的补翼与另一个折翼的补翼相互地重叠。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于相互重叠的补翼结合在一起。
9.根据权利要求5至8中任一权利要求所述的方法，其特征在于纤维坯体制成带有所述模式重复的单件，第一模式的第三段(130a;230a、230b)和连续的第二模式的第二段(120b ;220b、220c)互相延伸和互相连续，同时展开还体时，引起第一模式的第一段(110a;210a)相对于第一模式的第三段(130a ;230a)在一个方向上枢转，引起第二模式的第一段(110b ；210b)在相反的方向上相对第二模式的第二段(120a ；220a)进行枢转以使第一和第二模式的第一段基本上互相平行。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于当展开坯体时，引起第一模式的第二段的折翼(121a ;221a，222b)和连续的模式的第三段的折翼(131b ;231b，232c)互相延伸以能够形成平台扇区预制件的一部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于展开坯体后，已经互相延伸的折翼结合在一起。
12.根据权利要求5至11中任一权利要求所述的方法，其特征在于当进行坯体的多层编织时，在两层之间形成非互相连接的区域(123a、133a、123b、133b)以在第二段的两个折翼之间和第三段的两个折翼之间形成分离。
13.根据权利要求5至12中任一权利要求所述的方法，其特征在于在坯体的多层编织期间，在都沿着第一段的两层之间形成非相互连接的区域(112a、112b;212a、212b、212c ;312)，该非相互连接的区域仅仅在第一段宽度的一部分上延伸，距离其纵向边缘一段距离，这样成形后，它形成了带内通道的叶片纤维预制件，该内通道在预制件的整个长度上延伸。
14.一种涡轮机喷管，它包括多个并置的喷管元件，每个喷管元件是根据权利要求I至4中任一权利要求所述的喷管元件或者是通过权利要求5至13中任一权利要求所述的方法获得的。
15.一种燃气涡轮机，其装有权利要求14所述的涡轮机喷管。
全文摘要
本发明涉及涡轮机喷管元件，该涡轮机喷管元件包括内环形平台扇区(20；60)，外环形平台扇区(30；70)，以及在平台扇区之间延伸和与它们两者连接的至少一个叶片(10a、10b；50a、50b)。喷管元件包括复合材料的单件，该复合材料包括由至少部分地是陶瓷的基体致密的纤维增强，该纤维增强包括纤维结构，该纤维结构由三维或多层编织法所编织并且在喷管元件的整个体积上和叶片的整个周边上具有连续性。
文档编号C04B35/80GK102803657SQ201080027378
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月9日 优先权日2009年6月18日
发明者多米尼克·库普, 纪尧姆·吉恩-克劳德·罗伯特·雷浓 申请人:斯奈克玛, 斯奈克玛稳固推进力公司