安装有支柱的陶瓷基复合材料喷嘴及其概念的制作方法
【专利说明】
[0001] 关于联邦政府资助的研究的声明 无。
技术领域
[0002] 本实施例通常涉及复合材料喷嘴段组件。更具体地，本实施例涉及包括提供结构 支撑的支柱的复合材料喷嘴段组件。
【背景技术】
[0003] 燃气涡轮发动机包括涡轮机械核心，涡轮机械核心按照顺序流动的关系具有高压 压缩机、燃烧器以及高压涡轮（"HPT"）。核心可按已知的方式运行，以生成主气流。高压涡轮 包括将退出燃烧器的气体引导至旋转叶片或轮叶中的固定导叶或喷嘴的环形阵列（"行"）。 一行喷嘴和一行叶片共同地组成"级"。典型地，按照顺序流动的关系使用两级或更多级。这 些构件在极高的温度环境下运行，必须通过空气流而冷却，以确保足够的使用寿命。
[0004] HPT喷嘴往往配置为在限定穿过喷嘴的主流路的环形内带与外带之间延伸的翼型 状导叶的阵列。
[0005] 由于燃气涡轮发动机内的运行温度，期望的是，利用热膨胀系数低的材料。例如， 为了在这样的剧烈的温度和压力条件下有效地运行，提出了复合材料，并且具体地，例如陶 瓷基复合材料(CMC)。这些热膨胀系数低的材料具有比金属零件更高的耐热能力。发动机内 的更高的运行温度导致更高的发动机效率。然而，这样的陶瓷基复合材料(CMC)具有在CMC 的设计和应用的期间必须考虑的机械性质。在与金属材料相比时，CMC材料具有相对低的拉 伸塑性或低的应变来失效。而且，CMC材料具有与用作CMC类型的材料的约束支架或吊架的 金属合金显著地不同的热膨胀系数。因此，如果CMC构件在运行的期间在一个表面上受到约 束且被冷却，则可能逐渐产生应力集中，导致段的故障。
[0006]人们已尝试由CMC材料形成的现有技术的喷嘴，获得有限的成功。这些喷嘴必须具 有使受负荷控制的应力最小化的构造。人们已尝试承载作用于CMC喷嘴上的压力负荷，以在 喷嘴的外带和内带处支撑。通常，在内带和外带的圆角处创建力矩，以实现该构造。这导致 导叶和带的接口处的高应力，为CMC构件创建耐久性的挑战。
[0007] 期望的是，改进已知的喷嘴组件，以便消除喷嘴与相关联的附件特征之间的接口 处的力矩的创建。进一步期望的是，提供在限制零件上的负荷的同时，支撑CMC喷嘴的组件。 进一步期望的是，允许不同的材料类型的零件之间的差热生长。
[0008] 说明书的本背景部分中所包括的信息(包括本文中所引用的任何参考及其任何描 述或讨论)仅出于技术参考的目的而被包括在内，并且不被认为是约束本发明的范围的主 题。
【发明内容】
[0009] 提供了一种喷嘴组件，该喷嘴组件部分地由热膨胀系数低的材料形成。组件包括 由热膨胀系数低的材料形成的喷嘴整流罩，并包括径向地延伸穿过喷嘴整流罩的金属支 柱。负荷以两个方式中的任一个从喷嘴整流罩传递至静态结构:第一，支柱可以直接地接收 负荷;和/或第二，负荷可以从喷嘴整流罩传递至内和外支撑环中的至少一个。而且，喷嘴整 流罩和支柱可以允许内部空气流以用于冷却。
[0010] 根据一些实施例，喷嘴段组件包括:外支撑环和内支撑环;具有外带和内带的由热 膨胀系数低的材料形成的喷嘴整流罩;喷嘴整流罩还具有在外带与内带之间延伸的导叶； 在外支撑环与内支撑环之间延伸的金属支柱，支柱提供所述喷嘴整流罩与支柱或所述喷嘴 整流罩与内和外支撑环中的至少一个的至少一对之间的负荷的传递，金属支柱延伸穿过喷 嘴整流罩，并允许支柱穿过导叶的扩展。
[0011] 本发明的第一技术方案提供了一种喷嘴段组件，包括:外支撑环和内支撑环;喷嘴 整流罩，其具有外带和内带，由热膨胀系数低的材料形成;喷嘴整流罩还具有在外带与内带 之间延伸的导叶;金属支柱，其在外支撑环与内支撑环之间延伸，支柱允许负荷在喷嘴整流 罩与内和外支撑环中的至少一个或者喷嘴整流罩与支柱中的至少一对之间传递;金属支柱 延伸穿过喷嘴整流罩，并允许支柱穿过导叶而扩展。
[0012] 本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，外支撑环和内支撑环是360度环。
[0013] 本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，外支撑环和内支撑环是弧形段。
[0014] 本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，外支撑环和内支撑环中的至少一个 由静态结构支撑。
[0015] 本发明的第五技术方案是在第四技术方案中，外支撑环和内支撑环中的至少一个 以来自静态结构的悬臂布置支撑。
[0016] 本发明的第六技术方案是在第四技术方案中，外支撑环和内支撑环中的至少一个 在轴向端部处被支撑。
[0017] 本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，金属支柱通过螺栓连接、滑动配合 销连接、钩与搭叠件的连接以及整体连接而连接至内带和外带中的至少一个。
[0018] 本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，还包括将轴向负荷或切向负荷中的 至少一个从喷嘴整流罩传递至内支撑环和外支撑环中的至少一个。
[0019] 本发明的第九技术方案是在第八技术方案中，还包括通过从支柱延伸至导叶的腔 内表面的垫而传递负荷。
[0020] 本发明的第十技术方案是在第八技术方案中，还包括通过位于喷嘴整流罩上面或 下面中的至少一个的表面而将负荷从喷嘴整流罩传递至金属支柱与内和外支撑环中的至 少一个。
[0021] 本发明的第十一技术方案是在第八技术方案中，还包括通过喷嘴整流罩与金属支 柱、内和外支撑环中的至少一个之间的销接头而传递负荷。
[0022] 本发明的第十二技术方案是在第一技术方案中，还包括控制喷嘴整流罩的径向位 置。
[0023] 本发明的第十三技术方案是在第十二技术方案中，还包括在内和外带中的一个处 的喷嘴整流罩与金属支柱之间、内支撑环与外支撑环之间的接口。
[0024] 本发明的第十四技术方案是在第十二技术方案中，还包括销接头或位于内带和外 带中的一个处。
[0025] 本发明的第十五技术方案是在第一技术方案中，还包括穿过喷嘴组件的流路。
[0026] 本发明的第十六技术方案是在第十五技术方案中，流路还包括延伸穿过喷嘴整流 罩的导叶的至少一个腔。
[0027] 本发明的第十七技术方案是在第十六技术方案中，流路还包括延伸穿过支柱并与 喷嘴整流罩的腔流连通的至少一个腔。
[0028] 本发明的第十八技术方案是在第十七技术方案中，金属支柱具有多个冷却孔以用 于在导叶的内部表面上的冲击空气。
[0029] 本发明的第十九技术方案是在第十八技术方案中，喷嘴整流罩的导叶具有与流路 流连通的多个冷却膜孔。
[0030] 本发明的第二十技术方案是在第十八技术方案中，流路还与内带流连通。
[0031] 所有的上文概述的特征将被理解为仅示范性的，并且可以从本文中的公开发现结 构和方法的更多的特征和目标。因此，在未进一步阅读整个说明书、与概要一起被包括在内 的权利要求书和附图的情况下，将不能理解对概要的限制的解释。
【附图说明】
[0032] 通过参考结合附图而作出的以下的描述，这些实施例的上面提到的特征和优点及 其他特征和优点以及获得这些特征和优点的方式将变得更显而易见，并且将更清楚地理解 实施例，其中： 图1是示范性的燃气涡轮发动机的侧视截面图； 图2是由多个喷嘴段组件形成的示范性的喷嘴环的透视图； 图3是包括延伸穿过整流罩的支柱的喷嘴段组件的透视装配图； 图4是图3的喷嘴段组件的分解装配图； 图5是用于喷嘴段组件的各种安装选项的示意截面图； 图6是图3的喷嘴组件的部分截面图； 图7是喷嘴与凸耳的接头的第一截面图； 图8是喷嘴与销的接头的第二截面图； 图9是在图5的线9-9处截取的截面图； 图10是在图5的线10-10处截取的截面图； 图11是用于喷嘴段的备选的安装结构的透视图； 图12是密封盒的透视图； 图13是示范性的密封盒的截面图； 图14是示范性的支柱的透视图； 图15是图14的示范性的支柱的截面图；以及， 图16是用于喷嘴组件的备选的构造的横截面。
[0033] 零件列表
【具体实施方式】
[0034]应理解，所描绘的实施例在应用中不限于在以下的描述中阐明或在附图中图示的 构件的构造和布置的细节。所描绘的实施例能够是其他实施例并能够以各种方式实践或执 行。经由解释而提供各示例，不限于所公开的实施例。实际上，将对本领域技术人员显而易 见的是，在不背离本公开的范围或精神的情况下，可以在本实施例中作出各种修改和变型。 例如，作为一个实施例的一部分而图示或描述的特征可以与另一实施例一起使用，以再产 生又一实施例。因此，由于这样的修改和变型属于所附权利要求及其等效物的范围内，因而 旨在本公开涵盖这样的修改和变型。
[0035] 在图1-16中描绘喷嘴段组件的实施例。喷嘴段组件利用热