安裝有支柱的陶瓷基復(fù)合材料噴嘴及其概念的制作方法
【專利說明】
[0001] 關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究的聲明 無。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本實(shí)施例通常涉及復(fù)合材料噴嘴段組件。更具體地，本實(shí)施例涉及包括提供結(jié)構(gòu) 支撐的支柱的復(fù)合材料噴嘴段組件。
【背景技術(shù)】
[0003] 燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)包括渦輪機(jī)械核心，渦輪機(jī)械核心按照順序流動的關(guān)系具有高壓 壓縮機(jī)、燃燒器以及高壓渦輪（"HPT"）。核心可按已知的方式運(yùn)行，以生成主氣流。高壓渦輪 包括將退出燃燒器的氣體引導(dǎo)至旋轉(zhuǎn)葉片或輪葉中的固定導(dǎo)葉或噴嘴的環(huán)形陣列（"行"）。 一行噴嘴和一行葉片共同地組成"級"。典型地，按照順序流動的關(guān)系使用兩級或更多級。這 些構(gòu)件在極高的溫度環(huán)境下運(yùn)行，必須通過空氣流而冷卻，以確保足夠的使用壽命。
[0004] HPT噴嘴往往配置為在限定穿過噴嘴的主流路的環(huán)形內(nèi)帶與外帶之間延伸的翼型 狀導(dǎo)葉的陣列。
[0005] 由于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)內(nèi)的運(yùn)行溫度，期望的是，利用熱膨脹系數(shù)低的材料。例如， 為了在這樣的劇烈的溫度和壓力條件下有效地運(yùn)行，提出了復(fù)合材料，并且具體地，例如陶 瓷基復(fù)合材料(CMC)。這些熱膨脹系數(shù)低的材料具有比金屬零件更高的耐熱能力。發(fā)動機(jī)內(nèi) 的更高的運(yùn)行溫度導(dǎo)致更高的發(fā)動機(jī)效率。然而，這樣的陶瓷基復(fù)合材料(CMC)具有在CMC 的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的期間必須考慮的機(jī)械性質(zhì)。在與金屬材料相比時，CMC材料具有相對低的拉 伸塑性或低的應(yīng)變來失效。而且，CMC材料具有與用作CMC類型的材料的約束支架或吊架的 金屬合金顯著地不同的熱膨脹系數(shù)。因此，如果CMC構(gòu)件在運(yùn)行的期間在一個表面上受到約 束且被冷卻，則可能逐漸產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致段的故障。
[0006]人們已嘗試由CMC材料形成的現(xiàn)有技術(shù)的噴嘴，獲得有限的成功。這些噴嘴必須具 有使受負(fù)荷控制的應(yīng)力最小化的構(gòu)造。人們已嘗試承載作用于CMC噴嘴上的壓力負(fù)荷，以在 噴嘴的外帶和內(nèi)帶處支撐。通常，在內(nèi)帶和外帶的圓角處創(chuàng)建力矩，以實(shí)現(xiàn)該構(gòu)造。這導(dǎo)致 導(dǎo)葉和帶的接口處的高應(yīng)力，為CMC構(gòu)件創(chuàng)建耐久性的挑戰(zhàn)。
[0007] 期望的是，改進(jìn)已知的噴嘴組件，以便消除噴嘴與相關(guān)聯(lián)的附件特征之間的接口 處的力矩的創(chuàng)建。進(jìn)一步期望的是，提供在限制零件上的負(fù)荷的同時，支撐CMC噴嘴的組件。 進(jìn)一步期望的是，允許不同的材料類型的零件之間的差熱生長。
[0008] 說明書的本背景部分中所包括的信息(包括本文中所引用的任何參考及其任何描 述或討論)僅出于技術(shù)參考的目的而被包括在內(nèi)，并且不被認(rèn)為是約束本發(fā)明的范圍的主 題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 提供了一種噴嘴組件，該噴嘴組件部分地由熱膨脹系數(shù)低的材料形成。組件包括 由熱膨脹系數(shù)低的材料形成的噴嘴整流罩，并包括徑向地延伸穿過噴嘴整流罩的金屬支 柱。負(fù)荷以兩個方式中的任一個從噴嘴整流罩傳遞至靜態(tài)結(jié)構(gòu):第一，支柱可以直接地接收 負(fù)荷;和/或第二，負(fù)荷可以從噴嘴整流罩傳遞至內(nèi)和外支撐環(huán)中的至少一個。而且，噴嘴整 流罩和支柱可以允許內(nèi)部空氣流以用于冷卻。
[0010] 根據(jù)一些實(shí)施例，噴嘴段組件包括:外支撐環(huán)和內(nèi)支撐環(huán);具有外帶和內(nèi)帶的由熱 膨脹系數(shù)低的材料形成的噴嘴整流罩;噴嘴整流罩還具有在外帶與內(nèi)帶之間延伸的導(dǎo)葉； 在外支撐環(huán)與內(nèi)支撐環(huán)之間延伸的金屬支柱，支柱提供所述噴嘴整流罩與支柱或所述噴嘴 整流罩與內(nèi)和外支撐環(huán)中的至少一個的至少一對之間的負(fù)荷的傳遞，金屬支柱延伸穿過噴 嘴整流罩，并允許支柱穿過導(dǎo)葉的擴(kuò)展。
[0011] 本發(fā)明的第一技術(shù)方案提供了一種噴嘴段組件，包括:外支撐環(huán)和內(nèi)支撐環(huán);噴嘴 整流罩，其具有外帶和內(nèi)帶，由熱膨脹系數(shù)低的材料形成;噴嘴整流罩還具有在外帶與內(nèi)帶 之間延伸的導(dǎo)葉;金屬支柱，其在外支撐環(huán)與內(nèi)支撐環(huán)之間延伸，支柱允許負(fù)荷在噴嘴整流 罩與內(nèi)和外支撐環(huán)中的至少一個或者噴嘴整流罩與支柱中的至少一對之間傳遞;金屬支柱 延伸穿過噴嘴整流罩，并允許支柱穿過導(dǎo)葉而擴(kuò)展。
[0012] 本發(fā)明的第二技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，外支撐環(huán)和內(nèi)支撐環(huán)是360度環(huán)。
[0013] 本發(fā)明的第三技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，外支撐環(huán)和內(nèi)支撐環(huán)是弧形段。
[0014] 本發(fā)明的第四技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，外支撐環(huán)和內(nèi)支撐環(huán)中的至少一個 由靜態(tài)結(jié)構(gòu)支撐。
[0015] 本發(fā)明的第五技術(shù)方案是在第四技術(shù)方案中，外支撐環(huán)和內(nèi)支撐環(huán)中的至少一個 以來自靜態(tài)結(jié)構(gòu)的懸臂布置支撐。
[0016] 本發(fā)明的第六技術(shù)方案是在第四技術(shù)方案中，外支撐環(huán)和內(nèi)支撐環(huán)中的至少一個 在軸向端部處被支撐。
[0017] 本發(fā)明的第七技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，金屬支柱通過螺栓連接、滑動配合 銷連接、鉤與搭疊件的連接以及整體連接而連接至內(nèi)帶和外帶中的至少一個。
[0018] 本發(fā)明的第八技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，還包括將軸向負(fù)荷或切向負(fù)荷中的 至少一個從噴嘴整流罩傳遞至內(nèi)支撐環(huán)和外支撐環(huán)中的至少一個。
[0019] 本發(fā)明的第九技術(shù)方案是在第八技術(shù)方案中，還包括通過從支柱延伸至導(dǎo)葉的腔 內(nèi)表面的墊而傳遞負(fù)荷。
[0020] 本發(fā)明的第十技術(shù)方案是在第八技術(shù)方案中，還包括通過位于噴嘴整流罩上面或 下面中的至少一個的表面而將負(fù)荷從噴嘴整流罩傳遞至金屬支柱與內(nèi)和外支撐環(huán)中的至 少一個。
[0021] 本發(fā)明的第十一技術(shù)方案是在第八技術(shù)方案中，還包括通過噴嘴整流罩與金屬支 柱、內(nèi)和外支撐環(huán)中的至少一個之間的銷接頭而傳遞負(fù)荷。
[0022] 本發(fā)明的第十二技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，還包括控制噴嘴整流罩的徑向位 置。
[0023] 本發(fā)明的第十三技術(shù)方案是在第十二技術(shù)方案中，還包括在內(nèi)和外帶中的一個處 的噴嘴整流罩與金屬支柱之間、內(nèi)支撐環(huán)與外支撐環(huán)之間的接口。
[0024] 本發(fā)明的第十四技術(shù)方案是在第十二技術(shù)方案中，還包括銷接頭或位于內(nèi)帶和外 帶中的一個處。
[0025] 本發(fā)明的第十五技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，還包括穿過噴嘴組件的流路。
[0026] 本發(fā)明的第十六技術(shù)方案是在第十五技術(shù)方案中，流路還包括延伸穿過噴嘴整流 罩的導(dǎo)葉的至少一個腔。
[0027] 本發(fā)明的第十七技術(shù)方案是在第十六技術(shù)方案中，流路還包括延伸穿過支柱并與 噴嘴整流罩的腔流連通的至少一個腔。
[0028] 本發(fā)明的第十八技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，金屬支柱具有多個冷卻孔以用 于在導(dǎo)葉的內(nèi)部表面上的沖擊空氣。
[0029] 本發(fā)明的第十九技術(shù)方案是在第十八技術(shù)方案中，噴嘴整流罩的導(dǎo)葉具有與流路 流連通的多個冷卻膜孔。
[0030] 本發(fā)明的第二十技術(shù)方案是在第十八技術(shù)方案中，流路還與內(nèi)帶流連通。
[0031] 所有的上文概述的特征將被理解為僅示范性的，并且可以從本文中的公開發(fā)現(xiàn)結(jié) 構(gòu)和方法的更多的特征和目標(biāo)。因此，在未進(jìn)一步閱讀整個說明書、與概要一起被包括在內(nèi) 的權(quán)利要求書和附圖的情況下，將不能理解對概要的限制的解釋。
【附圖說明】
[0032] 通過參考結(jié)合附圖而作出的以下的描述，這些實(shí)施例的上面提到的特征和優(yōu)點(diǎn)及 其他特征和優(yōu)點(diǎn)以及獲得這些特征和優(yōu)點(diǎn)的方式將變得更顯而易見，并且將更清楚地理解 實(shí)施例，其中： 圖1是示范性的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的側(cè)視截面圖； 圖2是由多個噴嘴段組件形成的示范性的噴嘴環(huán)的透視圖； 圖3是包括延伸穿過整流罩的支柱的噴嘴段組件的透視裝配圖； 圖4是圖3的噴嘴段組件的分解裝配圖； 圖5是用于噴嘴段組件的各種安裝選項(xiàng)的示意截面圖； 圖6是圖3的噴嘴組件的部分截面圖； 圖7是噴嘴與凸耳的接頭的第一截面圖； 圖8是噴嘴與銷的接頭的第二截面圖； 圖9是在圖5的線9-9處截取的截面圖； 圖10是在圖5的線10-10處截取的截面圖； 圖11是用于噴嘴段的備選的安裝結(jié)構(gòu)的透視圖； 圖12是密封盒的透視圖； 圖13是示范性的密封盒的截面圖； 圖14是示范性的支柱的透視圖； 圖15是圖14的示范性的支柱的截面圖；以及， 圖16是用于噴嘴組件的備選的構(gòu)造的橫截面。
[0033] 零件列表



【具體實(shí)施方式】
[0034]應(yīng)理解，所描繪的實(shí)施例在應(yīng)用中不限于在以下的描述中闡明或在附圖中圖示的 構(gòu)件的構(gòu)造和布置的細(xì)節(jié)。所描繪的實(shí)施例能夠是其他實(shí)施例并能夠以各種方式實(shí)踐或執(zhí) 行。經(jīng)由解釋而提供各示例，不限于所公開的實(shí)施例。實(shí)際上，將對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易 見的是，在不背離本公開的范圍或精神的情況下，可以在本實(shí)施例中作出各種修改和變型。 例如，作為一個實(shí)施例的一部分而圖示或描述的特征可以與另一實(shí)施例一起使用，以再產(chǎn) 生又一實(shí)施例。因此，由于這樣的修改和變型屬于所附權(quán)利要求及其等效物的范圍內(nèi)，因而 旨在本公開涵蓋這樣的修改和變型。
[0035] 在圖1-16中描繪噴嘴段組件的實(shí)施例。噴嘴段組件利用熱