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CN102933757A - 用于涡轮机环转扇形体的纤维预制件及其制造方法 - Google Patents

用于涡轮机环转扇形体的纤维预制件及其制造方法 Download PDF

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CN102933757A
CN102933757A CN2011800122770A CN201180012277A CN102933757A CN 102933757 A CN102933757 A CN 102933757A CN 2011800122770 A CN2011800122770 A CN 2011800122770A CN 201180012277 A CN201180012277 A CN 201180012277A CN 102933757 A CN102933757 A CN 102933757A
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Abstract

本发明涉及用于涡轮机环状扇形体的纤维预制件(40)，该纤维预制件是通过三维编织获得的，包括底部形成的第一部分(42)、L形部分形成的两个襟(44，46)以及第二部分(48b)，L形部分形成的两个襟均具有具有第一分支(44a，46a)和第二分支(44b，46b)，第一部分(42)的两个端部被各个第一分支(44a，46a)延伸，第二部分(48b)将所述两个襟(44，46)连接在一起，编织在一起的第一编织条(A)和第二编织条(B)形成了所述第一分支(44a，46a)、第二分支(44b，46b)的厚度的第一组成部分、以及第一部分(42)，第一分支(44a，46a)中和第一部分(42)中的第一编织条(A)和第二编织条(B)之间存在非互连区域，第三编织条(C)形成了第二部分(48b)以及每个襟(44，46)的第二分支(44b，46b)的厚度的第二组成部分。

Description

用于涡轮机环转扇形体的纤维预制件及其制造方法
技术领域
本发明涉及用于涡轮机扇形体的纤维预制件以及其加工方法，涉及合并了这种纤维预制件的涡轮机环状扇形体，还涉及包括多个这种环状扇形体的涡轮机环状组件。
背景技术
本发明的应用领域具体是燃气轮机航空发动机。不过，本发明适用于其他类型的涡轮机，例如，工业涡轮机。
金属基复合物(CMC，metallic matrix composite)材料由于其良好的机械性能以及其在高温保持这些性能的能力而广为人知，这些良好的机械性能使得它们适用于构建结构元件。
在燃气轮机航空发动机中，改善效率以及减少污染物排放量促使人们开展工作在更高温度的研究。
从而，已经设想将CMC用于这种发动机的各种热部件，特别是因为CMC的密度比通常所用的耐火材料的密度低。
从而，涡轮机环状扇形体已经被制造为CMC的单体部件，具有如图1所示的类型的结构。
图1示出了高压涡轮机环状组件，该环状组件包括CMC涡轮机环10以及金属环支撑结构13。涡轮机环10环绕一组旋转叶片15。涡轮机环10由多个环状扇形体100组成。图1是两个相邻环之间穿过的平面上的子午面截面视图。
每个环状扇形体100的截面在形状上基本上是倒置的希腊字母π，其环形片状的底部112和涂覆有耐磨材料层113的内表面限定了燃气气流在涡轮机中的流道。襟中的上游襟114具有在侧面上基本呈L形的子午面，上游襟114向上游延伸，以与底部112的上游端部配合限定出U形部分，该U形部分限定出容纳空间115，该容纳空间115在上游端部分114a的深度上延伸。另一个襟116或下游襟具有在侧面上基本上为字母T的形状的子午面，该襟从底部112的下游端部向下游延伸。
术语“上游”和“下游”在这里是参照燃气气流通过涡轮机的流动方向(图1中的箭头F)。
固定到涡轮机机壳的环状支撑结构13包括环状的上游径向凸缘32，该凸缘带有环状的钩状物34，所述钩状物34具有逗号形状的子午面截面，并在轴向方向上指向下游，适于与容纳空间115结合。设计该钩状物34的端部34a与容纳空间115的结合的方式，以在气流流道和环状扇形体100外侧面之间的上游端提供密封。
在下游端，环状支撑结构13包括倒置的L形环形凸缘36，该环形凸缘结束于环形支撑部分36a，襟116的环形端部116a支撑在该环形支撑部分36a上。襟116的环形端部116a和凸缘36的支撑部分36a通过夹具38以没有空隙的方式保持彼此抵压，该夹具38在侧面上具有U形的子午面截面，以传统方式形成了弹簧夹。通过被插入在指状物36b和116b之间，夹具38相对于凸缘36和襟116以圆周方式保持不动，指状物36b从凸缘36的部分36a向下游延伸，指状物116b从襟116的端部116a向下游延伸。
为了在燃气通过涡轮机的流道和涡轮机的外侧之间的下游端提供可行的最佳密封，在凸缘36的支撑部分36a和襟116的端部116a之间压紧有垫片20。例如，垫片20由金属编织网制成，该金属编织网保持在于支撑部分36a的内表面中所形成的容纳空间中。
另外，通过容纳在每个环状扇形体100中的密封舌22，在底部112中，在底部112的中间部分以及在从上游到下游的整个长度上提供扇形体之间的密封。
上述的环状扇形体100需要具有较大的厚度，以使由CMC制成的环绕密封舌并包括两个襟114和116的部分有足够的强度，可以承受这些部件在工作中受到的热机械应力。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种新型的涡轮机环状扇形体结构，该结构使得可以更进一步地特别地减小环状扇形体的重量。
为了实现这个目的，本发明提供了一种用于涡轮机环状扇形体的纤维预制件，该预制件是通过三维编织方式获得的，并包括形成底部的第一部分、形成L形部分并均具有第一分支和第二分支的两个襟、以及第二部分，第一部分的两端被所述第一分支中的各个分支所延伸，第二部分通过第一连接和第二连接将两个襟连接起来，第一连接形成在第二部分和两个襟中的一个襟之间，第二连接形成在第二部分和两个襟中的另一个襟之间，第二部分与两个襟以及第一部分配合限定出空腔，第一编织条和第二编织条被编织在一起来形成第一分支、第二分支的厚度的第一组成部分(fraction)、以及第一部分，在第一分支和第一部分之间存在有非互联区域，第三编织条形成第二部分以及每个襟的第二分支的厚度的第二组成部分。
以这种方式，可以理解到，通过形成这种结构，特别是具有第一部分在向内方向上、第二部分在向外方向上、以及两个襟的第一分支在上游端和下游端上限定出的空腔的这种结构，获得一种中空结构，从而在重量上比实心结构更轻。
以这种方式，可以采用最小厚度的CMC而不损害和减小环状扇形体的机械强度性能。
优选地，执行下列措施中的一项或多项：
形成在第二部分(即，第三编织条)和两个襟之间的第一连接和第二连接中的至少一个连接的位置基本上位于相应的第一分支和第二分支之间；
形成在第二部分(即，第三编织条)和两个襟之间的第一连接和第二连接中的至少一个连接是第一编织条和第二编织条所形成的组件以及第三编织条的产物；
形成在第二部分(即，第三编织条)和两个襟之间的第一连接和第二连接中的至少一个连接是通过编结形成的；以及
每个襟的第二分支是通过叠加第一编织条和第二编织条所形成的组件的组成部分(fraction)与第三编织条的组成部分(fraction)而形成。
附图说明
阅读下文中参照附图通过示例所给出的说明之后，本发明的其他优点和特征变得更明显，其中：
如上文所述，图1是子午面半剖视图，其中示出了现有技术的涡轮环组件；
图2是本发明的纤维预制件的透视图；
图3至图7是图2中的区域III至区域VII的编织平面的放大视图；
图8是与图2相似的视图，其中示出了如何将涡轮环状扇形体的金属条置入合适的位置。
具体实施方式
通过形成形状与环状扇形体的形状相似的纤维预制件40(见图2)以及通过用陶瓷基增强环状扇形体的密度，用CMC制成本发明的每个环状扇形体。
为了制成纤维预制件40，可以采用陶瓷纤维制成的纱线，例如，诸如日本供应商Nippon Carbon出售的名为“Nicalon”之类的SiC纤维纱线或由碳纤维制成的纱线。
该纤维预制件40由三围编织或多层编织而制成的坯件所制成，其中布置了非互连区域，以将该预制件的接纳形成密封舌的金属条的多个部分间隔开。
在图2至图8的实施例中，同时采用从上游延伸到下游的相互平行的经纱来编织三个编织条A、B和C。
本文所用的术语“上游”和“下游”相对于编织进行的方向(如图2中的箭头T所示)。
采用穿过第一编织条A和第二编织条B所形成的组件的整个厚度的通常织物纱线，以将所有的经纱纱线连接在一起，这种情况发生在该预制件40的第一段T1和第二段T2(见图2、图3和图7)，从而，将第一编织条A和第二编织条B编织在一起。
在构成该预制件40的过渡区域的第二段T2中(见图2和图5)，由第一编织条A和第二编织条B形成的组件穿过第三编织条C。
在该预制件40的第三段T3(见图2、图5和图6)中，用第一编织条A和第二编织条B中的每个编织条的独立经线纱线同时编织第一编织条A和第二编织条B，使得在第一编织条A和第二编织条B之间留下缝隙，从而形成非互连区域D。
在第一编织条A和第二编织条B所形成的组件的经纱纱线穿过第三编织条C的经纱纱线的位置处，远离预制件40的过渡第二段T2，平行于第一编织条A和第二编织条B所形成的组件，以单独和独立的方式编织该预制件40的第三编织条C(见图2、图4和图7)。在上述穿过之前(在图5的顶部)，在第一编织条A和第二编织条B所形成的组件的织物纱线将第一编织条A和第二编织条B所形成的组件中的所有经线纱线层连接在一起时，第三编织条C的织物纱线保持附接到所述组件，然后，在上述穿过之后分开，使得一些织物纱线将第一编织条A中的所有经线纱线层连接在一起，而其他的织物纱线将第二编织条B中的所有经线纱线层连接在一起(到图5的底部，对应于第三段T3的开始)。
对于从上游走向下游的第三编织条C，限定了面向预制件40的第一段T1布置的第一段48a、面向预制件40的第三段T3布置的第二段48b、以及面向预制件40的第四段T4布置的第三段48c。
从而，在过渡的第二段T2中，编织提供了所有三个编织条A、B、C之间的连接，从而将它们彼此固定，使得在编织步骤结束时可以获得单个部件的预制件坯件。
图3至图7示出了图2中的各个具体编织区域III至VII的连续编织平面的示例的经线部分(垂直于图2中的方向T)。
在所示的示例中，在每个编织条A、B、C中，经线纱线的层数都是两层。
很自然，这个层数可以不是两层，具体来讲，可以大于两层。
另外，在三个编织条A、B、C中所采用的经线纱线的数量可以不完全相同。
由于所给予预制件40的如图2所示的形状，可以理解的是，由于第三编织条C在实际上保持水平，而第一编织条A和第二编织条B所形成的组件在预制件40已经成形之后(见图2)具有与酸奶罐的横截面相似的横截面，即，具有略微张开的垂直分支并具有通过各个水平臂延伸而得到的自由端的U形，第三编织条C比第一编织条A和第二编织条B所形成的组件短。
编织可以是如图所示的互连类型的编织。
可以采用其他的三维编织或多层编织，例如，多平面编织或多缎编织。可以参考专利文献WO 2006/136755。
编织之后，对坯件进行成形，以在不对任何纱线进行切割的情况下，特别是在不对经线纱线进行切割的情况下获得环状扇形体预制件40。
在成形之后，获得预制件40，该预制件40具有图2所示的形状，限定了要由该形状产生的各个环状扇形体部分：
第一部分42或底部，其具有用来形成所述环形的内表面的内面，第一部分或底部由第一编织条A和第二编织条B所形成的组件的第三段T3的中央部分产生，并限定了非互连区域D的第一组成部分(fraction)；
两个襟44和46，这两个襟采用了分别具有延伸第一部分42的端部的第一分支44a(46a)和延伸第一分支44a(46a)并平行于第一部分42的第二分支44b(46b)的L形状。第一分支44a和46a对应于第一编织条A和第二编织条B所形成的组件的第三段T3的两个端部，并分别限定了非互连区域D的第二组成部分(fraction)和第三组成部分(fraction)。上游襟44的面向预制件40的第一段T1的第二分支44b由叠加第一编织条A和第二编织条B所形成的组件的上游端的段(位于上部)和第三编织条C的上游端的段48a(位于下部)而产生。下游襟46的面向预制件40的第四段T4的第二分支46b由叠加第一编织条A和第二编织条B所形成的组件的下游端的段(位于下部)和第三编织条C的下游端的段48c(位于上部)而产生；
以及第二部分48b，第二部分形成了外壁，并在距第一部分42一定距离的平行位置处将所述两个襟44和46连在一起。
为了实现这个目的，通过上文所述的穿过在第二部分48b和上游襟44之间进行第一连接，并产生这三个编织条A、B和C之间的编织。这用于将形成第二部分48b的第三编织条C和所述两襟中的一个襟(上游襟44)连接在一起。
另外，通过第三编织条C与第一编织条A和第二编织条B所形成的组件之间在另一个襟处(下游襟46)的连接实现第二部分48b和下游襟46b之间的第二连接。
优选通过编结进行所述第二连接(见图2和图7)：编结纱线49在下游襟46上通过所有三个编织条A、B和C的整个厚度，从而提供了一种固定预制件40的结构的简单快速方法。编结纱线49还用来闭合限定在下游襟的第一分支46、第一部分42、上游襟44的第一分支44a以及第二部分48b之间的空腔60。
从而，在本发明中，执行一种用来制造纤维预制件40的方法，该纤维预制件用于形成由陶瓷基复合材料的单件部件组成的涡轮机环扇形部件，该纤维预制件包括第一部分42和第二部分48b，第一部分42形成了底部，并具有被L形部分延伸了的两个端部，L形部分形成了襟(上游部分44和下游部分46)，所述襟具有第一分支(44a，46a)和第二分支(44b，46b)，第二部分48b将两个襟44和46连接在一起，并适于与襟44、46以及第一部分42合作来限定出空腔60，所述方法优选包括下列步骤：
同时编制第一编织条A、第二编织条B以及第三编织条C；
彼此平行地编织第一编织条A和第二编织条B，以便形成第一部分42、襟(44，46)的第一分支(44a，46a)、以及襟(44，46)的第二分支(44b，46b)的第一部分厚度，第一编织条A和第二编织条B连接在一起，以形成第二分支(44b，46b)的组件，并在第一部分42和襟(44，46)的第一分支(44a，46a)的位置处在第一编织条A和第二编织条B之间形成了非互连区域D；
编织第三编织条C，使得第三编织条C在所述襟的一个襟(上游襟44)处穿过第一编织条A和第二编织条B所形成的组件，以将形成第二部分48b的第三编织条C与所述两个襟中的一个襟(上游襟44a)连接起来；以及
在另一个襟(下游襟46a)处将第三编织条C连接到第一编织条A和第二编织条B所形成的组件。在所示的示例中，在下游襟46的整个第二部分46b上编结纱线49来获得这种连接。
之后，该方法还包括额外的步骤，在该步骤中，将金属带50置入所述非互连区域D中的合适位置处(见图8)。
这些金属带50优选采用三个带的形式，包括：
第一平带52，其水平地容纳在非互连区域D的第一部分中，面向第一部分42定位；
呈反L形的第二带54，该反L形具有放置在非互连区域D的第二部分中面向上游襟44的第一分支44a定位的长分支以及覆盖第一带52的上游边缘的短分支；以及
呈反L形的第三带56，该反L形具有放置在非互连区域D的第三部分中面向下游襟46的第一分支46a定位的长分支以及覆盖第一带52的下游边缘的短分支。
可选地，可以只利用第一带52，或者只利用第一带52和第二带54。
之后，为了获得环状扇形体，必须执行传统的形成CMC(即，特别是具有SiC纤维制成的纤维预制件)的后续步骤：
处理预制件40，以从纤维上去除尺寸；
通过化学气相渗透(CVI)，形成包覆在所述预制件的纤维上的中间相薄层；
用固结组合物(consolidation somposition)，通常为可能在溶剂中稀释的树脂，浸渗所述纤维；
烘干所述预制件；
将所述预制件切割为合适长度；
将所述预制件放置在成形模具中对预制件进行成形；
固化，然后对树脂进行热分解；
选择性地形成第二中间相层；
用陶瓷基使预制件40致密化，例如，SiC基；以及
在第一部分42的(背对空腔60的)内表面上沉积一层耐磨涂层。
这生产出了作为由上述预制件以及金属带52、54和56所构成的陶瓷基组合物材料的单体部件的涡轮机环状扇形体，金属带52、54和56布置在于第一部分42与上游襟44和下游襟46的第一分支44a和46a位置处的第一编织条A和第二编织条B之间的非互连区域D中。
由预制件40得到的环状扇形体以类似于图1所示的方式安装。具体来讲：
下游襟46的第二分支46b容纳在夹具38中，所述夹具38制成在环形凸缘的环形支撑部分36a上；以及
上游襟44的第二分支44b容纳在钩状物中，该钩状物与图1中的钩状物34处于相同的位置，但具有在下游方向开口的U形形状。
以这种方式，涡轮机环状组件由多个上文所述的环状扇形体组成。在这种情况下，纤维预制件40的第一部分42构成环形内壁，纤维预制件40的第二部分48b构成环形外壁，两个襟44和46的第二分支44b和46b的端部在环形支撑结构中与壳体结合。

Claims (10)

1.一种用于涡轮机环状扇形体的纤维预制件(40)，所述纤维预制件是通过三维编织获得的，包括形成底部的第一部分(42)、形成L形部分的两个襟(44，46)以及第二部分(48b)，形成L形部分的两个襟均具有第一分支(44a，46a)和第二分支(44b，46b)，第一部分(42)的两个端部分别被第一分支(44a，46a)的延伸，第二部分(48b)通过第一连接和第二连接将所述两个襟(44，46)连接在一起，第一连接形成在第二部分(48b)和所述两个襟(44，46)中的一个襟之间，第二连接形成在第二部分(48b)和所述两个襟(44，46)中的另一个襟之间，第二部分(48b)与两个襟(44，46)以及第一部分(42)配合限定出空腔(60)，将第一编织条(A)和第二编织条(B)编织在一起，形成了第一分支(44a，46a)、第二分支(44b，46b)的厚度的第一组成部分、以及第一部分(42)，在第一分支(44a，46a)和第一部分(42)中的第一编织条和第二编织条之间存在有非互联区域，第三编织条(C)形成了第二部分(48b)以及每个襟(44，46)的第二分支(44b，46b)的厚度的第二组成部分。
2.根据权利要求1所述的纤维预制件(40)，其特征在于，形成在第二部分(48b)和所述两个襟(44，46)之间的第一连接和第二连接中的至少一个连接的位置大致位于相应的第一分支(44a，46a)和第二分支(44b，46b)之间。
3.根据权利要求1或2所述的纤维预制件(40)，其特征在于，形成在第二部分(48b)和所述两个襟(44，46)之间的第一连接和第二连接中的至少一个连接是第一编织条(A)和第二编织条(B)所形成的组件以及第三编织条(C)的产物。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的纤维预制件(40)，其特征在于，形成在第二部分(48b)和所述两个襟(44，46)之间的第一连接和第二连接中的至少一个连接是通过编结(49)形成的。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的纤维预制件(40)，其特征在于，每个襟的第二分支(44b，46b)是通过叠加第一编织条(A)和第二编织条(B)所形成的组件的组成部分和第三编织条(C)的组成部分而形成的。
6.一种由陶瓷基复合物材料制成的单件涡轮机环状扇形体，该涡轮机环状扇形体由根据权利要求1-5中的任何一项所述的纤维预制件(40)和金属带(52，54，56)所制成，所述金属带(52，54，56)布置在非互连区域(D)中，所述非互连区域(D)位于第一部分(42)的位置中的第一编织条(A)和第二编织条(B)与所述襟(44，46)的第一分支(44a，46a)之间。
7.一种涡轮机环状组件，其包括多个根据权利要求6所述的环状扇形体和环支撑结构，所述环状组件的特征在于，纤维预制件的第一部分构成了环形内壁，纤维预制件的第二部分构成了环形外壁，其特征还在于，所述两个襟(44，46)的第二分支(44b，46b)的端部结合在所述环状支撑结构的各个容纳空间中。
8.一种制造用于涡轮机环状扇形体的纤维预制件的方法，所述涡轮机环状扇形体是陶瓷基复合材料制成的单件部件，所述纤维预制件包括形成底部的第一部分(42)和第二部分(48b)，所述第一部分(42)具有两个端部，每个端部分别被形成L形部分的襟(44，46)所延伸，每个襟均具有第一分支(44a，46a)和第二分支(44b，46b)，第二部分(48b)将所述两个襟(44，46)连接在一起，并适于与所述两个襟(44，46)以及第一部分(42)配合，限定出空腔(60)，所述方法包括下列步骤：
同时执行第一编织条(A)、第二编织条(B)和第三编织条(C)的三维编织；
彼此平行地编织第一编织条(A)和第二编织条(B)，以形成第一部分(42)、所述襟(44，46)的第一分支(44a，46a)、以及所述襟(44，46)的第二分支(44b，46b)的厚度的第一组成部分，互连第一编织条(A)和第二编织条(B)，以在第二分支(44b，46b)中的组件，并在第一部分(42)和所述襟(44，46)的第一分支(44a，46a)的位置处在第一编织条(A)和第二编织条(B)之间形成非互连区域(D)；
编织第三编织条(C)，使得第三编织条(C)在所述襟(44，46)中的一个襟处穿过第一编织条(A)和第二编织条(B)所形成的组件，以通过第一连接将形成第二部分(48b)的第三编织条(C)与所述两个襟(44，46)中的一个襟连接起来；以及
在所述两个襟(44，46)中的另一个襟处，在第三编织条(C)与第一编织条(A)和第二编织条(B)所形成的组件之间形成第二连接。
9.根据权利要求8所述的制造纤维预制件(40)的方法，其特征在于，所述第二连接是通过编结(49)形成的。
10.根据权利要求9所述的制造纤维预制件(40)的方法，其特征在于，所述方法还包括一个额外的步骤，在该步骤中，将金属带(52，54，56)置入所述非互连区域(D)。
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