用于高温应用的复合涡轮叶片制造技术

用于诸如燃气涡轮等的高温应用的复合涡轮叶片(10)具有用于将所述叶片(10)安装在转子的对应的周向组装凹槽中的根部(1)，以及连接到所述根部(1)上的翼型件(2)，其中，提供内部承载结构(3)，其延伸经过所述根部(1)的至少一部分和所述翼型件(2)的至少一部分，其中，所述内部承载结构(3)由高强度共晶陶瓷制成，并且所述翼型件(2)由陶瓷基质复合物(CMC)材料制成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于诸如燃气涡轮或涡轮发动机的高温应用的复合涡轮叶片，其适于安装和组装在涡轮或发动机的转子或盘上，以便提供不同的涡轮级，特别是在热气路径中。
技术介绍
为了提高燃气涡轮发动机的效率和性能，例如，需要可在比传统燃气涡轮更高的温度下运行的涡轮。为了满足这些运行要求，在过去提议使用所谓的超合金(例如镍基超合金)来制造涡轮叶片。但是，这些材料易于腐蚀，而且限于某个高温范围。此外，在现有技术中，已经提出了用于用例如冷却空气供应冷却高温涡轮叶片的不同方法。但是，随着温度升高，所需的冷却空气量增加，燃气涡轮的整体性能和效率降低。为了进一步提高由超合金制成的涡轮叶片的耐温能力，已经提出了陶瓷隔热涂层(TBC)。但是，对于这样的具有陶瓷涂层的涡轮叶片也存在关于高温应用的范围的限制，而且它们的制造相当复杂。此外，在过去提出了用于高温燃气涡轮的涡轮叶片，其由陶瓷材料实现:例如，在EP O 712 382 BI中，公开了使用共晶陶瓷纤维来制造涡轮叶片，其中，陶瓷共晶纤维用来制造陶瓷基质复合物。US 2003/0207155 Al也描述了由陶瓷材料制成的高温涡轮叶片，其中，提供冷却导管来在燃气发动机在高温范围中运行的期间，冷却涡轮叶片。但是，这些已知的用于高温应用的涡轮叶片都有缺点，它们需要单独的冷却器件，诸如冷却导管，或者无法实现所需的机械属性，特别是抵抗这样的涡轮叶片的一些部分或位置中的增大的负载的高强度。由陶瓷材料制成的已知涡轮叶片的另一个问题在于，它们的特征在于对异物损伤的抵抗力相当低。此外，上面描述的共晶陶瓷材料具有较低的断裂韧度，使得应用这样的陶瓷材料来实现涡轮叶片且特别是这样的叶片的翼型件受到相当大的限制。
技术实现思路
考虑到这些缺点，本专利技术的问题是提供一种用于高温应用的复合涡轮叶片，其同时结合了对抗异物损伤的高抵抗力和高断裂韧度和高耐温能力或可运行的温度范围。借助于具有权利要求1的特征的复合涡轮叶片来解决此问题。实现和另外的发展的有利优选形式是从属权利要求的主题。根据本专利技术的复合涡轮叶片具有用于安装在转子的对应的组装凹槽中的根部，以及连接到所述根部上的翼型件，其中，提供内部承载结构，其延伸经过所述根部的至少一部分和所述翼型件的至少一部分，而且其特征在于，所述内部承载结构由高强度共晶陶瓷制成，并且所述翼型件由陶瓷基质复合物(CMC)材料制成。至少在叶片的根部以及连接到根部上的翼型件的一些部分中提供所述内部承载结构。由于对内部承载结构使用高强度共晶陶瓷，涡轮叶片具有所需的提高的机械属性，以应用在这样的燃气涡轮的高温范围中。翼型件本身由不同的陶瓷材料制成，即，陶瓷基质复合物材料或所谓的CMC材料。由于此材料，形成翼型件的空气动力学形状，其在叶片的这个部分中提供抵抗异物损伤的高抵抗力，以及良好的耐腐蚀结构。抗腐蚀性可由CMC材料或施用在CMC的表面上的一个或多个涂层直接提供。此外这种CMC材料的特征在于高断裂韧度，使得实现涡轮叶片的长久寿命。由于涡轮叶片的不同的元件或部分全部都由适于它们的相应的功能和位置的不同陶瓷材料实现，所以涡轮叶片也特别适合高温应用，特别是大约或高于1500°C的温度范围。通过使根据本专利技术的不同陶瓷材料与涡轮叶片的不同元件或构件结合，在涡轮叶片的不同位置处实现期望机械属性和与温度有关的属性:涡轮叶片的根部区段例如必须承载整个叶片的负载，但在燃气涡轮发动机的运行期间通常暴露于较低的温度。另一方面，这个根部区段要求组装和拆卸在形状方面具有小公差。因此，涡轮叶片的根部不必由耐高温的陶瓷材料制成，诸如翼型件，但可由其它陶瓷材料和/或金属和陶瓷材料的组合实现。由高强度共晶陶瓷实现的内部承载结构是涡轮叶片的内部部分，使得它不直接接触高温气体，而且不遭受异物或磨损，如翼型件本身的情况那样。另一方面，根据本专利技术的翼型件由陶瓷基质复合物材料实现，这保证高机械属性以及对高达1500°C或者甚至1800°C的提高的温度的抵抗力。由于复合陶瓷涡轮叶片的这个新设计，冷却要求在很大程度上降低。取决于部件的机械负载和热气温度，这种复合叶片不需要主动冷却(例如通过冷却空气供应)是可行的。关键构件的材料在高温范围内具有高强度。减少冷却空气会导致总成本降低，以及提高涡轮发动机的性能和效率。除了专用于高温应用之外，本专利技术的复合涡轮叶片在重量和抗腐蚀性方面也有优点。与金属材料或金属合金相比，在同一涡轮叶片中使用不同类型的陶瓷材料还可避免关于腐蚀的问题。由于本专利技术的陶瓷涡轮叶片的这种复合设计，不同的陶瓷(和/或金属)材料的组合在涡轮叶片的在完整叶片结构中具有不同功能的不同位置处提供相应的期望机械属性和与温度有关的属性。内部承载结构的主要功能是承载负载，以及将翼型件牢固地连接和固持到涡轮叶片的根部区段上。另一方面，翼型件本身尤其适合这样的燃气涡轮等的运行期间的高温和可能的异物损伤或磨损要求。根据本专利技术的实现的有利形式，涡轮叶片的翼型件由纤维增强陶瓷基质复合物(CMC)材料实现。由于使用纤维增强CMC材料，机械强度进一步提高，而且提供高断裂韧度。用于增强陶瓷基质复合物材料的纤维也可为共晶陶瓷纤维或由不同材料制成的纤维，例如基于氧化物纤维(诸如Al2O3、富铝红柱石、氧化钇稳定的氧化锆、Hf02、Zr02或Y2O3)。但是，根据本专利技术，优选的是使用陶瓷共晶纤维来增强翼型件的材料。根据本专利技术的另一个有利方面，涡轮叶片的根部区段或根部由共晶陶瓷材料制成，具有外部金属表面涂层。由于根部的金属涂层，关于用于在燃气涡轮的对应的周向组装凹槽内安装和拆卸涡轮叶片所需的形式，根部区段的形状可具有小公差。因此对涡轮叶片的根部提供紧密完工且同时提供经受住在叶片的运行和组装或拆卸期间的各种类型负载的能力是可行的。尽管如此，涡轮叶片具有较轻的重量，而且由于共晶陶瓷材料的原因，尤其适合应用在高温范围中。根据本专利技术的另一个有利实施例，翼型件的陶瓷基质复合物材料直接在所述内部承载结构上成形为叶片的预定形态的近乎最终形状。这表示，翼型件直接成形或铸造在内部承载结构的共晶陶瓷材料上。从而实现紧密连结，而不需要单独的连结器件。例如，在所述两个构件以及很可能涡轮叶片的另外的构件固化之后，提供完工的复合涡轮叶片结构，其仅需要对翼型件的外部形状进行少量加工。还可行的是轻易地达到不同构件的预先限定的制造公差，特别是由有或没有增强纤维的陶瓷基质复合物材料制成的翼型件。根据本专利技术的另一个有利实施例，涡轮叶片的内部承载结构在其与叶片的根部区段相对的自由端处具有基本锚定形横截面。由于在内部承载结构的自由端处的这种锚定形横截面，在外部翼型件上的固定阻力提高。例如，翼型件的材料可直接在内部承载结构的锚定形端部上和其周围成形。此外，所需材料量由于此特征而减少，而且涡轮叶片的总重量从而也降低。根据本专利技术的另一个有利形式的实现，涡轮叶片的根部具有杉树型横截面，以接合在燃气涡轮发动机的所述组装凹槽的对应的横截面中。涡轮叶片这里可直接组装在对应的安装凹槽内，不需要额外的固持器件，诸如夹子等。由于这种形状配合式接合，此外保证涡轮叶片牢固且长久地固持在其在燃气涡轮内的精确的预先限定的位置。根据本专利技术的另一个有利实施例，对复合涡轮叶片提供用于将所述翼型件连结到所述内部承载结构上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于诸如燃气涡轮等的高温应用的复合涡轮叶片(10)，其具有用于将所述叶片(10)安装在转子的对应的周向组装凹槽中的根部(1)，以及连接到所述根部(1)上的翼型件(2)，其中，提供内部承载结构(3)，其延伸经过所述根部(1)的至少一部分和所述翼型件(2)的至少一部分，其特征在于，所述内部承载结构(3)由高强度共晶陶瓷制成，并且所述翼型件(2)由陶瓷基质复合物(CMC)材料制成。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：GE维茨，M斯图尔，HP博斯曼恩，
申请(专利权)人：阿尔斯通技术有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH