單面板或多面板的製造的製作方法

2023-05-27 00:44:56

本發明涉及模塊化工業燃氣輪機(IGT)構件的先進構想，其基於根據現有技術水平的IGT構件的每個領域的工業範圍中使用最適合材料的原理。其是指用於施加到構件上以使最終構件適於特定功能的隔離結構或面板、冷卻結構或面板的製造的方法。

此外，本發明涉及i)組合式面板結構；ii)形成組合式面板結構的各種面板的特殊處理；iii)涉及結構冷卻面板的製造構想；iv)由組合式面板結構組裝的各種IGT構件。

此外，本發明涉及模塊化結構組件和CMC翼型件固定在具有上述結構IGT構件的金屬芯的金屬平臺上，尤其是指導葉或轉子葉片翼型件。

背景技術：

最適合材料的選擇總體上與工作經歷下的環境、熱、機械和熱機械負載條件相關。根據該設計構想，整體的陶瓷和陶瓷基質複合物(CMC)材料尤其有益於施加到高溫負載區域中，而金屬合金優選主要用於機械或中等熱機械負載的區段。該原理是指使用整體陶瓷且尤其是CMC用於生成GT構件或構件模塊/渦輪和燃燒器GT區段中的特殊區域，如，平臺和翼型件、插入件，或更一般地作為襯套材料。

該途徑也是適於較高溫度應用的涉及WO 2014/146829 A1的新重整/修理原理。實際上，整體陶瓷材料和陶瓷基質複合物在經歷高和很高的溫度(1000到1700°)和周期操作狀況時，不易於受熱退化作用。相比於使用必須由與熱障塗層(即，TBC系統)組合的環境金屬塗層保護的金屬合金，允許了相當長的總體構件壽命。

陶瓷系統(包括CMC)也可能需要由陶瓷製成的環境和熱障保護塗層，尤其是在高溫範圍中，但因此允許在金屬合金不可忍受的溫度水平下操作，或較大地延長了構件壽命。

基於該構想，主要存在兩個因素驅使陸基IGT的渦輪葉片和燃燒器區段的整體和陶瓷複合物製成的本體的發展，且這至少部分對於航空GT也是有效的：

1.構件耐溫且延長壽命；

2.渦輪葉片的前級的冷卻需要可通過向葉片(旋轉和/或靜止)提供陶瓷殼作為針對操作期間的熱氣體的衝擊的保護隔層來較大減小。

模塊化IGT構件設計中的現今標準整體陶瓷和CMC系統的典型缺陷：

i. 脆性性質和低斷裂韌性(整體陶瓷)；

ii.很有限的疲勞性質，尤其是整體陶瓷，而且CMC系統也是；

iii.有限抗蠕變性(CMC)；

iv.成本較高(CMC)。

市售的以及文獻中描述的CMC材料仍存在：

在考慮渦輪零件且尤其是在旋轉葉片(蠕變負載)的情況下，CMC的機械強度值大體上在設計要求的極限內。考慮不同構件區段的簡單功能分開(即，機械和熱去耦)並不足夠，如，構件分成不同的子構件，其中某些區域主要需要承受機械負載，而其它構件區段將必須對抗高熱負載(如若干專利和公開文獻所述)。殼的一些特殊區域應對很高的溫度，且針對來自很高氣體質量流、氣體壓力和離心負載的不可忽略的機械負載。

強各向異性機械和物理CMC材料性質。該現象基於CMC複合物內的無機纖維的本來的2D/3D織造微觀結構。尤其是在需要較厚材料強度的情況下，多層布置不可避免，這附加地提高了內在的不均一，且導致獨立層疊層之間的局部缺陷或完全分層的風險。除此方面外，增大多孔性的總體風險隨用於形成最終的殼或線性區段的層數而提高。

有限蠕變性質，如主要由作為增強元件包含在CMC微觀結構內的纖維性質驅動。陶瓷複合材料的該特質甚至進一步限制了設計靈活性和隨後在較長操作時間內應用於組合的機械和高溫負載的區域中。

將預計到翼型件周圍的高熱梯度(溫度不均一)。事實上，所得的最大熱和機械負載可很局部化，這存在局部破壞形成的高風險，這可最終導致CMC系統的完全破壞。

技術實現要素：

本發明的目的在於概括用於IGT構件的先進的整體陶瓷和CMC區段以及相關模塊化構件設計方案的局限性和不足。出於此目的，必須克服以下關鍵方面：

i. CMC材料的機械性質的顯著各向異性；

ii.標準整體和CMC材料的機械、熱和熱機械局限；

iii.CMC材料的侵蝕極限；

iv.標準整體和CMC材料的抗衝擊性；

v. 導致基質和纖維性質退化的非氧化物陶瓷的高溫化學穩定性(陶瓷腐蝕)和氧化的極限；

vi.獨立CMC區段的高成本(例如，翼型件殼、襯套和其它構件)。

本發明的目的涉及根據獨立權利要求的實施例。

此外，本發明的目的關於基於模塊化結構組裝渦輪機的導葉或轉子葉片的方法，其中至少翼型件殼、襯套和其它構件包括至少一個隔離面板，其由根據本描述的一個或多個所附權利要求的製造過程製備。

使用基於模塊化結構的渦輪機的導葉組件的實例，該導葉包括至少一個翼型件、內平臺、外平臺，其中導葉翼型件和/或平臺具有在其一端的用於在彼此間連接導葉元件的目的的構型。

導葉元件在彼此間的連接，尤其是根據本描述的所附權利要求中的一項或多項的製造相對於渦輪機的轉子軸線而構造為相對於翼型件的徑向或準徑向延伸部是可分開的、永久或半永久固定的。

翼型件相對於至少一個平臺的組裝基於力配合和/或形狀配合連接，或翼型件相對於至少一個平臺的組裝基於金屬和/或陶瓷配合表面的使用，或翼型件相對於至少一個平臺的組裝基於具有可分開的、永久或半永久固定的力閉合裝置。

至少導葉翼型件或翼型件的備選基礎結構包括至少一個流填充的外熱氣體路徑襯套，其包圍導葉翼型件的至少一部分，其中流填充的外熱氣體路徑襯套通過使用收縮接頭連接到導葉翼型件或翼型件的備選的接觸結構上。

此外，至少一個導葉翼型件或翼型件的備選基礎結構包括至少一個填填充的外熱氣體路徑襯套，其包圍導葉翼型件的至少一部分。流填充的外熱氣體路徑襯套相對於導葉翼型件或翼型件的備選基礎結構通過使用收縮接頭來連接。

此外，至少導葉翼型件或翼型件的備選基礎結構包括至少一個流填充的外熱氣體路徑襯套，其包圍限定的導葉翼型件的至少一部分，其中平臺包括至少一個插入元件或機械聯鎖件，和/或沿熱應力區域的附加的熱障塗層。

此外，至少導葉翼型件或翼型件的備選基礎結構包括至少一個流填充的外熱氣體路徑襯套，其包圍限定的導葉翼型件的至少一部分，其中平臺和/或翼型件和/或翼型件載體和/或外熱氣體路徑包括沿熱應力區域或在熱應力區域內的至少一個插入元件和/或機械聯鎖件。

如果其關於轉子葉片或襯套和相關聯的結構和構件，則相同或相似的考慮也適用。

組裝導葉或轉子葉片的方法特徵在於基於根據本描述的一個或多個所附權利要求的隔離面板的插入元件和/或形成相應的流填充區域的機械聯鎖件以力配合方式或具有附加固定器件的推動加載的抽屜的方式至少插入適當設計的凹口中。

作為組裝轉子葉片的實例，以下程序是可能的：轉子葉片組件包括至少一個轉子葉片翼型件、至少一個踏板安裝部分，而轉子葉片元件具有在其一端處的用於彼此之間可互換連接的目的的器件。至少一個翼型件根據本發明的一個或多個所附權利要求製造。翼型件相對於其它元件的連接基於相對於燃氣輪機的軸線的徑向或準徑向延伸部中的固定，而葉片翼型件關於踏板安裝部分的組裝基於由依附互連促動的摩擦鎖定的連結。作為備選，與踏板安裝部分連接的葉片翼型件的組裝基於將轉子葉片元件固定到彼此上的金屬和/或陶瓷表面的使用。或者，與踏板安裝部分連接的葉片翼型件的組裝基於具有可分開、永久或半永久固定的閉合器件，而踏板安裝部分由至少兩折的元件構成。單獨的踏板安裝部分相對於轉子葉片翼型件的腳側的長形部分的組裝利用往復軸向引導的聯接進行，而具有軸向相對的裂縫或抓爪的踏板安裝部分(120,130)對應於柄下方結構的長形部分的沿軸向延伸的輪廓。柄下方結構的長形部分的沿軸向延伸的輪廓大致對應於翼型件的軸向流入平面。

此外，主要目標在於斷開涉及與CMC翼型件聯接的模塊和接頭的構想的熱和機械負載，尤其涉及導葉或轉子葉片翼型件。

用於CMC翼型件殼整體結合到部分上的基本物件基於：

CMC靈活固定到金屬平臺上，即，允許翼型件(圖上名稱為殼)沿X-Y軸線擴張，而沒有收縮；

中間層作為金屬殼的支承件，且作為"緩衝器"功能來補償熱膨脹失配和可能的衝擊。

定義：面板由具有限定布置的組織纖維單或多半板層(=多層)結構構成。多板層結構的各層可由不同纖維布置、定向、構架或幾何一致性(例如，尺寸)製成。

差別在於：

1.標準CMC面板使用標準布置和/或織造的纖維組織。多層面板中的不同層，其不必具有相同的纖維定向或織造結構(系統1、面板1，見圖1)。

2."冷卻圖案"CMC面板，使用組合纖維結構(系統2、面板2，見圖1和3a)，或使用具有預先構成的冷卻孔的組織(系統2、面板2)。該面板包括冷卻結構，其可由不同性能構成(見圖3a, 3b, 5b, 11a, 11b)。

3."隔離CMC面板"，其由具有從頂部到底部布置的至少以下部分的本體構成：

-塗層，如果需要；

-CMC(一個或多個板層)；

-陶瓷氈(浸漬或未浸漬陶瓷漿料基質系統)(一個或多個板層)；

-CMC(一個或多個板層)。

取決於需要，塗層可通過各種不同過程(熱噴塗、浸漬、CVD及其他)加到面板的內表面或外表面的頂部上(系統3、面板3，例如，見圖5c)。

取決於需要，該布置可為(見圖1和4)：

i)具有隔離面板(面板3)，作為標準CMC面板(面板1)頂部上的外部面板，

ii)具有隔離面板(面板3)，作為夾層的中心部分，即，具有標準CMC面板(面板1)作為外部面板內和內部面板。

iii)及其他。

4.其它組合可取決於特定應用實現。面板的層合順序也可不同。使用的組合結構面板可為上文提出的不同面板系統的組合，即：

i)面板1：CMC、塗層，如果需要；

ii)面板2：冷卻圖案CMC；

iii)面板3：隔離面板、陶瓷氈。

作為單個面板或作為組合結構面板，面板可為複雜的3D幾何形狀，如，燃氣輪機轉子葉片或導葉翼型件。

5.此外，冷卻空氣孔(CAH)的實施使用銷插入陶瓷組織纖維束之間以避免纖維的斷開/破壞。

在此情況下，不需要複雜的後處理(如，雷射鑽孔或其它加工操作)。這可在現有技術水平的CMC面板中或在不同的面板系統和它們的組合中完成。

6.製造期間使用銷來使冷卻孔整體結合。就此而論，纖維並未切割，且CMC層的完整性保持不變。

此外，用語(短語)"陶瓷紡織物"是"組織"的同義詞；這裡可更常使用"陶瓷織物"。各種用語的隨後使用應當在此背景下查看。

製造步驟使用標準CMC多板層生產過程，其中一些步驟或特殊組織或物件整體結合，以便獲得目標特徵。

方法的優點在於，使用一個單幹燥和一個單燒結步驟生成具有多個系統構造的複雜面板(使最終產品適於特定功能)，且最小化(或完全消除)再加工步驟，如，後加工、表面再加工或塗層施加。以下方法優選用作基礎：

涉及隔離結構/面板的製造構想包括以下操作a)-h)：

a)將脫漿的3D陶瓷組織切割成正確的尺寸和形狀用於應用。脫漿意思是除去用於製造陶瓷組織的纖維塗層的過程。b)優選通過刀片塗布(該水平也開啟了其它漿料滲入方法)來將漿料滲入到組織中，c)根據面板層合在單層或多層的模具上：該方法操作包括至少三個步驟，即，i)將一層施加到標準陶瓷組織的n層上(以布置的纖維，即，單向布置(UD)或織造纖維)；以及ii)多層面板中的不同層不必具有相同的纖維定向或織造架構，以及iii)在各個單層之後，例如通過刀片塗布來使漿料滲入到組織中。三個提到的步驟不必共同發生。d)根據系統1(即，面板1)將單層，或根據系統3(即，面板3)將多層層疊在多層的底部上：該方法操作包括至少兩個步驟，即，i)將一層施加到陶瓷氈的n層上，以及ii)例如通過刀片塗布，在各個單層之後使漿料滲入到組織中(僅部分地：僅組織的外表面，以便將其連結到CMC的多板層面板上，或完全地浸漬)。兩個提到的步驟不一定共同發生。e)可選的：銷施加(構想為具有插入的銷)，以便生成穿過多個面板結構的厚度的一部分或整個厚度的直冷卻路徑(即，冷卻空氣孔，CAH)：該方法操作包括至少三個步驟，即，銷可為i)具有陶瓷層塗層的永久金屬銷，以避免基質附接到銷上，以及燒結期間銷的過強氧化；以及ii)永久陶瓷銷，其可在燒結之後容易地除去；以及iii)在燒結過程期間通過熱處理消除的銷(例如，例如，碳銷)，使孔結構無損。此外，銷通過使它們滑動穿過多個面板結構的厚度的一部分或穿過整個厚度來施加。在後一情況中，為了便於定位銷，下方的模具可設有定位孔，銷可利用適當的位置和角度配合在定位孔中。銷插入組織纖維束之間，以便避免處理和隨後除去銷期間的陶瓷纖維的任何破壞。所有提到的步驟不必共同發生。e)乾燥。f)脫模。g)在一個步驟中燒結整個結構，以使構件特定區域或構件模塊完成。h)僅在可選操作的情況下，e)產生：除去銷以避免它們周圍的纖維束的破壞。除去技術將取決於使用的銷的類型[見e)下的各種步驟]。i)修整，即，使用下者：i)後加工，和/或ii)表面光滑化/再加工，和/或iii)塗層施加，和/或其它程序，如果需要的話。

闡釋：刀片塗布是一個使用的方法。這有效地保持滲入方法作為總體步驟，且將刀片塗布稱為實例。例如，其它方法是壓力滲入、預處理、電泳沉積等。

施加到模具上的初始系統不必強制為系統1。然而，初始系統也可如各種圖中描述的系統2或3，其中各種組合將描述且將取決於最終應用或目標特徵。

製造構想涉及冷卻結構/面板(圖3a)和3b)和圖9,10和11)。

使用與纖維架構(圖3a和9和10)組合的組織的製造構想包括以下操作a)-j)：

a)將脫漿的3D陶瓷組織切割成正確的尺寸和形狀用於應用。在此上下文中，脫漿意思是除去用於製造陶瓷組織的纖維塗層的過程。b)例如，通過刀片塗布，漿料滲入到組織中。c)層合在根據系統2的單層或多層的模具上(即，面板2)：該方法操作包括至少三個步驟，即，i)將一層施加到n層的組合纖維架構陶瓷組織上(見圖3a)和圖9)；以及ii)多層面板中的不同層不必具有相同的冷卻路徑架構；以及iii)在各個單層之後，例如通過刀片塗布來使漿料滲入到組織中。三個提到的步驟不必共同發生。d)將單層或根據系統1(即，面板1)的多層層合到多層系統2(即，面板1)的頂部上：該方法操作包括至少三個步驟，即，i)將一層施加到n層標準陶瓷組織(具有布置的纖維，例如，單向布置(UD)或織造纖維)上；以及ii)多層面板中的不同層不必具有相同的纖維定向或織造架構，以及iii)在各個單層之後，例如通過刀片塗布來使漿料滲入到組織中。三個提到的步驟不一定共同發生。e)可選的：銷施加(見圖5)，以便生成穿過多個面板結構的厚度的一部分或整個厚度的直冷卻路徑(即，冷卻空氣孔，CAH)：銷可為：i)金屬銷，其具有在頂部上的陶瓷層以避免基質附接到銷上和燒結期間銷的強氧化；ii)永久陶瓷銷，其可在燒結之後容易地除去；iii)在燒結過程期間通過熱處理消除的銷(例如，例如，碳銷)，使孔結構無損。此外，銷通過使它們滑動穿過多個面板結構的厚度的一部分或穿過整個厚度來施加。在後一情況中，為了便於定位銷，下方的模具可設有定位孔，銷可利用適當的位置和角度配合在定位孔中。所有提到的步驟不必共同發生。銷插入組織纖維束之間，以便避免處理和隨後除去銷期間的陶瓷纖維的任何破壞。f)乾燥。g)脫模。h)在一個或多個步驟中燒結整個結構，以便完成構件特殊區域或構件模塊：在燒結過程期間，"犧牲"纖維(即，圖3a中繪出的黑色纖維)和圖9將在燒結過程期間燒盡，以留下形成冷卻結構的陰架構。i)僅在可選操作5的情況下產生：除去銷以避免它們周圍的纖維束的破壞。除去技術將取決於使用的銷的類型(見e)下的各種步驟)。i)修整，即，使用下者：i)後加工，和/或ii)表面光滑化/再加工，和/或iii)塗層施加，和/或其它程序。

施加到模具上的初始系統不必強制為系統2。但也可為如各種附圖中描述的系統1或3，其中描述了各種組合，且將取決於最終應用或目標特徵。

使用與纖維架構組合的組織的製造構想包括以下操作a)-j)：(圖3b,11)

a)將脫漿的3D陶瓷組織切割成正確的尺寸和形狀用於應用。在此上下文中，脫漿意思是除去用於製造陶瓷組織的纖維塗層的過程。b)例如，通過刀片塗布，漿料滲入到組織中。c)層合在根據系統2的單層或多層的模具上(即，面板2)，包括至少以下步驟：i)將一層施加到n層織造組織上，組織具有整體結合的冷卻孔結構(見圖3b);6;10)；ii)例如通過刀片塗布在各個單層之後將漿料滲入到組織中。所有提到的步驟不必共同發生。d)可選的：將根據系統1(即，面板1)的單層或多層層疊在根據系統2(即，面板1和/或2)的多層的頂部上，以構成緊急冷卻空氣孔系統。如果系統1被破壞，則使用系統2形成的下方的冷卻結構將允許破壞區域的緊急冷卻。該方法操作包括至少三個步驟，i)將一層施加到n層標準陶瓷組織(具有布置的纖維，例如，單向布置(UD)或織造纖維)上；ii)多層面板中的不同層不必具有相同的纖維定向或織造架構；iii)在各個單層之後，例如通過刀片塗布來使漿料滲入到組織中。所有提到的步驟不必共同發生；e)可選用於需要從操作開始冷卻的區域。銷施加(見圖3 b); 6; 7; 10)，以便生成穿過多個面板結構的厚度的一部分或整個厚度的直冷卻路徑(即，冷卻空氣孔，CAH)：銷可為：i)具有在頂部上的陶瓷層以避免基質附接到銷上和燒結期間銷的強氧化的金屬銷；ii)永久陶瓷銷，其可在燒結之後容易地除去；iii)在燒結過程期間通過熱處理消除的銷(例如，例如，碳銷)，使孔結構無損。銷通過使它們滑動穿過多個面板結構的厚度的一部分或穿過整個厚度來施加。在後一情況中，為了便於定位銷，下方的模具可設有定位孔，銷可利用適當的位置和角度配合在定位孔中。此外，銷插入組織纖維束之間，以便避免處理和隨後除去銷期間的陶瓷纖維的任何破壞。f)乾燥。g)脫模。g)在一個步驟中燒結整個結構，以使構件特定區域或構件模塊完成，即：在燒結過程期間，"犧牲"纖維(即，圖3b和9中繪出的黑色纖維)和圖9將在燒結過程期間燒盡，以留下形成冷卻結構的陰架構。i)僅在根據文獻的可選程序情況中，e)：除去銷以避免它們周圍的纖維束的破壞。因此，除去技術將取決於使用的銷的類型(見程序e)。i)修整，即，使用下者：i)後加工，和/或ii)表面光滑化/再加工，和/或iii)塗層施加，和/或其它程序，如果需要。

施加到模具上的初始系統不必強制為系統2。然而，初始系統也可如各種圖中描述的系統1或3，其中各種組合將描述且將取決於最終應用或目標特徵。

關於中間層，以下方面應當強調：在此情況下，中間層的兩個主要功能是顯著的：

a)用作"緩衝器"，其支承標準CMC或多面板CMC結構，以便最小化作用在其上的彎曲力。這些彎曲力可由結構中的熱梯度或操作瞬變(例如，發動機啟動和停止)或由衝擊物體引起的應力生成。

b)用作CMC結構與下方金屬結構之間的CTE(熱膨脹係數)失配的"補償器/調節器"，以此方式限制很高用力累積在CMC結構中。

在此背景下，參照了現有技術，即，參照

DE 10 201 3110381 A1和US 8 267 659 B2，其中特徵(可對應於中間層)用作支承結構(例如，金屬翼型件芯)與CMC殼之間的間隔物。

製造構想涉及包括以下操作a)-k)的中間層：

a)將脫漿的3D陶瓷組織切割成正確的尺寸和形狀用於應用。在此上下文中，脫漿意思是除去用於製造陶瓷組織的纖維塗層的過程。b)例如，通過刀片塗布，漿料滲入到組織中。c)層合在單層或多層系統1,2或3的模具上。d)將單層或多層系統1,2或3層合在系統1,2或3的頂部上。e)重複操作c)和d)，直到達到目標CMC結構。f)乾燥。g)脫模。h)將由CMC製成的"波狀"結構(見圖12)組合至由操作a)至e)獲得的多面板結構。

a. "波狀"結構通過使用與標準CMC組織相同的製造路線單獨地製成，且適合的模具包括乾燥和脫模步驟。

b. 結構在從操作a)到e)獲得的多面板結構的內腔中滑動。

c. 兩個結構可使用用於陶瓷組織滲入的相同陶瓷漿料膠合，或僅準時粘結，以便允許"波狀"結構的較大側向移動/膨脹。

d. 兩個結構之間的粘結還可通過不同的連結方法產生，如，陶瓷膠或使用兩個陶瓷結構上的金屬化表面的硬釺焊技術。

i)乾燥，如果執行操作h)中的步驟c。j)在一個步驟中燒結整個結構，以便完成構件特殊區域或構件模塊。k)修整，即，使用下者：i)後加工，和/或ii)表面光滑化/再加工，和/或iii)塗層施加，和/或其它程序。

如果需要，使用銷的冷卻孔生成可加上以上製造順序。

具有增強插入件和插入件整體結合的靈活製造構想：

插入件可為翼型件前緣(LE)區域，或後緣(TE)區域，或其它區域，包括從熱和機械負載觀點而強烈要求的平臺。

具有非浸漬組織(LE)的中間區域的正確的3D翼型件形狀的預浸漬CMC面板(AF/SS 和 AF/PS=見圖13,14)在圍繞LE區域的插入件封裝，且通過連結方法在點C和D(後緣TE)(見圖13a)上聯接，該方法可包括加入特別準備的組織，以確保2個面板的有效連結(例如，交織的TE組織以避免依靠純膠合方法)(見圖14)。

與浸漬一起，通過各種方法(例如，組合方法)的漿料滲入也可應用。

圖13b)中示出了LE處的插入件和C＋D點處的粘結區域的最終部分。提到的LE插入件為實例，且重要的是提出插入件也可取決於構件特殊熱機械負載用於TE或翼型件的其它特殊區域處。此構想也可用於葉片或導葉平臺區段或襯套構件(渦輪中或燃燒器燃氣輪機區段中)的情況中。

以下操作產生a)-m)：

a)將脫漿的3D陶瓷組織切割成正確的尺寸和形狀用於應用。在此上下文中，脫漿意思是除去用於製造陶瓷組織的纖維塗層的過程。b)例如，通過區域A到C和B到D中的刀片塗布，漿料滲入到組織中。c)層合在多層系統1,2或3的模具上，其中在以上說明的意義內，考慮插入件的厚度而LE(前緣)區域仍較薄。d)可選的：在區域A到C和B到D中將單層或多層系統1,2或3層合在系統1,2或3的頂部上。e)重複操作c)和d)，直到達到目標CMC結構。f)乾燥。g)脫模。h)封裝插入件，其預先製造且因此容易在封殼中整體結合，以用於利用如圖13中所示的預先製備的面板系統的最終製造步驟：

a. 相同陶瓷漿料可用於將插入件連接到面板系統上。

b. 還可使用其它連結方法，如，陶瓷膠或使用兩個陶瓷結構上的金屬化表面的硬釺焊技術。

c. 在TE處，特殊織造組織特徵可整體結合，以便確保AF/SS和AF/PS CMC面板(見圖13)之前的更有效/貫穿連結。

d. 插入件由陶瓷製成，其具有特殊內部結構，以允許通過穿過結構的空氣有效冷卻插入件。這可使用陶瓷泡沫生成，但也使用更創新的系統，如，網格結構(即，"工程孔隙")。插入件以一種方式製成，使得其除有效換熱特徵之外，還向構件或構件模塊的特殊區域提供後續的熱和機械阻力。

i)例如通過LE區域(圖13,14中的點A到B)中的刀片塗布的組織中的漿料滲入。j)乾燥。k)在需要特殊模具來將插入件和CMC面板保持在正確位置的情況下，脫模。l)燒結整個結構，以便完成構件的特殊區域或構件模塊。i)修整，即，使用下者：i)後加工，和/或ii)表面光滑化/再加工，和/或iii)塗層施加，和其它布置，如果需要。

如果需要，使用銷的冷卻孔生成可加上以上製造順序。

附圖說明

現在藉助於不同實施例且參照附圖來更詳細闡釋本發明。

圖1示出了面板布置、標準CMC製造組織與其它面板類型如隔離面板(也見圖2)的組合或冷卻結構/特徵面板(也見圖3)的各種實例；

圖2示出了置於兩個標準CMC面板之間的隔離面板的典型面板布置。此外，還示出了面板布置的外表面上的陶瓷塗層的可選施加，這裡在圖解結合了圖1；更詳細的描述，見圖8；

圖3示出了a)組合不同陶瓷纖維束形成特殊冷卻架構的織造陶瓷組織的實例；b)具有預先設計/整體結合的冷卻孔特徵的陶瓷組織的實例。這些組織將用於形成冷卻結構/特徵面板，其將帶入具有如圖1中所示的其它面板系統的不同布置中；

圖4示出了面板組合的一些實例，其中a)示出了使用標準布置和/或織造纖維組織的標準CMC面板，b) 示出了將標準CMC面板和"冷卻圖案"CMC放在一起的面板組合，c) 示出了置於兩個標準CMC面板之間的"冷卻圖案"CMC面板，在d)中，示出了三個不同的面板系統(標準CMC面板、隔離面板和冷卻結構/特徵面板)組合；

圖5示出了如圖4的面板組合的一些實例，其中允許形成冷卻空氣孔w/o，破壞不同組織的陶瓷纖維的銷插入的下一個步驟已經執行；

圖6為與圖4的面板組合的相同的實例，其中銷除去，留下穿過多層系統的冷卻孔和通道；

圖7示出了具有插入的銷的CMC面板的實際實例；

圖8示出了典型面板布置的結構，其中隔離板置於根據圖2的兩個CMC面板之間；此外，還示出了面板布置的外表面上的陶瓷塗層的可選施加；

圖9示出了組合的纖維架構的各種實例，其中使用的纖維根據子圖a)-e)不同地示出；

圖10A示出了具有CMC表皮之間的冷卻通道的複合面板的結構；

圖10B示出了圖10A的放大圖，即，具有CMC表皮之間的冷卻通道的複合面板的結構；

圖11示出了根據子圖a)和b)的使用具有預先構成的冷卻孔的面板結構；

圖12示出了根據子圖a)-c)的由CMC製成的面板的波狀結構；子圖b)示出了附接到標準CMC面板上的波狀結構；

圖13示出了根據子圖a)和b)的具有涉及葉片/導葉硬體的增強插入件的靈活製造構想；

圖14示出了織造組織形成預先連結的後緣區域以便以免TE區域處的CMC僅依靠膠合/硬釺焊來作為連結技術的構想；

圖15-17示出了包括不同中間層設計的部分組件；

圖18-23示出了金屬翼型件牢固固定的各種實例，即：

圖18示出了燃氣輪機的示例性導葉；

圖19示出了穿過導葉的截面，包括附加的流施加的外熱氣體路徑，也稱為殼模塊；

圖20示出了外平臺的區域中的組裝的導葉，其中組件通過硬釺焊和/或摩擦連接和/或機械加載來產生；

圖21示出了外平臺的區域中的組裝的導葉，其中組件由陶瓷套管制成；

圖22示出了內平臺的區域中的組裝的導葉，其中組件由陶瓷套管制成；

圖23示出了導葉構想。

具體實施方式

本描述的附圖示出了針對系統布置提供的單和/或多板層CMC面板的各種實施例。基本上，CMC面板可根據操作要求設計成具有個性化的纖維結構。一定比例的纖維可具有不同的直徑，其旨在主要在流施加操作期間承載機械負載(在較大直徑的情況下)和熱應力。

圖4示出了面板組合的各種實例。大體上，面板意思是多板層的布置或織造的纖維組織。圖4a)示出了使用標準布置和/或織造纖維組織的標準CMC面板，也稱為面板1。多層面板中的不同層不一定具有相同的纖維定向或織造架構。根據圖4b)的面板組合將標準CMC面板(由標準陶瓷組織的多個板層中的一個製成)和"冷卻圖案"CMC(也見圖3下的描述)(也稱為面板2)放在一起。

圖4c)："冷卻圖案"CMC面板置於兩個標準CMC面板之間。

圖4d)：與圖4c)相同，但"隔離"面板(所謂的面板3)加在底部(紅色)。此外，圖1中示出了各種面板的構造。這些並非針對詳盡的構造。

其它組合可取決於特定應用實現。面板的層合順序也可不同。面板可由複雜3D幾何形狀製成，如，燃氣輪機轉子葉片/導葉翼型件(見圖1下的實例)。

圖2示出了"隔離面板"的結構。對於詳細的描述，見圖8。

提到的CMC區域20,40可由疊層結構構成，使得實現單個中間層(不同組織板層)之間的適當粘結。此外，區域可由多個夾層結構形成。"疊層結構"意思是以多層製造材料的技術，以便複合材料從不同材料的使用中實現改善的強度、穩定性、隔音、外形或其它性質。疊層結構通常由熱、壓力、焊接或粘合劑永久地組裝。

此外，CMC區20,40之間的提到的陶瓷氈30，類似於具有較細纖維的3D/3D組織結構的構成，用於將陶瓷基質固定到整體纖維基礎結構上。陶瓷氈的纖維可使用相同或不同的材料不同地織造，在陶瓷氈內，且在面板的各側上，包括第一纖維材料和第二纖維材料兩者。面板布置的厚度內的不同織造纖維的任何層疊順序都是可能的。

圖3示出由至少兩個實施例構成的冷卻架構面板的各種布置：圖3a)示出了使用組合纖維架構的面板，例如，與碳纖維60組合的標準CMC織造纖維50。其它圖3b)示成了使用具有預先構成的冷卻孔70的組織的面板。可產生使用纖維和具有預先構成的孔的組織的組合。

圖5示出了具有銷100的構想，在單面板或面板組合的製造過程期間，銷100插入穿過根據圖1至4的各種面板。銷在構成面板結構的情況下定位，且在過程的燒結步驟之後除去。引入的銷的數目、尺寸和刺入位置具體關於單面板的冷卻要求從情況到情況確定。

圖6示出了通過圖5的提到的面板布置，其中除去了銷，因此所得的通道構成適合的冷卻孔。

此外，有效地連接到面板內的結構冷卻或混沌的延伸通道上的冷卻孔針對對流和/或衝擊和/或滲出冷卻效果指定。此外，在一些特殊構造中或使用特殊類型的銷，穿過織造結構的引入的銷(見圖5，物件100)可通過使用熱和/或化學處理來整體或部分地消除。

提到的一個附加點在於，銷可經由單個面板或面板組合的完整厚度插入。然而，還可能的情況是銷僅部分地穿入面板組合的厚度插入，不穿過整個厚度。

圖7示出了製造實例，具有金屬銷110，且插入CMC組織120中，且在乾燥操作之前固定在下方的模具上。此實施方式可在每個上文提到的面板1,2和3(見圖5)中產生。

圖8以放大比例示出了如圖2下已經示出的相同布置，且其相當於圖4c)下的面板3。當然，圖4或5下的所有其它示出的面板也可產生。

圖8示出了"隔離面板"的結構包括從塗層區10的頂部到底部看的由一個或多個板層構成的CMC區20、浸漬或未浸漬有陶瓷漿料基質系統的中心(中間)布置的陶瓷氈30，以及最後的另一CMC區40(也見圖8)。取決於要求，塗層(區10)可由各種不同的過程添加到面板的內表面或外表面的頂部上，例如，熱噴塗、浸漬、CVD等。

圖9a)-e)示出了使用組合的纖維架構的各種組織架構。第一陶瓷纖維50(白色)用於標準CMC織造組織。補充的纖維60(黑色)由碳纖維構成。"黑色"纖維為"犧牲纖維"，其將在燒結過程期間燒盡，留下形成冷卻結構的陰架構。兩種纖維可使用相同或不同材料不同地織造。所得的架構具有矩形或準矩形的織造，或傾斜或準傾斜或非矩形的成角度織造。此外，架構可指定為正弦或準正弦交錯的織造。面板布置的厚度內的不同織造纖維的任何層疊順序都是可能的。圖9a)-e)反映了不同的織造結構。

圖10A和B中示出了根據圖9的製造的實際結果。具體而言，圖10A和B示出了設置在其間的中心的冷卻通道130,140。

圖11a)對應於圖3b和11b)。這是陶瓷組織中預先構成CAH的實例，其然後浸漬在標準CMC面板中，以形成具有精確定位的CAH的翼型件。

在此背景下，使用特殊織物(見"發明內容"下的定義)，其中冷卻結構(CAH)直接在陶瓷織物內織造，且施加為層。執行如下：

1)由特殊織物切割條或預先限定的幾何形狀的組織。

2)將條或預先限定的幾何形狀的組織整體結合到陶瓷纖維中，例如，通過由陶瓷纖維切割對應的幾何形狀。

參看圖11b)，具有形成冷卻結構(CAH)的特殊織造的一層提供為層。

圖12a)-c)示出了由CMC製成的主面板或中間層的波狀結構80,90。波狀結構可起到"緩衝器"和"CTE失配補償器"的作用。最終目的在於將CMC製成的波狀結構組合至從各種操作獲得的單或多面板結構。波狀結構80,90使用與標準CMC組織相同的製造路線和包括乾燥和脫模步驟的適合的模具來單獨地製造。結構在由各種操作獲得的多面板結構的內腔中滑動。兩個結構可使用用於陶瓷組織滲入的相同陶瓷漿料膠合，或僅準時粘結，以便允許"波狀"結構的較大側向移動/膨脹。兩個結構(即，面板/波狀結構)之間的粘結還可通過不同的連結方法產生，如，陶瓷膠或使用兩個陶瓷結構上的金屬化表面的硬釺焊技術。

抗熱和氧化的柔性層(圖12a-c)的附加使用將補償陶瓷CMC與金屬IGT芯區段之間的CTE失配，如，中心金屬芯與旋轉或靜止葉片(轉子葉片/導葉)的周圍的殼之間。其還將包括減振功能(在外來物體衝擊的情況下)，且避免受損的CMC殼或襯套系統的完全分解。此3D中間層結構可由3D結構的金屬網格製成，或波紋金屬結構的形式，呈現出蜂窩或任何類似的質地。

圖13示出了根據子圖a)和b)的具有涉及葉片/導葉翼型件的增強插入件的靈活製造構想，且圖14示出了連結後緣(TE)區域的CMC織造物的構想。見本公開內容的13-15頁上的詳細描述。

兩個陶瓷組織在一個末端處交織，以便允許例如TE處的連接，這不僅依靠膠合/硬釺焊方法。

圖15示出了使用簡單翼梁或雙金屬翼梁構造的設計實例。

圖16示出了具有整體結合的冷卻特徵的陶瓷增強插入件。

圖17示出了用於翼梁與CMC殼之間的CTE失配控制和CMC殼支承和冷卻控制的中間層。

圖18-23示出了金屬翼型件牢固固定的各種實例，即：

圖18示出了典型的導葉，其大體上具有翼型件100、外平臺200和內平臺300。外平臺布置為用於將導葉固定到燃氣輪機的內殼體(也稱為定子)上且形成流過渦輪的工作介質的熱氣體導管的外邊界的壁元件。為了工作介質流的有效發送，導葉排布置在轉子葉片排的上遊，其中導葉通常配備有有輪廓的導葉翼型件。導葉翼型件100在一側上的導葉根部與相對於另一側整體結合形成在導葉上的蓋板之間延伸；該蓋板或平臺界定相應的導葉排的區域中沿朝渦輪軸的方向的工作介質的熱氣體導管。導葉翼型件和導葉根部與蓋板形成對應的導葉的導葉基體，其通常包括可選的單件設計的內平臺300。此類導葉基體例如可通過鑄造、鍛造產生，或如果適合，也以單晶形式。除翼型件外，導葉基體的至少一部分可基於根據涉及本描述的一個或多個所附權利要求的隔離面板製成。

因此，各個導葉均提供徑向外平臺200、翼型件100和徑向內平臺300。徑向外平臺包含安裝鉤201,202，其插入第一渦輪級(未示出)的定子構件的安裝凹槽中。導葉的內平臺300通常包圍與轉子襯套的間隙，經由其，冷卻介質的吹掃流可噴射到燃氣輪機內的熱氣流中。以相同方式，冷卻介質的吹掃流經由間隙噴射，間隙由定子構件的部分、導葉的外平臺200的上遊邊緣，以及外燃燒器襯套(也稱為定子襯套)包圍。大體上，在外平臺200的下遊，熱障層(未示出)安裝在定子構件內，這以與外平臺200的情況相同的方式防止了定子構件的內面區域的過熱。

大體上，用於導葉元件的可互換連接的目的器件(即，翼型件、內平臺、外平臺和可選的流載體)包括基於摩擦鎖定粘結或永久連接或固定的往復凸耳或凹口。

圖19示出了穿過導葉的截面視圖，包括如圖13中所示的附加的流施加的外熱氣體路徑襯套400，也稱為殼模塊。導葉前緣側冷卻路徑100a、中間冷卻路徑100b,100c和導葉後緣側冷卻路徑100d,100e在導葉前緣400a側與導葉後緣400b側之間獨立地形成。

流施加的殼模塊整體結合地或部分地包圍根據空氣動力要求的導葉的基礎導葉翼型件的外輪廓。部分殼結構有效地連接到導葉的基礎翼型件的前緣上，其中基礎翼型件的外輪廓由獨立流填充的部分構成，其有效地連接到導葉的翼型件的前緣上。流填充的殼結構整體結合地包圍基礎導葉翼型件的外輪廓，符合導葉的空氣動力最終目的，或流填充的殼結構部分地包圍沿燃氣輪機的工作介質的流動方向的基礎翼型件的外輪廓，符合導葉的空氣動力最終目的。根據附加實施例，基礎導葉翼型件包括由翼梁構造形成的內側的補充本體。替代基礎導葉，翼型件可將翼梁製造為基礎結構。殼結構可由整體結合或分段的本體的形式形成。第一殼結構包括內部的第二或中間非流填充的或部分地流填充的殼結構，符合導葉的空氣動力最終目的。兩個殼襯套相鄰，或具有與彼此的中間距離。當第一流填充的殼結構整體結合地包圍導葉翼型件的外輪廓時，該殼結構包括至少兩個本體，其完全地或部分地形成基礎導葉翼型件的外輪廓。完全地或部分地形成外殼結構的提到的本體沿其徑向界面硬釺焊或焊接，且它們具有徑向或準徑向間隙，這填充密封和/或陶瓷材料。

外殼為可互換的，可消耗的，預製的、具有徑向或周向補片的單件或多件，或相對於導葉翼型件的子結構使用收縮接頭。

此外，中間殼或多個殼為可選組件的部分。提到的殼為可互換的、預製的、布置為具有徑向或周向補片單件或多件、未冷卻或冷卻的(對流、膜、滲入、衝擊冷卻)、製造為用於外殼和翼梁的不同熱膨脹的補償物，且具有相對於不同冷卻構造的冷卻套以用於優化操作要求。作為導葉翼型件或殼組件的子結構的翼梁是可互換的，預製加熱或各種製造，單件或多件，未冷卻或使用對流、膜、滲入、衝擊冷卻來冷卻，具有用於冷卻或剛性改善的腹板結構。

圖20示出了外平臺的區域中的組裝的導葉，其中翼型件100和外平臺200或翼型件載體220之間的組件由硬釺焊和/或摩擦連接210來產生。該接頭可機械地加載，不需要絕對的緊密性。此外，組裝的導葉包括以下器件：外平臺200包括翼型件載體220，其形成外熱氣體襯套，可鑄造、加工或鍛造。翼型件載體可包括用於冷卻或剛性改善的內部局部腹板結構。材料選擇和性質針對獨立應用優化。翼型件載體220包括柔性冷卻構造，其針對燃氣輪機的功能要求相對於基礎負載、峰值負載或局部負載提供。另一接頭222影響導葉的徑向方向上的不同水平上的翼型件100與外平臺之間的融合，超過了硬釺焊和/或摩擦連接和/或機械加載210產生的翼型件100與外平臺200之間的上述組裝。接頭222未構造成吸收機械負載，而是作為密封連接。另一個接頭225影響定子的側部上的外平臺200與翼型件載體220之間的融合。該接頭225並未構造成吸收機械負載，而是作為密封連接。相對於熱氣體，外平臺200的流施加下側包括導葉的徑向方向的不同水平上的保護襯套221,223。提到的襯套221,223由硬釺焊和/或摩擦連接和/或機械加載224產生。相同手段相對於內平臺300施加(未特別示出)。

一般而言，平臺200,300和導葉翼型件不是可消耗的部分。相比之下，提到的密封和襯套是可消耗的部分。翼型件載體可取決於成本而是可消耗的。翼型件載體220是鑄造、加工或鍛造的，包括具有用於冷卻或剛性改善的內部局部腹板結構的附加添加特徵。此外，翼型件載體包括針對操作要求(如，燃氣輪機的基本負載、峰值負載、局部負載)調整的靈活冷卻構造。

圖21示出了外平臺的區域中的組裝的導葉，其中翼型件100和外平臺200或翼型件載體220之間的組件由陶瓷套管230產生。該接頭231可機械地加載，不需要絕對的緊密性。組件的其餘結構基本上對應於如圖4中所見的布置。

外平臺200以金屬片或板鑄造、鍛造或加工。外平臺關於預定循環可消耗，且在特定維護周期下頻繁替換，且可與導葉翼型件機械地斷開，其中外平臺可使用力閉合元件(即，螺栓)互補機械連接到翼型件載體上。外平臺可塗布有CMC或陶瓷材料，或可由根據所附權利要求的隔離面板製造。

圖22示出了內平臺300的區域中的組裝的導葉，其中翼型件100與內平臺300之間的組裝由陶瓷套管240產生。接頭241可為機械加載的，不需要絕對緊密性。組件的其餘結構基本上對應於如圖17中所見的布置。

內平臺300以金屬片或板鑄造、鍛造或加工。外平臺可消耗，且在特定維護周期下頻繁替換，且可與導葉翼型件機械地斷開，其中內平臺可使用力閉合元件(即，螺栓)互補機械地連接到翼型件載體上。內平臺可塗布有CMC或陶瓷材料，或可由根據所附權利要求的隔離面板製造。

圖23示出了具有金屬殼700的導葉的典型布置。圖20中所示的元件容易由本領域的技術人員理解，即：710金屬殼；702翼梁；703翼型件載體；704外平臺載體；705外平臺熱氣體襯套；706內平臺熱氣體襯套；707內平臺載體；708螺栓和銷；709補片。元件的技術方面由前述附圖和相關描述產生。內平臺包括硬釺焊/焊接補片。熱氣體襯套和熱氣體載體構成硬釺焊結構。外平臺包括衝擊冷卻。外平臺包括硬釺焊/焊接結構。翼梁包括相對於翼型件的密封結構。外平臺包括固定和旋轉元件。