用于金属部件和CMC部件的连接系统、涡轮叶片固持系统及旋转部件固持系统

摘要

本发明公开一种用于连接金属部件和CMC部件的连接系统，即一种涡轮叶片固持系统和旋转部件固持系统。所述连接系统包括固持销、金属泡沫衬套、设置在所述金属部件中的第一孔隙，以及设置在所述陶瓷基复合材料部件中的第二孔隙。所述第一孔隙和所述第二孔隙经配置以当所述金属部件与所述陶瓷基复合材料部件接合时形成通孔。所述固持销和所述金属泡沫衬套有效地布置在所述通孔内，以将所述金属部件和所述陶瓷基复合材料部件连接起来。

说明书

技术领域

本发明大体涉及发电系统，更确切地说，涉及发电系统中金属部件和陶瓷基复合材料（ceramic matrix composite，CMC）部件的连接系统。 

背景技术

陶瓷基复合材料（CMC）具有材料的高温性能。但是在燃气涡轮机领域中，CMC部件通常需要附接到或接合到较低温的金属燃气涡轮机部件。将已知的碳化硅CMC附接到金属部件带来的问题包括磨损、氧化（由于金属中发生离子转移）、应力集中（由箝位负载引起）、过渡到厚部分的制造，以及在CMC中打孔导致的纤维破坏。 

因此，在本领域中需要一种用于金属部件和CMC部件的连接系统、涡轮叶片固持系统和旋转部件固持系统，这种系统没有以上缺点。 

发明内容

根据本发明的一项示例性实施例，提供了一种用于连接金属部件与陶瓷基复合材料的连接系统。所述连接系统包括固持销、金属泡沫衬套、设置在所述金属部件中的第一孔隙，以及设置在陶瓷基复合材料部件中的第二孔隙。所述第一孔隙和所述第二孔隙经配置以当所述金属部件与所述陶瓷基复合材料部件接合/配合时形成通孔。所述固持销和金属泡沫衬套可操作地布置在所述通孔内，以连接所述金属部件与所述陶瓷基复合材料部件。 

其中，所述固持销的材料选自热膨胀系数大于所述陶瓷基复合材料的热膨胀系数的材料。所述固持销的热膨胀系数约等于或约大于所述金属部件的热膨胀系数。其中所述陶瓷基复合材料包含增强层，所述增强层的材料选自：金属纤维、陶瓷纤维、碳纤维及其组合。所述金属泡沫衬套的材料选自：钛、镍、铁、钴、铬，及其合金以及它们的组合。所述金属泡沫衬套的热膨胀系数约等于或约小于所述固持销的热膨胀系数。其中所述金属泡沫衬套的热膨胀系数处于所述固持销的热膨胀系数与所述陶瓷基材料部件的热膨胀系数之间。所述陶瓷基复合材料包含基体材料，所述基体材料选自SiC、SiN及其组合。所述陶瓷基复合材料部件是单块翼型和翼型区段固定座。其中所述金属部件的材料选自：钛、镍、铁、钴、铬，及其合金以及它们的组合。 

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种涡轮叶片固持系统。所述涡轮叶片固持系统包括增强销、金属泡沫衬套、设置在翼型区段中的第一孔隙，以及设置在固定座区段（holder segment）中的第二孔隙。所述第一孔隙和所述第二孔隙形成通孔，所述通孔用于当所述翼型区段与固定座区段接合（engaged）时接收所述金属泡沫衬套和所述增强销。所述固持销和金属泡沫衬套可操作地布置在所述通孔内，以连接所述翼型区段与所述固定座区段，从而形成所述涡轮叶片固持系统。 

其中，所述固持销的材料选择自热膨胀系数大于所述陶瓷基复合材料的热膨胀系数的材料。所述翼型区段由陶瓷基复合材料制成。所述固定座区段的材料选自：钛、镍、铁、钴、铬，及其合金以及它们的组合。其中所述金属泡沫衬套的材料选自：钛、镍、铁、钴、铬，及其合金以及它们的组合。所述金属泡沫衬套的热膨胀系数约等于或小于所述固持销的热膨胀系数。 

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种旋转部件固持系统。所述旋转部件固持系统包括固持销、设置在所述旋转部件的一部分中的第一孔隙、设置在固定座区段中的第二孔隙，以及衬套（bushing）。所述旋转部件具有第一热膨胀系数。所述固定座区段具有第二热膨胀 系数。所述衬套具有第三热膨胀系数，所述第三热膨胀系数处于所述第一热膨胀系数与所述第二热膨胀系数之间。所述第一孔隙和所述第二孔隙形成通孔，所述通孔用于当所述旋转部件与固定座区段接合时接收所述衬套和所述增强销。所述固持销和衬套有效地布置在所述通孔内，以连接所述旋转部件与所述固定座区段，从而形成所述旋转部件固持系统。 

其中，所述第二部件的第二热膨胀系数大于所述第一部件的所述第一热膨胀系数。所述衬套的所述第三热膨胀系数小于或约等于所述第二热膨胀系数。所述衬套是开孔或闭孔金属泡沫衬套。 

通过以下对优选实施例的描述并结合附图将清楚地了解本发明的其他特征和优点，附图以实例的方式说明本发明的原理。 

附图说明

图1为根据本发明的发电系统的示意图。 

图2为根据本发明的连接系统的分解透视图。 

图3为根据本发明的组装好的旋转部件连接系统的截面图。 

图4为根据本发明的部分组装好的连接系统的侧视图。 

附图中相同的参考编号尽可能始终表示相同部分。 

具体实施方式

本说明书提供了一种用于连接金属部件与CMC部件的连接系统，该连接系统中不存在现有技术中存在的缺点。有必要提供一种用于连接金属部件与CMC部件的系统，该系统使CMC销孔中的负载更一致且可以减少振动，并且减少具有不同热膨胀系数的部件（例如，CMC部件与金属部件）之间的应力。 

本发明的一项实施例的优点包括一种固持销，所述固持销紧密配合在所述连接系统中。本发明的一项实施例的另一优点包括一种固持 销，该固持销具有的热膨胀系数类似于所述第一部件或金属部件。本发明的一项实施例的又一优点包括一种固持销，该固持销具有的热膨胀系数大于所述第二部件或CMC部件的热膨胀系数。本发明的一项实施例的另一优点包括一种CMC部件，所述CMC部件具有大于所述固持销的孔隙，从而允许热膨胀系数（CTE）失配。本发明的一项实施例的另一优点是高温金属泡沫衬套，所述高温金属泡沫衬套在操作过程中与所述固持销、CMC部件以及金属固定座保持接触。本发明的一项实施例的又一优点是所述高温金属泡沫衬套（foam bushing）可以减少CMC翼型杆中的应力。本发明的一项实施例的另一优点是所述CMC翼型更紧密地固定在所述金属固定座中，从而减少发电系统中的振动。本发明的一项实施例的另一优点是它使CMC翼型杆销孔或孔隙中的负载更加一致。本发明的一项实施例的另一优点是它允许用CMC翼型来改进现有的发电系统，而无需替换或改进现有发电系统中的金属固定座。本发明的一项实施例的另一优点是可以减少CMC桨叶杆上的低循环疲劳。本发明的一项实施例的另一优点是一种系统，所述系统用于连接具有不同热膨胀系数的两种材料。 

发电系统10包括但不限于燃气涡轮机、蒸汽涡轮机，以及其他涡轮机组件。本发明的一项实施例在图1到图3中示出，但是本发明不限于所示结构。 

图1所示为发电系统10的一项实例，在该实施例中是燃气涡轮发动机，其具有压缩机部分12、燃烧室部分14以及涡轮机部分16。在涡轮机部分16中，固定翼型18（通常称为轮叶）和旋转翼型20（通常称为叶片）的列交替着。叶片20的每一列由附接到转子24上的盘22的多个翼型20形成。叶片20可以从盘22径向地向外延伸，并且在称为叶尖26的区域中终止。轮叶18的每一列通过将多个轮叶18附接到轮叶载体28而形成。轮叶18可以从轮叶载体28的内周缘表面径向地向内延伸。轮叶载体28附接到外壳32，所述外壳罩住发动机的涡轮机部分16。在发电系统10运作过程中，高温高速气体流经 涡轮机部分16中轮叶18和叶片20的各列。连接系统100用于固持发电系统10的外壳32中的旋转翼型20或叶片。 

如图2所示，连接系统100包括固持销122、金属泡沫衬套116、设置在金属部件112中的第一孔隙108。连接系统100包括设置在CMC部件114中的第二孔隙110。所述第一孔隙108和所述第二孔隙110经配置以当所述金属部件112与所述CMC部件114接合时形成通孔132（见图4）。所述固持销122和金属泡沫衬套116有效地布置在所述通孔132内，以连接所述金属部件112与所述CMC部件114。 

如图2所示，连接系统100为涡轮连接系统101。所述涡轮连接系统130包括增强销112、金属泡沫衬套116、设置在翼型区段或杆104中的第一孔隙108，以及设置在固定座区段106中的第二孔隙110。金属泡沫衬套116包括内直径134和外直径136，从而界定衬套孔隙120以用于接收增强销112。翼型杆104中的第一孔隙108和固定座区段106中的第二孔隙110形成通孔132（见图4），以用于当翼型杆104与固定座区段106接合时接收金属泡沫衬套116和固持销112（图3中未图示）。固持销122和金属泡沫衬套116被布置和设置在所述通孔122内，以连接翼型杆104与固定座区段106，从而形成涡轮叶片固持系统130。 

在一项实施例中，翼型区段或杆104是CMC部件。在另一实施例中，翼型102形成为单块CMC部件，所述单块CMC部件由翼型、翼型平台118和翼型杆104形成。 

通常应理解，金属的热膨胀系数一般高于陶瓷或CMC材料。在操作中，为了将旋转部分固持在适当位置，固持销122的CTE需高于其所位于的CMC翼型杆104。在一项实施例中，固持销122的材料和大小经选择以提供所需剪切强度，从而防止翼型杆104牵引负载/潜变。 

在较冷状态下，在CMC部件114中形成第二孔隙110或销孔时，需要使孔隙略微大于固持销122的外直径，从而当固持销122发生膨胀时容纳固持销以与泡沫金属衬套116形成过盈配合（interference fit）， 而不会在正常的发电系统10操作条件下使CMC部件通孔132破裂。在一项实施例中，金属泡沫衬套116的内直径134经尺寸设计，使得增强销122可以变大或膨胀到金属泡沫衬套116中，而不会使衬套变形。通常，固持销122的CTE近似大于或等于CMC部件的CTE。在一项实施例中，固持销122的材料与金属部件的材料相同。 

图3是旋转部件固持系统200的截面图。在一项实施例中，旋转部件是翼型20或叶片（见图1）。旋转部件固持系统200包括固持销122、设置在第一部件112（见图3）中的第一孔隙108（见图2）、设置在第二部件114中的第二孔隙110（见图2），以及衬套116。第一孔隙108和第二孔隙110也称为销孔。所述第一部件112具有第一热膨胀系数（CTE）。所述第二部件114具有第二热膨胀系数。所述衬套116具有第三热膨胀系数，所述第三热膨胀系数处于所述第一热膨胀系数与所述第二热膨胀系数之间。当第一部件112与第二部件114接合时，第一孔隙108和第二孔隙110形成通孔132（见图4）或销孔以用于接收衬套116和固持销122。衬套116包括衬套孔隙120以用于接收固持销122。固持销122和衬套116可操作地布置在通孔132内，以连接第一部件112与第二部件114，从而形成旋转部件固持系统200。在一项实施例中，第一部件112的第一热膨胀系数近似大于或等于第二部件114的第二热膨胀系数。在另一项实施例中，衬套116的第三热膨胀系数小于或近似等于第二部件114的第二热膨胀系数。在另一项实施例中，衬套116是开孔、或闭孔的金属泡沫衬套。 

在旋转部件固持系统200的一项实施例中，第一部件112是金属部件，例如但不限于固定座区段106（见图3）。在一项实施例中，第一部件112是金属部件并且其组成材料从以下项中选择，但不限于：钛、镍、铁、钴、铬，及其合金和它们的组合。在一项实施例中，第二部件114是CMC部件，例如但不限于翼型杆104（见图3）。在一项实施例中，CMC部件从用于本领域中的各种CMC材料中选择，例如但不限于SiC/SiC、SiC/Si–SiC、SiC/C、SiC/Si₃N₄以及基于氧化物 的（oxide-based）材料例如Al₂O₃/Al₂O₃–SiO₂,CMC包括一种基体材料，所述基体材料选自SiC、SiN，及其组合。在一项实施例中，金属泡沫衬套的材料是类似于第一部件112或固定座区段106的材料。在一项实施例中，金属泡沫衬套的材料从以下项中选择，但不限于：钛、镍、铁、钴、铬，及其合金和它们的组合。在一项实施例中，金属泡沫衬套116由一种金属泡沫材料构成，所述金属泡沫材料可选自商标名是FECRALLOY^TMFeCrAlY（北卡罗来纳州亨德森维尔，牧人街700号，Porvair燃料电池技术（Porvair Fuel Cell Technology,700Shepherd Street））的材料，其为铁铬铝钇合金，标定成分的重量%分别是72.8%铁、22%铬、5%铝，和0.1%钇以及0.1%锆。 

金属泡沫衬套116中的金属泡沫可以使用任何合适的方法来制备，例如但不限于化学气相沉积、熔模铸造以及水浆涂布。化学气相沉积技术包括：产生金属气体并且使该气体凝华（desublimating）在聚合物基底上；加热该基底以使聚合物挥发而使基底中的金属复制品完好；然后再次加热以烧结金属材料，从而产生金属泡沫。熔模铸造技术（investment casting technique）涉及：在模穴内使用聚合物基底作为预型件；用模料来锉磨（filing）模穴；使聚合物基底挥发；然后将熔融金属倒进加热和加压的模穴中。在铸造完成之后，模料被移除，且聚合物基底的精确复制品保持为金属泡沫。水浆涂布技术（slurry coatingtechnique）涉及：产生细金属粉末和聚合物粘合剂的类漆混合物；使用例如旋转注入、滚动注入和喷涂注入等工艺，将该类漆混合物涂布在开孔聚合物泡沫上。注入的开孔聚合物泡沫经压缩以排出多余的浆料，随后被弄干并点燃以烧尽聚合物泡沫，并且经烧结以产生金属泡沫。使用上述技术中的任一种技术制备的刚性金属泡沫具有多个互连空隙，其结构配置与作为起始材料的聚合物泡沫基本上相同。所使用的金属微粒包括但不限于，钛、镍、铁、钴、铬及其合金以及它们的组合。 

金属泡沫可以具有在固体母材的5%与40%之间的低密度，以及高 强度。术语“遵从”或“遵从性”在此处意为：在组装过程中具有可以适应过盈配合的弹性模量，并且在固持销122与CMC部件或翼型杆104之间具有不同的热膨胀，而不会受力以导致CMC翼型杆104的破坏。三维网络结构具有高表面积密度和1000°C以上的高熔融温度，允许在发电系统的操作温度下使用金属泡沫衬套116。在一项实施例中，金属泡沫衬套116经压缩以在固持销122的外表面与通孔132的外表面之间形成良好的配合。另外，在屈服应力（yield strength）或压缩应力的作用下，材料将会不可逆地开始压缩金属泡沫，该力可以根据泡沫密度而变化。例如，相对密度约为3-4%的金属泡沫具有约1MPa的屈服强度。相对密度约为4.5-6%的材料具有约2MPa的屈服强度，而相对密度大于约6%的材料具有约3MPa或更大的屈服强度。 

在一项实施例中，金属泡沫衬套116选自闭孔金属泡沫。在该实施例中，泡沫的相对密度大于开孔金属泡沫的相对密度。此外，闭孔金属泡沫衬套的应力应变行为不同于开孔金属泡沫。闭孔金属泡沫衬套116的合适实例为，但不限于，镍闭孔金属泡沫。 

在一项实施例中，金属泡沫衬套116的厚度可以使得金属泡沫衬套116在旋转和操作条件下不会发生塑性形变。在一项实施例中，该厚度基于金属泡沫衬套的密度来选择，并且金属泡沫衬套116的相对密度约为3%到约为50%，或者约为10%到约为35%，或者约为20%到约为30%。 

尽管本发明已经参考优选实施例进行了描述，但是本领域的技术人员应理解，在不脱离本发明范围的情况下可以发生各种改变并且可以用等效物来替代各元件。此外，在不脱离本发明的本质范围的情况下，可进行多种修改，从而使特定情况或材料适应本发明的教示。因此，希望本发明不限于作为最佳模式来实施本发明的特定实施例，相反，本发明包括所附权利要求范围内的所有实施例。