CN115135851A - 用于轮辋式转子的温障涂层 - Google Patents

Abstract

一种轮辋式转子组件，具有包括复合材料轮辋部的环形结构并具有轮毂。叶片从该轮毂伸出，叶片的末端接触该环形结构，该叶片配置成以抵靠该环形结构受压的方式而被加载。在环形结构中设置有热障，该热障限定环形结构的径向内侧表面的至少一部分。叶片的末端接触热障，该热障是热障涂层。

Description

用于轮辋式转子的温障涂层

相关申请的引证

本公开要求于2019年11月28日提交的美国专利申请序列第62/941,832号、于2019年12月5日提交的美国专利申请序列第62/944,047号以及于2019年12月16日提交的美国专利申请序列第62/948,473号的优先权，所有这些申请都通过引证结合于此。

技术领域

本公开涉及能够使用陶瓷的轮辋式转子涡轮机械，其中涡轮由例如复合材料(诸如含碳复合材料)的增强轮辋式转子径向地支撑。

背景技术

移动设施需要紧凑、具有最小化的重量和体积的动力源。此外，由于包括全球变暖问题、化石燃料可用性和环境影响、原油价格和可用性问题在内的各种因素，使动力源的效率成为运输行业中的焦点。对于运输航业，特别是可靠性关键的航空运输，涡轮被认为能提供最佳解决方案之一。在涡轮中，作为一般原理，涡轮入口温度越高，涡轮将越有效。认为回收布雷顿循环比简单布雷顿循环提供更高的效率。

增加回收布雷顿循环的温度的挑战在于涡轮自身，其中，常见的合金需要大量的冷却以能够经受高气体温度。这对于难以实现膜冷却的小型涡轮(＜1MW)来说更具挑战性并且显著降低循环效率。已经尝试将陶瓷(例如氮化硅和碳化硅)用于燃气涡轮，这是因为这些材料可以经受高温，但是由于它们的脆性，使它们表现出可靠性的问题。已经做出尝试生产包含在轮辋式转子中的陶瓷涡轮，诸如美国专利第4,017,209号，但是这种尝试没有提出用于一些材料(诸如复合材料)的可行的冷却解决方案。复合材料的轮辋式转子受到碳聚合物复合材料的玻璃化转变或碳碳复合材料的氧化的限制。这些尝试也受到纯轴流式涡轮设计的限制，纯轴流式涡轮设计并未充分利用可以用于无轮毂设计的轮辋式转子，该轮辋式转子允许相反的径向、轴向或混合流动构造，这些构造通过将热气体保持在涡轮叶轮的一个单侧上来优化整套发动机的温度分布，因此使结构和热回路分离开。

此外，当考虑轮辋式转子机械时，在使轮辋式转子的位移与刚性轮毂的位移匹配上存在挑战。轮辋式转子还需要与热的燃烧气体热绝缘，其中陶瓷由于它们的低传导性和高温耐受性而被选择为候选物。

因此，需要一种在不稳定性或故障率受限的情况下可在高空气预热温度下操作的紧凑型涡轮，该紧凑型涡轮可用于工业(炉、加热器)和动力应用(诸如分布式CHP)、航天和汽车应用中。为了最大化在动力应用中的效率和排放益处，这种涡轮能够与轮辋式转子陶瓷涡轮机械一起使用，从而允许高的燃烧温度，并且因此具有高的循环效率。

发明内容

因此，根据本公开的一个方面，提供了一种轮辋式转子组件，所述轮辋式转子组件包括：环形结构，包括复合材料轮辋部；轮毂；叶片，从所述轮毂伸出，所述叶片的末端接触所述环形结构，所述叶片配置为以抵靠所述环形结构受压的方式而被加载；以及热障，位于所述环形结构中，所述热障限定所述环形结构的径向内侧表面的至少一部分，所述叶片的末端接触所述热障，所述热障是热障涂层。

进一步地根据该方面，例如，所述环形结构包括位于所述复合材料轮辋部与所述热障之间的冷却环。

又进一步地根据该方面，例如，所述冷却环限定冷却通道。

又进一步地根据该方面，例如，所述冷却环包括金属环。

又进一步地根据该方面，例如，所述冷却环由热障涂层构成。

又进一步地根据该方面，例如，所述冷却环由在传导性基体中的纤维的复合材料制成。

又进一步地根据该方面，例如，所述叶片通过滑动接合部连接到所述轮毂，并且所述叶片被偏压成抵靠所述环形结构而受压。

又进一步地根据该方面，例如，所述叶片具有连接至所述轮毂的底部区段以及抵靠所述环形结构的顶部区段，所述底部区段和所述顶部区段通过平移接合部相连。

又进一步地根据该方面，例如，所述复合材料轮辋部包含位于基体中的碳纤维。

又进一步地根据该方面，例如，所述基体由氰酸酯、聚酰亚胺、邻苯二甲腈中的一者制成。

又进一步地根据该方面，例如，所述热障涂层包括钇稳定氧化锆的层或钇铝石榴石的层。

又进一步地根据该方面，例如，所述层的厚度的范围在300μm到1500μm之间并且包括端点值。

又进一步地根据该方面，例如，所述层的孔隙率水平在10％和30％之间并且包括端点值。

又进一步地根据该方面，例如，在所述层是钇稳定氧化锆的层的情况下，所述层的密度在4.2g/cc和5.5g/cc之间并且包括端点值。

又进一步地根据该方面，例如，在所述层是钇铝石榴石的层的情况下，所述层的密度在3.2g/cc和4.2g/cc之间并且包括端点值。

又进一步地根据该方面，例如，所述热障包括位于所述层与所述环形结构的其余部分之间的结合层。

又进一步地根据该方面，例如，所述结合层的厚度的范围在75μm到150μm之间并且包括端点值。

又进一步地根据该方面，例如，所述结合层是MCrAlY或NiAl。

又进一步地根据该方面，例如，所述结合层的孔隙率的范围在5％至15％之间并且包括端点值。

又进一步地根据该方面，例如，所述热障包括位于所述层的径向内侧的抗摩擦层。

又进一步地根据该方面，例如，所述抗摩擦层的厚度的范围在25μm到100μm之间并且包括端点值。

又进一步地根据该方面，例如，所述抗摩擦层是氮化硼。

又进一步地根据该方面，例如，所述抗摩擦层位于与所述叶片的末端相对的离散且分开的区域处。

又进一步地根据该方面，例如，所述叶片的末端包括抗摩擦层。

又进一步地根据该方面，例如，所述热障是环形的。

又进一步地根据该方面，例如，所述热障具有均匀的厚度。

又进一步地根据该方面，例如，所述热障具有不均匀的厚度。

又进一步地根据该方面，例如，所述热障限定用于接收所述叶片的末端的凹部。

又进一步地根据该方面，例如，所述热障在与所述叶片的末端相对处较厚。

附图说明

图1是根据本公开的一方面的轮辋式转子涡轮机的局部剖开的立体图，该轮辋式转子涡轮机具有轮辋式转子、绝缘基板、具有位于根部下方的滑动平面的陶瓷叶片、与滑动平面匹配的轮毂、弹簧块定位器；其中，热障涂层具有均匀的厚度；

图2是图1的轮辋式转子涡轮机的截面图；

图3是根据本公开的另一方面的轮辋式转子涡轮机的局部剖开的立体图，该轮辋式转子涡轮机具有轮辋式转子、绝缘基板、具有位于根部下方的滑动平面的陶瓷叶片、与滑动平面匹配的轮毂、弹簧块定位器；其中，热障涂层具有可变的厚度；

图4是图3的轮辋式转子涡轮机的截面图；

图5是轮辋式转子涡轮机的变型的截面图，该轮辋式转子涡轮机具有轮辋式转子、绝缘基板、陶瓷叶片，其中，热障直接施加在传导性致密材料上；

图6是具有导向导叶的非旋转式涡轮机结构的截面图，其中，热障位于导叶和外周环形支撑件之间；

图7是轮辋式转子涡轮机的变型的轴向视图，该轮辋式转子涡轮机具有轮辋式转子、绝缘基板和具有滑动特征部的两件式叶片。

图8是图7的两件式叶片的分解图；

图9是图7和图8的两件式叶片的立体截面图，其中，在根部下设置有弹簧块定位器；

图10是轮辋式转子涡轮机的变型的截面立体图，该轮辋式转子涡轮机具有轮辋式转子、绝缘基板、具有位于根部下方的滑动平面的两件式叶片、与滑动平面匹配的轮毂、弹簧块定位器；以及

图11是涡轮机轮的变型的轴向截面图，其中，下叶片区段的数量减少，并且在上叶片区段之间添加了附加的叶片。

具体实施方式

参考附图，更具体地参考图1，根据本公开，可作为轮辋式转子涡轮机的一部分的轮辋式转子组件以标号100示出。图1的轮辋式转子涡轮机轮是涡轮机或涡轮发动机的一个部件。在示例性用途中，热气体流膨胀通过旋转的轮辋式转子涡轮机轮100，该轮辋式转子涡轮机轮从气体提取动力以将能量转换成机械轴动力。该动力可以传递到压缩机、发电机、推进器或风扇(如果需要的话，通过变速箱)。轮辋式转子涡轮机轮可以在多滑阀涡轮发动机装置中的不同轴或同一轴上与其他的轮辋式转子涡轮机轮或其他类型的涡轮机轮结合使用。可以在每个轮辋式转子涡轮机轮的上游使用流动导向导叶或入口导向导叶以使切向流动加速，以便使转子将气体流动的切向动量转换成机械动力。为了一致性，在本文中使用的表述“轮辋式转子涡轮机”来描述图1至图5和图7至图11的组件，这是因为示出的组件可以是轮辋式转子涡轮机100的一部分并且附图中不存在轮辋式转子涡轮机100的其他部件。轮辋式转子涡轮机100围绕轴线X旋转，轴线X正交于轴线Y和轴线Z所在的平面。轮辋式转子涡轮机100限定外周环形结构，该外周环形结构可以被称为轮辋式转子、外护罩、外周环、外环、外环形结构等。外周环形结构与叶片一起围绕轴线X旋转。外周环形结构可包括各种环形子结构，该环形子结构可称为层、涂覆层、涂层、环等，从而为轮辋式转子提供诸如结构完整性、冷却、热屏蔽、压缩载荷等的多种功能。

外周环形结构可以包括轮辋部101，也被称为外轮辋或也被称为轮辋式转子，但轮辋式转子可以包括如上文和下文所示出的其他环形部件。在轮辋式转子涡轮机中，轮辋部101的直径大致可以在7.5cm到80.0cm的范围内。轮辋部101可以由不同的材料制成。在实施例中，轮辋部101由复合材料制成，该复合材料是在聚合物基体中的纤维。为了使操作速度最大化、使重量最小化并且提供结构刚性，纤维可以是碳纤维。例如，碳纤维可以是高模量和/或高强度等级的。纤维的一部分(例如，相当大的部分)可以主要切向地定向(纤维的长度沿着周向)以使复合材料轮辋部101的切向特性最大化。具有与碳纤维有适当相容性的轻质基体可以用于提供高速操作(例如，RPM为130,000，切向速度为400-500m/s)所需的特性。来自聚合物族的具有高温耐受性的聚合物基体是优选的，诸如氰酸酯、聚酰亚胺或邻苯二甲腈，但是可根据使用条件使用其他聚合物。作为其他可能性，轮辋部101可由陶瓷基体复合材料(CMC)、金属基体复合材料(MMC)以及其他可能的材料制成。

作为轮辋式转子涡轮机100的外周环形结构的另一部分，冷却环102可以一体地连接至轮辋部101。冷却环102位于复合材料轮辋部101的径向内侧。冷却环102可包括风冷式翅片阵列和/或传导性材料，如下文所详述。称为热障103的低传导性层或涂层可一体地连接至冷却环102(如果存在的话)或复合材料轮辋部101。热障103可以是环形的并且位于复合材料轮辋部101和冷却环102的径向内侧。在实施例中，轮辋式转子涡轮机100的外周环形结构从径向外侧到径向内侧依次包括轮辋部101、冷却环102和热障103。热障103可限定外周环形结构的径向内侧表面的一部分或全部。例如，热障103可以是不连续的，诸如在叶片接触外周环形结构处是不连续的(不过热障103也可以在这样的位置处更厚)。

在轮辋式转子涡轮机100中，冷却环102和热障103限定多个涡轮叶片104与复合材料轮辋部101之间的结构性绝缘层。该架构可允许将适用于高温使用的陶瓷材料用于叶片104。由于通过在拉伸应力中受离心载荷的复合材料轮辋部101定位，叶片104主要以受压的方式而被加载。叶片104与复合材料轮辋部101之间的结构性绝缘层必须在提供高热梯度的同时抵抗高压缩应力。热障103的内侧或热侧在高温下与叶片104接触，并且外侧或冷侧必须低于或接近复合材料的最大操作温度，如果存在冷却环102则有助于冷却。为了提供高热梯度，结构性绝缘层可以具有呈产生径向热通量的风冷式翅片阵列形式的冷却环102并具有用作施加在叶片104与冷却环102之间的低传导性层或涂层的热障103。热障103必须被强烈地受压以将离心载荷从叶片104传递到冷却环102，并且热障必须具有足够的顺应性以遵循冷却环102的结构和热膨胀。

同时参考图1和图2，轮辋式转子涡轮机100的每个叶片104都可包括内护罩部分104A和叶片根部104B。叶片根部104B连接到轮毂105(也称为盘或盘碟)和弹簧块定位器106。轮毂105可连接到轴(诸如输出轴)或者可以是该轴的一部分。个体的叶片104由轮毂105保持，以便在旋转时随着轮辋式转子涡轮机100的径向膨胀而自由地径向移动。叶片104在它们的末端处保持与外护罩(即，环101、冷却环102、热障103)的径向接触。轮辋式转子涡轮机100在旋转时保持其完整性，并通过具有与轮毂105保持接触的叶片104而将动力传递至与轮毂105连接的涡轮驱动轴。轮辋式转子涡轮机100可以通过使叶片104沿着位于叶片根部104B与轮毂槽105B的底表面105A之间的滑动平面SP移动而保持合适的刚度。表述“平面”用作在图中示出了直线路径的表面SP，但是该表面SP可以被视为形成截头锥形或分布在截头锥形上的多个平坦区段。滑动平面SP与旋转轴线X成角度，这使得预选轴向叶片运动基于径向位移。最小角度可以基于轮毂105的材料与叶片104之间的静摩擦系数以确保叶片104不会在速度下降时卡住。高角度减小了在动态振动下保持高刚性时所需的静摩擦。因此，根据材料和刚度需要，角度θ可以在15度至75度之间，其中，35度的预期值在静摩擦上提供足够的余量以避免在旋转速度下降时停止，同时确保静摩擦足以避免由于不平衡的力而引起的滑动。

为了保持叶片根部104B与滑动平面SP接触，可以在叶片104上(诸如在叶片根部背面)施加轴向力。该轴向力由与叶片根部104和定位部107接触的弹簧块定位器106产生，其中定位部例如为螺母或连接至轮毂105的邻接表面。弹簧块定位器106施加弹簧效果，从而在叶片根部104B上产生轴向力。为了在保持接触的同时允许叶片104的轴向相对位置和运动，弹簧块定位器106可以包括径向切口，以对于每个叶片而言产生单独的梁弹簧，该梁弹簧从共用弹簧块中央环伸出。当轮辋式转子涡轮机100开始旋转时，叶片104开始轴向移动，从而减小弹簧预加载。为了确保在高转速期间在叶片根部104B上保持足够的力，可以在弹簧梁的端部处添加偏压块106A，从而在弹簧头的质心和径向轴线之间形成角度(在Y-Z平面中)，并且使得在转速增大时叶片根部104B上的轴向力增大。为了确保在旋转期间由弹簧块施加的力足够，弹簧头可以例如为与其接触的叶片104的10％至50％。弹簧头的质心和径向轴线之间的角度可在3度至30度之间。15度的角度是非常合适的，这是因为它限制了传递的径向力，同时产生了足够的轴向力来保持合适的组装刚度。

在实施例中，轮辋式转子涡轮机100使用在高于900摄氏度的气体温度下抗氧化的材料，诸如陶瓷，以用于具有最大拉伸应力是最大压缩应力的40％或小于最大压缩应力的压缩载荷的叶片104。叶片104将大的热通量传导至热连通的部件。由于轮毂105经受的离心力小，所以轮毂105可由在高于900摄氏度的气体温度下抗氧化并且在高于900摄氏度的温度下拉伸强度高于100MPa的材料制成(例如，与金属合金相比，陶瓷和/或陶瓷金属基体复合材料和/或陶瓷基体复合材料)。在可以进行小轴向移位情况下(例如，当使用高角度滑动平面角度时)，弹簧块的低灵活性要求可以允许弹簧块定位器107由诸如陶瓷的耐高温材料制成。在所示出的由于较低的滑动平面角度而可能需要弹簧部件具有较高灵活性的情况下，可以使用提供足够强度和抗氧化性和抗蠕变性的金属材料，诸如镍或钛超合金。可在弹簧块定位器107与叶片根部104B之间设置绝缘件或绝缘层(诸如陶瓷涂层或低传导性陶瓷垫或滚珠)，由此减小弹簧块空气冷却要求。这种绝缘具有以下间接益处：通过增加至少50％的硬度来增加在弹簧块定位器107与叶片104之间的接触点处的对横向摩擦的阻力。

在实施例中，热障103可以包括被称为热障涂层(TBC)的涂层。TBC被施加在冷却环102的内面上，从而有效地减少了叶片104和冷却环102之间的传导以及通过流过叶片104和冷却环102的热气体之间的对流进行的热传递。热障103可以包括多个层(这些层例如是环形的)，如结合涂层108、顶涂层109和低摩擦涂层110。选择热障103的厚度以使其提供足够的热绝缘，同时限制将增加到轮辋式转子涡轮机100的支撑环形结构的增加的重量。因此，热障的密度、热传导性和压缩强度是提供足够的轮辋式转子涡轮机性能的重要特征。顶涂层109可以是具有不同基底材料和混合物的陶瓷顶涂层。在变型中，顶涂层109是钇稳定氧化锆(YSZ)。在另一变型中，顶涂层109可为钇铝石榴石(YAG)。在实施例中，顶涂层109的厚度为300μm至1500μm并且包括端点值，但顶涂层109的厚度也可以在这个范围之外。顶涂层109的孔隙率水平可以在10％至30％的范围内并且包括端点值。如果顶涂层109是YSZ涂层，则密度的范围可以在4.2至5.5g/cc的范围内并且包括端点值，而YAG顶涂层的密度比YSZ涂层的密度小25％，在3.2g/cc和4.2g/cc的范围内并且包括端点值。合适的性能为约1W/Km的热导率、至少500MPa的机械抗压强度和在断裂/剥落之前具有0.5％的最小应变，以限制热传导和抗机械应力。为了改善顶涂层109对冷却环102的基底材料的粘附性和/或增加耐腐蚀性，可施加结合涂层108，例如MCrAlY(镍/钴铬铝氧化钇)、NiAl(镍铝)或其他混合物的结合涂层。结合涂层108的厚度可以在75μm至150μm的范围内并且包括端点值。所施加的结合涂层108的孔隙率可以为5％至15％并且包括端点值，以提供抗应变性、更好地匹配顶涂层109相对于冷却环102的热伸长并且增加对顶涂层的粘附性。用于结合涂层108和/或顶涂层109的涂料可通过不同方法施加，例如空气等离子体喷涂(APS)、超音速火焰喷涂(HVOF)或物理气相沉积(PVD)，从而提供多孔材料层。结合涂层108和/或顶涂层109的层的结构布置成为与轮辋式转子涡轮机100的操作相关联的压缩载荷提供足够的抗压强度。

在实施例中，附加层是热障103的一部分，该附加层在顶涂层109的径向内侧。附加层是低摩擦干润滑剂涂层110，其被施加以减小叶片104的末端和外周环形结构之间的摩擦系数。实际上，由于叶片104与支撑环形结构之间的热膨胀的不匹配，可能需要滑动以减小叶片104中由热条件施加的拉伸应力。通过干润滑剂涂层110(诸如氮化硼或其他干润滑剂)减小在叶片的末端处的摩擦系数可以减小叶片应力并且因此增加叶片104的耐用性。干润滑剂涂层110可以通过气溶胶、涂漆、空气等离子体喷涂或通过其它方法施加。层110的厚度可以在25μm至100μm的范围内并且包括端点值，但层110的厚度也可以在此范围之外。由于该涂层110在叶片104与外周环形结构之间的交界处，所以可以在叶片接触处施加抗摩擦涂层，或者甚至将抗摩擦涂层在叶片末端上直接施加在离散且分开的区域上。因此，层110(如果存在的话)可以不是连续的环形。

在另一实施例中，冷却环102和热障103两者都可以用TBC制成，其中如果需要的话，则翅片将由TBC自身制成。因此，冷却环102和热障103也可形成由TBC制成的单个部分。表述“翅片”涉及由空隙分离的表面，该空隙允许空气冲击以用于冷却。可以用于限定此类特征的其他表述包括通道、热交换表面、凹陷、壁等。翅片的几何形状设计为产生增加的与冷却空气的热交换表面积，同时足够大以支撑压缩载荷。翅片可以是连续的或者沿着流动路径被切断，可能使得翅片阵列特定地布置。在相邻翅片之间产生的通路区域(通道宽度)可沿着通道线变化以控制压力损失和热传递。作为实例，翅片之间的通道或空间的宽度可以在200μm到800μm之间并且包括端点值。作为实例，可以使用500μm至2000μm(包括端点值)的翅片。通道可从冷却环102的一轴向面延伸到另一轴向面，无论是以直的路径还是螺旋路径。通道限定翅片，该翅片将通道分离开。

在另一变型中，冷却环102可以由高强度复合材料制成，可以接合在外侧的复合材料轮辋部101内，同时在内周处施加热障103。换言之，冷却环102可以例如通过具有相同的材料而为复合材料轮辋部101的一部分。适合的材料包括碳纤维聚合物复合材料，诸如高模量和/或高强度碳纤维以及高温聚合物(例如，氰酸酯、聚酰亚胺、邻苯二甲腈)。

在另一变型中，冷却环102可以由金属环形部制成，其中由诸如TBC(YSZ、YAG等)的绝缘材料制成的翅片的阵列诸如限定在冷却环102的外表面上，从而有效地设置低传导性的翅片。可能的制造方法是在金属环形部的表面和外TBC层中机器通道两者上施加TBC，以创建翅片或类似的热交换表面。为了结构完整性，可以在TBC翅片和复合材料轮辋部101之间引入另一金属层。

为叶片104选择陶瓷材料使其在高温下操作，与金属叶片相比，陶瓷叶片能在更高温度下支撑应力。以防万一叶片温度超过陶瓷的氧化或腐蚀极限，可在与热气体接触的叶片表面上施加环境阻隔涂层(EBC)。

到达冷却环102的热热通量来自两个主要来源：通过叶片104的传导以及通过支撑环形结构的叶片104之间的露出表面的热气体对流。热障103的厚度可以是均匀的，如图1和图2中所示(即，径向厚度恒定)。热障103的厚度也可在叶片104的末端处不同于其余表面上的厚度，如图3和图4所示。热障103可在与叶片104的末端的交界处较厚(即，在径向方向上较厚)。根据每个位置处所需的厚度，附加的TBC也可以直接施加于叶片末端。当被提供作为热障103的一部分时，位置特征部可以由用于叶片末端的热障103的较厚TBC限定。还可以在热障103的相对于叶片末端的TBC中存在凹部，从而有效地形成用于叶片104的末端的座部区域。

参考图5，热障13可施加在位于复合材料轮辋部101径向内侧的致密的热传导性材料111上，该热传导性材料用作冷却环102或作为冷却环的替代物。传导性材料111可以是环形结构的形式，空气流不通过其而是围绕其流动。致密的传导性材料111朝向轮辋式转子涡轮机100的前部、后部和/或径向向外部113将热量传导至翅片112、114。然后通过经由翅片的散热将热量排出到周围环境。翅片还可用作转子与涡轮静态外壳115之间的迷宫式密封件的唇缘，以密封轮辋腔116。热量可排放到空气和/或穿过周围的冷却外壳固定翅片(未示出)。致密的传导性材料可以是金属、陶瓷或复合材料。传导性材料的厚度可以大致约为轮辋式转子环的厚度的一半并且取决于提取热量所需的翅片的数量。作为实例，每个轴向延伸的翅片的厚度通常为1mm至2mm。为了限制离心力，结合了高传导性和轻质的材料是令人感兴趣的。举例来说，传导性材料111的环形结构可由具有高温铝的传导性基体或金属基体复合材料(例如铝-铍)的传导性基体的沥青基的碳纤维或碳化硅纤维制成。

参考图6，热障103还可用于非旋转性部件，以使环形结构支撑部件130与通过导向导叶(即，静态叶片)131传导的热量绝缘，并且与在导叶131之间流动的热气体的对流绝缘。环形结构支撑部件130可以是静态部件并且可以由任何适当的材料制成，诸如金属材料、复合材料等。热障103可以包括顶涂层109，并且可选地包括结合涂层108和/或抗摩擦涂层110，如上所述。取决于所选择的材料以及热条件，可以使用厚度为导叶高度的2％至15％的顶涂层。例如，这种布置允许陶瓷导叶在接近热气体温度的升高的温度下操作，同时具有需要相对低的冷却空气量的结构，以保持低于其最大使用温度(例如，对于镍超合金而言，低于900℃)。可以调整导叶131和结构支撑件130在工作温度下的热伸长(可以基于热障103的厚度通过设计来调整)，以便通过在导叶131处具有比在结构支撑件130处更大的径向热伸长来产生导叶131的大部分处于受压状态的载荷。结构支撑件130的冷却可以经由限定如所示的内部通道的风冷式翅片和/或通过风冷式外翅片(未示出)和/或通过穿过连接的相邻部件的传导来进行。

参考图7和图8，以标号200示出轮辋式转子涡轮机的变型。在轮辋式转子涡轮机200中，可以使用替代的结构布置来支撑叶片201的离心惯性力，作为图1至图6的滑动平面构造的替代方案。每个叶片201可以分割成两个或更多个段。为了简单起见，将描述双区段叶片并且该双区段叶片可以由上叶片区段202(即，径向向外的)和下叶片区段203(即，径向向内的)组成。上叶片区段202可以由陶瓷、高温金属合金等制成。上叶片区段202可以由高强度复合材料的轮辋式转子205限定的外周环形结构支撑，该轮辋式转子可以具有与图1至图6的实施例相同的构造。下叶片区段203可以通过其根部204定位成受拉伸载荷，从而将拉伸载荷通过匹配的根部特征部207(例如示出为枞树式根部)传递到轮毂206。这些根部设计和保持特征部可以使用锁定板、柄密封件、锁定螺钉、止动销(未示出)和/或其他类型的保持特征部来变化。上叶片区段202和下叶片区段203可以通过滑动特征部连接在一起，该滑动特征部可以允许两者之间的相对径向移动，同时将空气动力学产生的转矩从上区段传递到轮毂206。滑动特征部可以具有不同的几何形状，诸如减小的叶片截面部211和匹配的刻入部212，或者可以具有多种插头与插座的方式或其他连接特征。因此，滑动特征部是允许叶片201在径向方向上的膨胀或收缩的接合部。接合部可被描述为滑动接合部、伸缩接合部、具有一个平移自由度的接合部。在叶片区段202和203之间的可能需要存在间隙214以允许轮辋式转子涡轮机100在材料温度和旋转速度的宽范围内操作而不使轮辋式转子205过载。可以设定初始的间隙214的尺寸以使得对于轮辋式转子涡轮机100的操作温度和设计速度而言操作间隙接近零。

参考图8，外周环形结构可以包括在叶片201与轮辋式转子205之间的绝缘层213，以保护轮辋式转子205免受叶片201的热量的影响。绝缘层213可以包括冷却环209，该冷却环可以具有风冷式翅片阵列并且/或者可以由致密的传导性材料制成，类似于图5中的翅片。如果需要高绝缘性能，则热障210可位于冷却环209的径向内侧。热障210可包括如上所述的多个涂层。在一些实施例中，如图7和图8，或如图1至图6，风冷式翅片阵列可以是连续的环部件或分段的环部分的组件。作为一种可能性，通过具体的材料选择，风冷式翅片阵列或环区段的环209和上叶片区段202可以通过焊接、钎焊或其他方法接合在一起。

图9示出了轮辋式转子涡轮机200的截面图的一部分。在叶片根部204与轮毂的与根部匹配的特征部207之间限定的径向间隙221可以允许下叶片区段203在轮辋式转子涡轮机200仍是热的并且旋转速度朝向停止件减小时向内移动。偏压构件220(例如顺应性弹簧元件)可以插入在叶片根部204与轮毂206之间以在低速操作期间和在静止时保持组件的刚度。偏压构件220可以是螺旋弹簧、板簧等。

图10示出了下叶片根部204的替代实施例。在该实施例中，叶片保持特征部(例如，枞树式根部)和轮毂的与根部匹配的特征部207可以相对于旋转轴线X成角度，以便为叶片201提供附加的径向移位能力。在静止时，上叶片区段202与下叶片区段203之间的径向间隙214可以是零值，并且该下叶片下表面可以与轮毂滑动平面233接触(如上所述，该滑动平面233可以是截头锥形的等)，而偏压构件231(例如顺应性弹簧元件)可以通过在叶片根部204上施加轴向力来在滑动平面233处产生法向力来保持组件的刚性。当涡轮被加速时，轮辋式转子205可以由于离心力而径向膨胀，并且在它们的根部上具有偏压力的情况下，叶片204可以使滑动平面233向上滑动。初始轴向间隙232因此可以减小，直到叶片根部204与轴向定位邻接部234接触，此时下叶片区段203然后可以仅由其根部204保持张紧，并且径向间隙214开始增加。轴向定位邻接部234可以例如是轮毂206的一部分，或者也可以是分离的环。轮辋式转子涡轮机200的热浸可能需要附加的径向移位能力，在热浸中这些部件的热膨胀可能较大，但由于离心载荷，轮辋式转子205的径向位移为零。通过滑动平面233，叶片201可因此充分自由地径向移动，以避免在压缩中叶片201的不必要的载荷。

现在参考图11，示出了轮辋式转子涡轮机200的实施例，其中，下叶片区段203的数量减少以减小轮毂206的载荷，同时延长其预期寿命并增加其最大速度。为了保持轮辋式转子涡轮机200的空气动力学能力，附加的叶片241可以仅由具有轮辋式转子205的特征的外周环形结构定位，并且这些叶片被添加在上叶片区段202之间。换言之，图11中的轮辋式转子涡轮机200具有叶片201(该叶片的特征是具有区段202和203)和叶片241的交替排列。下叶片区段203的下部平台242因此可以周向地延伸以保持足够的流动通路，从而形成内护罩。叶片241可连接至轮辋式转子205、冷却环209、热障210。

上叶片区段202和下叶片区段203可以分别由不同材料制成，诸如金属超合金、整体陶瓷、陶瓷基体复合材料(CMC)或任何其他适当的材料。对于在气体温度高于叶片201的操作温度的燃气涡轮中的应用，叶片冷却可能是必要的。可以使用能使冷却空气流过以在叶片内对流冷却的叶片201，即，叶片是中空的以便空气在其中循环。可以在叶片的外表面上施加热障涂层，以进一步提高冷却效率，并因此提高轮辋式转子涡轮机200的入口温度能力。对于上叶片区段202，可以将冷却空气从冷却环209的风冷式翅片引导至叶片内部冷却通路。空气可通过小孔离开叶片201，以围绕叶片表面产生膜冷却，并进一步扩大冷却系统效率。

在第一方面，本公开提供了一种燃气涡轮，该燃气涡轮使用轮辋式转子构造以允许在受压的情况下使用陶瓷。该轮辋式转子涡轮包括高强度复合材料的轮辋式转子，由陶瓷、金属合金或复合材料制成的绝缘层，陶瓷或高温合金的符合空气动力学的叶片，以及轮毂。在叶片和外支撑结构的接口处使用热障涂层(TBC)以减少朝向复合材料的轮辋式转子的热通量。

在第二方面，本公开提供了一种燃气涡轮构造，该燃气涡轮构造使用轮辋式转子构造以允许在受压的情况下使用陶瓷。该轮辋式转子涡轮包括高强度复合材料的轮辋式转子、陶瓷或高温绝缘层、陶瓷或高温合金的符合空气动力学的叶片、轮毂，该轮毂允许叶片的滑动和/或相对移动以及/或者轮毂的变形。TBC用于减少绝缘层中的冷却质量流。TBC可以在与叶片末端的接口处具有大的厚度，以用于进一步与从陶瓷叶片传导的热量绝缘。

在第三方面，本公开提供了一种燃气涡轮构造，该燃气涡轮构造使用轮辋式转子构造以允许使用延伸的涡轮叶片。该轮辋式转子涡轮包括高强度复合材料的轮辋式转子、陶瓷或高温绝缘层、陶瓷或高温合金的符合空气动力学的叶片、轮毂，其中叶片由基底和末端两者支撑。上叶片区段通过压缩载荷由外轮辋式转子支撑，并且轮毂通过拉伸载荷支撑下叶片区段。与现有技术的涡轮相比，该构造允许叶片的长度和末端的速度两者增加。

在此描述的用于轮辋式转子涡轮机100和轮辋式转子涡轮机200的变型可以使布雷顿循环和变型中的工作流体温度升高，以实现高效率和高功率密度。

Claims (29)

1.一种轮辋式转子组件，包括：

环形结构，包括复合材料轮辋部；

轮毂；

叶片，从所述轮毂伸出，所述叶片的末端接触所述环形结构，所述叶片配置为以抵靠所述环形结构受压的方式而被加载；以及

热障，位于所述环形结构中，所述热障限定所述环形结构的径向内侧表面的至少一部分，所述叶片的末端接触所述热障，所述热障是热障涂层。

2.根据权利要求1所述的轮辋式转子组件，其中，所述环形结构包括位于所述复合材料轮辋部与所述热障之间的冷却环。

3.根据权利要求2所述的轮辋式转子组件，其中，所述冷却环限定冷却通道。

4.根据权利要求2和3中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述冷却环包括金属环。

5.根据权利要求2和3中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述冷却环由热障涂层构成。

6.根据权利要求2和3中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述冷却环由在传导性基体中的纤维的复合材料制成。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述叶片通过滑动接合部连接到所述轮毂，并且所述叶片被偏压成抵靠所述环形结构而受压。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述叶片具有连接至所述轮毂的底部区段以及抵靠所述环形结构的顶部区段，所述底部区段和所述顶部区段通过平移接合部相连。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述复合材料轮辋部包含位于基体中的碳纤维。

10.根据权利要求9所述的轮辋式转子组件，其中，所述基体由氰酸酯、聚酰亚胺、邻苯二甲腈中的一者制成。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述热障涂层包括钇稳定氧化锆的层或钇铝石榴石的层。

12.根据权利要求11所述的轮辋式转子组件，其中，所述层的厚度的范围在300μm到1500μm之间并且包括端点值。

13.根据权利要求11和12中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述层的孔隙率水平在10％和30％之间并且包括端点值。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，在所述层是钇稳定氧化锆的层的情况下，所述层的密度在4.2g/cc和5.5g/cc之间并且包括端点值。

15.根据权利要求1所述的轮辋式转子组件，其中，在所述层是钇铝石榴石的层的情况下，所述层的密度在3.2g/cc和4.2g/cc之间并且包括端点值。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述热障包括位于所述层与所述环形结构的其余部分之间的结合层。

17.根据权利要求16所述的轮辋式转子组件，其中，所述结合层的厚度的范围在75μm到150μm之间并且包括端点值。

18.根据权利要求16和17中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述结合层是MCrAlY或NiAl。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述结合层的孔隙率的范围在5％至15％之间并且包括端点值。

20.根据权利要求11至19中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述热障包括位于所述层的径向内侧的抗摩擦层。

21.根据权利要求20所述的轮辋式转子组件，其中，所述抗摩擦层的厚度的范围在25μm到100μm之间并且包括端点值。

22.根据权利要求20和21中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述抗摩擦层是氮化硼。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述抗摩擦层位于与所述叶片的末端相对的离散且分开的区域处。

24.根据权利要求11至19中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述叶片的末端包括抗摩擦层。

25.根据权利要求1至24中任一项所述的轮辋式转子组件，其中，所述热障是环形的。

26.根据权利要求25所述的轮辋式转子组件，其中，所述热障具有均匀的厚度。

27.根据权利要求25所述的轮辋式转子组件，其中，所述热障具有不均匀的厚度。

28.根据权利要求27所述的轮辋式转子组件，其中，所述热障限定用于接收所述叶片的末端的凹部。

29.根据权利要求27所述的轮辋式转子组件，其中，所述热障在与所述叶片的末端相对处较厚。

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