CN101042055A - 复合叶片元件及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种复合叶片元件(10)，其包括：由复合材料层(40)制成的翼(12)和基底(20)；由混入翼(12)和基底(20)的复合材料层(40)制成的平台(38)。平台(38)包括平台支搁板(42)和多个间隔开的平台支撑件(44、46)，平台支撑件(44、46)与平台搁板(42)一体构成，并混入基底的表面(26、28)。这样的叶片元件(10)的制造方法包括：提供部分地固化的翼－基底预制件(36)和平台预制件(38)，平台预制件(38)包括贯穿的翼状开口(43)以及平台支撑件(44、46)预制件。翼－基底预制件(36)穿过翼状开口(43)插入，由此平台预制件(38)和翼－基底预制件(36)的协作表面并置在一起。预制件(36、38)被加热，部分地固化在一起。然后在基本上完全固化这些结构的情况下，将它们混入与预制件(36、38)的材料相适合的粘合剂。

Description

复合叶片元件及制造方法
技术领域
本发明涉及涡轮发动机叶片元件，例如叶片、轮叶和支柱。更具体地说，本发明涉及复合燃气轮机叶片，尤其是由诸如陶瓷基质复合材料的低延展性材料制成的复合燃气轮机叶片。
背景技术
当今，轴流式涡轮发动机包括各种各样的叶片元件，例如基本上从风扇段到压缩机段和涡轮段轴向向后都包括刀片元件。这样的涡轮发动机叶片元件在涡轮发动机领域中是众所周知的，并有广泛的描述。与本发明的样式尤其有关的是位于燃气轮机涡轮段的叶片，因为这种部件经受恶劣、高温的工作条件。
典型轴流式燃气轮机涡轮叶片包括翼(airfoil)，翼具有在径向外端的尖端、具有径向内端的基底和在翼尖端和基底径向内端之间的平台。涡轮发动机的叶片的例子描述在诸如5,813,188-Roedl等和6,106,231-Brainch等的美国专利中。
涡轮段叶片、轮叶、支柱、罩板等等的当今发展建议使用较低延展性陶瓷基质材料，通常叫做陶瓷基质复合材料(CMC)，因为即使与在空气冷却的情况下的金属合金相比，它们能够在更高的温度下工作。但是在设计、制造和应用诸如叶片元件的产品期间必须考虑这种材料具有的机械性能。例如，与金属材料相比，CMC类型材料具有较低的拉伸延展性或较低的破坏应变。通常，市场上可买到的CMC材料包括陶瓷类型纤维，例如SiC，陶瓷类型纤维的形式(forms)涂有顺从材料，例如BN。陶瓷类型基质中载有纤维，陶瓷类型基质的一种形式是SiC。通常，CMC类型材料具有不大于约1％的室温拉伸延展性，在这里，不大于约1％的室温拉伸延展性用来定义和指低拉伸延展性材料。通常CMC类型材料具有在约0.4-0.7％范围内的室温拉伸延展性。这是与具有至少约5％、例如在约5-15％范围内的室温拉伸延展性的典型高温合金相比较的。因此，由于利用CMC类型的低延展性材料的制造局限性，在一个例子中，具有CMC翼和基底的涡轮叶片包括典型金属制成的平台，其作为叶片的单独和截然不同的部分。在这样的构造中，已经发现，单独的平台与叶片平衡之间的间隙很难密封，该间隙导致从绕翼的发动机流动路径穿过该间隙朝基底的一定量的失控泄漏。这样的失控泄漏会不利地影响发动机效率。因此，提供作为整体产品的带有CMC翼、平台和基底的CMC叶片是非常有利的，其消除了平台与叶片的其它部分之间的潜在间隙。
发明内容
本发明涉及复合叶片元件，其包括：翼，翼包括元件第一端或翼尖端；基底，基底包括元件第二端；和在元件第一端和元件第二端之间的平台。翼和基底是一体的、同延的，都由多个堆积层的纤维复合材料构成。基底包括至少一对间隔开的第一和第二端表面，第一和第二端表面与其间的基底主体一体构成。平台包括环绕翼和基底并与两者成一角度的平台搁板，翼从平台搁板突出。
本发明的一种形式是这种带有平台的叶片元件，平台包括混入(interfused)叶片元件的多个堆积层的纤维复合材料。平台包括多个间隔开的平台支撑件，平台支撑件与平台搁板一体构成，并有角度地(angularly)远离平台搁板和元件第一端或翼尖端、向元件第二端突出。支撑体混入基底第一和第二端表面。
本发明的另一种形式是用于制造这样的叶片元件的方法。所述方法包括提供翼-基底预制件的步骤，翼-基底预制件包括在局部固化条件下一体的、同延的翼和基底。还提供平台预制件，平台预制件包括多个堆积层的纤维材料，纤维材料包括具有由穿过其的开口壁限定的翼状开口和多个间隔开的平台第一和第二支撑件预制件。通过将翼-基底预制件插入平台预制件中的翼状开口，形成第三预制件，由此开口壁与翼-基底预制件并置(juxtaposition)在一起，平台支撑预制件与平台基底端表面并置在一起。在一定温度下加热第三预制件，形成叶片元件预制件，加热的温度和时间足够至少部分地、但不到完全固化第三预制件以及足够至少部分地在翼状开口壁和在平台基底端表面与平台支撑预制件粘合翼和基底预制件与平台预制件。然后用熔化的粘合剂灌输叶片元件预制件，并冷却。
附图说明
图1是依照本发明实施例涡轮发动机涡轮叶片形式的叶片元件的透视简图。
图2是图1中包括一体、同延的叶片翼和叶片基底的涡轮叶片部分的透视简图。
图3是图1中包括依照本发明的平台的涡轮叶片部分的局部透视简图。
图4是径向通过图3的涡轮叶片的基底和平台的局部放大剖面图。
图5是可在本发明的方法形式中使用的工具夹具的局部透视简图。
具体实施方式
本发明将结合燃气轮机领域中众所周知和广泛描述的一般类型的轴流式燃气轮机进行描述。这种发动机包括通常从前到后串联流动连通，即关于纵向发动机轴线轴向对称地设置的一个或多个压缩机、燃烧段和一个或多个涡轮段。这种发动机可包括通常在压缩机前方的风扇段。因此，在此所使用的利用术语“轴向”的短语，例如“轴向向前”和“轴向向后”都是关于发动机轴线的相对位置的方向；利用术语“周向”的短语指的是大体上绕发动机轴线的周向位置；利用术语“径向”的短语，例如“径向向内”和“径向向外”，在典型的轴流式涡轮发动机中，指的是大体上从发动机轴线的相对径向位置。
在图1的透视图中，一种形式的典型燃气轮机涡轮叶片总体显示为10。叶片10包括翼12，翼12包括径向向外的第一端或叶片尖端14、前缘部分16和后缘部分18。叶片10包括：总体显示为20的基底，其位于叶片10的径向向内的第二端22上，并连接于翼12；和总体显示为24的平台，其环绕翼12和基底20，并相对于两者有角度地突出。基底20包括一对间隔开的第一和第二端表面26和28，第一和第二端表面26、28分别具有基底端表面第一和第二形状，它们与其间的基底主体30一体构成。
在一种形式的轴流式燃气轮机中，叶片10以轴流式燃气轮机领域中众所周知并广泛描述的方式附着于典型圆周转盘的边沿上(两者都没有显示)，例如燕尾榫或基底20上。翼12设置在发动机的流体流动流中，用于赋予流体能量或者从流体汲取能量。平台24形成发动机大体上轴向流动路径的内壁，以帮助控制流体流的体积。
在发动机工作期间，平台径向外表面32和平台径向内表面34之间的流体压力存在很大差别。在燃气轮机涡轮段，邻近平台表面32的流动路径中的流体的温度和压力显著高于邻近平台表面34并绕转盘边沿的流体的温度和压力，例如冷却空气。重要的是，为了保持发动机设计效率、避免转盘的过热和损坏，必须防止流动路径中的流体从平台表面32到平台表面34的失控泄漏：从发动机流动路径朝携带叶片10的转盘。
某些新型的燃气轮机叶片设计成工作期间能承受更高的温度和应力条件。所以，诸如叶片10的涡轮叶片已经包括由纤维CMC材料制成的整体翼和基底元件，例如在SiC基质中的堆积层或层板(plies)的SiC纤维，有时叫做SiC-SiC CMC材料。这种翼-基底元件中的层板以复合材料领域中众所周知并广泛使用的方式布置在第一选择主要方向上，以增强翼响应发动机工作期间翼所承受的力的机械性能。
在本发明之前，这样的第一选择主要方向的方法已经防止了平台24和翼12与基底20的组合一体化形成包括翼12、平台24和基底20的一体化部分的单一、一体化的叶片10。因此，在制造这种叶片时，提供单独的金属平台用于SiC-SiC CMC材料的翼-基底元件。但是，应当认识到，由于与复合翼几何结构、尤其是如图1中的前缘16、后缘18附近的复合翼几何结构有关的容许偏差及其它变化，很难密封金属平台和翼-基底元件之间的交接面或间隙。除通过这种交接面的不期望的泄漏外，使用金属平台还导致叶片和携带平台的圆盘的重量和复杂性的显著增加。金属平台的密度大约为CMC材料的三倍，为了将金属平台保持在圆盘上，需要单独的结构，而圆盘需要更多的多元(complex)增强和更多的设计空间，以容纳和携带附加的重量和支撑结构。
通过提供一体的、同延的、混入的复合叶片元件，本发明的形式避免了平台与叶片其余部分之间的交接面的密封问题。因此，本发明消除了与上述包括带有金属平台的复合翼-基底元件的一般类型的混合复合叶片有关的问题。
本发明的复合叶片元件包括在图2的透视图中总体显示为36的翼-基底元件。元件36由堆积层或层板复合材料、例如SiC-SiC CMC材料构成，其包括在如上面详细描述的第一选择主要方向上的翼12和基底20。
在图3的透视片断图中总体显示为38的平台混入本发明复合叶片元件10的元件36中。图2的一部分元件36在图3中用虚影显示为36。图2的一部分元件36在图3中用虚影显示为36，以便更清楚地强调平台38的细节。平台38包括环绕由图2中的翼12和基底20组成的元件36并与元件36成一角度的平台搁板42，所示的翼20从平台38径向向外突出。平台38包括多个、例如一对间隔开的平台第一和第二支撑件44和46，支撑件与平台搁板42一体构成，并有角度地远离平台搁板42和叶片尖端或第一端14(图1)、向第二端22的基底突出。平台38还包括由开口壁45限定的贯穿的翼状开口43，开口壁45与穿过开口43设置的元件36的表面形成一交接面。在图3的实施例中，平台第一支撑件44大体上形成基底第一端表面26的形状，平台第二支撑件46大体上形成基底第二端表面28的形状。平台38由多个堆积层或层板的复合材料制成，在该实施例中，由SiC-SiC CMC材料制成。发动机工作期间，作用在平台搁板42上的力不同于作用在翼12上的力。所以，搁板42上的复合材料层设置在不同于元件36上的层的第一主要方向的第二选择主要方向上，以增强平台38响应发动机工作期间由平台承受的力的机械性能。
在包括图2的元件36和图3的平台38的涡轮叶片10中，平台第一和第二支撑件44和46分别混入基底第一和第二端表面26和28。在此使用的术语“混入”用来指用粘合剂粘合协作元件，例如，在该实施例中粘合剂为Si，粘合剂的材料应当与制造在并置的交接面处的元件的复合材料相适合，并设置在堆积复合材料内部。
图4是在圆周方向所示径向通过图3的涡轮叶片10的放大片断剖面图。所示的是设置在平台搁板42以及平台支撑件44、46中的多个层板40，这样的平台支撑件分别混入基底端表面26和28。
在一个例子中，当如图3和4所示组装的元件36和38处于在部分固化条件中的时候，通过将平台支撑件混入基底端表面，制成本发明的复合叶片10。有时这种条件在本领域中指“生坯状态”。
依照该例子中的本发明的方法形式，提供了平台预制件38，其包括多个SiC-SiC CMC纤维材料堆积层40。平台预制件包括平台搁板预制件38和一对间隔开的平台第一和第二支撑预制件44和46，所有这些预制件基本上与图3所示和所述的那些部件相关。利用在图5的片断透视图中总体显示为48的拼合工具夹具制备该例子中的这些预制件。夹具48包括部分地由一对间隔开的可移除的突起52限定的空腔50，突起52具有彼此面对的相对壁54。空腔50包括穿过其的翼状开口56。
通过在空腔50内设置部分固化的纤维材料堆积层，在该例子中为SiC-SiCCMC材料层，制备包括有关平台搁板42的平台搁板预制件的平台预制件38。这些层用来形成翼状平台搁板开口43，平台搁板开口43由开口壁45通过从图5的开口56并绕该开口56向外延伸这些层而限定。这些层布置在上述第二选择主要方向上，以提供带有所要求的机械性能的平台搁板42。而且，这些层被搁置成沿壁54向外延伸，以提供有关平台支撑件44和46的间隔开的平台支撑预制件。
提供成形为与图2所示的元件36有关的一体、同延的翼-基底预制件，与制造本发明的叶片10的平台预制件相协作。有关元件36的翼-基底预制件由布置在第一选择主要方向上的多个部分固化的堆积层的SiC-SiC CMC纤维材料制成，以提供具有所要求的机械性能的翼-基底元件36。在实施本方法时，翼-基底预制件36的翼12被径向向内插入穿过平台预制件38的翼状开口43悬挂，平台预制件的翼状平台搁板开口壁45在翼交接面与翼-基底预制件36相并置。平台支撑预制件44和46在相关的支撑交接面分别与翼-基底预制件36的基底端表面26、28相并置。这样的组件限定和提供了用于本方法的第三预制件。
由此组装的第三预制件在夹具48中在一定温度下加热一段时间，例如以相关技术领域中众所周知并广泛使用的范围的温度和时间进行加热，该范围足以至少额外部分地、但不到完全地将这些预制件固化和粘合或一体化成不到完全固化的状态下的叶片元件预制件。翼-基底预制件和平台预制件在与翼状开口壁和相关支撑交接面的交接面粘合在一起。从夹具上移除叶片元件预制件，并在足以基本上完全固化叶片元件预制件的温度和时间下，熔化混入或渗入与叶片元件预制件的CMC材料相适合的熔化的粘合剂，在该例子中熔化的粘合剂为熔化的Si。然后抛光该预制件，以形成最终的叶片10。
以上结合特定的实施例、材料和结构组合描述了本发明。但是应当明白，这些只是作为典型的例子，而不是对本发明范围的任何限制。包括与例如涡轮发动机、金属材料、非金属材料和复合材料及其组合相关的各种技术领域的普通技术人员应当明白，在不脱离附加的权利要求的范围的情况下，对本发明可以进行各种变更和修改。
零件列表
10叶片
12翼
14第一端或叶片尖端
16前缘部分
18后缘部分
20基底
22第二端
24平台
26第一端表面
28第二端表面
30基底主体
32平台径向外表面
34平台径向内表面
36翼-基底元件
38平台
40层
42平台搁板
43翼状开口
44第一支撑件
45开口壁
46第二支撑件
48夹具
50空腔
52突起
54壁
56翼状开口

Claims (12)

1.一种复合叶片元件(10)，其包括：翼(12)，翼(12)包括元件第一端(14)；基底(20)，基底(20)包括元件第二端(22)；和在元件第一端(14)与元件第二端(22)之间的平台(24)，翼(12)和基底(20)是一体的、同延的，并包括多个纤维复合材料堆积层(40)，基底(20)包括多个间隔开的基底端表面(26、28)，每个基底端表面与其间的基底主体(30)一体构成，翼(12)上的多个纤维复合材料堆积层(40)处于第一选择主要方向；平台(24)包括环绕翼(12)和基底(20)并与两者成一角度的平台搁板(42)，翼(12)从平台搁板(42)突出，其中所述平台(24)包括：
混入叶片元件(10)的多个纤维复合材料堆积层(40)；和，
多个间隔开的支撑件(44、46)，支撑件(44、46)与平台搁板(42)一体构成，并有角度地远离平台搁板(42)和元件第一端(14)、向元件第二端(22)突出，各平台支撑件(44、46)分别混入与其协作的基底端表面(26、28)。
2.如权利要求1所述的叶片元件(10)，其中，平台(24)上的多个纤维材料堆积层(40)处于不同于第一选择方向的第二选择主要方向上。
3.如权利要求1所述的叶片元件(10)，其中，各平台支撑件(44、46)基本上形成与其协作的基底端表面(26、28)。
4.如权利要求1所述的叶片元件(10)，其中，翼(12)和基底(20)中的每一个以及平台(24)都由低延展性复合材料制成。
5.如权利要求4所述的叶片元件(10)，其中，低延展性材料为陶瓷基质复合材料(CMC)。
6.如权利要求5所述的叶片元件(10)，其中，CMC是SiC-SiC复合材料。
7.如权利要求2所述的复合叶片元件(10)，其中：
叶片元件(10)是燃气轮机旋转叶片；
元件第一端(12)是叶片尖端；
元件第二端(20)是叶片基底，叶片基底包括一对间隔开的基底端表面(26、28)，基底端表面(26、28)与其间的基底主体(30)一体构成；
各平台支撑件(44、46)的形状基本上形成与其协作的基底端表面(26、28)的形状；和，
叶片元件(10)由低延展性复合材料制成。
8.用于制造如权利要求1所述的复合叶片元件(10)的方法，所述方法包括下列步骤：
提供包括一体的、同延的翼(12)和基底(20)的翼-基底预制件(36)，多个纤维复合材料堆积层(40)处于部分地固化条件中；
提供包括多个部分固化的纤维材料堆积层(40)的平台预制件(38)，平台预制件(38)包括具有由贯穿的开口壁(45)限定的翼状开口(43)的平台搁板预制件(42)和多个间隔开的平台支撑预制件(44、46)；
通过将翼-基底预制件(36)插入平台预制件(38)中的翼状开口(43)，形成第三预制件(36、38)，开口壁(45)在翼交接面与翼-基底预制件(36)相并置，平台支撑预制件(44、46)在各自的支撑交接面与翼-基底预制件(36)的基底端表面(26、28)相并置；
在一定温度下加热第三预制件(36、38)一定时间，加热的温度和时间足够至少部分地、但不到完全固化第三预制件(36、38)以及足够在成翼交接面和各自的支撑交接面(46、48)粘合翼-基底预制件(36)与平台预制件(38)，形成叶片元件预制件；以及然后，
在足以基本上完全固化叶片元件预制件的温度和时间下，使叶片元件预制件混入与平台预制件(38)的材料相适合的熔化的粘合剂。
9.如权利要求8所述的方法，其中：
翼-基底预制件(36)上的多个纤维复合材料堆积层(40)处于第一选择主要方向；和，
平台预制件(38)的平台搁板预制件(42)上的多个纤维复合材料堆积层(40)处于不同于第一选择主要方向的第二选择主要方向。
10.如权利要求9所述的方法，其中，翼-基底预制件(36)和平台预制件(38)的纤维复合材料均是低延展性材料。
11.如权利要求10所述的方法，其中，低延展性材料为陶瓷基质复合材料(CMC)。
12.如权利要求11所述的方法，其中：
CMC是SiC-SiC复合材料；和，
熔化的粘合剂是Si。
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