CN101210577A - 导叶和制造导叶的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造排气口导叶(70)的方法，包括步骤：使用第一材料制造结构翼梁(72)，使用第二材料制造导流罩(74)，和将该导流罩(74)安装到该翼梁(72)上以便至少部分环绕该翼梁(72)和形成翼型(102)。一种排气口导叶(70)包括：具有前缘(114)和后缘(116)的翼型(102)，由第一材料制成并设置在该翼型(102)内的结构翼梁(72)，和由第二材料制成并至少部分环绕该翼梁(72)的导流罩(74)。一种燃气涡轮发动机装置(10)包括：核心燃气涡轮发动机(13)，包括耦合到该核心燃气涡轮发动机(13)的多个风扇叶片(24)的风扇装置(12)，和在下游耦合到该风扇叶片(24)的多个排气口导叶(70)，至少一个排气口导叶(70)包括具有前缘(114)和后缘(116)的翼型(102)，由第一材料制成并设置在该翼型(102)内的结构翼梁(72)，和由第二材料制成并至少部分环绕该翼梁(72)的导流罩(74)。

Description

导叶和制造导叶的方法
相关申请的交叉引用
[0001]本申请是于2006年12月29日提交的美国专利申请第11/648508号的部分继续申请。
技术领域
[0002]这里所述的技术一般涉及燃气涡轮发动机，更特别地，涉及一种燃气涡轮发动机导叶和制造该导叶的方法。
背景技术
[0003]已知的至少一种燃气涡轮发动机装置包括安装在核心燃气涡轮发动机上游的风扇装置。在工作期间，从该风扇装置排出的一部分气流被向下游引导到该核心燃气涡轮发动机中，其中对该气流进行压缩。然后该压缩的气流被引导到燃烧室与燃料混合，并被点火以产生热燃烧气体。然后该燃烧气体被引导到涡轮机中，其从该燃烧气体中提取能量来供给该压缩机以及产生有用的工作以推进飞行器飞行。从该风扇装置排出的另一部分气流通过风扇流喷嘴排出该发动机。
[0004]为了协助将气流从该风扇装置引导到核心燃气涡轮发动机中，至少一种已知的燃气涡轮发动机装置包括用于消除风扇喷嘴前的漩涡的排气口导叶。这种排气口导叶装置被配置成在引导该风扇气流通过支管之前，将风扇气流将从风扇装置排出的气流大致转向到轴向方向上。除了转向该风扇气流，该排气口导叶装置还为该风扇框架提供了结构刚性。更特别地，排气口导叶装置一般包括耦合到该风扇框架的多个排气口导叶。为了给风扇框架提供必要的结构刚性，已知的排气口导叶是使用金属材料铸造为基本实心的叶片。
[0005]然而，因为已知的排气口导叶是基本实心的，所以它们增加了燃气涡轮发动机的整体重量，并且还会导致燃料效率降低。
发明内容
[0006]在一个方面，一种用于制造排气口导叶的方法包括步骤：使用第一材料制造一结构翼梁，使用第二材料制造导流罩，以及将该导流罩安装到该翼梁上以便至少部分环绕该翼梁并形成翼型。
[0007]在另一方面，一种排气口导叶包括具有前缘和后缘的翼型，由第一材料制成并设置在该翼型内的结构翼梁，和由第二材料制成并至少部分环绕该翼梁的导流罩。
[0008]在另一方面，一种燃气涡轮发动机装置包括核心燃气涡轮发动机，包括耦合到该核心燃气涡轮发动机的多个风扇叶片的风扇装置，和在下游耦合到该风扇叶片的多个排气口导叶，至少一个排气口导叶包括具有前缘和后缘的翼型，由第一材料制成并设置在该翼型内的结构翼梁，和由第二材料制成并至少部分环绕该翼梁的导流罩。
附图说明
[0009]图1是一个示例性燃气涡轮发动机装置的截面图；
[0010]图2是可用于图1所示燃气涡轮发动机装置的排气口导叶的前视图；
[0011]图3是图2的排气口导叶沿着线3-3的截面图；和
[0012]图4是图2所示排气口导叶的一个替代实施例的与图3相似的截面图。
具体实施方式
[0013]图1是一个具有纵轴11的示例性燃气涡轮发动机装置10的截面示意图。燃气涡轮发动机装置10包括风扇装置12和核心燃气涡轮发动机13。核心燃气涡轮发动机13包括高压压缩机14、燃烧室16和高压涡轮18。在该示例性实施例中，燃气涡轮发动机装置10还包括低压涡轮20，多级增压压缩机22，和基本上外接增压机22的分离机44。
[0014]风扇装置12包括从旋翼盘26径向向外延伸的一组风扇叶片24。燃气涡轮发动机装置10具有进气侧28和排气侧30。风扇装置12、增压机22和涡轮20通过第一转轴31耦合到一起，压缩机14和涡轮18通过第二转轴32耦合到一起。
[0015]在工作中，空气流动经过风扇装置12，该气流的第一部分50被引导经过增压机22。从增压机22排出的压缩空气被引导经过压缩机14，其中该气流被进一步压缩并且传送到燃烧室16。燃烧室16中燃烧的热产物(图1中未示出)用于驱动涡轮18和20，涡轮20用于通过轴31驱动风扇装置12和增压机22。燃气涡轮发动机装置10可以在设计工作条件和非设计工作条件之间的一个工作条件范围内工作。
[0016]从风扇装置12排出的气流的第二部分52被引导经过支管40以便将来自风扇装置12的一部分气流分流到核心燃气涡轮发动机13周围。更特别地，支管40在风扇壳或罩42和分离机44之间延伸。因此，来自风扇装置12的气流的第一部分50如上所述被引导经过增压机22，然后进入压缩机14，来自风扇装置12的气流的第二部分52被引导经过支管40以便例如为飞行器提供推力。燃气涡轮发动机装置10还包括风扇框架装置60以便为风扇装置12提供结构支撑，并且还用于将风扇装置12耦合到核心燃气涡轮发动机13。
[0017]风扇框架装置60包括多个排气口导叶70，该多个排气口导叶70在径向安装的外部凸缘和径向安装的内部凸缘之间大致径向延伸，并且沿圆周分布在支管40内。风扇框架装置60还可以包括耦合在径向安装的外部凸缘和径向安装的内部凸缘之间的多个支柱。在一个实施例中，风扇框架装置60被制造成多个弓形部分，其中凸缘耦合到排气口导叶70和支柱。在一个实施例中，排气口导叶和支柱同轴耦合在支管40内。可选地，排气口导叶70可以耦合在支管40内的支柱的下游。
[0018]风扇框架装置60是燃气涡轮发动机装置10的各种框架和支撑组件中的一种，用于协助保持各个部件在燃气涡轮发动机装置10内的定位。更特别地，这种框架和支撑组件连接固定部件并且提供旋翼轴承座。风扇框架装置60耦合在支管40内风扇装置12的下游，从而使得排气口导叶70和支柱沿圆周分布在风扇装置12的排气口周围并且延伸穿过从风扇装置12排出的气流通道。
[0019]图2是可用于图1所示风扇框架60的排气口导叶的前视图。图3是图2所示排气口导叶70的截面图。图4是另一个示例性排气口导叶70的截面图。在该示例性实施例中，排气口导叶70包括耦合在外部径向凸缘和内部径向凸缘之间的翼型102。翼型102、外部径向凸缘104和内部径向凸缘106可以被浇铸或铸造成一个整体的排气口导叶70。可选地，外部径向凸缘104和内部径向凸缘106可以使用例如焊接或钎焊技术耦合到翼型102。
[0020]如图3和4所示，翼型102包括第一侧壁110和第二侧壁112。在一个实施例中，可以限定第一侧壁110和/或第二侧壁112的轮廓以改进空气动力性能。在该示例性实施例中，第一侧壁110是凸面的并形成翼型102的吸气侧，第二侧壁112是凹面的并形成翼型102的压力侧。侧壁110和112在翼型102的前缘114和轴向分隔的后缘116处接合。更特别地，翼型后缘116在翼型前缘114下游与其弦向分隔。第一侧壁110和第二侧壁112分别在从内部径向凸缘106到外部径向凸缘104的跨距内纵向或径向向外延伸。在该示例性实施例中，排气口导叶70的至少一部分使用金属材料制造，例如但不限于：钛，铝，和/或金属模板复合物(MMC，Metal Matrix Composite)材料。
[0021]如图3和4所示，翼型102是二体结构，其包括结构翼梁72，该结构翼梁72使用金属材料例如钛、铝和/或金属模板复合物(MMC)材料制造。翼型102还包括导流罩74，其可以是轴向伸展和/或沿圆周倾斜的，使用紧固件例如螺钉76或者通过其他适当的本领域已知紧固技术例如胶粘、铆钉等粘附到结构翼梁72上。更特别地，翼型102具有从前缘114至少部分朝向后缘116逐渐向外变细并且还从后缘116至少部分朝向前缘114逐渐向外变细的外形。在导流罩74和翼梁72之间形成空腔78。图3和4的实施例的区别在于，图3中的导流罩74部分围绕翼梁72从而使得翼梁72成为翼型102的空气动力表面的一部分，而在图4中，导流罩74完全围绕翼梁72以形成完整的空气动力表面。翼梁72被近似设置在排气口导叶70的前缘部分和后缘部分之间的中心处。
[0022]空腔78还减少了排气口导叶70的整体重量。在该示例性实施例中，空腔78可以容纳有各自的填充物，其中该填充物是相对较轻质的材料。这里所用的轻质材料被定义为与用于制造翼梁72和导流罩74的材料不同的材料，该翼梁72和导流罩74是使用每体积重量大于该填充物材料的每体积重量的材料制造的。在该示例性实施例中，例如可以用泡沫聚苯乙烯(Styrofoam)来制造填充物。这样，每个空腔具有一定的深度，对应的各个填充物具有基本上等于空腔深度的厚度，从而使得当把对应的各个填充物定位在空腔78内时，翼型102具有从翼型前缘114到翼型后缘116基本平滑的流线型外形。在一个实施例中，填充物被制造成分离的部件并安装在空腔78内。可选地，填充物被喷射或注射入空腔78中，并且如果需要的话，可以用机器加工以形成相对平滑或流线型的外表面，如上所述，在该外表面上粘附覆盖材料。与填充物材料一起或者代替填充物材料，还可以在空腔78中放置声学处理或其他材料。如果希望减小翼型102的重量，还可以将空腔78保持为空。
[0023]为了制造排气口导叶70，可以铸造或锻造该结构翼梁72。然后如上所述，将填充物注射或耦合在空腔78内。然后将覆盖材料环绕在翼型102的外周边以形成导流罩74，然后用紧固件将其固定到翼梁72上或通过其他方式将其定位。替代地，可以将导流罩74固定到翼梁72上，然后如果需要的话，再将任何填充物材料注射或放置在空腔78内。覆盖材料可以以四十五度角通过连续的行或层完全环绕翼型102。此外，该导流罩有助于增加排气口导叶70的整体结构完整性，并且形成了相对平滑的外表面以改进空气动力性能。
[0024]在该示例性实施例中，导流罩74是一种复合材料。在该示例性实施例中，导流罩74可以是一种玻璃纤维材料、石墨材料、碳材料、陶瓷材料、芬芳聚酰胺材料例如KEVLAR、薄金属材料和/或它们的混合物。可以使用任何适当的热固聚合树脂来制成用于导流罩74的覆盖材料，例如乙烯基酯树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨基甲酸乙酯树脂、bismalimide resin和它们的混合物。一般地，该覆盖材料被选择为使得排气口导叶的外表面能够耐受由吸收到燃气涡轮发动机装置10中的外部物质引起的磨损和/或破坏。替代的导流罩配置可以使用薄金属缠绕在集成的导流罩上以防护这种磨损或破坏。导流罩74可以通过螺钉或者其他方式沿其长度紧固到翼梁72上，然后在其前缘开槽放入或粘合到吸音板中。
[0025]如图1和2所示，不论翼梁72是基本为径向还是包含任何扫掠或圆周倾斜，导流罩74都会提供后掠和/或倾斜的流线型表面。这样可以为燃气涡轮发动机性能提供空气动力、声学或其他方面的益处。与径向方向呈例如+/-0-40度的扫掠角和/或70+/-0-30度的圆周倾斜排气口导叶可以提供声学上的优点，例如减少来自风扇装置12的噪音。
[0026]这里描述了一种燃气涡轮发动机，其中用一种排气口导叶代替了至少一些已知的排气口导叶，该排气口导叶具有填充了相对较轻材料并且缠绕有复合材料以形成较轻的排气口导叶的基本中空内部部分。这样，这里所述的示例性排气口导叶就能够减少该燃气涡轮发动机装置的总重量，同时仍然保持结构完整性，从而实现了用于新应用的非常有挑战性的发动机重量目标。制造该排气口导叶的方法包括制造含有由第一材料制成的结构翼梁、由第二材料制成并且至少部分环绕该翼梁的导流罩的翼型，以及在前缘和后缘部分之间安装填充部分，该填充部分由比该第一和第二材料更轻的第三材料制造。
[0027]更特别地，这里所述的排气口导叶包括翼梁和导流罩，用于形成该排气口导叶的翼型部分。该翼梁和导流罩之间的区域可以用轻体材料例如Styrofoam填充以增加翼型的刚性。在一个实施例中，该翼型包括至少部分中空的翼梁，其提供了径向和轴向的反转刚性(overturning stiffness)，同时抵抗任何航空力学振动。
[0028]在一个实施例中，该翼梁基本上是实心的。可选地，可以去除每个翼梁的内部部分以形成至少部分中空的翼梁，进一步减少排气口导叶的总重量(如图2-4所示)。然后利用一种薄金属材料或复合材料覆盖该排气口导叶以保护该排气口导叶不受固体颗粒的破坏。在一个实施例中，使用金属材料制造翼梁。可选地，可以利用一种包含多个相对于燃气涡轮发动机轴11径向定向的纤维织物的复合材料来制造翼梁。
[0029]因此，这里所述的排气口导叶实质上减少了燃气涡轮发动机装置的总重量。例如，这里所述的排气口导叶比已知的排气口导叶轻30％-50％。此外，由于这里所述的排气口导叶包括结构部件以及翼型以使得气流转向，从而相对于常规设计可以减少大约50％的排气口导叶数量。该减少的排气口导叶数量与轴向扫掠和圆周倾斜相结合，通过减少风扇叶片的尾流干扰而获得了声学噪音方面的益处。为了利用减少的排气口导叶数量来保持空气动力负载，需要增加翼弦长度和最大厚度。这种翼弦长度和排气口导叶最大厚度的增加需要更多的内部空间，其可以用轻体材料填充。类似地，可以调节翼梁前缘和后缘厚度以获得框架刚性需求和保持最小的翼梁轴向宽度。
[0030]替代地，可以使用这里所述的排气口导叶重新设计该发动机风扇装置12。所得到的发动机相对于前述的设计将具有更小的风扇和排气口导叶直径以及进一步减少的重量，但是没有声学噪音的益处。
[0031]虽然是通过各个特定实施例来描述了本发明，但是本领域普通技术人员将会认识到，可以利用在权利要求的精神和范围内的修改来实现本发明。
部件列表
10：燃气涡轮发动机装置
11：纵轴
12：风扇装置
13：核心燃气涡轮发动机
14：高压压缩机
16：燃烧室
18：高压涡轮
20：低压涡轮
22：增压压缩机
24：风扇叶片
26：旋翼盘
28：进气侧
30：排气侧
31：第一旋翼轴
32：第二旋翼轴
40：支管
42：遮板
44：分离机
50：第一部分
52：第二部分
60：风扇框架装置
70：排气口导叶
72：结构翼梁
74：导流罩
76：螺钉
78：空腔
102：翼型
104：外部凸缘
106：内部凸缘
110：第一侧壁
112：第二侧壁
114：前缘
116：后缘

Claims (10)

1.一种用于制造燃气涡轮发动机排气口导叶(70)的方法，包括：
使用第一材料制造结构翼梁(72)；
使用第二材料制造导流罩(74)；和
将所述导流罩(74)安装到所述翼梁(72)上以便至少部分环绕所述翼梁(72)和形成翼型(102)。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
在结构翼梁(72)和导流罩(74)之间安装填充材料，该填充材料是由比该第一和第二材料更轻的第三材料制造的。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
用紧固件将所述导流罩(74)安装到所述翼梁(72)上。
4.如权利要求1所述的方法，还包括穿过所述翼梁(72)形成多个开口以减少导流罩(102)的重量。
5.一种用于燃气涡轮发动机(10)的排气口导叶(70)，所述排气口导叶(70)包括：
具有前缘(114)和后缘(116)的翼型(102)；
由第一材料制成并设置在所述翼型(102)内的结构翼梁(72)；和
由第二材料制成并至少部分环绕所述翼梁(72)的导流罩(74)。
6.如权利要求5所述的排气口导叶(70)，还包括设置在所述结构翼梁(72)和所述导流罩(74)之间的由第三材料构成的填充材料。
7.一种燃气涡轮发动机装置(10)，包括：
核心燃气涡轮发动机(13)；
设置在所述核心燃气涡轮发动机上游的风扇装置(12)，所述风扇装置(12)包括多个风扇叶片(24)；和
设置在所述风扇叶片(24)下游的多个排气口导叶(70)，至少一个所述排气口导叶(70)包括：
具有前缘(114)和后缘(116)的翼型(102)；
由第一材料制成并设置在所述翼型(102)内的结构翼梁(72)；和
由第二材料制成并至少部分环绕所述翼梁(72)的导流罩(74)。
8.如权利要求7所述的燃气涡轮发动机装置(10)，所述排气口导叶(70)还包括设置在所述翼梁(72)和所述导流罩(74)之间的由第三材料构成的填充材料。
9.如权利要求7所述的燃气涡轮发动机装置(10)，其中所述多个排气口导叶(70)包括一个扫掠角。
10.如权利要求7所述的燃气涡轮发动机装置(10)，其中所述多个排气口导叶(70)包括相对于该径向方向的圆周倾斜角。
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