CN101285402B - 航空力学叶片 - Google Patents

Abstract

披露了一种叶片(50)。所述叶片(50)包括金属基底(54)，所述金属基底包括翼面(64)，所述翼面(64)的一部分包括位于所述翼面(64)的表面(98)内的凹部(82)，和被设置在所述凹部(82)内且被连结到所述凹部上的复合物嵌入件(58)。

Description

航空力学叶片

技术领域

本发明的披露内容主要涉及涡轮机，特别是涉及航空力学叶片构型。

背景技术

目前的航空力学叶片例如压缩机叶片和涡轮机叶片可能在前缘处会经受峰值应力，这会导致前缘以及使叶片被附接到转子盘上的根部附接部产生裂纹。通过一些设计特征例如底切特征而降低现有应用中的前缘应力的尝试已经提供了一些令人满意的结果，但仍留出了用于进行改进的空间。叶片或根部附接部的设计方面的变化可使载荷路径向后部移置而远离前缘从而由此降低前缘处的应力水平，但这种设计的变化对于现有应用中的使用而言可能是不可行的。因此，本领域需要一种克服了这些缺点的航空力学叶片布置。

发明内容

本发明的一个实施例包括叶片。所述叶片包括金属基底，所述金属基底包括翼面，所述翼面的一部分包括位于所述翼面的表面内的凹部，和被设置在所述凹部内且被连结到所述凹部上的复合物嵌入件。

本发明的另一实施例包括涡轮机。所述涡轮机包括用来引导气体流的外部框体、被设置在所述外部框体内的转子和与所述转子可操作地连通的多个叶片。所述多个叶片中的至少一个叶片包括金属基底，所述金属基底包括翼面，所述翼面的一部分包括位于所述翼面的表面内的凹部和被设置在所述凹部内且被连结到所述凹部上的复合物嵌入件。

通过下面与附图相结合地提供的对本发明的优选实施例进行的详细描述将更易于理解这些和其它优点和特征。

附图说明

参见典型附图，在所述附图中使用相似的附图标记表示相似的元件，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的涡轮机；

图2示出了根据本发明的一个实施例的叶片的透视图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的叶片的侧视图；

图4和图5示出了根据本发明的一个实施例的图3所示叶片的剖视图；

图6、图8和图10示出了根据本发明的多个实施例的叶片的侧视图；和

图7、图9和图11分别示出了根据本发明的多个实施例的图6、图8、图10所示叶片的剖视图。

具体实施方式

本发明的一个实施例提供了一种经过设计的材料体系的航空力学叶片(在本文中也被称作“叶片”)，例如涡轮机叶片或压缩机叶片，以便通过策略性地设置材料而使它们的性质提供特定优点从而利用不同材料的性质。该经过设计的材料体系利用了复合材料的高比强度和比刚度，所述复合材料的高比强度和高比刚度与耐磨损性和耐摩擦性、尺寸控制以及整体式金属支撑结构和根部附接部的总的坚固性相结合起来而使载荷路径向后移置而远离给定叶片设计的前缘。正如本文所使用地，术语“比强度”应该指的是材料的任何给定强度(例如抗拉强度、压缩强度或剪切强度)与材料密度之比。相似地，术语“比刚度”应该指的是材料的任何给定刚度与材料密度之比。该经过设计的材料体系还降低了叶片的平均密度从而使得降低了离心载荷。此外，该经过设计的材料体系的参数使得允许调节叶片的固有频率。

图1示出了利用了多个涡轮机叶片和压缩机叶片(图2示出了所述多个涡轮机叶片和压缩机叶片的一个实例)的涡轮机20，所述多个涡轮机叶片和压缩机叶片通过转子24与转子轴22可操作地连通以便通过转子24的旋转将热能转化为机械能。气体流入外部框体26内且被外部框体26引导从而作用在多个涡轮机叶片上。涡轮机叶片提供了与气体膨胀相关联的能量向转子24的旋转的转变。转子24以本领域技术人员将会意识到的方式被可旋转地设置在紧靠涡轮机20的中心的位置处。涡轮机20可以是燃气轮机，所述燃气轮机使由于燃烧气体的膨胀而产生的热能发生转化，从而用于提供用来推进交通工具例如飞机、船舶或火车的机械能、用于产生电力或者用于提供用于其它应用例如泵送的机械能。另一种可选方式是，涡沦机20可以是蒸汽涡轮机，所述蒸汽涡轮机将由于高温蒸汽的膨胀而产生的热能转化为用于任何多种使用场合例如上面所述的那些使用场合的机械能。

现在参见图2，图中示出了复合物嵌入叶片50的一个实施例的透视图。叶片50包括金属支撑结构54(在本文中也被称作“基底”)和一组复合物嵌入件58。正如本文所使用地，附图标记58应该指的是该成组的复合物嵌入件中的一个或多个嵌入件。金属基底54包括一体的根部附接部62，例如多齿附接部或“冷杉形附接部(firtree)”(如图2所示)和单齿附接部或“燕尾榫”(如图3和图5所示)。应该意识到：附接62具有与设置在转子盘65内的开口63的几何形状互补的几何形状，以便通过转子盘65将叶片50附接到转子24上。叶片50还包括具有前缘66和后缘70的翼面64。

压缩机叶片50的翼面64响应于多个叶片50的旋转(所述旋转是沿从前缘66朝向后缘70的方向进行的)而进行作用以便压缩气体流或蒸汽流并且将能量加入所述气体流或蒸汽流中。从转子盘65施加的力通过单齿附接部或燕尾榫62被传递给压缩机叶片。此外，沿如箭头Z所示的向外的径向方向产生了离心力(除了所产生的作为对于气体或蒸汽压缩的反作用的力以外)，且所述离心力通过燕尾榫62(如图3最佳示出地)被传递通过压缩机叶片50而到达转子盘65。压缩机叶片通常由具有等轴晶粒结构的材料制成。

涡轮机叶片50的翼面64响应于在前缘66上的沿由箭头X所示的朝向后缘70的方向的膨胀气体或蒸汽流而沿由箭头Y所示的方向将力施加在涡轮机叶片50上。涡轮机叶片50通过冷杉形附接部62将所施加的力传递至转子盘65，由此导致涡轮机叶片50(以及转子盘65)围绕中心74如转子轴22进行旋转。响应于涡轮机叶片50(和转子盘65)的旋转，使得沿向外的径向方向产生了离心力。离心力(除了由于膨胀气体或蒸汽流导致产生的力以外)通过冷杉形附接部62被传递通过涡轮机叶片50而传递至转子盘65。为了承受更高的运行温度(正如下面将要进一步讨论地)，涡轮机叶片通常由单晶材料制成，所述单晶材料具有比压缩机叶片材料更高的密度。此外，典型的涡轮机叶片大于相应的压缩机叶片。应该意识到：涡轮机叶片因此利用多齿冷杉形附接部62从而将由于涡轮机叶片所具有的更高的密度和尺寸而产生的更高的力传送至转子盘65。

翼面64的前缘66是相对直且厚的，从而形成了直接通往燕尾榫62的直接路径。后缘70比前缘66更薄且可相对于前缘66呈曲形。本领域技术人员应该意识到：前缘66提供了相对直接的载荷路径来将力从翼面64传递至附接部62，这通常会导致在前缘66处或接近所述前缘的位置处产生了叶片50的峰值应力。

现在参见图3、图4和图5，图中示出了叶片50的一个实施例的端视图和两个剖视图。成组的复合物嵌入件58被示出设置在叶片50的两侧76、78上。嵌入件58的复合材料提供了比制造基底54所利用的金属材料更高的比强度(强度与密度之比)和更高的比刚度(刚度与密度之比)，所述金属材料例如为用于压缩机的钛、超合金钢和马氏体不锈钢。

复合物嵌入件58被设置在翼面64的表面内的凹部82内。凹部82代表了翼面64的总面积的一部分或小于100％的所述总面积。凹部82是通过任何适当的工艺例如机加工或煅造而被成形在金属基底54内的。应该意识到：凹部82的深度小于翼面64的厚度，从而使得凹部82不穿透翼面64。在一个实施例中，凹部82具有沿径向方向的取向，如箭头Z所示，且复合材料包括与凹部82对齐的单向连续纤维。成组的复合物嵌入件58被粘结地连结在金属基底54的凹部82内。此外，金属基底54在机械上抑制了复合物嵌入件58沿向外的径向进行运动。为了形成凹部82而从金属基底54中去除材料的做法使得减轻了金属基底54的质量。此外，随后用具有更低密度的复合物嵌入件58来代替从基底54中去除的相比较而言更致密的金属材料的做法导致叶片50具有更低的总质量和平均密度。该更低的平均密度进一步降低了翼面附接部的叶片载荷，正如下面将要进一步描述地那样。

在压缩机叶片50的多个实施例中，所述压缩机叶片早期通常在低于约150摄氏度的温度下运行，嵌入件58由复合材料例如连续纤维增强的碳/环氧树脂制成。应该意识到：可采用其它可选的复合材料，所述复合材料包括具有比金属支撑结构54基底更高的刚度且影响了对于载荷、变形和旋转的响应的纤维材料，例如碳化硼或碳化硅。基体材料如酚醛塑料、聚酯和聚氨酯被预期落入本发明的实施例的范围内。

在涡轮机叶片50的多个实施例中，所述涡轮机叶片可达到超过1200摄氏度的运行温度，嵌入件58由高温复合物例如陶瓷复合物制成。在涡轮机叶片50的其它可选实施例中，预固化的高温复合物嵌入件58如陶瓷嵌入件58通过陶瓷粘结剂被连结在翼面64的凹部82内。已公知的陶瓷粘结剂例如目前用于将应变仪连结到涡轮机叶片50上的陶瓷粘结剂被预想适用于连结这种高温嵌入件58。

在一个实施例中，凹部95的几何形状提供了嵌入件96的横向固持。凹部95的宽度97随着与叶片50的表面98的距离的增加而增加，由此沿由方向线Y所示的横向方向限制嵌入件96。应该意识到：复合材料例如碳/环氧复合物是具有可锻性和可成形性的，这允许其被插入凹部95内。在固化之后，复合材料被硬化，使得限制或防止了嵌入件96从凹部95中被释放出来。

金属基底54包括与翼面64成一体的附接部62以便将力从翼面64直接传递至附接部62。选择适当的金属材料使得增强了金属基底54的耐摩擦性和耐磨损性。此外，金属基底54提供了对于关键的空气动力学区域如前缘66、后缘70、翼面尖端84和附接部62的尺寸控制。由包括一体附接部62的金属基底54提供的尺寸控制允许对叶片50进行改型翻新而适应现有应用。

由于复合物嵌入件58相对于基底54具有更高的刚度，因此伴随着将嵌入件58设置在叶片50内产生的是反作用力的局部相对增加。即，响应于由于涡轮机20的运行而导致在叶片50上施加的力，复合物嵌入件58的增加的刚度将提供比金属支撑结构54更大的反作用力。因此，涡轮机叶片50的反作用力(以及伴随而来的应力)比没有设置复合物嵌入件58的相同区域中的反作用力更大或在其中设置了复合嵌入件58的区域中被集中。因此，将复合物嵌入件58设置在接近叶片50的后缘70的位置处使得反作用力(以及伴随而来的应力)的传送朝向后缘70向后移置，由此使得相对减少了叶片50的前缘66的峰值应力大小。这种前缘66峰值应力大小的减小使得降低了前缘66和附接部62产生裂纹的潜在可能性。此外，将复合物嵌入件58放置在叶片50的横向外侧表面处(如图4和图5最佳示出地)从而使得叶片50的横向中心94包括金属基底54的做法使得增加了叶片50的用来耐受气体压力载荷且用来提高特定共振频率的抗弯硬度或弯曲强度。

涡轮机叶片50的旋转轴线74限定出例如由方向Z所示的径向方向。嵌入件58包括分别位于嵌入件58的径向外侧端部91和径向内侧端部92(在本文中也被称作第一端和第二端)处的沿径向方向的渐细部86、90，所述渐细部具有沿由方向线Y所示的横向方向减少的厚度。因此，径向渐细部86、90在端部91、92处限定出嵌入件58的减少的横向厚度，以便控制(减少)响应于涡轮机20的运行力而由嵌入件58产生且被传递至基底54的反作用力的大小。嵌入件58所产生的力在端部91、92处的减少由此使得在复合物嵌入件58与基底54之间提供了力的逐渐传递，从而降低了在端部91、92处出现连结失效的可能性。应该意识到：选择凹部82的几何形状(如图4所示)还可在复合物嵌入件58与基底54之间实现力的传递。例如，可通过选择包括半圆、半椭圆、抛物线、矩形和三角形几何形状中的任何几何形状的剖面来影响力的传递。

用具有降低的密度的复合物嵌入件58来代替基底54的相比较而言更致密的金属材料使得降低了具有给定尺寸、强度和刚度的叶片50的平均密度和总质量。叶片50总质量的减少使得相应地减小了响应于叶片50以给定速度进行的旋转而产生的离心力。响应于叶片50以给定速度进行的旋转而产生的离心力的这种减小由此使得降低了在介于叶片50的附接部62与转子盘65之间的界面中的被称作盘缘载荷的载荷。应该意识到：盘缘载荷的这种降低导致减少了盘孔的应力。这种应力的减小提供了附加的优点，例如减少了用于给定应用的转子盘65的尺寸、质量和成本、增加了转子盘65的破裂容限(burst margin)或限速、并且增加了总的转子24的寿命。另一种可选方式是，具有降低的平均密度以及增加的长度以便改进涡轮机20的性能的叶片50可与转子盘65一起使用，而无需附加地增强转子盘65，由此使得改进了给定转子22设计的性能。

复合物嵌入件58的参数，例如嵌入件宽度100、嵌入件长度104、嵌入件深度108、渐细部86、90的构型、复合物增强材料类型和复合物基体材料类型中的任何参数将会影响叶片50的固有频率。此外，可选择嵌入件58相对于径向方向Z的取向θ以便提高叶片50的扭转频率或扭转剪切模量，随着θ从0(即与径向方向Z对齐)增加至45度，强度和频率的扭转分量也随之增加。因此，适当地选择这些参数可对叶片50进行调整从而使得叶片50的固有频率避免成为叶片20的已公知运行频率。

利用复合物嵌入件58使得进一步增强了叶片50的损伤容限。例如，当可能在前缘66处发生的裂纹112到达嵌入件116时，裂纹112的扩展(如图3所示)可被停止。在裂纹出现在金属基底54或嵌入件58中的情况下，由介于金属基底54与复合物嵌入件58之间的界面限定出的边界用作了裂纹限制器。因此使得降低了由于叶片50的释放而导致产生叶片20的失效的风险。

现在参见图6和图7，图中示出了具有嵌入件118的叶片50的实施例，所述嵌入件具有增加的尺寸。在一个实施例中，嵌入件118的尺寸被增加以便允许利用具有沿一个以上的方向进行取向的纤维的复合物增强材料，例如正交增强的复合材料。利用具有沿一个以上的方向进行取向的纤维的复合材料被预想提高了剪切强度和刚度以及径向强度和刚度。

图8和图9示出了包括保护性覆盖件120的叶片50的实施例。保护性覆盖件120具有比嵌入件58特别是基体的材料例如环氧的耐磨损性和耐冲击性更强的耐磨损性和耐冲击性。保护性覆盖件被设置在翼面54上以便例如覆盖嵌入件58。因此，保护性覆盖件120增强了嵌入件58特别是基体的复合材料例如环氧的耐侵蚀性。此外，保护性覆盖件120增强了金属基底54和复合物嵌入件58中至少之一的耐腐蚀性和耐受异物损伤的性质并且提供了平滑均匀的空气动力学表面。

在一个实施例中，保护性覆盖件120是金属覆盖件，所述金属覆盖件被设置处于在围绕凹部82的翼面64的表面内被成形或机加工而成的凹部124内，从而使得将保护性涂层120设置在凹部124内提供了齐平的翼面64的表面。在一个实施例中，保护性涂层120是通过例如环氧被连结到叶片50的翼面64和复合物嵌入件58上的金属覆盖件。在另一实施例中，保护性覆盖件120是被激光焊接到翼面64上的金属覆盖件。金属覆盖件120附加地在嵌入件58上提供了沿横向方向的进一步限制，从而使得嵌入件58将被完全限制在凹部82与金属覆盖件120之间。在又一实施例中，保护性覆盖件120是被冷喷涂沉积到叶片50上的金属覆盖件。应该预想到：金属覆盖件120将由用于涡轮机20内的任何适当金属例如钛合金、超合金钢和马氏体不锈钢制成。在其它可选实施例中，保护性覆盖件120是被施加到叶片50上的镀层，例如电镀镍和化学镀镍磷镀层中的至少一种。

现在参见图10以及图11，图中示出了叶片50的另一实施例。凹部82延伸通过附接部62，由此限定出通过附接部62的孔128。嵌入件58被设置成使得它们从翼面64延伸进入并通过附接部62，所述嵌入件被连结到限定出孔128的附接部62的表面上。使嵌入件58延伸通过附接部62提高了附接部62的强度和刚度中的至少其一，同时进一步减轻了叶片50的质量。

尽管已经描述了将嵌入件58设置在叶片50的两个侧部76、78上的本发明的一个实施例，但应该意识到：本发明的范围不限于此，且本发明还应用于可具有设置在仅一侧上例如设置在侧部76和侧部78中的一个侧部上的嵌入件58的叶片。

正如所披露地那样，本发明的一些实施例可包括下面的优点中的一些优点：减小涡轮机叶片前缘的峰值应力的能力；降低具有给定尺寸和强度的涡轮机叶片的平均密度的能力；降低转子离心载荷的能力；减少用于给定应用的转子盘的尺寸的能力；调整具有给定包封尺寸的涡轮机叶片的固有频率的能力；利用具有给定转子设计的更大的涡轮机叶片来增强涡轮机性能的能力；增强涡轮机叶片的损伤容限的能力；以及用具有降低的平均密度、增强的损伤容限和减小的前缘峰值应力的涡轮机叶片代替目前应用中的涡轮机叶片的能力。

尽管已经结合典型实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员应该理解：可在不偏离本发明范围的情况下做出各种变化且可用等效方式来替代所述实施例的元件。此外，可做出多种变型以便在不偏离本发明的本质范围的情况下使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明旨在不限于所披露的作为预想的用于实施本发明的最佳模式或唯一模式的特定实施例，而是，本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。此外，在附图和描述中，已经披露了本发明的典型实施例，且尽管已经采用了特定的术语，但除非以其它方式说明，否则这些术语仅在一般性和说明性的意义上使用且不旨在出于限制的目的，本发明的范围因此不限于此。此外，所使用的术语第一、第二等不代表任何次序或重要性，而是，术语第一、第二等被用来使一个元件与另一元件区分开来。此外，术语a，an等的使用不表示数量上有所限制，而是表示存在至少一个所述项目。

Claims (8)

1.一种叶片（50），所述叶片包括：

金属基底（54），所述金属基底包括翼面（64），所述翼面（64）的一部分包括位于所述翼面（64）的相对的第一表面和第二表面（76, 78）内的凹部（82）；和

被设置在各个凹部（82）内且被连结到各个凹部上的复合物嵌入件（58）；

所述复合物嵌入件（58）包括与所述各个凹部（82）对齐的单向连续纤维，所述复合物嵌入件（58）通过所述翼面（64）沿径向从第一端（91）连续地延伸到第二端（92）,且其中

所述金属基底（54）进一步包括附接部（62），所述附接部具有与转子盘（65）内的开口（63）互补的几何形状以便将所述叶片（50）附接到所述转子盘（65）上；

所述凹部（82）延伸通过所述附接部（62），由此限定出通过其中的孔（128）；并且

所述复合物嵌入件（58）被设置在所述孔（128）内且被连结到限定出所述孔（128）的所述附接部（62）的表面上。

2.根据权利要求1所述的叶片（50），其中：

所述复合物嵌入件（58）包括连续纤维增强的碳/环氧树脂。

3.根据权利要求1所述的叶片（50），其中：

所述第一端（91）和所述第二端（92）中的至少一个端部包括渐细部（86，90），所述渐细部（86，90）具有沿横向方向减少的厚度，以便控制在所述金属基底（54）与所述复合物嵌入件（58）之间传递的力的大小。

4.根据权利要求1所述的叶片（50），其中：

所述叶片（50）是涡轮机叶片（50）；并且

所述附接部（62）是多齿附接部（62）。

5.根据权利要求1所述的叶片（50），其中：

所述叶片（50）是压缩机叶片（50）；并且

所述附接部（62）是单齿附接部（62）。

6.根据权利要求1所述的叶片（50），进一步包括：

覆盖件（120），所述覆盖件具有比所述复合物嵌入件（58）的材料的耐磨损性和耐冲击性更强的耐磨损性和耐冲击性，所述覆盖件（120）被设置在所述复合物嵌入件（58）上。

7.一种涡轮机（20），所述涡轮机包括：

用来引导气体流的外部框体（26）；

被设置在所述外部框体（26）内的转子（24）；和

与所述转子（24）可操作地连通的多个叶片（50），所述多个叶片（50）中的至少一个叶片包括：

       金属基底（54），所述金属基底包括翼面（64），所述翼面（64）的一部分包括位于所述翼面（64）的相对的第一表面和第二表面（76, 78）内的凹部（82）；和

    被设置在各个凹部（82）内且被连结到各个凹部上的复合物嵌入件（58）；

       所述复合物嵌入件（58）包括与所述各个凹部（82）对齐的单向连续纤维，所述复合物嵌入件（58）通过所述翼面（64）沿径向从第一端（91）连续地延伸到第二端（92）;且其中

       所述金属基底（54）进一步包括附接部（62），所述附接部具有与转子盘（65）内的开口（63）互补的几何形状以便将所述多个叶片（50）中的所述至少一个附接到所述转子盘（65）上；

       所述凹部（82）延伸通过所述附接部（62），由此限定出通过其中的孔（128）；并且

所述复合物嵌入件（58）被设置在所述孔（128）内且被连结到限定出所述孔（128）的所述附接部（62）的表面上。

8.根据权利要求7所述的涡轮机（20），其中：

所述复合物嵌入件（58）包括连续纤维增强的碳/环氧树脂。