CN101988394A - 热塑性塑料末级叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热塑性塑料末级叶片。本发明说明了一种涡轮叶片(100)。该涡轮叶片(100)具有设有减振层(103)的减振区域(101)，其中所述减振层(103)具有纤维-基体系统(200)。所述纤维-基体系统(200)具有热塑性的基体(201)，在所述热塑性的基体(201)中埋入了增强纤维(202)。

Description

热塑性塑料末级叶片

技术领域

本发明涉及一种涡轮叶片。此外，本发明涉及一种涡轮机，尤其是蒸汽涡轮机。本发明还涉及一种用于制造涡轮叶片的方法。

背景技术

目前在涡轮机中尤其在蒸汽涡轮机中主要使用由钢制成的转子叶片。尤其对于具有大直径的大型的固定的蒸汽涡轮机来说，对于由钢制成的转子叶片来说能够达到的转速由于高的自重而受到限制。在此可以设想使用由纤维复合材料制成的转子叶片，用于显著地降低叶片的质量，这又能够提高转速。

对于具有大的直径以及由此具有大的叶片长度的固定的蒸汽涡轮机来说，还出现了不期望的必须得到缓冲的振动。因此，目前通过设置在叶片表面上的额外的减振线(

)或围带来产生减振效果。由于叶片几何形状，必须经常极其麻烦地将这些减振线或者围带设置在叶片上，这又引起效率的变差并且要求复杂的工作量。

发明内容

本发明的任务是，提供一种具有减振性能的涡轮叶片。

该任务通过具有按独立权利要求所述特征的涡轮机尤其是蒸汽涡轮机的涡轮叶片以及用于制造涡轮叶片的方法得到解决。

按照示范性的第一实施方式提供一种涡轮叶片，其中所述涡轮叶片的部分区域或者整个涡轮叶片是或者具有由减振层构成的减振区域。所述减振层具有纤维-基体系统。所述纤维-基体系统具有热塑性的基体，在该基体中埋入了增强纤维。

按照另一种示范性的实施方式提供了一种涡轮机，该涡轮机具有上面所说明的涡轮叶片。

按照另一种示范性的实施方式提供了一种用于制造涡轮叶片的方法。按照该方法，首先将增强纤维埋入到热塑性的基体中，用于形成减振层的纤维-基体系统。用所述减振层形成涡轮叶片的减振区域。所述减振区域可以构成涡轮叶片的部分区域或者整个涡轮叶片。

用“减振区域”这个概念来说明涡轮叶片的集成了涡轮叶片的减振性能的区域。所述减振区域尤其安装到涡轮叶片的这样的区域中，在这样的区域中多数比在涡轮叶片的其余区域中出现更高的剪切载荷或力矩载荷，从而在这些减振区域中期望得到减振。此外，在所述减振区域中可以比在涡轮叶片的其余区域中对更大的振动进行缓冲。所述减振区域可以沿涡轮叶片的延伸区域或者说沿着其长度定义特定的区段。此外，所述减振区域可以在涡轮叶片的横截面中定义特定的区域。因此比如涡轮叶片的外面的区域可以具有减振区域，相反里面的区域可以定义任意的叶片区域。在所述减振区域中比如高的离心力、高的弯曲载荷、高的剪切应力、高的扭转载荷或者不期望的振动可能起作用，所述不期望的振动要求进行减振并且在减振区域中得到缓冲。对于涡轮叶片尤其热塑性塑料末级叶片来说，整个涡轮叶片形成了所述减振区域。也就是说，整个涡轮叶片可以由多个减振层制成并且由此可以由减振层本身构成。

“层”、尤其是减振层和/或纤维层是指减振层或者说减振材料的层以及纤维层或者说增强纤维层的层。一个层比如可以具有0.1-1毫米的厚度，尤其比如具有0.2毫米、0.25毫米和/或0.3毫米的厚度。

“纤维-基体系统”这个概念是指由基体和增强纤维构成的纤维复合物。所述纤维-基体系统比如可以完全是或者部分是减振层。

“增强纤维”这个概念是指可以传导和传递作用于纤维-基体系统的力的纤维。与基体相比，所述纤维尤其能够针对拉力具有高的刚度。多数沿着纤维来设计力流，用于充分利用增强纤维的最佳的刚度特性。

“基体”这个概念是指原材料，该原材料将增强纤维埋入。“埋入”这个概念是指，所述增强纤维在空间上固定地处于所述基体中并且由此能够导入载荷以及导出载荷。此外，所述基体可以在出现与纤维平行的压力时比如防止增强纤维被压扁。所述增强纤维和基体比如彼此粘合或者说熔接在一起，从而可以在基体与增强纤维之间传递载荷，由此也可以传递剪切力。

“热塑性的”基体这个概念是指基体的材料。热塑性的材料或者说热塑性的基体尤其具有减振的特性。所述基体的热塑性的材料相对于经受拉力载荷的增强纤维具有更小的刚度和更高的减振值。由此所述热塑性的基体起减振作用，而增强纤维则起加固作用。所述热塑性的基体也可以在后来进行变形或者焊接。热塑性的基体比如可以由聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)或者由聚乙烯(PE)制成。

所述增强纤维比如可以由合成纤维比如碳纤维、芳族聚酰胺纤维、聚脂纤维、聚酰胺纤维或者聚乙烯纤维制成。除了这些有机的增强纤维之外，同样可以使用无机的纤维如玻璃纤维、天然纤维或者金属纤维。

用本发明可以有针对性地对尤其由纤维复合材料制成的涡轮叶片进行减振，而没有如此降低涡轮叶片的稳定性或者说刚度使得产生不稳定性。通过热塑性的基体材料的使用，可以通过材料本身来实现能够有针对性地调节的用于减振的有利的潜力。换句话说，改进材料方面的减振性能，方法是在关键的减振区域中或者在整个涡轮叶片中使用由热塑性塑料和增强纤维构成的材料组合。此外，经受不同载荷的减振区域可以提供不同的热塑性的纤维-基体系统的不同的组合，用于使涡轮叶片有针对性地与预先定义的负荷相匹配。

此外，所述涡轮叶片由于热塑性的纤维-基体系统的使用而可以实现涡轮叶片的轮廓的后来的变形，方法是重新对热塑性的纤维-基体系统进行加热并且由此使其熔接或者说熔化。由此可以对特定的涡轮叶片轮廓或者对不同的负载应力进行有针对性的再变形或者说再调整或者微调。由此也可以实现叶片环上的各个叶片的有针对性的失调或者说变形。

按照另一种示范性的实施方式，所述减振区域具有纤维层，其中所述纤维层和减振层形成复合层(Schichtverbund)。

“复合层”这个概念比如是指层压材料，该层压材料说明不同的层的层叠尤其减振层和纤维层的层叠。复合层说明了减振区域的分层的制造或者说分层的结构或者也说明了涡轮叶片的其它区域比如其它的叶片区域。复合层或者说复合层材料由不同数目的上下放置的层构成。各个层比如可以粘接在一起或者由于材料的开孔性而相互钩卡在一起。比如所述复合层可以浸渍在树脂中，用于将层彼此连接起来。所述复合层构成了构件的整体的结构，从而通过该复合层可以传递作用于所述构件的力。此外，所述复合层具有构件的均匀伸展的表面。换句话说，在外部粘贴到构件表面上的辅助件不属于所述构件或者说涡轮叶片的复合层。

“纤维层”这个概念在此说明由纤维构成的层，该层可以没有热塑性的材料。所述纤维层比如可以具有高的刚度或者具有比减振层高的刚度并且如上所述可以由不同的增强纤维材料制成。

按照另一种示范性的实施方式，所述涡轮叶片具有叶片区域，其中该叶片区域由多个其它的纤维层构成。所述多个其它的纤维层形成了另一种复合层。所述叶片区域可以与涡轮叶片的减振区域邻接。叶片区域可以由多个其它的纤维层构成，所述纤维层与减振区域相比具有更高的刚度和负载能力。振动比如可以从叶片区域传递到减振区域上，其中减振区域可以借助于热塑性的纤维-基体系统来减缓或者说吸收振动。用这里的实施例可以提供一种涡轮叶片，该涡轮叶片比如沿其延伸方向具有多个叶片区域，所述叶片区域又与多个减振区域邻接。在预先定义的具有高的载荷或者说具有高的减振要求的区域上可以布置所述减振区域。在振动并不危险或者说要求高刚度的区域上可以布置所述叶片区域。由此可以使涡轮叶片个别地与其承受的负荷相称并且由此关于成本和效率与详细的要求分布(Anforderungsprofil)相匹配。

按照另一种示范性的实施方式，所述增强纤维彼此间以处于1°(度)和90°(度)之间的角度埋入到基体中。恰好对于复杂的载荷或者说载荷方向来说，可以以彼此间不同的角度来布置各个增强纤维。在这种情况下，所述减振层或者纤维层比如制造为具有定向的增强纤维的织物、针织物或者编织物。按增强纤维的定向，所述涡轮叶片可以与预先定义的载荷方向相匹配，使得涡轮叶片能够有针对性地与预先定义的潜在要求相匹配。

按照另一种示范性的实施方式，所述增强纤维彼此平行地埋入到热塑性的基体中。在涡轮叶片比如仅仅受到拉力载荷的区域中，平行布置的增强纤维足够了。不需要增强纤维的复杂的编织和定向，从而可以在这些具有平行的增强纤维的区域中提供具有很低的制造成本的制造方法。

按照另一种示范性的实施方式，至少一个所述增强纤维具有混合纱线。所述混合纱线具有热塑性的材料和碳纤维材料。这样的混合纱线比如可以由多根彼此捻合或者搅合的纱线组成，所述纱线一起形成混合纱线。这些纱线的一部分可以由热塑性的材料制成并且另一部分由增强纤维材料比如碳纤维制成。此外，也存在着这样的可能性，即如此形成所述混合纱线，使得所述热塑性的材料构造为纱线并且纤维纱线熔化到热塑性的纱线中。由此可以以简单的方式方法借助于将热塑性的纱线用作增强纤维这种做法来有针对性地给涡轮叶片减振。

按照另一种示范性的实施方式，所述减振层具有比纤维层更小的弹性刚度和/或更高的减振值。

“减振值”这个概念说明了材料的减振性能。所述减振值“tanδ”比如可以处于0与1之间。

“刚度”这个概念比如可以说明E模量或者G模量。因此，纤维比如可以沿纵向方向具有130Gpa的刚度并且沿横向方向仅仅具有8Gpa的刚度。对于纤维的织物来说，比如可以沿每个主纤维方向达到65Gpa的刚度。每个主纤维方向彼此间以角度α定向。热塑性的基体比如可以具有0.5到10Gpa的刚度，但为此具有比增强纤维更好的减振性能。

按照另一种示范性的实施方式中，所述减振区域具有比叶片区域更小的弹性刚度和/或更高的减振值。

按照另一种示范性的实施方式，所述涡轮叶片具有包络层。所述包络层如此围绕着涡轮叶片的表面或者说表面区域来包裹，从而防止涡轮叶片受到外部影响。所述包络层具有非增强的热塑性的材料，这与基体材料是相同的。由于非增强的热塑性的材料的更高的减振作用，热塑性的材料的软性或者说弹性可以大于纤维层的弹性。在外部的颗粒冲击到涡轮叶片的表面上时，由热塑性的材料构成的表面比如比由具有更高的刚度的增强纤维构成的纤维层的侵蚀程度更小。由此可以提高涡轮叶片的使用寿命，因为减少了通过外部的颗粒的冲击引起的损坏。此外，热塑性的材料一般比增强纤维更加耐湿度，从而减少侵蚀。

按照另一种示范性的实施方式，所述减振区域具有另外的带有热塑性基体的纤维-基体系统。所述另外的纤维-基体系统如此布置在减振区域和/或叶片区域中，使得其经受涡轮叶片的外部影响。所述另外的具有热塑性基体的纤维-基体系统具有增强纤维，所述增强纤维作为纤维垫沿任意的主纤维方向存在。通过所述增强纤维的主纤维方向的任意的定向，降低了所述另外的纤维-基体系统的刚度特性并且相对于外部颗粒的冲击提高了吸收特性和稳定性。此外，所述另外的纤维-基体系统也可以在涡轮叶片的其它区域的范围内比如也在叶片区域的范围内延伸。与非增强的热塑性的基体相比，所述另外的具有纤维增强的基体的纤维-基体系统除了相对于冲击的颗粒具有高的吸收能力之外也可以具有较高的刚度，使得所述另外的热塑性的纤维-基体系统同样可以有助于涡轮叶片的总刚度。由此可以在相对于涡轮叶片表面的液体提高抗侵蚀性以及耐蚀性的同时提供了用于涡轮叶片的刚性的材料。恰好对于蒸汽涡轮机来说，通过小水滴引起的侵蚀很危险。由非增强的热塑性塑料制成的叶身的表面或者说外面的层或者说由热塑性的基体材料构成的终结的层或者说所述另外的热塑性的纤维-基体系统的终结的层可以提供集成的侵蚀层，而不必设置额外的密封层。

按照另一种示范性的实施方式，涡轮机尤其蒸汽涡轮机设有上面所说明的涡轮叶片。尤其蒸汽涡轮机尤其在第一压缩机级和最后的涡轮级具有大的直径。恰好对于具有大直径的蒸汽涡轮机工作轮来说，高的离心力、弯曲力矩和扭力在起作用。所述按本发明的涡轮叶片恰好适合在那里使用，用于在减振性能相对于传统的涡轮叶片得到改进的情况下获得足够的刚度。由此甚至对于具有大直径的蒸汽涡轮机来说使用由复合材料制成的涡轮叶片。

按照所述方法的另一种示范性的实施方式，在埋入时热塑性的基体熔化并且将增强纤维压紧到基体上。由此可以用压制方法以低廉的成本进行制造，方法是使在基体中存在的热塑性的材料熔化。比如可以省去如在传统的纤维复合层中的长的渗透及硬化时间。

按照所述方法的另一种示范性的实施方式，所述减振区域为了与涡轮叶片的预先定义的形状相称而借助于热塑性的基体的进一步熔化来变形。通过所述纤维-基体系统或者说热塑性的基体的这种可熔化性，可以紧接在制造过程比如压制过程之后进行涡轮叶片的最终成形比如涡轮叶片的扭转。这尤其在提出专门的涡轮要求尤其对扭转角度提出特殊要求等等的时候会是有用的。此外，在振动频率方面出现特殊问题时再变形或者说再调整是有帮助的。所述减振区域比如可以借助于再熔化来再变形或者说微调到变化的或者说未预测的振动频率。

除此以外，所述纤维-基体系统的可再熔化性的特性也允许以后进行叶片维修。比如可以施加额外的热塑性的材料，用于消除纤维-基体系统上的损坏。由此提供维修的可能性。换句话说，可以局部地施加额外的热塑性塑料，用于对涡轮叶片上的损坏进行维修。

在此要指出，参照不同的发明主题对本发明的实施方式进行说明。尤其用装置权利要求对本发明的几种实施方式并且用方法权利要求对本发明的其它实施方式进行说明。但是本领域的技术人员在读到本申请时会立即明白，只要未作其它明确说明，作为属于一个类型的发明主题的特征的组合的补充方案，属于不同类型的发明主题的特征也可以进行任意的组合。

附图说明

本发明的其它优点和特征从目前优选的实施方式的以下示范性的说明中获得。

图1是按本发明的一种实施例的具有减振区域的涡轮叶片；

图2是在按本发明的一种示范性的实施方式的减振层中的纤维-基体系统的俯视图；以及

图3是在按本发明的一种示范性的实施方式的减振层中的纤维-基体系统的示意性的视图。

具体实施方式

相同的或者类似的组件在附图中用相同的附图标记表示。附图中的示意图是示意性的并且不是按比例的。

图1示出了按本发明的一种实施例的涡轮叶片100的一种示范性的实施方式。所述涡轮叶片100具有设有减振层103的减振区域101。所述减振层103具有纤维-基体系统200(参见图2)。该纤维-基体系统200具有热塑性的基体201(参见图2)，在所述热塑性的基体201中埋入了增强纤维202(参见图2)。

所述涡轮叶片100如图1所示具有两个将减振区域101包围的叶片区域102。所述叶片区域102比如由另一种复合层107构成，该复合层107则可以由多个其它的纤维层105组成。如果所述其它的纤维层105比如由碳纤维或者其它加固的复合纤维构成的增强纤维202制成，那么所述另一种复合层107就构成特别刚性的叶片区域102。

减振区域101中的纤维层104可以流畅地过渡到叶片区域102中。在纤维层104流畅地或者说恒定地从减振区域101过渡到叶片区域102中时，所述纤维层104与另外的纤维层105一起构成连续伸展的层。除此以外，所述减振区域101可以制造为半成品，其中所述纤维层104没有越过所述减振区域101或者说没有伸入到叶片区域102中。所述纤维层104比如在减振区域101的边缘区域上切去。

在减振区域101中可以产生减振效果，方法是复合层106形成所述减振区域101，其中所述复合层106由至少一个减振层103和另外的纤维层104组成。由于借助于减振层103形成的分层的结构，所述减振区域101的刚度可以小于叶片区域102的刚度，因而在这里通过所述复合层106也就是说通过材料本身产生减振效果。

此外，围绕着涡轮叶片100可以成形包络层108，其中该包络层108至少保护减振区域101不过也可以额外地保护叶片区域102防止其受到外部影响。该包络层108在此比如可以由非增强的热塑性的材料构成。非增强的热塑性的材料可以构成软的包络层108，使得外部颗粒朝涡轮叶片的冲击得到缓冲并且可以通过所述软的包络层108而回弹。通过所述热塑性的包络层108的微小的刚度，在外部颗粒冲击时所述包络层108发生轻微变形，从而吸收碰撞能量，而没有产生裂纹或其它损伤。

此外，所述减振区域101或者额外地所述叶片区域102也可以具有另外的热塑性的纤维-基体系统109，其可以防止涡轮叶片100受到外部影响。所述另外的纤维-基体系统109可以具有热塑性的基体201，在该热塑性的基体201中埋入了增强纤维202。如果增强纤维202任意地存在于热塑性的基体201中，那么这可以称为纤维垫。与具有定向的复合纤维的纤维-基体系统相比，所述纤维垫具有更小的刚度，从而又可以用另外的纤维-基体系统109产生更高的软性或者说弹性。这又防止受到外部颗粒的外部冲击并且防止涡轮叶片100的表面的侵蚀。

图2示出了纤维-基体系统200，该纤维-基体系统200由热塑性的基体201构成。在该热塑性的基体201中埋入了增强纤维202。如图2所示，所述增强纤维202可以平行定向。由此，受到拉力载荷的增强纤维可以提供纤维-基体系统200的高的刚度。横向于增强纤维202的纤维方向，由于增强纤维202的微小的刚度可以产生高的减振性能。

图3示出了纤维-基体系统200的另一种示范性的实施方式，在该纤维-基体系统200中将增强纤维202埋入到热塑性的基体201中。所述增强纤维200在此以特定的角度α埋入另外的增强纤维201之间。换句话说，所述增强纤维201并非彼此平行。通过所述增强纤维202的这种多方向的定向，可以有针对性地实现增强纤维202沿多个预先定义的方向的高的刚度。减振性能在此尤其通过热塑性的基体201来产生。由此可以提供减振区域101，该减振区域101一方面可以具有增强性能或者说刚度性能并且另一方面可以具有减振性能。

作为补充应该指出，“包括”没有将其它的元素或者步骤排除在外并且“一”没有将多个排除在外。此外要指出，已经参照上述实施例之一说明的特征或步骤也可以与其它上面所说明的实施例的其它特征或步骤组合使用。权利要求中的附图标记不应该被视为限制。

Claims (15)

1.涡轮叶片，具有

设有减振层(103)的减振区域(101)，

其中所述减振层(103)具有纤维-基体系统(200)，

其中所述纤维-基体系统(200)具有热塑性的基体(201)，在所述热塑性的基体(201)中埋入了增强纤维(202)。

2.按权利要求1所述的涡轮叶片，

其中，所述减振区域(101)具有纤维层(104)并且所述纤维层(104)与所述减振层(103)一起形成复合层(106)。

3.按权利要求1或2所述的涡轮叶片，还具有

叶片区域(102)，

其中，所述叶片区域(102)由多个其它的纤维层(105)组成，其中所述多个其它的纤维层(105)构成另一种复合层(107)。

4.按权利要求1到3中任一项所述的涡轮叶片，其中，所述增强纤维(202)彼此间以1度与90度之间的角度(α)埋入到所述热塑性的基体(201)中。

5.按权利要求1到3中任一项所述的涡轮叶片，

其中，所述增强纤维(202)彼此平行地埋入到所述热塑性的基体(201)中。

6.按权利要求1到5中任一项所述的涡轮叶片，

其中，至少一个所述增强纤维(202)具有混合纱线，

其中所述混合纱线具有热塑性的材料和碳纤维材料。

7.按权利要求2到6中任一项所述的涡轮叶片，

其中，所述减振层(103)具有比所述纤维层(104)更小的弹性刚度和/或更高的减振值。

8.按权利要求3到7中任一项所述的涡轮叶片，

其中，所述减振区域(101)具有比所述叶片区域(102)更小的弹性刚度和/或更高的减振值。

9.按权利要求1到8中任一项所述的涡轮叶片，还具有包络层(108)，

其中所述包络层(108)围绕着涡轮叶片(100)的表面来包裹，从而防止涡轮叶片(100)受到外部影响，

其中所述包络层(108)具有非增强的热塑性的材料。

10.按权利要求1到8中任一项所述的涡轮叶片，还具有另外的带有热塑性的基体(201)的纤维-基体系统(109)，

其中所述另外的纤维-基体系统(109)布置在减振区域(101)和/或叶片区域(102)中，使得其经受涡轮叶片(100)的外部影响，

其中所述另外的纤维-基体系统(109)具有增强纤维(202)，所述增强纤维(202)作为具有任意的主纤维方向的纤维垫存在。

11.涡轮机，尤其是蒸汽涡轮机，具有

至少一个按权利要求1到10中任一项所述的涡轮叶片(100)。

12.按权利要求11所述的涡轮机，

其中，所述至少一个涡轮叶片(100)是涡轮机的转子叶片。

13.用于制造涡轮叶片(100)的减振区域(101)的方法，该方法具有以下步骤：

将增强纤维(202)埋入到热塑性的基体(201)中，用于形成减振层(103)的纤维-基体系统(200)，

借助于所述减振层(103)形成所述涡轮叶片(100)的减振区域(101)。

14.按权利要求13所述的方法，

其中，在埋入时，使所述热塑性的基体(201)熔化并且将所述增强纤维(202)压紧在所述热塑性的基体(201)上。

15.按权利要求13或14所述的方法，还具有以下方法步骤：

借助于所述热塑性的基体(201)的进一步熔化来使所述减振区域(101)变形用于与涡轮叶片(100)的预先定义的形状相称。

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