CN102312682B - 复合涡轮机叶片和包括该叶片的涡轮机转子组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合涡轮机叶片。该复合涡轮机叶片包括复合材料，该复合材料包括在基体材料中的加强纤维，涡轮机叶片包括翼型部分、柄部分和根部部分。翼型部分具有前缘、后缘。复合涡轮机叶片还具有设置在涡轮机叶片的翼型部分的前缘的区域内的金属保护性构件。该金属保护性构件被黏附地粘结到所述复合涡轮机叶片的翼型部分的前缘的区域内的复合材料。金属保护性构件具有从该金属保护性构件朝向所述复合涡轮机叶片的根部部分延伸的至少一个金属突起。所述至少一个金属突起减少复合材料、粘结部和保护性构件内的局部峰值应力水平并增加复合材料、粘结部和保护性构件内的高周疲劳强度。

Description

复合涡轮机叶片和包括该叶片的涡轮机转子组件

技术领域

本发明涉及复合涡轮机叶片并且具体地涉及例如复合风扇叶片的复合燃气涡轮发动机叶片。

背景技术

复合涡轮机叶片在涡轮机叶片的翼型部分的前缘上设有保护性片条，以便保护前缘免受由于小的外物（例如沙砾）而导致的侵蚀并且保护前缘免受大的外物（例如鸟）的撞击。

保护性片条通常是金属保护性片条。保护性片条通常被黏附地粘结到复合涡轮机叶片的翼型部分的前缘。不过，保护性片条的径向内端处的剥落应力还没有被优化，从而导致在特定载荷条件下，例如由于一只或多只鸟撞击的条件下，保护性片条和复合涡轮机叶片的翼型部分的前缘之间的黏附性粘结的早期断裂。此外，减小了高周疲劳强度。保护性片条和复合涡轮机叶片的翼型部分的前缘之间的黏附性粘结的失效会意味着当承受特定载荷时复合涡轮机叶片将不能满足认证要求。此外，在涡轮机叶片的翼型部分的前缘上来自保护性片条的端部载荷会导致在复合涡轮机叶片内的应力集中，这会导致复合涡轮机叶片的失效或损坏。

发明内容

因此，本发明试图提供减小、优选地克服上述问题的新颖的复合涡轮机叶片。

因此，本发明提供一种包括复合材料的复合涡轮机叶片，该复合材料包括在基体材料中的加强纤维，该涡轮机叶片包括翼型部分、柄部分和根部部分，翼型部分具有远离柄部分的尖端、前缘、后缘、从前缘延伸到后缘的压力表面以及从前缘延伸到后缘的吸力表面，所述复合涡轮机叶片还具有设置在涡轮机叶片的翼型部分的前缘的区域内的保护性构件，该保护性构件被黏附地粘结到复合涡轮机叶片的翼型部分的前缘的区域内的复合材料，该保护性构件具有从保护性构件朝向复合涡轮机叶片的根部部分延伸的至少一个突起，该至少一个突起从保护性构件最靠近复合涡轮机叶片的根部部分的端部朝向复合涡轮机叶片的根部部分延伸，从而该至少一个突起减少复合材料内的局部峰值应力水平，粘结部和保护性构件增加了复合材料、粘结部和保护性构件的高周疲劳强度。

该至少一个突起可以延伸到复合涡轮机叶片的柄部分上。该至少一个突起可以延伸到复合涡轮机叶片的根部部分上。

该至少一个突起可以在厚度上朝向复合涡轮机叶片的根部部分变细。该至少一个突起可以在厚度上朝向复合涡轮机叶片的根部部分逐渐地或以阶梯方式减小。

保护性构件可以具有两个突起，所述突起中的第一突起被设置在复合涡轮机叶片的翼型部分的压力表面上，并且所述突起中的第二突起被设置在复合涡轮机叶片的翼型部分的吸力表面上。

加强纤维可以包括碳纤维和/或玻璃纤维。基体材料可以包括热固性树脂。

所述保护性构件可以是金属保护性构件并且所述至少一个突起是金属突起。

保护性构件可以从尖端到柄部分延伸翼型部分的整个长度。

保护性构件可以不延伸经过大部分柄部分的前缘。

所述至少一个突起可以是柔性的。

所述至少一个突起可以被设置在复合涡轮机叶片的翼型部分的压力表面上或者所述至少一个突起可以被设置在复合涡轮机叶片的翼型部分的吸力表面上。

复合涡轮机叶片可以是复合燃气涡轮发动机叶片。复合涡轮机叶片可以是风扇叶片。

涡轮机转子组件包括涡轮机转子和周向间隔开的径向延伸的多个复合涡轮机叶片。 

附图说明

将参考附图通过示例方式更加全面地描述本发明，附图中：

图1是涡轮机上半部的横截面图，扇涡轮燃气涡轮发动机具有根据本发明的复合涡轮机叶片。

图2是根据本发明的复合涡轮机叶片的放大图。

图3是沿图2的箭头A-A方向的横截面图。

图4是沿图2的箭头B-B方向的横截面图。

图5是沿图2的箭头C-C方向的放大横截面图。

图6是图2所示的复合涡轮机叶片的一部分的进一步放大图。

图7是图2所示的复合涡轮机叶片的一部分的可替代实施例的进一步放大图。

图8是图2所示的复合涡轮机叶片的一部分的另一实施例的进一步放大图。

具体实施方式

如图1所示的扇涡轮燃气涡轮发动机10沿流动序列包括进气口11、风扇12、中压压缩机13、高压压缩机14、燃烧室15、高压涡轮16、中压涡轮17、低压涡轮18和排气口19。高压涡轮16被设置成经由第一轴26驱动高压压缩机14。中压涡轮17被设置成经由第二轴28驱动中压压缩机13，并且低压涡轮19被设置成经由第三轴30驱动风扇12。在工作期间，空气流入进气口11并且被风扇12压缩。空气的第一部分流动通过中压压缩机13和高压压缩机14并被其压缩，并且被供应到燃烧室15。燃料被喷射到燃烧室15内并且在空气中燃烧从而产生热排气，该热排气流动通过并驱动高压涡轮16、中压涡轮17和低压涡轮18。离开低压涡轮18的热排气流动通过排气口19从而提供推力。空气的第二部分绕过主发动机来提供推力。

风扇12包括风扇转子32，该风扇转子32承载多个沿周向间隔开的径向向外延伸的风扇叶片34。风扇叶片34是复合风扇叶片并且每个风扇叶片34均包括在基体材料中包括加强纤维的复合材料。

如图2、图3、图4、图5和图6所示，每个风扇叶片34均包括翼型部分36、柄部分38和根部部分40。翼型部分36具有前缘42、后缘44、从前缘42延伸到后缘44的压力表面46、从前缘42延伸到后缘44的吸力表面48以及远离根部部分40的尖端50。复合风扇叶片34还包括金属保护性构件52，该金属保护性构件52被设置在风扇叶片34的翼型部分36的前缘42的区域54内。金属保护性构件52被黏附地粘结到复合风扇叶片34的翼型部分36的前缘42的区域54中的复合材料。因此，金属保护性构件52具有分别黏附地粘结到复合风扇叶片34的翼型部分36的压力表面46和吸力表面48的部分52A和52B。金属保护性构件52从尖端50到柄部分38延伸翼型部分36的整个长度。金属保护性构件52还具有两个金属突起56和58，所述突起56和58从金属保护性构件52最靠近根部部分40的端部（径向内端）60朝向复合风扇叶片34的根部部分40延伸。金属突起56和58减少了复合材料、粘结部和金属保护性构件内的局部峰值应力水平，并且增加了复合材料、粘结部和金属保护性构件的高周疲劳强度。金属突起56和58如所示在61处分别被黏附地粘结到复合风扇叶片34的翼型部分36的压力表面46和吸力表面48。金属保护性构件52仅在风扇叶片34的柄部分38上延伸相对短的距离并且不延伸到风扇叶片34的根部部分40上，金属突起56和58延伸到柄部分38上且因而在柄部分38的前缘处仅存在相对少量的金属保护性构件52。如图4和图6所示，在大部分柄部分38的前缘处没有金属保护性构件52。金属保护性构件52延伸到环形线37径向下方的位置，环形线37限定了如下位置：在该位置的径向外部，在操作期间工作流体被设置成流过风扇叶片34的翼型部分36；以及，在该位置的径向内部，在操作期间工作流体被设置成不流过柄部分38和根部部分40。因此，柄部分38和根部部分40不具有空气动力学表面。

金属突起中的第一突起56被设置在复合风扇叶片34的柄部分38的第一表面62上，并且金属突起中的第二突起58被设置在复合风扇叶片34的柄部分38的第二表面64上。金属突起56和58分别从复合风扇叶片34的翼型部分36的压力表面46和吸力表面48、从金属保护性构件52延伸到柄部分38的第一表面62和第二表面64上。金属突起56和58是柔性的、弹性的，因为不存在围绕柄部分38的前缘延伸的金属互连部分。金属突起56和58有效地延伸了金属保护性构件52的端部60，并且复合风扇叶片34的根部部分40和金属保护性构件52之间的刚性变化变得较不急剧。这具有如下效果，即减小了被鸟撞击期间的局部峰值应力并且增加了扇涡轮燃气涡轮发动机10在稳定工况下的高周疲劳强度。金属突起56和58增加了金属保护性构件52和复合风扇叶片34之间的黏附性粘结的面积。金属突起56和58最小化了金属保护性构件52和复合风扇叶片34之间的粘结区域内的应力并且将应力传递到环形线37的径向内部。

金属突起56和58在厚度上朝向复合风扇叶片34的根部部分40变细，并具有斜面57和59。金属突起56和58可以在厚度上朝向复合风扇叶片34的根部部分40减小，并且金属突起56和58可以在厚度上逐渐地或以阶梯方式减小。此外，金属保护性构件52的部分52A和52B在朝向复合风扇叶片34的后缘44的方向上在厚度上变细从而具有斜面53A和53B。金属突起56和58上的斜面57和59以及金属保护性构件52的部分52A和52B上的斜面53A和53B也有助于减小鸟撞击期间的局部峰值应力并且增加扇涡轮燃气涡轮发动机10的稳定工况期间的高周疲劳强度。

图2、图3和图7中示出了风扇叶片34B的可替代设置，其类似于图2、图3和图6所示并且类似部件使用类似附图标记来标识。风扇叶片34B的不同之处在于，金属突起56B和58B延伸到且黏附地粘结于复合风扇叶片34B的根部部分40。这种设置为闪电提供了从复合风扇叶片34B的翼型部分36的金属保护性构件52径向向内到风扇转子32的导电路径，风扇转子32是金属的并且因而在使用中将闪电引导远离复合风扇叶片34B。通过金属突起56B和/或58B和风扇转子32之间的接触，或者通过金属突起56B和/或58B和风扇转子32之间紧邻只有小间隙以便在闪击期间闪电可以跨过该小间隙，从而提供导电路径。

图2、图3和图8示出了风扇叶片34C的另一设置，其类似于图2、图3和图6所示并且类似部件使用类似附图标记来标识。风扇叶片34C的不同之处在于，金属突起56C和58C具有局部导电引脚70和72，其延伸到复合风扇叶片34C的根部部分40上且黏附地粘结于该根部部分40。这种设置也为闪电提供了从复合风扇叶片34C的翼型部分36的金属保护性构件52径向向内到风扇转子32的导电路径，风扇转子32是金属的并且因而将闪电引导远离复合风扇叶片34C。导电引脚70和72在使用中被电连接到风扇转子32。

风扇叶片34的根部部分40可以是燕尾型根部或枞树型根部以便位于风扇转子32内的对应成形的槽内。

复合材料的加强纤维可以包括碳纤维和/或玻璃纤维，并且复合材料的基体材料可以包括热固性树脂，例如环氧树脂。加强纤维可以包括硼纤维、芳族聚酰胺纤维或者聚芳酰胺纤维，例如凯芙拉（RTM）或任何其他适当纤维。基体材料可以包括热塑性材料，例如PEEK聚醚醚酮。风扇转子可以包括钛合金或者任意其他适当金属或合金。金属保护性构件可以包括钛合金，例如Ti-6-4，其由6wt%的铝、4wt%的钒和余量钛以及微量添加物和附带杂质构成。金属保护性构件可以包括镍合金，例如IN318，或钢或任意其他适当金属或合金。可以使用包括其他材料的保护性构件及相关突起。

虽然已经参考复合扇涡轮燃气涡轮发动机风扇叶片描述了本发明，不过本发明能等同地应用于其他复合燃气涡轮发动机转子叶片，例如复合压缩机叶片。本发明能等同地应用于其他复合涡轮机转子叶片和复合涡轮机定子叶瓣。

虽然已经参考在复合涡轮机叶片的各表面上从金属前缘延伸出的金属突起来描述本发明，不过能够仅在复合涡轮机叶片的一个表面上提供金属突起或者在复合涡轮机叶片的各表面上提供多于两个的金属突起。

Claims (15)

1.一种复合涡轮机叶片，包括：复合材料，其包括在基体材料中的加强纤维，所述复合涡轮机叶片包括翼型部分、柄部分和根部部分，所述翼型部分具有远离所述柄部分的尖端、前缘、后缘、从所述前缘延伸到所述后缘的压力表面以及从所述前缘延伸到所述后缘的吸力表面，所述复合涡轮机叶片还具有设置在所述复合涡轮机叶片的所述翼型部分的所述前缘的区域内的保护性构件，该保护性构件被黏附地粘结到所述复合涡轮机叶片的所述翼型部分的所述前缘的所述区域内的所述复合材料，其特征在于，所述保护性构件具有从所述保护性构件朝向所述复合涡轮机叶片的所述根部部分延伸的至少一个突起，所述至少一个突起从所述保护性构件最靠近所述复合涡轮机叶片的所述根部部分的端部朝向所述复合涡轮机叶片的所述根部部分延伸，从而所述至少一个突起减少所述复合材料、粘结部和所述保护性构件内的局部峰值应力水平，从而增加所述复合材料、所述粘结部和所述保护性构件的高周疲劳强度。

2.如权利要求1所述的复合涡轮机叶片，其中所述至少一个突起延伸到所述复合涡轮机叶片的所述柄部分上。

3.如权利要求2所述的复合涡轮机叶片，其中所述至少一个突起延伸到所述复合涡轮机叶片的所述根部部分上。

4.如权利要求1所述的复合涡轮机叶片，其中所述至少一个突起在厚度上朝向所述复合涡轮机叶片的所述根部部分变细。

5.如权利要求4所述的复合涡轮机叶片，其中所述至少一个突起在厚度上朝向所述复合涡轮机叶片的所述根部部分逐渐地或以阶梯方式减小。

6.如权利要求1-5中任一项所述的复合涡轮机叶片，其中所述保护性构件具有两个突起，所述突起中的第一突起被设置在所述复合涡轮机叶片的所述翼型部分的所述压力表面上，并且所述突起中的第二突起被设置在所述复合涡轮机叶片的所述翼型部分的所述吸力表面上。

7.如权利要求1-5中任一项所述的复合涡轮机叶片，其中所述至少一个突起被设置在所述复合涡轮机叶片的所述翼型部分的所述压力表面上，或者所述至少一个突起被设置在所述复合涡轮机叶片的所述翼型部分的所述吸力表面上。

8.如权利要求1所述的复合涡轮机叶片，其中所述加强纤维包括碳纤维和/或玻璃纤维。

9.如权利要求1所述的复合涡轮机叶片，其中所述基体材料包括热固性树脂。

10.如权利要求1所述的复合涡轮机叶片，其中所述保护性构件是金属保护性构件并且所述至少一个突起是金属突起。

11.如权利要求1所述的复合涡轮机叶片，其中所述保护性构件从所述尖端到所述柄部分延伸所述翼型部分的整个长度。

12.如权利要求1所述的复合涡轮机叶片，其中所述保护性构件不延伸经过大部分所述柄部分的前缘。

13.如权利要求1所述的复合涡轮机叶片，其中所述至少一个突起是柔性的。

14.如权利要求1所述的复合涡轮机叶片，其中所述复合涡轮机叶片是复合燃气涡轮发动机叶片。

15.一种涡轮机转子组件，其包括涡轮机转子和多个沿周向隔开的径向延伸的如权利要求1所述的复合涡轮机叶片。