CN102996183A - 用于燃气涡轮发动机的压应力系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供用于燃气涡轮发动机(10)的压应力系统(100)。该压应力系统(100)可包括第一叶片(120)，其附连到转子(180)；第二叶片(130)，其附连到转子(180)；第一和第二叶片(120，130)在它们之间限定了柄部凹处(205)；以及压应力弹簧(210)，其位于柄部凹处(205)内。

Description

用于燃气涡轮发动机的压应力系统
联邦研究声明
本发明利用政府支持在美国能源部(DOE)颁发的合同No.DE-FC26-05NT42643下做出。政府享有本发明的某些权利。
技术领域
本申请和所得专利大体而言涉及燃气涡轮发动机，且更特定而言涉及用于向复合翼型件施加压应力以便减小其柄部(shank)周围的层间拉应力的系统和方法。
背景技术
假定高温工作环境和在工作期间产生的各种应力，用于燃气涡轮发动机中的翼型件由高温超合金制成。也使用了各种类型的复合材料，假定这样的复合材料的轻重量性质和高温能力。然而，这样的复合材料的一个缺陷包括相对较差的层间性质。此外，全部涡轮叶片通常可在正常工作条件下经受不均匀的应力分布形式。因此，叶片可在不同的时间和在不同的部位经历不同程度的局部应力。因此，涡轮叶片可被设计成在诸如柄部和最小颈部区域的部位具有更多的复合材料以便适应较高的局部拉应力。
因此，需要一种改进的复合材料涡轮叶片设计。优选地，这样的改进的涡轮叶片设计应以更少的材料使用来适应增加的层间应力。这种减小的应力会延长构件寿命同时减少材料量，还会导致降低的构件成本。
发明内容
本申请和所得专利提供用于燃气涡轮发动机的压应力系统。该压应力系统可包括第一叶片，其附连到转子；第二叶片，其附连到转子；第一和第二叶片在它们之间限定了柄部凹处；以及压应力弹簧，其位于柄部凹处内。压应力弹簧在叶片上维持(assert)力，以便减小其中的层间应力。
本申请和所得专利还提供一种减小复合材料叶片中的层间应力的方法。该方法可包括以下步骤：将压应力弹簧定位在相邻叶片之间的柄部凹处中；将压应力弹簧的一对臂释放成与相邻叶片中的每一个接触；以及由这一对臂在相邻叶片中的每一个上维持压缩力，以便减小相邻叶片中的每一个中的层间应力。
本申请和所得专利还提供用于燃气涡轮发动机的压应力系统。该压应力系统可包括附连到转子的第一叶片和第二叶片。第一叶片和第二叶片可包括复合材料且可在它们之间限定柄部凹处。压应力弹簧可位于柄部凹处内以便在第一叶片和第二叶片上维持力。
当结合若干附图和所附权利要求时，通过阅读下文的详细描述，本申请和所得专利的这些及其它的特点和改进对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。
附图说明
图1为带有压缩机、燃烧器和涡轮的燃气涡轮发动机的示意图。
图2为如本文中可能描述的用于涡轮叶片的压应力系统的侧视平面图，示出了位于相邻叶片之间的压应力弹簧。
图3为如本文中可能描述的压应力系统的备选实施例的侧视平面图。
图4为如本文中可能描述的压应力系统的备选实施例的侧视平面图。
附图标记：
10   燃气涡轮发动机
15   压缩机
20   空气流
25   燃烧器
30   燃料流
35   燃烧气流
40   涡轮
45   轴
50   负载
100  涡轮叶片压应力系统
110  涡轮叶片
120  第一涡轮叶片
130  第二涡轮叶片
140  燕尾榫(dovetail)
150  柄部
155  最小颈部宽度区域
160  平台
170  翼型件
180  转子
190  转子槽
200  转子柱
205  柄部凹处
210  压应力弹簧
220  U形夹
230  第一臂
240  第二臂
250  弹簧燕尾榫
260  弹簧槽
300  压应力系统
310  阵列
320  第一叶片
330  第二叶片
340  第三叶片
350  第一压应力弹簧
360  第二压应力弹簧
370  U形夹
380  第一向内卷曲
390  第一臂
400  第二向内卷曲
410  第二臂
500  压应力系统
510  阵列
520  第一叶片
530  第二叶片
540  第三叶片
550  第一压应力弹簧
560  第二压应力弹簧
570  U形夹
580  第一向外卷曲
590  第一臂
600  第二向外卷曲
610  第二臂
具体实施方式
现在参看附图，其中在所有若干附图中相似的标号指代相似的要素，图1示出如本文中可能描述的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可包括压缩机15。压缩机15压缩进入的空气流20。压缩机15将压缩的空气流20传送到燃烧器25。燃烧器25将压缩的空气流20与压缩的燃料流动30混合并点燃该混合物以形成燃烧气流35。尽管仅示出单个燃烧器25，但是燃气涡轮发动机10可包括任意数量的燃烧器25。燃烧气流35继而被传送到涡轮40。燃烧气流35驱动涡轮40以便产生机械功。在涡轮40中产生的机械功经由轴45而驱动压缩机15和外部负载50，诸如发电机等。
燃气涡轮发动机10可使用天然气、各种类型的合成气以及/或者其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可为由纽约州斯卡奈塔第的通用电气公司提供的多种不同的燃气涡轮发动机中的任一种，包括但不限于诸如7系或9系重型燃气涡轮发动机等的那些。燃气涡轮发动机10可具有不同配置且可使用其它类型的构件。其它类型的燃气涡轮发动机也可用于本发明中。多个燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮机以及其它类型的发电设备也可在本发明中一起使用。
图2示出如本文中可能描述的涡轮叶片压应力系统100的示例。涡轮叶片压应力系统100包括多个涡轮叶片110。尽管本文中的涡轮叶片压应力系统100将在第一涡轮叶片120和第二涡轮叶片130的情形下描述，但是在此可使用任何数量的涡轮叶片110。涡轮叶片110可由复合材料制成。例如，在本发明中可使用多种不同的陶瓷基质复合物等以及其它类型的复合物。
大体上描述且仅仅以示例的方式，每个涡轮叶片110可包括燕尾榫140、柄部150和平台160。翼型件170可从平台160延伸。每个涡轮叶片110可位于转子180内以随之旋转。转子180可包括由转子柱200分开的多个转子槽190。转子槽190的大小和形状可构成为与每个涡轮叶片110的燕尾榫140配合。柄部150可从最小颈部宽度区域155延伸至平台160。柄部凹处205可限定在相邻涡轮叶片120、130的柄部150与转子柱200之间。在本发明中可使用其它构件和其它配置。
涡轮叶片压应力系统100还可包括压应力弹簧210。压应力弹簧210可处于带有第一臂230和第二臂240的基本上U形夹220的形式。压应力弹簧210可由带有充分恢复强度的任何高温金属或复合材料制成。压应力弹簧210可具有任何期望的大小、形状或配置。压应力弹簧210还可包括弹簧燕尾榫250。弹簧燕尾榫250可位于转子180上的弹簧槽260内。
在使用中，压应力弹簧210可位于柄部凹处205内。U形夹220的臂230、240可被压缩且然后放置成朝向平台160在最小颈部宽度区域155周围与相邻叶片120、130的柄部150相接触。当释放时，U形夹220的臂230、240在柄部150周围施加力并因此压应力。该压应力帮助减小通常存在于叶片120、130的该区域中的层间拉应力。压应力弹簧210可由转子180经由弹簧燕尾榫250保持，以便减小叶片120、130上的任何径向负载增加。
返回到其未变形形状的臂230、240的力因此接触柄部150，以便施加该压缩力。该力产生抵消其中的层间拉应力的压应力。柄部150和最小颈部区域150周围的高层间拉应力通常决定了柄部150必须多厚以承载翼型件170的负载。层间拉应力还影响构件的总寿命范围。通过减小柄部150和最小颈部区域155中的层间拉应力，更宽范围的设计选择是可能的。此外，可使用更少的材料来降低总成本，同时更低的应力会改进总构件寿命。
图3示出如本文中可能描述的涡轮叶片压应力系统300的另一实施例。在该示例中，示出了叶片阵列310。具体而言，示出了第一叶片320、第二叶片330和第三叶片340。然而，在本发明中可使用任何数量的叶片。压应力弹簧可位于每对叶片之间。在该示例中，示出了第一压应力弹簧350和第二压缩弹簧360。在本发明中可使用任意数量的压应力弹簧。在该示例中，每个压应力弹簧350、360可具有U形夹370的变型。在该示例中，U形夹370还包括一对向内卷曲。具体而言，第一臂390上的第一向内卷曲380和第二臂410上的第二向内卷曲400。在本发明中可使用U形夹370和向内卷曲380、400的其它变型。
图4示出如本文中可能描述的涡轮叶片压应力系统500的另一示例。涡轮叶片压应力系统500可包括叶片阵列510。具体而言，示出了第一叶片520、第二叶片530和第三叶片540。在本发明中可使用任意数量的叶片。同样，压应力弹簧可位于每对叶片之间。在该示例中，示出了第一压应力弹簧550和第二压应力弹簧560。在本发明中可使用任意数量的压应力弹簧。在该示例中，压应力弹簧采取U形夹570的形式。在该示例中，U形夹570包括第一臂590上的第一向外卷曲570和第二臂610上的第二向外卷曲600。在本发明中可使用其它类型的U形夹570和向外卷曲580、600。
应当显而易见的是，上文仅仅涉及本申请及所得专利的某些实施例。在不偏离如由所附权利要求及其等同限定的本发明的一般精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可在此做出众多改变和修改。

Claims (15)

1.一种用于燃气涡轮发动机(10)的压应力系统(100)，包括：
第一叶片(120)，其附连到转子(180)；
第二叶片(130)，其附连到所述转子(180)；
所述第一和第二叶片(120，130)在它们之间限定了柄部凹处(205)；以及
压应力弹簧(210)，其位于所述柄部凹处(205)内。
2.根据权利要求1所述的压应力系统(100)，其特征在于，所述第一和第二叶片(120，130)各包括柄部(150)，并且其中，每个柄部(150)与所述压应力弹簧(210)接触。
3.根据权利要求2所述的压应力系统(100)，其特征在于，每个柄部(150)从燕尾榫(140)延伸到最小颈部宽度区域(155)到平台(160)。
4.根据权利要求1所述的压应力系统(100)，其特征在于，所述压应力弹簧(210)包括U形夹(220)。
5.根据权利要求4所述的压应力系统(100)，其特征在于，所述U形夹(220)包括与所述第一叶片(120)接触的第一臂(230)和与所述第二叶片(130)接触的第二臂(240)。
6.根据权利要求4所述的压应力系统(100)，其特征在于，所述U形夹(200)包括向内卷曲(380)。
7.根据权利要求4所述的压应力系统，其特征在于，所述U形夹包括向外卷曲(580)。
8.根据权利要求1所述的压应力系统(100)，其特征在于，所述压应力弹簧(210)包括弹簧燕尾榫(250)，并且其中，所述转子(180)包括转子柱(200)。
9.根据权利要求8所述的压应力系统(100)，其特征在于，所述转子柱(200)包括弹簧槽(260)，并且其中，所述弹簧燕尾榫(250)与所述弹簧槽(260)配合。
10.根据权利要求1所述的压应力系统(100)，其特征在于，还包括以阵列(310)位于所述转子(180)上的多个叶片(110)以及多个压应力弹簧(210)。
11.根据权利要求1所述的压应力系统(100)，其特征在于，所述第一叶片和所述第二叶片(120，130)包括复合材料。
12.根据权利要求11所述的压应力系统(100)，其特征在于，所述复合材料包括陶瓷基质复合物。
13.一种减小复合材料叶片(110)中的层间应力的方法，包括：
将压应力弹簧(210)定位于相邻叶片(110)之间的柄部凹处(205)中；
将所述压应力弹簧(210)的一对臂(230，240)释放成与所述相邻叶片(110)中的每一个接触；以及
由所述一对臂(230，240)在所述相邻叶片(110)中每一个上维持压缩力，以便减小所述相邻叶片(110)中的每一个中的层间应力。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括经由弹簧燕尾榫(250)将所述压应力弹簧(210)附连到转子(180)的步骤。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括定位及释放多个压应力弹簧(210)的步骤。
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