CN103291370B - 涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于复合涡轮构件的层间应力降低构造。本发明所涉及的涡轮机叶片包括翼型和从翼型的根延伸的柄，柄由包括嵌入基体中的强化纤维的复合材料构成。柄包括一对隔开的侧面，该侧面协同地限定楔形榫、第一颈部以及第二颈部，该楔形榫设置于柄的径向内侧端，包括隔开且发散的面，该第一颈部具有凹形弯曲，设置于楔形榫的径向外侧，并限定主要最小颈，柄的厚度在该主要最小颈处于局部最小，该第二颈部设置于第一最小颈的径向外侧，第二颈部具有凹形弯曲并限定次级最小颈，柄的厚度在该次级最小颈处于局部最小。

Description

涡轮机叶片
技术领域
本发明通常涉及复合构件，且更具体地涉及诸如涡轮机翼型的复合构件的安装特征的构造。
背景技术
期望由提供了可喜的强度重量比的复合材料来制造诸如涡轮机叶片的气体涡轮构件。已知类型的复合材料包括典型地适于风扇叶片的聚合基体复合物(“PMC”)和典型地适于涡轮叶片的陶瓷基体复合物(“CMC”)。
所有的这些复合材料由基体材料和强化纤维的层叠体构成并至少在某些程度上为正交各向异性，即沿平行于纤维的长度的方向(“纤维方向”)的材料的拉伸强度比沿垂直方向(“基体”或“层间”的方向)的拉伸强度更强。诸如模量和泊松比的物理性质在纤维和基体之间也不同。涡轮机叶片中的主要的纤维方向典型地与径向方向或翼展方向对准，以提供最大的强度能力来承载由旋转的转子施加的向心负载。如此，更弱的基体、次级或三级(即非主要)的纤维方向那么正交于径向方向。
由于复合物与用于转子盘的金属合金相比具有不同的热膨胀系数(“CTE”)，因而所有的叶片楔形榫使用允许两部分之间的自由热膨胀的构造。然而，该类型的楔形榫构造导致了施加于复合叶片的柄的层间拉伸应力峰值，该柄必须被承载于更弱的基体材料中，位于楔形榫的一般被称作“最小颈”的压力面的近上方，该最小颈可能为叶片设计中的极限应力位置。
在本文中被称作层间强度的基体方向或非主要的纤维方向的强度，典型地比复合材料系统的纤维方向的强度更弱(即，为1/10或更小)，并可能为复合叶片尤其是CMC涡轮叶片的极限设计特征。
因此，需要一种降低针对复合叶片的安装附连区域中的层间应力的叶片安装结构。
发明内容
由本发明解决了该需要，本发明提供了一种涡轮机叶片结构，该涡轮机叶片结构包括构造成在运行期间产生降低的层间拉伸应力的第一最小颈和第二最小颈。
根据本发明的一个方面，涡轮机叶片包括翼型和从翼型的根延伸的柄，柄由包括嵌入基体中的强化纤维的复合材料构成，其中，柄包括一对隔开的侧面。侧面协同地限定楔形榫、第一颈部以及第二颈部，该楔形榫设置于柄的径向内侧端，包括隔开且发散的面，该第一颈部具有凹形弯曲，设置于楔形榫的径向外侧，并限定主要最小颈，柄的厚度在该主要最小颈处于局部最小，该第二颈部设置于第一最小颈的径向外侧，第二颈部具有凹形弯曲并限定次级最小颈，柄的厚度在该次级最小颈处于局部最小。
附图说明
参照结合了附图的以下描述，可以最佳地理解本发明，在附图中：
图1是气体涡轮发动机的涡轮叶片的透视图；
图2是现有技术的涡轮叶片的柄部的示意性横截面图；以及
图3是根据本发明的一个方面而构成的涡轮叶片的柄部的示意性横截面图。
具体实施方式
参照附图，其中，在各个附图中，相同的编号始终表示同一要素，图1示出了示范性低压涡轮(或“LPT”)叶片22。虽然在本文中示出并解释了LPT叶片，但将理解本发明的原理可同等地应用于诸如风扇叶片和压缩机叶片、高压涡轮(或“HPT”)叶片的其他类型的涡轮机翼型或固定翼型。
涡轮叶片22由以下更详细地描述的诸如CMC材料或PMC材料的复合材料构成。涡轮叶片22包括楔形榫36，该楔形榫36构造成接合已知类型的气体涡轮发动机转子盘24的楔形槽38(参照图3)，用于当转子盘24在运行期间旋转时将涡轮叶片22径向地保持至转子盘24。楔形榫36为叶片柄40的主要部分。柄40的形状从楔形榫36过渡成弯曲的翼型形状以允许用于复合接合的平滑过渡。平台42从柄40横向地向外突出并围绕柄40。平台42可以与涡轮叶片22成为一体或者可以为单独的构件。翼型44从柄40径向地向外延伸。翼型44具有在前缘50和后缘52接合在一起的凹形压力侧46和凸形吸力侧48。翼型44具有可以组成顶罩的根54和顶56。翼型44可以采取适于从热气流提取能量并使转子盘旋转的任何构造。
出于比较目的，图2显示了现有技术的涡轮叶片的柄140的示意图。柄140包括隔开的大致平行的左侧面和右侧面158。在径向内端(或内侧端)，侧面158限定了具有一对隔开且发散的压力面160的楔形榫136。凹形弯曲的过渡段166设置于楔形榫136的近外侧。在过渡段166与侧面158的其他部分会合的地方，柄140的部分构成“最小颈”164。柄140沿切向方向“T”的厚度在最小颈164的位置为最小。在运行中，旋转的涡轮叶片上的主要负载沿着径向(或翼展)方向“R”。作为叶片径向力的结果，涡轮叶片还受到由压力面160与涡轮转子盘124的楔形槽138的相互作用引起的沿切向方向T的拉伸应力。切向应力的量级比翼展应力小得多。例如，最大径向纤维应力可以约为最大切向应力的10倍。在由各向同性或接近各向同性(即，方向性地固化)的金属合金构成的现有技术的涡轮叶片中，由于沿任何方向的强度等同，因而这不存在问题。
然而，如上所述，复合材料至少在某些程度上典型地为正交各向异性。例如，复合材料的屈服强度或极限拉伸强度能够在径向(纤维)方向和切向(基体或层间)方向之间呈现10:1或15:1的比率。
因此，图1和图3所示的涡轮叶片22的柄40构造成减少形成涡轮叶片22的复合材料中的层间应力。图3显示了柄40的一部分的示意图。
柄40包括隔开的左侧面和右侧面58，该左侧面和右侧面58以特定方式被定制外形，并且可以被描述为具有若干不同的“部分”。在径向内端(或内侧端)，侧面58限定了包括一对隔开且发散的压力面60的楔形榫36。
第一颈部62位于楔形榫36的近外侧。在第一颈部62，各个侧面58限定凹形弯曲。在第一颈部62的径向外端，该第一颈部62限定了第一(或主要)最小颈64，该处的柄40沿切向方向T的厚度相对于紧密包围的结构而处于局部最小。如在本文中所使用的那样，术语“最小颈”不必意味着任何具体的尺寸。侧面58的限定了第一最小颈或主要最小颈64的部分具有第一半径“R1”。
第一过渡部66位于主要最小颈64的近外侧(或径向外部)。在第一过渡部66，各个侧面58限定了平滑的凸形弯曲。能够产生类似的结果的侧面58的其他构造包括直线或花键的形状。
第二颈部或次级颈部68位于第一过渡部66的外侧。在次级颈部68，各个侧面58限定了具有第二半径“R2”的平滑凹形弯曲。半径R2大于半径R1。次级颈部68限定了第二(或次级)最小颈70，该处的柄40沿切向方向T的厚度相对于紧密包围的结构而处于局部最小。
第二过渡部72设置于次级颈部68的外侧。在第二过渡部72，各个侧面58限定了平滑的凸形弯曲。能够产生类似的结果的侧面58的其他构造包括直线或花键的形状。
外侧部74设置于第二过渡部的外侧。在外侧部74，侧面58因它们过渡至翼型几何形状而彼此大致平行。
定制侧面58的轮廓的形状以与复合材料相适合。强化纤维通常沿着侧面58的外形(即平行于侧面58)。定制侧面58的外形使得纤维不会在外部尖点(cusp)所位于的地方褶曲或起皱。虽然侧面58的轮廓已作为示范性的二维截面图而示出，但注意实际形状可能在各个轴向截面不同。换言之，应用于实际的3D叶片柄的应用性将依照该上述构造，但附加了另一维度来调整几何形状。
在所示的示例中，在次级最小颈70的位置，柄40沿切向方向“T”的厚度显著地小于(从功能的立场出发)主要最小颈64。可以改变侧面58的准确的形状和尺寸以适应特殊的应用和所使用的特定复合材料。
通常而言，PMC材料为高度的正交各向异性。已知的PMC的一个示例为典型地用于风扇叶片的碳纤维强化的环氧树脂。还已知诸如碳化硼或碳化硅的其他纤维材料。也已知例如酚醛树脂、聚酯以及聚氨酯的其他基体材料。
通常而言，CMC材料的正交各向异性比PMC材料更低，并可能具有接近各向同性的性质。已知的CMC材料的示例包括例如SiC的陶瓷类型的纤维，其形态被诸如氮化硼(BN)的柔顺材料涂覆。纤维被承载于陶瓷类型的基体中，该基体的一个形态是碳化硅(SiC)。CMC材料典型地适于涡轮叶片。
通过在主要最小颈64之上附加次级最小颈70，使得柄的层间刚性被软化，以允许合成的层间应力分布遍及更大的区域，因而降低层间拉伸应力峰值。分析显示，与现有技术的构造相比，上述柄构造能够将峰值层间拉伸应力降低例如约20％至30％的显著的量。该构造能够用来在叶片的最小颈附加设计余量，使得设计能够经由更大的发动机半径或更高的速度的应用而承载更多的径向负载，或对现存的叶片设计附加层间应力余量。
该构造通过允许叶片的振动模式，从而还使叶片的额外的高周疲劳(“HCF”)能力成为可能，该叶片依照现有技术的纲领允许在主要最小颈或其附近具有弯曲(即第1弯曲或1F)，以随后在次级最小颈的更薄的净截面附近弯曲，该次级最小颈因更大的半径和相关的更低的应力集中系数而具有更低的径向静应力，以使针对HCF应力的更大的允许量成为可能。
以上已描述了一种用于复合涡轮构件的层间应力降低构造。虽然已描述了本发明的特定实施例，但本领域的技术人员将清楚在不脱离本发明的要旨和范围的情况下能够对其进行各种修改。因此，仅出于说明的目的而不出于限制的目的，提供了本发明的优选实施例和用于实践本发明的最佳模式的以上描述。

Claims (9)

1.一种涡轮机叶片，包括翼型和柄，该柄从所述翼型的根延伸，所述柄由包括嵌入基体中的强化纤维的复合材料构成，其中，所述柄包括一对隔开的侧面，所述侧面协同地限定：
楔形榫，设置于所述柄的径向内侧端，包括隔开且发散的面；
第一颈部，具有凹形弯曲，设置于所述楔形榫的径向外侧，并限定主要最小颈，所述柄的厚度在该主要最小颈处于局部最小；以及
第二颈部，设置于所述主要最小颈的径向外侧，所述第二颈部具有凹形弯曲并限定次级最小颈，所述柄的厚度在该次级最小颈处于局部最小；
其中，第一过渡部设置于所述第一颈部和所述第二颈部之间，并且，所述侧面在所述第一过渡部为凸形弯曲。
2.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中：
所述第一颈部具有第一半径；以及
所述第二颈部具有实质上比所述第一半径更大的第二半径。
3.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，位于所述第二颈部的所述柄的厚度显著地小于位于所述第一颈部的所述柄的厚度。
4.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，所述翼型包括：
前缘和后缘，在根和顶之间延伸；以及
对置的压力侧和吸力侧，在所述前缘和所述后缘接合在一起。
5.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，第二过渡部设置于所述第二颈部的径向外侧，并且，所述侧面在所述第一过渡部为凸形弯曲。
6.根据权利要求5所述的涡轮机叶片，其中，外侧部设置于所述第二过渡部的径向外侧，并且，所述侧面在所述外侧部彼此大致平行。
7.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，所述复合材料具有至少10比1的纤维方向与基体方向的强度比。
8.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，所述复合材料为聚合基体复合物。
9.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，所述复合材料为陶瓷基体复合物。
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