CN103375184B - 用于涡轮机叶片的耐久带 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于涡轮机叶片的耐久带，其适用于涡轮机系统。所述涡轮机系统包括转子，所述转子形成所述涡轮机系统的纵轴。第一叶片连接到所述转子，并且所述第一叶片具有第一叠层和第二叠层。第一耐久带连接到所述第一叶片并且经配置以防止所述第一叠层与所述第二叠层分离。
Description
关于由联邦政府赞助的研究的声明
本发明受到政府支持，编号为DE-FC26-05NT42643，由能源部(DOE)授予。政府享有本发明的某些权利。
背景技术
本发明涉及涡轮机，确切地说涉及用于提高涡轮机叶片耐久性的系统。
涡轮机，例如压缩机和涡轮，用于在转子与流体之间转移能量。例如，涡轮发动机提供轴向力，从而为飞机、船舶和发电机提供动力。涡轮机通常包括围绕轴杆或转子旋转以在转子与流体之间转移能量的叶片。此外，叶片可以由转子支撑。例如，涡轮机叶片可以附接到所述转子或安装在所述转子中。在涡轮机的操作过程中，由于叶片的高速旋转和/或高温操作的原因，因此叶片所受的应力很高。不幸的是，应力很高会使叶片降级，并且在某些情况下会发生机械故障。
发明内容
下文概述了与最初申请保护的本发明的范围相符的某些实施例。这些实施例并非意图限制申请保护的本发明的范围，相反，这些实施例仅意图简要概述本发明的可能形式。实际上，本发明可以包括可能类似于或不同于下述实施例的多种形式。
在第一实施例中，一种系统包括涡轮机。所述涡轮机包括转子，所述转子界定涡轮机系统的纵轴。第一叶片连接到所述转子，并且所述第一叶片具有第一叠层(laminatedplies)和第二叠层。第一耐久带连接到所述第一叶片，并且经配置以防止第一叠层与第二叠层分离。
在第二实施例中，一种设备包括涡轮机叶片，所述涡轮机叶片经配置以安装在涡轮机的流体路径中。所述设备还包括连接到所述涡轮机叶片的耐久带，所述耐久带经配置以防止涡轮机叶片分离。
在第三实施例中，燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧室，以及涡轮。压缩机具有多个压缩机叶片，并且经配置以压缩空气。燃烧室经配置以从压缩机接收压缩空气，并且将压缩空气与燃料的混合物燃烧而生成燃烧产物。所述涡轮具有多个涡轮叶片，并且经配置以从燃烧室接收燃烧产物。耐久带连接到多个压缩机叶片或多个涡轮叶片中的第一叶片。所述第一叶片具有第一叠层和第二叠层。所述耐久带经配置以防止所述第一叠层与所述第二叠层分离。
附图说明
在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中：
图1为根据本发明一方面的具有带耐久带的涡轮叶片的涡轮发动机系统的实施例的示意性方框图；
图2为根据本发明一方面的沿图1中的线2-2截取的涡轮机的局部截面轴向图，图示了具有带耐久带的、圆周地安装的涡轮机叶片的图1中转子的实施例；
图3为根据本发明一方面的沿图2中的线3-3截取的涡轮机的示意性透视图，图示了具有耐久带的涡轮机叶片的实施例；
图4为根据本发明各方面的沿图3中的线4-4截取的涡轮机叶片的示意性前视图，图示了涡轮机叶片具有耐久带的实施例，所述耐久带经配置以防止涡轮机叶片的各层分离；
图5为根据本发明一方面的具有多个耐久带的涡轮机叶片的实施例的示意性前视图；
图6为根据本发明一方面的沿线3-3截取的图3中的涡轮机叶片的示意性透视图，图示了涡轮机叶片具有通孔以及设置在所述通孔中的一个或多个耐久带的实施例；以及
图7为根据本发明一方面的具有多个耐久带的涡轮机叶片的实施例的示意性前视图。
具体实施方式
下文将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了简要描述这些实施例，可能不会在说明书中描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任意工程或设计项目中开发任意此类实际实施方案时，都必须做出与实施方案特定相关的各种决定，以实现开发人员的具体目标，例如，遵守系统相关和业务相关约束，这些约束可能会因实施方案的不同而有所不同。此外，应了解，此类开发可能非常复杂耗时，但无论如何，对受益于本发明的一般技术人员而言，这仍是常规的设计、建造和制造操作。
在介绍本发明各种实施例的元件时，“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示有一个或多个元件。术语“包括”、“包含”以及“具有”旨在表示包括性含义，且表示除了所列元件外，可能还有其他元件。
如上所述，涡轮机叶片会经受相对较高水平的机械应力，例如由热膨胀和收缩、压力、摩擦力、旋转力以及/或者其类似物引起的应力。同样地，这些应力会使叶片降级。在叶片由复合材料(composite material)形成的配置中，在邻近材料之间(例如，在邻近层之间或在基片与垫片之间)形成的晶界处(grain boundaries)叶片会破裂或分离。所述破裂或分离会弱化叶片，并且会成为灰尘或水气的入口，这样会加速叶片的降级/损坏。例如，在一些实施例中，每个涡轮机叶片都可以是两个或两个以上叠层的复合组件(compositeassembly)，其中每个层(ply)都设置成基本上平行于其他层。不幸的是，例如在叶片的旋转过程中当叠层局部被压缩时，各层会在相对于这些层的平行性的横向方向上分离。
因此，现在可以认识到，可能需要减少各层的破裂形成或分离的开始或发生以提高涡轮机叶片的耐久性。因此，如下文详细论述，本发明提供一种耐久带(resistiveband)，所述耐久带连接到所述叶片并且经配置以防止以上提及的横向分离。此外，耐久带可以减少层间张力(ILT，interlaminar tension)，减少叶片中破裂的可能性或大小，并且提供局部的压向载荷以提高涡轮机叶片的耐久性。如本说明书所论述，术语耐久带旨在包括以下形状：围绕整个叶片、围绕一部分叶片、在叶片的一个或多个表面上延伸，以及/或者延伸穿过叶片。
现在转到附图，图1为燃气涡轮系统10的一项实施例的示意性方框图，该燃气涡轮机系统具有装备有耐久带的涡轮机。同样，在某些实施例中，这些带可以提高涡轮机内叶片的耐久性。如图所示，燃气涡轮系统10包括压缩机12、具有燃料喷嘴16的燃烧室14以及涡轮18。燃料喷嘴16将天然气或合成气等液体燃料和/或气体燃料输送到燃烧室14中。燃烧室14点燃并燃烧燃料空气混合物，然后将热的加压燃烧气体20(例如，排气)传输到涡轮18中。涡轮叶片22连接到转子24(例如，旋转叶片)，并且所述转子24连接到遍布燃气涡轮系统10的许多其他部件，如下文所论述。一些涡轮叶片22可以安装到涡轮18的定子部件(例如，固定叶片)。根据本发明，涡轮叶片22可以包括用于防止涡轮叶片22分离的一个或多个耐久带23，如下文所论述。随着燃烧气体20在涡轮18中穿过涡轮叶片22，涡轮叶片22即被驱动以旋转。旋转叶片22将此旋转能量转移到转子24，这样使转子24沿着旋转轴25旋转。最后，燃烧气体20经由排气口26(例如，排气管、排气烟囱、排气消声器等)离开涡轮18。
在所示实施例中，压缩机12包括压缩机叶片28。压缩机12内的压缩机叶片28还连接到转子24(例如，旋转叶片)，且所述叶片在转子24受到涡轮18驱动而旋转时旋转，如上文所述。一些压缩机叶片28可以安装到压缩机12的定子部件(例如，固定叶片)。压缩机叶片28也可以包括一个或多个耐久带23，以防止在压缩机叶片28中发生分离或形成破裂，如下文所论述。当压缩机叶片28在压缩机12内旋转时，压缩机叶片28将来自进气口的空气压缩成压缩空气30。如图所示，所述压缩空气30被输送到燃烧室14、燃料喷嘴16以及燃气涡轮系统10的其他部分。然后，燃料喷嘴16将压缩空气30与燃料混合，从而产生合适的燃料-空气混合物，该混合物在燃烧室14内燃烧以生成燃烧气体20，从而驱动转子24和涡轮18。此外，转子24可以连接到负载31，所述负载可经由转子24的旋转而得到动力供应。负载31可以是可经由燃气涡轮系统10的旋转输出来发电的任意合适的装置，例如，发电厂或外部机械负载。例如，负载31可包括发电机、飞机的推进器等。在以下论述中，将参考不同方向或轴，例如，在涡轮18中，沿着轴25的轴向32、远离轴25的径向34，以及围绕轴25的周向36。
图2为沿着图1中的线2-2截取的局部截面轴向图，图示了具有周向安装的涡轮机叶片(例如，压缩机叶片28或涡轮叶片22)的转子24。为了清晰，涡轮叶片22将在下文中描述。然而，以下论述也适用于压缩机叶片28和压缩机12。事实上，本说明书所呈现的实施例可适用于对本说明书所描述的破裂扩展或层分离较为敏感的任何涡轮机叶片或机翼。如上文所述，涡轮叶片22可以包括用于防止涡轮叶片22的分离或破裂形成的一个或多个耐久带23。在所示实施例中，某些涡轮叶片22具有一个耐久带23，而其他涡轮叶片具有两个耐久带23。一般而言，每个涡轮叶片22都可以包括1、2、3、4或更多耐久带23。此外，当前还预期的是涡轮机可以包括不同的涡轮叶片，这些涡轮叶片具有不同数量的耐久带。此外，一些涡轮叶片22可能不包括耐久带23。
图2所示为沿着转子24的轴向32设置在公共位置(例如，涡轮级)的一组涡轮叶片22。然而，具有耐久带23的涡轮叶片22可以设置在不同的涡轮级，如图1所示。例如，涡轮18的各级中的任何一级或其组合可以包括带有耐久带23的涡轮叶片22。可以了解到，涡轮18的温度和压力会沿着涡轮18的轴向32变化，并且每个涡轮叶片22上耐久带23的数量可以对应于涡轮18的操作参数。
如图所示，涡轮叶片22在远离转子24的纵轴25的径向34上从近端58延伸到远端60。如本说明书所论述，近端58设置成接近纵轴25，而远端60设置成远离纵轴25。在所示实施例中，涡轮叶片22通过转子24的外圆周64中的开口62安装到转子24。开口62可以为正方形、圆形、鸠尾形，或适合安装涡轮叶片22的另一合适形状。更具体而言，涡轮叶片的近端58和转子24的开口62可以在界面区66邻接(abut)。界面区66可以具有与开口62类似的形状(例如，正方形、圆形、鸠尾形或另一合适形状)。因此，涡轮叶片22可以安装在转子24中，或者附接到转子24。相应地，涡轮叶片22的一部分设置在转子24的界面区66内。此外，涡轮叶片22的另一部分(例如，暴露部分68)从界面区66在径向34上向外设置。在涡轮18的操作过程中，燃烧气体20流过暴露部分68会使转子24旋转，并且驱动涡轮18。可了解到，燃烧气体20会使涡轮叶片22遭受高机械应力或热应力，而耐久带23通过提供压缩力(compacting)或类似的力来防止叶片22的分离或破裂，可以减轻或减少所述应力的影响。
每个涡轮叶片22的暴露部分68从涡轮叶片22的暴露的近端70延伸到远端60。暴露的近端从转子24的界面区66沿着径向34向外。此外，暴露的近端70与远端60之间的距离界定暴露部分68的跨度72。跨度72可以经界定使得跨度72完全不对应于暴露的近端70，而100％的跨度72对应于远端60。在某些实施例中，耐久带23可以设置在对应于跨度72的不同百分比(例如，约10％到60％、15％到55％，或20％到50％)的径向位置，从而提高涡轮叶片22的耐久性和寿命，如下文进一步论述。
耐久带23可以提高涡轮叶片22的耐久性的方式在图3中示意性地描绘，图3是根据涡轮机叶片(例如，旋转或固定压缩叶片28，或者旋转或固定涡轮叶片22)的一项实施例的沿图2中的线3-3截取的透视图。同样，为了清晰，涡轮叶片22将在下文中描述，但是以下论述也适用于压缩机叶片28或任何涡轮机叶片/机翼。一般而言，涡轮叶片22可以是两个或两个以上叠层82(例如，2、3、4、5、6或更多)的复合组件80，其中每个叠层82都在径向34上从涡轮叶片22的近端58延伸到远端60。如图所示，涡轮叶片22包括大体沿着周向36彼此(例如，彼此层叠)邻近设置的五个叠层82。相应地，边界83在叠层82之间形成，其中边界83定向成大体平行于层82并且与周向36交叉。但是在其他实施例中，叠层82可以在不同方向上设置成彼此邻近，例如大体沿着轴向32。为了防止叠层82在其边界83处分离，耐久带23可以定向成与叠层82的径向34交叉。实际上，耐久带23可以通过防止叠层82在周向36上横向分离而提高涡轮叶片22的耐久性。
叠层82各自具有轴向32上的深度D1、径向34上的高度H1，以及周向36上的宽度W1。叠层82的这些尺寸、叠层82的材料成分、或叠层82的其他特性可以是均匀的，或者可以在涡轮叶片22内或涡轮叶片22中变化。如图所示，每个叠层82都具有与其他叠层82类似的深度D1、高度H1、宽度W1，和材料成分。相应地，叠层82的承载能力可以是类似的。然而，涡轮叶片22在涡轮机操作过程中经受的应力或压向(压缩)载荷在轴向32、径向34或周向36上可能不是均匀的。相应地，叠层82的特性可以经设计以在涡轮叶片22内变化。例如，叠层82可以在圆周端85处具有较大宽度，而在中心层87处具有较小宽度。此外，叠层82的宽度W1可以逐渐从圆周端85变化到中心层87。
作为改变叠层82大小的额外或替代性方案，叠层82的材料成分可以为涡轮叶片22设计以承受相对较高的机械应力或热应力。一般而言，叠层82可以具有的材料成分包括陶瓷、金属、聚合物、玻璃纤维、环氧树脂、另一合适材料或其任何组合。例如，在一项实施例中，叠层82可由陶瓷基复合材料(CMC)构成。然而，材料成分可在涡轮叶片22的叠层82中变化。例如，材料成分可以交替地(alternatingly)在邻近叠层82之间由陶瓷变为金属。额外地或替代性地(alternatively)，材料成分的特性可以在叠层82中变化。例如，叠层82可以由纤维88(例如，碳化硅纤维)构成，且中心层87的纤维88可以在径向34上引导，而剩余的叠层82的纤维88可以横向于中心层87的纤维88(例如，在轴向32上或在周向36上)而引导。另外，纤维88的方向可以在邻近叠层82之间由径向34或周向36交替地改变。在某些实施例中，纤维88可以相对于转子24成角度。实际上，叠层82的任何特性都可以改变、并且被认为是在本发明的范围内。
如图所示，涡轮叶片22具有耐久带23，所述耐久带可以通过防止叠层82的分离(例如，在边界83处)来增加涡轮叶片22的耐久性和寿命。在一些实施例中，可能需要的是耐久带23和涡轮叶片22的材料成分类似，使得耐久带23和叠层82具有类似的结构性质，例如防止变形和机械强度。相应地，耐久带23可由以下材料构成：陶瓷、金属、聚合物、玻璃纤维、环氧树脂、另一合适材料或其任何组合。例如，在一项实施例中，耐久带23和涡轮叶片22都可以由碳化硅构成。如先前所述，叠层82可以由纤维88(例如，复合材料纤维)构成，且纤维88可经定向使得邻近叠层82的纤维88为横向的、基本上平行的，或其组合。耐久带23也可由纤维91(例如，复合材料纤维)构成。纤维91可以在基本上一个方向上(例如，在轴向32上，在径向34上或在周向36上)或在若干方向上定向。在一些实施例中，耐久带23的纤维91可在相对于叠层82的纤维88的特定方向上定向，从而更好地防止分离。例如，在一项实施例中，耐久带23的纤维91可经定向使得它们横向于每个叠层82的纤维88。
额外地或替代性地，叠层82和耐久带32的材料选择可至少部分地基于各材料的不同热物理性质，例如热膨胀系数，或α。例如，可能需要的是耐久带23的α小于或约等于涡轮叶片22的α。可以了解到，耐久带23和涡轮叶片22可随着它们各自的温度从室温增加到涡轮正常的操作温度而发生膨胀。耐久带23的膨胀可以小于(例如，约小于0到20％、2％到18％，或5％到15％)涡轮叶片22，这样可以进一步防止叠层82的横向分离并且提高涡轮叶片22的耐久性。在其他实施例中，材料选择可以部分地基于其他特性，例如导热性、密度、杨氏模量(Young’s modulus)，或另一合适的材料特性。实际上，材料选择可以基于任何合适的特性。
在图3所示的实施例中，耐久带23围绕涡轮叶片22的整个周边86在周向36和轴向32上延伸。一般而言，整个周边86的形状可以由穿过涡轮叶片22的横向平面的截面来界定。在某些实施例中，该形状可以是矩形、圆形、鸠尾形或另一合适形状。在一项实施例中，整个周边86可以具有大体对应于转子24中开口62的形状。相应地，耐久带23可以防止由叠层82的机械应力和/或热应力引起的横向(例如，周向36和/或轴向32)分离。耐久带23可以通过减少层间张力来提高涡轮叶片22的耐久性和寿命，这伴随着减少涡轮叶片22中破裂的可能性和大小，并且还为涡轮叶片22提供局部压向载荷(localcompression loading)。在某些实施例中，涡轮叶片22可以包括一个以上耐久带23，以进一步提高涡轮叶片22的耐久性。实际上，在这样的实施例中，耐久带可以沿着径向34设置在不同位置，如以下关于图4进一步详细描述。
图4为沿着线4-4截取的图3中的涡轮机叶片的前视图，所示为涡轮机叶片(例如，旋转或固定压缩机叶片28，或者旋转或固定涡轮叶片22)的实施例，其具有经配置以防止复合组件80的叠层82分离的耐久带23。同样，尽管图示实施例在涡轮叶片22的背景下进行论述，但是以下论述也适用于任何涡轮机械的叶片，例如图1中的压缩机叶片28。如图所示，耐久带23设置在界面区66与涡轮叶片22的远端60之间的径向位置90。径向位置90可以由跨度72的百分比来表示。例如，在一些实施例中，该百分比可以约为1％到60％、5％到50％，或者20％到40％。可了解到，叶片上的机械应力和热应力可以根据转子24或涡轮叶片22的轴向32位置发生变化。相应地，耐久带23的径向位置90可在每个涡轮叶片22之间发生变化。例如，耐久带23的径向位置90对于一个涡轮叶片22而言可以是跨度72的10％，而对于另一涡轮叶片22而言可以是跨度72的20％。额外地或替代性地，耐久带23可以设置在涡轮叶片22的跨度72外，例如在界面区66内，如关于图7进一步论述。与耐久带23设置在跨度72以内的配置相比，在该实施例中耐久带23所暴露于的热燃烧气体的量可以减少，同时通过防止叠层82分离、和/或通过在涡轮叶片22上提供压缩力/稳定力，来提高涡轮叶片22的耐久性和寿命。
耐久带23可以使用任何合适的方法在径向位置90连接到涡轮叶片22，这取决于(例如)用于涡轮叶片22和耐久带23的材料、涡轮叶片22在使用时预期将经受的力、涡轮叶片22预期的操作温度，等等。例如，在一些实施例中，耐久带23连接到涡轮叶片22方式可以为：用粘合剂、通过机械方式，或组合这两者。实际上，这些附接方法可以使耐久带23在涡轮机叶片的原始制造过程中附接/连接到涡轮机叶片，或在耐久带23经改进以安装在现有的涡轮机叶片上的再制造过程中。
在耐久带23粘附地连接到涡轮叶片22的实施例中，耐久带23可以使用复合胶附接到叠层82。在这些实施例中的某些实施例中，复合胶的材料成分可以基本上类似于耐久带23和涡轮叶片22的材料成分。例如，在涡轮叶片22和/或耐久带使用CMC例如碳化硅构成的实施例中，复合胶可以包括碳化硅、多晶硅(elemental silicon)或其组合。此外，复合胶可以具有某些性质，以更好地用耐久带23来防止涡轮叶片22分离和破裂形成。例如，复合胶的热膨胀系数(α)可以小于或约等于叠层82或耐久带23的α。相应地，复合胶可以这样的方式膨胀使得当涡轮18到达涡轮正常操作温度时，耐久带23能够保持连接到涡轮叶片22。
额外地或替代性地，如上所述，耐久带23可以通过机械方式连接到涡轮叶片22。例如，耐久带23可以用螺钉、焊接、铜焊或者通过机械方式加接到涡轮叶片22的叠层82。例如，在某些实施例中，叶片22可以包括固体或中空的铆钉或者带螺纹的组件(拉杠、螺钉或其他带螺纹的紧固件)。因此，耐久带23可以通过用粘合剂或用机械方式连接到现有的叶片(例如，压缩机叶片28或涡轮叶片18)而改进现有的涡轮机(例如，压缩机28或涡轮18)。在一些实施例中，耐久带23可以与涡轮叶片22一体形成为整块结构。实际上，在这些实施例中，耐久带23和涡轮叶片22可由相同材料(例如，CMC材料例如碳化硅)形成、或由不同材料(例如，第一CMC材料和第二CMC材料，或者CMC材料和金属)形成。因此，具有一体形成的耐久带23的涡轮叶片22中的一者或多者也可以改进现有的涡轮机。
如图所示，耐久带23围绕涡轮叶片22的整个周边86延伸。耐久带23可以为每个叠层82提供压向载荷(compression loading)，从而防止所有叠层82分离。耐久带具有轴向32深度、径向34高度(例如，厚度92)，以及周向36宽度93。在某些实施例中，耐久带23的厚度92可变化。例如，厚度92可以约为涡轮叶片22的跨度72的1％到30％、5％到20％，或者10％到15％。额外地或替代性地，厚度92可以约为复合组件80的周向36宽度的1％到150％、30％到100％，或者50％到70％。在某些实施例中，耐久带的厚度92与宽度93的比例可以约为0.05到1、0.1到0.9，或者0.2到0.8。此外，在某些实施例中，厚度92可以在涡轮叶片22的圆周端85之间变化。例如，厚度92可以在中心层87处最小，而在圆周端85处最大。相应地，耐久带23的截面形状94可以在轴向32、径向34，或者周向36上变化。尽管截面形状94可以为任何合适的几何形状，如图所示，周向36截面形状94基本上为矩形。然而，在某些实施例中，截面形状94可以为三角形或多边形、椭圆形或弧形。可以了解，涡轮叶片22上的压向载荷在轴向32、径向34或周向36上可能不均匀，并且耐久带23的形状94的设计可以至少部分地基于涡轮叶片22的应力分布。相应地，耐久带23的截面形状94可在涡轮叶片22之间发生变化。如先前所论述，涡轮18的温度和压力可以沿着周向32变化，并且耐久带23的截面形状94可以至少部分地基于涡轮18的温度和/或压力曲线。在某些实施例中，如以下关于图5到图7进一步描述，涡轮叶片22可以包括额外的耐久带以进一步防止叠层82分离。
图5为涡轮机叶片(例如，压缩机叶片28或涡轮叶片22)的实施例的前视图，其具有多个耐久带23，所述耐久带经配置以防止叠层82的分离并且提高涡轮机叶片的耐久性。为了清晰，涡轮叶片22将在下文中描述。然而，以下论述也适用于压缩机叶片28。一般而言，耐久带23可以设置在涡轮叶片22的不同径向位置90、或涡轮叶片22的类似径向位置90。此外，耐久带23可以在沿着涡轮18的相同或不同轴向32位置(例如，相同或不同涡轮级)设置在涡轮叶片22上。
如图所示，涡轮叶片22包括多个耐久带23(例如，耐久带100、102、104和105)。如先前所述，涡轮叶片22可以包括1、2、3、4或更多耐久带23。此外，耐久带100、102、104、105可以在某些特性上变化，例如轴向32深度、径向34高度(例如，厚度92)、周向36上的宽度93，或材料成分，如上文所论述。在某些实施例中，可能需要的是使用多个耐久带23，因为涡轮叶片22的应力曲线在径向34上可能不是均匀的。实际上，耐久带100、102、104、105的特性的变化可以至少部分地基于耐久带100、102、104、105的径向位置90(例如，径向位置106、108、110)。如图所示，耐久带100、105共享公共的径向位置106。径向位置106与界面区66最接近，径向位置110最远，而径向位置108设置在两者之间。例如，径向位置106约为跨度72的10％，径向位置108约为跨度72的30％，径向位置110约为跨度72的60％。在某些实施例中，径向位置106、108、110可以变化。
此外，耐久带100、102、104、105中的每一者都围绕涡轮叶片22的整个周边86的一部分(例如，部分周边116、118、120、122)延伸。因此，耐久带100、102、104、105可以围绕叠层82的子集(例如，约10％到90％、20％到80％，或者40％到60％)延伸，并且可以防止叠层82的该子集分离。例如，部分周边116从圆周端85延伸到中心层87。部分周边120包含在涡轮叶片22的圆周端85内。作为非限制性实例，部分周边116、118、120、122可以约为整个周边86的10％到90％、20％到80％，或者30％到60％。换句话说，部分周边116、118、120、122可以为整个周边86的某因子或百分比。例如，部分周边116、122中的每一者都小于整个周边86。然而，部分周边116、118组合在一起大于整个周边86。相应地，耐久带100、102、104、105提供的压向载荷的量可以变化。
耐久带100、102、104、105可以在轴向32上延伸通过涡轮叶片22，或在涡轮叶片22周围延伸。例如，耐久带100的圆周端124可以在轴向32上围绕涡轮机叶片22延伸，而耐久带100的相对圆周端126可以在轴向32上延伸通过涡轮叶片22。例如，在一些实施例中，耐久带100、102、104、105中的任何一者或其组合可以在涡轮叶片22外部周围(例如，在圆周端85中的一者周围)延伸、并且在叠层83之间的边界83中的任何一者之间延伸，从而在至少两个邻近层83的周向32和轴向36上包围截面周边。额外地或替代性地，涡轮叶片22可以包括一个或多个通孔130以容纳耐久带100、102、104、105，如图6所示。实际上，这样的配置在某些实施例中可能是需要的，因为这样可以避免使带设置在边界83之间，或者避免除了该配置之外的其他配置。因此，耐久带120可以在周向36上延伸通过通孔130。通孔130的形状131可以由一个截面来界定，所述截面穿过由层83的方向所界定的、可以大体容纳耐久带100、102、104、105的平面。例如，形状131可以为圆形、椭圆形、矩形或另一合适形状。
如图6所示，涡轮叶片22可以包括耐久带132，该耐久带没有围绕涡轮叶片22形成完整的环。相反，耐久带132只可以在涡轮叶片22的一个表面上在一个方向上(例如，在周向栅上)延伸。相应地，耐久带可以防止叠层82的子集分离。与耐久带118相比，耐久带132可以具有较小的质量和/或体积，这样可以减少涡轮叶片22的总质量和/或体积，从而增加涡轮的效率。在某些实施例中，涡轮叶片22可以包括没有围绕涡轮叶片22形成完整的环的耐久带132和围绕涡轮叶片22形成完整的环的耐久带23的组合。
图7为涡轮机叶片(例如，旋转或固定压缩机叶片28，或者旋转或固定涡轮叶片22)的前视图，其具有多个耐久带23(例如，140、142)，所述耐久带经配置以防止叠层82的分离并且提高涡轮机叶片的耐久性。为了清晰，涡轮叶片22将在下文中描述。然而，以下论述也适用于任何涡轮机叶片，例如压缩机叶片28。如图所示，耐久带140设置在径向位置144，而耐久带142设置在径向位置146。径向位置144从界面区66在径向34上向外设置，并且在涡轮叶片22的跨度72内。然而，耐久带142设置在界面区66内，并且在跨度72外。如先前所论述，耐久带142可以相对独立于(例如，相比于耐久带140)涡轮18的操作条件，而同时防止叠层82的分离。
所揭示的实施例的技术效果包括用于提高涡轮机叶片的耐久性的耐久带。所述耐久带可以防止涡轮机叶片的叠层的分离。此外，涡轮机叶片可以包括多个耐久带，每个耐久带都具有不同的特性，其设置在叶片的不同径向位置，以进一步防止叠层的分离。所述耐久带可以减少层间张力，减少叶片中破裂的可能性或大小，并且提供局部的压向载荷以提高涡轮机叶片的耐久性。
本说明书使用了多个实例来揭示本发明的实施例，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施任何所涵盖的方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。
Claims (20)
1.一种涡轮系统，其包括：
涡轮机，所述涡轮机包括：
转子，其形成所述涡轮机的纵轴；
第一叶片，所述第一叶片连接到所述转子，其中所述第一叶片包括第一叠层、第二叠层和从所述转子在径向方向上向外延伸的暴露部分；以及
第一耐久带，所述第一耐久带连接到所述第一叶片，并且经配置成通过提供压缩载荷来将所述第一叠层和所述第二叠层压到一起从而防止所述第一叠层与所述第二叠层分离；其中，所述第一耐久带设置在所述第一叶片的所述暴露部分上，并且所述第一耐久带与所述转子在径向方向上间隔设置。
2.根据权利要求1所述的涡轮系统，其中所述第一耐久带连接到所述第一叶片所采用的方式如下：用粘合剂，通过机械方式，或组合使用这两种方式。
3.根据权利要求1所述的涡轮系统，其中所述第一叶片在径向上朝远离所述纵轴的方向延伸，并且所述第一耐久带围绕所述第一叶片的周边设置在所述第一叶片上的第一径向位置处。
4.根据权利要求1所述的涡轮系统，其包括第二耐久带，所述第二耐久带连接到所述第一叶片并且经配置以防止所述第一叠层与所述第二叠层分离，其中所述第一耐久带围绕所述第一叶片的整个周边的第一部分延伸，并且所述第二耐久带围绕所述第一叶片的所述整个周边的第二部分延伸。
5.根据权利要求4所述的涡轮系统，其中所述第一部分与所述第二部分的组合大于或等于所述第一叶片的所述整个周边。
6.根据权利要求4所述的涡轮系统，其中所述第一耐久带和所述第二耐久带设置在所述第一叶片上的不同径向位置。
7.根据权利要求1所述的涡轮系统，其中所述第一叶片在径向上朝远离所述纵轴的方向延伸、并且包括设成接近所述纵轴的近端和设成远离所述纵轴的远端，所述第一叶片和所述转子在界面区连接，所述界面区包括所述第一叶片的所述近端以及所述转子的外圆周中的开口。
8.根据权利要求7所述的涡轮系统，其中所述第一叶片包括由暴露的近端和所述远端之间的距离界定的跨度，所述第一耐久带设置在所述第一叶片上的径向位置处，所述径向位置和所述近端界定一间隔，并且其中所述间隔小于或等于所述跨度的20％。
9.根据权利要求7所述的涡轮系统，其中所述第一耐久带设置在所述第一叶片上的第一径向位置处，介于所述界面区与所述第一叶片的所述远端之间。
10.根据权利要求9所述的涡轮系统，其包括第二耐久带，所述第二耐久带设置在所述第一叶片上的第二径向位置处，其中所述第二耐久带经配置以防止所述第一叠层与所述第二叠层分离。
11.根据权利要求10所述的涡轮系统，其中所述第二径向位置在所述界面区内。
12.根据权利要求7所述的涡轮系统，其中所述第一叶片的所述第一叠层和所述第二叠层沿所述径向方向定向，并且所述第一耐久带定向成与所述径向交叉。
13.根据权利要求1所述的涡轮系统，包括：
在所述涡轮机的第一轴向位置处连接到所述转子的所述第一叶片；
在第二轴向位置处连接到所述转子的第二叶片，所述第二轴向位置与所述第一轴向位置之间存在偏移，其中所述第二叶片包括第三叠层和第四叠层；以及
第二耐久带，所述第二耐久带连接到所述第二叶片并且经配置以防止所述第三叠层与所述第四叠层分离。
14.一种涡轮设备，其包括：
涡轮机叶片，所述涡轮机叶片经配置以安装在涡轮机的流体路径内，其中所述涡轮机叶片包括第一叠层、第二叠层和从转子在径向方向上向外延伸的暴露部分；以及
耐久带，所述耐久带连接到所述涡轮机叶片并且经配置以防止所述涡轮机叶片分离，所述耐久带经配置成通过提供压缩载荷来将所述第一叠层和所述第二叠层压到一起从而防止所述第一叠层与所述第二叠层分离；其中，所述耐久带设置在所述涡轮机叶片的所述暴露部分上，并且所述第一耐久带与所述转子在径向方向上间隔设置。
15.根据权利要求14所述的涡轮设备，其包括具有所述涡轮机叶片的所述涡轮机。
16.根据权利要求14所述的涡轮设备，其中所述涡轮机叶片和所述耐久带的材料成分包括下列至少其中之一：陶瓷、金属、聚合物，或其任何组合。
17.根据权利要求14所述的涡轮设备，其中所述耐久带的第一热膨胀系数小于或等于所述涡轮机叶片的第二热膨胀系数。
18.根据权利要求14所述的涡轮设备，其中所述耐久带和所述涡轮机叶片构成一体，形成整体结构。
19.根据权利要求14所述的涡轮设备，其中所述耐久带设置在所述涡轮机叶片上的径向位置处，介于所述涡轮机叶片的近端与远端之间，并且所述耐久带连接到所述涡轮机叶片所采用的方式如下：用粘合剂，通过机械方式，或组合使用这两种方式。
20.一种燃气涡轮发动机，包括：
压缩机，所述压缩机具有多个压缩机叶片并且经配置以压缩空气；
燃烧室，所述燃烧室经配置以从所述压缩机接收所述压缩空气并且通过燃烧压缩空气与燃料的混合物，生成燃烧产物；
涡轮，所述涡轮具有多个涡轮叶片并且经配置以从所述燃烧室接收所述燃烧产物；以及
耐久带，所述耐久带连接到所述多个压缩机叶片中的第一叶片或所述多个涡轮叶片中的第一叶片，其中所述第一叶片包括第一叠层、第二叠层和从转子在径向方向上向外延伸的暴露部分，并且所述耐久带经配置成通过提供压缩载荷来将所述第一叠层和所述第二叠层压到一起从而防止所述第一叠层与所述第二叠层分离；其中，所述耐久带设置在所述涡轮机叶片的所述暴露部分上，并且所述耐久带与所述转子在径向方向上间隔设置。
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