CN103485830B - 用于多材料翼型件的机械联锁特征部 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于多材料翼型件的机械联锁特征部。一种翼型件，具有第一母体材料和第二包裹材料，其中，母体材料和包裹材料为至少部分地不同的材料，并且其中，联锁区域形成于母体材料和包裹材料之间并具有联锁特征部。

Description

用于多材料翼型件的机械联锁特征部

技术领域

本实施例大致涉及燃气涡轮发动机。更具体而言但不以限制的方式，本实施例涉及针对提供用于多材料翼型件的机械联锁特征部的装置和方法。

背景技术

在涡轮发动机中，空气在压缩机中加压并且在燃烧器中与燃料混合以生成热的燃烧气体，热的燃烧气体向下游流动经过涡轮级。这些涡轮级从燃烧气体中提取能量。高压涡轮包括第一级喷嘴和转子组件，转子组件包括盘和多个涡轮叶片。高压涡轮首先从燃烧器接收热的燃烧气体并包括第一级定子喷嘴，第一级定子喷嘴将燃烧气体向下游导向经过从第一转子盘径向地向外延伸的一排高压涡轮转子叶片。在二级涡轮中，第二级定子喷嘴定位于第一级下游，之后继而为从第二转子盘径向地向外延伸的一排第二级涡轮叶片。定子喷嘴以一方式将热的燃烧气体导向以增加相邻下游涡轮叶片处的提取。

第一转子盘和第二转子盘由相对应的转子轴接合到压缩机用于在运行期间对压缩机提供动力。这些通常被称作高压涡轮。涡轮发动机可包括多级静态翼型件，通常被称作静叶，在通常被称作叶片的旋转翼型件之间沿发动机轴向方向隔开。多级低压涡轮在二级高压涡轮后方并且通常由第二轴接合到布置于典型涡轮风扇航行器发动机配置中的压缩机上游的风扇，用于对飞行中的航行器提供动力。

在燃烧气体向下游流动经过涡轮级时，从燃烧气体提取能量并且降低了燃烧气体的压力。燃烧气体用于对压缩机以及涡轮输出轴提供动力用于电力和船舶用途或者在航空用途中提供推力。以此方式，燃料能量被转换为旋转轴的机械能量以对压缩机提供动力并且供应使该过程持续所需的压缩空气。

燃气涡轮发动机的一个希望的特征或设计为改进翼型结构的性能。这可以以多种方式发生。改进翼型件性能的一个方式是利用用于翼型件的多材料设计。这将允许不同模量、密度或延展性的具体优点。其额外地允许在例如冲击条件的极限载荷条件下进行优化。然而，虽然将希望使用多材料，但基于材料本身，这些多材料经由例如焊接的现有技术的接合常常是不可能的。可研究其他选择，例如传统粘结接合。这些典型的粘结接合或搭接接合涉及到通过粘结剪切界面来转移荷载的材料界面。然而，希望改进粘着地粘结在一起的典型的剪切接合或搭接接合。还希望改进组合形成翼型件的材料的界面强度。

如从前文可看出，需要优化翼型件的性能。此外，需要优化叶片设计以包括更轻重量的材料同时提供涡轮发动机的叶片、翼型件和类似部件或者使用翼型件设计的其它构造所必需的强度特征。

发明内容

本公开的某些实施例涉及一种多材料翼型件，包括第一翼型部和第二翼型部，该第一翼型部可连接到转子盘，第一翼型部由第一材料形成，第一翼型部具有从其延伸的联锁特征部，该第二翼型部连接到第一翼型部的联锁特征部，第二翼型部从第一翼型部沿径向方向延伸，第二翼型部由至少部分地不同的材料形成。

根据某些实施例，一种用于多材料翼型件的机械联锁包括：前缘、后缘、柄端和对置顶端；可连接到转子盘的母体，母体由第一材料形成并且具有沿径向向上方向延伸的联锁特征部；包裹件，由与第一材料至少部分地不同的材料形成，包裹件限定对置顶端，包裹件具有用于接纳联锁特征部的腔，包裹件从母体沿径向方向延伸。

根据另外的实施例，一种用于多材料翼型件的机械联锁包括：第一翼型部，由第一材料形成并且具有沿径向向上方向延伸的联锁特征部；由第二材料形成的第二翼型部，其中，第二材料与第一材料至少部分地不同，第二翼型部从第一翼型部沿径向方向延伸；第二翼型部具有接纳联锁特征部的腔，第一翼型部和第二翼型部限定联锁区域，其中，布置联锁特征部和联锁腔。

一种用于多材料翼型件的机械联锁，包括：

第一翼型部，能够连接到转子盘，第一翼型部由第一材料形成；

第一翼型部具有从该第一翼型部延伸的联锁特征部；

第二翼型部，连接到第一翼型部的联锁特征部，第二翼型部从第一翼型部沿径向方向延伸；

第二翼型部由至少部分地不同的材料形成。

优选地，第一材料为第一复合物。

优选地，联锁特征部之一为倒置燕尾榫。

优选地，第一材料包括从第一翼型部的下部延伸到倒置燕尾榫中的多个连续纤维。

优选地，第二翼型部为与第一复合物不同的第二复合物。

优选地，第二翼型部为可塑泡沫或聚氨酯之一。

优选地，还包括与第一翼型部和第二翼型部重叠的覆层材料。

一种用于多材料翼型件的机械联锁，包括：

前缘、后缘、柄端和对置顶端；

能够连接到转子盘的母体，母体由第一材料形成并且具有沿径向向上方向延伸的联锁特征部；

包裹件，由与第一材料至少部分地不同的材料形成，包裹件限定对置顶端；

包裹件具有用于接纳联锁特征部的腔；

包裹件从母体沿径向方向延伸。

优选地，联锁特征部为倒置燕尾榫。

优选地，倒置燕尾榫具有成角度的表面。

优选地，倒置燕尾榫具有沿着翼型件的长度延伸的变化的厚度。

优选地，联锁特征部具有整体地形成于母体材料与燕尾榫之间的连续纤维。

优选地，母体材料和包裹材料为不同的材料。

优选地，还包括母体材料与包裹材料之间的覆层。

一种用于多材料翼型件的机械联锁，包括：

第一翼型部，由第一材料形成并且具有沿径向向上方向延伸的联锁特征部；

第二翼型部，由第二材料形成，其中，第二材料与第一材料至少部分地不同，第二翼型部从第一翼型部沿径向方向延伸；

第二翼型部具有接纳联锁特征部的腔；

第一翼型部和第二翼型部限定联锁区域，其中，布置联锁特征部和联锁腔。

优选地，联锁特征部为倒置燕尾榫。

优选地，第一材料包括从第一翼型部的径向下端延伸到联锁特征部中的连续纤维。

优选地，第一材料和第二材料为复合材料。

优选地，还包括延伸穿过联锁区域的覆层。

优选地，联锁特征部的特性能够沿翼展方向变化。

所有上文概述的特征应被理解为仅是示例性的并且可从本文的公开发现多材料翼形件的联锁特征部的许多另外的特征和目的。因此，在未进一步阅读本发明所包括的整个说明书、权利要求和附图的情况下，不应将本发明内容理解为限制性解释。

附图说明

通过参考以下结合了附图的实施例的描述，本公开的上述及其它的特征和优点以及达成它们的方式将变得更加明显并且将更佳地理解形状改变的翼型件，在附图中：

图1为示例性涡轮发动机的侧视截面小视图。

图2为风扇转子组件的侧视图。

图3为带有联锁特征部的示例性多材料翼型件的截面图。

图4为多材料翼型件的示例性母体部的立体图。

图5为带有联锁特征部的示例性多材料翼型件的截面图。

图6为示例性联锁特征部的侧视图，进一步描绘了用于形成联锁特征部的纤维材料。

具体实施方式

现将详细地参考所提供的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。以解释的方式提供各个示例，但不限制所公开的实施例。实际上，本领域技术人员将清楚在不脱离本公开的范围或要旨的情况下可在本实施例中进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可用于另一实施例以还产生又一实施例。因此本发明旨在涵盖属于所附权利要求及其等效物内的这些修改和变型。

本实施例提供一种翼型件，该翼型件可由各种材料的层形成。例如，一种材料可为聚合基质复合物(PMC)。根据第二实施例，材料可为陶瓷基质复合物(CMC)。可使用其它材料，如在本文中进一步描述，例如碳基材料，并且因此描述不应被认为有限制性。

术语前后相对于发动机轴线使用并且通常表示在发动机轴线的方向上分别朝向涡轮发动机的前部或涡轮发动机的后部。术语径向通常用于指示垂直于发动机轴线的方向。

现参考图1至图6，各个实施例描绘了针对提供用于多材料翼型件的机械联锁特征部的设备和方法。翼型件可使用涡轮发动机的任何多个位置，包括但不限于涡轮、压缩机、涡轮风扇和其它位置。此外，多材料也用于其它翼型件实施例，例如位于飞机、风力涡轮或船舶处或工业用途的翼、叶片、螺旋桨或其它部位。

首先，参考图1，示出了燃气涡轮发动机10的示意性侧视截面图，具有发动机入口端12、压缩机14、燃烧器16和多级高压涡轮20。燃气涡轮发动机10可用于航空、发电、工业、船舶等。取决于用途，发动机入口端12可备选地包含多级压缩机而非风扇。燃气涡轮10关于发动机轴线26或高压轴24成轴线对称，使得各种发动机部件绕发动机轴线26或高压轴24旋转。在运行中，空气通过发动机10的空气入口端12进入并且移动经过至少一个压缩级，其中，空气压力增加并导向燃烧器16。压缩空气与燃料混合并燃烧，从而提供热的燃烧气体，热的燃烧气体离开燃烧器16朝向高压涡轮20。在高压涡轮20处，从热的燃烧气体提取能量，从而引起涡轮叶片的旋转，而涡轮叶片的旋转继而引起轴24的旋转。轴24朝向发动机的前部传递以使一个或多个压缩机级14、涡轮风扇18或入口风扇叶片的旋转持续，这取决于涡轮设计。

轴线对称的轴24从前端到后端延伸穿过涡轮发动机10。轴24被轴承沿着轴24的长度支承。轴24可为中空以允许低压涡轮轴28在其中旋转。两个轴24、28可绕发动机的中心线或轴线26旋转。在运行期间，轴24、28连同连接到轴的其它结构例如涡轮20和压缩机14的转子组件一起旋转，以形成动力或推力，这取决于使用领域，例如电力、工业或航空。

仍参考图1，入口12包括具有多个叶片的涡轮风扇18。涡轮风扇18由轴28连接到低压涡轮19并且产生用于涡轮发动机10的推力。尽管关于涡轮19的各种叶片进行了讨论，但多材料翼型件可用于涡轮发动机10内的各种翼型件。此外，多材料叶片也可用于与非涡轮发动机的结构相关联的各种翼型件。

现参考图2，单个风扇叶片30的侧视图被描绘为连接到转子盘32。尽管示出并描述了风扇叶片，但用于翼型件形状的其它部件可利用所描述的多材料联锁特征部52(图3)。风扇叶片或翼型件还包括母体材料或第一部分34和包裹材料或第二部分36。转子盘32连接到轴，例如高压轴24(图1)或低压轴28(图1)。转子盘32随着轴的旋转而旋转，从而引起翼型件30的旋转。叶片或翼型件30包括根部，根部连接到例如涡轮发动机10的压缩机20、涡轮风扇18或涡轮20内的转子组件。例如，根可被接纳于转子盘32的腔中或者可利用与转子的其它机械连接。

从转子盘32沿径向方向延伸的是母体材料或第一部分34。母体包括通过根而连接到转子盘32的柄或下端。母体材料34可由各种材料例如金属或复合材料形成。术语复合材料被定义为具有嵌入于任何(金属或非金属)基质粘合剂中的任何(金属或非金属)纤维丝的材料。复合材料包括嵌入于环氧(即，环氧树脂)基质粘合剂中的纤维丝。用于复合材料中的纤维丝的其它选择包括但不限于玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维和硼纤维及其组合。用于基质树脂的其它选择包括但不限于双马来酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚酮、聚(芳基砜)、聚醚砜和氰酸酯及其组合。基质可额外地包括其它材料以使最终材料坚韧或加强。翼型件30可由多层复合材料形成，该多层复合材料彼此一层层地构建以形成翼型件30的所希望的形状。尽管在所描绘的实施例中示出了一定数量的层，但可利用更多的层或更少的层。根据一实施例，翼型件30可例如由聚合基质复合物(PMC)形成。根据其它实施例，可利用碳纤维、玻璃纤维或其某些组合并且可以沿弦向、翼展、倾斜的方向或其组合经过各个层或多个层铺设。

包裹材料36可由可塑材料例如可塑泡沫、复合材料或聚氨酯形成。包裹件可例如使用上文列出的材料中的任何材料以与母体材料34一起使用。然而，这些母体材料34和包裹材料36至少部分地不同并可完全不同。联锁区域50存在于母体34与包裹件36之间，在联锁区域50，母体材料34与包裹材料36接合在一起。联锁区域50描绘于图2中的虚线之间。

翼型件30还包括压力侧31和吸力侧33(图3)，其中，从前缘38到后缘40横跨吸力侧的距离通常比从前缘到后缘32横跨压力侧的距离更长。在燃气涡轮压缩机应用中，涡轮叶片30沿一方向旋转使得压力侧在吸力侧经过同一参考点之前经过该参考点。在蒸汽涡轮应用中，翼型件可沿一方向旋转使得吸力侧在压力侧经过同一参考点之前经过该参考点。

风扇叶片30还包括前缘38，用于压力叶片30的联锁区域50从靠近转子盘32的下端或柄42向上延伸到风扇叶片的唇缘或端44。风扇叶片30可为实心、中空、部分中空，总体上或部分上具有某些低密度材料。联锁区域50限定了区域，在该区域中，机械联锁特征部从母体材料34延伸到包裹材料36。

现参考图3，描绘了风扇叶片30的截面视图，联锁区域50在与图2所示的方向垂直的方向上清楚地示出。风扇叶片30描绘了母体材料34和包裹材料36以及联锁区域50。在联锁区域50内，设置联锁特征部52。根据一示例性实施例，联锁特征部52包括从母体34径向地向上延伸的倒置燕尾榫54。倒置燕尾榫54与母体34整体地形成，并且包裹件36包括腔56，腔56整体地形成以接纳联锁特征部52。腔56可具有与联锁特征部52的形状相对应的形状。因此，如示例性实施例中所示，腔56还包括凹型倒置燕尾形状以接纳母体34的相对应的凸型特征部。

如在图3中额外地示出，覆层70用于叶片的任一侧或两侧。覆层70可由与母体34和包裹件36类似或不同的各种材料形成。覆层70可通过紧固、粘合剂或各种其它方式附连。此外，应了解覆层70为可选的并且因此根据应用而可使用或可不使用。

现参考图4，示出从前缘38到后缘40观察时的母体34的立体图。联锁特征部52被示出具有在前缘38与后缘40之间变化的上厚度58。58处的厚度可根据沿着联锁区域50处的母体材料的点出现的预期荷载来设计(图3)。厚度58也可随叶片30的曲率而变化。

现参考图5，描绘了母体34的截面视图，而以虚线示出了包裹件36。机械联锁特征部52包括示例性倒置燕尾榫54。在此视图中，描绘了围绕联锁特征部52的各种设计参数。如上所述，宽度或厚度58可在叶片30或母体34的前缘38与后缘40之间变化。可基于包裹材料36的总重量来设计相邻尺寸80。类似地，具有角度西塔(θ)的成角度的表面84被示出从联锁特征部52的下部延伸并且从图示为与这些表面中的每一个表面相邻的竖直线测量。角度西塔 (θ)的尺寸允许在母体34与包裹件36之间最大的剪切界面荷载。颈部厚度82在燕尾榫的底部示出，该燕尾榫的尺寸也基于旋转荷载下的包裹材料36的总重量。联锁角的具体尺寸和作为结果的厚度将根据材料而定，以利用各种材料能力。可通过连续地添加复合材料层将倒置燕尾榫54构建成例如所希望的尺寸从而形成联锁特征部52。

现参考图6，描绘了母体材料34的额外侧视截面图。在本实施例中利用的一个特征可为从母体材料34延伸到联锁特征部52中的连续纤维90。从母体材料34延伸到联锁特征部52中的连续纤维90针对联锁特征部52而增加了剪切强度和抗张强度，联锁特征部52在某些实施例中包括倒置燕尾榫54。

尽管在本文中描述和说明了多个发明性实施例，但本领域中的普通技术人员将容易地想到执行该功能并/或获得结果和/或本文所描述的优点中的一个或多个优点的多种其它机构和/或结构，且这些变型和/或修改中的每一个被认为在本文所述的实施例的发明范围内。更一般而言，本领域中的技术人员应容易地了解本文所描述的所有参数、尺寸、材料和配置意图为示例性的且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用发明性教导的一个或多个具体应用。本领域中的技术人员将认识到或能够通过使用不过常规实验从而确定本文所述的具体发明性实施例的许多等效物。因此，应了解上述实施例仅以示例的方式呈现，且在所附权利要求及其等效物的范围内，发明性实施例可以以所具体描述和主张之外的方式来实践。本公开的发明性实施例是针对本文所述的各个单独的特征、系统、物件、材料、套件和/或方法。此外，如果这样的特征、系统、物件、材料、套件和/或方法并非相互不一致，则两个或更多的这样的特征、系统、物件、材料、套件和/或方法的任何组合包括于本公开的发明范围内。

使用示例来公开本实施例，包括最佳实施方式，且也能够使本领域中的任何技术人员实践装置和/或方法，包括做出和使用任何装置或系统并执行任何合并的方法。这些示例并不旨在详尽的或者将本公开限制成所公开的精确的步骤和/或形式，并且鉴于以上教导，许多修改和变型是可能的。本文所描述的特征可以以任何组合来组合。本文所描述的方法步骤可以以物理上可能的任何顺序来执行。

如本文所限定并使用的所有定义应被理解为控制词典定义、作为参考而合并的文献中的定义和/或限定术语的普通意义。如本文在说明书和权利要求书中所用的不定冠词“一”和“一个”，除非清楚地指示为相反意义，则应被理解为意味“至少一个”。如在本文中在说明书和权利要求中的词语“和/或”应被理解为表示如此联合的元件中的“任一者或两者”，该元件即在某些情况下联合地存在且在其它情况下分离地存在的元件。

还应了解，除非清楚地表示为相反情况，则在本文所主张的包括多于一个步骤或动作的任何方法中，方法的步骤或动作的次序未必限于所述方法的步骤或动作的次序。

在权利要求中，以及在上文的说明书中，所有连接词语，例如“包括”、“含有”、“携带”、“具有”、“包含”、“涉及”、“保持”、“构成”等应被理解为开放的，即，表示包括但不限于。仅连接词语“由……组成”和“基本上由……组成”应被分别是封闭的或半封闭的连接词语，如《United States Patent Office Manual of Patent Examining Procedures》第2111.03节所阐明。

Claims (12)

1.一种用于多材料翼型件的机械联锁，包括：

第一翼型部，能够连接到转子盘，所述第一翼型部由第一非金属复合材料形成；

所述第一翼型部具有从该第一翼型部延伸的联锁特征部；

第二翼型部，连接到所述第一翼型部的所述联锁特征部，所述第二翼型部从所述第一翼型部沿径向方向延伸；

所述第二翼型部由至少部分地不同的非金属复合材料形成，其中，所述联锁特征部之一为倒置燕尾榫，并且，其中所述第一非金属复合材料包括从所述第一翼型部的下部延伸到所述倒置燕尾榫中的多个连续纤维。

2.根据权利要求1所述的机械联锁，其特征在于，所述第二翼型部为与所述第一非金属复合材料不同的第二非金属复合材料。

3.根据权利要求1所述的机械联锁，其特征在于，所述第二翼型部为可塑泡沫或聚氨酯之一。

4.根据权利要求1所述的机械联锁，其特征在于，还包括与所述第一翼型部和所述第二翼型部重叠的覆层材料。

5.一种用于多材料翼型件的机械联锁，包括：

前缘、后缘、柄端和对置顶端；

能够连接到转子盘的母体，所述母体由第一非金属复合材料形成并且具有沿径向向上方向延伸的联锁特征部；

包裹件，由与所述第一非金属复合材料至少部分地不同的非金属复合材料形成，所述包裹件限定所述对置顶端；

所述包裹件具有用于接纳所述联锁特征部的腔；

所述包裹件从所述母体沿径向方向延伸，其中，所述联锁特征部为倒置燕尾榫，并且，其中所述联锁特征部具有整体地形成于所述母体材料与所述燕尾榫之间的连续纤维。

6.根据权利要求5所述的机械联锁，其特征在于，所述倒置燕尾榫具有成角度的表面。

7.根据权利要求5所述的机械联锁，其特征在于，所述倒置燕尾榫具有沿着所述翼型件的长度延伸的变化的厚度。

8.根据权利要求5所述的机械联锁，其特征在于，所述母体材料和所述包裹件为不同的材料。

9.根据权利要求5所述的机械联锁，其特征在于，还包括所述母体材料与所述包裹件之间的覆层。

10.一种用于多材料翼型件的机械联锁，包括：

第一翼型部，由第一非金属复合材料形成并且具有沿径向向上方向延伸的联锁特征部；

第二翼型部，由第二非金属复合材料形成，其中，所述第二非金属复合材料与所述第一非金属复合材料至少部分地不同，所述第二翼型部从所述第一翼型部沿径向方向延伸；

所述第二翼型部具有接纳所述联锁特征部的腔；

所述第一翼型部和所述第二翼型部限定联锁区域，其中，布置所述联锁特征部和接纳所述联锁特征部的腔，其中，所述联锁特征部为倒置燕尾榫，其中，所述第一非金属复合材料包括从所述第一翼型部的径向下端延伸到所述联锁特征部中的连续纤维。

11.根据权利要求10所述的机械联锁，其特征在于，还包括延伸穿过所述联锁区域的覆层。

12.根据权利要求10所述的机械联锁，其特征在于，所述联锁特征部的特性能够沿翼展方向变化。