CN104047639B - 用于具有圆角过渡区的复合叶片的系统及方法 - Google Patents
用于具有圆角过渡区的复合叶片的系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于具有圆角过渡区的复合叶片的系统及方法。一种系统包括涡轮机叶片节段，其包括具有外表面的翼型部，以及具有第一侧和第二侧的联接到翼型部上的平台。系统还包括在翼型部与平台之间延伸的凹入圆角过渡区。凹入圆角过渡区包括延伸越过翼型部的外表面和平台的第一侧或第二侧的一个或更多个界面板层节段，以形成翼型部与平台之间的连续表面。
Description
关于联邦政府资助的研究和开发的声明
本发明是在由能源部资助的拨款号DE-FC26-05NT42643-ARRA下利用政府支持制作出的。政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
本文公开的主题涉及涡轮机，并且更具体地涉及涡轮机叶片。
背景技术
涡轮机包括压缩机和涡轮，诸如燃气涡轮、蒸汽涡轮、喷气发动机和水轮机。大体上，涡轮机包括转子，该转子可为轴或转鼓，以支持涡轮机。各个涡轮机叶片可包括叶片部分和平台或底座部分。令人遗憾的是，叶片部分与平台之间的界面可为可易于应力集中的尖角或接头。因此，可合乎需要的是改进界面来减小应力并延长涡轮机叶片的寿命。
发明内容
在下面概括在范围上与最初要求权利的本发明相称的某些实施例。这些实施例不意图限制要求权利的本发明的范围，而是相反地，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概括。实际上，本发明可包含可与在下面提出的实施例相似或不同的各种形式。
在第一实施例中，一种系统包括涡轮机叶片节段，其包括具有外表面的翼型部，以及具有第一侧和第二侧的联接到翼型部上的平台。该系统还包括在翼型部与平台之间延伸的凹入圆角过渡区。凹入圆角过渡区包括延伸越过翼型部的外表面和平台的第一侧或第二侧的一个或更多个界面板层节段，以形成翼型部与平台之间的连续表面。
在第二实施例中，一种系统包括涡轮机叶片节段，其具有多个翼型部层、多个平台层和一个或更多个圆角节段。多个翼型部层层压到彼此上以形成翼型部。多个平台层层压到彼此上以形成平台，并且平台联接到翼型部上。多个圆角节段延伸越过翼型部的外表面，并且延伸到多个平台层中，使得多个圆角节段中的至少一个交织到多个平台层中。
在第三实施例中，一种方法包括层压多个翼型部层来形成涡轮机叶片的翼型部。该方法还包括层压多个平台层来形成涡轮机叶片的平台。该方法还包括将多个界面板层节段设置成越过翼型部的第一外表面和平台的第二外表面，以形成翼型部与平台之间的凹入圆角过渡区。
一种系统，包括：涡轮机叶片节段，其包括：包括外表面的翼型部；联接到翼型部上的平台，平台包括第一侧和第二侧；以及在翼型部与平台之间延伸的凹入圆角过渡区，其中，凹入圆角过渡区包括延伸越过翼型部的外表面和平台的第一侧或第二侧的一个或更多个界面板层节段，以形成翼型部与平台之间的连续表面。
优选地，翼型部包括多个翼型部板层的层，平台包括多个平台板层的层，并且多个翼型部板层的层和多个平台板层的层均包括遍及第一陶瓷基材料分布的多条第一陶瓷纤维。
优选地，一个或更多个界面板层节段包括遍及第二陶瓷基材料分布的多条第二陶瓷纤维。
优选地，第二陶瓷基材料内的多条第二陶瓷纤维的密度可变化。
优选地，多个平台板层的层与一个或更多个界面板层节段交织。
优选地，多个翼型部层、多个平台板层的层、一个或更多个界面板层节段或它们的组合利用化学处理和/或冶金处理固定到彼此上。
优选地，涡轮机叶片节段包括由翼型部、平台与凹入圆角过渡区之间的空间限定的填料区。
优选地，填料区填充有多条陶瓷纤维件、悬置在第三陶瓷基材料中的多条陶瓷纤维件，或它们的组合。
一种系统，包括：涡轮机叶片节段，包括层压到彼此上以形成翼型部的多个翼型部层；层压到彼此上以形成平台的多个平台层，其中，平台联接到翼型部上；以及多个圆角节段，其延伸越过翼型部的外表面并且延伸到多个平台层中，使得多个圆角节段中的至少一个交织到多个平台层中。
优选地，多个翼型部层、多个平台层、多个圆角节段或它们的组合包括遍及陶瓷基材料分布的多条陶瓷纤维。
优选地，多个圆角节段通过将陶瓷基材料的板切割成较小的区段来形成。
优选地，交织到多个平台层中的多个圆角节段中的各个形成翼型部与平台之间的凹入圆角过渡区。
一种方法，包括：层压多个翼型部层来形成涡轮机叶片的翼型部；层压多个平台层来形成涡轮机叶片的平台；以及将多个界面板层节段设置成越过翼型部的第一外表面和平台的第二外表面以形成翼型部与平台之间的凹入圆角过渡区。
优选地，该方法包括通过将多个界面板层节段中的一个设置在多个平台层之间来使多个界面板层节段中的一个交织在多个平台层内。
优选地，该方法包括在交织到多个平台层中的多个界面板层节段中的各个之间形成凹入圆角过渡区。
优选地，该方法包括将填料区形成在翼型部、平台与凹入圆角过渡区之间。
优选地，该方法包括以多个陶瓷纤维件、悬置在陶瓷基材料中的多个陶瓷纤维件或它们的组合来填充填料区。
优选地，多个翼型部层、多个平台层和多个界面板层节段利用化学处理或冶金处理固定到彼此上。
优选地，该方法包括使多个界面板层节段与彼此重叠来形成凹入圆角过渡区。
优选地，凹入圆角过渡区从翼型部的末端延伸至平台的边缘。
附图说明
当参照附图来阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，在该附图中，相似标号遍及附图表示相似的部件，其中：
图1为具有燃气涡轮系统、蒸汽涡轮和余热回收蒸汽发生(HRSG)系统的联合循环发电系统的实施例的简图；
图2为根据本公开的实施例的复合涡轮机的局部截面轴向视图，示出了具有凹入圆角过渡区的沿轴向安装的复合涡轮机叶片；
图3为根据本公开的实施例的具有一个或更多个凹入圆角过渡区的复合涡轮机叶片的截面周向视图；
图4为根据本公开的实施例的具有交织圆角过渡区的复合涡轮机叶片的局部截面周向视图；
图5为分段的板层板的实施例，示出了一个或更多个界面板层节段(即，板层的层或板层条)；以及
图6为具有界面板层节段的层的复合涡轮机叶片的实施例，其中，界面板层节段的层形成凹入圆角过渡区。
具体实施方式
将在下面描述本申请的一个或更多个特定实施例。为了提供这些实施例的简明描述，可不在说明书中描述实际实施的所有特征。应当理解，在任何这种实际实施的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须作出许多特定实施决定以实现开发者的特定目的，诸如符合系统相关且商业相关的约束，这可从一个实施变化到另一个实施。此外，应当理解，这种开发努力可为复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的技术人员而言，仍将是设计、制作和制造的日常工作。
当介绍本申请的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在元件中的一个或更多个。用语“包括”、“包含”和“具有”意图是包含的，并且表示可存在除了列出的元件之外的附加元件。
公开的实施例包括涡轮机叶片(例如，复合叶片)，其具有复合叶片部分(例如，翼型部)、复合平台，以及翼型部与平台之间的过渡区段。更具体而言，在某些实施例中，过渡区段包括凹入圆角过渡区，其延伸越过翼型部的外表面并且越过复合涡轮机叶片的平台。如下文详细讨论的，复合翼型部和复合平台可由复合材料(例如，陶瓷基复合(CMC)材料)的一个或更多个层压层形成为单件。当复合材料的层组装好时，也可由CMC材料形成的一个或更多个板层节段沿翼型部(例如，沿翼型部的外表面)和平台组装来形成凹入圆角过渡区。如下文所述，凹入圆角过渡区提供翼型部与平台之间的平稳且连续的界面，以克服振动应力和过早磨损和退化来向复合涡轮机叶片提供附加支承。
在某些实施例中，凹入圆角过渡区的一个或更多个板层节段(例如，平行板层节段)从翼型部的外表面延伸，在翼型部和平台联接的转角处弯曲，并且延伸越过平台的外表面的长度。在其它实施例中，一个或更多个板层节段中的至少一个从翼型部的外表面延伸，在翼型部和平台联接的转角处弯曲，交织到平台的层压层中，并且延伸越过平台的内表面的长度。此外，填料区(例如，填充有材料的中空区)可形成在翼型部和平台联接的转角处，并且形成在凹入圆角过渡区、翼型部与平台之间的空间(例如，空隙)中。在某些实施例中，填料区可填充有陶瓷纤维件，其中，陶瓷纤维件悬置在CMC材料、切断的纤维树脂、未增强的树脂或它们的组合中。
如下文详细讨论的，凹入圆角过渡区可由一个或更多个板层节段(例如，平行板层节段)形成来产生翼型部与平台之间的一个或更多个连续层。在某些实施例中，板层板以如下方式分段成板层节段(例如，板层条)，使得在组装在翼型部和平台上以形成凹入圆角过渡区时，板层节段抵靠彼此，但不与彼此重叠。在其它实施例中，板层板以如下方式分段成板层节段(例如，板层条)，使得板层节段彼此重叠来在翼型部和平台上产生一个或更多个薄层。此外，在某些实施例中，在板层板的CMC材料中分散的多条纤维比在用于形成翼型部和/或平台的CMC材料或层中的多。在这些实施例中，形成凹入圆角过渡区的板层板内的CMC材料的附加纤维可起作用成增大对复合涡轮机叶片上的振动负载的阻力。
现在转到附图，图1为具有带叶片系统的各种复合涡轮机的联合循环系统10的实施例的示意性框图。特别地，涡轮机包括复合涡轮机叶片(即，复合涡轮机叶片节段)，其可具有叶片部分(例如，翼型部)、具有平台和燕尾部的底座部分，以及桥接、联接和/或延伸越过翼型部和平台的一个或更多个凹入圆角过渡区段。具体而言，复合涡轮机叶片的各个凹入圆角过渡区段延伸越过翼型部的外表面和越过平台，以产生翼型部与其相应的平台之间的平稳且连续的过渡区。
如示出的，联合循环系统10包括燃气涡轮系统11，其具有压缩机12、带燃料喷嘴16的一个或更多个燃烧器14，以及燃气涡轮18。燃料喷嘴16发送液体燃料和/或气体燃料(诸如天然气体或合成气)到燃烧器14中。燃烧器14点燃并且燃烧燃料空气混合物，并且接着将所得的热加压燃烧气体20(例如，排气)传递到燃气涡轮18中。燃气涡轮18包括涡轮叶片22，涡轮叶片22联接到转子24上。各个复合叶片22包括翼型部和平台(如图2所示)。特别地，如下文所述，涡轮叶片22(例如，复合叶片)包括桥接各个涡轮叶片22的翼型部和平台的一个或更多个凹入圆角过渡区段以产生平稳的过渡界面。当燃烧气体20穿过燃气涡轮18中的涡轮叶片22时，燃气涡轮18被驱动而旋转，这引起转子24沿旋转轴线25旋转。最后，燃烧气体20经由排气出口26(例如，排气管道、排气管、消音器等)离开燃气涡轮18。
在所示的实施例中，压缩机12包括压缩机叶片28(例如，复合叶片)。压缩机12内的压缩机叶片28也联接到转子24上，并且在转子24被如上文所述的燃气涡轮18驱动而旋转时旋转。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加压空气30，加压空气30被发送至燃烧器14、燃料喷嘴16和联合循环系统10的其它部分。接着，燃料喷嘴16混合加压空气30和燃料来产生适合的燃料空气混合物，其在燃烧器14中燃烧以生成燃烧气体20来驱动涡轮18。此外，转子24可联接到第一负载31上，第一负载31可经由转子24的旋转来提供功率。例如，第一负载31可为可经由联合循环系统10的旋转输出生成功率的任何适合的装置，诸如，发电站或外部机械负载。例如，第一负载31可包括发电机、飞机的螺旋桨等。
系统10还包括蒸汽涡轮21，其具有用于驱动第二负载23(例如，经由轴27的旋转)的叶片(例如，复合叶片)。例如，第二负载23可为用于生成电功率的发电机。然而，第一负载31和第二负载23两者可为能够由燃气涡轮系统11和蒸汽涡轮21驱动的其它类型的负载。此外，虽然燃气涡轮系统11和蒸汽涡轮21在所示的实施例中驱动单独的负载(例如，第一负载31和第二负载23)，但燃气涡轮系统11和蒸汽涡轮23还可串联使用来经由单个轴驱动单个负载。
系统10还包括HRSG系统35。来自涡轮18的加热的排出气体29输送到HRSG系统35中来加热水以产生用于向蒸汽涡轮21提供功率的蒸汽33。如将理解的，HRSG系统35可包括各种节约器、冷凝器、蒸发器、加热器等，以生成和加热用于向蒸汽涡轮21提供功率的蒸汽33。由HRSG系统35产生的蒸汽33穿过蒸汽涡轮21的涡轮叶片。当蒸汽33穿过蒸汽涡轮21中的涡轮叶片时，蒸汽涡轮21被驱动而旋转，这引起轴27旋转，从而向第二负载23提供功率。
在以下讨论中，可提到各种方向或轴线，诸如，沿轴线25的轴向方向32、远离轴线25的径向方向34，以及围绕涡轮18的轴线25的周向方向36。此外，如上文提到的，虽然下文所述的圆角过渡区可与涡轮机(例如，压缩机12、燃气涡轮18或蒸汽涡轮21)内的多种复合涡轮机叶片中的任一个一起使用，但以下讨论在涡轮18(例如，燃气涡轮)的背景下描述了改进的复合涡轮机叶片。
图2为具有联接到转子24上的涡轮叶片22的涡轮18的实施例的局部截面轴向视图，示出了各个相应的涡轮叶片22的凹入圆角过渡区50。特别地，各个凹入圆角过渡区50使各个涡轮叶片22的叶片部分(例如，翼型部52)与各个涡轮叶片22的平台54桥接。
各个涡轮叶片22可具有燕尾部56(例如，安装节段部分或燕尾插入件)，其构造成与凹口或槽口58(诸如轴向槽口或周向槽口)接合。例如，燕尾部56可与形成在转子24中的第二燕尾部分或燕尾槽口接合。例如，在一个实施例中，槽口58可完全围绕(例如，环绕)转子24沿周向方向36延伸。在另一个实施例中，转子24可包括沿周向围绕转子24与彼此间隔开的多个轴向槽口58。所示的实施例示出了联接到转子24上的涡轮叶片22的单级60。如本文使用的，涡轮叶片22的"级"是指在沿转子24的某一轴向地点32处围绕转子24沿周向36延伸的那些涡轮叶片22。此外，如上文提到的，所示的实施例中的涡轮叶片22沿轴向32安装(例如，通过燕尾部56)在燕尾槽口58中。换言之，形成在转子24中的槽口58沿转子24轴向地32延伸。如将理解的，各个相应的涡轮叶片22的燕尾部56可通过将燕尾部56沿轴向32插入到槽口58中来联接到转子24上。
如示出的，各个涡轮叶片22包括翼型部52、燕尾部56和柄62。另外，翼型部52为叶片22的叶片部分，同时平台54、燕尾部56和柄62限定叶片22的底座部分或安装部分。各个涡轮叶片22可由多个层压层(例如，板层)形成为单件。各个层压层可由复合材料(诸如陶瓷基复合材料(例如，聚合物基复合材料))构成，并且可具有嵌入陶瓷基质中的多条陶瓷纤维。特别地，在某些实施例中，通过各个翼型部层112(见图3)的陶瓷基复合材料分散的多条陶瓷纤维可近似相同。在其它实施例中，通过各个翼型部层112的陶瓷基复合材料分散的多条纤维可变化来增大或减小翼型部上的振动负载的阻力。如将理解的，复合材料可能够经受较高的温度，并且具有比金属材料更长的寿命。此外，复合材料需要的冷却可比金属材料更少。
如下文详细讨论的，各个涡轮叶片22的燕尾部56可构造成设置在涡轮18的转子24内的槽口58(例如，凹口)内。此外，各个涡轮叶片22的平台54可沿转子24的外表面设置，并且可沿周向36和/或沿轴向32垂直于其涡轮叶片22。在某些实施例中，凹入圆角过渡区50从翼型部52的外表面延伸，在翼型部52和平台54联接的转角64处弯曲，并且延伸越过平台54的外表面来产生翼型部52与平台54之间的连续且平稳的过渡区。在这些实施例中，凹入圆角过渡区增强翼型部52和平台54联接的转角64，并且克服振动应力向涡轮叶片22提供附加支承。此外，凹入圆角过渡区50对涡轮叶片22上的层压保护涂层提供附加保护，并且可减小可缩短涡轮叶片22的使用寿命的保护涂层的开裂或退化。
图3为图2的涡轮叶片22的实施例的截面周向视图，示出了在涡轮叶片22的翼型部52与平台54之间产生平稳的连续层的凹入圆角过渡区50。特别地，凹入圆角过渡区50均由一个或更多个平行的板层节段形成，其从涡轮叶片22的外表面70延伸、在翼型部52和平台54联接的转角64处弯曲，并且延伸越过平台54的外表面72的长度。
在所示的实施例中，翼型部52延伸至涡轮叶片22的末端74，而燕尾部56和柄62延伸至涡轮叶片22的尾端76。涡轮叶片22的燕尾部56(例如，安装节段部分)可具有燕尾构造，并且可构造成设置在涡轮18内的转子24的槽口58或凹口(如图2所示)内。此外，平台54可在燕尾部56定位在转子24的槽口58内时在左侧78上和在右侧80上从燕尾部56沿侧向延伸。即，平台54可设置在涡轮叶片22的压力侧(即，右侧80)上和涡轮叶片22的吸入侧(即，左侧78)上。
如上文提到的，涡轮叶片22包括翼型部52、燕尾部56和柄62。此外，涡轮叶片22包括平台54，其联接到翼型部52上，以将涡轮叶片22固定在转子24中，并且限定涡轮18内的流动路径(例如，用于燃烧产物20)。在某些实施例中，通过将一组预先布置的翼型部52板层的层放置成与一组预先布置的平台54板层的层紧密接触来将涡轮叶片22组装在模具结构81内。特别地，一组预先布置的翼型部52板层的层可垂直于模具结构81内的一组预先布置的平台54板层的层布置。在某些实施例中，一个或更多个界面板层节段126(例如，界面板层条、多个板层和/或组成凹入圆角过渡区50的板层节段)布置在模具结构81内来形成凹入圆角过渡区50。特别地，界面板层节段126可从涡轮叶片22的末端74向下朝转角64延伸，并且可继续越过平台54的长度。例如，界面板层节段126可沿涡轮叶片22的外表面70向下朝转角64放置，并且延伸越过右侧78或左侧80上的平台54的长度。在其它实施例中，一个或更多个界面板层节段126可从涡轮叶片22的尾端76向上朝转角64延伸，并且在右侧78或左侧80上继续越过平台54的长度。在某些实施例中，模具结构81内的完全组装好的涡轮叶片22在高压釜中加压来压实翼型部52、平台54和凹入圆角过渡区50的预先布置的层压板层的层。利用层压的板层的层的压实，板层的有机挥发物被除去，并且板层的层渗有树脂(例如，熔融的硅)。渗透的层固化成最终涡轮叶片22。特别地，凹入圆角过渡区50结合到涡轮叶片22的最终架构中，以产生翼型部52与平台54之间的实心且密集的过渡区。在某些实施例中，涡轮叶片22(包括翼型部52、燕尾部56、柄62和平台54)组装好并且接着利用化学处理和/或冶金处理来固定到彼此上。例如，翼型部层112、平台层110和界面板层节段126利用化学处理或冶金处理固定到彼此上。
此外，在某些实施例中，填料区82(即，中空区或内转角)限定为形成在凹入圆角过渡区50与翼型部52和/或平台54之间的转角64处的空间。换言之，填料区82为各个凹入圆角过渡区50的内转角。在某些实施例中，填料区82可基于转角64处的凹入圆角过渡区50的近似弯曲度84来在尺寸上增大或减小。例如，较大的弯曲度84(例如，近似100度至170度之间的角)可导致较大的填料区82。同样地，较小的弯曲度84(例如，近似40度至80度之间的角)可导致较小的填料区82。在其它实施例中，填料区82的尺寸可基于形成凹入圆角过渡区50的板层节段的厚度来增大或减小。例如，较薄的板层节段可形成较大的填料区82。在又一些实施例中，填料区82的尺寸可基于设置在填料区82内的填料材料的量。填料区82可填充有陶瓷纤维件，其中，陶瓷纤维件悬置在CMC材料、切断的纤维树脂、纤维增强的板层、未增强的纤维树脂或它们的组合中。特别地，凹入圆角过渡区50在转角64处弯曲，以在设置在填料区82内的材料之上形成平稳过渡区，使得凹入圆角过渡区50与填料区82内的材料之间的空隙空间减小。
在所示的实施例中，凹入圆角过渡区50由一个或更多个板层节段126(例如，板层条)形成，该一个或更多个板层节段126在涡轮叶片22的末端74处的涡轮叶片22的外表面70上的顶点86处开始。板层节段126朝涡轮叶片22的底座76继续向下，并且在翼型部52联接到平台54上的转角64处弯曲。在转角64处弯曲之后，板层节段在终止于平台边缘点88处之前延伸越过平台54的外表面72。在其它实施例中，板层节段可在涡轮叶片22的外表面70上的中线点90处开始，或者在涡轮叶片22的外表面70上的翼型部基点92处开始。实际上，板层节段还可在顶点86与基点92之间的任何点处开始。同样地，在所示的实施例中，另一个凹入圆角过渡区50在涡轮叶片22的底座76处的涡轮叶片22的外表面70上的终点94处开始。在该实施例中，板层节段继续向上朝涡轮叶片22的末端74，并且在翼型部52联接到平台54上的转角64处弯曲。在转角64处弯曲之后，板层节段在终止于平台边缘点89处之前继续延伸越过平台54的外表面72的长度。
在一些实施例中，环境阻隔涂层(EBC)79的层(例如，单层或多个层)可施加到暴露于高温流的涡轮叶片22、翼型部52和/或平台54的表面上。在其它实施例中，EBC79可施加到具有平稳过渡区或连续表面(诸如，凹入圆角过渡区50)的涡轮叶片22、翼型部52和/或平台54的任何表面上。例如，EBC79的层可施加到凹入圆角过渡区50的外表面72上，使得EBC79覆盖例如从顶点86和/或终点94到平台边缘点88,89的凹入圆角过渡区50。在一些情形中，EBC79可保护涡轮叶片22免受由系统内的流动通路条件引起的衰退。EBC79可由复合材料(诸如陶瓷基复合材料(例如，聚合物基复合物))形成。
图4为图2的涡轮叶片22的实施例的截面周向视图，示出了交织到多个平台层110中的一个或更多个凹入圆角过渡区50(例如，100,102,104和106)。特别地，如下文在图5-6中所述，各个凹入圆角过渡区100,102,104或106由一个或更多个界面板层的层126(例如，板层节段或板层条)形成。如示出的，涡轮叶片22(包括翼型部52、燕尾部56、柄62和平台54)由多个层压层或板层形成。例如，翼型部52由多个翼型部层112(例如，翼型部板层的层或翼型部板层)形成，而平台54由多个平台层110(例如，平台板层的层或平台板层)形成。同样地，凹入圆角过渡区50(例如，100,102,104或106)由界面板层126形成。在所示的实施例中，各个凹入圆角过渡区50由界面板层节段126的单个不重叠的层形成(如图5-6中进一步所述)。在其它实施例中，各个凹入圆角过渡区50可由界面板层节段126的两层、三层、四层、五层、六层、七层或更多层形成。在一些实施例中，翼型部层112、平台层110和界面板层的层可由具有嵌入其中的陶瓷纤维114的陶瓷基材料116形成。特别地，陶瓷纤维114的浓度可在翼型部层112、平台层110与界面板层的层126之间变化。例如，翼型部层112和平台层110的陶瓷基材料116内的陶瓷纤维114的浓度(例如，密度)可近似相同。通过又一个实例，界面板层的层的陶瓷基材料116内的陶瓷纤维114的浓度(例如，密度)可大于翼型部层112和平台层110内的浓度。在一些实施例中，界面板层的层的陶瓷基材料116内的陶瓷纤维114的浓度(例如，密度)可变化，使得界面板层的层内的浓度可等于或小于翼型部层112和平台层110内的浓度。
如上文所述，凹入圆角过渡区50可布置成使得其结合到涡轮叶片22的最终架构中，以产生翼型部52的外表面70与平台54的外表面72之间的实心且密集的过渡区。例如，凹入圆角过渡区100和106延伸越过翼型部52的外表面70和平台54的外表面72。在其它实施例中，一个或更多个凹入圆角过渡区50布置成使得它们交织到多个平台层110中。例如，凹入圆角过渡区102和104布置在平台54的内表面111上。在所示的实施例中，凹入圆角过渡区102和104中的各个由若干平台层110分开。在其它实施例中，一个或更多个凹入圆角过渡区102和104可邻近彼此，而相邻的凹入圆角过渡区102和104可由若干平台层110分开。
在某些实施例中，涡轮叶片22(包括翼型部52、燕尾部56、柄62和平台54)由多个层压的层和板层形成。例如，涡轮叶片22的翼型部52可具有10到1000个、50到500个、100到400个或200到300个翼型部层112。如上文提到的，翼型部层112可层压来形成翼型部52。同样地，平台层110可层压来形成平台54，而界面板层的层可层压来形成凹入圆角过渡区50(例如，100,102,104或106)。特别地，翼型部层112沿涡轮叶片22(例如，沿径向34方向)纵向地定向。翼型部层112和平台层110可由具有嵌入其中的陶瓷纤维114的陶瓷基材料116形成。陶瓷基材料116和陶瓷纤维114可为相同的材料，或可由不同的材料制成。如示出的，陶瓷纤维114大体沿相应的层的方向定向在陶瓷基材料116内。此外，界面板层的层126也由具有嵌入其中的陶瓷纤维114的陶瓷基材料116形成。特别地，陶瓷纤维114的浓度可在翼型部层112、平台层110与界面板层的层126之间变化。例如，在某些实施例中，嵌入翼型部层112中的陶瓷纤维114之间的距离118可大于嵌入到凹入圆角过渡区50中的陶瓷纤维114之间的距离120。在其它实施例中，距离118可等于或小于距离120。换言之，翼型部层112或平台层110中的陶瓷纤维114的浓度小于凹入圆角过渡区50的界面板层的层中的陶瓷纤维114的浓度。
如上文所述，填料区82(例如，中空区或内转角)限定为形成在各个凹入圆角过渡区50、翼型部52和/或平台54之间的转角64处的空间。例如，在所示的实施例中，各个凹入圆角过渡区50(例如，100,102,104或106)与填料区82相关联。各个填料区82位于相应的凹入圆角过渡区50(例如，100,102,104或106)的内转角中。此外，各个填料区82可填充有陶瓷纤维件122。例如，陶瓷纤维件122可为陶瓷纤维件，其悬置在CMC材料、切断的纤维树脂、纤维增强的板层、未增强的纤维树脂或它们的组合中。如上文所述，各个凹入圆角过渡区50在转角64处弯曲，以形成设置在填料区82内的陶瓷纤维件122之上的平稳过渡区，使得减小了凹入圆角过渡区50与陶瓷纤维件122之间的空隙空间。特别地，填料区82内的陶瓷纤维件122的浓度可大于界面板层的层、翼型部层122或平台层110内的陶瓷纤维114的浓度。在其它实施例中，填料区82内的陶瓷纤维件122的浓度可等于或小于界面板层的层、翼型部层122或平台层110内的陶瓷纤维114的浓度。
图5为分段的板层板124的实施例，示出了一个或更多个界面板层节段126(例如，板层的层或板层条)。如上文所述，凹入圆角过渡区50(例如，100,102,104或106)由界面板层126形成。在某些实施例中，各个凹入圆角过渡区50由界面板层节段126的单个不重叠的层形成(如图6中进一步所述)。在其它实施例中，各个凹入圆角过渡区50可由界面板层节段126的两层、三层、四层、五层、六层、七层或更多层形成，使得界面板层节段126的附加层向涡轮叶片22提供较大的支承，而不损害涡轮叶片22的结构形状。
在所示的实施例中，分段的板层板124由复合材料(诸如陶瓷基复合材料(例如，聚合物基复合物))形成，并且可具有嵌入在陶瓷基质116中的多条陶瓷纤维114。特别地，在某些实施例中，通过分段的板层板124分散的多条陶瓷纤维114可多于通过翼型部层112或平台层110分散的多条陶瓷纤维114。在一些实施例中，通过分段的板层板124分散的多条陶瓷纤维114可少于或等于通过翼型部层112或平台层110分散的多条陶瓷纤维114。
分段的板层板124的所示实施例分段成七个界面板层节段126。在其它实施例中，分段的板层板124可分段成两个、三个、四个、五个、六个、八个、九个、十个、十一个、十二个或更多个界面板层节段126。在某些实施例中，各个界面板层节段126可为不同的形状或尺寸(例如，楔形板层节段126)，使得节段126在组装在一起以形成单层凹入圆角过渡区50时不彼此重叠。在其它实施例中，界面板层节段126中的一个或更多个可为相同的形状或尺寸。
图6为具有界面板层节段126的层的复合涡轮机叶片22的实施例，其中，界面板层节段126的层形成凹入圆角过渡区50。具体而言，在所示的实施例中，界面板层节段126布置在涡轮叶片22上来形成凹入圆角过渡区50。如示出的，凹入圆角过渡区50的一个或更多个板层节段126从翼型部52的外表面70延伸，在翼型部52和平台54联接的转角64处弯曲，并且延伸越过平台54的外表面72的长度。特别地，凹入圆角过渡区50提供翼型部52与平台54之间的平稳且连续的界面，以克服振动应力和过早磨损和退化来向复合涡轮机叶片22提供附加支承。
本发明的技术效果包括涡轮机叶片22(例如，复合叶片)，其具有复合翼型部52、复合平台54，以及延伸越过翼型部52与平台54且在翼型部52与平台54之间延伸的凹入圆角过渡区段50。具体而言，凹入圆角过渡区50延伸越过翼型部52的外表面70，并且越过复合涡轮机叶片22的平台54。复合翼型部52、复合平台54和凹入圆角过渡区50的层组装在一起，并且可由CMC材料形成。此外，填料区82(例如，填充有材料的中空区)形成在翼型部52和平台54联接的转角64处。在某些实施例中，填料区82填充有陶瓷纤维件122。凹入圆角过渡区50提供翼型部52与平台54之间的平稳且连续的界面，以克服振动应力和过早磨损和退化来向复合涡轮机叶片22提供附加支承。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。
Claims (19)
1.一种复合叶片系统，包括：
涡轮机叶片节段，其包括：
包括第一外表面的翼型部；
联接到所述翼型部上的平台，所述平台包括具有第二外表面的第一侧和具有第三外表面的第二侧；以及
在所述翼型部与所述平台之间延伸的凹入圆角过渡区，其中，所述凹入圆角过渡区包括延伸越过所述翼型部的第一外表面和所述平台的第二外表面或第三外表面的一个或更多个界面板层节段，以形成所述翼型部与所述平台之间的连续表面。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述翼型部包括多个翼型部板层的层，所述平台包括多个平台板层的层，并且所述多个翼型部板层的层和所述多个平台板层的层均包括遍及第一陶瓷基材料分布的多条第一陶瓷纤维。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述一个或更多个界面板层节段包括遍及第二陶瓷基材料分布的多条第二陶瓷纤维。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二陶瓷基材料内的多条第二陶瓷纤维的密度可变化。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多个平台板层的层与所述一个或更多个界面板层节段交织。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多个翼型部层、所述多个平台板层的层、所述一个或更多个界面板层节段或它们的组合利用化学处理和/或冶金处理固定到彼此上。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述涡轮机叶片节段包括由所述翼型部、所述平台与所述凹入圆角过渡区之间的空间限定的填料区。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述填料区填充有多条陶瓷纤维件、悬置在第三陶瓷基材料中的多条陶瓷纤维件，或它们的组合。
9.一种复合叶片系统，包括：
涡轮机叶片节段，包括
层压到彼此上以形成翼型部的多个翼型部层；
层压到彼此上以形成平台的多个平台层，其中，所述平台联接到所述翼型部上；以及
多个圆角节段，其延伸越过所述翼型部的外表面并且延伸到所述多个平台层中，使得所述多个圆角节段中的至少一个交织在所述多个平台层的至少两个之间。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述多个翼型部层、所述多个平台层、所述多个圆角节段或它们的组合包括遍及陶瓷基材料分布的多条陶瓷纤维。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述多个圆角节段通过将所述陶瓷基材料的板切割成较小的区段来形成。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，交织到所述多个平台层中的所述多个圆角节段中的各个形成所述翼型部与所述平台之间的凹入圆角过渡区。
13.一种形成复合叶片的方法，包括：
层压多个翼型部层来形成涡轮机叶片的翼型部，其中所述翼型部包括末端和燕尾部；
层压多个平台层来形成所述涡轮机叶片的平台；以及
将多个界面板层节段设置成越过所述翼型部的第一外表面和所述平台的第二外表面以形成所述翼型部与所述平台之间的凹入圆角过渡区，其中所述凹入圆角过渡区在所述末端和所述平台的边缘之间以及在所述燕尾部和所述平台的所述边缘之间延伸。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括通过将所述多个界面板层节段中的一个设置在所述多个平台层之间来使所述多个界面板层节段中的一个交织在所述多个平台层内。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，包括在交织到所述多个平台层中的所述多个界面板层节段中的各个之间形成所述凹入圆角过渡区。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括将填料区形成在所述翼型部、所述平台与所述凹入圆角过渡区之间。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，包括以多个陶瓷纤维件、悬置在陶瓷基材料中的多个陶瓷纤维件或它们的组合来填充所述填料区。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述多个翼型部层、所述多个平台层和所述多个界面板层节段利用化学处理或冶金处理固定到彼此上。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括使所述多个界面板层节段与彼此重叠来形成所述凹入圆角过渡区。
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