CN104685161B - 由复合材料制成的具有灯泡状根部的涡轮发动机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由复合材料制成的涡轮发动机叶片(10)，所述复合材料包括纤维增强件，通过对纱线进行三维编织并且用基体增强密度获得所述纤维增强件，所述叶片包括形成为单个部件的叶片根部(14)和翼面(12)，所述叶片根部具有两个相对的横向侧面，所述横向侧面基本是平面，所述叶片的特征在于所述叶片根部夹持在由所述复合材料制成的两个独立的衬垫(24)之间，所述衬垫被紧固在所述叶片根部的所述横向侧面上，以便形成灯泡状的叶片根部。

Description

由复合材料制成的具有灯泡状根部的涡轮发动机叶片
技术领域
本发明涉及一种涡轮发动机叶片的总领域，所述涡轮发动机由复合材料制成并且具有灯泡形式的根部，以便于经由鸠尾型连接件安装在转子轮盘上。
所针对的领域是用于航空发动机或者工业涡轮机的气体涡轮机叶片。
背景技术
已有由复合材料制成涡轮发动机叶片的建议。举例说明，可以参照Snecma和Snecma Propulsion Solide联合提交的国际专利申请号WO2010/061140，其描述了通过三维编织制造纤维预制件以及通过用基体增加预制件的密度来制造涡轮发动机叶片。
而且，为了将这种叶片安装在转子轮盘上，已知赋予叶片根部灯泡形状。具有灯泡形状的叶片根部与形成在转子轮盘的外周中的具有互补形状的槽相互配合，以便于通过鸠尾型连接件将叶片径向保持在转子轮盘上。
在由复合材料制成叶片的情况中，通常在编织纤维坯料期间形成叶片根部的灯泡状，通过在叶片根部中形成额外的厚度构成叶片，这种额外的厚度继而被机械加工成最终的灯泡状。在实践中，通过在编织纤维坯料期间添加插入件获得额外厚度。
然而，这种制造具有灯泡状根部的复合材料叶片的方法具有多种缺陷。具体地，难以在编织用于叶片构成操作的纤维坯料期间制造插入件并且将所述插入件放入到适当位置中。而且，这种方法需要将叶片根部的额外厚度机械加工成其最终形状，由此导致产生特别地因切割叶片根部的承载表面中的纤维而损坏复合材料的固有性能的后果。这导致叶片的附接的机械强度退化。
从文献FR 2 941 487还已知一种用于将复合材料制成的叶片安装在转子轮盘上的方法，其中，叶片根部被夹持在金属盘之间，通过焊接桩紧固所述金属板。利用这种解决方案，桩中的剪切力和针对复合材料中的孔的压缩成为将叶片保持在转子轮盘中的主要作用力。然而，盘的金属和根部的复合材料之间的膨胀差异在紧固是刚性的情况中产生热剪切应力，或者在紧固松弛的情况中产生了关于支承表面的定位的不确定性。
发明目的和内容
因此本发明的主要目的是提出了一种由复合材料制成的叶片，所述叶片通过鸠尾型连接件附接到转子轮盘，而同时又不存在上述缺陷。
通过由包括纤维增强件的复合材料制成的涡轮发动机叶片实现这个目的，通过对纱线进行三维编织并且用基体增强密度获得所述纤维增强件，所述叶片包括形成为单个部件的叶片根部和翼面，所述叶片根部具有两个相对的横向侧面，所述横向侧面基本是平面，并且其中，根据本发明，叶片根部夹持在由复合材料制成的两个独立的衬垫之间，所述衬垫被紧固在叶片根部的横向侧面上，以便形成灯泡状的叶片根部。
因此本发明的叶片根部拥有由复合材料制成的三个部分，即，板状根部(具有其平面横向侧面)和两个衬垫，所述两个衬垫重构了灯泡的轮廓。这种叶片具有多个优势。
就制造而言，因为较之灯泡状更易于获得叶片根部的板状部分，所以简化了本发明的叶片的设计。这使得能够提高叶片根部的质量并且减小了制造叶片根部的成本。而且，经由接触面提供了叶片根部的多个部分之间的结合，所述接触面是平面并且易于准确制造(鉴于制造和检修而言)。
就附接这种叶片的机械强度而言，可以由复合材料制造叶片根部的衬垫，所述复合材料非常适于由根部承受的非常高的机械应力。特别地，优选地是使用具有最高可行经纬比的材料，乃至使用这样的材料，所述材料是单向(即，100％的经纱，其中经纱方向沿着叶片的纵向方向延伸)。由这种材料可接受的应力水平远远高于能够由传统编织叶片根部获得的材料可接受的应力。而且，制造衬垫的方式可以便于在外侧获得“网”状的面，即，在承受最大机械应力的区域中没有任何切断的纤维的面。最后，因为叶片根部的不同部分皆由复合材料制成，所以在部分之间不存在膨胀差异并且因此在这些部分的接触面之间不存在热剪切应力。
优选地，每个衬垫均包括：大体平面的横向侧面，用于与叶片根部的横向侧面接触；和相对的横向侧面，所述相对的横向侧面具有再现叶片根部承载表面的变化轮廓。在这种情况下，可以通过模制纤维预制件和增加模制的预制件的密度来获得衬垫。
可以通过钎焊、共同增强密度或者通过基体沉积将衬垫紧固在叶片根部的横向侧面上。
叶片根部和衬垫可以由陶瓷基体复合材料(CMC)制成。优选地，衬垫可以由基于碳化硅(SiC)纤维的纤维增强件制成。
本发明还提供了涡轮发动机，所述涡轮发动机包括如上所述的多片叶片。
附图说明
从以下参照附图的描述中，本发明的其它特征和优势将变得显而易见，所述附图示出了不具有限制特征的实施方案。在附图中：
图1是示出了如何组装根据本发明的涡轮发动机叶片的视图；
图2是一旦组装之后图1叶片的透视图；
图3是图2叶片的侧视图；
图4是当安装在转子轮盘上时根据本发明的叶片根部的截面图。
具体实施方式
本发明能够应用于由复合材料制成的多种涡轮发动机叶片，并且特别地应用于压缩机叶片和气体涡轮发动机的多个轴的涡轮机叶片，例如，诸如在图1至图4中示出那些的低压涡轮机叶片。
以已知方式，如在这些附图中示出的叶片10包括翼面12；根部14，所述根部14通过柄角16延伸；和平台18，所述平台18位于柄角16和翼面12之间。叶片还能够在其自由端部20(或者末端)附近具有外平台(未示出)。
叶片的翼面12拥有弯曲的空气动力学轮廓，所述弯曲的空气动力学轮廓从平台18延伸(沿着纵向方向)到其末端20。这种轮廓具有可变的厚度并且由压力侧表面12a和抽吸侧表面12b构成，所述压力侧表面12a和抽吸侧表面12b通过前缘12c和尾部边缘12d横向连接在一起。
这个实施例中的叶片的根部14是灯泡状并且用于通过鸠尾型连接安装在形成在转子轮盘的外周中的槽中。
叶片10由复合材料制成，优选地由陶瓷基体复合(CMC)材料制成。举例说明，可以参照国际专利申请号O 2010/061140，其描述了通过三维编织制造纤维预制件以及通过用基体增加预制件的密度来制造涡轮发动机叶片的示例。
更加特别地，这种方法提供了通过以下来制造一体纤维坯料：对纤维坯料进行三维编织，将纤维坯料成形获得一体纤维预制件，然后用基体使得预制件增强密度，所述一体纤维预制件具有第一部分，所述第一部分形成用于翼面和叶片的根部的预制件；至少一个第二部分，所述第二部分形成用于叶片的内平台和外平台的预制件。因此这种方法使得能够获得由复合材料制成的叶片，所述复合材料具有这样的纤维增强件，由预制件构成所述纤维增强件并且通过基体增大所述纤维增强件的密度，所述复合材料形成具有包含于其中的平台(内和/或外平台)的单个工件。
通过其特定的制造方法，叶片根部4具有板状(即，矩形平行四边形)，所述板状具有两个相对横向侧面22，所述横向侧面22基本是平面，并且形成为分别延伸翼面12的压力侧和抽吸侧表面12a和12b。
根据本发明，叶片10的根部14夹持在两个独立的由复合材料制成的衬垫24之间，所述衬垫被紧固在叶片根部的横向侧面22上，以便形成灯泡状的叶片根部。
复合材料衬垫24中的每一片均具有：横向侧面26，所述横向侧面基本是平面的(下文称作“平面横向侧面”)，用于使得与叶片根部14的横向侧面22形成平面接触；和相对的横向侧面28，所述相对的横向侧面28均有再现叶片根部支承表面的变化轮廓(下文中称作“构型横向侧面”)。
优选地，通过以下获得衬垫24：三维编织纤维坯料，之后模制纤维坯料(以便于获得用于具有所需几何形状的空间的纤维预制件)，然后用基体增大纤维预制件的密度。特别地，纤维坯料的对应于衬垫的构型横向侧面的侧向面是模制成的，以便使其具有叶片根部支承表面的轮廓。
纤维坯料优选地编织成，以便具有尽可能高的经纬比或者仅仅在经纱方向上具有纱线(经纱方向对应于待制造的叶片的纵向方向)。结果，这种材料能够接受的应力远远大于用于制造叶片根部的材料的应力。
同样，由于模制，制造衬垫的方式便于获得“网”状的构型横向侧面28，即，没有任何切断纤维的面。因为这是根部的承受最高机械应力的区域，所以这种网状方法极大地提高了叶片根部针对转子轮盘的机械强度。
对于复合材料而言，优选的是，选择陶瓷基体复合材料(就制造叶片而言)。有利地，纤维增强件基于碳化硅纤维，由供应商NipponCarbon有限责任公司出售，商品名为“of S”。这种纤维具有针对叶片根部局部卓越机械强度的优势。
而且，能够将特殊表面涂层施加到衬垫24的构型横向侧面28，以便提高衬垫的摩擦性能。这种涂层可以与可选地施加到叶片的翼面的涂层不同。例如，能够施加具有润滑功能的涂层，诸如石墨、CoCrAlYSi或者MoS2。
通过针对由复合材料制成的紧固零件的任何已知方法将衬垫24紧固到叶片根部14的横向侧面22。因此，能够采用钎焊、共同增强密度、基体沉积或者任何其它等效方法。在两个表面之间实施紧固，所述两个表面基本是平面，由此更易于实施紧固。
显而易见，能够以与紧固衬垫(赋予根部自身灯泡状)相同的方式将其它元件紧固到叶片根部。这些元件使得能够向叶片提供密封和/或抗倾斜功能，由此简化了叶片平台的设置。替代地，这些元件能够直接包含在衬垫中。
图4示出了如上所述的叶片10，所述叶片10安装在形成在转子轮盘32的外周中的槽30(或者插口)中。通常，这种槽在转子轮盘的两个横向面之间轴向延伸，并且每个槽的形状均与叶片根部的灯泡形状互补。
在这个附图中，能够看见编织用于叶片和衬垫的纤维坯料的经纱和纬纱。特别地，与编织叶片根部14相比，可以看出，有利地仅仅沿着经纱方向由纱线编织衬垫24的纤维坯料，由此显著地增加了这些衬垫能够接受的应力。

Claims (8)

1.一种涡轮发动机叶片(10)，所述叶片包括形成为单个部件的叶片根部(14)和翼面(12)，所述叶片根部具有两个相对的横向侧面(22)，所述横向侧面基本是平面，所述叶片的特征在于，所述叶片根部夹持在由复合材料制成的两个独立的衬垫(24)之间，所述复合材料包括纤维增强件，通过对纱线进行三维编织并且用基体增强密度获得所述纤维增强件，所述衬垫被紧固在所述叶片根部的所述横向侧面上，以便形成灯泡状的叶片根部。
2.根据权利要求1所述的叶片，其中，每个衬垫(24)均包括：大体平面的横向侧面(26)，用于与所述叶片根部的横向侧面接触；和相对的横向侧面(28)，所述相对的横向侧面具有再现叶片根部支承表面的变化轮廓。
3.根据权利要求2所述的叶片，其中，通过模制纤维预制件并且增强所述模制的预制件的密度获得所述衬垫(24)。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的叶片，其中，通过钎焊、共同增强密度或者通过基体沉积将所述衬垫(24)紧固到所述叶片根部的所述横向侧面上。
5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的叶片，其还包括平台(18)，所述平台与所述翼面和所述叶片根部一体形成。
6.根据权利要求1至3中的任意一项所述的叶片，其中，所述叶片根部(14)和所述衬垫(24)由陶瓷基体复合材料制成。
7.根据权利要求6所述的叶片，其中，所述衬垫(24)由基于SiC纤维的纤维增强件制成。
8.一种涡轮发动机，其包括根据权利要求1至7中的任意一项所述的多个叶片(10)。
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