CN105899762A - 复合叶根应力消除衬垫 - Google Patents

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Abstract

一种用于在复合叶根(18)和转子(12)的槽壁之间使用的燃气涡轮发动机叶根衬垫(40)包括：具有远侧第一和第二横向间隔开的末端(64,68)的纵向延伸的底座(60)、从第一和第二末端(64,68)朝着底座(60)向内构成锐角的第一和第二纵向延伸的支脚(70,72)和设置成穿过纵向延伸的第一和第二支脚(70,72)中的各个的一个或多个孔(46)。孔(46)可包括矩形槽(52,54)，其包括分别沿着第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向外面向的表面(82,84)延伸的圆化边缘(56)，以及分别位于第一和第二向外面向的表面(82,84)与相应的第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向内面向的表面(86,88)之间的圆化转角(58)。低摩擦系数的涂层(78,80)可设置在支脚(70,72)的向外面向的表面(82,84)上。涂层可包括散布在树脂粘合剂中的聚四氟乙烯粉末以及其它具有聚四氟乙烯的涂层。

Description

复合叶根应力消除衬垫
技术领域
本发明涉及复合叶片至燃气涡轮发动机的转子的根部连接，更具体地说，涉及用于复合叶片的复合根部的叶根衬垫。
背景技术
燃气涡轮发动机复合风扇叶片具有鸠尾榫或根部，其通过金属盘或鼓形转子中的槽来承载。在操作期间，在高压缩负载和在根部和槽壁(时常被称为盘柱)之间的相对运动下，已经观测到磨损和侵蚀，尤其在转子所承载的叶片鸠尾榫根部。本领域中众所周知的是，复合叶片由加强的聚合材料的堆叠或层叠层片制成，例如用纤维结构加强的环氧树脂基质，例如石墨、玻璃、硼、等等。在美国专利No.3,752,600; No.4,040,770和No.5,292,231中描述了这种叶片的示例。一般说来，在这种已知的结构中，在便利地用于这种组件的外张设计中通常的做法是在叶片鸠尾榫根部和承载部件的鸠尾槽之间设置金属外件或金属外壳。在叶片和槽之间的结合部，在承载部件的金属槽和金属外件或外壳之间的接触导致了在该接口处的磨损和侵蚀。
为了克服这种磨损和后续的侵蚀，研制了一种如美国专利No.5,573,377中所述的复合叶根和转子组件，该专利题名为“复合叶根和转子组件”，其被转让给通用电器公司，本专利的受让人的相同受让人，并通过引用而结合在本文中。美国专利No.5,573,377公开了一种多个复合叶片的组件，其包括叶根，叶根由转子中的叶根接收槽承载，其中槽具有槽壁，槽壁具有径向向外部分，其在组装时从间隔开的并列叶根压力面的径向外表面扩散一定量，该量是叶片在组件的操作期间的离心负载的预定量的函数，从而容许根部压力面的至少一部分径向外表面在操作期间与槽壁径向外表面相接触。
根部外部垫片具有多个基本无金属的复合层片，而非延伸到叶根中的金属粘合的翼型件结构层片。低摩擦的磨损涂层应用于根部外压力面上，其有助于减少叶根中的摩擦感应应力。磨损涂层可应用于并固化于压力面上，并且这种涂料的示例包括自润滑薄膜或织物，例如聚四氟乙烯(PTFE)纤维的编织物，例如特氟纶材料纤维、玻璃类型纤维(例如凯夫拉尔)和有机聚芳基酰胺纤维(例如诺梅克斯材料纤维)。
另外，可使用特氟纶材料或其它形式的PTFE材料的喷涂。在操作期间，在转子减速期间，低摩擦涂层有助于防止叶片被锁定在转子槽中。在这种组合中使用低摩擦涂层的额外的好处是叶根在可预测的负载条件下滑移，并在共振相交和潜在叶片不稳定期间由于叶根和转子槽壁之间相对运动而为叶片提供阻尼的能力。
设置在低摩擦涂层和槽之间的衬垫提供了所需的硬度和表面光洁度，以便从低摩擦的磨损涂层材料中获得更改善的性能。在槽壁是钛合金的情况下，衬垫是特别重要的，其中所需的耐磨性不是总能达到。衬垫延长了磨损涂层的寿命，并防止在磨损涂层和槽壁之间，在槽壁上发生磨损，并且是可更换的，并可从转子鸠尾榫中除去。衬垫可由单一材料制成，例如钢、钛或钛合金，或者其可为单一材料，在其一个侧面上具有例如铜或铜合金的涂层。
2001年9月18日发布的Ravenhall等人的美国专利No.6,290,466公开了一种燃气涡轮发动机叶根衬垫，其用于在复合叶根和槽壁之间，槽用于将根部容纳在发动机的转子中。衬垫的一个典型实施例包括纵向延伸的底座、第一和第二纵向延伸的支脚、以及第一和第二低摩擦系数涂层，底座具有远侧第一和第二横向间隔开的末端，第一和第二纵向延伸的支脚从第一和第二末端朝着底座向内构成锐角，并且第一和第二低摩擦系数涂层分别位于第一和第二支脚的第一和第二向外面向的表面。适合使用的涂层是散布在树脂粘合剂中的聚四氟乙烯粉末以及其它包括聚四氟乙烯的涂层。
低摩擦的磨损涂层设置在根部外压力面上，位于压力面和槽壁之间，并且槽壁所承载的衬垫设置在低摩擦的磨损涂层和槽壁之间。在向外面向的衬垫表面上具有低摩擦系数涂层的衬垫，其与低摩擦的磨损涂层相接触。衬垫支脚上的低摩擦系数涂层容许叶根恰当地坐落在转子的槽中，从而消除了在发动机组装或重新装配和测试期间重新平衡转子的需要。美国专利No.6,290,466转让给通用电器公司，与本专利的受让人是相同的受让人，并因而通过引用而结合在本文中。
航空发动机中的复合风扇叶片在稳态操作条件下会遇到大的离心负载。在柄部的底端和鸠尾榫的顶端之间的应力集中可为复合风扇叶片寿命和耐久性的限制因素。应力集中的位置与基本所有传统复合风扇叶片是一致的。因此需要减少应力集中，并改善复合风扇叶片的疲劳和耐久性。
发明内容
一种燃气涡轮发动机叶根衬垫(40)包括纵向延伸的底座(60)、横向间隔开的第一和第二纵向延伸的支脚(70,72)、以及一个或多个孔(46)，底座(60)具有远侧第一和第二横向间隔开的末端(64,68)，第一和第二纵向延伸的支脚(70,72)延伸远离底座(60)并分别从第一和第二末端(64,68)朝着底座(60)向内构成锐角，并且所述一个或多个孔(46)设置成穿过纵向延伸的第一和第二支脚(70,72)中的各个。
衬垫(40)可具有第一和第二低摩擦系数涂层(78,80)，其位于纵向延伸的第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向外面向的表面(82,84)上。涂层可具有散布在树脂粘合剂中的聚四氟乙烯粉末。涂层可包括聚四氟乙烯。
孔(46)可沿着第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向外面向的表面(82,84)而分别具有圆化边缘(56)。孔(46)可具有圆化转角(58)，其分别位于第一和第二向外面向的表面(82,84)与相对应的第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向内面向表面(86,88)之间。
孔(46)可包括纵向延伸的槽(52,54)，其位于纵向延伸的第一和第二支脚(70,72)中的各个中。槽(52,54)可为纵向伸长且延伸的矩形槽(52,54)。
转子组件包括作为支撑部件的转子(12)所承载的多个复合风扇叶片(10)，各个复合叶片(10)包括翼型件(16)的多个粘合的复合翼型件层片(20)和经过定制形状以便被转子(12)承载的叶根(18)。转子(12)包括多个周向设置的叶根接收槽(14)，各个槽(14)具有槽壁(34)，至少其一部分经过定制形状以接收叶根(18)，并且槽壁(34)经过定制形状以接收和承载至少叶根(18)的根部外压力面(32)的一部分。纵向延伸的衬垫(40)由槽壁(34)承载，并包括横向间隔开的第一和第二纵向延伸的支脚(70,72)，其远离纵向延伸的底座(60)并分别从第一和第二末端(64,68)向内朝着底座(60)以锐角延伸。所述一个或多个孔(46)设置成穿过纵向延伸的第一和第二支脚(70,72)中的各个。
附图说明
下面将陈述，并结合附图更具体地描述新颖的特征，其被认为是这里推荐的新颖衬垫的特征，其中：
图1是装配在燃气涡轮发动机转子的鸠尾槽中的复合风扇叶片和衬垫中的纵向延伸的应力消除孔的分解图。
图2是图1的组件中的复合叶片和衬垫的部分透视的局部截面图。
图3是图2中所示的鸠尾槽中叶根和衬垫组件的放大的局部轴向视图。
图4是从图3所示的衬垫的底座中延伸出的支脚的放大图。
图5是图1的组件中的衬垫的透视图。
图6是穿过图2的切面线6-6的鸠尾槽中的叶根和衬垫的横截面图。
图7是穿过图6饿切面线7-7的衬垫中的孔的横截面图。
图8是穿过图6的切面线8-8的衬垫中的孔的横截面图。
图9是备选衬垫的透视图，其具有用于图1的组件的单个孔。
具体实施方式
图1是复合风扇叶片10的分解图，其由支撑部件，例如燃气涡轮发动机转子12的圆盘或圆筒通过鸠尾槽14来承载。叶片10代表由转子承载的多个周向设置的复合叶片，其位于周向设置的叶片接收鸠尾槽14中。叶片10具有复合翼型件16和外张的鸠尾榫根部18，其中叶片通过根部而被转子12承载。进一步参照图2和图3，叶片10包括多个层叠的复合层片，包括位于翼型件中的第一多个结构化的负载翼型件层片20和位于根部18中的第二多个根部层片22。根部层片22通过本领域中众所周知的工艺而粘合在一起，从而形成一对根部外部压垫28。
复合叶片10包括两个非金属的根部外部压垫28，一个位于鸠尾榫根部18的各个突出部29上，其经过定制形状，以便被鸠尾槽14的槽壁34承载。压垫28包括根端30，其沿着根部的径向内部部分朝着根部外压力面32延伸。各个槽壁34与外压力面32协作，以便在组装时承载叶片的鸠尾榫根部18。在这里公开的复合叶片10的典型实施例中，包括外部垫片28的叶根18是依据在发动机操作期间由于预计承受的离心力所引起的应力而设计的。
压垫28的根部外压力面32包括径向内表面33，其在组装时与鸠尾槽壁34的径向向内部分37协作而接触。根部外压力面32还包括径向外表面35，其从压力面的内表面和外表面之间的结合部36径向向外延伸。外表面35与鸠尾槽壁的径向向外部分39并列间隔开，通常从结合部36以例如小角度径向向外扩散，例如在大约1-2度的范围内，这开始于内表面33和外表面35的结合部36。这个特征有时被称为与叶片和转子的组装有关的“防锚咬底法”，并在转子操作期间由于离心力负载而可能产生感应的挤压应力，其在操作期间沿着压力面32的全长而散布在根部压垫和叶片结构化或翼型件层片中。离心力负载倾向于使内表面33和外表面35彼此相向移动。
位于叶根18的外压力面32上的低摩擦的磨损涂层38用于帮助减少叶根中的摩擦感应应力。这种磨损涂层通常应用并固化于压力面32上。这种涂料的示例包括自润滑薄膜或织物，例如聚四氟乙烯(PTFE)纤维、有机聚芳基酰胺纤维或玻璃型纤维的编织物。参见例如美国专利No.5,573,377和某些商业可得到的织物。另外，可使用特氟纶材料或其它形式的PTFE材料的喷涂。在操作期间，在转子减速期间，低摩擦涂层与上述“防锚咬底法”的结合有助于防止叶片锁定在鸠尾槽中。
衬垫40设置在低摩擦的磨损涂层38和槽壁34之间，提供了所需的硬度和表面光洁度，以便从低摩擦的磨损涂层材料中获得更改善的性能，延长磨损涂层的寿命，并有助于防止发生在槽壁上的磨损。在槽壁是钛合金的情况下，这个特征是特别重要的，其中所需的耐磨性不是总能达到。衬垫40是可更换且可除去的，并装配在通常被称为柱体50的顶部49，柱体组成了槽壁34的一部分。在转子盘的情况下，柱体被称为盘柱。
衬垫40可由单一材料制成，例如钢、钛或钛合金，或者其可为单一材料，在其一个侧面上具有例如铜或铜合金的涂层。在另一形式中，衬垫可为双金属材料，例如一条或一片铁基合金，例如利用一条或一片较软材料，例如铜或铜合金固定的钢。在双金属衬垫的示例中，一个侧面具有相对较硬的铁基合金，且在另一侧面具有相对较软的铜或铜合金，软面设置在与槽壁相反的位置，以便有助于防止槽壁和衬垫之间的任何相对运动，避免槽壁的侵蚀或磨损。
这里公开的典型衬垫在与低摩擦涂层相反的侧面上包括改善这种涂层性能的材料属性和表面光洁度。与槽壁34和转子相反的衬垫40的另一侧面可具有不同的牺牲性的材料，使得衬垫不会造成槽压力面的磨损或侵蚀。在与这种槽壁相反的衬垫的侧面上使用相对较软的材料有助于防止在壁和衬垫之间的相对运动，防止槽壁的侵蚀和磨损。另外，其迫使基本上所有的运动都发生在低摩擦的磨损涂层和衬垫之间，其中摩擦系数是已知，并且可完全利用叶根应力的优化。
衬垫包括纵向延伸的底座60，其具有横向间隔开的远侧第一和第二末端64,68。应力和重量消除孔90设置成穿过底座60，从而有助于消除应力，应力可能缩短衬垫40的寿命。周向或横向间隔开的纵向延伸的第一和第二支脚70,72远离底座60并向内朝着底座60以锐角延伸并连接在底座上。第一和第二支脚70,72的第一和第二向外面向的表面82,84面向并接触相邻叶根18的外压力面32。第一和第二支脚70,72的第一和第二向内面向的表面86,88面向并接触相邻的鸠尾槽14的槽壁34。第一和第二低摩擦系数的涂层78,80可设置在第一和第二向外面向的表面82,84上。适合用于衬垫40上的低摩擦系数的涂层是散布在树脂粘合剂中的聚四氟乙烯粉末以及其它包括聚四氟乙烯的涂层。
参照图1,2和4，航空发动机中的复合风扇叶片10在稳态操作条件下会遇到大的离心负载。应力集中可能定位在根部外压力面32的高度应力区域48中，位于鸠尾榫根部18的底端42和鸠尾榫根部的顶端44之间。应力集中可为复合风扇叶片寿命和耐久性的限制因素。衬垫40在纵向延伸的第一和第二支脚70,72中设有一个或多个孔46，以减少这种应力集中，并改善复合风扇叶片的疲劳和耐久性。孔46优选定位在根部外压力面32的高度应力区域48上，位于鸠尾榫根部18的底端42和鸠尾榫根部的顶端44之间。
孔46的第一典型实施例如图1和图5中所示，并包括纵向间隔开且纵向延伸的前槽和后槽52,54，其设置成穿过各个第一和第二支脚70,72。槽可为矩形形状，并且如这里所示是纵向伸长的。孔46或前槽和后槽52,54沿着第一和第二支脚70,72的第一和第二向外面向的表面82,84可具有圆化的边缘56，分别如图6-8中所示。孔46或前槽和后槽52,54在第一和第二向外面向的表面82,84与相应的第一和第二支脚70,72的第一和第二向内面向表面86,88之间也可具有圆化转角58，分别如图6-8中所示。叶片接触表面以及第一和第二向外面向的表面82,84上的边缘56是圆化的，以用于接触应力的释放。衬垫40可从叶片侧面、第一和第二向外面向的表面82,84冲孔至盘侧面以及第一和第二向内面向的表面86,88上。各个衬垫孔的四个转角可以是圆化的，以用于应力释放。
可使用孔或槽的其它形状、尺寸和布置，例如单个伸长的槽92，其设置成穿过纵向延伸的第一和第二支脚70,72中的各个，如图9中所示。在第一和第二支脚70,72中的各个中，前槽和后槽52,54或其它可为不同的。然而，孔或槽的数量、形状、尺寸和布置必须与各个衬垫40的第一和第二支脚70,72上的相同，以用于叶片平衡。因而，例如前槽和后槽52,54的形状、尺寸和位置在第一和第二支脚70,72上必须是相同的，但不需要在第一和第二支脚70,72中的各个上是相同的。
在各个延伸的第一和第二支脚70,72上具有一个或多个孔的衬垫40可通过将负载重新分布到更宽的区域上而降低应力集中水平。这可改善复合风扇叶片的高循环疲劳和低循环疲劳性能。这在降低定位在鸠尾榫根部18的底端和末端42,44之间的高的扁平拉伸应力是特别有效的。
虽然这里已经描述了被认为是本发明的优选和典型实施例的事物，但是从这里的教义出发，本发明的其它变体对于本领域中的技术人员应该是很明显的，因此需要在附属权利要求中保护所有这种变体都落在本发明的真实精神和范围内。因此，需要由美国专利特许证所保护的是以下权利要求中所限定和鉴别的发明。

Claims (22)

1. 一种燃气涡轮发动机叶根衬垫(40)包括：
纵向延伸的底座(60)，其具有远侧第一和第二横向间隔开的末端(64,68)，
横向间隔开的第一和第二纵向延伸的支脚(70,72)，其远离所述底座(60)并分别从所述第一和第二末端(64,68)朝着所述底座(60)以锐角向内延伸，和
一个或多个孔(46)，其设置成穿过所述纵向延伸的第一和第二支脚(70,72)中的各个。
2. 根据权利要求1所述的垫片(40)，其特征在于，还包括第一和第二低摩擦系数的涂层(78,80)，其位于所述纵向延伸的第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向外面向的表面(82,84)上。
3. 根据权利要求2所述的垫片(40)，其特征在于，还包括：所述涂层包括散布在树脂粘合剂中的聚四氟乙烯粉末。
4. 根据权利要求2所述的垫片(40)，其特征在于，所述涂层包括聚四氟乙烯。
5. 根据权利要求1所述的垫片(40)，其特征在于，还包括：所述孔(46)包括分别沿着所述第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向外面向的表面(82,84)而延伸的圆化边缘(56)。
6. 根据权利要求5所述的垫片(40)，其特征在于，还包括：所述孔(46)包括分别位于所述第一和第二向外面向的表面(82,84)与所述第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向内面向的表面(86,88)之间的圆化转角(58)。
7. 根据权利要求6所述的垫片(40)，其特征在于，还包括第一和第二低摩擦系数的涂层(78,80)，其位于所述纵向延伸的第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向外面向的表面(82,84)上。
8. 根据权利要求7所述的垫片(40)，其特征在于，还包括：所述涂层包括散布在树脂粘合剂中的聚四氟乙烯粉末。
9. 根据权利要求7所述的垫片(40)，其特征在于，所述涂层包括聚四氟乙烯。
10. 根据权利要求1所述的垫片(40)，其特征在于，还包括：所述孔(46)包括分别位于所述第一和第二向外面向的表面(82,84)与所述第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向内面向的表面(86,88)之间的圆化转角(58)。
11. 根据权利要求1所述的垫片(40)，其特征在于，还包括：所述孔(46)包括位于所述纵向延伸的第一和第二支脚(70,72)中的各个中的一个或多个纵向延伸的槽(52,54)。
12. 根据权利要求1所述的垫片(40)，其特征在于，还包括：所述孔(46)包括位于所述纵向延伸的第一和第二支脚(70,72)中的各个中的一个或多个纵向伸长和延伸的矩形槽(52,54)。
13. 根据权利要求12所述的垫片(40)，其特征在于，还包括第一和第二低摩擦系数的涂层(78,80)，其位于所述纵向延伸的第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向外面向的表面(82,84)上。
14. 根据权利要求13所述的垫片(40)，其特征在于，还包括：所述涂层包括散布在树脂粘合剂中的聚四氟乙烯粉末。
15. 根据权利要求13所述的垫片(40)，其特征在于，所述涂层包括聚四氟乙烯。
16. 根据权利要求12所述的垫片(40)，其特征在于，还包括：所述矩形槽(52,54)包括分别沿着所述第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向外面向的表面(82,84)而延伸的圆化边缘(56)，以及分别位于所述第一和第二向外面向的表面(82,84)与相应的所述第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向内面向的表面(86,88)之间的圆化转角(58)。
17. 根据权利要求16所述的垫片(40)，其特征在于，还包括第一和第二低摩擦系数的涂层(78,80)，其位于所述纵向延伸的第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向外面向的表面(82,84)上。
18. 根据权利要求17所述的垫片(40)，其特征在于，所述涂层包括聚四氟乙烯。
19. 一种转子组件包括：
多个复合风扇叶片(10)，其由作为支撑部件的转子(12)来承载，所述复合叶片(10)中的各个包括翼型件(16)的多个粘合的复合翼型件层片(20)和经过定制形状以便被所述转子(12)承载的叶根(18)；
所述转子(12)包括多个周向设置的叶根接收槽(14)，所述槽(14)中的各个具有槽壁(34)，至少其一部分经过定制形状以接收所述叶根(18)，并且所述槽壁(34)经过定制形状以接收和承载所述叶根(18)的根部外压力面(32)的至少一部分；
纵向延伸的垫片(40)，其由所述槽壁(34)承载，并包括横向间隔开的第一和第二纵向延伸的支脚(70,72)，其远离纵向延伸的底座(60)并分别从所述第一和第二末端(64,68)朝着所述底座(60)以锐角向内延伸，和
一个或多个孔(46)，其设置成穿过所述纵向延伸的第一和第二支脚(70,72)中的各个。
20. 根据权利要求19所述的转子组件，其特征在于，还包括矩形槽(52,54)，其包括分别沿着所述第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向外面向的表面(82,84)的圆化边缘(56)，以及分别位于所述第一和第二向外面向的表面(82,84)与相应的所述第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向内面向的表面(86,88)之间的圆化转角(58)。
21. 根据权利要求20所述的转子组件，其特征在于，还包括第一和第二低摩擦系数的涂层(78,80)，其位于所述纵向延伸的第一和第二支脚(70,72)的第一和第二向外面向的表面(82,84)上。
22. 根据权利要求21所述的转子组件，其特征在于，所述涂层包括聚四氟乙烯。
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