CN105909553A - 用于旋转机械的混合金属和复合物线轴 - Google Patents

Abstract

混合金属和复合物线轴包括在复合物线轴轴套的外径上的金属环。金属环可包括例如环形或轴向鸠尾槽的特征。粘合层可在可通过收缩结合接头连接的金属环和复合物轴套之间。金属环可包括带有环形径向延伸的密封齿的单个密封齿圈。用于制造线轴的方法可包括：制造在其中带有特征的一个或更多个金属环；在固化轴套之前将金属环在线轴的未固化的复合物线轴轴套的外表面上定位在适当位置中；以及，固化轴套，其中，一个或更多个金属环定位在适当位置中。备选地，环可被加热至至少足以在固化的复合物轴套上方滑动环的温度，并被允许冷却且收缩至轴套上。

Description

用于旋转机械的混合金属和复合物线轴

技术领域

本发明涉及旋转机械线轴，并且更特定地，涉及复合物线轴。

背景技术

线轴在许多类型的旋转机械中使用以支撑机械的旋转特征。旋转机械的一个示例性类型是具有线轴（例如，转子、鼓轮以及盘）的燃气涡轮发动机。已知使用用于旋转机械的复合物线轴来减少线轴和机械的重量。在本领域中已知用于燃气涡轮发动机的复合物转子或盘。涡扇燃气涡轮发动机通常包括前风扇和增压压缩机、中间芯部发动机、以及后低压动力涡轮机。燃气涡轮发动机转子或盘通常由金属材料制成为，由固体金属坯块加工成的单个项或作为焊接在一起的数个元件。加工成金属盘和转子的特征包括鸠尾槽来容纳风扇、增压器、压缩机以及涡轮叶片的鸠尾形根部。金属盘和转子相对重。金属具有与复合物材料相比较低的比强度并且具有十分小的固有阻尼。复合物线轴（例如，盘和鼓轮以及转子）的主要益处为显著地降低了线轴的重量和质量惯性矩。虽然复合物物提供了相对于金属的良好的强度和刚性性质，它们可缺乏摩擦性能中的坚固性。

用于燃气涡轮发动机中的复合物整体叶片转子已经在例如美国专利编号4,747,900、4,786,347、以及7,491,032的数个专利中公开。复合物整体叶片转子遭受在设计转子的构造中必须被考虑到的大力来保持其完整性。在转子盘中，因为在周向方向上施加主要力，所以吸收圆周应力的能力是重要的，然而在翼形件叶片中径向施加的力占优势。在这样的转子中使用的复合物材料典型地包括具有低固有强度的树脂（例如，环氧树脂）。复合物材料由于包括嵌入在复合物材料的基质中的一般为相同材料的纤维，而具有比金属的更高的比强度。因为纤维被公知为在张力上是最强的，因而在抛光部件中的力的方向将至少部分地确定其强度。在一些情况下，部件的结构设计已经被纤维朝向的需要影响。

十分期望具有用于制造轻质、坚固且结实的旋转机械线轴的设计和方法。

发明内容

混合金属和复合物线轴包括在线轴的复合物线轴轴套的外径或外表面上的一个或更多个金属环。混合金属和复合物线轴可包括在一个或更多个金属环中的特征。

线轴可在一个或更多个金属环和复合物线轴轴套之间包括收缩结合接头。一个或更多个环形粘合层可在一个或更多个金属环和复合物线轴轴套之间。包括环形粘合层的收缩结合接头可在一个或更多个金属环和复合物线轴轴套之间。

特征可包括在金属环中的鸠尾槽。

金属环可包括至少一个带有环形径向延伸齿的单个密封齿圈。金属环可包括至少一个多齿密封齿圈，其具有至少两个远离环形基座径向地延伸的环形轴向分开齿，该环形基座连接至少两个环形轴向分开的齿。

金属环可包括前和后鸠尾槽金属环、附接至前鸠尾槽金属环的轴向向后延伸环形齿，以及附接至后鸠尾槽金属环的轴向向前延伸环形齿。

用于制造混合金属和复合物线轴的方法包括：制造在其中带有特征的一个或更多个金属环；在固化轴套之前将一个或更多个金属环在线轴的未固化的复合物线轴轴套的外表面和/或内表面上定位在适当位置中；以及，固化轴套，其中，一个或更多个金属环在外表面和/或内表面上定位在适当位置中。一个或更多个金属环可在固化之前通过在一个或更多个金属环和复合物线轴轴套之间施加一个或更多个环形粘合层，结合至未固化的复合物线轴轴套。

用于制造混合金属和复合物线轴的备选方法包括：制造在其中带有特征的一个或更多个金属环；将一个或更多个金属环加热至至少足以在固化的复合物线轴轴套上方滑动环的温度；滑动加热的一个或更多个金属环至在线轴的固化复合物线轴轴套的外表面上的适当位置；以及允许一个或更多个金属环冷却且收缩至固化的轴套上。一个或更多个环形粘合层可在将加热的一个或更多个金属环在一个或更多个环形粘合层上方滑动到适当位置之前，施加在固化的复合物线轴轴套上。

本发明的第一技术方案提供了一种混合金属和复合物线轴，包括在线轴的复合物线轴轴套的外径或外表面上的一个或更多个金属环。

本发明的第二技术方案为在第一技术方案中，还包括在一个或更多个金属环中的特征。

本发明的第三技术方案为在第二技术方案中，还包括在一个或更多个金属环与复合物线轴轴套之间的收缩结合接头。

本发明的第四技术方案为在第二技术方案中，还包括在一个或更多个金属环与复合物线轴轴套之间的一个或更多个环形粘合层。

本发明的第五技术方案为在第四技术方案中，还包括在一个或更多个金属环与复合物线轴轴套之间包含环形粘合层的收缩结合接头。

本发明的第六技术方案为在第二技术方案中，还包括在金属环中包含鸠尾槽的特征。

本发明的第七技术方案为在第六技术方案中，还包括在一个或更多个金属环与复合物线轴轴套之间的一个或更多个环形粘合层。

本发明的第八技术方案为在第七技术方案中，还包括在一个或更多个金属环与复合物线轴轴套之间包含环形粘合层的收缩结合接头。

本发明的第九技术方案为在第一技术方案中，还包括金属环，金属环包括带有环形径向延伸齿的至少一个单密封齿圈。

本发明的第十技术方案为在第九技术方案中，还包括在一个或更多个金属环与复合物线轴轴套之间的一个或更多个环形粘合层。

本发明的第十一技术方案为在第十技术方案中，还包括在一个或更多个金属环与复合物线轴轴套之间包含环形粘合层的收缩结合接头。

本发明的第十二技术方案为在第一技术方案中，还包括金属环，金属环包括至少一个多齿密封齿圈，其具有至少两个远离环形基座径向地延伸的环形轴向分开密封齿，环形基座连接至少两个环形轴向分开的密封齿。

本发明的第十三技术方案为在第十二技术方案中，还包括在一个或更多个金属环与复合物线轴轴套之间的一个或更多个环形粘合层。

本发明的第十四技术方案为在第十三技术方案中，还包括在一个或更多个金属环与复合物线轴轴套之间包含环形粘合层的收缩结合接头。

本发明的第十五技术方案为在第一技术方案中，还包括：金属环，包括前和后鸠尾槽金属环；轴向向后延伸的环形齿，其附接至前鸠尾槽金属环；以及轴向向前延伸的环形齿，其附接至后鸠尾槽金属环。

本发明的第十六技术方案提供了一种用于制造混合金属和复合物线轴的方法，包括：制造在其中带有特征的一个或更多个金属环；将一个或更多个金属环在固化线轴之前在线轴的未固化的复合物线轴轴套的外表面和/或内表面上定位在适当位置中，以及固化线轴，其中，一个或更多个金属环在外表面和/或内表面上定位在适当位置中。

本发明的第十七技术方案为在第十六技术方案中，还包括在固化之前通过在一个或更多个金属环和复合物线轴轴套之间施加一个或更多个环形粘合层，将一个或更多个金属环结合至未固化的复合物线轴轴套。

本发明的第十八技术方案提供了一种用于制造混合金属和复合物线轴的方法，包括：制造在其中带有特征的一个或更多个金属环；将一个或更多个金属环加热至至少足以在固化的复合物线轴轴套上方滑动环的温度；在线轴的固化的复合物线轴轴套的外表面上将加热的一个或更多个金属环滑动至适当位置中；以及允许一个或更多个环冷却和收缩至固化的轴套上。

本发明的第十九技术方案为在第十八技术方案中，还包括在将加热的一个或更多个金属环在一个或更多个环形粘合层上方滑动到适当位置之前，将一个或更多个环形粘合层施加在固化的复合物线轴轴套上。

本发明的第二十技术方案为在第十六技术方案中，还包括在定位之后和在固化之前或之后加工一个或更多个金属环的界面表面。

附图说明

在从结合附图进行的下列详细描述中说明本发明的前述方面和其它的特征，其中：

图1是带有在发动机的增压器中的混合金属和复合物线轴或转子的航空器涡扇燃气涡轮发动机的示例性实施例的纵向部分剖视图和部分简图说明。

图2是在图1中示出的增压器线轴的一部分的前视后透视图说明。

图3是穿过在图2中示出的增压器线轴部分的横向透视图说明。

图4是穿过在图2中示出的增压器线轴的剖视图说明。

图5是在图2中示出的增压器线轴的鸠尾槽环的放大剖视图说明。

图6是带有两个密封齿环的在图5中示出的增压器线轴的剖视图说明。

图7是带有双密封齿环的在图5中示出的增压器线轴的剖视图说明。

图8是带有在图5所示出的鸠尾槽环上的轴向延伸的密封齿的增压器线轴的剖视图说明。

具体实施方式

在图1中示出了可用于在本文中公开的燃气涡轮增压器16中的增压器线轴43的混合金属和复合物线轴43或转子的实例。混合金属和复合物线轴43包括在线轴43的复合物线轴轴套46的外径OD或外表面OS上的一个或更多个金属环44。金属环44可具有特征，例如，在图5中示出的金属环44中的鸠尾槽54和在图6中示出的密封齿圈58。鸠尾槽包括如在图5中示出的环形鸠尾槽54和轴向延伸鸠尾槽。

在图1中示出的是，绕发动机中心轴线12限制并适当地设计以安装至航空器的翼或机身的示例性航空器涡扇燃气涡轮发动机10。发动机10下游连续流连接地包括：风扇14、增压器16、高压压缩机18、燃烧器20、高压涡轮（HPT）22、以及低压涡轮（LPT）24。HPT或高压涡轮22通过高压驱动轴23结合至高压压缩机18。LPT或低压涡轮24通过低压驱动轴25结合至风扇14和增压机16两者。

在典型的操作中，空气26通过风扇14加压，并且产生引导穿过增压器16的内部空气流15，该增压器16进一步加压内部空气流15。加压空气然后流向进一步加压空气的高压压缩机18。加压空气在燃烧器20中与燃料混合以用于产生热燃烧气体28，该热燃烧气体28转而向下游流动穿过HPT22和LPT24。

围绕直接在风扇14之后的增压器16的分流件34包括锐前缘32，其将通过风扇14加压的风扇空气26分流为引导穿过增压器16的径向内流（内部空气流15）和引导通过旁路管36的径向外流（旁通空气流17）。围绕风扇14的风扇舱室30由环形风扇框架33支撑。增压器16包括增压器叶片38和静叶42的交替环形组，其可跨过在增压器导管40中的增压器流路39径向向外和向内延伸。

增压器叶片38的环形组适当地结合至风扇14。增压器16定位在风扇框架33的前部，并且布置在分流器34的径向内侧。增压器线轴43承载增压器叶片38，其在增压器线轴43的复合物线轴轴套46的外径OD或外表面OS上安装在金属环44中。增压器线轴43通过低压驱动轴25被动地连接至低压涡轮24。在本文中公开的增压器线轴43是混合金属和复合物线轴或转子的实例。

参照图2-5，增压器叶片38中的每一个包括翼形件48，其具有从翼形件基部45向外延伸至翼形件顶部47的压力和吸引侧41、51。翼形件48包括弦向分开的前缘和后缘LE、TE。增压器叶片38包括鸠尾榫叶片根部52，其在翼形件基部45处附接至翼形件48。鸠尾榫叶片根部52安装于在金属环44中的鸠尾槽54中，并且因而将翼形件48和增压器叶片38附接至增压器线轴43。增压器线轴43的复合物线轴轴套46的内表面IS和外表面OS既平滑又不间断，并且因而有助于线轴43的强度和坚固性。

带有鸠尾槽54的金属环44可通常称为鸠尾槽金属环，并代表可安装在增压器线轴43的复合物线轴轴套46的外表面OS或内表面IS上的一种类型的金属环。在图6中示出了另一类型的金属环，该金属环处于安装在增压器线轴43的复合物线轴轴套46的外表面OS上的单个齿密封齿圈58的形式。密封齿圈58包括单个环形径向延伸密封齿60，其设计为密封在图1中示出的增压器静叶42上的密封台。在图6中示出了安装在复合物线轴轴套46的外表面OS上的两个相邻的密封齿圈58。图7示出了处于多齿或双齿密封齿圈62的形式的又一类型的金属环，该齿圈62包括至少两个环形轴向分开和径向延伸的密封齿，例如，前和后密封齿64、66。前和后密封齿64、66远离环形基部68径向地延伸并且通过环形基部68连接在一起。多齿或双齿密封齿圈62可一体地形成或制成。

在图8中示出了环形轴向向后延伸和轴向向前延伸环形密封齿74、76，其相对应地附接至前和后鸠尾槽金属环78、80。轴向向后和轴向向前延伸的密封齿74、76被设计为沿着在前和后鸠尾槽金属环78、80之间轴向地定位的增压器静叶42的前缘和后缘LE、TE密封静叶42的顶部82。

用于制作混合金属和复合物线轴43的示例性方法包括，在固化轴套之前，将金属环44在线轴43的未固化的复合物线轴轴套46的外表面OS和/或内表面IS上定位在适当位置中。在金属环44和未固化的复合物线轴轴套46之间的收缩结合接头50可在外部环的情况下使用。收缩结合接头50可包括在金属环44和未固化的复合物线轴轴套46之间的环形粘合层49。这将提供了处于零每分钟转数和室温的在粘合接头处的初始压缩界面力。当旋转速度增加时，压缩力将减少且有可能过渡成仍然在粘合接头的能力内的拉力。如在图5中所示出，粘合剂可在固化之前放置在金属环44与未固化的复合物线轴轴套46的外表面OS和/或内表面IS之间。

收缩配合接头可数种方式形成。一种方法为使一个或更多个金属环44在复合物线轴轴套46在升高的温度下模制和固化时在适当的位置。由于对于金属环，热膨胀系数大于复合物线轴轴套，因而外部金属环将在冷却期间以比复合物物更大的速率收缩，从而剩下有益的压缩界面。另一方法包括将金属环44加热至将允许环在已经固化的复合物线轴轴套46上方滑动的温度，并然后允许环冷却和收缩至施加至复合物线轴轴套46的外径OD和外表面OS的粘合剂的薄膜或层上。明断地选择部件的尺寸将导致调整压缩力至期望的水平的能力。

各种方法可被利用来将树脂注入复合物线轴轴套46的编织复合物预制体。用树脂注入预制体可使用树脂传递模制（RTM）或真空辅助树脂传递模制（VARTM）执行，同时预制体放置在工具系统上。备选地，可使用更常规的高压浸出工艺。当将预制体放置在模具中时，各种模具部分或区段将预制体保持在适当位置中以正确地形成复合物线轴轴套46。

树脂传递模制方法使用树脂传递模制模具来在部分的两侧上实现平滑的表面光洁度并且可以最小的后续作业修正和/或加工下在高速率下产生复杂的、详细的近终形状。树脂在压力下利用夹紧在一起（或在按压中保持在一起）的模具片的情况下被输送，并且因而，部分是一致的、可重复的、尺寸温定且良好地固结的、带有相对高的纤维含量和优秀的空隙控制。对于利用更高的粘性增韧树脂形成的高性能部分，模具通常被加热，并且树脂注射压力利用计量/混合注射机控制。原材料成本通常比用于手工普叠的那些更少，因为使用了干燥的预制体而不是传统的预浸体。循环时间可范围为短于典型的高压釜固化循环的从两小时至三个小时。

用于复合物线轴轴套46的复合物预制体可由单方向预浸带、编织布、编带或任何纤维结构的组合形成。单方向预浸带是单向带材料和树脂基质。可在1987、1989或之后的版本的由美国材料信息协会的“工程材料手册”中发现了这样的和其它适当的材料的讨论。在本文中讨论的复合物材料可由非金属类型形成，该非金属类型由包括下列的材料形成：纤维（例如，含碳）、硅石、金属、金属氧化物、或在树脂材料（例如，环氧树脂、PMR15、BMI、聚醚醚酮等）中嵌入的陶瓷纤维。纤维在带中单向地对准，该带浸渍有树脂并形成部分形状。稍后，其经由高压釜工艺或压模固化，来形成在其内具有薄片或层板的轻质、刚性、相对均质的物体。如通常所提及的，层板通常均由优选地为带的单向纤维细丝层板材料形成，该带绕用于复合物线轴轴套46的复合物预制体周向地布置。

该方法可包括在定位之后和在固化之前或之后加工金属环44的界面表面。这允许了近终形的金属环44的适当位置的结合。在随后的操作中，将可能使用线轴的安装毂作为数据加工精确的界面。该方法将确保特征的优秀定位和朝向。

本发明已以示例性方式描述。应当理解的是，使用的术语意图本质为描述而不是限制的文字。尽管已经在本文中描述了本发明的被认定为优选和示范的实施例，但是从在本文中的教导其它的更改对于本领域专业人员应该是显而易见的，并且因此在附属权利要求中需要保证所有这些更改落入本发明的真正的精神和范围内。

因此，需要通过美国专利特许证确认的是在下述权利要求中限定和区别的本发明。

Claims (10)

1.一种混合金属和复合物线轴，包括在所述线轴的复合物线轴轴套的外径或外表面上的一个或更多个金属环。

2.根据权利要求1所述的混合金属和复合物线轴，还包括在所述一个或更多个金属环中的特征。

3.根据权利要求2所述的混合金属和复合物线轴，还包括在所述一个或更多个金属环与所述复合物线轴轴套之间的收缩结合接头。

4.根据权利要求2所述的混合金属和复合物线轴，还包括在所述一个或更多个金属环与所述复合物线轴轴套之间的一个或更多个环形粘合层。

5.根据权利要求4所述的混合金属和复合物线轴，还包括在所述一个或更多个金属环与所述复合物线轴轴套之间包含所述环形粘合层的收缩结合接头。

6.根据权利要求2所述的混合金属和复合物线轴，还包括在所述金属环中包含鸠尾槽的特征。

7.根据权利要求6所述的混合金属和复合物线轴，还包括在所述一个或更多个金属环与所述复合物线轴轴套之间的一个或更多个环形粘合层。

8.根据权利要求7所述的混合金属和复合物线轴，还包括在所述一个或更多个金属环与所述复合物线轴轴套之间包含所述环形粘合层的收缩结合接头。

9.根据权利要求1所述的混合金属和复合物线轴，还包括所述金属环，所述金属环包括带有环形径向延伸齿的至少一个单密封齿圈。

10.根据权利要求9所述的混合金属和复合物线轴，还包括在所述一个或更多个金属环与所述复合物线轴轴套之间的一个或更多个环形粘合层。