CN111075511B - 复合物翼形件金属补片 - Google Patents

Abstract

一种复合物翼形件（34）包括前缘（44）和后缘（46）、在前缘和后缘之间延伸的压力侧（48）和吸入侧（50）、翼形件径向外端处的顶端、翼形件径向内端的胫部（52）、连接到胫部的楔形榫头（54）以及布置在楔形榫头和胫部之间的金属补片（80）。

Description

复合物翼形件金属补片

本申请是于2015年11月27日进入中国国家阶段的PCT国际申请PCT/US2014/039966(申请日为2014年5月29日，中国专利申请号为201480030980.8，发明名称为“复合物翼形件金属补片”)的分案申请。

技术领域

本实施例大体涉及燃气涡轮发动机。更具体地，但是不借助于限制，本实施例涉及具有定位在翼形件胫部和楔形榫头中的一者或两者上的金属补片结构的复合物翼形件。

背景技术

典型的燃气涡轮发动机通常拥有前端部和后端部，其中，其数个芯部或推进构件轴向地定位在它们之间。空气入口或进口定位于发动机的前端部处。朝向后端部移动，按顺序，入口后跟随有：压缩机、燃烧室以及涡轮。本领域技术人员将易于理解，附加构件也可包括在发动机中，例如低压与高压压缩机，和低压与高压涡轮。但是，这不是详尽的列表。

压缩机和涡轮通常包括在级中轴向地堆叠的成组翼形件。每个级包括一组周向分开的定子静叶和一组围绕涡轮发动机的中心轴或轴线旋转的转子叶片。涡轮发动机可包括许多通常称为静叶的静止翼形件的级，其在通常称为叶片的旋转翼形件之间在发动机轴向方向上占据空间。多级低压涡轮跟随两级高压涡轮并且典型地通过第二轴连接至风扇，该风扇配置为在用于在飞行中对飞行器供能的典型的涡轮风扇飞行器发动机结构中的压缩机的上游。

发动机还典型地具有内部轴，其沿着发动机的中心纵轴线轴向地布置。内部轴连接至涡轮和空气压缩机两者，使得涡轮向空气压缩机提供旋转输入来驱动压缩机叶片。第一和第二转子盘通过相对应的用于在运行期间对压缩机供能的转子轴结合至压缩机。

在操作中，空气在压缩机中被加压并且在燃烧器中与燃料混合以用于产生向下游流动穿过涡轮级的热燃烧气体。涡轮级从燃烧气体取出能量。高压涡轮首先接受来自燃烧器的热燃烧气体并包括定子喷嘴组件，其引导燃烧气体向下游穿过从支撑转子盘径向向外延伸的一组高压涡轮转子叶片。定子喷嘴以在相邻的下游涡轮叶片处最大抽取的方式转动热燃烧气体。在二级涡轮中，第二级定子喷嘴组件定位在第一级叶片的下游，该第一级叶片依次跟随有从第二支撑转子盘径向向外延伸的一组第二级转子叶片。涡轮将燃烧气体能转化为机械能。

由于燃烧气体流动路径的极端温度和操作参数，涡轮机和压缩机两者中的定子叶片和转动叶片可变为在极端机械和热负载下而遭受高应力。此外，燃气涡轮发动机通常包括提供推力的涡扇。这些涡扇还利用翼形件来引起从发动机的前端部朝向发动机的后端的空气移动，并且由于操作温度而可由轻质的复合物物形成。

提高涡轮发动机的性能的一个已知手段为增大发动机的操作温度，这允许更热的燃烧气体和增加的能量提取。此外，外来物质偶尔随着空气流经过这些部件。然而燃气涡轮发动机的一个竞争目标是通过在发动机中的部件的重量减轻来改善性能。发动机部件的降低重量的一个手段在于通过使用复合物材料减轻重量。

燃气涡轮发动机的一个期望的特征或设计在于改善翼形件结构的性能。这可以包括使用复合物材料的多种方式发生。但是，在稳态条件下翼形件通常经受大的离心负载。在楔形榫头的上端和胫部下端处的应力集中通常是复合物叶片寿命和持久性的限制因素。

如可通过前述看出，将期望克服燃气涡轮发动机构件的这些和其它缺点。更具体地，将期望通过减少应力集中并改善抗疲劳性克服这些缺点来改善翼形件的寿命和耐久性。

包括在本文中提到的任何标号和其任何描述或讨论的在说明书的该背景部分中包括的信息被包括，来仅仅用于技术参考目的，并且不被看作本发明的范围将被界定的相关的主题。

发明内容

根据本实施例的方面，复合物翼形件在翼形件胫部或楔形榫头中的至少一者上设有金属补片。复合物翼形件可以使用在燃气涡轮发动机内的不同位置处。

复合物翼形件包括前缘和后缘、在前缘和后缘之间延伸的压力侧和吸入侧、翼形件的径向外端处的顶端、翼形件的径向内端处的胫部、连接到胫部的楔形榫头以及布置在楔形榫头和胫部之间的金属补片。

可选地，复合物翼形件还包括布置在楔形榫头和盘之间的垫片。复合物翼形件还包括布置在垫片和楔形榫头之间的耐磨衬条。耐磨衬条可布置在楔形榫头的组合部上或者耐磨衬条布置在金属补片上。金属补片可包括在吸入侧上的第一金属补片和在压力侧上的第二金属补片。金属补片可位于楔形榫头和胫部之间的过渡区域内。金属补片可以是等厚的或可变厚度的。金属补片可以是钛合金。翼形件可以是风扇叶片、涡轮机叶片或压缩机叶片。金属补片可粘结到楔形榫头。垫片可以由单一材料或两种材料形成并且具有软侧或者硬侧。

提供发明内容是为了以简化形式介绍方案的选择，这进一步在下面的详细说明中进行说明。该发明内容不打算确定权利要求主题的关键特征或基本特征，也不是用于限定要求主题的范围。上面略书的所有特征将仅被理解为示范性的并且本发明更多的特征和目标将可以从本公开中收集，应该理解，在没有进一步阅读包括在此的整个说明书、权利要求和附图的情况下，该发明内容没有限制解释。本发明的特征、细节、实用性以及优点的更广泛介绍将在下列撰写的本发明的不同实施例的描述中提供，结合附图进行阐述，并且由附加权利要求限定。

附图说明

这些示例性实施例的上述和其它特征与优点以及获得它们的方式将变得更显而易见，并且通过参考结合附图的实施例的下列说明，带有金属补片的复合物翼形件将被更好地理解，其中：

图1是用于飞行器的燃气涡轮发动机的示意侧视剖视图；

图2是风扇盘和分解的翼形件的轴测图；

图3是带有金属补片的翼形件和转子盘组件的轴测图；

图4是带有图3的金属补片的示例性翼形件的剖视图；

图5是带有金属补片的翼形件的第二实施例的剖视图；以及，

图6是带有金属补片的翼形件的第三实施例的剖视图。

具体实施方式

现在将详细地参照在附图中示出一个或更多个实例的提供的实施例。以说明而不是对公开实施例的限制的方式提供各个实例。事实上，在本发明中可进行各种更改和变化而不脱离本公开的精神和范畴这点对于本领域专业人员是显而易见的。例如，示出或描述作为一个实施例的部分的特征可用于在其他的实施例内以仍产生进一步地实施例。因此，本发明不意图覆盖这种在所附权利要求的范围内的更改和变化，以及它们的等同物。

参见图1-6，复合物翼形件的各种实施例绘出为带有金属补片。复合物翼形件可用于燃气涡轮发动机的不同位置处，包括但不限于：风扇、压缩机以及涡轮、叶片和静叶两者。金属补片可以与垫片一起使用，并且可选地在补片和垫片之间带有磨损条带。金属条或补片定位于关键的应力集中位置并且通过重新分布负载并降低拉伸应力来减小应力集中水平。结果，金属补片将改善风扇叶片的疲劳寿命。

如在本文中所使用的，用语“轴向”或“轴向地”意指沿着发动机的纵向轴线的尺寸。结合“轴向”或“轴向地”使用的用语“向前”意指在朝向发动机入口、或与另一构件相比相对更接近发动机入口的构件的方向上移动。结合“轴向”或“轴向地”使用的用语“后”意指在朝向发动机喷嘴、或与另一构件相比相对更接近发动机喷嘴的构件的方向上移动。

如在本文中所使用的，术语“径向”和“径向地”意指在发动机的中央纵向轴线和外部发动机环境之间延伸的尺寸。单独或与术语“径向”或“径向地”结合的术语“近端”或“近端地”的使用意指在朝向中心纵向轴线的方向上移动，或与另一构件相比，构件相对更接近中心纵向轴线。单独或与术语“径向”或“径向地”结合的术语“远端”或“远端地”的使用意指在朝向外发动机圆周的方向上移动，或与另一构件相比，构件相对更接近外发动机圆周。如在本文中所使用的，术语“横向”或“横向地”意指垂直于轴向和径向尺寸两者的尺寸。

本实施例提供了可由不同的材料层形成的翼形件。例如，一种材料可为聚合物基质复合物材料（PMC）。根据第二实施例，材料可以使陶瓷基质复合物材料（CMC）。如在本文中进一步描述的，可使用其它材料，例如碳基材料，并因此说明不应被认为是限制。

首先参照图1，示出了燃气涡轮发动机10示意侧视剖视图。涡轮机的功能是从高压且高温燃烧气体提取能量并将能量转换为机械能以用于工作。涡轮发动机10具有入口端12，其中，空气进入大体由压缩机14、燃烧器16以及多级高压涡轮机20限定的芯部或推进器13。共同地，推进器13在运行期间提供推力或功率。燃气涡轮发动机10可以被用于航空、发电、工业、船舶等。

在运行中，空气穿过发动机10的空气进口端12进入并移动穿过至少一个压缩级，在该至少一个压缩级中空气压力增大并被导向至燃烧器16。压缩空气与燃料混合并燃烧提供热的燃烧气体，燃烧气体离开燃烧器16逼近高压涡轮机20。在高压涡轮机20处，从热燃烧气体提取能量，从而引起涡轮叶片的旋转，这转而引起轴24的旋转。轴24通向发动机前部来根据涡轮机设计继续一个或更多个压缩机级14、涡扇18或进口风扇叶片的旋转。涡扇18通过轴28连接到低压涡轮机21并且产生用于涡轮发动机10的推力。低压涡轮机21也可以被利用来进一步提取能量并且为另外的压缩机级供能。低压空气也可用来有助于冷却发动机的部件。

仍然参照图1，进口12包括具有多个叶片的涡扇18。涡扇18通过轴28连接至低压涡轮机21并且产生用于涡轮发动机10的推力。虽然关于风扇18的各种叶片进行了讨论，但是多材料翼形件可与在涡轮发动机10内的各种翼形件一起被利用。而且，多材料叶片也可同与涡轮发动机之外的结构相关的各种翼形件一起被利用。

翼形件组件30（图2）可适于用在发动机10（图1）的各种位置处。例如，组件30可以用在风扇18处。组件30可用在压缩机14内。而且，组件30可以用在涡轮机20内。而且，组件30可与固定的静叶或移动的叶片一起使用，两者中的任一个均具有翼形件形状的部件。

现在参照图2-4，绘出了示例性翼形件组件30的轴测图和剖视图。根据本实施例，绘出了风扇组件18，然而该结构能够被用在发动机的不同部分中。翼形件组件30通过盘32和承座在盘32内的多个翼形件34限定。根据本实施例，复合物翼形件34可为用于与风扇、压缩机或涡轮机一起使用的叶片。盘32绕发动机轴线26（图1）围绕并且包括多个鸠尾槽36（图3），其中，每个翼形件34绕盘32的圆周承座。每个狭槽36由第一和第二柱38、40（图3）形成，第一和第二柱38、40具有倒转的楔形榫头42（图3）。在柱38、40之间，狭槽壁37限定翼形件34的接合表面。柱38、40和倒转的楔形榫头42抓住翼形件34的楔形榫头54从而在运行中在其中保持翼形件，例如风扇叶片。

翼形件34包括空气流首先接合的前缘44以及相对的后缘46。前缘44和后缘46通过翼形件34的相对侧结合。翼形件34的第一侧上是在其中出现更高压力的压力侧48。与压力侧48横向相对的是吸入侧50，其也从前缘44延伸到后缘46。压力侧48是大体凹入的并且吸入侧50是大体凸起的。翼形件34的吸入侧50比压力侧48长，并且作为结果，空气或燃烧气体流必须在该表面50上方移动得比限定压力侧48的表面更快。作为结果，在吸入侧50上产生较低压力并且在压力侧48上产生了较高压力。这在翼形件34上产生了横向或切向力。

仍然参照图2-4，接近翼形件34的下或径向内部端的是胫部52和楔形榫头54。鸠尾形根部55尺寸确定为配合在狭槽36内并且具有大于在倒转的楔形榫头42之间的狭槽36的最高或径向最向外的尺寸的在周向方向上的尺寸。每个楔形榫头54包括径向内端向上到达根端58的鸠尾形根部55。每一个楔形榫头54还包括相对的压力垫56，其成形为通过鸠尾槽36的狭槽壁37承载。压力垫56大体从根端58延伸至在胫部52处的根部压力面57的径向上端部。每个狭槽壁37与压力垫56中的一者，并且更具体地与较低的压力面57协作，以在盘32和翼形件34的运行期间保持翼形件34。在这样的运行期间，楔形榫头54和压力垫56被设计成在期望的应力下操作，其在设计中被考虑到，至少部分地与发动机运行期间的离心力有关。

压力面57可可选择地由最靠近根部55径向内部、最靠近胫部52的径向外部形成，其中，径向外部径向向外偏离某一小角，例如小于10度。这通常称为本领域技术人员将能够理解的“隆起”，并且允许由离心力负载引起的感应的挤压应力，沿着面57的长度布置在压力垫56和复合物板层两者内。

在压力垫56和狭槽壁37之间布置垫片64。垫片64沿着狭槽壁37从第一端66径向向上并且绕过渡件70延伸到倒转楔形榫头42的上表面上的第二端部68。第二端部68可以进一步绕倒转楔形榫头42延伸。垫片64被保持在倒转楔形榫头42的上表面上或上方。垫片64提供期望的硬度和表面抛光来改善性能，同时抑制狭槽壁37的磨损。垫片64可以是可更换的部件并且提供用于倒转楔形榫头42的磨损性质，例如其中，柱38、40和/或倒转楔形榫头42由钛合金形成。

垫片64可以由各种材料形成，包括但不限于：钢、钛、钛合金或铜或铜合金。备选地，垫片64可以是双金属的，具有第一材料，其镀有第二材料，例如非限制性实例，在一个或更多个侧面上钢或钢合金镀有铜或铜合金。根据双金属垫片64的一些实施例，相对硬的铁基合金位于一侧而相对软的铜或铜合金被用在相对侧上。在这样的实施例中，软侧与狭槽壁37相对地布置来防止在狭槽壁37和垫片64之间的相对运动并且抑制狭槽壁37的老化。

耐磨衬条74位于垫片64和压力垫56之间。耐磨衬条74在垫片64和压力垫56之间提供低摩擦涂层，使得耐磨衬条74和垫片64之间发生运动，其中，摩擦系数是已知的。此外，翼形件楔形榫头应力可以最佳化。

本实施例在根端58直到胫部52的楔形榫头54的区域内，还包括金属补片80。根据图4中的实施例，金属补片80与垫片64和耐磨衬条74一起使用。金属补片80可以由不同材料形成，包括但不局限于：高密度材料，并且可以由各种金属薄板形成，例如不锈钢、钛、铬镍铁合金或其它适于用在燃气涡轮发动机环境中的已知材料。此外，金属补片80可以具有恒定厚度或变化的厚度。

金属补片80可以是黏附地结合到楔形榫头54并且布置在压力侧和吸入侧48、50上。压力面57提供大表面区域以用于黏附或以另外方式将部件粘合到一起。金属补片80位于关键应力集中位置处以用于与各种翼形件设计一起使用。而且，金属补片80可通过重新分布负载减小集中并且降低平面方向的拉伸应力，即，垂直于复合物层。另外，金属补片80允许翼形件34的疲劳寿命改善。根据一些试验，估计寿命改善增加8倍。

如前面提到的那样，金属补片80在根端58到胫部52之间，穿过其中胫部52接合楔形榫头54的过渡区域或楔形榫头倒角60延伸。金属补片80可以由具有高的公差控制的已加工面形成。金属补片80引起胫部52和楔形榫头区域54处的应力集中减少。根据模型的数值分析，应力减少可达百分之十二（12％）。金属补片80还导致改善的复合物翼形件34。最后，金属补片80允许最佳化楔形榫头设计的时机并提供了翼形件重量减轻。

现在参见图5，描述了第二实施例，其中金属补片80与垫片64一起使用并且不与耐磨衬条74一起使用。在该实施例中，金属补片80和/或垫片64可以由低系数材料形成或备选地，可以在相邻的相对应的表面处涂敷有低系数材料。这些实施例中的任一个因而不要求使用不同于金属补片80和垫片64的专用的磨损材料。如之前的实施例那样，可以在压力和吸入侧两者上采用金属补片80。

现在参见图6，描述了第三实施例，其中金属补片180位于胫部52和楔形榫头54之间的过渡区域60（图4）或楔形榫头倒角中。耐磨衬条74在根端58（图4）至高达倒楔形榫头倒角60附近之间延伸。在该倒角60内的是金属补片180，其向上延伸到胫部52。所以，与之前的实施例相比，金属补片180比图4和5的实施例更短。在该实施例中也与耐磨衬条74和金属补片180相对地使用垫片64。

虽然说明和描述了某些实施例，但是应当从本公开理解的是，带有金属补片的复合物翼形件可与涡轮叶片、压缩机叶片、燃气涡轮发动机内的的压缩机或涡轮机的风扇叶片或定子叶片一起使用。

而且，虽然在本文中已经描述和示出了多个发明性实施例，但是本领域技术人员将容易想象用于执行功能和/或获得在本文中描述的结果和/或一个或更多个优点的多种其它机构和/或结构，并且认为各个这样的变型和/或修改在本文中描述的实施例的发明的范围内。更一般而言，本领域技术人员将容易理解，在本文中描述的所有参数、尺度、材料和构造仅仅意图为示范，并且实际参数、尺度、材料和/或构造将取决于（一个/多个）本发明性教导用于的具体应用或多个应用。本领域技术人员将理解或能够确定仅仅使用常规实验、在本文中描述的具体发明性实施例的许多等同。因而，应当理解的是，前述实施例仅仅经由实例呈现，并且在所附权利要求和其等同的范围内，可与具体描述和主张不同地实践发明性实施例。本公开的发明性实施例针对在本文中描述的各个单独的特征、系统、物品、材料、工具包和/或方法。此外，如果这些特征、系统、物品、材料、工具包和/或方法不互相矛盾，那么两个或更多个这些特征、系统、物品、材料、工具包和/或方法的任何结合均包括在本公开的发明性范围内。

实例用以公开包括最佳实施方式的本实施例，并且还使本领域技术人员能够实践装置和/或方法，包括制造和使用任何装置或系统并且实行任何合并的方法。这些实例不意图为详尽的或将本公开限制为公开的准确步骤和/或形式，并且根据上述教导许多修改和变型是可能的。在本文中描述的特征可结合在任何结合中。在本文中描述的方法的步骤可以物理上可能的任何顺序执行。

在本文中限定和使用的所有定义应当理解为，控制词典定义、通过引用并入的文档中的定义、和/或限定项的普遍含义。如在本文中使用的不定冠词“一”和“一个”在说明书中和在权利要求中，除非相反地清楚滴指出，应当理解为指“至少一个”。在本文中使用的短语“和/或”在说明书中和在权利要求中应当理解为指如此结合的元件中的“任一或两者”，即在一些情况下位连接地呈现，并且在其它情况下不连接地呈现。

还应当理解的是，除非相反地清楚地指出，在包括多于一个步骤或行动的在本文中主张的任何方法中，该方法的步骤或行动的顺序不必限于叙述的本方法的步骤或行动的顺序。

在权利要求中，和在上述说明书中，所有的过渡短语例如“包括…的”、“含有…的”、“承载…的”、“具有…的”、“包含…的”、“涉及…的”、“保持…的”、“由…组成”等应当理解为无限制的，即，指含有但不限于。如在专利审查程序、2111.03部分的美国专利事务所手册中陈述的，只有过渡短语“由…构成”、“本质上由…构成”应当分别地为限定或半限定过渡短语。

Claims (12)

1.一种复合物翼形件，包括：

前缘和后缘；

在所述前缘和所述后缘之间延伸的压力侧和吸入侧；

在所述翼形件的径向外端处的顶端；

在所述翼形件的径向内端处的胫部；

连接到所述胫部的楔形榫头；

盘，其具有多个鸠尾槽，每个鸠尾槽由第一和第二柱形成和限定，所述第一和第二柱具有倒转的楔形榫头，所述第一和第二柱和倒转的楔形榫头抓住所述翼形件的楔形榫头从而在运行中保持翼形件，以及

结合到所述楔形榫头的压力垫且布置在所述楔形榫头和所述胫部之间的金属补片；其中所述金属补片在至少所述压力侧和吸入侧一者上黏附地结合到位于所述楔形榫头和所述胫部之间的过渡区域，并且所述金属补片在所述胫部和所述楔形榫头的根部的根端之间延伸，且所述金属补片在所述根部的根部压力面上向内延伸并不超过所述根部压力面；

布置在所述楔形榫头和盘之间的垫片；以及

布置在所述垫片和所述金属补片之间的耐磨衬条；

其中，所述金属补片、耐磨衬条和垫片在所述楔形榫头和盘之间形成3层式结构，且在所述耐磨衬条和垫片之间容许相对运动；

其中，所述金属补片位于关键应力集中位置处以重新分布负载。

2.根据权利要求1所述的复合物翼形件，所述耐磨衬条布置在所述金属补片上。

3.根据权利要求1所述的复合物翼形件，另外其中，所述金属补片包括在所述吸入侧上沿着所述楔形榫头沿径向向上延伸的第一金属补片和在所述压力侧上沿着所述楔形榫头沿径向向上延伸的第二金属补片。

4.根据权利要求1所述的复合物翼形件，所述金属补片是不变厚度的。

5.根据权利要求1所述的复合物翼形件，所述金属补片是变化厚度的。

6.根据权利要求1所述的复合物翼形件，所述金属补片是钛合金。

7.根据权利要求1所述的复合物翼形件，所述翼形件是风扇叶片，其中所述金属补片向内延伸直到所述根部压力面的内端。

8.根据权利要求1所述的复合物翼形件，所述翼形件是涡轮机叶片。

9.根据权利要求1所述的复合物翼形件，所述翼形件是压缩机叶片。

10.根据权利要求1所述的复合物翼形件，所述垫片由单一材料形成。

11.根据权利要求1所述的复合物翼形件，所述垫片由两种材料形成。

12.根据权利要求1所述的复合物翼形件，所述垫片具有软侧和硬侧。