CN113330189A - 包含内部格架的中空叶片 - Google Patents

Abstract

一种格架(6)，该格架由在腔体(5)中接合的连接部(9)形成，该腔体(5)被叶片(3)的外皮层(4)包围，并且该格架设置有被称为易破裂部分的机械强度低的部分(10)，在叶片运行期间，当对该易破裂部分施加足够的负载时，该易破裂部分能够断裂。这种布置将断裂集中在给定位置，该布置将使格架(6)的其余部分完整，并且，如果例如通风空气行进穿过格架，因此不会妨碍或者几乎不会有损格架通过传导或对流或压力损失来排出热量的性能。

Description

包含内部格架的中空叶片

技术领域

本发明涉及一种包括内部格架的中空叶片。

背景技术

在欧洲专利文献EP2 843 192 A1和3 015 647 A1中描述了叶片内部格架的一些例子。它们由缠绕的三维连接结构件组成，这些三维连接结构件占据了叶片的腔体，三维连接结构件的边缘与叶片的外皮层的内表面相连，但尽管如此仍在连接部之间的腔体中留下了很大的空隙体积。各种连接部的尺寸及连接部的布置之间可以是非常不同的种类。使用这种格架的一个原因是：格架在通过增材制造来制造叶片时为叶片的外皮层提供支撑，因为没有这种支撑则无法沉积覆盖腔体的材料。然而，在许多情况中，格架也被设计成使得能够通过冷空气流使叶片通风和冷却，冷空气流因此从叶片的根部或头部挖空的入口穿过格架，并且冷空气流可以经由穿过的外皮层端口排出。因此，格架对通过传导和对流从叶片的外皮层中排出热量具有促进作用，然而也导致了通风空气中的压力下降，这也影响通风性能。

其他有关的现有技术文献包括德国专利文献DE 102017208631 A1(由两种结构件组成的格架，包括例如减振自由体在其中移动的单元格)、美国专利文献US 7101154B2(具有经线取向不规则的、包括非均匀区域的格架)以及国际专利文献WO 2014/151066 A1(由重叠的二维纤维层组成的格架，该纤维在彼此之间具有不同的空间并且直径不同，该纤维具有从一层到另一层相互交叉的取向)。

典型地，格架连接部非常细，并且在运行中由于叶片的热膨胀或机械变形而容易断裂。断裂伴随着格架结构件的局部的且随机的损坏，从而不可预测地改变了格架结构件有关热量排出和空气流内部通风的性能，并且将污染散布在空气流中。

发明内容

本发明被设计以克服这种风险，并且控制在叶片寿命期间格架可能的结构性改变。一般地说，本发明涉及中空叶片，该中空叶片包括外皮层、被皮层包围的腔体以及格架结构件，该格架结构件由在腔体内相互接合以形成连续网络的三维连接部组成，其特征在于，该格架具有至少一个如下部段：在该部段处的所有连接部都被制造成具有断裂起始点，该断裂起始点在该叶片在涡轮发动机上运行时能够断裂，并且所述部段延伸到与外皮层连接的格架连接表面，或者穿过格架延伸到外皮层的两个相对的部分。

该一个或多个部段具有易破裂的性质，即该一个或多个部段具有强度弱化的结构或者由强度较弱的材料制成，这会产生断裂起始点，当情况需要时(在位于涡轮发动机上的叶片的某些运行条件下)，该断裂起始点使得格架能够与外皮层局部地或整体地脱开，或格架的相继的部分彼此局部地或整体地脱开。因此，断裂将只发生在所期望断裂的位置点，与格架的总体体积相比这些点的体积通常很小。因此，将防止应力从叶片外部传递到格架中，并且格架的结构将总体保持完整，因此不会显著改变格架的有关压力下降或经由格架的热量传递的性质，并且不会产生污染。

这些具有较低机械强度的连接部或断裂起始点可以通过不同的方式来表征：通过结构件，例如，强度比连接部的其余部分更弱的交叉部段，或者通过强度更弱的材料，例如下文所描述的。

被具有较低机械强度的连接部所占据的部段将被布置在格架的外围，在格架与外皮层的内表面的连接处，或穿过格架直到该内表面的相对的部分。在第一种情况下，格架可以与外皮层脱离而变得自由；在第二种情况下，格架被分裂成多个单独的部分；在这两种设计中，脱离或分开可以是部分的或者是完全的，这取决于部段是否在与外皮层的整个连接区上延伸，或者是否完全围绕叶片延伸。

所引用的文献没有公开设置有断裂起始点的连接部，即其相对于格架的其余部分、或者甚至相对于纤维的其余部分强度更弱，但是大部分纤维具有不同的强度，但设置有断裂起始点的连接部在其长度上是一致的。因此，在这种格架中的断裂将以不可预测的方式发生，这具有以下风险：格架结构件的有关热量排出或者对冷却空气的内部流动的阻力的性质有更显著的改变，或者格架的部分完全脱离，这可能因此污染机器的其余部分。

例如在连接部的布置、尺寸和间距方面，本发明所设想的格架也可以非常不同。格架可以是同质的，或者相反地，格架在腔体的不同区域具有不同的性质。连接部可以由杆或平坦的表面制成，格架被限定为的有恒定的厚度或可变的厚度。典型地，格架使用增材方法来制造。因此，本发明的一些实施例将通过采用常规方法来容易地制造，在该常规方法中，制造是通过以下所述进行的：交替地进行粉末层的相继沉积以及对这些层的熔化和固化，以使得该层与在该层下方延伸的之前的层的材料形成一体。因此，例如，可以通过局部的、不完全的熔化和固化操作来获得机械强度较低的连接部，从而导致连接部具有强度较弱的交叉部段或多孔结构。

附图说明

现在将参考下面的图来描述本发明的各种特征方面和优点，下面的图示出了几个实施例，该实施例仅旨在用于说明目的，其中：

图1示出了具有内部格架的中空定子叶片；

图2为易破裂区域的示意图；

图3为另一易破裂区域的示意图；

图4以轴的纵向截面视图描绘了易破裂区域；

图5以轴的横截面视图描绘了易破裂区域；

图6以轴的纵向截面视图描绘了另一易破裂区域；

图7以轴的横截面视图描绘了该另外的易破裂区域；

图8为在腔体内的自由格架的示意图；

图9为制造方法的图示；

图10为轴的另一个实施例；

图11为轴的另一个实施例；

图12为这两个实施例中任一个的横截面。

具体实施方式

现在参考图1。中空叶片1包括根部2和空气动力学叶片3，该空气动力学叶片3包括外皮层4和内部腔体5。本发明在任何情况下可以应用于任何中空叶片。腔体5完全被外皮层4包围，腔体包含由三维连接部9组成的格架6，该三维连接部9相互接合以形成连续的网络。连接部9的布置以及连接部的密度、形状和方向对本发明不重要。来自供给装置(未示出)的冷却通风空气行进穿过导管7然后穿过腔体5直到排出端口25，其中，该导管穿过根部2，该排出端口可以穿过外皮层4形成，并且该排出端口位于叶片3的尖端区域或叶片的后缘附近。格架6占据腔体5的全部体积或腔体的部分体积(例如在插入部集成在腔体的中心的情况下)，并且格架的连接部9的端部连接到外皮层4的内表面8。在图10中示出了具有插入部的叶片的一个实施例，在图11中示出了具有插入部的叶片的另一个实施例，在图12中示出了这两个实施例中任一个的横截面。在图10中的叶片30包括位于中心的插入部31，该插入部包围自由中心腔体32，该形状呈圆柱形的中心腔体32被用于经由根部2供给冷却空气。格架6在插入部31和外皮层4之间延伸，通风空气在离开中心腔体32后穿过格架而散播；根据这种布置，插入部31和外皮层4被穿孔以使得空气能够离开轴30。

图11示出了相似的叶片33，不同的是，插入部(现在被给予其以附图标记34)在叶片33的根部和头部之间以从端部到端部的方式行进穿过所述叶片，该叶片的根部和头部连接到涡轮发动机的定子的相应的同心套圈35和36。通风空气可以沿任一方向在被插入部34包围的中心腔体37内流动，同时以与图10所示出的相同的方式在格架6内散播。图12是叶片30或33的横截面。

图2和图3为本发明的两个不同的实施例中关于图1中所示出的部分的局部的放大，并且示出了外皮层4和相邻的连接部9的一部分。所述外皮层和相邻的连接部表现出其某些部分具有易破裂的性质，更具体地说，在某些运行条件下，特别是在极端或意外的运行条件下，叶片1具有在遭受到特别是在运行中由热膨胀、离心力、弯曲力或振动等导致的大的应力时易断裂的性质。易破裂部分可以包括具有减小的截面10的部分，具有变化的、多孔的或不连续的结构件11的部分，或者如下所述的部分：更一般地说，该部分处的材料具有比格架中其他地方所使用的材料更低的机械强度性质，因而该部分处具有物理或化学上不同的材料等；可以设想在连接部9的结构或材料中产生不均匀性而能够局部削弱连接部9的机械强度的任何方法。

现在参考图4、图5、图6以及图7。易破裂部分(现在给予其以附图标记12)理论上可以被布置在格架6上的任何地方。然而，在实践中，易破裂部分应该被布置在可能使它们有益的位置。这种位置可以是连接部9与外皮层4连接的区域，如图2和图3中所示。然而，更一般地说，易破裂部分12将位于格架6的特定部段上，以便有利于对能够安全地减少内部压力的格架6的整洁且有序的分裂，并且存在于该部段中的所有连接部9因此都将承载易破裂部分12。图4和图5示出了一个重要的构型，其中，可选地在整个连接表面区域上，或者如所示出的，在该表面区域的例如位于两个平行侧14和15之间的带状区域上(这两个平行侧在此例中是水平的，并且这两个平行侧可以完全围绕叶片3延伸，也可以不完全围绕叶片3延伸)，承载易破裂部分12的部段13相当于于格架6与外皮层4的内表面8的连接件。此外，在这种情况下并非强制性的，承载易破裂部分12的部段可以例如在圆周的、倾斜的带状的、竖直带状的或者其他形状的部分上延伸。图6和图7示出了另一个重要的构型，其中，承载易破裂部分12的部段16是穿过腔体5的片状部，因此易破裂部分12也位于腔体5内，远离外皮层4。部段16可以是如所示出的为水平的，或者此外，部段16可以是竖直的、倾斜的或具有任何形状、曲率或定向。在该构造中，部段16通常将在内表面8的两个相对的部分之间延伸，从而横跨腔体5的全部尺寸，但这不是强制性的。因此，部段16能够完全围绕内表面8延伸(但不是强制性的)，从而将格架6完全分成两部分，或者不分成两部分。在这些各种的例外下，易破裂部分12可以位于连接部9的自由长度上，或者位于连接部9的交叉处，即，在格架6的节点处。

如果易破裂部分12断裂，格架6在这一点处被释放，即在部段13的情况下使格架与外皮层4分离，或者在例如图6和图7所示出的情况下，格架6被分成在部段16的两侧的单独的部分。

图8示出了典型的情况，在该情况下易破裂部分12在将格架6和内表面8连接的整个连接表面区域上延伸，并且因此当易破裂部分12断裂时，内表面在腔体5内是完全自由的。

格架6的这种分离或分裂使得在机器运行期间在格架上的应力减小，并且防止除了易破裂部分12外的更强的连接部9从其他地方断裂的任何风险。因此，格架的结构在遍及腔体5的几乎全部体积上保持完整，因此，即使从外皮层4的传导减小，至少通过对流使得有关通风流中的压力下降和热量排出方面的初始性质被几乎完美地保持(特别是例如在图8所示出的情况下)。

有具有格架6的内部结构的叶片1通常使用增材技术来制造，该增材技术可以与烧结方法相结合。图9说明了为本发明的特征的方法。装置包括床部17，正在被制造的叶片1的坯料18被布置在床部上；粉末供应罐19和激光器20在床部17上方移动，该粉末供应罐和激光器被安装在X-Y桌部21和22上，因此坯料18使得粉末供应罐和激光器能够被放置在任何一位置点上。

粉末可以从罐19的底部通过喷嘴23落到床部17的所有位置点上，并且激光器20发射光束24，该光束也指向该床部17。将通过在坯料18的已沉积的材料上相继地沉积多个粉末层26来制造叶片3。在每一层26之后，激光器20被带到旨在制造叶片1的实体部分(即外皮层4和格架6)的位置的上方，以在这些位置局部地熔化粉末并且然后使其固化。层26的已熔化部分被聚集到坯料18的其余部分，从而坯料以相继升高的方式逐步增建；在腔体5处保持自由的部分在该方法结束时通过排出端口被移除。

层26的厚度由刮板27实施，所述刮板跟随喷嘴23并且可以在每一层沉积之后升高；此外，喷嘴23可以在水平方向Y上是线性的，因此桌部22只能够在另外的水平方向X上移动。该方法的这些可替代的实施例对本发明不重要。

根据本发明，激光器20在对应于易破裂部分12的位置点处执行不完全熔化或不熔化。因此，对应的材料将与结构的其余部分局部地聚集，并且该聚集部分的结构可以是多孔的或不连续的。这可以通过用光束24来供应较少的能量来简单地实现。

Claims (7)

1.一种中空叶片(1)，所述中空叶片包括外皮层(4)、被皮层包围的腔体(5)以及呈格架(6)的形式的结构件，所述呈格架的形式的结构件由在所述腔体(5)内相互接合以形成连续网络的三维连接部(9)组成，其特征在于，所述格架具有至少一个如下部段(13、16)：在所述部段处的所有连接部都被制造成具有断裂起始点，所述断裂起始点在所述叶片在涡轮发动机上运行时能够断裂，并且所述部段(13)延伸到与所述外皮层(4)连接的格架连接表面，或者穿过所述格架(6)延伸到所述外皮层(4)的两个相对的部分。

2.根据权利要求1所述的中空叶片，其特征在于，位于所述部段(13、16)处的所述连接部(9)具有强度比位于所述部段之外的连接部更弱的结构(10)。

3.根据权利要求1所述的中空叶片，其特征在于，位于所述部段(13、16)处的所述连接部(9)由强度比位于所述部段之外的连接部更弱的材料(11)制成。

4.根据权利要求1、2或3所述的中空叶片，其特征在于，所述部段(16)在将所述格架(6)连接所述外皮层(4)的整个连接表面上延伸。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的中空叶片，其特征在于，所述部段(16)完全围绕所述外皮层(4)延伸，并且将所述格架(6)分成两个完全单独的部分。

6.根据前述权利要求中任一项所述的中空叶片，其特征在于，所述中空叶片是通过增材制造来制造的。

7.用于制造根据前述权利要求中任一项所述的中空叶片(1)的增材制造方法，包括交替地进行粉末层(26)的相继沉积以及对所述层的熔化和固化，其特征在于，所述熔化和固化操作在所述部段(13、16)处是不完全的。

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