CN118103582A

CN118103582A - 用于制备涡轮机叶片的根部的方法

Info

Publication number: CN118103582A
Application number: CN202280071931.3A
Authority: CN
Inventors: 安托万·休伯特·玛丽·让·马森; 热内维耶夫·穆吉
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2021-09-24
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2024-05-28
Also published as: WO2023047030A1; FR3127522A1

Abstract

本发明涉及用于制备叶片（12）的根部（121）的方法（300），用于将由复合材料制成的涡轮机叶片（12）安装在根部支撑件（10）中，该方法包括：‑第一定位步骤（310）：在叶片（12）的根部（121）的侧壁（122）上定位耐磨层（220），所述耐磨层包括涂覆或浸渍有粘合剂的合成纤维；‑第二步骤（320）：聚合粘合剂，使得所述耐磨层（200）粘附至叶片（12）的根部（121）的侧壁（122）；以及第三机加工步骤（330）：机加工用于与根部支撑件（10）接触的所述耐磨层的自由外表面（210a），以便获得精密磨光的外表面（210b）。

Description

用于制备涡轮机叶片的根部的方法

技术领域

本发明的技术领域是为了将涡轮机叶片根部安装在根部支撑件中的目的，制备涡轮机叶片根部的技术领域。

本发明更具体地涉及在涡轮机的风扇盘中制备和安装风扇叶片。

本发明还涉及通过这种方法所获得的涡轮机叶片，以及涡轮机的转子组件。

背景技术

在本申请中，相对于穿过涡轮机的气流的正常方向（从上游到下游），定义术语“上游”和“下游”。

涡轮机转子的旋转轴线也被称为“涡轮机轴线”或“发动机轴线”。轴向方向对应于涡轮机的轴线的方向，并且径向方向是垂直于涡轮机的轴线和与该轴线相交的方向。类似地，轴向平面是包含涡轮机的轴线的平面，并且径向平面是垂直于该轴线的平面。

除非另外指明，在本申请中参考径向方向使用形容词“内部（的）”、“内（的）”、“外部（的）”和“外（的）”，使得元件的内部部分沿径向方向比同一元件的外部部分更靠近涡轮机的轴线。

常规地，涡轮机从上游到下游（即，在气体流的流动方向上）包括风扇、一个或多个压气机、燃烧室、一个或多个涡轮、以及用于喷射燃烧气体的喷管，该燃烧气体离开一个或多个涡轮。

在转子系统（即，与转子成一体的组件）中，（移动的）叶片通过紧固系统附接到转子盘，这些紧固系统可以是直的或弯曲的销接紧固件、锤打紧固件或冷杉型紧固件。这些紧固系统可以被描述为装置，其中叶片根部形成系统的凸形部件，并且被径向地固持在系统的凹形部件中，被提供在盘的外周边处，并且通常地被称为小室。

当旋转转子时，叶片主要地经受离心力以及轴向空气动力学力，并且叶片根部在离心力的作用下抵靠盘的与小室的外部开口分界的部分。叶片根部和盘的彼此抵靠的表面通常地被称为“支座”。这些支座经受压力（由施加到这些支座的表面上所述力引起）。可以估算，该压力在第一近似值取决于转子的旋转速度的平方。

因此，应理解的是，在涡轮机的运行循环过程中转子的旋转速度的变化：从静止到全节流，经过特定的中间速度，引起先前定义的支座处的压力变化。这些压力变化，结合彼此接触的零件的弹性变形，引起叶片根部与盘之间的相对运动。这些相对运动，根据它们的性质称为滑动或分离，在它们被重复时在叶片或盘支座上引起磨损现象。在给定旋转速度下叶片的动态运动（叶片对谐波或瞬态性质的交替负载的响应）还可以归因于所述支座的磨损现象的贡献。

然而，这些磨损现象对于涡轮机的寿命是有害的。可以采用所谓的“耐磨损”解决方案，即，延迟接触界面处的磨损的开始，包括基于在叶片根部与盘之间引入称为箔片的第三本体的解决方案。特别地，该箔片使得可以使接触界面加倍（从一个叶片/盘界面到两个叶片/箔片和箔片/盘的界面），并且减少彼此接触的零件之间的相对运动，由此减少运转期间的磨损。

在文献FR 2890684中描述了上述类型的已知箔片的实例。该箔片完全地由金属制成，并且是适当地折叠的金属片。

文献FR 2890126中描述的箔片的一个替代方案在于引入作为第三本体的非金属“耐磨损”薄膜，该薄膜包括在叶片/盘接触界面处浸渍有树脂的耐久纤维。

这些叶片中的一些叶片由复合材料制成，但是它们的表面状态不是足够地平坦，并且不可能（或非常困难）在不降解和/或转变纤维的情况下机加工这些支座。保护复合材料免于磨损的涂层是昂贵的，其应用范围经常产生非顺应性（在位置上），并且不完全地解决表面状态的问题。这导致额外的成本（工厂修理等）。

因此，这些解决方案不是完全地令人满意的。

发明内容

本发明的一个目的是针对现有技术的解决方案提供一种替代性解决方案，该解决方案就“耐磨损”性能而言比先前描述的解决方案更有效，以便对叶片和盘支座提供更好的保护，并且使得有可能保证令人满意的平坦度。

因此，本发明寻求提供一种用于制备叶片根部的方法，用于将由复合材料制成的涡轮机叶片安装在根部支撑件（例如转子盘小室）中，以便在接触压力下提高零件的机械强度，同时允许非常容易和快速地实施该方法。

为此，本发明的一个目的是一种用于制备叶片根部的方法，用于将由复合材料制成的涡轮机叶片安装在根部支撑件中，其特征在于，该方法包括：

- 第一定位步骤，在该叶片根部的侧壁上定位耐磨层，该耐磨层包括涂覆或浸渍有粘合剂的合成纤维；

- 第二步骤，聚合粘合剂，使得所述耐磨层粘附到叶片根部的侧壁；

- 第三机加工步骤：机加工所述耐磨层的旨在与根部支撑件接触的自由外表面，以便获得研磨的外表面。

有利地，机加工步骤使得有可能减小耐磨层的厚度，以便从初始厚度（e_i）转变为最终厚度（e_f），该初始厚度对应于定位步骤过程中耐磨层的厚度。

有利地，耐磨层（200）的初始厚度大于1毫米。因此，耐磨层足够地厚，以容易地处理，并且具有足够的待研磨材料，以便获得约十分之几毫米的最终厚度。

有利地，通过将叶片根部的机加工参考系作为所述耐磨层的自由外表面的机加工参考系，实施机加工步骤。

有利地，耐磨层包括合成纤维，例如玻璃纤维的至少一个编织层。

有利地，在定位耐磨层之前，其合成纤维预涂覆有表面或本体的粘合剂。

优选地，粘合剂是一种可热聚合的粘合剂。

有利地，通过将包括至少叶片根部和耐磨层的组件放置在加热至允许粘合剂聚合的温度的高压釜中，持续预定的最小时间周期，实施聚合粘合剂的步骤。

根据本发明的方法的一个替代实施方式，叶片根部可以覆有金属箔片。在这种情况下，耐磨层被定位在箔片的旨在与根部支撑件相接触的表面上。

本发明的另一个目的是一种用于将涡轮机的叶片根部安装在根部支撑件中的方法，该方法包括根据本发明的方法的制备步骤。

本发明的另一个目的是一种用于修复涡轮机叶片根部的方法，该方法包括部分地或完全地移除损坏的耐磨损构件，并且根据本发明的方法制备叶片根部。

因此，根据本发明的制备方法可结合到用于安装涡轮机叶片根部的方法中以及结合到叶片根部支座的修复方法中。

本发明的另一个目的是一种涡轮机叶片，该涡轮机叶片具有耐磨损构件，该耐磨损构件带有研磨表面，用于在“耐磨损”性能和平坦度方面比现有技术中的解决方案更有效，以便为叶片和盘支座提供更好的保护。

通过以下事实实现这个目的：叶片的根部在支座处包括至少一个耐磨层，该至少一个耐磨层包括合成纤维和具有研磨的外表面。因此，改进和控制旨在与根部支撑件的支座相接触的外表面的表面状态，尤其是平坦度。

确实，改进表面状态，并且尤其是支座的平坦度，使得有可能改进界面在相对于叶片/盘界面处的上述负载的机械强度。

本发明的另一个目的是涡轮机转子组件，该涡轮机转子组件包括转子盘和根据本发明的多个叶片，该转子盘在其外周边上具有多个小室，这些叶片通过它们的根部附接在所述小室中。

本发明还涉及包括根据本发明的转子组件的涡轮机。

通过阅读以下描述和通过检查附图，将更好地理解本发明及其不同应用。

附图说明

仅通过指示而非限制本发明的目的，阐述附图。

图1表示风扇叶片的局部横截面图，示出了叶片根部在转子盘的小室中的安装，该叶片经受离心力。

图2是框图，示出了根据本发明的用于制备叶片根部的方法的主要步骤。

图3是根据本发明的方法的第一步骤的风扇叶片的根部的示意性局部截面视图。

图4是根据本发明方法的第三步骤的风扇叶片的根部的示意性局部截面视图。

除非另外说明，在不同图中出现的相同元件具有单一附图标记。

具体实施方式

图1表示风扇叶片12的部分截面图，该风扇叶片的根部121容纳在根部支撑件中，并且更具体地，容纳在转子盘10的小室101中，该叶片经受离心力。

通过以风扇叶片安装在由风扇转子盘所形成的根部支撑件中为例，主要地描述本发明。

然而，本发明不限于将风扇叶片安装在风扇转子盘中。实际上，本发明还可应用于其他类型的涡轮机可移动叶片的安装。因此，本发明可应用于平坦度重要的任何复合零件，特别是与需要研磨的金属件相接的所有复合部件。

由注入有树脂的编织预成型件形成这些复合零件。该预成型件可以是2D或3D预成型件。由3D编织预成型件制备风扇叶片。

互补地，本发明应用于固定叶片以及与其相关联的支撑件，如支撑固定叶片的壳体或凸缘。

常规地，由两个组件形成风扇可移动叶片12：称为根部121的下部部分和由桨叶（未示出）形成的上部部分。

风扇可移动叶片12沿纵向轴线Z延伸。应注意的是，风扇可移动叶片12的纵向轴线Z垂直于风扇的旋转轴线。

转子盘10的每个小室101具有与叶片12的根部121的形状基本地互补的形状，以形成鸠尾榫型安装。

小室101沿着转子盘10的圆周径向地等距地分布，并且小室的开口向外地指向。

如可在图1中看到的，示出了转子盘10的横截面的放大部分，即，与风扇的旋转轴线正交的截面，叶片12的每个根部121具有对称轮廓，该对称轮廓具有形成根部121的侧翼的两个侧壁122，从叶片12的本体朝向叶片12的根部121的自由端彼此发散，到基本上平行于风扇的旋转轴线和平行于转子盘10的周边的底壁124，并且正交于相应叶片12的主纵向方向Z。

小室101具有类似的形状，其中侧壁102从圆周朝向转子盘10的内部部分向外倾斜，至底壁104。

叶片12的根部121和小室101的尺寸使得当转子盘10静止时，根部121被保持在小室101中，根部121的底壁124于是能够接触小室101的底壁104。为了避免在桨叶的径向运动中过大的自由度，可以存在垫片。

当转子盘10在涡轮机的运行过程中运行时，转子盘10围绕中心轴线的旋转致使叶片12由于离心力而径向地向外地运动，即，在图1中的箭头13的方向上，基本上平行于叶片12的纵向轴线Z。此时，叶片12的根部121的侧壁122承靠小室101的侧壁102，这确保叶片12保持在小室101内部，即，与转子盘10连接。

每当转子盘10的旋转速度被转变时，叶片12的根部121的滑动移动结合根部121的接触压力以及叶片12与盘10的材料之间的摩擦系数在转子盘10和叶片12两者上产生剪切力，一个相对于另一个径向地移动1至几毫米。

特别地，如从图1显而易见的，在运转中，在根部121的侧壁122与小室101的侧壁102之间存在附图标记14所表示的称为“支座”的经受大的力的界面区域以及附图标记16所表示的非接触区域，该非接触区域在转子盘10的旋转期间不经受任何机械接触应力。

根据本发明，通过使用定位在根部121的侧壁122与小室101的侧壁102之间的支座14处的研磨的耐磨层200，减小由于叶片12的根部121与转子10的小室101之间的相对移动而引起的在侧壁102和122的接触表面上发生的疲劳和磨损损坏。

更确切地说，由合成纤维构成耐磨层200。例如，耐磨层200由至少一个编织的织物合成纤维组成。

举例来讲，耐磨层200由至少一种由玻璃纤维和/或芳族聚酰胺纤维所制成的编织织物组成。

该耐磨层200至少在该层200的有待粘附的面上，用涂覆或浸渍该层200的合成纤维的粘合剂，粘附到根部121的外表面上。

例如，该粘合剂是可热聚合的合成粘合剂。

例如，粘合剂是树脂，并且有利地是酚醛树脂或聚氨酯树脂。

如图3中可见，耐磨层200具有第一外表面210a和有待粘附到根部121的侧壁122上的第二内表面220。

该耐磨层200具有大于1毫米，并且有利地在约2毫米的显著的初始厚度e_i。耐磨层200的厚度e_i，被称为初始厚度，对应于其在制造时以及在粘附到叶片12的根部121时的厚度。

在制备方法300的第一步骤310的过程中，其主要步骤在图2中示出，耐磨层200在支座14处被定位在根部121的每个侧壁上，如图3所示。

该耐磨层200通过涂覆或浸渍该层200的合成纤维的粘合剂，粘附到根部121的外表面上。

根据一个替代性实施方式，当耐磨层就位在根部121上的适当位置时，还可以直接地浸渍耐磨层200的合成纤维（即，耐磨层在定位之前，没有被预浸渍），或者互补地被预浸渍。在这种情况下，浸渍与叶片预成型件的注入同时进行。

第二步骤320包括聚合粘合剂。在该第二步骤320中，用粘合剂加压由叶片12的根部121和耐磨层200所形成的组件，直到粘合剂被聚合。

所使用的压力是约7MPa至14 MPa。这确保了粘合剂在整个表面上的良好粘附性以及溶剂的排出。

例如，在150°C和180°C之间的温度下进行聚合1小时的时间周期。

由此获得具有厚度e_i的厚耐磨层200，该厚耐磨层完美地粘附到根部121的侧壁122上。

在制备方法的这个阶段，耐磨层200的厚度e_i大于根部121与小室101之间的运转和安装间隙，使得不可能按原样安装。

还可注意到，在图3中示意性地示出的该聚合步骤之后，外表面210a的表面状态以及尤其是平坦度基本上与根部121的侧壁122的表面状态相同。在这个阶段，耐磨层200的表面状态具有平坦度缺陷。

在聚合步骤320之后，可以清洁叶片12的根部121，以便通过喷砂（例如用玻璃珠）去除经受蠕变的任何过量的粘合剂。

在第三步骤330中，对粘附到叶片12的根部121的耐磨层200的外表面210a进行机加工。机加工使得可以减小耐磨层200的厚度和研磨的外表面210a，以获得如图4中所示的平坦研磨的外表面210b。该机加工步骤使得可以控制耐磨层200的最终厚度e_f，并且改进外表面210b的表面状态以及平坦度容差。

在机加工之后，耐磨层200具有约十分之几毫米，有利地约0.3毫米的最终厚度e_f。

使用叶片12的根部121的侧面122的机加工参考系作为参考系，实施耐磨层200的外表面210a的机加工，这使得可以控制耐磨层200的取向和厚度。这确保了叶片12的根部121在转子盘10的小室101中的更好定位，以及更好的应力分布。

因此，借助于用于在安装之前制备叶片根部的这样一种方法，可以非常显著地增加叶片12的根部121与转子盘10的小室101之间的界面的寿命，尤其是由于在耐磨层200的整个表面上的更好的力分布。

先前描述的制备方法300可以被结合到用于制备涡轮机叶片的方法中。

先前描述的制备方法300还可以被结合到用于将叶片12安装在转子盘10或甚至转子组件中的更总体的方法中。

先前描述的制备方法300还可以结合到用于在叶片根部与小室之间的接合处修复耐磨损构件的更总体的方法中，无论是否根据本发明或用另一种类型的耐磨损构件（无论是金属的还是非金属的）进行初始安装。

Claims

1.一种用于制备叶片（12）的根部（121）的方法（300），用于将由复合材料制成的涡轮机叶片（12）安装在根部支撑件（10）中，该方法包括：

- 第一定位步骤（310）：在叶片（12）的根部（121）的侧壁（122）上定位耐磨层（220），所述耐磨层包括涂覆或浸渍有粘合剂的合成纤维；

- 第二步骤（320）：聚合粘合剂，使得所述耐磨层（200）粘附至叶片（12）的根部（121）的侧壁（122）；

- 其特征在于，所述方法包括第三机加工步骤（330）：机加工用于与根部支撑件（10）接触的所述耐磨层的自由外表面（210a），以便获得研磨的外表面（210b）。

2.根据权利要求1所述的用于制备叶片（12）的根部（121）的方法（300），用于将由复合材料制成的涡轮机叶片（12）安装在根部支撑件（10）中，其特征在于，第三机加工步骤（330）减小耐磨层（200）的厚度，以便从初始厚度（e_i）转变为最终厚度（e_f），耐磨层（200）的初始厚度（e_i）对应于在定位步骤（310）过程中的耐磨层的厚度。

3.根据权利要求2所述的用于制备叶片（12）的根部（121）的方法（300），用于将由复合材料制成的涡轮机叶片（12）安装在根部支撑件（10）中，其特征在于，所述耐磨层（200）的初始厚度（e_i）大于1毫米。

4.根据以上权利要求之一所述的用于制备叶片（12）的根部（121）的方法（300），用于将由复合材料制成的涡轮机叶片（12）安装在根部支撑件（10）中，其特征在于，通过将叶片（12）的根部（121）的机加工参考系作为所述耐磨层的自由外表面（210a）的机加工参考系，实施第三机加工步骤（330）。

5.根据以上权利要求之一所述的用于制备叶片（12）的根部（121）的方法（300），用于将由复合材料制成的涡轮机叶片（12）安装在根部支撑件（10）中，其特征在于，所述耐磨层（200）包括至少一个合成纤维的编织层。

6.根据以上权利要求之一所述的用于制备叶片（12）的根部（121）的方法（300），用于将由复合材料制成的涡轮机叶片（12）安装在根部支撑件（10）中，其特征在于，所述耐磨层（200）包括至少一个玻璃纤维的编织层。

7.一种用于修复由复合材料制成的涡轮机叶片（12）的根部（121）的方法，包括部分地或完全地移除损坏的耐磨损构件，并且根据权利要求1至7中任一项所述的制备方法（300）来制备叶片根部。

8.一种由复合材料制成的涡轮机叶片（12），包括根据权利要求1至7中任一项所述的制备方法（300）制备的根部（121），其特征在于，所述根部（121）在侧壁（122）处包括耐磨层（200），所述耐磨层包括合成纤维和聚合粘合剂，并且具有通过机加工耐磨层的自由外表面而获得的研磨的外表面。