包括多个插入件区段的混合涡轮叶片制造技术

一种包括柄部(12)部分和翼型件部分(14)的涡轮叶片(10)，以及制造方法。翼型件部分包括复合外部结构(38)，其具有形成在其中的凹口，以及设置在凹口中的至少一个复合区段和至少两个插入件区段的交错叠层(46)。外部复合结构和至少一个复合区段具有第一密度。至少两个插入件区段具有小于第一质量密度的第二质量密度。复合外部结构和至少一个复合区段和至少两个插入件区段的交错叠层一起限定翼型件部分，其满足前述混合涡轮叶片的所有机械负载承载要求，使得不需要发生穿过前述至少两个插入件区段的负载转移。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开大体上涉及涡轮机，并且更具体地涉及燃气轮机和汽轮机两者，以及由不同材料制成的插入件构成的涡轮叶片的设计。
技术介绍
汽轮机包括但不限于汽轮机发电设备和船上的汽轮机推进设备。示例性汽轮机通常包含高压涡轮区段、低压涡轮区段或两者的组合，它们由蒸汽流旋转。燃气轮机包括但不限于燃气轮机发电设备和燃气轮机飞行器发动机。示例性燃气轮机通常包括核心发动机，其具有压缩进入核心发动机的空气流的高压压缩机、燃料和压缩空气的混合物在其中焚烧来生成推进气流的燃烧器，以及由推进气流旋转且由较大直径的轴连接来驱动高压压缩机的高压涡轮。典型的前风扇燃气轮机飞行器发动机增加了由较小直径的同心轴连接的低压涡轮(位于高压涡轮后方)，以驱动前风扇(位于高压压缩机的前方)，并且驱动可选的低压压缩机(位于前风扇与高压压缩机之间)。低压压缩机有时称为增压压缩机或简单地称为增压器。在示例性汽轮机中，通常高压涡轮区段和低压涡轮区段具有各自包括附接到柄部部分的翼型件部分的汽轮机叶片。在示例性燃气轮机中，通常是风扇与高压压缩机和低压压缩机，以及涡轮具有各自包括附接到柄部部分的翼型件部分的燃气轮机叶片。转子叶片为分别附接到旋转的燃气轮机或汽轮机转子盘上的燃气轮机或汽轮机叶片。定子导叶为分别附接到非旋转的燃气轮机或汽轮机定子外壳上的燃气轮机叶片或汽轮机叶片。通常，存在交错的周向成排的沿径向向外延伸的转子叶片和沿径向向内延伸的定子导叶。当以燃气轮机构造存在时，第一排和/或最后一排定子导叶(也称为入口和出口导叶)可具有它们的也附接到非旋转燃气轮机定子外壳上的径向内端。反旋转“定子”导叶也是燃气轮机设计中已知的。常规燃气轮机和汽轮机叶片设计通常具有翼型件部分，其完全由诸如钛的金属制成，或完全由复合物制成。包括昂贵的宽翼弦中空叶片的全金属叶片重量较大，导致较低的燃料性能且需要稳健的叶片附接。在燃气轮机飞行器应用中，没有金属前缘的较轻的全复合物叶片更容易受到飞鸟卷入事件的破坏。已知的混合叶片包括出于腐蚀和飞鸟碰撞原因而其前缘由金属保护(其中叶片其余部分由非金属涂层覆盖)的复合叶片。燃气轮机风扇叶片通常是燃气轮机飞行器发动机中的最大(并且因此最重的)的叶片，并且前风扇叶片首先受飞鸟撞击碰撞。复合叶片典型地已经用于重量是主要考虑的应用中。然而，除较高操作速度之外，在叶片损失事件期间期望减小附带破坏已经创建了甚至进一步减轻这些叶片的重量的期望。克服该问题的现有尝试已使用了复合夹层翼型件构造，其包括由夹在碳/环氧面板之间的单个复合低密度插入芯构成的翼型件部分。尽管导致了重量轻的设计，但由这些单个重量轻的插入结构引起的应力状态由于几何应力集中和模块失配而已经显示出在飞鸟撞击情况下有问题。更具体地，单个插入件的使用被证实在静止飞鸟撞击测试下产生超过复合材料能力的层间应力。单个插入件的形状和尺寸的随后优化表明解决方案难以获得。因此，明确需要一种改善的涡轮叶片，需要的是燃气轮机叶片，并且特别是燃气轮机风扇叶片，其重量比常规复合或混合叶片更轻，并且包括降低的几何应力集中。还需要的是一种比常规复合或混合叶片更轻的汽轮机叶片。
技术实现思路
现有技术的这些及其它不足通过提供混合涡轮叶片的本公开来解决。按照实施例，提供了一种混合涡轮叶片其包括：柄部部分；以及包括外部复合结构并且具有形成在其中的凹口的翼型件部分，翼型件部分包括：具有第一密度的至少一个复合区段；各自具有小于前述第一质量密度的第二质量密度的至少两个插入件区段，至少两个插入件区段与至少一个复合区段成交错层叠关系设置，并且限定至少一个复合区段和至少两个插入件区段的交错叠层，其中至少一个复合区段和至少两个插入件区段的交错叠层设置在凹口中并沿弦向、翼展方向延伸且延伸穿过翼型件部分的显著厚度，其中至少两个插入件区段的最外层连结到外部复合结构上，并且其中前述外部复合结构、前述至少一个复合区段和前述至少两个插入件区段一起限定翼型件形状。按照另一个实施例，提供了一种混合涡轮叶片，其包括：柄部部分；以及翼型件部分，其包括具有第一质量密度的复合外部结构和凹口，以及具有第一密度的至少一个复合区段，以及各自具有小于前述第一质量密度的第二质量密度的至少两个插入件区段，至少两个插入件区段以与至少一个复合区段成交错层叠关系设置，并且限定至少一个复合区段和至少两个插入件区段的交错叠层，其中至少一个复合区段和至少两个插入件区段的前述交错叠层设置在前述凹口中并沿弦向、翼展方向延伸且延伸穿过翼型件的显著厚度，其中前述复合外部结构和至少一个复合区段和至少两个插入件区段的前述交错叠层一起限定翼型件形状，其中至少一个复合区段和至少两个插入件区段的前述交错叠层具有足够的刚度和尺寸稳定性来保持前述翼型件形状，并具有足够的可塑性和柔性来符合前述凹口，其中前述复合外部结构和前述至少一个复合区段包括多个复合材料层，其包括植入基质粘合剂中的纤维丝，并且其中前述至少两个插入件区段包括选自热塑性材料、热固性材料、金属、蜂窝状陶瓷、硅树脂和它们的组合组成的集合的材料。按照又一个实施例，提供了一种制造混合涡轮叶片的方法，包括铺设多个复合材料层来形成复合外部结构的一部分，前述复合外部结构的前述部分包括凹口；以及将至少一个复合区段和至少两个插入件区段的交错叠层设置到前述凹口中，沿弦向、翼展方向延伸且延伸穿过混合涡轮叶片的显著厚度。在参照附图阅读以下详细描述和所附权利要求时，本公开的其它目的和优点将变得显而易见。附图说明在参照附图阅读以下详细描述时，本公开的以上及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中的相同标号贯穿附图表示相同部分，其中：图1是根据本公开的方面构成的混合涡轮叶片的压力侧的示意性侧视图；图2是沿图1的线2-2截取的图1的混合涡轮叶片的实施例的翼型件部分的示意性剖视图；图3示出了按照本公开的方面构成的图2的实施例的横向剪切应力分析，其中翼型件部分的优化通过插入件末端的构造来实现；图4是沿图1的线2-2截取的图1的混合涡轮叶片的另一个实施例的翼型件部分的示意性剖视图；图5示出了按照本公开内容的方面构成的图4的实施例的横向剪切应力分析，其中翼型件部分的优化通过插入件末端的构造来实现；图6是沿图1的线2-2截取的图1的混合涡轮叶片的又一个实施例的翼型件部分的示意性剖视图；图7示出了按照本公开的方面构成的图6的实施例的横向剪切应力分析，其中翼型件部分的优化通过插入件末端的构造来实现；图8示出了按照本公开的方面构成的混合涡轮叶片的横向剪切应力分析，其中翼型件部分的优化通过插入件计数来实现；以及图9示出了按照本公开的方面构成的混合涡轮叶片的另一个实施例的横向剪切应力分析，其中翼型件部分的优化通过插入件计数来优化。具体实施方式将仅出于图示目的结合某些实施例描述本公开；然而，将理解的是，本公开的其它目的和优点将通过根据本公开的附图的以下描述变得清楚。尽管公开了优选的实施例，但它们不旨在限制。相反，本文阐明的总体原理认作是仅示出了本公开的范围，并且还将理解的是，可作出许多改本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合涡轮叶片，包括：柄部部分；以及翼型件部分，其包括外部复合结构并具有形成在其中的凹口，所述翼型件部分包括：至少一个复合区段，其具有第一密度；至少两个插入件区段，其各自具有小于所述第一质量密度的第二质量密度，所述至少两个插入件区段以与所述至少一个复合区段成交错层叠关系设置，并限定所述至少一个复合区段和所述至少两个插入件区段的交错叠层，其中所述至少一个复合区段和所述至少两个插入件区段的交错叠层设置在所述凹口中，并且沿弦向、翼展方向延伸且延伸穿过所述翼型件部分的显著厚度，其中所述至少两个插入件区段的最外层连结到所述外部复合结构，以及其中所述外部复合结构、所述至少一个复合区段和所述至少两个插入件区段一起限定翼型件形状。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.02.22 US 13/7745811. 一种混合涡轮叶片，包括：
柄部部分；以及
翼型件部分，其包括外部复合结构并具有形成在其中的凹口，所述翼型件部分包括：
至少一个复合区段，其具有第一密度；
至少两个插入件区段，其各自具有小于所述第一质量密度的第二质量密度，所述至少两个插入件区段以与所述至少一个复合区段成交错层叠关系设置，并限定所述至少一个复合区段和所述至少两个插入件区段的交错叠层，
其中所述至少一个复合区段和所述至少两个插入件区段的交错叠层设置在所述凹口中，并且沿弦向、翼展方向延伸且延伸穿过所述翼型件部分的显著厚度，
其中所述至少两个插入件区段的最外层连结到所述外部复合结构，以及
其中所述外部复合结构、所述至少一个复合区段和所述至少两个插入件区段一起限定翼型件形状。
2. 根据权利要求1所述的混合涡轮叶片，其特征在于，所述至少两个插入件区段具有足够的刚度和尺寸稳定性来保持所述翼型件形状，并且其中所述至少两个插入件区段具有足够的可塑性和柔性来符合所述凹口。
3. 根据权利要求1所述的混合涡轮叶片，其特征在于，所述至少一个复合区段包括多个复合材料层，其包括植入基质粘合剂中的纤维丝。
4. 根据权利要求3所述的混合涡轮叶片，其特征在于，所述至少一个复合区段包括植入环氧树脂基质粘合剂中的石墨纤维。
5. 根据权利要求1所述的混合涡轮叶片，其特征在于：
所述翼型件部分具有设计操作温度，并且还包括附接到所述柄部部分的叶片根部、叶片末梢，以及朝所述叶片末梢向外延伸且朝所述叶片根部向内延伸的径向轴线，并且其中所述至少一个复合区段和所述至少两个插入件区段的交错叠层基本从所述叶片根部延伸至所述叶片末梢。
6. 根据权利要求5所述的混合涡轮叶片，其特征在于，所述至少两个插入件区段在所述设计操作温度下保持尺寸稳定性。
7. 根据权利要求1所述的混合涡轮叶片，其特征在于，还包括设置在所述外部复合结构的压力侧的至少一部分和吸入侧的至少一部分上且连结到它们的防腐蚀涂层。
8. 根据权利要求1所述的混合涡轮叶片，其特征在于，所述第一质量密度具有从大约1.4克每立方厘米到大约2.0克每立方厘米的范围。
9. 根据权利要求1所述的混合涡轮叶片，其特征在于，所述第二质量密度具有从大约0.01克每立方厘米到大约0.9克每立方厘米的范围。
10. 根据权利要求1所述的混合涡轮叶片，其特征在于，所述复合外部结构具有第一体积，并且所述至少一个复合区段和所述至少两个插入件区段的所述交错叠层具有第二体积，并且其中所述第二体积具有对应于所述第一体积的至少大约百分之十的值。
11. 根据权利要求1所述的混合涡轮叶片，其特征在于，所述至少一个复合区段的厚度大约为所述至少两个插入件区段中的每一个的厚度的数量级。
12. 根据权利要求1所述的混合涡轮叶片...

【专利技术属性】
技术研发人员：RA斯普尼尔，WWL林，JC施林，DJ沈，PK加达夫，GC格梅恩哈德特，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US