中空CMC桨叶的薄壁式加固网格结构制造技术

本发明专利技术涉及并公开一种具有内部加固网格结构的中空陶瓷基复合材料(CMC)涡轮机桨叶，其具有更高的振动性能和刚度。所述网格结构由CMC制成的薄壁式板片构成。所述壁结构是根据所述中空桨叶内的高应力区域来布置和定位的。在熔体浸渗过程之后，心轴熔出，留下所述壁结构成为所述桨叶的所述内部网格加固结构。

【技术实现步骤摘要】
中空CMC桨叶的薄壁式加固网格结构
本专利技术大体上涉及涡轮机桨叶，更确切地说，涉及包括内部加固网格结构的涡轮机桨叶，所述内部加固网格结构用于改善刚度和振动性能。
技术介绍
在燃气涡轮机中，空气在压缩机中压缩并在燃烧室中与燃料混合，从而生成热燃烧气体。能量从涡轮机级中的气体中提取出来，以用于为压缩机提供动力并对外作功。每个涡轮机级包括具有一排喷嘴轮叶的静止涡轮机喷嘴，所述喷嘴轮叶将燃烧气体排到对应的一排涡轮机转子叶片或桨叶中。每个叶片所包括的翼型的翼展从一体式平台沿径向朝外延伸，所述一体式平台界定了径向上的内部流路边界。所述平台与支撑燕尾榫接合成一体，其中所述支撑燕尾榫具有安装在燕尾榫槽中的对应凸起，所述燕尾榫槽形成于支撑转子盘的周界上。所述涡轮机叶片通常是中空的，内部具有冷却回路，所述冷却回路经特定配置以冷却翼型中的不同部分，从而在操作期间避免流过所述不同部分上方的燃烧气体产生不同热负荷。所述涡轮机翼型包括大体凹入的压力侧以及外周形状与所述压力侧相反的大体外凸的吸入侧，所述翼型的翼展从所述平台处的叶根开始沿径向延伸至径向上的外尖端，并且所述翼型的翼弦沿轴向在相对的前缘与后缘之间延伸。所述翼型具有典型的月牙形径向轮廓(即截面)，所述轮廓从前缘开始往后延伸时，厚度急速增大至最大宽度(即翼型的隆起区域)，随后宽度逐渐变细或变小，直至相对较薄的翼型后缘。在构造典型的CMC(陶瓷基复合材料)叶片的过程中，从叶片的一侧开始(吸入侧或压力侧)，将多个板片叠放到模具表面。随着叠放过程的继续，这些板片到达叶片翼型的中点或中央。在此点处，将心轴插入模具中，这样，当心轴材料熔出时，便形成了中空空腔。此心轴含有板片包裹材料，这样可在垂直的“叶根至叶尖”的方向上形成薄壁特征。所述心轴可由多种不同材料制成，包括纯锡、锡合金等，或者也可以使用由硅/硼制成的可吸收心轴。在将心轴放置到模具中之后，可继续整个叶片的叶片叠放过程。在当前制造过程中，叶片往往会变平，也就是说，所述叶片会失去其弧形的翼型形状。另外，可通过提高刚度和振动性能来改善现有桨叶。
技术实现思路
在一个示例性实施例中，一种用于制造陶瓷基复合材料(CMC)涡轮机叶片的心轴组件包括：叶尖段，所述叶尖段包括压力侧和吸入侧；以及叶根段，所述叶根段包括压力侧和吸入侧。在叶尖段与叶根段之间，从一侧到另一侧叠放有多个CMC板片。在另一个示例性实施例中，使用多部件心轴来组装涡轮机桨叶，在所述多部件心轴中，陶瓷基复合材料(CMC)板片置于所述心轴的各部件之间。所述涡轮机桨叶包括形成为翼型形状的压力侧和吸入侧。所述压力侧与所述吸入侧被分隔开并且界定了中空中央段。所述CMC板片界定了所述中空中央段内的内部加固网格结构。在又一个示例性实施例中，一种用于构造涡轮机桨叶的方法包括以下步骤：(a)组装心轴，所述心轴包括具有压力侧和吸入侧的叶尖段、具有压力侧和吸入侧的叶根段以及叠放于所述叶尖段与所述叶根段之间的多个陶瓷基复合材料(CMC)板片；(b)用CMC层包裹所述心轴的压力侧和吸入侧，并将所述压力侧紧固到所述吸入侧；以及(c)移除所述心轴。附图说明图1所示为当前的CMC桨叶组合模构造；图2所示为包括CMC板片的示例性心轴组件；图3为CMC板片的平面图；图4为连接和对中结构的近距视图；以及图5所示为用图2至图4中所示的心轴组件制造的中空CMC叶片。具体实施方式图1所示为现有的CMC桨叶组合模构造。心轴12包括前缘段14和后缘段16，两者栓接在一起。心轴12通常由锡制成。所述心轴的压力侧包裹有CMC层以形成桨叶的压力侧18，并且吸入侧包裹有对应的CMC层以形成桨叶的吸入侧20。压力侧18与吸入侧20紧固在一起，并且心轴12通常通过熔化过程而被移除。参看图2，本专利技术提供了一种中空CMC桨叶，所述中空CMC桨叶具有内部加固网格结构以改善刚度和振动性能。图2所示的心轴组件30包括具有压力侧和吸入侧的叶尖段32，以及同样具有压力侧和吸入侧的叶根段34。一个或多个中间段36可置于叶尖段32与叶根段34之间。在优选构造中，叶尖段32包括前缘部件38，前缘部件38连接到后缘部件40。相似地，叶根段34包括前缘部件42和后缘部件44，并且中间段36包括前缘部件46和后缘部件48。所述部件中的每一者都具有周界壁50，周界壁50界定了空腔。在组装期间，在用CMC层包裹所述心轴之后，由周界壁50界定的空腔提供了桨叶内的中空段。参看图2和图4，所述心轴段经由(连接器)对中垫片52和对中槽54(连接器收纳器)而彼此连接。在组装所述心轴之前，已叠放多个CMC板片56(在多个位置处)，并且所述多个CMC板片56被置于各个心轴段32、34、36之间。如图3所示，所述CMC板片56的形状对应于彼此之间设置有CMC板片56的叶尖段和叶根段中相应部件的横截面。所述CMC板片56包括对中开口58，对中垫片52中的各个垫片穿过对中开口58而设置成与垫片槽54接合。在一个示例性构造过程中，在桨叶组装完成之后，心轴段32、34、36在熔出阶段中移除，在所述熔出阶段中，心轴段熔化并穿过CMC板片56中的对中开口58。图中所示对中垫片52为矩形形状，位于心轴部件的底部。对中垫片52将下方的一组心轴互锁在一起，所述心轴之间具有“板片叠层”堆叠，所述堆叠具有相同的开口以使所述堆叠可以插入恰当的位置。对中垫片52和垫片槽54还可具有其他形状，例如(但不限于)三角形、正方形、十字形、T形以及其他几何形状。可使用菲氏螺钉(Phillipscross)(阳螺纹突出物(maleboss))将心轴锁定在恰当位置。在熔出过程之后，参看图5，形成了CMC薄壁式加固网格结构60，所述网格结构能够为CMC层所构成的中空翼型62提供额外的刚度和更高的振动性能。桨叶仍是轻质的，并且具有多个开口，所述开口能实现空腔内的气体流动或压缩。优选地，根据中空桨叶内的高应力区域来配置和定位壁结构。在一种构造涡轮机桨叶的方法中，心轴30组装后包括：具有压力侧和吸入侧的至少一个叶尖段32；具有压力侧和吸入侧的叶根段34；以及在叶尖段32与叶根段34之间从一侧叠放到另一侧的CMC板片56。心轴30的压力侧和吸入侧包裹有CMC层，并且所述压力侧与所述吸入侧紧固在一起。随后，移除心轴段32、34，这样，CMC层和CMC加固结构便界定了涡轮机桨叶。所述网格结构用于在制造过程中防止叶片变平。此外，所述CMC板片还在翼型中的高应力区域处起到加固作用，同时改善振动性能。相似地，所述加固结构改善了涡轮机桨叶的刚度，同时保持了轻质的构造。尽管已结合当前被视为最实际且优选的实施例对本专利技术进行了描述，但应了解，本专利技术并不限于所揭示的实施例，相反，本专利技术意图涵盖符合所附权利要求书的精神和范围的各种修改和等效布置。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造CMC涡轮机叶片的心轴组件，所述心轴组件包括：叶尖段，所述叶尖段包括压力侧和吸入侧；叶根段，所述叶根段包括压力侧和吸入侧；以及多个陶瓷基复合材料(CMC)板片，所述多个CMC板片在所述叶尖段与所述叶根段之间层层叠加。

【技术特征摘要】
2012.04.09 US 13/4420771.一种用于制造陶瓷基复合材料(CMC)涡轮机叶片的心轴组件，所述心轴组件包括：叶尖段，所述叶尖段包括压力侧和吸入侧；叶根段，所述叶根段包括压力侧和吸入侧；以及多个陶瓷基复合材料板片，所述多个陶瓷基复合材料板片在所述叶尖段与所述叶根段之间层层叠加以形成中间段；其中所述陶瓷基复合材料板片界定了所述中间段内的内部加固网格结构。2.根据权利要求1所述的心轴组件，其中所述叶尖段包括连接到后缘部件的前缘部件，并且其中所述叶根段包括连接到后缘部件的前缘部件。3.根据权利要求2所述的心轴组件，其中所述前缘部件和所述后缘部件中的每一者都包括界定空腔的周界壁。4.根据权利要求2所述的心轴组件，其包括所述多个陶瓷基复合材料板片，所述多个陶瓷基复合材料板片叠放在(1)所述叶尖段与所述叶根段的所述前缘部件之间，以及(2)所述叶尖段与所述叶根段的所述后缘部件之间。5.根据权利要求4所述的心轴组件，其中所述陶瓷基复合材料板片中的每一者的形状都对应于彼此之间设置了所述陶瓷基复合材料板片的所述叶尖段和所述叶根段的相应部件的横截面。6.根据权利要求2所述的心轴组件，其中所述叶尖段的所述前缘部件和所述叶根段的所述前缘部件中的一者包括连接器，所述连接器位于面向所述叶尖段的所述前缘部件和所述叶根段的所述前缘部件中的另一者的末端上，并且其中所述叶尖段的所述前缘部件和所述叶根段的所述前缘部件中的所述另一者包括连接器收纳器，所述连接器收纳器位于面向所述叶尖段的所述前缘部件和所述叶根段的所述前缘部件中的所述一者的末端上，并且其中所述叶尖段的所述后缘部件和所述叶根段的所述后缘部件中的一者包括连接器，所述连接器位于面向所述叶尖段的所述后缘部件和所述叶根段的所述后缘部件中的另一者的末端上，并且其中所述叶尖段的所述后缘部件和所述叶根段的所述后缘部件中的所述另一者包括连接器收纳器，所述连接器收纳器位于面向所述叶尖段的所述后缘部件和所述叶根段的所述后缘部件中的所述一者的末端上，所述多个陶瓷基复合材料板片各自包括对中开口，所述连接器中的各个连接器穿过所述对中开口设置成与所述连接器收纳器接合。7.根据权利要求1所述的心轴组件，其中所述叶尖段和所述叶根段中的一者包括连接器，所述连接器位于面向所述叶尖段和所述叶根段中的另一者的末端上，并且其中所述叶尖...

【专利技术属性】
技术研发人员：P德迪戈，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：