CN101864993B - 内部阻尼的翼型件及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内部阻尼的翼型件及其方法。提供了一种翼型构件和用于制造该构件的方法。该构件具有根部部分和翼型部分，翼型部分具有翼型尖端以及在翼型部分的前缘和后缘处会聚的相对地设置的凹面和凸面。翼型部分在其分别限定了凹面和凸面的第一壁和第二壁之间具有至少一个加强件。加强件在翼型部分内限定了多个内腔，该多个内腔沿翼型部分的展向方向延伸。聚合材料填充内腔中的至少一个，且聚合材料仅在较接近根部部分的内腔的末端处结合到翼型部分上，而且没有结合到加强件上或者翼型部分的第一壁和第二壁上，以限定为翼型部分提供振动阻尼作用的内部阻尼部件。
Description
技术领域
本发明大体涉及翼型件，且更具体地讲，涉及当用作燃气轮机发动机的压缩机叶片时能够提高效率的相对轻质的翼型件。
背景技术
正在不断地努力提高燃气轮机发动机中的每个压缩级的功，以降低总体发动机***成本。可部分地由已知为AN2的因数评价这种改进，AN2是压缩机叶片内部流径和外部流径的面积乘以机械速度的平方的积。燃气轮机的压缩机叶片通常用杉树式或鸠尾榫式构造的机械附连件以机械的方式附连到转子轮/盘上，杉树式或鸠尾榫式构造的机械附连件的寿命受由于叶片的大小和重量而必须经受的高载荷限制。重型叶片翼型件需要大型的叶片附连件，且会产生大的附连应力，这继而会导致大盘缘载荷，其需要大型盘来支承那些载荷。增大AN2所需的较高的盘速度会导致更高的叶片载荷，从而需要进一步增大叶片附连件和盘的大小和重量。
考虑到以上所述，可以理解减小翼型件重量对于改进发动机效率和降低成本将是有利的。但是，减重一定不能在损害叶片的结构整体性的情况下进行。例如，在发动机操作期间，在压缩机叶片上流过的空气在速度、温度、压力和密度方面将会有所变化，从而导致叶片在许多不同的振动模式中受到激励，这些不同的振动模式会诱使叶片的翼型件弯曲和扭曲地扭转。在叶片中产生的振动诱发的应力可导致高循环疲劳(HCF)，特别是如果叶片在其共振频率处受到激励时。已经研究了几种技术来解决关于阻尼扇和压缩机翼型件的需要。值得注意的实例包括粘弹性约束层阻尼***(VE/CLDS)、空气膜、内部阻尼器和涂层。但是，这些阻尼技术往往会遇到与结构完整性、空气动力学效率和制造难度有关的限制。
发明内容
本发明提供了相对轻质的翼型构件和用于制造该构件的方法，该构件优选地能够提高例如燃气轮机发动机的效率。
根据本发明的第一个方面，翼型构件包括根部部分和翼型部分，根部部分具有用于将该构件附连到支承结构上的机构，翼型部分沿着该翼型部分的展向方向自根部部分延伸。翼型部分具有在其展向末端处的翼型尖端以及沿其厚向(thickness-wise，即沿着厚度的方向)方向隔开的相对地设置的凹面和凸面。凹面和凸面在沿翼型部分的弦向方向隔开的翼型部分的前缘和后缘处会聚。翼型部分在其分别限定了凹面和凸面的第一壁和第二壁之间还具有至少一个加强件。至少一个加强件在翼型部分内限定了多个内腔，该多个内腔沿翼型部分的展向方向延伸，从而使得多个内腔中的各个内腔具有相对较接近根部部分的第一末端和相对较接近翼型尖端的第二末端。聚合材料填充内腔中的至少一个，且仅在至少一个内腔的第一末端处结合到翼型部分上，且聚合材料没有结合到至少一个加强件上或者翼型部分的第一壁和第二壁上，以便限定为翼型部分提供振动阻尼作用的至少一个内部阻尼部件。
根据本发明的第二个方面，该方法包括将翼型构件形成为具有根部部分和翼型部分，翼型部分沿该翼型部分的展向方向自根部部分延伸，且使得根部部分具有用于将该构件附连到支承结构上的机构，翼型部分在其展向末端处具有翼型尖端，且至少一个加强件在翼型部分内限定了多个内腔，该多个内腔沿翼型部分的展向方向延伸，从而使得多个内腔中的各个内腔具有相对较接近根部部分的第一末端和相对较接近翼型尖端的第二末端。然后用聚合材料填充内腔中的至少一个，从而使得聚合材料限定至少一个内部阻尼部件，该至少一个内部阻尼部件仅在至少一个内腔的第一末端处结合到翼型部分上，且没有结合到至少一个加强件上。然后执行另外的步骤，使得翼型部分包括沿该翼型部分的厚向方向隔开的相对地设置的凹面和凸面，该凹面和凸面在沿翼型部分的弦向方向隔开的翼型部分的前缘和后缘处会聚，至少一个加强件在分别限定了凹面和凸面的翼型部分的第一壁和第二壁之间，且至少一个内部阻尼部件没有结合到翼型部分的第一壁和第二壁上，且为翼型部分提供振动阻尼作用。
本发明的重要优点在于能够减小翼型构件-尤其是旋转的翼型构件(诸如压缩机叶片)的平均密度，以便在不牺牲构件寿命的情况下减小附连应力、轮缘载荷和盘孔应力。
根据以下详细描述，将更好地理解本发明的其它方面和优点。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的翼型构件的透视图。
图2描绘了其中暴露了构件的内部的图1的翼型构件的视图。
图3是图1的翼型构件的截面图。
图4是根据本发明的第二个实施例的翼型构件的端视图。部件列表：10构件11012翼型部分11214根部部分11415鸠尾榫特征11516边缘11618边缘11820表面12022表面12224尖端12426壁12628凸壁12830壁区13032壁区13234肋13436腔体1338部件13840外壳14042末端14244末端14450构件15052盖子152
具体实施方式
图1至3示意性地描绘了根据本发明的第一个实施例的翼型构件10，而图4示意性地描绘了根据本发明的第二个实施例的翼型构件50。应当注意，附图是出于当结合以下描述观看时清楚的目的而绘制的，且因此不一定按比例绘制。构件10和50的具体形状也不意图限制由本发明包含的翼型构件的类型。在附图中，相同参考标号在所有各个视图中表示相同的元件。
参照图1至3的实施例，可以看到构件10具有翼型部分12和根部部分14，其中根部部分14具有能够以本领域众所周知的方式与转子盘(未显示)的互补特征互锁的鸠尾榫特征15。与行业术语相符，翼型部分12可被描述为具有相对地设置的前缘16和后缘18以及相对地设置的凹(压力)面20和凸(吸力)面22，在压缩机叶片的情况下，该凹(压力)面20和凸(吸力)面22分别可称为压力面和凸面。翼型尖端24限定在分别限定了翼型部分12的凹面20和凸面22的壁26和28的展向外部末端处。从图3中明显看出，凹壁26和凸壁28在分别限定了前缘16和后缘18的壁区30和32处会聚。同样与行业术语相符，据称构件10具有穿过翼型部分12和根部部分14的翼展方向、在前缘16和后缘18之间延伸的弦，以及从凹面20到凸面22测量到的厚度。翼型部分12和根部部分14，包括翼型部分12的翼型尖端24、壁26和28以及壁区30和32，可由各种各样的材料形成，包括铁基合金、钛基合金和镍基合金，以及聚合物基复合物和陶瓷基复合物(例如陶瓷基质复合物)材料。
图3显示了由单独的凸出闭合外壳40限定的、在壁区30和32之间的整个凸壁28，单独的凸出闭合外壳40由辅助连结过程连结到一体地加强的凹壁26上，而图2则描绘了翼型部分12，其省略了闭合外壳40，以暴露翼型部分12的内部。从图2和3中明显看出，构件10的内部包含大约沿翼型部分12的展向方向和厚向方向延伸的多个肋34，其在本文中也称为加强件。例如在初始制造或在构件10上执行后期加工操作期间，肋34优选地(尽管不必)与凹壁26一体地形成。肋34在翼型部分12内限定了多个槽或腔体36，槽或腔体36被显示为几乎完全由阻尼部件38填充。阻尼部件38与肋34、壁26和28以及壁区30和32之间存在间隙(未显示)，且间隙在腔体36的展向末端42和44之间是连续的，以允许阻尼部件38和翼型部分12的包围结构之间有相对运动。间隙可如约0.0005英寸(约10微米)那样小，认为上限为约0.005英才(约0.1毫米)，以实现有效的阻尼。各个腔体36被描绘为包含单个阻尼部件38，但是可预见某些腔体36可能不包含阻尼部件38。阻尼部件38优选地由密度小于用于形成根部部分14和翼型部分12的壁26和28以及壁区30和32的材料(或多种材料)的材料形成。用于阻尼部件38的优选材料包括聚合材料，其特别地非限制性的实例为可从3M商购获得的粘弹性阻尼聚合物(Viscoelastic Damping Polymers)，但是也可使用其它聚合物，例如聚丙烯、聚醚醚酮、聚砜等。可通过经由在不存在凸出闭合外壳40时限定的开口将聚合阻尼材料注射到腔体36中来形成阻尼部件38。在翼型部分12和根部部分14为一体单元且构件10没有单独的闭合外壳40的备选实施例中，优选在重力的协助下，可通过设置在翼型尖端24中的注射端口来引入阻尼材料。使注射的阻尼材料固化所必需的后续处理将取决于所使用的特定材料，而且后续处理完全在本领域技术人员的能力之内。
腔体36和阻尼部件38有效地降低了翼型部分12的平均密度，且由此在整体上降低了翼型构件10的平均密度。在本发明的一个实施例中，优选地存在构成翼型部分12的弦向截面积的至少50％(例如50％至约75％)的至少五个腔体36，以便实现对构件10的合乎需要的减重程度和刚度。
为了实现合乎需要的振动阻尼作用，阻尼部件38的纵向端部优选地限制在翼型尖端24附近和根部部分14附近，同时允许纵向端部之间的阻尼部件38的长度在部件38和周围的翼型件壁26和28、壁区30和32以及肋34之间的间隙内移动。在图2中，显示了阻尼部件38由邻近翼型尖端24的腔体36的展向外部末端44处的地带支承，使得当处于极端的离心载荷作用下时，阻尼部件38的展向外端被限制。例如，由于部件38仅结合到最接近根部部分14的腔体36的末端42上，且没有结合到翼型尖端24、壁26和28、壁区30和32或肋34上，阻尼部件38的展向内端优选地是以粘附的方式受限制的。例如，聚合物复合物分离剂(诸如名称为的、可从Loctite公司商购获得的脱模剂)可施用到腔体36的这样的所有表面上：期望在这些表面处与阻尼部件38有间隙。闭合外壳40可类似地在连结到翼型部分12的剩余部分上之前涂有分离剂。或者，可在构件10的根部部分14中提供注射端口(未显示)，且分离剂被喷射通过这些端口，并且优选地沿重力加强的方向进入各个腔体36中，此后可密封端口。然后可通过设置在翼型尖端24中的注射端口再次优选沿重力加强的方向引入阻尼材料，从而允许仅在根部注射端口闭合的地方发生结合。然后可在阻尼部件38形成之后密封尖端注射端口。
厚度、弦向宽度、展向长度、定向、质量和附连阻尼部件38的方式会提高阻尼部件38提供翼型部分12的内部阻尼的能力。此外，肋34和阻尼部件38的数量、尺寸、展向定向和质量可定制成以便对构件10提供特定的频率和强度调节能力。这样，本发明就能够利用聚合材料的低密度和粘弹性特性来使阻尼部件38能够在构件10内的关键、高幅的振动位置处提供阻尼，同时允许依赖用于构件10的翼型部分12和根部部分14的其它材料的强度、抗磨损性/抗摩擦性、尺寸控制和整体坚固性方面，以实现由构件10产生的离心载荷的整体显著降低。根部部分14的鸠尾榫特征15上的、所产生的减少的载荷显著地减少了传统上与压缩机叶片的鸠尾榫相关联的与应力有关的问题。另外，减小由构件10产生的离心载荷还减小了其上安装有构件10的盘的轮缘载荷，从而减小盘孔应力，并且允许转子寿命增加，破裂(burst)边界提高，以及/或者盘大小和成本降低。可进一步降低由于叶片脱离引起的灾难性的压缩机故障的风险，因为如果在肋34中或在横跨相邻的肋34对的壁26和28中的一个的一部分中形成裂纹，肋34和腔体36会有效地阻碍或停止裂纹传播。
在图1至3的实施例中，凸壳28组装到由根部部分14和壁区30和32、肋34、翼型尖端24，以及限定了翼型部分12的凹面20的壁26形成的构件10的整体剩余部分上。通过将外壳28附连到根部部分14且附连到翼型尖端24上，翼型部分12的壁区30和32以及肋34、腔体36和阻尼部件38完全封闭在构件10内。取决于用来形成翼型部分12的材料，可用粘结剂实现附连，粘结剂为诸如用于低温服务用途(例如小于约300°F(约150℃))的环氧树脂，或用于中温服务用途的(例如小于约600°F(约320℃))的聚酰胺，但是如果为阻尼部件38提供了适当的隔热的话，通过钎焊或焊接进行的附连也在本发明的范围内。大体认为图1至3中描绘的实施例更适于直至例如约200°F至约600°F(约90℃至约320℃)的相对低的应用温度。对于较高的应用温度，例如直至约2200EF(约1200℃)，凸壁28可以以冶金的方式连结到构件10的剩余部分上，或者以冶金的方式与构件10的剩余部分一体地形成，而且是在形成阻尼部件38之前进行。然后通过经由翼型尖端24将高温介质(例如陶瓷浆料材料)注射到腔体36中来形成阻尼部件38，腔体36的外部径向末端在翼型尖端24处暴露。类似于与上述聚合阻尼材料一起使用的脱膜剂，可使用挥发性分离剂在需要间隙的地方对腔体36的内表面进行预涂覆。然后当加热浆料以便凝固时，可使挥发性分离剂挥发。在填充腔体36以形成阻尼部件38之后，可例如用关于图4的翼型构件50描绘的单独的盖子52使翼型尖端24中的开口闭合。或者，可用钎焊件或焊接件(未显示)来使腔体36的端部闭合。最后，可能希望提供通过腔体36且在阻尼部件38周围(流动)的冷却空气流，特别是在构件10意图用于高温应用且由此是由超合金、CMC材料或具有高温能力的其它材料形成的情况下。另外或备选地，阻尼部件38可由比传统聚合材料具有更高的温度能力的材料形成。
考虑以上内容，可理解的是本发明的重要优点在于能够减小翼型构件、且特别是旋转的翼型构件(例如压缩机叶片)的平均密度，以便在不牺牲构件寿命的情况下减小附连应力、轮缘载荷和盘孔应力。本发明利用了聚合材料的相对低的密度和粘弹性特性来提供离心载荷的显著的减小，且使振动诱发的应力减到最小，同时还允许针对根部部分14和翼型部分12(其可以是或者可以不是整体的)的外部使用金属和/或复合物材料，以便利用这些材料的强度、抗磨损性/抗摩擦性、尺寸控制和整体坚固性。阻尼部件38还使得在封闭的内腔36内保持受保护的同时可实现构件10的特定频率和强度调节，内腔36控制阻尼部件38在构件10内的位置，且使阻尼部件38能够延伸到构件10内可能发生最大的振动幅度的区域中，从而最大程度地提高阻尼效率(低接触压力和高阻尼)。加强肋34和阻尼部件38的组合还可为构件10提供一定程度的耐损性，尤其是在旋转叶片应用中。例如，由于由肋34以及肋34与翼型部分12的壁26和28(壁26和28限定了构件10的凹的气体路径表面20和凸的气体路径表面22)的交接处提供的不连续的边界，可提高耐损性。肋34可具有制止气体路径表面20和22中的裂纹以阻止或至少抑制裂纹沿翼型部分12的弦向方向生长的能力。
本发明的其它重要优点包括由于根部部分14和翼型部分12的外部的磨损/摩擦坚固性能力(尤其是如果构件10的这些部分12和14具有整体构造)而能够将翼型构件10改型成现有硬件。实现构件10的减重的能力还减小了根部部分14和支承结构(例如压缩机转子的轮缘)之间的附连结构的整体载荷，这可减少(如果没有消除的话)压缩机应用中的某些鸠尾榫根部问题。所引起的盘缘载荷的减小会降低盘孔应力，这可导致转子寿命增加、破裂边界提高，以及/或者盘大小和相关联的成本降低。
虽然已经关于具体实施例对本发明进行了描述，但显而易见的是，本领域技术人员可采用其它形式。例如，构件10的物理构造可与所显示的构造不同，且可使用除所述的那些之外的材料和过程。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求书限定。
Claims (20)
1.一种翼型构件，包括：
根部部分,所述根部部分具有用于将所述构件附连到支承结构上的机构；
翼型部分，所述翼型部分沿该翼型部分的展向方向自所述根部部分延伸，所述翼型部分具有在所述翼型部分的展向末端处的翼型尖端和沿所述翼型部分的厚向方向间隔开的相对地设置的凹面和凸面，所述凹面和凸面在所述翼型部分的前缘和后缘处会聚，所述前缘和后缘沿所述翼型部分的弦向方向间隔开，所述翼型部分在分别限定了所述凹面和凸面的所述翼型部分的第一壁和第二壁之间具有至少一个加强件，所述至少一个加强件在所述翼型部分内限定了多个内腔，所述多个内腔沿所述翼型部分的展向方向延伸，使得所述多个内腔中的各个具有相对较接近所述根部部分的第一末端和相对较接近所述翼型尖端的第二末端；以及
聚合材料，所述聚合材料在所述内腔中的至少一个内至少限定第一内部阻尼部件，所述第一内部阻尼部件具有分别设置和限制在所述至少一个内腔的所述第一末端和第二末端处的第一纵向端和第二纵向端，并且在所述第一纵向端和第二纵向端之间具有一定长度，所述第一内部阻尼部件在所述至少一个加强件以及所述翼型部分的所述第一壁和第二壁之间限定连续的间隙，并且所述连续的间隙在所述至少一个内腔的所述第一末端和第二末端之间为连续，所述连续的间隙允许所述第一内部阻尼部件与所述翼型部分的包围结构之间有相对运动，所述第一内部阻尼部件支承在所述至少一个内腔的所述第二末端处，并且在所述至少一个内腔的所述第一末端处结合到所述翼型部分上，并且没有结合到所述至少一个加强件上或者所述翼型部分的所述第一壁和第二壁上，使得所述第一内部阻尼部件对所述翼型部分提供振动阻尼作用。
2.根据权利要求1所述的翼型构件，其特征在于，所述聚合材料在所述多个内腔中的各个内腔内，以便在所述多个内腔中的各个内腔内限定内部阻尼部件。
3.根据权利要求1所述的翼型构件，其特征进一步在于包括在所述至少一个内腔的所述第二末端处的地带，所述地带支承所述第一内部阻尼部件的所述第二纵向端，但不结合到所述第一内部阻尼部件的所述第二纵向端上，并且在离心载荷下限制所述第二纵向端。
4.根据权利要求1所述的翼型构件，其特征在于，所述第一壁和第二壁中的至少一个是结合到所述根部部分上的分离的物件。
5.根据权利要求1所述的翼型构件，其特征在于，所述第二壁是结合到所述根部部分和所述第一壁上的分离的物件。
6.根据权利要求5所述的翼型构件，其特征在于，所述第二壁用粘结剂结合到所述根部部分和所述第一壁上。
7.根据权利要求5所述的翼型构件，其特征在于，所述第二壁以冶金的方式结合到所述根部部分和所述第一壁上。
8.根据权利要求1所述的翼型构件，其特征在于，所述第一壁和第二壁在所述翼型尖端处合并，以使所述多个内腔在该多个内腔的所述第二末端处闭合。
9.根据权利要求1所述的翼型构件，其特征进一步在于包括与所述第一壁和第二壁分离、用于使所述多个内腔在该多个内腔的所述第二末端处闭合的机构。
10.根据权利要求1所述的翼型构件，其特征在于，所述翼型构件是旋转叶片，所述支承结构是燃气轮机发动机的转子，且所述附连机构构造成以便将所述叶片附连到所述转子上。
11.一种制造翼型构件的方法，所述方法包括：
使所述翼型构件形成为具有根部部分和翼型部分，所述翼型部分沿该翼型部分的展向方向自所述根部部分延伸，所述根部部分具有用于将所述构件附连到支承结构上的机构，所述翼型部分具有在该翼型部分的展向末端处的翼型尖端以及在所述翼型部分内限定多个内腔的至少一个加强件，所述多个内腔沿所述翼型部分的展向方向延伸，使得所述多个内腔中的各个内腔具有相对较接近所述根部部分的第一末端和相对较接近所述翼型尖端的第二末端；
用聚合材料填充所述内腔中的至少一个，使得所述聚合材料至少限定第一内部阻尼部件，所述第一内部阻尼部件具有分别设置在所述至少一个内腔的所述第一末端和第二末端处的第一纵向端和第二纵向端，并且在所述第一纵向端和第二纵向端之间具有一定长度，所述第一内部阻尼部件的所述第一纵向端在所述至少一个内腔的第一末端处结合到所述翼型部分上，并且所述第一内部阻尼部件的长度没有结合到所述至少一个加强件上；以及然后
执行另外的步骤，使得所述翼型部分包括沿该翼型部分的厚向方向间隔开的相对地设置的凹面和凸面，所述凹面和凸面在沿所述翼型部分的弦向方向间隔开的所述翼型部分的前缘和后缘处会聚，所述至少一个加强件在分别限定了所述凹面和凸面的所述翼型部分的第一壁和第二壁之间，所述第一内部阻尼部件在所述至少一个加强件以及所述翼型部分的所述第一壁和第二壁之间限定连续的间隙，并且所述连续的间隙在所述至少一个内腔的所述第一末端和第二末端之间为连续，所述连续的间隙允许所述第一内部阻尼部件与所述翼型部分的包围结构之间有相对运动，所述第一内部阻尼部件支承和限制在所述至少一个内腔的所述第二末端处，并且所述第一内部阻尼部件没有结合到所述至少一个加强件上或者所述翼型部分的所述第一壁和第二壁上，并且对所述翼型部分提供了振动阻尼作用。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，执行所述填充步骤，使得所述聚合材料处于所述多个内腔中的各个内，以便在所述多个内腔中的各个内限定内部阻尼部件。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，其特征进一步在于包括：
用所述至少一个内腔的所述第二末端处的地带支承所述第一内部阻尼部件的所述第二纵向端，而不将所述第二纵向端结合到所述地带上；以及
在离心载荷下用所述地带限制所述第二纵向端。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过在所述填充步骤之前在所述至少一个加强件和所述翼型部分的所述第一壁和第二壁上附着分离剂来形成包围所述第一内部阻尼部件的连续的间隙。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过所述至少一个内腔的所述第一末端和第二末端中的一个来对所述至少一个内腔填充所述聚合材料。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述方法的所述另外的步骤期间，将所述第一壁和第二壁中的至少一个单独地形成为结合到所述根部部分上的分离的物件。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述形成步骤期间，所述第一壁与所述根部部分一体地形成，并且在所述方法的所述另外的步骤期间，所述第二壁单独地形成为结合到所述根部部分和所述第一壁上的分离的物件。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，由于所述方法的所述另外的步骤，所述第一壁和第二壁在所述翼型尖端处合并，以使所述多个内腔在该多个内腔的所述第二末端处闭合。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述形成步骤期间，所述第一壁和第二壁与所述根部部分一体地形成，在所述填充步骤之后，所述多个内腔在所述翼型尖端处开口，并且所述方法进一步包括使所述多个内腔在该多个内腔的所述第二末端处闭合。
20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述翼型构件是旋转叶片，所述支承结构是燃气轮机发动机的转子，且所述方法进一步包括用所述根部部分的所述附连机构来将所述叶片附连到所述转子上。
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