CN1932248A - 混合式叶轮 - Google Patents

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Abstract

燃气涡轮发动机的转子组件或“叶轮”包括具有一个环形流道表层(14)的一个金属轮毂(12)，和从该流道表层(14)向外伸出的至少一个叶片(16，116，216)。该叶片包括具有第一密度的一个金属体(18，118，218)。该金属体(18，118，218)形成一个柄部分(22，122，222)和具有相反的压力侧和负压侧，并与该轮毂(12)成为一整体的一个翼面部分(20，120，220)。镶衬(36，136，236)具有比该体(18，118，218)所具有的第一密度小的第二密度。该镶衬(36，136，236)和该体(18，118，218)共同形成翼面形状。还提供了制造该转子组件的方法。

Description

混合式叶轮
发明领域
本发明总的涉及燃气涡轮，尤其，涉及燃气涡轮的混合式叶轮。
背景技术
在其他变型中，燃气涡轮包括燃气涡轮发电设备和燃气涡轮飞机发动机。燃气涡轮包括一个具有高压压缩机的核心发动机；在其中燃烧燃料和压缩空气的混合物产生推进气体流的燃烧室；和一个高压涡轮。该高压涡轮由该推进的气体流转动，并利用轴连接，以驱动该高压压缩机。通常的燃气涡轮飞机发动机还增加一个低压涡轮，由另一根轴连接，以驱动风扇转子。该风扇转子是这种形式的发动机最重的零件之一。
该风扇转子带有多个翼面形状的叶片，通常，这些叶片安装在一组榫槽中。一般，通常的燃气涡轮叶片设计完全由金属或诸如碳-环氧树脂复合材料一类的复合材料制成。包括成本高的宽弦空心叶片在内的全金属叶片重量较重，造成燃料性能较低和需要更坚固的叶片连接；而较轻的全复合材料叶片更容易受到鸟撞击的损坏。已知的混合式叶片包括复合材料叶片，为了防腐蚀和鸟撞击，其前缘用金属保护。另外，还包括带有非金属镶衬的金属叶片。虽然这些混合式叶片可减小该风扇转子的重量，但仍需要与转子的单独的机械连接。
因此，需要一种重量轻和耐撞击的风扇转子。
本发明概述
本发明可以满足上述需要。根据一个方面，本发明提供了一种燃气涡轮发动机的转子组件，该转子组件包括：具有一个环形的流道表层的金属轮毂和至少一个从该流道表层向外伸出的叶片。该叶片包括一个具有第一密度的金属体和一个镶衬。该金属体形成一个柄部分和具有相反的压力侧和负压侧，并与该轮毂成一整体的一个翼面部分。该镶衬具有比该体具有的第一密度小的第二密度。该镶衬和该体共同地形成翼面形状。
根据本发明的另一个方面，制造燃气涡轮发动机的转子组件的方法包括：形成具有环形流道表层的金属轮毂，和形成至少一个与该轮毂为一整体和从该流道表层向外伸出的叶片。该叶片包括具有第一密度的金属体和一个镶衬。该金属体形成一个柄部分和具有相反的压力侧和负压侧，并与该轮毂成为一个整体的翼面部分。该镶衬具有比该体所具有的第一密度小的第二密度。其特征为，该镶衬和该体共同地形成翼面形状。
附图简要说明
参考结合附图的以下说明，可以最好地理解本发明。其中：
图1为根据本发明制造的风扇叶轮的透视图；
图2为图1所示的叶轮的风扇叶片中的一个的侧视图；
图3为沿着图2的3-3线所取的图；
图4为与图1所示的叶轮一起使用的另一个风扇叶片的侧视图；
图5为沿着图4的5-5线所取的横截面图；
图6为与图1所示的叶轮一起使用的再一个风扇叶片的侧视图；
图7为沿着图6的7-7线所取的横截面图；和
图8为与图1所示的叶轮一起使用的另一个风扇叶片的侧视图。
优选实施例说明
在所有各附图中，相同的符号代表相同的零件。图1表示根据本发明制造的一个示例性的风扇叶轮10。该风扇叶轮10具有带有一个环形流道表层14和多个与其连接的翼面形状的叶片16。这里所用的术语“叶轮”是指包括具有与其成为一个整体的叶片的轮毂的任何燃气涡轮发动机零件。这种零件有时称为“叶片圆盘”或“整体式叶片转子”。本发明对于用作飞机燃气涡轮发动机上的低压风扇的叶轮特别有用，但也可以用在任何种类的叶轮结构中。这里所用的术语“整体的”是指不论该零件原来是单独的或由一个工件制成的，可以有效地形成没有机械间断的一个件的二个零件。
图2和图3更详细地表示一个示例性的叶片16。该叶片16包括形成了一个翼面部分20和一个柄部分22的金属体18。该翼面部分20包括相反的压力侧24和负压侧26，前缘28，后缘30和顶部32。
该体18由金属合金制成。该金属合金可以作成所希望的形状，可以承受必要的工作负荷和可与该轮毂的材料相适应。适当的合金的例子包括，(但不限于)钛，铝，钴，镍或钢基合金。在该所示的例子中，该体18由Ti-6Al-4V合金制成。该体18和轮毂2(参见图1)可通过利用已知的方法，从一个材料毛坯上加工相应的轮廓制成。在该体18中形成至少一个凹坑34。为了适应具体的应用，该凹坑34的数目和位置可以改变。在该所示的例子中，该体18包括在翼面部分20的压力侧24中形成的一个大的凹坑34。为了影响该叶片的性质-例如扭转刚性和频率响应，可以用已知的方法选择该凹坑34的尺寸和形状。
镶衬36被配置在该凹坑34中，并与它接合。该镶衬36具有形成该叶片16的压力侧24的一部分的外表层38。该镶衬36可用可承受在工作过程中的预期的空气负荷和温度，并可以作成所希望的轮廓的任何材料制成。该镶衬36可以或不可以对该叶片16的总的结构整体性有帮助。
该镶衬材料的密度比金属件18的密度小，以便与密实的翼面比较，减小叶片16的总质量。适当的材料的例子包括复材料—例如称为“碳-环氧树脂”***的埋入环氧树脂粘合剂中的碳纤维丝，纤维-双马来酰亚胺，纤维聚酰亚胺和其他纤维-环氧树脂热定形或热塑性树脂和混合物。其他适应的材料包括弹性体，刚性泡沫(例如，具有在全部材料中分散的蜂窝状结构的聚合物，陶瓷，硅酮或金属或其混合物，结构泡沫(即具有蜂窝状核心和整体表层的塑料)和合成泡沫(即通过将刚性的，极微细的颗粒在流体聚合物中分散，然后固化制成的蜂窝状聚合物)。可以作出该镶衬36，再用接合剂或紧固件固定在该凹坑34中，或者可以作出该镶衬并固化在该凹坑34中的规定位置上，直接接合。
图4和图5表示另一个叶片116。该叶片116的外形基本上与上述的叶片16相同，并且包括形成一个柄部分122和一个翼面部分120的一个金属体118。该翼面部分120包括相反的压力侧124和负压侧126，前缘128，后缘130和顶部132。
该体118由上述的金属材料制成。该体118和轮毂12(见图1)可以通过已知的方法，从一个材料毛坯上加工相应的轮廓形成。该叶片116与叶片16的不同主要在于该凹坑的配置。在该体118中形成至少一个凹坑134。在所示的例子中，该体118包括在该翼面部分120的压力侧124上作出的多个第一凹坑134A，和在该翼面部分120的负压侧126上作出的多个第二凹坑134B。该第一凹坑134A由多个直立的压力侧肋140A隔开，而该第二凹坑134B由多个负压侧肋140B隔开。为了影响该叶片的性质一例如扭转刚性和频率响应，可以用已知的方法选择该肋140A和140B的尺寸，横截面积和图形。
第一镶衬136A被配置在每一个第一凹坑134A中，并与它接合。第二镶衬136B被配置在每一个第二凹坑134B中并与它接合。每一个第一镶衬136A具有形成该翼面部分120的压力侧124的一部分的一个外表层138A，和每一个第二镶衬136B具有形成该翼面部分120的负压侧126的一部分的一个外表层138B。该镶衬136可用能承受在工作过程中的预期的空气负荷和可以作成所希望的轮廓的任何材料制成。该镶衬136可以或不可以对叶片116的总的结构整体性有帮助。该镶衬材料的密度比该体118的密度小，以减小与密实的翼面比较，叶片118的总的质量。镶衬136的适当材料的例子如以上针对半垫36的一样。如图5所示，肋140延伸至该翼面部分120的外表层，将该镶衬136完全隔开。另一种方案为，可使在圆周方向侧量的该肋140的厚度比该凹坑134的深度小，使得可以用连续的一个镶衬136充满在该翼面部分120的同一侧上的所有凹坑134。
图6和图7表示又一个叶片216。该叶片216的外形基本上与上述的叶片16相同，并包括一个柄部分222和一个翼面部分220。该翼面部分222包括相反的压力侧224和负压侧226，前缘228，后缘230和顶部232。
该翼面部分222包括一个金属体218。金属体218的适合的金属合金的例子包括(但不限于)钛，铝，钴，镍或钢基合金。在所示的例子中，该体218由Ti-CAl-4V合金制成。该体218具有第一质量密度，并沿径向从该柄部分延伸至该叶片的顶部232。
该翼面部分222包括至少一个镶衬236。该镶衬236具有比该体218的质量密度小的第二质量密度，并与该体218接合。该体218还包括被配置在镶衬236之间和与镶衬236接合的肋240。该体218和镶衬236共同地形成翼面形状。
如上所述，该镶衬236可由能承受在工作过程中的预期的空气负荷和可以作成所希望的轮廓的任何材料制成。适当的材料的例子如上所述。可以作出该镶衬236，然后用接合剂或紧固件固定在该体218上，或者作出该镶衬并在规定位置固化。
该翼面部分222可以随意地带有表层242，该表层覆盖镶衬236和与镶衬236接合。这种表层242可以由复合材料或金属制成。该表层242可以为单个的复合材料层的敷层或为编织结构的敷层。在所示的例子中，该表层242包括埋入环氧树脂基体粘合剂中的碳、玻璃或芳族聚酰胺丝。最好，任何表层复合材料的接合利用单独的接合剂薄膜材料或树脂转移模制或注入来完成。接合的其他例子无限制地包括在复合材料树脂本身和基片之间的接合。一般，该表层242为一个薄层，可以(图7所示)或不可以覆盖该体218。当存在时，该表层242的目的是使该镶衬有一个硬表层，可将任何撞击的力散开。
该翼面部分222可以任选地包括基本上覆盖该表层242和与该表层接合的腐蚀涂层244。在一个示例性结构中，该腐蚀涂层244包括一般配置在前缘228上的一个金属区域244’。该腐蚀涂层244还包括一个离开该金属区域244’，一般配置在后缘230上的非金属区域244”。该非金属区域244”的材料的一个例子为聚氨酯，而该金属区域244’的材料的一个例子为钛。
如上所述，该叶片16，116或216可以与该轮毂12作成一个整体，或者，它们可以单独制造，然后永久地与该轮毂12连接。如果该叶片16，116或216与该轮毂12为一整体，则该金属体18，118或218可以作成包括任何凹坑的所希望的形状，然后连接或形成镶衬36，136或236。如果该叶片16，116，或216单独制成，则可在将该叶片16，116或216与该轮毂12连接之前，加上该镶衬36，136或236。将该叶片16，116或216与该轮毂12连接的已知方法包括移动摩擦焊接，扩散接合和熔融焊接。角一个叶片18，118或218的相应的柄部分22，122或222作成合适的形状和尺寸，以适应预期的接合形式。例如，如图2所示，叶片16的柄部分20包括一个矩形或平行六面体实心形状的增大的块部分23。这使得可夹紧，操纵和接合该叶片16，并可起散热片作用，以防止连接过程的热影响区域(HAZ)损坏该叶片16的非金属部分。如果可以限制选择的连接过程(例如，移动摩擦焊接)的HAZ至足够窄的区域，使它不影响镶衬36的工程性质，则可在将该体18接合在该轮毂12上以前，将该镶衬36用接合剂与该体18连接。如果HAZ影响该镶衬36的工程性质，则可在将该体18与该轮毂12接合后，使该镶衬36与该体18连接(或在内部形成)。
如果叶片单独制成并与轮毂连接，则通过有选择地除去材料，可以减轻重量。例如，图8表示另一个叶片116’，它与叶片116相同，并具有一个柄部分122’和一个翼面部分120’。在该柄部分122’中形成一个空心的腔300，并部分地向上伸入该翼面部分中。在所示的例子中，可用一组用铆钉枪钻出的孔302共同地作出该腔300，但可以使用其他机械加工方法。该腔300的存在有助于从该叶片116’的柄部分122’的中心除去增加该叶片重量的材料，现对该叶片的扭转刚度或弯曲阻力不会有大的帮助。如果需要，为了在移动摩擦焊接过程中，防止材料挤入加工的腔中，在移动摩擦焊接过程以前，可将该腔300的底部用焊接或铜焊的堵头304堵住。
完成的叶轮10有几个优点。该镶衬36的主要目的是代替在翼面部分上的金属，从而减小该叶轮10的重量。这个重量的优点是在没有通常的叶片榫安装的重量或复杂性的条件下得到的。这种结构还可改善该叶轮10的修理性能，因为在损坏的情况下，只需更换该镶衬36，而不需修理叶轮10的没有损坏的金属部分或全部更换该叶轮10。
以上说明了一种混合式叶轮及制造这种叶轮的方法。虽然说明了本发明的具体实施例，但技术经验丰富的人知道，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可作各种改进。因此，以上对本发明的优选实施例和实现本发明的最好方式的说明只是为了说明的目的，不是限制。本发明由权利要求书确定。
零件清单
10-风扇叶轮
12-轮毂
14-环形流道表层
16-翼面形状的叶片
18-金属体
20-翼面部分
22-柄部分
24-压力侧
26-负压侧
28-前缘
30-后缘
32-顶部
34-凹坑
36-镶衬
38-外表层
116-另一个叶片
118-金属体
120-翼面部分
122-柄部分
124-压力侧
126-负压侧
128-前缘
130-后缘
132-顶部
134-凹坑
134A-多个第一凹坑
134B-多个第二凹坑
136A-第一镶衬
136B-第二镶衬
138A-外表层
138B-外表层
140-肋
140A-压力侧肋
140B-负压侧肋
216-第一叶片
218-金属体
220-翼面部分
222-柄部分
224-压力侧
226-负压侧
228-前缘
230-后缘
232-顶部
236-镶衬
240-肋
242-表层
244-腐蚀涂层
244’-金属区域
244”-非金属区域

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机的转子组件，包括：
一个具有一个环形流道表层(14)的金属轮毂(12)；和
至少一个从所述流道表层(14)向外伸出的叶片(16，116，216)；所述叶片(16，116，216)包括：
一个具有第一密度的金属体(18，118，218)；所述金属体(18，118，218)限定一个柄部分(22，122，222)和一个翼面部分(20，120，220)，该翼面部分具有相反的压力侧和负压侧，并与所述轮毂(12)成为一个整体；和
一个具有在所述金属体(18，118，218)含有的所述第一密度小的第二密度的镶衬(36，136，236)，其中所述镶衬(36，136，236)和所述金属体(18，118，218)共同地限定翼面形状。
2.如权利要求1所述的转子组件，其特征为，所述金属件(18，118，218)和所述轮毂(12)由单个连续的材料毛坯制成。
3.如权利要求1所述的转子组件，其特征为，所述金属体(18，118，218)与所述轮毂(12)是分开形成的，然后与所述轮毂(12)连接。
4.如权利要求1所述的转子组件，其特征为，所述翼面部分(20，120，220)具有在所述的压力侧和负压侧中选择的一侧形成的至少一个凹坑(34，134)，并且所述的镶衬(36，136，236)被配置在所述凹坑(34，134)中。
5.如权利要求1所述的转子组件，其特征为，一片状表层(242)被配置在所述翼面部分(220)的外表面上。。
6.如权利要求1所述的转子组件，其特征为，在所述叶片(16，116，216)的所述柄部分(23，122，222)内配置至少一个腔。
7.一种制造燃气涡轮发动机转子组件的方法，包括：
形成具有一个环形流道表层(14)的金属轮毂(12)；和
形成与所述轮毂(12)成一整体并从所述流道表层(14)向外伸出的至少一个叶片(16，116，216)；所述叶片(16，116，216)包括：
一个具有第一密度的金属体(18，118，218)；所述金属件(18，118，218)限定一个柄部分(22，122，222)和一个具有相反的压力侧和负压侧，并与所述轮毂(12)成一整体的翼面部分(20，120，220)；和
一个具有比所述体(18，118，218)含有的所述第一密度小的第二密度的镶衬(36，136，236)；其中，所述镶衬(36，136，216)和所述金属体(18，118，218)共同限定翼面形状。
8.如权利要求7所述的方法，其特征为，还包括：
由单个连续的材料毛坯制成所述金属体(18，118，218)和所述轮毂(12)；和
使所述镶衬(36，136，236)与所述金属体(18，118，218)连接。
9.如权利要求7所述的方法，其特征为，还包括：
形成所述轮毂(12)；
与所述轮毂(12)分开地形成所述金属体(18，118，218)；
使所述镶衬(36，136，236)与所述金属体(18，118，218)连接，以形成一个叶片(16，116，216)；和
将所述叶片(16，116，216)接合在所述轮毂(12)上。
10.如权利要求9所述的方法，其特征为，利用固态连接工艺方法将所述叶片(16，116，216)接合在所述轮毂(12)上。
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