專利名稱：復(fù)合渦輪機(jī)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合渦輪機(jī)葉片并且具體地涉及例如復(fù)合風(fēng)扇葉片的復(fù)合燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。
背景技術(shù)：
復(fù)合渦輪機(jī)葉片在渦輪機(jī)葉片的翼型部分的前緣上設(shè)有保護(hù)性片條，以便保護(hù)前緣免受由于小的外物(例如沙礫)而導(dǎo)致的侵蝕并且保護(hù)前緣免受大的外物(例如鳥)的撞
擊ο保護(hù)性片條通常是金屬保護(hù)性片條。保護(hù)性片條通常被黏附地粘結(jié)到復(fù)合渦輪機(jī)葉片的翼型部分的前緣。不過，保護(hù)性片條的徑向內(nèi)端處的剝落應(yīng)力還沒有被優(yōu)化，從而導(dǎo)致在特定載荷條件下，例如由于一只或多只鳥撞擊的條件下，保護(hù)性片條和復(fù)合渦輪機(jī)葉片的翼型部分的前緣之間的黏附性粘結(jié)的早期斷裂。此外，減小了高周疲勞強(qiáng)度。保護(hù)性片條和復(fù)合渦輪機(jī)葉片的翼型部分的前緣之間的黏附性粘結(jié)的失效會(huì)意味著當(dāng)承受特定載荷時(shí)復(fù)合渦輪機(jī)葉片將不能滿足認(rèn)證要求。此外，在渦輪機(jī)葉片的翼型部分的前緣上來自保護(hù)性片條的端部載荷會(huì)導(dǎo)致在復(fù)合渦輪機(jī)葉片內(nèi)的應(yīng)力集中，這會(huì)導(dǎo)致復(fù)合渦輪機(jī)葉片的失效或損壞。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明試圖提供減小、優(yōu)選地克服上述問題的新穎的復(fù)合渦輪機(jī)葉片。因此，本發(fā)明提供一種包括復(fù)合材料的復(fù)合渦輪機(jī)葉片，該復(fù)合材料包括在基體材料中的加強(qiáng)纖維，該渦輪機(jī)葉片包括翼型部分、柄部分和根部部分，翼型部分具有遠(yuǎn)離柄部分的尖端、前緣、后緣、從前緣延伸到后緣的壓力表面以及從前緣延伸到后緣的吸力表面，所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片還具有設(shè)置在渦輪機(jī)葉片的翼型部分的前緣的區(qū)域內(nèi)的保護(hù)性構(gòu)件，該保護(hù)性構(gòu)件被黏附地粘結(jié)到復(fù)合渦輪機(jī)葉片的翼型部分的前緣的區(qū)域內(nèi)的復(fù)合材料，該保護(hù)性構(gòu)件具有從保護(hù)性構(gòu)件朝向復(fù)合渦輪機(jī)葉片的根部部分延伸的至少一個(gè)突起，該至少一個(gè)突起從保護(hù)性構(gòu)件最靠近復(fù)合渦輪機(jī)葉片的根部部分的端部朝向復(fù)合渦輪機(jī)葉片的根部部分延伸，從而該至少一個(gè)突起減少復(fù)合材料內(nèi)的局部峰值應(yīng)力水平，粘結(jié)部和保護(hù)性構(gòu)件增加了復(fù)合材料、粘結(jié)部和保護(hù)性構(gòu)件的高周疲勞強(qiáng)度。該至少一個(gè)突起可以延伸到復(fù)合渦輪機(jī)葉片的柄部分上。該至少一個(gè)突起可以延伸到復(fù)合渦輪機(jī)葉片的根部部分上。該至少一個(gè)突起可以在厚度上朝向復(fù)合渦輪機(jī)葉片的根部部分變細(xì)。該至少一個(gè)突起可以在厚度上朝向復(fù)合渦輪機(jī)葉片的根部部分逐漸地或以階梯方式減小。保護(hù)性構(gòu)件可以具有兩個(gè)突起，所述突起中的第一突起被設(shè)置在復(fù)合渦輪機(jī)葉片的翼型部分的壓力表面上，并且所述突起中的第二突起被設(shè)置在復(fù)合渦輪機(jī)葉片的翼型部分的吸力表面上。加強(qiáng)纖維可以包括碳纖維和/或玻璃纖維。基體材料可以包括熱固性樹脂。
所述保護(hù)性構(gòu)件可以是金屬保護(hù)性構(gòu)件并且所述至少一個(gè)突起是金屬突起。保護(hù)性構(gòu)件可以從尖端到柄部分延伸翼型部分的整個(gè)長度。保護(hù)性構(gòu)件可以不延伸經(jīng)過大部分柄部分的前緣。所述至少一個(gè)突起可以是柔性的。所述至少一個(gè)突起可以被設(shè)置在復(fù)合渦輪機(jī)葉片的翼型部分的壓力表面上或者所述至少一個(gè)突起可以被設(shè)置在復(fù)合渦輪機(jī)葉片的翼型部分的吸力表面上。復(fù)合渦輪機(jī)葉片可以是復(fù)合燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。復(fù)合渦輪機(jī)葉片可以是風(fēng)扇葉片。渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子組件包括渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和周向間隔開的徑向延伸的多個(gè)復(fù)合渦輪機(jī)葉片。


將參考附圖通過示例方式更加全面地描述本發(fā)明，附圖中
圖1是渦輪機(jī)上半部的橫截面圖，扇渦輪燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)具有根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合渦輪機(jī)葉片。圖2是根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合渦輪機(jī)葉片的放大圖。圖3是沿圖2的箭頭A-A方向的橫截面圖。圖4是沿圖2的箭頭B-B方向的橫截面圖。圖5是沿圖2的箭頭C-C方向的放大橫截面圖。圖6是圖2所示的復(fù)合渦輪機(jī)葉片的一部分的進(jìn)一步放大圖。圖7是圖2所示的復(fù)合渦輪機(jī)葉片的一部分的可替代實(shí)施例的進(jìn)一步放大圖。圖8是圖2所示的復(fù)合渦輪機(jī)葉片的一部分的另一實(shí)施例的進(jìn)一步放大圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示的扇渦輪燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10沿流動(dòng)序列包括進(jìn)氣口 11、風(fēng)扇12、中壓壓縮機(jī)13、高壓壓縮機(jī)14、燃燒室15、高壓渦輪16、中壓渦輪17、低壓渦輪18和排氣口 19。 高壓渦輪16被設(shè)置成經(jīng)由第一軸沈驅(qū)動(dòng)高壓壓縮機(jī)14。中壓渦輪17被設(shè)置成經(jīng)由第二軸觀驅(qū)動(dòng)中壓壓縮機(jī)13，并且低壓渦輪19被設(shè)置成經(jīng)由第三軸30驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇12。在工作期間，空氣流入進(jìn)氣口 11并且被風(fēng)扇12壓縮?？諝獾牡谝徊糠至鲃?dòng)通過中壓壓縮機(jī)13和高壓壓縮機(jī)14并被其壓縮，并且被供應(yīng)到燃燒室15。燃料被噴射到燃燒室15內(nèi)并且在空氣中燃燒從而產(chǎn)生熱排氣，該熱排氣流動(dòng)通過并驅(qū)動(dòng)高壓渦輪16、中壓渦輪17和低壓渦輪 18。離開低壓渦輪18的熱排氣流動(dòng)通過排氣口 19從而提供推力?？諝獾牡诙糠掷@過主發(fā)動(dòng)機(jī)來提供推力。風(fēng)扇12包括風(fēng)扇轉(zhuǎn)子32，該風(fēng)扇轉(zhuǎn)子32承載多個(gè)沿周向間隔開的徑向向外延伸的風(fēng)扇葉片34。風(fēng)扇葉片34是復(fù)合風(fēng)扇葉片并且每個(gè)風(fēng)扇葉片34均包括在基體材料中包括加強(qiáng)纖維的復(fù)合材料。如圖2、圖3、圖4、圖5和圖6所示，每個(gè)風(fēng)扇葉片34均包括翼型部分36、柄部分 38和根部部分40。翼型部分36具有前緣42、后緣44、從前緣42延伸到后緣44的壓力表面46、從前緣42延伸到后緣44的吸力表面48以及遠(yuǎn)離根部部分40的尖端50。復(fù)合風(fēng)扇葉片34還包括金屬保護(hù)性構(gòu)件52，該金屬保護(hù)性構(gòu)件52被設(shè)置在風(fēng)扇葉片34的翼型部分 36的前緣42的區(qū)域M內(nèi)。金屬保護(hù)性構(gòu)件52被黏附地粘結(jié)到復(fù)合風(fēng)扇葉片34的翼型部分36的前緣42的區(qū)域M中的復(fù)合材料。因此，金屬保護(hù)性構(gòu)件52具有分別黏附地粘結(jié)到復(fù)合風(fēng)扇葉片；34的翼型部分36的壓力表面46和吸力表面48的部分52A和52B。金屬保護(hù)性構(gòu)件52從尖端50到柄部分38延伸翼型部分36的整個(gè)長度。金屬保護(hù)性構(gòu)件52 還具有兩個(gè)金屬突起56和58，所述突起56和58從金屬保護(hù)性構(gòu)件52最靠近根部部分40 的端部(徑向內(nèi)端)60朝向復(fù)合風(fēng)扇葉片34的根部部分40延伸。金屬突起56和58減少了復(fù)合材料、粘結(jié)部和金屬保護(hù)性構(gòu)件內(nèi)的局部峰值應(yīng)力水平，并且增加了復(fù)合材料、粘結(jié)部和金屬保護(hù)性構(gòu)件的高周疲勞強(qiáng)度。金屬突起56和58如所示在61處分別被黏附地粘結(jié)到復(fù)合風(fēng)扇葉片34的翼型部分36的壓力表面46和吸力表面48。金屬保護(hù)性構(gòu)件52僅在風(fēng)扇葉片34的柄部分38上延伸相對短的距離并且不延伸到風(fēng)扇葉片34的根部部分40 上，金屬突起56和58延伸到柄部分38上且因而在柄部分38的前緣處僅存在相對少量的金屬保護(hù)性構(gòu)件52。如圖4和圖6所示，在大部分柄部分38的前緣處沒有金屬保護(hù)性構(gòu)件 52。金屬保護(hù)性構(gòu)件52延伸到環(huán)形線37徑向下方的位置，環(huán)形線37限定了如下位置在該位置的徑向外部，在操作期間工作流體被設(shè)置成流過風(fēng)扇葉片34的翼型部分36 ；以及， 在該位置的徑向內(nèi)部，在操作期間工作流體被設(shè)置成不流過柄部分38和根部部分40。因此，柄部分38和根部部分40不具有空氣動(dòng)力學(xué)表面。金屬突起中的第一突起56被設(shè)置在復(fù)合風(fēng)扇葉片34的柄部分38的第一表面62 上，并且金屬突起中的第二突起58被設(shè)置在復(fù)合風(fēng)扇葉片34的柄部分38的第二表面64 上。金屬突起56和58分別從復(fù)合風(fēng)扇葉片34的翼型部分36的壓力表面46和吸力表面 48、從金屬保護(hù)性構(gòu)件52延伸到柄部分38的第一表面62和第二表面64上。金屬突起56 和58是柔性的、彈性的，因?yàn)椴淮嬖趪@柄部分38的前緣延伸的金屬互連部分。金屬突起 56和58有效地延伸了金屬保護(hù)性構(gòu)件52的端部60，并且復(fù)合風(fēng)扇葉片34的根部部分40 和金屬保護(hù)性構(gòu)件52之間的剛性變化變得較不急劇。這具有如下效果，即減小了被鳥撞擊期間的局部峰值應(yīng)力并且增加了扇渦輪燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10在穩(wěn)定工況下的高周疲勞強(qiáng)度。金屬突起56和58增加了金屬保護(hù)性構(gòu)件52和復(fù)合風(fēng)扇葉片34之間的黏附性粘結(jié)的面積。金屬突起56和58最小化了金屬保護(hù)性構(gòu)件52和復(fù)合風(fēng)扇葉片34之間的粘結(jié)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力并且將應(yīng)力傳遞到環(huán)形線37的徑向內(nèi)部。金屬突起56和58在厚度上朝向復(fù)合風(fēng)扇葉片34的根部部分40變細(xì)，并具有斜面 57和59。金屬突起56和58可以在厚度上朝向復(fù)合風(fēng)扇葉片34的根部部分40減小，并且金屬突起56和58可以在厚度上逐漸地或以階梯方式減小。此外，金屬保護(hù)性構(gòu)件52的部分52A和52B在朝向復(fù)合風(fēng)扇葉片34的后緣44的方向上在厚度上變細(xì)從而具有斜面53A 和53B。金屬突起56和58上的斜面57和59以及金屬保護(hù)性構(gòu)件52的部分52A和52B上的斜面53A和5 也有助于減小鳥撞擊期間的局部峰值應(yīng)力并且增加扇渦輪燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的穩(wěn)定工況期間的高周疲勞強(qiáng)度。圖2、圖3和圖7中示出了風(fēng)扇葉片34B的可替代設(shè)置，其類似于圖2、圖3和圖6 所示并且類似部件使用類似附圖標(biāo)記來標(biāo)識(shí)。風(fēng)扇葉片34B的不同之處在于，金屬突起56B 和58B延伸到且黏附地粘結(jié)于復(fù)合風(fēng)扇葉片34B的根部部分40。這種設(shè)置為閃電提供了從復(fù)合風(fēng)扇葉片34B的翼型部分36的金屬保護(hù)性構(gòu)件52徑向向內(nèi)到風(fēng)扇轉(zhuǎn)子32的導(dǎo)電路徑，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子32是金屬的并且因而在使用中將閃電引導(dǎo)遠(yuǎn)離復(fù)合風(fēng)扇葉片34B。通過金屬突起56B和/或58B和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子32之間的接觸，或者通過金屬突起56B和/或58B和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子32之間緊鄰只有小間隙以便在閃擊期間閃電可以跨過該小間隙，從而提供導(dǎo)電路徑。圖2、圖3和圖8示出了風(fēng)扇葉片34C的另一設(shè)置，其類似于圖2、圖3和圖6所示并且類似部件使用類似附圖標(biāo)記來標(biāo)識(shí)。風(fēng)扇葉片34C的不同之處在于，金屬突起56C和 58C具有局部導(dǎo)電引腳70和72，其延伸到復(fù)合風(fēng)扇葉片34C的根部部分40上且黏附地粘結(jié)于該根部部分40。這種設(shè)置也為閃電提供了從復(fù)合風(fēng)扇葉片34C的翼型部分36的金屬保護(hù)性構(gòu)件52徑向向內(nèi)到風(fēng)扇轉(zhuǎn)子32的導(dǎo)電路徑，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子32是金屬的并且因而將閃電引導(dǎo)遠(yuǎn)離復(fù)合風(fēng)扇葉片Me。導(dǎo)電引腳70和72在使用中被電連接到風(fēng)扇轉(zhuǎn)子32。風(fēng)扇葉片34的根部部分40可以是燕尾型根部或揪樹型根部以便位于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子32 內(nèi)的對應(yīng)成形的槽內(nèi)。復(fù)合材料的加強(qiáng)纖維可以包括碳纖維和/或玻璃纖維，并且復(fù)合材料的基體材料可以包括熱固性樹脂，例如環(huán)氧樹脂。加強(qiáng)纖維可以包括硼纖維、芳族聚酰胺纖維或者聚芳酰胺纖維，例如凱芙拉(RTM)或任何其他適當(dāng)纖維?；w材料可以包括熱塑性材料，例如 PEEK聚醚醚酮。風(fēng)扇轉(zhuǎn)子可以包括鈦合金或者任意其他適當(dāng)金屬或合金。金屬保護(hù)性構(gòu)件可以包括鈦合金，例如Ti-6-4，其由6wt%的鋁、的釩和余量鈦以及微量添加物和附帶雜質(zhì)構(gòu)成。金屬保護(hù)性構(gòu)件可以包括鎳合金，例如IN318，或鋼或任意其他適當(dāng)金屬或合金?？梢允褂冒ㄆ渌牧系谋Ｗo(hù)性構(gòu)件及相關(guān)突起。雖然已經(jīng)參考復(fù)合扇渦輪燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片描述了本發(fā)明，不過本發(fā)明能等同地應(yīng)用于其他復(fù)合燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，例如復(fù)合壓縮機(jī)葉片。本發(fā)明能等同地應(yīng)用于其他復(fù)合渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和復(fù)合渦輪機(jī)定子葉瓣。雖然已經(jīng)參考在復(fù)合渦輪機(jī)葉片的各表面上從金屬前緣延伸出的金屬突起來描述本發(fā)明，不過能夠僅在復(fù)合渦輪機(jī)葉片的一個(gè)表面上提供金屬突起或者在復(fù)合渦輪機(jī)葉片的各表面上提供多于兩個(gè)的金屬突起。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合渦輪機(jī)葉片，包括復(fù)合材料，其包括在基體材料中的加強(qiáng)纖維，所述渦輪機(jī)葉片包括翼型部分、柄部分和根部部分，所述翼型部分具有遠(yuǎn)離所述柄部分的尖端、前緣、后緣、從所述前緣延伸到所述后緣的壓力表面以及從所述前緣延伸到所述后緣的吸力表面，所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片還具有設(shè)置在所述渦輪機(jī)葉片的所述翼型部分的所述前緣的區(qū)域內(nèi)的保護(hù)性構(gòu)件，該保護(hù)性構(gòu)件被黏附地粘結(jié)到所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片的所述翼型部分的所述前緣的所述區(qū)域內(nèi)的所述復(fù)合材料，其特征在于，所述保護(hù)性構(gòu)件具有從所述保護(hù)性構(gòu)件朝向所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片的所述根部部分延伸的至少一個(gè)突起，所述至少一個(gè)突起從所述保護(hù)性構(gòu)件最靠近所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片的所述根部部分的端部朝向所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片的所述根部部分延伸，從而所述至少一個(gè)突起減少所述復(fù)合材料、粘結(jié)部和所述保護(hù)性構(gòu)件內(nèi)的局部峰值應(yīng)力水平，從而增加所述復(fù)合材料、所述粘結(jié)部和所述保護(hù)性構(gòu)件的高周疲勞強(qiáng)度。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合渦輪機(jī)葉片，其中所述至少一個(gè)突起延伸到所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片的所述柄部分上。
3.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合渦輪機(jī)葉片，其中所述至少一個(gè)突起延伸到所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片的所述根部部分上。
4.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合渦輪機(jī)葉片，其中所述至少一個(gè)突起在厚度上朝向所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片的所述根部部分變細(xì)。
5.如權(quán)利要求4所述的復(fù)合渦輪機(jī)葉片，其中所述至少一個(gè)突起在厚度上朝向所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片的所述根部部分逐漸地或以階梯方式減小。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的復(fù)合渦輪機(jī)葉片，其中所述保護(hù)性構(gòu)件具有兩個(gè)突起，所述突起中的第一突起被設(shè)置在所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片的所述翼型部分的所述壓力表面上，并且所述突起中的第二突起被設(shè)置在所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片的所述翼型部分的所述吸力表面上。
7.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的復(fù)合渦輪機(jī)葉片，其中所述至少一個(gè)突起被設(shè)置在所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片的所述翼型部分的所述壓力表面上，或者所述至少一個(gè)突起被設(shè)置在所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片的所述翼型部分的所述吸力表面上。
8.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合渦輪機(jī)葉片，其中所述加強(qiáng)纖維包括碳纖維和/或玻璃纖維。
9.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合渦輪機(jī)葉片，其中所述基體材料包括熱固性樹脂。
10.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合渦輪機(jī)葉片，其中所述保護(hù)性構(gòu)件是金屬保護(hù)性構(gòu)件并且所述至少一個(gè)突起是金屬突起。
11.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合渦輪機(jī)葉片，其中所述保護(hù)性構(gòu)件從所述尖端到所述柄部分延伸所述翼型部分的整個(gè)長度。
12.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合渦輪機(jī)葉片，其中所述保護(hù)性構(gòu)件不延伸經(jīng)過大部分所述柄部分的前緣。
13.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合渦輪機(jī)葉片，其中所述至少一個(gè)突起是柔性的。
14.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合渦輪機(jī)葉片，其中所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片是復(fù)合燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。
15.一種渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子組件，其包括渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和多個(gè)沿周向隔開的徑向延伸的如權(quán)利要求1所述的復(fù)合渦輪機(jī)葉片。
全文摘要
本發(fā)明涉及復(fù)合渦輪機(jī)葉片。該復(fù)合渦輪機(jī)葉片包括復(fù)合材料，該復(fù)合材料包括在基體材料中的加強(qiáng)纖維，渦輪機(jī)葉片包括翼型部分、柄部分和根部部分。翼型部分具有前緣、后緣。復(fù)合渦輪機(jī)葉片還具有設(shè)置在渦輪機(jī)葉片的翼型部分的前緣的區(qū)域內(nèi)的金屬保護(hù)性構(gòu)件。該金屬保護(hù)性構(gòu)件被黏附地粘結(jié)到所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片的翼型部分的前緣的區(qū)域內(nèi)的復(fù)合材料。金屬保護(hù)性構(gòu)件具有從該金屬保護(hù)性構(gòu)件朝向所述復(fù)合渦輪機(jī)葉片的根部部分延伸的至少一個(gè)金屬突起。所述至少一個(gè)金屬突起減少復(fù)合材料、粘結(jié)部和保護(hù)性構(gòu)件內(nèi)的局部峰值應(yīng)力水平并增加復(fù)合材料、粘結(jié)部和保護(hù)性構(gòu)件內(nèi)的高周疲勞強(qiáng)度。
文檔編號(hào)F01D5/12GK102312682SQ20111018614
公開日2012年1月11日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者I. 詹姆斯 D., M. 梅里曼 N. 申請人:勞斯萊斯有限公司