本發(fā)明涉及燃氣渦輪發(fā)動機轉(zhuǎn)子盤，且尤其涉及在燃氣渦輪發(fā)動機風扇和升壓級中使用的轉(zhuǎn)子盤。

背景技術：

燃氣渦輪發(fā)動機金屬轉(zhuǎn)子盤大體用于保持葉片。風扇和升壓級中的轉(zhuǎn)子盤承載顯著的離心徑向力，且因此通常具有用于葉片固定的軸向槽。徑向力在發(fā)動機操作期間生成徑向和切向應力兩者。此外，風扇葉片偏斜FBO或葉片偏斜事件可引入高負載。金屬轉(zhuǎn)子盤的相對重的重量增加負載和應力。

已經(jīng)在諸如美國專利第4747900號、第4786347號和第7491032號的若干專利中公開了用于在燃氣渦輪發(fā)動機中使用的整合復合物的有葉片的轉(zhuǎn)子。整合復合物的有葉片的轉(zhuǎn)子經(jīng)受大的力，其在設計轉(zhuǎn)子的結構時必須被考慮以保持其完整性。在轉(zhuǎn)子盤區(qū)域中，主要的力沿周向方向施加，所以吸收環(huán)向應力的能力是重要的，然而，在翼型件葉片中，徑向施加的力占優(yōu)勢。在這種轉(zhuǎn)子中使用的復合材料典型地包括樹脂(諸如環(huán)氧樹脂)，其具有低固有強度。由于包含嵌入在復合材料的基質(zhì)中的通常為相同材料的纖維，復合材料具有比金屬的比強度更高的比強度。眾所周知，纖維在受拉方面最強，所以成品構件中的力的方向?qū)⒅辽俨糠值卮_定其強度。

高度期望具有一種用于制造輕量、堅固且容易制造的燃氣渦輪轉(zhuǎn)子盤的設計和方法。還期望具有容易組裝和拆卸的復合葉片的轉(zhuǎn)子。還期望具有帶有復合葉片的容易檢修的轉(zhuǎn)子，其在一個損壞的情況下可單獨地檢修。

技術實現(xiàn)要素：

燃氣渦輪發(fā)動機復合盤包括在盤柱之間從復合盤的徑向外部周邊沿徑向朝內(nèi)延伸的燕尾槽、圍繞中心線軸線限定的復合疊層的轂環(huán)以及沿徑向遠離轂環(huán)延伸且延伸到盤柱中的徑向疊層。復合疊層可纏繞成螺旋形，或者復合疊層在截面中可為同心、環(huán)形和圓形的。

復合盤還可包括外皮，其帶有圍繞復合盤沿周向延伸、覆蓋盤柱且定界其間的燕尾槽的一個或多個最外部復合覆蓋疊層。

復合盤可包括分段中間環(huán)，其與轂環(huán)同心且定位在轂環(huán)的徑向外側，且包括環(huán)形中間環(huán)節(jié)段。中間環(huán)節(jié)段中的每一個包括嵌套疊層，且嵌套疊層中的每一個包括圍繞中心線軸線限定的環(huán)形基底以及在環(huán)形基底的順時針端和逆時針端處大致沿徑向延伸的順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂，其中，徑向疊層包括順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂。

復合盤可包括外部分段環(huán)，其與分段中間環(huán)同心且定位在分段中間環(huán)的徑向外側，且包括環(huán)形外部環(huán)節(jié)段，且外部環(huán)區(qū)段中的每一個包括周向堆疊復合疊層，其在大致徑向延伸的順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂之間且在環(huán)形基底的徑向外側設置在中間環(huán)節(jié)段中的每一個內(nèi)。

燕尾槽可朝底部外擴。

技術方案1. 一種燃氣渦輪發(fā)動機復合盤，包括：

燕尾槽，其在盤柱之間從所述復合盤的徑向外部周邊沿徑向朝內(nèi)延伸，

圍繞中心線軸線限定的復合疊層的轂環(huán)，以及

徑向疊層，其沿徑向遠離所述轂環(huán)延伸且延伸到所述盤柱中。

技術方案2. 根據(jù)技術方案1所述的復合盤，其中，所述復合盤還包括纏繞成螺旋的所述復合疊層或在截面中是同心、環(huán)形和圓形的所述復合疊層。

技術方案3. 根據(jù)技術方案1所述的復合盤，其中，所述復合盤還包括外皮，其包括在所述復合盤周圍沿周向延伸、覆蓋所述盤柱且定界其間的燕尾槽的一個或多個最外部復合覆蓋疊層。

技術方案4. 根據(jù)技術方案1所述的復合盤，其中，所述復合盤還包括：

分段中間環(huán)，其與所述轂環(huán)同心且定位在所述轂環(huán)的徑向外側，

所述中間環(huán)包括環(huán)形中間環(huán)節(jié)段，

所述中間環(huán)節(jié)段中的每一個包括嵌套疊層，且

所述嵌套疊層中的每一個包括圍繞所述中心線軸線限定的環(huán)形基底以及在所述環(huán)形基底的順時針端和逆時針端處大致沿徑向延伸的順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂，其中，所述徑向疊層包括所述順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂。

技術方案5. 根據(jù)技術方案4所述的復合盤，其中，所述復合盤還包括外皮，其包括在所述復合盤周圍沿周向延伸、覆蓋所述盤柱且定界其間的燕尾槽的一個或多個最外部復合覆蓋疊層，且所述外皮覆蓋所述順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂的徑向外部邊緣。

技術方案6. 根據(jù)技術方案5所述的復合盤，其中，所述復合盤還包括：

所述轂環(huán)中的周向復合疊層、所述環(huán)形基底，且所述外皮覆蓋所述盤柱的柱頂部和所述燕尾槽的底部；

所述周向復合疊層包括周向定向纖維；

所述順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂中的徑向復合疊層，且所述外皮沿著所述盤柱的徑向延伸的柱側定界所述燕尾槽；且

所述徑向復合疊層包括徑向定向纖維。

技術方案7. 根據(jù)技術方案4所述的復合盤，其中，所述復合盤還包括：

外部分段環(huán)，其與所述分段中間環(huán)同心且定位在所述分段中間環(huán)的徑向外側，

所述外部分段環(huán)包括環(huán)形外部環(huán)節(jié)段，且

所述外部環(huán)節(jié)段中的每一個包括周向堆疊復合疊層，其在大致徑向延伸的順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂之間且在所述環(huán)形基底的徑向外側設置在所述中間環(huán)節(jié)段中的每一個內(nèi)。

技術方案8. 根據(jù)技術方案7所述的復合盤，其中，所述復合盤還包括：

外皮，其包括在所述復合盤周圍沿周向延伸的一個或多個最外部復合覆蓋疊層；

所述外皮覆蓋所述外部環(huán)節(jié)段和所述盤柱且定界其間的燕尾槽；且

所述外皮覆蓋所述順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂的徑向外部邊緣。

技術方案9. 根據(jù)技術方案8所述的復合盤，其中，所述復合盤還包括：

所述轂環(huán)中的周向復合疊層、所述環(huán)形基底，且所述外皮覆蓋所述盤柱的柱頂部和所述燕尾槽的底部；

所述周向復合疊層包括周向定向纖維；

所述順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂中的徑向復合疊層，且所述外皮沿著所述盤柱的徑向延伸的柱側的定界所述燕尾槽；以及

所述徑向復合疊層包括徑向定向纖維。

技術方案10. 根據(jù)技術方案9所述的復合盤，其中，所述復合盤還包括朝所述底部外擴的所述燕尾槽。

技術方案11. 一種燃氣渦輪發(fā)動機復合盤和葉片組件，包括：

復合盤，其包括在盤柱之間從所述復合盤的徑向外部周邊沿徑向朝內(nèi)延伸的燕尾槽，

所述燕尾槽包括盤柱之間的底部，

葉片具有附連到外擴燕尾件根部的翼型件，

所述燕尾件根部設置在所述燕尾槽中，

所述燕尾件根部保持在匹配的外擴燕尾槽中，

圍繞中心線軸線限定的復合疊層的轂環(huán)，以及

徑向疊層，其沿徑向遠離所述轂環(huán)延伸且延伸到所述盤柱中。

技術方案12. 根據(jù)技術方案11所述的組件，其中，所述組件還包括纏繞成螺旋的所述復合疊層或在截面中是同心、環(huán)形和圓形的所述復合疊層。

技術方案13. 根據(jù)技術方案11所述的組件，其中，所述組件還包括外皮，其包括在所述復合盤周圍沿周向延伸、覆蓋所述盤柱且定界其間的燕尾槽的一個或多個最外部復合覆蓋疊層。

技術方案14. 根據(jù)技術方案11所述的組件，其中，所述組件還包括：

分段中間環(huán)，其與所述轂環(huán)同心且定位在所述轂環(huán)的徑向外側，

所述中間環(huán)包括環(huán)形中間環(huán)節(jié)段，

所述中間環(huán)節(jié)段中的每一個包括嵌套疊層，且

所述嵌套疊層中的每一個包括圍繞所述中心線軸線限定的環(huán)形基底以及在所述環(huán)形基底的順時針端和逆時針端處大致徑向延伸的順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂，其中，所述徑向疊層包括所述順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂。

技術方案15. 根據(jù)技術方案14所述的組件，其中，所述組件還包括外皮，其包括在所述復合盤周圍沿周向延伸、覆蓋所述盤柱且定界其間的燕尾槽的一個或多個最外部復合覆蓋疊層，且所述外皮覆蓋所述順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂的徑向外部邊緣。

技術方案16. 根據(jù)技術方案15所述的組件，其中，所述組件還包括：

所述轂環(huán)中的周向復合疊層、所述環(huán)形基底，且所述外皮覆蓋所述盤柱的柱頂部和所述燕尾槽的底部；

所述周向復合疊層包括周向定向纖維；

所述順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂中的徑向復合疊層，且所述外皮沿著所述盤柱的徑向延伸的柱側定界所述燕尾槽；且

所述徑向復合疊層包括徑向定向纖維。

技術方案17. 根據(jù)技術方案14所述的組件，其中，所述組件還包括：

外部分段環(huán)，其與所述分段中間環(huán)同心且定位在所述分段中間環(huán)的徑向外側，

所述外部分段環(huán)包括環(huán)形外部環(huán)節(jié)段，且

所述外部環(huán)區(qū)段中的每一個包括周向堆疊復合疊層，其在大致徑向延伸的順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂之間且在所述環(huán)形基底的徑向外側設置在所述中間環(huán)節(jié)段中的每一個內(nèi)。

技術方案18. 根據(jù)技術方案17所述的組件，其中，所述組件還包括：

外皮，其包括在所述復合盤周圍沿周向延伸的一個或多個最外部復合覆蓋疊層；

所述外皮覆蓋所述外部環(huán)節(jié)段和所述盤柱且定界其間的燕尾槽；且

所述外皮覆蓋所述順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂的徑向外部邊緣。

技術方案19. 根據(jù)技術方案18所述的組件，其中，所述組件還包括：

所述轂環(huán)中的周向復合疊層、所述環(huán)形基底，且所述外皮覆蓋所述盤柱的柱頂部和所述燕尾槽的底部；

所述周向復合疊層包括周向定向纖維；

所述順時針徑向疊層臂和逆時針徑向疊層臂中的徑向復合疊層，且所述外皮沿著所述盤柱的徑向延伸的柱側定界所述燕尾槽；且

所述徑向復合疊層包括徑向定向纖維。

技術方案20. 根據(jù)技術方案19所述的組件，其中，所述組件還包括朝所述底部外擴的所述燕尾槽。

附圖說明

本發(fā)明的前述方面和其他特征在下文的描述中結合附圖解釋，在附圖中：

圖1是示出盤柱之間帶有槽的燃氣渦輪發(fā)動機復合盤的截面圖解視圖。

圖2是示出設置在圖1中示出的復合盤的槽中的葉片根部的透視圖解視圖。

圖3是示出帶有環(huán)形復合層或布置成螺旋形的疊層的備選燃氣渦輪發(fā)動機復合盤的截面圖解視圖。

圖4是示出圖1和圖2中示出的復合盤的區(qū)域中沿周向方向和徑向方向的纖維定向的透視圖解視圖。

構件清單

8　　　 中心線軸線

10　　　葉片

12　　　復合盤

14　　　燕尾槽

15　　　外部周邊

16　　　盤柱

17　　　翼型件

18　　　燕尾件根部

19　　　燕尾件接合部

20　　　轂環(huán)

24　　　疊層

26　　　復合材料

28　　　螺旋

30　　　中間環(huán)

36　　　中間環(huán)節(jié)段

37　　　嵌套疊層

38　　　環(huán)形基底

40　　　順時針徑向疊層臂

42　　　逆時針徑向疊層臂

43　　　徑向疊層

44　　　順時針端

46　　　逆時針端

47　　　柱部分

57　　　最外部疊層

69　　　底部

70　　　柱側

72　　　鄰接柱部分

74　　　柱頂部

90　　　外部分段環(huán)

92　　　外部環(huán)節(jié)段

96　　　堆疊的復合疊層

98　　　最外部復合覆蓋疊層

100　 　槽表面

101　 　外皮

110　 　周向復合疊層

111　 　定向纖維

112　 　周向定向纖維

114　 　周向定向箭頭

116　 　徑向復合疊層

118　 　徑向定向纖維

120　 　徑向外部邊緣

122　 　徑向定向箭頭

157　 　最內(nèi)部疊層

A　　 　銳角

OC　 　 外圓周

IC 　內(nèi)圓周

OD　 　外直徑

ID　 　 內(nèi)直徑。

具體實施方式

圖1中示出了圍繞發(fā)動機中心線軸線8限定的示例性燃氣渦輪發(fā)動機復合盤12。盤柱16之間的燕尾槽14從復合盤12的徑向外部周邊15沿徑向朝內(nèi)延伸。燕尾槽14包括底部69，其在盤柱16的鄰接的盤柱72的大致沿徑向延伸的柱側70之間周向地延伸。盤柱16的柱頂部74在柱側70之間延伸，且限定復合盤12的外部周邊15。復合盤12主要由復合層或疊層24制成，其還示出利用樹脂浸漬且由其制成復合物的預成型件。

圖2示出葉片10的一部分，其具有附連到葉片10的外張或外擴的燕尾件根部18的翼型件17。燕尾件根部18設置在其中一個燕尾槽14中。燕尾件根部18沿周向外擴，且在燕尾件接合部19處通過匹配的外擴燕尾槽14固定。燕尾槽14朝燕尾槽14的底部69沿周向外擴。燕尾槽14通過柱側70和底部69限制，且柱側70關于底部69如通過它們之間的銳角A指出的那樣成銳角，如圖1和圖2中所示。

參考圖1和圖2，復合盤12包括圍繞中心線軸線8限定的圓形復合疊層24的內(nèi)環(huán)或轂環(huán)20。在圖1和圖2中示出的轂環(huán)20的實施例中，復合疊層24在截面上為同心、環(huán)形和圓形的。圖3中示出了轂環(huán)20的備選實施例，其包括圍繞中心線軸線8卷繞的布置成螺旋形28的環(huán)形復合層或疊層24。螺旋形環(huán)形復合層或疊層24可通過將諸如帶的連續(xù)復合材料26纏繞在芯軸或工具(未示出)周圍而制成。

復合材料26至少部分由碳纖維編織材料制成，且當存在多少疊層24時就連續(xù)卷繞360度的多少倍。因此，螺旋形復合轂環(huán)20是單個連續(xù)的匝(wrap)或螺旋28，且復合疊層24是大致圓形或環(huán)形的。復合轂環(huán)20是大致圓形的，其帶有分別在復合轂環(huán)20的外圓周OC和內(nèi)圓周IC或外直徑OD和內(nèi)直徑ID處的轂最外部和轂最內(nèi)部的疊層57、157。

參考圖1和圖2，復合盤12包括中間環(huán)30，其與轂環(huán)20同心且定位在轂環(huán)20的徑向外側。中間環(huán)30是分段的，且包括環(huán)形中間環(huán)節(jié)段36。每個中間環(huán)節(jié)段36包括嵌套疊層37。嵌套疊層37中的每一個包括環(huán)形基底38和在環(huán)形基底38的順時針端44和逆時針端46處的大致沿徑向延伸的順時針徑向疊層臂40和逆時針徑向疊層臂42。環(huán)形基底38設置在轂環(huán)20的最外部的層或疊層57周圍。環(huán)形基底38與轂環(huán)20大致同心地圍繞其設置，且優(yōu)選地在轂環(huán)20的最外部疊層57上。轂環(huán)20、環(huán)形基底38和轂環(huán)20的最外部疊層57圍繞中心線軸線8限定，且可為錐形或柱形。順時針徑向疊層臂40和逆時針徑向疊層臂42是復合盤12中的加強盤柱16的徑向疊層43的示例。在盤12旋轉(zhuǎn)時，徑向疊層43抵消葉片10的離心力，且將葉片10的燕尾件根部18保持在燕尾槽14中。

復合盤12的外部環(huán)90定位在中間環(huán)30的徑向外側，且優(yōu)選地鄰近中間環(huán)30。外部環(huán)90是分段的，且包括環(huán)形外部環(huán)區(qū)段92。每個外部環(huán)區(qū)段92包括周向堆疊的復合疊層96，其設置在中間環(huán)節(jié)段36的每一個內(nèi)且在大致沿徑向延伸的順時針徑向疊層臂40和逆時針徑向疊層臂42之間以及在環(huán)形基底38的徑向外側。順時針徑向疊層臂40和逆時針徑向疊層臂42沿徑向延伸到盤柱16中。在本文中示出的復合盤12的示例性實施例中，所有順時針徑向疊層臂40和逆時針徑向疊層臂42沿徑向一直延伸到盤柱16中直到外皮101。外皮101在復合盤12周圍在盤柱16的柱頂部74上且沿著燕尾槽14的底部69周向地延伸。外皮101沿著定界燕尾槽14的柱側70徑向地延伸。順時針徑向疊層臂40和逆時針徑向疊層臂42中的每一個的柱部分47設置在盤柱16的每一個盤柱內(nèi)且是盤柱16中的每一個盤柱的結構部分。外皮101包括一個或多個最外部復合覆蓋疊層98且覆蓋盤柱16，且沿著在盤柱16之間周向地延伸的燕尾件槽底部69設置。外皮101覆蓋柱頂部74和柱側70，且定界包括燕尾槽14的底部69的燕尾槽14。

本文中示出的示例性最外部復合覆蓋疊層98由與復合疊層24相同的復合材料制成。復合覆蓋疊層98覆蓋設置在盤柱16內(nèi)的順時針徑向疊層臂40和逆時針徑向疊層臂42的柱部分47。覆蓋疊層98沿著燕尾槽14的槽表面100設置，且覆蓋順時針徑向疊層臂40和逆時針徑向疊層臂42的徑向外部邊緣120。最外部復合覆蓋疊層98還覆蓋外部環(huán)節(jié)段92的周向堆疊的疊層96。最外部覆蓋疊層98完成且覆蓋盤柱16和其間的燕尾槽14的底部69。最外部覆蓋疊層98覆蓋限定復合盤12的外部周邊15的盤柱16的頂部74。

本文中公開的復合疊層24由定向纖維材料制成，其包括公知在受拉方面最強的定向纖維111。因此，給定材料中的纖維如圖4中通過箭頭指示地沿單一方向定向。周向復合疊層110具有通過周向定向的箭頭114指示的周向定向纖維112，且徑向復合疊層116具有通過徑向定向的箭頭122指示的徑向定向纖維118。定向纖維材料的示例包括單向帶、織帶或優(yōu)選的定向材料。盤柱16中的順時針徑向疊層臂40和逆時針徑向疊層臂42中的徑向定向纖維118與環(huán)形基底38中的周向定向纖維112互鎖。這在發(fā)動機操作期間提供復合盤12在負載下的結構完整性。

本文中使用的單向帶或材料嵌入在環(huán)氧樹脂基質(zhì)中。這些和其他合適材料的論述可在由美國金屬學會發(fā)布的1987、1989或稍后的版本的“工程材料手冊”中找到。本文中公開的復合盤由非金屬類型的材料制成，其包含諸如碳質(zhì)纖維、石英纖維、金屬纖維、金屬氧化物纖維或陶瓷纖維的嵌入在諸如環(huán)氧樹脂、PMR15、BMI、PEEK等的樹脂材料中的纖維。纖維在利用樹脂浸漬的材料或帶中單向?qū)剩纬蔀椴糠中螤?，且?jīng)由高壓釜處理或按壓模塑固化以形成輕量、堅硬、具有在其內(nèi)的層壓物或疊層的相對均勻的物品?？墒褂弥T如單向帶的單向纖維細絲疊層材料。

可利用各種方法將樹脂噴射到諸如通過圖1中示出的復合盤12表示的編織復合預成型件內(nèi)。利用樹脂噴射預成型件可在預成型件置于工具系統(tǒng)上時使用樹脂傳遞模塑(RTM)或真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)執(zhí)行。備選地，可使用更常規(guī)的高壓釜處理。在預成型件置放在模具中時，各種模具部分或區(qū)段將預成型件保持就位以適當?shù)匦纬山Y構。

RTM方法使用RTM模具以在部分的兩側上實現(xiàn)平滑的表面光潔度，且可在高速率下以最小的生產(chǎn)后修整和/或加工來產(chǎn)生復雜、精細的近凈形形狀。在模具塊夾在一起(或在壓力中保持在一起)時，樹脂在壓力下輸送，且因此，部分是一致的、可重復的、尺寸上穩(wěn)定且良好地固結的，帶有相對高的纖維內(nèi)容物和極佳的空隙控制。對于利用更高粘性的堅韌的樹脂制成的高性能部分，模具通常加熱，且樹脂噴射壓力利用計量/混合噴射機械控制。因為使用干式預成型件而不是傳統(tǒng)的浸漬件，所以原料成本大體小于用于手動敷層的成本。周期時間可在從兩到三個小時的范圍中，其短于典型的高壓釜固化周期。在復合盤12已經(jīng)使用RTM或VARTM形成之后，其處于凈形或近凈形狀態(tài)。加工和/或表面精加工可用于產(chǎn)生最終構件。

本發(fā)明已經(jīng)以說明性方式描述。應當理解，已經(jīng)使用的術語意在具有描述而不是限制的性質(zhì)。雖然已經(jīng)在本文中描述了被認為是本發(fā)明的優(yōu)選和示例性實施例的實施例，但是本發(fā)明的其他修改從本文的教導對于本領域技術人員將是顯而易見的，且因此，意在使落入本發(fā)明的真實精神和范圍內(nèi)的所有這種修改在所附權利要求中得到保護。

相應地，意在通過美國專利特許證保護的是如通過所附權利要求中限定和區(qū)分的發(fā)明。