包括多個插入件區(qū)段的混合渦輪葉片的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開大體上涉及渦輪機，并且更具體地涉及燃氣輪機和汽輪機兩者，以及由不同材料制成的插入件構成的渦輪葉片的設計。
【背景技術】
[0002]汽輪機包括但不限于汽輪機發(fā)電設備和船上的汽輪機推進設備。示例性汽輪機通常包含高壓渦輪區(qū)段、低壓渦輪區(qū)段或兩者的組合，它們由蒸汽流旋轉(zhuǎn)。燃氣輪機包括但不限于燃氣輪機發(fā)電設備和燃氣輪機飛行器發(fā)動機。示例性燃氣輪機通常包括核心發(fā)動機，其具有壓縮進入核心發(fā)動機的空氣流的高壓壓縮機、燃料和壓縮空氣的混合物在其中焚燒來生成推進氣流的燃燒器，以及由推進氣流旋轉(zhuǎn)且由較大直徑的軸連接來驅(qū)動高壓壓縮機的高壓渦輪。典型的前風扇燃氣輪機飛行器發(fā)動機增加了由較小直徑的同心軸連接的低壓渦輪(位于高壓渦輪后方)，以驅(qū)動前風扇(位于高壓壓縮機的前方)，并且驅(qū)動可選的低壓壓縮機(位于前風扇與高壓壓縮機之間)。低壓壓縮機有時稱為增壓壓縮機或簡單地稱為增壓器。
[0003]在示例性汽輪機中，通常高壓渦輪區(qū)段和低壓渦輪區(qū)段具有各自包括附接到柄部部分的翼型件部分的汽輪機葉片。在示例性燃氣輪機中，通常是風扇與高壓壓縮機和低壓壓縮機，以及渦輪具有各自包括附接到柄部部分的翼型件部分的燃氣輪機葉片。轉(zhuǎn)子葉片為分別附接到旋轉(zhuǎn)的燃氣輪機或汽輪機轉(zhuǎn)子盤上的燃氣輪機或汽輪機葉片。定子導葉為分別附接到非旋轉(zhuǎn)的燃氣輪機或汽輪機定子外殼上的燃氣輪機葉片或汽輪機葉片。通常，存在交錯的周向成排的沿徑向向外延伸的轉(zhuǎn)子葉片和沿徑向向內(nèi)延伸的定子導葉。當以燃氣輪機構造存在時，第一排和/或最后一排定子導葉(也稱為入口和出口導葉)可具有它們的也附接到非旋轉(zhuǎn)燃氣輪機定子外殼上的徑向內(nèi)端。反旋轉(zhuǎn)“定子”導葉也是燃氣輪機設計中已知的。常規(guī)燃氣輪機和汽輪機葉片設計通常具有翼型件部分，其完全由諸如鈦的金屬制成，或完全由復合物制成。包括昂貴的寬翼弦中空葉片的全金屬葉片重量較大，導致較低的燃料性能且需要穩(wěn)健的葉片附接。
[0004]在燃氣輪機飛行器應用中，沒有金屬前緣的較輕的全復合物葉片更容易受到飛鳥卷入事件的破壞。已知的混合葉片包括出于腐蝕和飛鳥碰撞原因而其前緣由金屬保護(其中葉片其余部分由非金屬涂層覆蓋)的復合葉片。燃氣輪機風扇葉片通常是燃氣輪機飛行器發(fā)動機中的最大(并且因此最重的)的葉片，并且前風扇葉片首先受飛鳥撞擊碰撞。復合葉片典型地已經(jīng)用于重量是主要考慮的應用中。然而，除較高操作速度之外，在葉片損失事件期間期望減小附帶破壞已經(jīng)創(chuàng)建了甚至進一步減輕這些葉片的重量的期望。
[0005]克服該問題的現(xiàn)有嘗試已使用了復合夾層翼型件構造，其包括由夾在碳/環(huán)氧面板之間的單個復合低密度插入芯構成的翼型件部分。盡管導致了重量輕的設計，但由這些單個重量輕的插入結構引起的應力狀態(tài)由于幾何應力集中和模塊失配而已經(jīng)顯示出在飛鳥撞擊情況下有問題。更具體地，單個插入件的使用被證實在靜止飛鳥撞擊測試下產(chǎn)生超過復合材料能力的層間應力。單個插入件的形狀和尺寸的隨后優(yōu)化表明解決方案難以獲得。
[0006]因此，明確需要一種改善的渦輪葉片，需要的是燃氣輪機葉片，并且特別是燃氣輪機風扇葉片，其重量比常規(guī)復合或混合葉片更輕，并且包括降低的幾何應力集中。還需要的是一種比常規(guī)復合或混合葉片更輕的汽輪機葉片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]現(xiàn)有技術的這些及其它不足通過提供混合渦輪葉片的本公開來解決。
[0008]按照實施例，提供了一種混合渦輪葉片其包括:柄部部分；以及包括外部復合結構并且具有形成在其中的凹口的翼型件部分，翼型件部分包括:具有第一密度的至少一個復合區(qū)段；各自具有小于前述第一質(zhì)量密度的第二質(zhì)量密度的至少兩個插入件區(qū)段，至少兩個插入件區(qū)段與至少一個復合區(qū)段成交錯層疊關系設置，并且限定至少一個復合區(qū)段和至少兩個插入件區(qū)段的交錯疊層，其中至少一個復合區(qū)段和至少兩個插入件區(qū)段的交錯疊層設置在凹口中并沿弦向、翼展方向延伸且延伸穿過翼型件部分的顯著厚度，其中至少兩個插入件區(qū)段的最外層連結到外部復合結構上，并且其中前述外部復合結構、前述至少一個復合區(qū)段和前述至少兩個插入件區(qū)段一起限定翼型件形狀。
[0009]按照另一個實施例，提供了一種混合渦輪葉片，其包括:柄部部分；以及翼型件部分，其包括具有第一質(zhì)量密度的復合外部結構和凹口，以及具有第一密度的至少一個復合區(qū)段，以及各自具有小于前述第一質(zhì)量密度的第二質(zhì)量密度的至少兩個插入件區(qū)段，至少兩個插入件區(qū)段以與至少一個復合區(qū)段成交錯層疊關系設置，并且限定至少一個復合區(qū)段和至少兩個插入件區(qū)段的交錯疊層，其中至少一個復合區(qū)段和至少兩個插入件區(qū)段的前述交錯疊層設置在前述凹口中并沿弦向、翼展方向延伸且延伸穿過翼型件的顯著厚度，其中前述復合外部結構和至少一個復合區(qū)段和至少兩個插入件區(qū)段的前述交錯疊層一起限定翼型件形狀，其中至少一個復合區(qū)段和至少兩個插入件區(qū)段的前述交錯疊層具有足夠的剛度和尺寸穩(wěn)定性來保持前述翼型件形狀，并具有足夠的可塑性和柔性來符合前述凹口，其中前述復合外部結構和前述至少一個復合區(qū)段包括多個復合材料層，其包括植入基質(zhì)粘合劑中的纖維絲，并且其中前述至少兩個插入件區(qū)段包括選自熱塑性材料、熱固性材料、金屬、蜂窩狀陶瓷、硅樹脂和它們的組合組成的集合的材料。
[0010]按照又一個實施例，提供了一種制造混合渦輪葉片的方法，包括鋪設多個復合材料層來形成復合外部結構的一部分，前述復合外部結構的前述部分包括凹口 ；以及將至少一個復合區(qū)段和至少兩個插入件區(qū)段的交錯疊層設置到前述凹口中，沿弦向、翼展方向延伸且延伸穿過混合渦輪葉片的顯著厚度。
[0011]在參照附圖閱讀以下詳細描述和所附權利要求時，本公開的其它目的和優(yōu)點將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0012]在參照附圖閱讀以下詳細描述時，本公開的以上及其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，附圖中的相同標號貫穿附圖表示相同部分，其中:
圖1是根據(jù)本公開的方面構成的混合渦輪葉片的壓力側(cè)的示意性側(cè)視圖；
圖2是沿圖1的線2-2截取的圖1的混合渦輪葉片的實施例的翼型件部分的示意性剖視圖；
圖3示出了按照本公開的方面構成的圖2的實施例的橫向剪切應力分析，其中翼型件部分的優(yōu)化通過插入件末端的構造來實現(xiàn)；
圖4是沿圖1的線2-2截取的圖1的混合渦輪葉片的另一個實施例的翼型件部分的示意性剖視圖；
圖5示出了按照本公開內(nèi)容的方面構成的圖4的實施例的橫向剪切應力分析，其中翼型件部分的優(yōu)化通過插入件末端的構造來實現(xiàn)；
圖6是沿圖1的線2-2截取的圖1的混合渦輪葉片的又一個實施例的翼型件部分的示意性剖視圖；
圖7示出了按照本公開的方面構成的圖6的實施例的橫向剪切應力分析，其中翼型件部分的優(yōu)化通過插入件末端的構造來實現(xiàn)；
圖8示出了按照本公開的方面構成的混合渦輪葉片的橫向剪切應力分析，其中翼型件部分的優(yōu)化通過插入件計數(shù)來實現(xiàn)；以及
圖9示出了按照本公開的方面構成的混合渦輪葉片的另一個實施例的橫向剪切應力分析，其中翼型件部分的優(yōu)化通過插入件計數(shù)來優(yōu)化。
【具體實施方式】
[0013]將僅出于圖示目的結合某些實施例描述本公開；然而，將理解的是，本公開的其它目的和優(yōu)點將通過根據(jù)本公開的附圖的以下描述變得清楚。盡管公開了優(yōu)選的實施例，但它們不旨在限制。相反，本文闡明的總體原理認作是僅示出了本公開的范圍，并且還將理解的是，可作出許多改變而不偏離本公開的范圍。
[0014]現(xiàn)在參考圖1，示出了按照本公開的一個實施例的混合渦輪葉片10?；旌蠝u輪葉片10包括所描繪的柄部部分12和翼型件部分14。翼型件部分14具有設計操作溫度，附接到柄部部分12上的葉片根部16、葉片末梢18、朝葉片末梢18向外且朝葉片根部16向內(nèi)延伸的徑向或主軸線20，以及從前緣24延伸至后緣26的切向或副軸線22。如本文中使用的，“徑向軸線”20和“切向首先”22是指基準軸線，并且不是混合渦輪葉片10的物理部分。在燃氣輪機應用中，設計操作溫度為翼型件部分14預計在燃氣輪機(未顯示)的正常操作期間經(jīng)歷的最高溫度。典型的燃氣輪機和典型的汽輪機設計操作溫度的示例在大體上18攝氏度到大體上幾百攝氏度之間，但不限于此。圖1中的介質(zhì)方向箭頭28大體上指出了介質(zhì)方向。介質(zhì)通常包括燃氣輪機應用中的空氣，并且通常包括汽輪機應用中的飽和蒸汽或過熱蒸汽。
[0015]在混合渦輪葉片10的燃氣輪機應用中，柄部部分12通常包括用于混合渦輪葉片10到轉(zhuǎn)子盤(未示出)的附接的燕尾部30，以及有助于沿徑向包含空氣流的葉片平臺32。如前文指出的，翼型件部分14限定前緣24和后緣26，其中介質(zhì)方向28大體上從前緣24到后緣26。翼型件部分14還具有壓力側(cè)34和吸入側(cè)36，其中從前緣24到后緣26的越過吸入側(cè)36的距離通常比從前緣24到后緣26越過壓力側(cè)34的距離更長。在燃氣輪機壓縮機應用中，混合渦輪葉片10通常沿一個方向旋轉(zhuǎn)，使得壓力側(cè)34