專利名稱：復合葉片元件及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪發(fā)動機葉片元件，例如葉片、輪葉和支柱。更具體地說，本發(fā)明涉及復合燃氣輪機葉片，尤其是由諸如陶瓷基質(zhì)復合材料的低延展性材料制成的復合燃氣輪機葉片。
背景技術(shù)：
當今，軸流式渦輪發(fā)動機包括各種各樣的葉片元件，例如基本上從風扇段到壓縮機段和渦輪段軸向向后都包括刀片元件。這樣的渦輪發(fā)動機葉片元件在渦輪發(fā)動機領(lǐng)域中是眾所周知的，并有廣泛的描述。與本發(fā)明的樣式尤其有關(guān)的是位于燃氣輪機渦輪段的葉片，因為這種部件經(jīng)受惡劣、高溫的工作條件。
典型軸流式燃氣輪機渦輪葉片包括翼(airfoil)，翼具有在徑向外端的尖端、具有徑向內(nèi)端的基底和在翼尖端和基底徑向內(nèi)端之間的平臺。渦輪發(fā)動機的葉片的例子描述在諸如5,813,188-Roedl等和6,106,231-Brainch等的美國專利中。
渦輪段葉片、輪葉、支柱、罩板等等的當今發(fā)展建議使用較低延展性陶瓷基質(zhì)材料，通常叫做陶瓷基質(zhì)復合材料(CMC)，因為即使與在空氣冷卻的情況下的金屬合金相比，它們能夠在更高的溫度下工作。但是在設(shè)計、制造和應(yīng)用諸如葉片元件的產(chǎn)品期間必須考慮這種材料具有的機械性能。例如，與金屬材料相比，CMC類型材料具有較低的拉伸延展性或較低的破壞應(yīng)變。通常，市場上可買到的CMC材料包括陶瓷類型纖維，例如SiC，陶瓷類型纖維的形式(forms)涂有順從材料，例如BN。陶瓷類型基質(zhì)中載有纖維，陶瓷類型基質(zhì)的一種形式是SiC。通常，CMC類型材料具有不大于約1％的室溫拉伸延展性，在這里，不大于約1％的室溫拉伸延展性用來定義和指低拉伸延展性材料。通常CMC類型材料具有在約0.4-0.7％范圍內(nèi)的室溫拉伸延展性。這是與具有至少約5％、例如在約5-15％范圍內(nèi)的室溫拉伸延展性的典型高溫合金相比較的。因此，由于利用CMC類型的低延展性材料的制造局限性，在一個例子中，具有CMC翼和基底的渦輪葉片包括典型金屬制成的平臺，其作為葉片的單獨和截然不同的部分。在這樣的構(gòu)造中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，單獨的平臺與葉片平衡之間的間隙很難密封，該間隙導致從繞翼的發(fā)動機流動路徑穿過該間隙朝基底的一定量的失控泄漏。這樣的失控泄漏會不利地影響發(fā)動機效率。因此，提供作為整體產(chǎn)品的帶有CMC翼、平臺和基底的CMC葉片是非常有利的，其消除了平臺與葉片的其它部分之間的潛在間隙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及復合葉片元件，其包括翼，翼包括元件第一端或翼尖端；基底，基底包括元件第二端；和在元件第一端和元件第二端之間的平臺。翼和基底是一體的、同延的，都由多個堆積層的纖維復合材料構(gòu)成。基底包括至少一對間隔開的第一和第二端表面，第一和第二端表面與其間的基底主體一體構(gòu)成。平臺包括環(huán)繞翼和基底并與兩者成一角度的平臺擱板，翼從平臺擱板突出。
本發(fā)明的一種形式是這種帶有平臺的葉片元件，平臺包括混入(interfused)葉片元件的多個堆積層的纖維復合材料。平臺包括多個間隔開的平臺支撐件，平臺支撐件與平臺擱板一體構(gòu)成，并有角度地(angularly)遠離平臺擱板和元件第一端或翼尖端、向元件第二端突出。支撐體混入基底第一和第二端表面。
本發(fā)明的另一種形式是用于制造這樣的葉片元件的方法。所述方法包括提供翼-基底預(yù)制件的步驟，翼-基底預(yù)制件包括在局部固化條件下一體的、同延的翼和基底。還提供平臺預(yù)制件，平臺預(yù)制件包括多個堆積層的纖維材料，纖維材料包括具有由穿過其的開口壁限定的翼狀開口和多個間隔開的平臺第一和第二支撐件預(yù)制件。通過將翼-基底預(yù)制件插入平臺預(yù)制件中的翼狀開口，形成第三預(yù)制件，由此開口壁與翼-基底預(yù)制件并置(juxtaposition)在一起，平臺支撐預(yù)制件與平臺基底端表面并置在一起。在一定溫度下加熱第三預(yù)制件，形成葉片元件預(yù)制件，加熱的溫度和時間足夠至少部分地、但不到完全固化第三預(yù)制件以及足夠至少部分地在翼狀開口壁和在平臺基底端表面與平臺支撐預(yù)制件粘合翼和基底預(yù)制件與平臺預(yù)制件。然后用熔化的粘合劑灌輸葉片元件預(yù)制件，并冷卻。


圖1是依照本發(fā)明實施例渦輪發(fā)動機渦輪葉片形式的葉片元件的透視簡圖。
圖2是圖1中包括一體、同延的葉片翼和葉片基底的渦輪葉片部分的透視簡圖。
圖3是圖1中包括依照本發(fā)明的平臺的渦輪葉片部分的局部透視簡圖。
圖4是徑向通過圖3的渦輪葉片的基底和平臺的局部放大剖面圖。
圖5是可在本發(fā)明的方法形式中使用的工具夾具的局部透視簡圖。
具體實施例方式
本發(fā)明將結(jié)合燃氣輪機領(lǐng)域中眾所周知和廣泛描述的一般類型的軸流式燃氣輪機進行描述。這種發(fā)動機包括通常從前到后串聯(lián)流動連通，即關(guān)于縱向發(fā)動機軸線軸向?qū)ΨQ地設(shè)置的一個或多個壓縮機、燃燒段和一個或多個渦輪段。這種發(fā)動機可包括通常在壓縮機前方的風扇段。因此，在此所使用的利用術(shù)語“軸向”的短語，例如“軸向向前”和“軸向向后”都是關(guān)于發(fā)動機軸線的相對位置的方向；利用術(shù)語“周向”的短語指的是大體上繞發(fā)動機軸線的周向位置；利用術(shù)語“徑向”的短語，例如“徑向向內(nèi)”和“徑向向外”，在典型的軸流式渦輪發(fā)動機中，指的是大體上從發(fā)動機軸線的相對徑向位置。
在圖1的透視圖中，一種形式的典型燃氣輪機渦輪葉片總體顯示為10。葉片10包括翼12，翼12包括徑向向外的第一端或葉片尖端14、前緣部分16和后緣部分18。葉片10包括總體顯示為20的基底，其位于葉片10的徑向向內(nèi)的第二端22上，并連接于翼12；和總體顯示為24的平臺，其環(huán)繞翼12和基底20，并相對于兩者有角度地突出?；?0包括一對間隔開的第一和第二端表面26和28，第一和第二端表面26、28分別具有基底端表面第一和第二形狀，它們與其間的基底主體30一體構(gòu)成。
在一種形式的軸流式燃氣輪機中，葉片10以軸流式燃氣輪機領(lǐng)域中眾所周知并廣泛描述的方式附著于典型圓周轉(zhuǎn)盤的邊沿上(兩者都沒有顯示)，例如燕尾榫或基底20上。翼12設(shè)置在發(fā)動機的流體流動流中，用于賦予流體能量或者從流體汲取能量。平臺24形成發(fā)動機大體上軸向流動路徑的內(nèi)壁，以幫助控制流體流的體積。
在發(fā)動機工作期間，平臺徑向外表面32和平臺徑向內(nèi)表面34之間的流體壓力存在很大差別。在燃氣輪機渦輪段，鄰近平臺表面32的流動路徑中的流體的溫度和壓力顯著高于鄰近平臺表面34并繞轉(zhuǎn)盤邊沿的流體的溫度和壓力，例如冷卻空氣。重要的是，為了保持發(fā)動機設(shè)計效率、避免轉(zhuǎn)盤的過熱和損壞，必須防止流動路徑中的流體從平臺表面32到平臺表面34的失控泄漏從發(fā)動機流動路徑朝攜帶葉片10的轉(zhuǎn)盤。
某些新型的燃氣輪機葉片設(shè)計成工作期間能承受更高的溫度和應(yīng)力條件。所以，諸如葉片10的渦輪葉片已經(jīng)包括由纖維CMC材料制成的整體翼和基底元件，例如在SiC基質(zhì)中的堆積層或?qū)影?plies)的SiC纖維，有時叫做SiC-SiC CMC材料。這種翼-基底元件中的層板以復合材料領(lǐng)域中眾所周知并廣泛使用的方式布置在第一選擇主要方向上，以增強翼響應(yīng)發(fā)動機工作期間翼所承受的力的機械性能。
在本發(fā)明之前，這樣的第一選擇主要方向的方法已經(jīng)防止了平臺24和翼12與基底20的組合一體化形成包括翼12、平臺24和基底20的一體化部分的單一、一體化的葉片10。因此，在制造這種葉片時，提供單獨的金屬平臺用于SiC-SiC CMC材料的翼-基底元件。但是，應(yīng)當認識到，由于與復合翼幾何結(jié)構(gòu)、尤其是如圖1中的前緣16、后緣18附近的復合翼幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)的容許偏差及其它變化，很難密封金屬平臺和翼-基底元件之間的交接面或間隙。除通過這種交接面的不期望的泄漏外，使用金屬平臺還導致葉片和攜帶平臺的圓盤的重量和復雜性的顯著增加。金屬平臺的密度大約為CMC材料的三倍，為了將金屬平臺保持在圓盤上，需要單獨的結(jié)構(gòu)，而圓盤需要更多的多元(complex)增強和更多的設(shè)計空間，以容納和攜帶附加的重量和支撐結(jié)構(gòu)。
通過提供一體的、同延的、混入的復合葉片元件，本發(fā)明的形式避免了平臺與葉片其余部分之間的交接面的密封問題。因此，本發(fā)明消除了與上述包括帶有金屬平臺的復合翼-基底元件的一般類型的混合復合葉片有關(guān)的問題。
本發(fā)明的復合葉片元件包括在圖2的透視圖中總體顯示為36的翼-基底元件。元件36由堆積層或?qū)影鍙秃喜牧?、例如SiC-SiC CMC材料構(gòu)成，其包括在如上面詳細描述的第一選擇主要方向上的翼12和基底20。
在圖3的透視片斷圖中總體顯示為38的平臺混入本發(fā)明復合葉片元件10的元件36中。圖2的一部分元件36在圖3中用虛影顯示為36。圖2的一部分元件36在圖3中用虛影顯示為36，以便更清楚地強調(diào)平臺38的細節(jié)。平臺38包括環(huán)繞由圖2中的翼12和基底20組成的元件36并與元件36成一角度的平臺擱板42，所示的翼20從平臺38徑向向外突出。平臺38包括多個、例如一對間隔開的平臺第一和第二支撐件44和46，支撐件與平臺擱板42一體構(gòu)成，并有角度地遠離平臺擱板42和葉片尖端或第一端14(圖1)、向第二端22的基底突出。平臺38還包括由開口壁45限定的貫穿的翼狀開口43，開口壁45與穿過開口43設(shè)置的元件36的表面形成一交接面。在圖3的實施例中，平臺第一支撐件44大體上形成基底第一端表面26的形狀，平臺第二支撐件46大體上形成基底第二端表面28的形狀。平臺38由多個堆積層或?qū)影宓膹秃喜牧现瞥?，在該實施例中，由SiC-SiC CMC材料制成。發(fā)動機工作期間，作用在平臺擱板42上的力不同于作用在翼12上的力。所以，擱板42上的復合材料層設(shè)置在不同于元件36上的層的第一主要方向的第二選擇主要方向上，以增強平臺38響應(yīng)發(fā)動機工作期間由平臺承受的力的機械性能。
在包括圖2的元件36和圖3的平臺38的渦輪葉片10中，平臺第一和第二支撐件44和46分別混入基底第一和第二端表面26和28。在此使用的術(shù)語“混入”用來指用粘合劑粘合協(xié)作元件，例如，在該實施例中粘合劑為Si，粘合劑的材料應(yīng)當與制造在并置的交接面處的元件的復合材料相適合，并設(shè)置在堆積復合材料內(nèi)部。
圖4是在圓周方向所示徑向通過圖3的渦輪葉片10的放大片斷剖面圖。所示的是設(shè)置在平臺擱板42以及平臺支撐件44、46中的多個層板40，這樣的平臺支撐件分別混入基底端表面26和28。
在一個例子中，當如圖3和4所示組裝的元件36和38處于在部分固化條件中的時候，通過將平臺支撐件混入基底端表面，制成本發(fā)明的復合葉片10。有時這種條件在本領(lǐng)域中指“生坯狀態(tài)”。
依照該例子中的本發(fā)明的方法形式，提供了平臺預(yù)制件38，其包括多個SiC-SiC CMC纖維材料堆積層40。平臺預(yù)制件包括平臺擱板預(yù)制件38和一對間隔開的平臺第一和第二支撐預(yù)制件44和46，所有這些預(yù)制件基本上與圖3所示和所述的那些部件相關(guān)。利用在圖5的片斷透視圖中總體顯示為48的拼合工具夾具制備該例子中的這些預(yù)制件。夾具48包括部分地由一對間隔開的可移除的突起52限定的空腔50，突起52具有彼此面對的相對壁54?？涨?0包括穿過其的翼狀開口56。
通過在空腔50內(nèi)設(shè)置部分固化的纖維材料堆積層，在該例子中為SiC-SiCCMC材料層，制備包括有關(guān)平臺擱板42的平臺擱板預(yù)制件的平臺預(yù)制件38。這些層用來形成翼狀平臺擱板開口43，平臺擱板開口43由開口壁45通過從圖5的開口56并繞該開口56向外延伸這些層而限定。這些層布置在上述第二選擇主要方向上，以提供帶有所要求的機械性能的平臺擱板42。而且，這些層被擱置成沿壁54向外延伸，以提供有關(guān)平臺支撐件44和46的間隔開的平臺支撐預(yù)制件。
提供成形為與圖2所示的元件36有關(guān)的一體、同延的翼-基底預(yù)制件，與制造本發(fā)明的葉片10的平臺預(yù)制件相協(xié)作。有關(guān)元件36的翼-基底預(yù)制件由布置在第一選擇主要方向上的多個部分固化的堆積層的SiC-SiC CMC纖維材料制成，以提供具有所要求的機械性能的翼-基底元件36。在實施本方法時，翼-基底預(yù)制件36的翼12被徑向向內(nèi)插入穿過平臺預(yù)制件38的翼狀開口43懸掛，平臺預(yù)制件的翼狀平臺擱板開口壁45在翼交接面與翼-基底預(yù)制件36相并置。平臺支撐預(yù)制件44和46在相關(guān)的支撐交接面分別與翼-基底預(yù)制件36的基底端表面26、28相并置。這樣的組件限定和提供了用于本方法的第三預(yù)制件。
由此組裝的第三預(yù)制件在夾具48中在一定溫度下加熱一段時間，例如以相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知并廣泛使用的范圍的溫度和時間進行加熱，該范圍足以至少額外部分地、但不到完全地將這些預(yù)制件固化和粘合或一體化成不到完全固化的狀態(tài)下的葉片元件預(yù)制件。翼-基底預(yù)制件和平臺預(yù)制件在與翼狀開口壁和相關(guān)支撐交接面的交接面粘合在一起。從夾具上移除葉片元件預(yù)制件，并在足以基本上完全固化葉片元件預(yù)制件的溫度和時間下，熔化混入或滲入與葉片元件預(yù)制件的CMC材料相適合的熔化的粘合劑，在該例子中熔化的粘合劑為熔化的Si。然后拋光該預(yù)制件，以形成最終的葉片10。
以上結(jié)合特定的實施例、材料和結(jié)構(gòu)組合描述了本發(fā)明。但是應(yīng)當明白，這些只是作為典型的例子，而不是對本發(fā)明范圍的任何限制。包括與例如渦輪發(fā)動機、金屬材料、非金屬材料和復合材料及其組合相關(guān)的各種技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當明白，在不脫離附加的權(quán)利要求的范圍的情況下，對本發(fā)明可以進行各種變更和修改。
零件列表10葉片12翼14第一端或葉片尖端16前緣部分18后緣部分20基底22第二端24平臺26第一端表面28第二端表面30基底主體32平臺徑向外表面34平臺徑向內(nèi)表面36翼-基底元件38平臺40層42平臺擱板43翼狀開口44第一支撐件45開口壁46第二支撐件48夾具50空腔52突起54壁56翼狀開口
權(quán)利要求
1.一種復合葉片元件(10)，其包括翼(12)，翼(12)包括元件第一端(14)；基底(20)，基底(20)包括元件第二端(22)；和在元件第一端(14)與元件第二端(22)之間的平臺(24)，翼(12)和基底(20)是一體的、同延的，并包括多個纖維復合材料堆積層(40)，基底(20)包括多個間隔開的基底端表面(26、28)，每個基底端表面與其間的基底主體(30)一體構(gòu)成，翼(12)上的多個纖維復合材料堆積層(40)處于第一選擇主要方向；平臺(24)包括環(huán)繞翼(12)和基底(20)并與兩者成一角度的平臺擱板(42)，翼(12)從平臺擱板(42)突出，其中所述平臺(24)包括混入葉片元件(10)的多個纖維復合材料堆積層(40)；和，多個間隔開的支撐件(44、46)，支撐件(44、46)與平臺擱板(42)一體構(gòu)成，并有角度地遠離平臺擱板(42)和元件第一端(14)、向元件第二端(22)突出，各平臺支撐件(44、46)分別混入與其協(xié)作的基底端表面(26、28)。
2.如權(quán)利要求1所述的葉片元件(10)，其中，平臺(24)上的多個纖維材料堆積層(40)處于不同于第一選擇方向的第二選擇主要方向上。
3.如權(quán)利要求1所述的葉片元件(10)，其中，各平臺支撐件(44、46)基本上形成與其協(xié)作的基底端表面(26、28)。
4.如權(quán)利要求1所述的葉片元件(10)，其中，翼(12)和基底(20)中的每一個以及平臺(24)都由低延展性復合材料制成。
5.如權(quán)利要求4所述的葉片元件(10)，其中，低延展性材料為陶瓷基質(zhì)復合材料(CMC)。
6.如權(quán)利要求5所述的葉片元件(10)，其中，CMC是SiC-SiC復合材料。
7.如權(quán)利要求2所述的復合葉片元件(10)，其中葉片元件(10)是燃氣輪機旋轉(zhuǎn)葉片；元件第一端(12)是葉片尖端；元件第二端(20)是葉片基底，葉片基底包括一對間隔開的基底端表面(26、28)，基底端表面(26、28)與其間的基底主體(30)一體構(gòu)成；各平臺支撐件(44、46)的形狀基本上形成與其協(xié)作的基底端表面(26、28)的形狀；和，葉片元件(10)由低延展性復合材料制成。
8.用于制造如權(quán)利要求1所述的復合葉片元件(10)的方法，所述方法包括下列步驟提供包括一體的、同延的翼(12)和基底(20)的翼-基底預(yù)制件(36)，多個纖維復合材料堆積層(40)處于部分地固化條件中；提供包括多個部分固化的纖維材料堆積層(40)的平臺預(yù)制件(38)，平臺預(yù)制件(38)包括具有由貫穿的開口壁(45)限定的翼狀開口(43)的平臺擱板預(yù)制件(42)和多個間隔開的平臺支撐預(yù)制件(44、46)；通過將翼-基底預(yù)制件(36)插入平臺預(yù)制件(38)中的翼狀開口(43)，形成第三預(yù)制件(36、38)，開口壁(45)在翼交接面與翼-基底預(yù)制件(36)相并置，平臺支撐預(yù)制件(44、46)在各自的支撐交接面與翼-基底預(yù)制件(36)的基底端表面(26、28)相并置；在一定溫度下加熱第三預(yù)制件(36、38)一定時間，加熱的溫度和時間足夠至少部分地、但不到完全固化第三預(yù)制件(36、38)以及足夠在成翼交接面和各自的支撐交接面(46、48)粘合翼-基底預(yù)制件(36)與平臺預(yù)制件(38)，形成葉片元件預(yù)制件；以及然后，在足以基本上完全固化葉片元件預(yù)制件的溫度和時間下，使葉片元件預(yù)制件混入與平臺預(yù)制件(38)的材料相適合的熔化的粘合劑。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中翼-基底預(yù)制件(36)上的多個纖維復合材料堆積層(40)處于第一選擇主要方向；和，平臺預(yù)制件(38)的平臺擱板預(yù)制件(42)上的多個纖維復合材料堆積層(40)處于不同于第一選擇主要方向的第二選擇主要方向。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，翼-基底預(yù)制件(36)和平臺預(yù)制件(38)的纖維復合材料均是低延展性材料。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，低延展性材料為陶瓷基質(zhì)復合材料(CMC)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中CMC是SiC-SiC復合材料；和，熔化的粘合劑是Si。
全文摘要
一種復合葉片元件(10)，其包括由復合材料層(40)制成的翼(12)和基底(20)；由混入翼(12)和基底(20)的復合材料層(40)制成的平臺(38)。平臺(38)包括平臺支擱板(42)和多個間隔開的平臺支撐件(44、46)，平臺支撐件(44、46)與平臺擱板(42)一體構(gòu)成，并混入基底的表面(26、28)。這樣的葉片元件(10)的制造方法包括提供部分地固化的翼－基底預(yù)制件(36)和平臺預(yù)制件(38)，平臺預(yù)制件(38)包括貫穿的翼狀開口(43)以及平臺支撐件(44、46)預(yù)制件。翼－基底預(yù)制件(36)穿過翼狀開口(43)插入，由此平臺預(yù)制件(38)和翼－基底預(yù)制件(36)的協(xié)作表面并置在一起。預(yù)制件(36、38)被加熱，部分地固化在一起。然后在基本上完全固化這些結(jié)構(gòu)的情況下，將它們混入與預(yù)制件(36、38)的材料相適合的粘合劑。
文檔編號F01D5/28GK101042055SQ20061006409
公開日2007年9月26日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
發(fā)明者M·W·馬魯斯科, S·蘇布拉馬尼安 申請人:通用電氣公司