專利名稱：：組裝式混合型渦輪機(jī)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，且尤其涉及渦輪機(jī)葉片的實(shí)施例。
背景技術(shù)：
：渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，例如用于航空器推進(jìn)和發(fā)電的那些，依靠空氣動(dòng)力學(xué)葉片排列來(lái)使中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。取決于在渦輪機(jī)內(nèi)的位置，葉片可能會(huì)受由于燃燒氣體而產(chǎn)生的熱應(yīng)力的影響。此外，葉片(也稱為"輪葉")中的全部均受與圍繞軸的中心軸線的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的機(jī)械應(yīng)力的影響。葉片的許多設(shè)計(jì)是已知的。但是，至少由于對(duì)各個(gè)渦輪的改進(jìn)的輸出和效率的需求，對(duì)于重量更輕且在機(jī)械上更堅(jiān)固的葉片的需求越來(lái)越大。
發(fā)明內(nèi)容在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明包括用于渦輪機(jī)的葉片，該葉片包括作為葉片的中心部分的由高強(qiáng)度材料制成的支承結(jié)構(gòu)，該支承結(jié)構(gòu)包括根部和延伸到尖端的主體，該主體提供前緣、后緣和安裝區(qū)段；以及附連到安裝區(qū)段上以便提供葉片的輕量翼型部分的蜂窩式表層。在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明包括用于制造用于渦輪機(jī)的葉片的方法，該方法包括使用高強(qiáng)度材料，形成葉片的中心部分，該中心部分包括根部和延伸到尖端的主體，該主體提供前緣、后緣和安裝區(qū)段；以及將蜂窩式表層附連到中心部分的表面上，以提供葉片的翼型部。在又一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明包括這樣的渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)包括包括高強(qiáng)度材料制成的支承結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)葉片，該支承結(jié)構(gòu)包括根部和延伸到尖端的主體，該主體提供前緣、后緣和安裝區(qū)段；以及附連到安裝區(qū)段上以便提供葉片的輕量翼型部分的蜂窩式表層。根據(jù)結(jié)合附圖得到的以下描述，這些和其它優(yōu)點(diǎn)和特征將變得更加顯而易見(jiàn)。在說(shuō)明書(shū)結(jié)論部分處的權(quán)利要求書(shū)中特別指出和明確要求保護(hù)被視為本發(fā)明的主題。根據(jù)結(jié)合附圖得到的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，其中在本文中合稱為圖1的圖1A和圖1B描繪了航空器燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)的方面；圖2描繪了根據(jù)本文的教導(dǎo)而制造的渦輪機(jī)葉片的方面；圖3是用于圖2的渦輪機(jī)葉片的支承結(jié)構(gòu)的截面圖；在本文中合稱為圖4的圖4A和圖4B是分別描繪了前緣和后緣的渦輪機(jī)葉片的截面圖；在本文中合稱為圖5的圖5A、圖5B和圖5C描繪了葉片中所使用的蜂窩材料的實(shí)施例的尺寸方面；以及圖6是渦輪機(jī)葉片翼型部的一部分的側(cè)視圖。參看附圖，作為實(shí)例，詳細(xì)描述闡述了本發(fā)明的實(shí)施例以及優(yōu)點(diǎn)和特征。部件列表<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>具體實(shí)施例方式現(xiàn)參看圖l，顯示了適用于實(shí)踐本發(fā)明的渦輪機(jī)l的兩個(gè)實(shí)例。在圖1A中，顯示了航空器燃?xì)廨啓C(jī)l。航空器燃?xì)廨啓C(jī)l包括多個(gè)渦輪機(jī)葉片，或"輪葉"。葉片大體為沿周向繞著在旋轉(zhuǎn)軸線中居中的軸安裝的空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。在用于航空器的燃?xì)廨啓C(jī)l的這個(gè)實(shí)例中，包括了具有用于壓縮進(jìn)氣的多個(gè)葉片的壓縮機(jī)2。此外，低壓渦輪3包括用于接收來(lái)自渦輪機(jī)1內(nèi)的燃燒室的燃燒氣體的多個(gè)葉片。在圖IB中，顯示了發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)1。發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)1也包括壓縮機(jī)2，且可進(jìn)一步包括另外的多個(gè)葉片，例如在后級(jí)6中以及在蒸汽渦輪5內(nèi)。為了方便觀察，還顯示了用于由發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)l的軸的旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生電功率的發(fā)電機(jī)4。在渦輪機(jī)1的任何一個(gè)實(shí)施例中，各種葉片都將繞旋轉(zhuǎn)軸線R旋轉(zhuǎn)。術(shù)語(yǔ)"壓縮機(jī)"、"低壓渦輪"、"蒸汽渦輪"等說(shuō)明在其中可使用本文公開(kāi)的葉片的渦輪機(jī)l內(nèi)的位置。因此，該術(shù)語(yǔ)僅是說(shuō)明性的，且在本文中不限制本發(fā)明。現(xiàn)參看圖2，顯示了根據(jù)本文的教導(dǎo)的葉片10的一個(gè)實(shí)施例的方面。在此實(shí)例中，葉片10包括大體稱為"尖端"11的區(qū)段，大體稱為"根部"12的區(qū)段，以及大體稱為"主體"13的區(qū)段。當(dāng)安裝在燃?xì)廨啓C(jī)1中時(shí)，尖端11大體位于燃?xì)廨啓C(jī)1的殼體的內(nèi)壁附近，且尖端11可位于凹槽或者用于確保對(duì)準(zhǔn)、強(qiáng)度、效率或運(yùn)行的其它方面的其它這樣的裝置內(nèi)。大體上，根部12是葉片10的、使葉片10圍繞在旋轉(zhuǎn)軸線R中居中的中心軸錨定的區(qū)段。大體上，葉片10的主體13是空氣動(dòng)力學(xué)形式的，且提供以下(功能)中的至少一種在壓縮機(jī)2中壓縮氣體，或者在例如低壓渦輪3、后級(jí)6或蒸汽渦輪5中接收膨脹氣體。大體上，葉片10包括高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21。高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21在根部附近呈現(xiàn)空氣動(dòng)力學(xué)形狀(參看圖2中的剖面D-D和C-C)，且其體形逐漸減小成大體為葉片10的平坦或基本平坦的脊骨(參看圖2中的剖面B-B，之后A-A)。在其它實(shí)施例中，高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21是彎曲的、略微偏置的，或者呈一些其它形狀，從而使得高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21呈與完整的葉片10的輪廓相比較減少的或更小的輪廓。簡(jiǎn)而言之，高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21的向下漸縮提供了對(duì)聯(lián)接到高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21的表面上的蜂窩式表層23的補(bǔ)充使用。為了方便起見(jiàn)，高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21可稱為"芯部"或"中心部分"，并且可通過(guò)其它類(lèi)似術(shù)語(yǔ)引用。蜂窩式表層23可稱為提供了"翼型部"、"空氣動(dòng)力學(xué)部分"，并且可通過(guò)其它類(lèi)似術(shù)語(yǔ)引用。用于高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21和蜂窩式表層23的示例性材料包括合金，諸如超合金、鈷基合金、硬化合金、碳化物基合金、鎳基合金、不定向地凝固的合金、鐵基合金、鍛制的奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、碳鋼、普通鈦合金和金屬間鈦合金。在一些實(shí)施例中，可使用陶瓷基質(zhì)合成物材料?？墒褂酶鞣N技術(shù)來(lái)制造高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21，例如但不限于鑄造、鍛造、焊接(例如為了組裝各零件)、釬焊、砂磨、拋光、蝕刻等。高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21的制造可包括執(zhí)行這些技術(shù)的組合，以及通過(guò)組裝的各階段。在一些實(shí)施例中，高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21包括一個(gè)至許多個(gè)穿孔(未示出)。在另外的實(shí)施例中，高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21可包括凹夾握(gripping)特征和凸夾握特征至少其中之一。在這樣的實(shí)施例中，穿孔和夾握特征24(在圖4B和5C中顯示了實(shí)例)可提供減小的重量，蜂窩式表層23的改進(jìn)的附連和其它這樣的提高。可通過(guò)使用各種技術(shù)來(lái)將蜂窩式表層23附連到高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21上。例如，可對(duì)蜂窩式表層23進(jìn)行釬焊(例如通過(guò)使用釬焊帶或粉)、焊接(例如通過(guò)熔焊)、結(jié)合(例如通過(guò)擴(kuò)散結(jié)合)和附連(通過(guò)其它技術(shù))中的至少一種。大體上，可使用在正常操作條件下提供葉片10的耐久操作的技術(shù)來(lái)將蜂窩式表層23附連到高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21上?，F(xiàn)參看圖3，顯示了高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21的另外的方面。在示例性實(shí)施例的這個(gè)俯視截面示意圖中，可看到高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21大體包括用于前緣31的區(qū)段和用于后緣32的另一個(gè)區(qū)段。由于該截面圖是葉片10在尖端11附近的截面圖，所以前緣31和后緣32之間的中間區(qū)域是大體平坦的，或者基本平坦的。中間區(qū)域的平坦或基本平坦的部分作為用于安裝蜂窩式表層23的安裝區(qū)段33來(lái)提供?，F(xiàn)參看圖4，顯示了前緣31(圖4A)和后緣32(圖4B)的方面。在圖4A中，前緣31包括交迭部41。同樣地，在圖4B中，后緣32包括交迭部41。交迭部41可由蜂窩式表層23中所使用的材料的比較薄的層形成。大體上，前緣31和后緣32中的至少一個(gè)包括凹陷區(qū)，其用于接受交迭部41，同時(shí)提供到高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21的材料的平滑過(guò)渡?？赏ㄟ^(guò)多種技術(shù)來(lái)包括凹陷區(qū)，例如，諸如機(jī)械加工、鑄造、蝕刻等。包括在凹陷區(qū)中的可以是至少一個(gè)夾握特征24。該夾握特征24通常提供不規(guī)則的表面特征，以改進(jìn)交迭部41或蜂窩式表層23的附連?，F(xiàn)參看圖5，顯示了蜂窩式表層23的另外的方面。圖5A提供了蜂窩式表層23的側(cè)面截面圖。在該圖中，在蜂窩式表層23內(nèi)、蜂窩式單元55(—個(gè)單元55顯示為蜂窩式表層23的陰影部分)的頂點(diǎn)處的各個(gè)交叉處51包括介于約20。至約70°之間的定向角。通常，定向角選擇成以便減小在交叉處51處的應(yīng)力集中?？梢园慈魏纹谕姆绞絹?lái)定向蜂窩式表層23，例如按提供減小的應(yīng)力的方式。在一個(gè)實(shí)施例中，定向可為橢圓的。各個(gè)單元55的縱橫比(高度H除以寬度W(H/W))為約2.5。但是，縱橫比可在約0.5至約6的范圍內(nèi)。如也在圖5B和5C中顯示的，形成于各個(gè)單元55的壁和垂直于(表示為"N")安裝部分33的面的平面之間的角介于約-60°至約+60°之間。如圖5C中所描繪的，蜂窩式表層23包括外表面52，且蜂窩式表層23可以可選地包括內(nèi)表面53。通常，外表面52提供用于氣體在葉片IO上過(guò)渡的平滑的和空氣動(dòng)力學(xué)的表面?？砂蛇x的內(nèi)表面53，以改進(jìn)對(duì)高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21的附連，以及在至少組裝過(guò)程期間提供蜂窩式表層23的提高的強(qiáng)度。在圖5C中還描繪了夾握特征24的另一個(gè)實(shí)例?，F(xiàn)參看圖6，顯示了葉片10的側(cè)視圖。在該圖中，葉片IO包括沿著葉片10的主體13自尖端ll附近延伸到某個(gè)點(diǎn)的蜂窩式表層23的長(zhǎng)度L。在一些實(shí)施例中，長(zhǎng)度L可自尖端11附近延伸到根部12附近。在一些其它的實(shí)施例中，長(zhǎng)度L起始于離尖端11的某距離處，以朝根部12延伸或者延伸到根部12其中至少一種方式延伸。另外，蜂窩式表層23不需要具有在圖6中示為垂直于翼型部堆垛軸線的一致的終端邊緣61。在一些實(shí)施例中，蜂窩式表層23的終端邊緣61可例如根據(jù)翼型部設(shè)計(jì)而形成為如由虛線所表示的那樣。在已對(duì)葉片10的方面進(jìn)行了這樣的描述后，應(yīng)當(dāng)注意到，葉片IO可實(shí)施為航空器發(fā)動(dòng)機(jī)(燃?xì)廨啓C(jī)1)、發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)1和蒸汽輪機(jī)1中的任何一種中的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。為了在航空器發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)施，可在風(fēng)扇壓縮機(jī)前級(jí)和低壓渦輪后級(jí)中有利地實(shí)施葉片10。類(lèi)似地對(duì)于發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)l，可在壓縮機(jī)前級(jí)和渦輪后級(jí)中有利地實(shí)施葉片10。在蒸汽輪機(jī)應(yīng)用中，可在旋轉(zhuǎn)葉片在其中變得非常大的低壓區(qū)段中有利地實(shí)施葉片10。因此，本文的教導(dǎo)提供了使用輕量蜂窩式表層23的大環(huán)面面積的葉片，該輕量蜂窩式表層23形成了結(jié)合(即附連)到高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21上的翼型部。這會(huì)通過(guò)超過(guò)傳統(tǒng)的高強(qiáng)度合金鑄件的增大的出口環(huán)面積而產(chǎn)生改進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)輸出和效率。由于渦輪機(jī)功率變大，所以需要較高的出口環(huán)面積來(lái)保持效率。在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)中，翼型部的質(zhì)量可成指數(shù)地增長(zhǎng)，以將應(yīng)力保持在材料性能內(nèi)。相反，本發(fā)明通過(guò)用蜂窩式表層23代替實(shí)心金屬減小了翼型部的質(zhì)量。在一些實(shí)施例中，高強(qiáng)度支承結(jié)構(gòu)21包括在尖端11處具有小于約0.03英寸的壁厚的薄壁鑄件或鍛件。在其它實(shí)施例中，葉片10的重量總體減小了約50%。雖然已經(jīng)結(jié)合僅僅有限數(shù)量的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但是應(yīng)當(dāng)容易地理解，本發(fā)明不限于這樣的所公開(kāi)的實(shí)施例。相反，本發(fā)明可修改成以便結(jié)合至今未描述但與本發(fā)明的精神和范圍相當(dāng)?shù)娜魏螖?shù)量的變型、修改、替換或等效布置。另外，雖然已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的各實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是將理解的是，本發(fā)明的方面可僅包括所述實(shí)施例中的一些。因此，本發(fā)明不應(yīng)視為受前述描述的限制，而是僅受所附權(quán)利要求書(shū)的范圍的限制。權(quán)利要求一種用于渦輪機(jī)(1)的葉片(10)，所述葉片(10)包括作為所述葉片(10)的中心部分的、由高強(qiáng)度材料制成的支承結(jié)構(gòu)(21)，所述支承結(jié)構(gòu)(21)包括根部(12)和延伸到尖端(11)的主體(13)，所述主體(13)提供前緣(31)、后緣(32)和安裝區(qū)段(33)；以及附連到所述安裝區(qū)段(33)上以便提供所述葉片(10)的輕量翼型部分的蜂窩式表層(23)。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的葉片(IO)，其特征在于，所述支承結(jié)構(gòu)(21)包括超合金、鈷基合金、硬化合金、碳化物基合金、鎳基合金、不定向地凝固的合金、鐵基合金、鍛制的奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、碳鋼、普通鈦合金和金屬間鈦合金中的至少一種材料。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的葉片(IO)，其特征在于，所述蜂窩式表層(23)包括超合金、鈷基合金、硬化合金、碳化物基合金、鎳基合金，不定向地凝固的合金、鐵基合金、鍛制的奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、碳鋼、普通鈦合金和金屬間鈦合金中的至少一種材料。4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的葉片(IO)，其特征在于，所述蜂窩式表層(23)的壁和垂直于所述安裝區(qū)段(33)的面的平面之間的角度在約負(fù)六十度至約正六十度之間。5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的葉片(IO)，其特征在于，所述蜂窩式表層(23)的單元的縱橫比的范圍在約0.5至約6之間。6.—種用于制造用于渦輪機(jī)(1)的葉片(10)的方法，所述方法包括使用高強(qiáng)度材料，形成所述葉片(10)的中心部分，所述中心部分包括根部(12)和延伸到尖端(11)的主體(13)，所述主體(13)提供前緣(31)、后緣(32)和安裝區(qū)段(33);以及使蜂窩式表層(23)附連到所述中心部分的表面上，以提供所述葉片(10)的翼型部。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，附連包括將所述蜂窩式表層(23)釬焊、結(jié)合、焊接和熔合到所述中心部分上其中的至少一種。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括將交迭部(41)附連到所述后緣(32)和所述前緣(31)中的至少一個(gè)上。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括將所述支承結(jié)構(gòu)(21)設(shè)計(jì)成包括用于安裝到燃?xì)廨啓C(jī)(1)的壓縮機(jī)(2)、低壓渦輪(3)以及蒸汽渦輪(5)其中之一中的尺寸。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，形成包括鑄造、鍛造、焊接、釬焊、砂磨、拋光和蝕刻中的至少一種。全文摘要本發(fā)明涉及組裝式混合型渦輪機(jī)葉片。一種用于渦輪機(jī)(1)的葉片(10)包括作為葉片(10)的中心部分的、由高強(qiáng)度材料制成的支承結(jié)構(gòu)(21)，該支承結(jié)構(gòu)(21)包括根部(12)和延伸到尖端(11)的主體(13)，該主體(13)提供前緣(31)、后緣(32)和安裝區(qū)段(33)；以及附連到安裝區(qū)段(33)上以便提供葉片(10)的輕量翼型部分的蜂窩式表層(23)。還包括了方法以及渦輪機(jī)(1)。文檔編號(hào)F02C3/04GK101725372SQ20091020787公開(kāi)日2010年6月9日申請(qǐng)日期2009年10月28日優(yōu)先權(quán)日2008年10月28日發(fā)明者B·T·博耶,J·W·維爾,P·S·迪馬斯喬申請(qǐng)人:通用電氣公司