專利名稱：混合式葉輪的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及燃氣渦輪，尤其，涉及燃氣渦輪的混合式葉輪。
背景技術：
在其他變型中，燃氣渦輪包括燃氣渦輪發(fā)電設備和燃氣渦輪飛機發(fā)動機。燃氣渦輪包括一個具有高壓壓縮機的核心發(fā)動機；在其中燃燒燃料和壓縮空氣的混合物產生推進氣體流的燃燒室；和一個高壓渦輪。該高壓渦輪由該推進的氣體流轉動，并利用軸連接，以驅動該高壓壓縮機。通常的燃氣渦輪飛機發(fā)動機還增加一個低壓渦輪，由另一根軸連接，以驅動風扇轉子。該風扇轉子是這種形式的發(fā)動機最重的零件之一。
該風扇轉子帶有多個翼面形狀的葉片，通常，這些葉片安裝在一組榫槽中。一般，通常的燃氣渦輪葉片設計完全由金屬或諸如碳-環(huán)氧樹脂復合材料一類的復合材料制成。包括成本高的寬弦空心葉片在內的全金屬葉片重量較重，造成燃料性能較低和需要更堅固的葉片連接；而較輕的全復合材料葉片更容易受到鳥撞擊的損壞。已知的混合式葉片包括復合材料葉片，為了防腐蝕和鳥撞擊，其前緣用金屬保護。另外，還包括帶有非金屬鑲襯的金屬葉片。雖然這些混合式葉片可減小該風扇轉子的重量，但仍需要與轉子的單獨的機械連接。
因此，需要一種重量輕和耐撞擊的風扇轉子。
本發(fā)明概述本發(fā)明可以滿足上述需要。根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供了一種燃氣渦輪發(fā)動機的轉子組件，該轉子組件包括具有一個環(huán)形的流道表層的金屬輪轂和至少一個從該流道表層向外伸出的葉片。該葉片包括一個具有第一密度的金屬體和一個鑲襯。該金屬體形成一個柄部分和具有相反的壓力側和負壓側，并與該輪轂成一整體的一個翼面部分。該鑲襯具有比該體具有的第一密度小的第二密度。該鑲襯和該體共同地形成翼面形狀。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，制造燃氣渦輪發(fā)動機的轉子組件的方法包括形成具有環(huán)形流道表層的金屬輪轂，和形成至少一個與該輪轂為一整體和從該流道表層向外伸出的葉片。該葉片包括具有第一密度的金屬體和一個鑲襯。該金屬體形成一個柄部分和具有相反的壓力側和負壓側，并與該輪轂成為一個整體的翼面部分。該鑲襯具有比該體所具有的第一密度小的第二密度。其特征為，該鑲襯和該體共同地形成翼面形狀。
附圖簡要說明參考結合附圖的以下說明，可以最好地理解本發(fā)明。其中

圖1為根據(jù)本發(fā)明制造的風扇葉輪的透視圖；圖2為圖1所示的葉輪的風扇葉片中的一個的側視圖；圖3為沿著圖2的3-3線所取的圖；圖4為與圖1所示的葉輪一起使用的另一個風扇葉片的側視圖；圖5為沿著圖4的5-5線所取的橫截面圖；圖6為與圖1所示的葉輪一起使用的再一個風扇葉片的側視圖；圖7為沿著圖6的7-7線所取的橫截面圖；和圖8為與圖1所示的葉輪一起使用的另一個風扇葉片的側視圖。
優(yōu)選實施例說明在所有各附圖中，相同的符號代表相同的零件。圖1表示根據(jù)本發(fā)明制造的一個示例性的風扇葉輪10。該風扇葉輪10具有帶有一個環(huán)形流道表層14和多個與其連接的翼面形狀的葉片16。這里所用的術語“葉輪”是指包括具有與其成為一個整體的葉片的輪轂的任何燃氣渦輪發(fā)動機零件。這種零件有時稱為“葉片圓盤”或“整體式葉片轉子”。本發(fā)明對于用作飛機燃氣渦輪發(fā)動機上的低壓風扇的葉輪特別有用，但也可以用在任何種類的葉輪結構中。這里所用的術語“整體的”是指不論該零件原來是單獨的或由一個工件制成的，可以有效地形成沒有機械間斷的一個件的二個零件。
圖2和圖3更詳細地表示一個示例性的葉片16。該葉片16包括形成了一個翼面部分20和一個柄部分22的金屬體18。該翼面部分20包括相反的壓力側24和負壓側26，前緣28，后緣30和頂部32。
該體18由金屬合金制成。該金屬合金可以作成所希望的形狀，可以承受必要的工作負荷和可與該輪轂的材料相適應。適當?shù)暮辖鸬睦影ǎ?但不限于)鈦，鋁，鈷，鎳或鋼基合金。在該所示的例子中，該體18由Ti-6Al-4V合金制成。該體18和輪轂2(參見圖1)可通過利用已知的方法，從一個材料毛坯上加工相應的輪廓制成。在該體18中形成至少一個凹坑34。為了適應具體的應用，該凹坑34的數(shù)目和位置可以改變。在該所示的例子中，該體18包括在翼面部分20的壓力側24中形成的一個大的凹坑34。為了影響該葉片的性質-例如扭轉剛性和頻率響應，可以用已知的方法選擇該凹坑34的尺寸和形狀。
鑲襯36被配置在該凹坑34中，并與它接合。該鑲襯36具有形成該葉片16的壓力側24的一部分的外表層38。該鑲襯36可用可承受在工作過程中的預期的空氣負荷和溫度，并可以作成所希望的輪廓的任何材料制成。該鑲襯36可以或不可以對該葉片16的總的結構整體性有幫助。
該鑲襯材料的密度比金屬件18的密度小，以便與密實的翼面比較，減小葉片16的總質量。適當?shù)牟牧系睦影◤筒牧稀绶Q為“碳-環(huán)氧樹脂”系統(tǒng)的埋入環(huán)氧樹脂粘合劑中的碳纖維絲，纖維-雙馬來酰亞胺，纖維聚酰亞胺和其他纖維-環(huán)氧樹脂熱定形或熱塑性樹脂和混合物。其他適應的材料包括彈性體，剛性泡沫(例如，具有在全部材料中分散的蜂窩狀結構的聚合物，陶瓷，硅酮或金屬或其混合物，結構泡沫(即具有蜂窩狀核心和整體表層的塑料)和合成泡沫(即通過將剛性的，極微細的顆粒在流體聚合物中分散，然后固化制成的蜂窩狀聚合物)?？梢宰鞒鲈撹傄r36，再用接合劑或緊固件固定在該凹坑34中，或者可以作出該鑲襯并固化在該凹坑34中的規(guī)定位置上，直接接合。
圖4和圖5表示另一個葉片116。該葉片116的外形基本上與上述的葉片16相同，并且包括形成一個柄部分122和一個翼面部分120的一個金屬體118。該翼面部分120包括相反的壓力側124和負壓側126，前緣128，后緣130和頂部132。
該體118由上述的金屬材料制成。該體118和輪轂12(見圖1)可以通過已知的方法，從一個材料毛坯上加工相應的輪廓形成。該葉片116與葉片16的不同主要在于該凹坑的配置。在該體118中形成至少一個凹坑134。在所示的例子中，該體118包括在該翼面部分120的壓力側124上作出的多個第一凹坑134A，和在該翼面部分120的負壓側126上作出的多個第二凹坑134B。該第一凹坑134A由多個直立的壓力側肋140A隔開，而該第二凹坑134B由多個負壓側肋140B隔開。為了影響該葉片的性質一例如扭轉剛性和頻率響應，可以用已知的方法選擇該肋140A和140B的尺寸，橫截面積和圖形。
第一鑲襯136A被配置在每一個第一凹坑134A中，并與它接合。第二鑲襯136B被配置在每一個第二凹坑134B中并與它接合。每一個第一鑲襯136A具有形成該翼面部分120的壓力側124的一部分的一個外表層138A，和每一個第二鑲襯136B具有形成該翼面部分120的負壓側126的一部分的一個外表層138B。該鑲襯136可用能承受在工作過程中的預期的空氣負荷和可以作成所希望的輪廓的任何材料制成。該鑲襯136可以或不可以對葉片116的總的結構整體性有幫助。該鑲襯材料的密度比該體118的密度小，以減小與密實的翼面比較，葉片118的總的質量。鑲襯136的適當材料的例子如以上針對半墊36的一樣。如圖5所示，肋140延伸至該翼面部分120的外表層，將該鑲襯136完全隔開。另一種方案為，可使在圓周方向側量的該肋140的厚度比該凹坑134的深度小，使得可以用連續(xù)的一個鑲襯136充滿在該翼面部分120的同一側上的所有凹坑134。
圖6和圖7表示又一個葉片216。該葉片216的外形基本上與上述的葉片16相同，并包括一個柄部分222和一個翼面部分220。該翼面部分222包括相反的壓力側224和負壓側226，前緣228，后緣230和頂部232。
該翼面部分222包括一個金屬體218。金屬體218的適合的金屬合金的例子包括(但不限于)鈦，鋁，鈷，鎳或鋼基合金。在所示的例子中，該體218由Ti-CAl-4V合金制成。該體218具有第一質量密度，并沿徑向從該柄部分延伸至該葉片的頂部232。
該翼面部分222包括至少一個鑲襯236。該鑲襯236具有比該體218的質量密度小的第二質量密度，并與該體218接合。該體218還包括被配置在鑲襯236之間和與鑲襯236接合的肋240。該體218和鑲襯236共同地形成翼面形狀。
如上所述，該鑲襯236可由能承受在工作過程中的預期的空氣負荷和可以作成所希望的輪廓的任何材料制成。適當?shù)牟牧系睦尤缟纤??？梢宰鞒鲈撹傄r236，然后用接合劑或緊固件固定在該體218上，或者作出該鑲襯并在規(guī)定位置固化。
該翼面部分222可以隨意地帶有表層242，該表層覆蓋鑲襯236和與鑲襯236接合。這種表層242可以由復合材料或金屬制成。該表層242可以為單個的復合材料層的敷層或為編織結構的敷層。在所示的例子中，該表層242包括埋入環(huán)氧樹脂基體粘合劑中的碳、玻璃或芳族聚酰胺絲。最好，任何表層復合材料的接合利用單獨的接合劑薄膜材料或樹脂轉移模制或注入來完成。接合的其他例子無限制地包括在復合材料樹脂本身和基片之間的接合。一般，該表層242為一個薄層，可以(圖7所示)或不可以覆蓋該體218。當存在時，該表層242的目的是使該鑲襯有一個硬表層，可將任何撞擊的力散開。
該翼面部分222可以任選地包括基本上覆蓋該表層242和與該表層接合的腐蝕涂層244。在一個示例性結構中，該腐蝕涂層244包括一般配置在前緣228上的一個金屬區(qū)域244’。該腐蝕涂層244還包括一個離開該金屬區(qū)域244’，一般配置在后緣230上的非金屬區(qū)域244”。該非金屬區(qū)域244”的材料的一個例子為聚氨酯，而該金屬區(qū)域244’的材料的一個例子為鈦。
如上所述，該葉片16，116或216可以與該輪轂12作成一個整體，或者，它們可以單獨制造，然后永久地與該輪轂12連接。如果該葉片16，116或216與該輪轂12為一整體，則該金屬體18，118或218可以作成包括任何凹坑的所希望的形狀，然后連接或形成鑲襯36，136或236。如果該葉片16，116，或216單獨制成，則可在將該葉片16，116或216與該輪轂12連接之前，加上該鑲襯36，136或236。將該葉片16，116或216與該輪轂12連接的已知方法包括移動摩擦焊接，擴散接合和熔融焊接。角一個葉片18，118或218的相應的柄部分22，122或222作成合適的形狀和尺寸，以適應預期的接合形式。例如，如圖2所示，葉片16的柄部分20包括一個矩形或平行六面體實心形狀的增大的塊部分23。這使得可夾緊，操縱和接合該葉片16，并可起散熱片作用，以防止連接過程的熱影響區(qū)域(HAZ)損壞該葉片16的非金屬部分。如果可以限制選擇的連接過程(例如，移動摩擦焊接)的HAZ至足夠窄的區(qū)域，使它不影響鑲襯36的工程性質，則可在將該體18接合在該輪轂12上以前，將該鑲襯36用接合劑與該體18連接。如果HAZ影響該鑲襯36的工程性質，則可在將該體18與該輪轂12接合后，使該鑲襯36與該體18連接(或在內部形成)。
如果葉片單獨制成并與輪轂連接，則通過有選擇地除去材料，可以減輕重量。例如，圖8表示另一個葉片116’，它與葉片116相同，并具有一個柄部分122’和一個翼面部分120’。在該柄部分122’中形成一個空心的腔300，并部分地向上伸入該翼面部分中。在所示的例子中，可用一組用鉚釘槍鉆出的孔302共同地作出該腔300，但可以使用其他機械加工方法。該腔300的存在有助于從該葉片116’的柄部分122’的中心除去增加該葉片重量的材料，現(xiàn)對該葉片的扭轉剛度或彎曲阻力不會有大的幫助。如果需要，為了在移動摩擦焊接過程中，防止材料擠入加工的腔中，在移動摩擦焊接過程以前，可將該腔300的底部用焊接或銅焊的堵頭304堵住。
完成的葉輪10有幾個優(yōu)點。該鑲襯36的主要目的是代替在翼面部分上的金屬，從而減小該葉輪10的重量。這個重量的優(yōu)點是在沒有通常的葉片榫安裝的重量或復雜性的條件下得到的。這種結構還可改善該葉輪10的修理性能，因為在損壞的情況下，只需更換該鑲襯36，而不需修理葉輪10的沒有損壞的金屬部分或全部更換該葉輪10。
以上說明了一種混合式葉輪及制造這種葉輪的方法。雖然說明了本發(fā)明的具體實施例，但技術經驗豐富的人知道，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可作各種改進。因此，以上對本發(fā)明的優(yōu)選實施例和實現(xiàn)本發(fā)明的最好方式的說明只是為了說明的目的，不是限制。本發(fā)明由權利要求書確定。
零件清單10-風扇葉輪12-輪轂14-環(huán)形流道表層16-翼面形狀的葉片18-金屬體20-翼面部分22-柄部分24-壓力側26-負壓側28-前緣30-后緣32-頂部34-凹坑36-鑲襯38-外表層116-另一個葉片118-金屬體120-翼面部分122-柄部分124-壓力側126-負壓側128-前緣130-后緣132-頂部134-凹坑134A-多個第一凹坑134B-多個第二凹坑136A-第一鑲襯136B-第二鑲襯138A-外表層138B-外表層
140-肋140A-壓力側肋140B-負壓側肋216-第一葉片218-金屬體220-翼面部分222-柄部分224-壓力側226-負壓側228-前緣230-后緣232-頂部236-鑲襯240-肋242-表層244-腐蝕涂層244’-金屬區(qū)域244”-非金屬區(qū)域
權利要求
1.一種燃氣渦輪發(fā)動機的轉子組件，包括一個具有一個環(huán)形流道表層(14)的金屬輪轂(12)；和至少一個從所述流道表層(14)向外伸出的葉片(16，116，216)；所述葉片(16，116，216)包括一個具有第一密度的金屬體(18，118，218)；所述金屬體(18，118，218)限定一個柄部分(22，122，222)和一個翼面部分(20，120，220)，該翼面部分具有相反的壓力側和負壓側，并與所述輪轂(12)成為一個整體；和一個具有在所述金屬體(18，118，218)含有的所述第一密度小的第二密度的鑲襯(36，136，236)，其中所述鑲襯(36，136，236)和所述金屬體(18，118，218)共同地限定翼面形狀。
2.如權利要求1所述的轉子組件，其特征為，所述金屬件(18，118，218)和所述輪轂(12)由單個連續(xù)的材料毛坯制成。
3.如權利要求1所述的轉子組件，其特征為，所述金屬體(18，118，218)與所述輪轂(12)是分開形成的，然后與所述輪轂(12)連接。
4.如權利要求1所述的轉子組件，其特征為，所述翼面部分(20，120，220)具有在所述的壓力側和負壓側中選擇的一側形成的至少一個凹坑(34，134)，并且所述的鑲襯(36，136，236)被配置在所述凹坑(34，134)中。
5.如權利要求1所述的轉子組件，其特征為，一片狀表層(242)被配置在所述翼面部分(220)的外表面上。。
6.如權利要求1所述的轉子組件，其特征為，在所述葉片(16，116，216)的所述柄部分(23，122，222)內配置至少一個腔。
7.一種制造燃氣渦輪發(fā)動機轉子組件的方法，包括形成具有一個環(huán)形流道表層(14)的金屬輪轂(12)；和形成與所述輪轂(12)成一整體并從所述流道表層(14)向外伸出的至少一個葉片(16，116，216)；所述葉片(16，116，216)包括一個具有第一密度的金屬體(18，118，218)；所述金屬件(18，118，218)限定一個柄部分(22，122，222)和一個具有相反的壓力側和負壓側，并與所述輪轂(12)成一整體的翼面部分(20，120，220)；和一個具有比所述體(18，118，218)含有的所述第一密度小的第二密度的鑲襯(36，136，236)；其中，所述鑲襯(36，136，216)和所述金屬體(18，118，218)共同限定翼面形狀。
8.如權利要求7所述的方法，其特征為，還包括由單個連續(xù)的材料毛坯制成所述金屬體(18，118，218)和所述輪轂(12)；和使所述鑲襯(36，136，236)與所述金屬體(18，118，218)連接。
9.如權利要求7所述的方法，其特征為，還包括形成所述輪轂(12)；與所述輪轂(12)分開地形成所述金屬體(18，118，218)；使所述鑲襯(36，136，236)與所述金屬體(18，118，218)連接，以形成一個葉片(16，116，216)；和將所述葉片(16，116，216)接合在所述輪轂(12)上。
10.如權利要求9所述的方法，其特征為，利用固態(tài)連接工藝方法將所述葉片(16，116，216)接合在所述輪轂(12)上。
全文摘要
燃氣渦輪發(fā)動機的轉子組件或“葉輪”包括具有一個環(huán)形流道表層(14)的一個金屬輪轂(12)，和從該流道表層(14)向外伸出的至少一個葉片(16，116，216)。該葉片包括具有第一密度的一個金屬體(18，118，218)。該金屬體(18，118，218)形成一個柄部分(22，122，222)和具有相反的壓力側和負壓側，并與該輪轂(12)成為一整體的一個翼面部分(20，120，220)。鑲襯(36，136，236)具有比該體(18，118，218)所具有的第一密度小的第二密度。該鑲襯(36，136，236)和該體(18，118，218)共同形成翼面形狀。還提供了制造該轉子組件的方法。
文檔編號F01D5/02GK1932248SQ20061015396
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月15日 優(yōu)先權日2005年9月16日
發(fā)明者A·P·卡拉費利斯 申請人:通用電氣公司