專利名稱：復(fù)合翼型件組件的制作方法
復(fù)合翼型件組件政府支持條款
本發(fā)明根據(jù)由(美國)能源部給予的合同N0.DE-FC26-05NT42643在政府的支持下作出。因此，政府對本發(fā)明具有某些權(quán)利。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種用于使用在渦輪機中的復(fù)合葉片組件，并且具體地講，涉及在陶瓷翼型件和金屬平臺之間的接合部。涉及陶瓷葉片結(jié)構(gòu)的當(dāng)前實踐需要在制造過程期間被結(jié)合在翼型件基部處的一體式平臺區(qū)段。由于與一體式平臺系統(tǒng)的生產(chǎn)相關(guān)的材料、勞動力以及機械加工成本，這增加了構(gòu)件的成本。事實上，這些在零件制造的總的成本分配中是相當(dāng)大的成本。其它的復(fù)合葉片包括單獨形成的翼型件和平臺，其通過機械器件被附連在轉(zhuǎn)子上。還有其它的復(fù)合葉片在它們的金屬平臺和陶瓷翼型件區(qū)段之間使用化學(xué)接合(joint)。這些布置也是勞動力密集型的并且制造起來昂貴。用金屬材料制造平臺對較低溫度的應(yīng)用(其中，平臺不經(jīng)受最高溫度)來說是極其有利的。因此，仍然存在對這樣的簡單且相對不昂貴的陶瓷葉片結(jié)構(gòu)的需要:其可利用陶瓷翼型件技術(shù)，但與在某些應(yīng)用中所希望的金屬平臺相結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容
在一個示范性的但非限制性的實施例中，提供了一種用于安裝在提供于渦輪葉輪上的槽中的復(fù)合翼型件組件，其包括:形成有翼型部分、葉片柄部和葉片燕尾式柄腳的陶瓷葉片；以及具有平臺柄和徑向內(nèi)側(cè)平臺燕尾榫的金屬平臺；陶瓷葉片被捕獲在金屬平臺內(nèi)，使得在使用中，陶瓷葉片獨立于金屬平臺保持在渦輪葉輪中的槽內(nèi)。在另一方面，提供了一種安裝有多個復(fù)合翼型件組件的渦輪轉(zhuǎn)子葉輪，各個翼型件組件包括陶瓷葉片以及具有平臺柄和徑向內(nèi)側(cè)平臺燕尾榫的金屬平臺；陶瓷葉片具有被捕獲在金屬平臺內(nèi)的葉片燕尾式柄腳，使得在使用中，陶瓷葉片獨立于金屬平臺被保持在渦輪葉輪內(nèi)。在又一方面，提供了一種將陶瓷葉片裝配到金屬平臺的方法，包括提供具有翼型部分、柄部以及徑向內(nèi)側(cè)燕尾式柄腳的陶瓷葉片；以及在陶瓷葉片的柄部和徑向內(nèi)側(cè)燕尾式柄腳周圍鑄造金屬平臺?，F(xiàn)將結(jié)合下面標(biāo)識的附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的示范性的但非限制性的實施例的復(fù)合葉片組件的側(cè)視圖。圖2為從圖1的葉片組件中去除的翼型部分的透視 圖3為安裝在轉(zhuǎn)子葉輪上的圖1的葉片組件的部分截面；以及圖4為根據(jù)本發(fā)明的示范性的但非限制性的實施例的四個復(fù)合葉片組件的組的透視圖。部件列表
10 葉片組件
12 陶瓷翼型件
14 金屬平臺
16 翼型部分
18 柄部
20 燕尾式柄腳
22 平臺柄
24、26、28 燕尾式柄腳
32、34 柄端
36、38 天使翼密封件
40、42 密封件
44 斜面
46、48、50 細(xì)長的凹槽 52 平臺空腔 52 燕尾式切口 54、56、58、60 端部 66 燕尾槽或轉(zhuǎn)子槽 68、70、72、74 配合表面 76 徑向間隙 78 內(nèi)表面 80 相鄰表面 82 間隙。
具體實施例方式一開始參考圖1-3，根據(jù)本發(fā)明的示范性的但非限制性的實施例的復(fù)合葉片組件10包括陶瓷翼型件12和金屬平臺14。如在圖2中最好地看出，陶瓷翼型件12包括翼型部分16、柄部18以及在其徑向最內(nèi)端的燕尾式柄腳20。金屬平臺14(圖1)包括平臺柄22以及相對地延伸且否則為常規(guī)的平臺燕尾式柄腳24、26以及28，平臺燕尾式柄腳適于被容納在形成在轉(zhuǎn)子葉輪30 (見圖3)中的配合槽中，如本文進一步所述。平臺柄22包括相對的柄端32、34，其在一端上設(shè)有天使翼密封件36、38，且在相對端上設(shè)有密封件40、42。如果需要，所謂的“斜面”(slash face)(在44處示出一個)中的一個或兩者可形成有細(xì)長的凹槽46、48、50以便允許放置軸向和/或徑向的銷式密封件(未示出)。金屬平臺14因此看起來是基本上中空的，具有大體在平臺斜面
44、柄端32、34和中間的燕尾式柄腳26之間限定的空腔52。因此，徑向外側(cè)的平臺柄腳28的一部分在端部54、56之間被切去，并且通向中間的平臺柄腳26的過渡區(qū)域的一部分在端部58、60之間被切去，使得由于在下面進一步解釋的原因而形成了平臺空腔52的部分。
在示范性的但非限制性的實施例中，陶瓷翼型件12由例如CMC材料、硅基質(zhì)纖維材料、氮化娃陶瓷或無纖維的獨石陶瓷(monolithic ceramic)材料形成?？墒褂闷渌线m的陶瓷材料，但在所有的情況下，陶瓷材料必須具有足夠的高溫特性以便不僅經(jīng)受住渦輪的操作溫度而且經(jīng)受住如下文描述的在金屬平臺圍繞翼型件的制造期間的鑄造溫度。在示范性的但非限制性的實施例中，翼型件柄部18和翼型件燕尾式柄腳20由在圖2中的62處(從在64處的接合部延伸到(并且包括)柄腳20的下側(cè))示出的陶瓷漿料部分地封閉。平臺14此后通過常規(guī)的鑄造過程圍繞翼型件12鑄造，使得產(chǎn)生在圖1和圖3中所示的構(gòu)造，其中，翼型件柄部18和翼型件燕尾式柄腳20在不用任何種類的冶金或化學(xué)結(jié)合的情況下被捕獲在平臺空腔52內(nèi)。注意，翼型件燕尾式柄腳20安裝在平臺燕尾式切口 52內(nèi)，并且成形為使得在端部54、56之間形成上部平臺柄腳28的基本上的延續(xù)部分，因此允許以慣常的方式將葉片組件10裝載到轉(zhuǎn)子葉輪30上。盡管如此，翼型件燕尾式柄腳20沒有以其它方式附連或固定到金屬平臺。如在圖1和圖3中最好地看出，當(dāng)復(fù)合葉片組件裝載到渦輪轉(zhuǎn)子葉輪30上時，平臺燕尾式柄腳24、26以及28安裝在轉(zhuǎn)子葉輪30中的配合的燕尾槽66內(nèi)，其中，翼型件燕尾式柄腳20獨立地錨定在槽66的徑向外端內(nèi)，并且沿軸向在平臺柄腳28的端部54、56之間。當(dāng)渦輪在運轉(zhuǎn)中時，離心力將在沿徑向向外的方向上驅(qū)動翼型件12，從而引起翼型件柄腳20與轉(zhuǎn)子槽66的配合表面68、70和72、74之間的接觸。結(jié)果，在葉片柄腳20的內(nèi)表面78和平臺柄腳26的相鄰表面80 (其限定空腔52的沿徑向最里面的表面)之間保持有微小的徑向間隙76。同時，翼型部分16在其進入金屬平臺14的地方還沒有密封。相反，非常微小的間隙82圍繞翼型部分16的金屬外圍延伸，如同樣在圖3中最好地看出。間隙82適應(yīng)陶瓷和金屬材料的膨脹的不同的熱系數(shù)，并且可通過在翼型件和平臺之間不傳遞負(fù)載的常規(guī)的機械方法密封。圖4示出了裝載到轉(zhuǎn)子葉輪30上的一組4個基本上同樣的復(fù)合葉片組件10。各個葉片組件如上面所描述的那樣構(gòu)造和裝配，從而理解葉片圍繞葉輪的外圍延伸。本文描述的陶瓷葉片組件10具有許多優(yōu)點。例如，當(dāng)復(fù)合葉片組件10安裝在渦輪轉(zhuǎn)子葉輪30上時，轉(zhuǎn)子葉輪燕尾槽或杉樹狀槽66上的下部的支撐特征或表面將支承金屬平臺14，同時，轉(zhuǎn)子葉輪槽的上部的凸起(lobe)或柄腳將支承如上面所描述的并且如在圖3中最好地看出的陶瓷葉片柄18。這種布置最終使金屬平臺與陶瓷翼型件分離，從而防止可能的在包含熱期間由于熱的失配而引起的裂縫。在翼型件的周邊和金屬平臺之間的小的間隙80可被控制，使得來自柄空腔的泄漏不改變金屬系統(tǒng)上的吹掃流的要求?？稍跊]有一體式平臺的情況下制造陶瓷翼型件，并且然后用在鑄造過程中，其中，金屬平臺圍繞CMC翼型件鑄造，同時控制翼型件和平臺之間的間隙。另外，不需要補充的(complimentary)吊鉤或其它附連器件來將翼型件12固定到平臺14。因此，在制造期間或運轉(zhuǎn)期間，陶瓷翼型件將不接觸金屬平臺系統(tǒng)。已經(jīng)確定，所描述的布置可在發(fā)動機中每一葉片排的組合循環(huán)效率中產(chǎn)生正的階躍變化。雖然已經(jīng)結(jié)合目前認(rèn)為是最實際和優(yōu)選的實施例的內(nèi)容描述了本發(fā)明，但要理解的是，本發(fā)明將不限于公開的實施例，而是相反，意圖覆蓋包括在所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的不同的修改和等效的布置。
權(quán)利要求
1.一種用于安裝在提供于渦輪葉輪上的槽中的復(fù)合葉片組件，所述復(fù)合葉片組件包括:形成有翼型部分、翼型件柄部以及翼型件燕尾式柄腳的陶瓷翼型件；以及具有平臺柄、平臺柄空腔以及徑向內(nèi)側(cè)平臺燕尾榫的金屬平臺；所述陶瓷翼型件燕尾式柄腳被捕獲在所述金屬平臺柄空腔內(nèi)，使得在使用中，所述陶瓷翼型件獨立于所述金屬平臺保持在所述渦輪葉輪中的所述槽內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合葉片組件，其特征在于，所述翼型部分突伸通過在所述金屬平臺的徑向外表面中的開口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合葉片組件，其特征在于，所述徑向內(nèi)側(cè)平臺燕尾榫包括至少一個燕尾式柄腳，所述至少一個燕尾式柄腳形成有在它的相對端之間的所述部分切□。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的復(fù)合葉片組件，其特征在于，所述部分切口在所述相對端之間基本上居中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合葉片組件，其特征在于，所述葉片燕尾式柄腳形成了所述至少一個平臺燕尾式柄腳的延續(xù)部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合葉片組件，其特征在于，所述陶瓷翼型件由CMC復(fù)合材料組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合翼型件組件，其特征在于，所述陶瓷翼型件由硅基質(zhì)纖維材料組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合翼型件組件，其特征在于，所述陶瓷翼型件由氮化硅或獨石陶瓷材料組成。
9.一種渦輪轉(zhuǎn)子葉輪，其由以下構(gòu)件組成: 多個復(fù)合葉片組件，各個葉片組件包括陶瓷翼型件和具有平臺柄以及徑向內(nèi)側(cè)平臺燕尾榫的金屬平臺； 所述陶瓷翼型件具有捕獲在所述金屬平臺內(nèi)的翼型件燕尾式柄腳，使得在使用中，所述陶瓷翼型件獨立于所述金屬平臺保持在所述渦輪葉輪內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的渦輪轉(zhuǎn)子葉輪，其特征在于，所述徑向內(nèi)側(cè)平臺燕尾榫形成有部分切口，以容納所述陶瓷翼型件的所述徑向內(nèi)側(cè)燕尾式柄腳。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的渦輪轉(zhuǎn)子葉輪，其特征在于，所述徑向內(nèi)側(cè)平臺燕尾榫包括至少一個燕尾式柄腳，所述至少一個燕尾式柄腳形成有所述部分切口。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的渦輪轉(zhuǎn)子葉輪，其特征在于，所述部分切口在所述至少一個燕尾式柄腳的相對端之間基本上居中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的渦輪轉(zhuǎn)子葉輪，其特征在于，所述陶瓷翼型件的所述徑向內(nèi)側(cè)燕尾式柄腳形成了所述至少一個燕尾式柄腳的延續(xù)部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的復(fù)合翼型件組件，其特征在于，所述陶瓷翼型件由CMC復(fù)合材料組成。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的渦輪轉(zhuǎn)子葉輪，其特征在于，所述徑向內(nèi)側(cè)平臺燕尾榫包括至少三個燕尾式柄腳，所述至少三個燕尾式柄腳中的徑向外側(cè)的一個形成有所述部分切口 ；并且所述陶瓷翼型件的所述徑向內(nèi)側(cè)燕尾式柄腳形成了所述至少三個燕尾式柄腳中的所述徑向外側(cè)的一個的延續(xù)部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述渦輪轉(zhuǎn)子葉輪，其特征在于，所述陶瓷翼型件由氮化硅或獨石陶瓷材料組成。
17.一種將陶瓷翼型件裝配到金屬平臺的方法，包括: a.提供具有翼型部分、柄部以及徑向內(nèi)側(cè)燕尾式柄腳的陶瓷翼型件；以及 b.圍繞所述陶瓷翼型件的所述柄部和所述徑向內(nèi)側(cè)燕尾式柄腳鑄造金屬平臺。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述金屬平臺形成有平臺柄和徑向內(nèi)側(cè)平臺燕尾榫；所述翼型部分突伸通過在所述金屬平臺的徑向外表面中的開口。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述徑向內(nèi)側(cè)部分燕尾榫包括具有居中的區(qū)段切口的燕尾式柄腳，并且其中，所述陶瓷翼型件的所述徑向內(nèi)側(cè)燕尾式柄腳容納在所述居中的區(qū)段切口內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法， 其特征在于，包括在使用時維持所述陶瓷翼型件的所述徑向內(nèi)側(cè)燕尾式柄腳的徑向內(nèi)表面與所述徑向內(nèi)側(cè)平臺燕尾榫的所述徑向內(nèi)側(cè)燕尾式柄腳的外表面之間的空隙。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)合翼型件組件。用于安裝在渦輪葉輪上的復(fù)合葉片組件包括陶瓷翼型件和翼型件平臺。陶瓷翼型件形成有翼型部分、葉片柄部以及葉片燕尾式柄腳。金屬平臺包括平臺柄和徑向內(nèi)側(cè)平臺燕尾榫。陶瓷翼型件被捕獲在金屬平臺內(nèi)，使得在使用中，該陶瓷翼型件獨立于金屬平臺而保持在渦輪葉輪中。
文檔編號F01D5/14GK103184890SQ201210432509
公開日2013年7月3日 申請日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月3日
發(fā)明者A.J.加西亞-克雷斯波 申請人:通用電氣公司