專利名稱：導(dǎo)葉和制造導(dǎo)葉的方法
導(dǎo)葉和制造導(dǎo)葉的方法相關(guān)申請的交叉引用[oooi] 本申請是于2006年12月29日提交的美國專利申請第 11/648508號的部分繼續(xù)申請。 技術(shù)領(lǐng)域
這里所述的技術(shù)一般涉及燃氣渦輪發(fā)動機，更特別地，涉及 一種燃氣渦輪發(fā)動機導(dǎo)葉和制造該導(dǎo)葉的方法。
技術(shù)背景
已知的至少一種燃氣渦輪發(fā)動機裝置包括安裝在核心燃氣 渦輪發(fā)動機上游的風扇裝置。在工作期間，從該風扇裝置排出的一部分 氣流被向下游引導(dǎo)到該核心燃氣渦輪發(fā)動機中，其中對該氣流進行壓 縮。然后該壓縮的氣流被引導(dǎo)到燃燒室與燃料混合，并被點火以產(chǎn)生熱 燃燒氣體。然后該燃燒氣體被引導(dǎo)到渦輪機中，其從該燃燒氣體中提取 能量來供給該壓縮機以及產(chǎn)生有用的工作以推進飛行器飛行。從該風扇 裝置排出的另 一部分氣流通過風扇流噴嘴排出該發(fā)動機。
為了協(xié)助將氣流從該風扇裝置引導(dǎo)到核心燃氣渦輪發(fā)動機中，至少一種已知的燃氣渦輪發(fā)動機裝置包括用于消除風扇噴嘴前的漩 渦的排氣口導(dǎo)葉。這種排氣口導(dǎo)葉裝置被配置成在引導(dǎo)該風扇氣流通過 支管之前，將風扇氣流將從風扇裝置排出的氣流大致轉(zhuǎn)向到軸向方向 上。除了轉(zhuǎn)向該風扇氣流，該排氣口導(dǎo)葉裝置還為該風扇框架提供了結(jié) 構(gòu)剛性。更特別地，排氣口導(dǎo)葉裝置一般包括耦合到該風扇框架的多個 排氣口導(dǎo)葉。為了給風扇框架提供必要的結(jié)構(gòu)剛性，已知的排氣口導(dǎo)葉 是使用金屬材料鑄造為基本實心的葉片。
然而，因為已知的排氣口導(dǎo)葉是基本實心的，所以它們增加了燃氣渦輪發(fā)動機的整體重量，并且還會導(dǎo)致燃料效率降低。 發(fā)明內(nèi)容
在一個方面， 一種用于制造排氣口導(dǎo)葉的方法包括步驟使用第一材料制造一結(jié)構(gòu)翼梁，使用第二材料制造導(dǎo)流罩，以及將該導(dǎo)流 罩安裝到該翼梁上以便至少部分環(huán)繞該翼梁并形成翼型。
在另一方面， 一種排氣口導(dǎo)葉包括具有前緣和后緣的翼型，
由第一材料制成并設(shè)置在該翼型內(nèi)的結(jié)構(gòu)翼梁，和由第二材料制成并至 少部分環(huán)繞該翼梁的導(dǎo)流罩。
在另 一方面， 一種燃氣渦輪發(fā)動機裝置包括核心燃氣渦輪發(fā) 動機，包括耦合到該核心燃氣渦輪發(fā)動機的多個風扇葉片的風扇裝置， 和在下游耦合到該風扇葉片的多個排氣口導(dǎo)葉，至少一個排氣口導(dǎo)葉包 括具有前緣和后緣的翼型，由第一材料制成并設(shè)置在該翼型內(nèi)的結(jié)構(gòu)翼 梁，和由第二材料制成并至少部分環(huán)繞該翼梁的導(dǎo)流罩。


圖1是一個示例性燃氣渦輪發(fā)動機裝置的截面圖； [ooio] 圖2是可用于圖l所示燃氣渦輪發(fā)動機裝置的排氣口導(dǎo)葉的 前視圖；[ooii] 圖3是圖2的排氣口導(dǎo)葉沿著線3-3的截面圖；和
圖4是圖2所示排氣口導(dǎo)葉的一個替代實施例的與圖3相似 的截面圖。
具體實施方式
圖1是一個具有縱軸11的示例性燃氣渦輪發(fā)動機裝置10 的截面示意圖。燃氣渦輪發(fā)動機裝置10包括風扇裝置12和核心燃氣渦 輪發(fā)動機13。核心燃氣渦輪發(fā)動機13包括高壓壓縮機14、燃燒室16和 高壓渦輪18。在該示例性實施例中，燃氣渦輪發(fā)動機裝置IO還包括低壓 渦輪20，多級增壓壓縮機22，和基本上外接增壓機22的分離機44。
風扇裝置12包括從旋翼盤26徑向向外延伸的一組風扇葉 片24。燃氣渦輪發(fā)動機裝置10具有進氣側(cè)28和排氣側(cè)30。風扇裝置12、 增壓機22和渦輪20通過第一轉(zhuǎn)軸31耦合到一起，壓縮機14和渦輪18 通過第二轉(zhuǎn)軸32耦合到一起。
從風扇裝置12排出的氣流的第二部分52被引導(dǎo)經(jīng)過支管 4 0以便將來自風扇裝置12的一部分氣流分流到核心燃氣渦輪發(fā)動機13
周圍。更特別地，支管40在風扇殼或軍42和分離機44之間延伸。因此， 來自風扇裝置12的氣流的第一部分50如上所述被引導(dǎo)經(jīng)過增壓機22， 然后進入壓縮機14，來自風扇裝置12的氣流的第二部分52被引導(dǎo)經(jīng)過 支管40以便例如為飛行器提供推力。燃氣渦輪發(fā)動機裝置IO還包括風 扇框架裝置60以便為風扇裝置12提供結(jié)構(gòu)支撐，并且還用于將風扇裝 置12耦合到核心燃氣渦輪發(fā)動機13。
風扇框架裝置60包括多個排氣口導(dǎo)葉70，該多個排氣口導(dǎo) 葉70在徑向安裝的外部凸緣和徑向安裝的內(nèi)部凸緣之間大致徑向延伸， 并且沿圓周分布在支管40內(nèi)。風扇框架裝置60還可以包括耦合在徑向 安裝的外部凸緣和徑向安裝的內(nèi)部凸緣之間的多個支柱。在一個實施例 中，風扇框架裝置60被制造成多個弓形部分，其中凸緣耦合到排氣口導(dǎo) 葉70和支柱。在一個實施例中，排氣口導(dǎo)葉和支柱同軸耦合在支管40 內(nèi)?？蛇x地，排氣口導(dǎo)葉70可以耦合在支管40內(nèi)的支柱的下游。[oois]風扇框架裝置60是燃氣渦輪發(fā)動機裝置10的各種框架和 支撐組件中的一種，用于協(xié)助保持各個部件在燃氣渦輪發(fā)動機裝置10內(nèi) 的定位。更特別地，這種框架和支撐組件連接固定部件并且提供旋翼軸 承座。風扇框架裝置60耦合在支管40內(nèi)風扇裝置12的下游，從而使得 排氣口導(dǎo)葉70和支柱沿圓周分布在風扇裝置12的排氣口周圍并且延伸 穿過從風扇裝置12排出的氣流通道。
圖2是可用于圖1所示風扇框架60的排氣口導(dǎo)葉的前視 圖。圖3是圖2所示排氣口導(dǎo)葉70的截面圖。圖4是另一個示例性排氣 口導(dǎo)葉70的截面圖。在該示例性實施例中，排氣口導(dǎo)葉70包括耦合在 外部徑向凸緣和內(nèi)部徑向凸緣之間的翼型102。翼型102、外部徑向凸緣 104和內(nèi)部徑向凸緣106可以被澆鑄或鑄造成一個整體的排氣口導(dǎo)葉 70?？蛇x地，外部徑向凸緣104和內(nèi)部徑向凸緣106可以使用例如焊接 或釬焊技術(shù)耦合到翼型102。
如圖3和4所示，翼型102包括第一側(cè)壁110和第二側(cè)壁 112。在一個實施例中，可以限定第一側(cè)壁110和/或第二側(cè)壁112的輪 廓以改進空氣動力性能。在該示例性實施例中，第一側(cè)壁110是凸面的 并形成翼型102的吸氣側(cè)，第二側(cè)壁112是凹面的并形成翼型102的壓 力側(cè)。側(cè)壁110和112在翼型102的前緣114和軸向分隔的后緣116處 接合。更特別地，翼型后緣116在翼型前緣114下游與其弦向分隔。第 一側(cè)壁110和第二側(cè)壁112分別在從內(nèi)部徑向凸緣106到外部徑向凸緣 104的跨距內(nèi)縱向或徑向向外延伸。在該示例性實施例中，排氣口導(dǎo)葉 70的至少一部分使用金屬材料制造，例如但不限于鈦，鋁，和/或金 屬模板復(fù)合物(腦C， Metal Matrix Composite)材料。
如圖3和4所示，翼型102是二體結(jié)構(gòu)，其包括結(jié)構(gòu)翼梁 72,該結(jié)構(gòu)翼梁72使用金屬材料例如鈦、鋁和/或金屬模板復(fù)合物 (MMC)材料制造。翼型102還包括導(dǎo)流罩74，其可以是軸向伸展和/ 或沿圓周傾斜的，使用緊固件例如螺釘76或者通過其他適當?shù)谋绢I(lǐng)域已 知緊固技術(shù)例如膠粘、鉚釘?shù)日掣降浇Y(jié)構(gòu)翼梁72上。更特別地，翼型102 具有從前緣114至少部分朝向后緣116逐漸向外變細并且還從后緣116 至少部分朝向前緣114逐漸向外變細的外形。在導(dǎo)流罩74和翼梁72之 間形成空腔78。圖3和4的實施例的區(qū)別在于，圖3中的導(dǎo)流罩74部 分圍繞翼梁72從而使得翼梁72成為翼型102的空氣動力表面的一部 分，而在圖4中，導(dǎo)流罩74完全圍繞翼梁72以形成完整的空氣動力表 面。翼梁72被近似設(shè)置在排氣口導(dǎo)葉70的前緣部分和后緣部分之間的 中心處。
空腔78還減少了排氣口導(dǎo)葉70的整體重量。在該示例性 實施例中，空腔78可以容納有各自的填充物，其中該填充物是相對較輕 質(zhì)的材料。這里所用的輕質(zhì)材料被定義為與用于制造翼梁72和導(dǎo)流軍74 的材料不同的材料，該翼梁72和導(dǎo)流革74是使用每體積重量大于該填 充物材料的每體積重量的材料制造的。在該示例性實施例中，例如可以 用泡沫聚苯乙烯(Styrofoam)來制造填充物。這樣，每個空腔具有一定的深度，對應(yīng)的各個填充物具有基本上等于空腔深度的厚度，從而使得 當把對應(yīng)的各個填充物定位在空腔78內(nèi)時，翼型102具有從翼型前緣114 到翼型后緣116基本平滑的流線型外形。在一個實施例中，填充物被制 造成分離的部件并安裝在空腔78內(nèi)。可選地，填充物被噴射或注射入空 腔78中，并且如果需要的話，可以用機器加工以形成相對平滑或流線型 的外表面，如上所述，在該外表面上粘附覆蓋材料。與填充物材料一起 或者代替填充物材料，還可以在空腔78中放置聲學(xué)處理或其他材料。如 果希望減小翼型102的重量，還可以將空腔78保持為空。
為了制造排氣口導(dǎo)葉70，可以鑄造或鍛造該結(jié)構(gòu)翼梁72。 然后如上所述，將填充物注射或耦合在空腔78內(nèi)。然后將覆蓋材料環(huán)繞
在翼型102的外周邊以形成導(dǎo)流罩74,然后用緊固件將其固定到翼梁72 上或通過其他方式將其定位。替代地，可以將導(dǎo)流罩74固定到翼梁72 上，然后如果需要的話，再將任何填充物材料注射或放置在空腔78內(nèi)。 覆蓋材料可以以四十五度角通過連續(xù)的行或?qū)油耆h(huán)繞翼型102。此外， 該導(dǎo)流罩有助于增加排氣口導(dǎo)葉70的整體結(jié)構(gòu)完整性，并且形成了相對 平滑的外表面以改進空氣動力性能。
在該示例性實施例中，導(dǎo)流罩74是一種復(fù)合材料。在該示 例性實施例中，導(dǎo)流罩74可以是一種玻璃纖維材料、石墨材料、碳材料、 陶瓷材料、芬芳聚酰胺材料例如KEVLAR、薄金屬材料和/或它們的混合 物?？梢允褂萌魏芜m當?shù)臒峁叹酆蠘渲瑏碇瞥捎糜趯?dǎo)流罩74的覆蓋材 料，例如乙烯基酯樹脂、聚酯樹脂、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氨基甲 酸乙酯樹脂、bismalimide res in和它們的混合物。 一般地，該覆蓋材 料被選擇為使得排氣口導(dǎo)葉的外表面能夠耐受由吸收到燃氣渦輪發(fā)動機 裝置10中的外部物質(zhì)引起的磨損和/或破壞。替代的導(dǎo)流罩配置可以使 用薄金屬纏繞在集成的導(dǎo)流罩上以防護這種磨損或破壞。導(dǎo)流軍74可以 通過螺釘或者其他方式沿其長度緊固到翼梁72上，然后在其前緣開槽放 入或粘合到吸音板中。
如圖1和2所示，不論翼梁72是基本為徑向還是包含任何 掃掠或圓周傾斜，導(dǎo)流罩74都會提供后掠和/或傾斜的流線型表面。 這樣可以為燃氣渦輪發(fā)動機性能提供空氣動力、聲學(xué)或其他方面的益 處。與徑向方向呈例如+/- 0-40度的掃掠角和/或70 +/- 0 - 30度的 圓周傾斜排氣口導(dǎo)葉可以提供聲學(xué)上的優(yōu)點，例如減少來自風扇裝置12 的噪音。
這里描述了 一種燃氣渦輪發(fā)動機，其中用 一種排氣口導(dǎo)葉代 替了至少一些已知的排氣口導(dǎo)葉，該排氣口導(dǎo)葉具有填充了相對較輕材 料并且纏繞有復(fù)合材料以形成較輕的排氣口導(dǎo)葉的基本中空內(nèi)部部分。 這樣，這里所述的示例性排氣口導(dǎo)葉就能夠減少該燃氣渦輪發(fā)動機裝置 的總重量，同時仍然保持結(jié)構(gòu)完整性，從而實現(xiàn)了用于新應(yīng)用的非常有 挑戰(zhàn)性的發(fā)動機重量目標。制造該排氣口導(dǎo)葉的方法包括制造含有由第 一材料制成的結(jié)構(gòu)翼梁、由第二材料制成并且至少部分環(huán)繞該翼梁的導(dǎo) 流罩的翼型，以及在前緣和后緣部分之間安裝填充部分，該填充部分由 比該第一和第二材料更輕的第三材料制造。
在一個實施例中，該翼梁基本上是實心的?？蛇x地，可以去 除每個翼梁的內(nèi)部部分以形成至少部分中空的翼梁，進一步減少排氣口 導(dǎo)葉的總重量(如圖2-4所示)。然后利用一種薄金屬材料或復(fù)合材料 覆蓋該排氣口導(dǎo)葉以保護該排氣口導(dǎo)葉不受固體顆粒的破壞。在一個實 施例中，使用金屬材料制造翼梁?？蛇x地，可以利用一種包含多個相對 于燃氣渦輪發(fā)動機軸11徑向定向的纖維織物的復(fù)合材料來制造翼梁。
因此，這里所述的排氣口導(dǎo)葉實質(zhì)上減少了燃氣渦輪發(fā)動機 裝置的總重量。例如，這里所述的排氣口導(dǎo)葉比已知的排氣口導(dǎo)葉輕30 %-50%。此外，由于這里所述的排氣口導(dǎo)葉包括結(jié)構(gòu)部件以及翼型以 使得氣流轉(zhuǎn)向，從而相對于常規(guī)設(shè)計可以減少大約50%的排氣口導(dǎo)葉數(shù) 量。該減少的排氣口導(dǎo)葉數(shù)量與軸向掃掠和圓周傾斜相結(jié)合，通過減少 風扇葉片的尾流干擾而獲得了聲學(xué)噪音方面的益處。為了利用減少的排 氣口導(dǎo)葉數(shù)量來保持空氣動力負載，需要增加翼弦長度和最大厚度。這 種翼弦長度和排氣口導(dǎo)葉最大厚度的增加需要更多的內(nèi)部空間，其可以 用輕體材料填充。類似地，可以調(diào)節(jié)翼梁前緣和后緣厚度以獲得框架剛 性需求和保持最小的翼梁軸向?qū)挾取?br> 替代地，可以使用這里所述的排氣口導(dǎo)葉重新設(shè)計該發(fā)動機 風扇裝置12。所得到的發(fā)動機相對于前述的設(shè)計將具有更小的風扇和排 氣口導(dǎo)葉直徑以及進一步減少的重量，但是沒有聲學(xué)噪音的益處。
雖然是通過各個特定實施例來描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員將會認識到，可以利用在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的修改來 實現(xiàn)本發(fā)明。部件列表10:燃氣渦輪發(fā)動機裝置11:縱軸12:風扇裝置13:核心燃氣渦輪發(fā)動機
14:高壓壓縮機16:燃燒室18:高壓渦輪20:低壓渦輪22.增壓壓縮機24風扇葉片26.旋翼盤28.進氣側(cè)30排氣側(cè)31第一旋翼軸32第二旋翼軸40:支管42:遮板44:分離機50:第一部分52:第二部分60:風扇框架裝置70:排氣口導(dǎo)葉72:結(jié)構(gòu)翼梁74:導(dǎo)流罩76:螺釘78'空腔102:翼型104:外部凸緣106:內(nèi)部凸緣110:第一側(cè)壁112:第二側(cè)壁114:前緣116:后緣
權(quán)利要求
1.一種用于制造燃氣渦輪發(fā)動機排氣口導(dǎo)葉(70)的方法，包括使用第一材料制造結(jié)構(gòu)翼梁(72)；使用第二材料制造導(dǎo)流罩(74)；和將所述導(dǎo)流罩(74)安裝到所述翼梁(72)上以便至少部分環(huán)繞所述翼梁(72)和形成翼型(102)。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括在結(jié)構(gòu)翼梁(72)和導(dǎo)流罩(74)之間安裝填充材料，該填充材料 是由比該第一和第二材料更輕的第三材料制造的。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括 用緊固件將所述導(dǎo)流罩(74)安裝到所述翼梁(")上。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括穿過所述翼梁(72)形成多個 開口以減少導(dǎo)流罩(102)的重量。
5. —種用于燃氣渦輪發(fā)動機(10)的排氣口導(dǎo)葉(70)，所述排氣 口導(dǎo)葉(70)包括具有前緣(114 )和后緣(116 )的翼型(102 ); 由第一材料制成并設(shè)置在所述翼型(102)內(nèi)的結(jié)構(gòu)翼梁(72);和 由第二材料制成并至少部分環(huán)繞所述翼梁(72)的導(dǎo)流罩(74)。
6. 如權(quán)利要求5所述的排氣口導(dǎo)葉(70)，還包括設(shè)置在所述結(jié)構(gòu) 翼梁(72)和所述導(dǎo)流罩(74)之間的由第三材料構(gòu)成的填充材料。
7. —種燃氣渦輪發(fā)動機裝置(10)，包括 核心燃氣渦輪發(fā)動機(13);設(shè)置在所述核心燃氣渦輪發(fā)動機上游的風扇裝置(12)，所述風扇 裝置(12)包括多個風扇葉片(24);和設(shè)置在所述風扇葉片(24)下游的多個排氣口導(dǎo)葉(70)，至少一 個所述排氣口導(dǎo)葉(70)包括具有前緣(114)和后緣(116)的翼型(102);由第一材料制成并設(shè)置在所述翼型U02)內(nèi)的結(jié)構(gòu)翼梁(72);和由第二材料制成并至少部分環(huán)繞所述翼梁(72)的導(dǎo)流軍(74)。
8. 如權(quán)利要求7所述的燃氣渦輪發(fā)動機裝置(10),所述排氣口導(dǎo) 葉(70)還包括設(shè)置在所述翼梁(72)和所述導(dǎo)流罩(74)之間的由第 三材料構(gòu)成的填充材料。
9. 如權(quán)利要求7所述的燃氣渦輪發(fā)動機裝置(10)，其中所述多個 排氣口導(dǎo)葉(70)包括一個掃掠角。
10. 如權(quán)利要求7所述的燃氣渦輪發(fā)動機裝置(10)，其中所述 多個排氣口導(dǎo)葉(70)包括相對于該徑向方向的圓周傾斜角。
全文摘要
一種用于制造排氣口導(dǎo)葉(70)的方法，包括步驟使用第一材料制造結(jié)構(gòu)翼梁(72)，使用第二材料制造導(dǎo)流罩(74)，和將該導(dǎo)流罩(74)安裝到該翼梁(72)上以便至少部分環(huán)繞該翼梁(72)和形成翼型(102)。一種排氣口導(dǎo)葉(70)包括具有前緣(114)和后緣(116)的翼型(102)，由第一材料制成并設(shè)置在該翼型(102)內(nèi)的結(jié)構(gòu)翼梁(72)，和由第二材料制成并至少部分環(huán)繞該翼梁(72)的導(dǎo)流罩(74)。一種燃氣渦輪發(fā)動機裝置(10)包括核心燃氣渦輪發(fā)動機(13)，包括耦合到該核心燃氣渦輪發(fā)動機(13)的多個風扇葉片(24)的風扇裝置(12)，和在下游耦合到該風扇葉片(24)的多個排氣口導(dǎo)葉(70)，至少一個排氣口導(dǎo)葉(70)包括具有前緣(114)和后緣(116)的翼型(102)，由第一材料制成并設(shè)置在該翼型(102)內(nèi)的結(jié)構(gòu)翼梁(72)，和由第二材料制成并至少部分環(huán)繞該翼梁(72)的導(dǎo)流罩(74)。
文檔編號F04D29/54GK101210577SQ20071030814
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)明者N·I·麥索泰, R·D·切達, R·J·奧爾蘭多, T·O·莫尼茲 申請人:通用電氣公司