凹坑非金属填料的机械保持方法和装置的制作方法

文档序号:5250013阅读:184来源:国知局
专利名称:凹坑非金属填料的机械保持方法和装置的制作方法
技术领域
本发明一般涉及蒸汽涡轮机,尤其涉及到混合叶片中形成的凹坑中材料的保持方法和装置以及减少对叶片的压力。
背景技术
汽轮机叶片(叶片)是在受到高离心负荷,振动压力,和对动叶的流体入射角变化的环境中运行。当这些负荷和压力接近叶片自然共振频率时,振动压力增大。当叶片振动处于谐振时,振动压力的幅度与系统中存在的阻尼(其中阻尼包括材料,空气动力学和机械部件)和激励水平成比例。对于连续连接的叶片,振动频率是整个系统的叶片的函数,而非单个叶片的函数。
混合叶片包括主要由金属材质但至少有一个非金属复合填充材料的“凹坑”的涡轮叶片(例如,蒸汽涡轮机叶片或燃气涡轮机叶片)。填充材料可包括带有连续玻璃纤维,碳纤维,KEVLAR或其他纤维加强物的聚酰亚胺或其他类型的聚合树脂(或其化合物),以获得带有原始翼型表面的合成基体。现在合成基体设计为在风力工况(叶片的低流量,高速“风车”)下具有高叶片温度的机组中使用。但是,高刚性高温组合物不能很好地依附于金属。
许多公开的专利已集中在用复合材料制造涡轮机叶片。例如,名称为“燃气涡轮机的多组件叶片”的美国专利5720597,描述了由金属和泡沫构成的燃气涡轮飞行器叶片,其带有复合表皮,侵蚀涂层或者两者兼备,名称为“蒸汽涡轮机的合金组件叶片”的美国专利6139728,公开了与美国专利5720597类似的结构装置,但是其应用于蒸汽涡轮机。但是,在这两份申请中,叶片上的凹坑的尺寸,形状,位置均受到限制。此外,名称为“失谐扇叶片装置和方法”的美国专利6042338描述了一种“推进发动机扇”和具有不同凹坑位置的不同类型的叶片,但是并未公开实质上具有带有不同肋条结构的基本上一个凹坑的叶片。而且,所公开的内容在第二或可选凹坑设计中限定凹坑径向位置为从叶顶到5%-38%跨度处,弦长从前缘部的15%到35%和后缘部的20%到45%处或类似限制。而且,这些专利中没有任何一件,记载或建议在凹坑中开一个直通窗来实现将聚合物或复合物夹持于叶片中的机械式的协助。

发明内容
一方面,本发明的一些配置提供了制造一种涡轮机叶片的方法,其包括设置一个在涡轮机叶片中的叶片,其带有多个贯穿所述叶片壁的窗凹坑,定位窗凹坑于能最小化或者至少减少对窗凹坑的应力集中的区域,在叶片中铸造一个包含树脂基体和织物材料层的复合物。
另一方面,本发明的一些配置提供了制造涡轮机叶片的方法。该方法包括设置在涡轮机叶片中的叶片,其带有多个贯穿所述叶片壁的窗凹坑,定位窗凹坑于能最小化或者至少减少对窗凹坑的应力集中的区域,在叶片中铸造包含树脂基体和织物材料层的复合物。
能够理解到,本发明的这些配置提供将聚合物或复合物夹持于叶片中的机械式协助。


图1示出了涡轮机叶片中多窗口凹坑的配置的透视图;图2示出了用来填充图1所示的凹坑的复合物的一部分的透视图;图3示出了按照本发明的配置装配入一个涡轮机中的多组叶片中的一些叶片的透视图;图4示出了单轴纤维定向的示例;图5示出了二轴纤维定向的示例;图6示出了类全向纤维定向的示例;图7示出了一个双流程低压蒸汽涡轮机的侧面截图,其示出了末级叶片的位置;图8示出了一个多窗口凹坑配置的侧视图。图8中的虚线表示凹处的轮廓。更特别地,围绕直通窗中之一的实线表示凸起的轮廓,而围绕直通窗中的两个的实线表示凹处轮廓;图9示出了带有多个窗口的叶片界面配置的顶视图;图10示出了具有多个纤维层的复合填料配置的部分侧视图。
具体实施例方式
本文使用的,词语“a”,“an”或者“一个”(特别地,“至少一个”)用于一个部件或者单个步骤或流程中时,它们应该被理解成不排除多个所述部件或步骤,除非明确描述将其排除在外。进一步地,本发明中提及到本发明的″一个实施例″(或者″其他实施例″)并不被解释为排除了也包括已被记载的特征的附加实施例的存在或者排除被记载为与本发明相关联的其他特征。而且,相反地如果明确的提出,″包含″或″具有″具有特别属性部件一个或多个部件的实施例可以包括一些不具备该属性的附加部件。
参照图1和图2,在本发明的一些构造中,提供一种对一排连续的安装或独立安装的涡轮机叶片20进行调准的方法来减少振动的振幅和/或阻尼特性。该方法包括在混合叶片部10构造中使用一个方向纤维16定位器。叶片部10可由带有一或多个凹坑11的金属性基体金属制造,其中凹坑可由聚合物或复合物填充。聚合物或复合物14可以是一种聚酰亚胺基的树脂或其他合适类型。复合物14包括如玻璃纤维,碳纤维,KEVLAR或其他类型的纤维16,这些纤维粘结于,举例来说,如聚酰亚胺基树脂基体的树脂基体18中。纤维16可被包含于一个单层,多层,在一或多个纤维层,或穿过基体18。纤维16定向器被选来以特定的方式来调准叶片部10和/或被用来″混合调准″该装置。换句话说,纤维定位器根据一个预先选定的叶片部10的调准来决定。在本发明的一些构造中,在复合物14搁置和固化过程中,频率特性通过调整纤维16定位器控制。本发明的一些构造通过对纤维16定位器和/或纤维16编织物进行微调来控制在由这些纤维制得的织物中不同方向上的应力和弹性模数。而且,复合填充材料和纤维定位器还有利于特定的调准和域与直通窗联合的叶片的阻尼设计,以在填料和叶片之间允许结构改善。
还有,参照图3到图7,在本发明的一些构造中,纤维16的特定定向器用来对独立的叶片部10频率进行调准。″混合调准″包括将一个具有频率特性的特定组22和一或多个其他频率特性的组24相结合。然后叶片20组22和24被组装(例如,交替地)成一排以获得涡轮机26(例如,蒸汽或燃气涡轮机)的改善的机械阻尼。根据最终″混合调准″期望值,可以有多于一组或两组不同的叶片20组。
应该注意到本发明的构造可以用于其他的环境允许的蒸汽或燃气涡轮机动叶或叶片(例如,燃气涡轮机前级压缩机叶片)。本发明的一些构造利于对一个连续安装或独立安装的叶片部10排的自然频率和动态响应的解调,而不需要改变空气动力学外形和效率。本发明的一些构造还具有单独对一个叶片10排进行调节的能力和在不改变空气动力学外形和效率的情况下对不满足设计要求的特定模式进行调节的能力。
本发明的一些构造具有在不改变空气动力学效率情况下,采用复合物定位器控制混合叶片的凹区域的刚度的方式来对单独的叶片频率调准的能力。纤维16可以采用不同的方式定向来对可控制特定叶片自然频率的方向上的刚度进行控制。复合物14设计为基于纤维类型,织法和定向在的不同方向上具有显著不同的应力和弹性模量。
参照图4到图6,本发明的一些构造提供了通过混合调准叶片排中叶片20的自然频率来抑制叶片排(连续安装或独立安装)的空气弹性变形的响应的能力。这些构造采用了带有纤维16加强刚性调节的混合长叶片部10设计。该调节可以通过使用不同织物材料16,织法和定向来控制不同方向上的刚度来实现。不同频率和特性的叶片部10还可以用来改变一个叶片组的自然频率(参考前述美国专利5931641,描述了一种混合叶片基体设计)。本发明的这些构造产生了至少两个截然不同的叶片20的叶片组22和24(参看图3)。每个组具有相同的空气动力学形状和外轮廓,但在叶片20凹处具有不同的组合填料14,因此就有意地改变了两组(或更多)叶片组22和24的自然频率。例如,在本发明的一些结构中,一叶片组22使用更高应力和″刚度″的复合材料14,而另一组22使用更低刚度和高阻尼材料14。例如还有,在一些构造中,第一组22采用定向于一个方向的纤维16(参见图4),第二组24采用定位于第二方向的纤维16。这样,两组和更多组的叶片20被有目的地制造和合理地安装,以利用它们在固有的自然频率上的不同来抑制叶片对于同步或非同步的振动的响应,并不会反向影响到叶片的空气动力学性能。
在本发明不同的构造中,纤维定向器,生产工艺或者两者的结合被用于改变单独叶片的基础自然频率,连续连接的叶片排的特定模式调准,或两者的结合。这样,在一些构造中,搁置的复合物具有在优选方向上对齐的更多的纤维,其影响了在利益相关方向上的刚度,从而控制或者转变频率。本发明的一些构造将织物材料的多个不同层定向为不同方向,这样以影响在两个或以上方向上的刚度,从而在每个方向上允许进行不同的刚度控制。
参见图6的本发明的一些构造中,使用一个准全向接头(例如
n,其中n是重复层序列数)或在一个基体(例如片状层压复合物或″SMCs″)中随机定向的长纤维,主要就如同上述描述过的″混合调准″装置一样。至少两组不同的叶片和其相应的自然频率响应以一种选择用来减少叶片排的净频率响应的方式进行安装。
在一些构造中,纤维定位器用来混合调准叶片排。更特别的,两组或更多组带有凹陷部和/或″凹坑″的叶片组装配于环上,凹陷部和/或“凹坑”主要沿着叶片的压力边安置。这些叶片组包括在涡轮机一个级中的一套叶片,一组叶片具有较其他组更高的共振频率或阻尼特性。在一个示例性的构造中,一组叶片配置使得一个自然频率等距离的布置在两个″per-rev″标准之间(例如4 per rev和5 per rev开口)。同时,另一组叶片具有可选择的纤维搁置定向,构造使得围绕另一组“per-rev”激励等距的设置(例如,3 per rev和4 per rev开口)当在复合树脂基体中采用不同的织物材料和定向时,会发生固有的不同阻尼和频率响应。复合纤维结构先于加工″凹坑″工艺前与树脂粘合剂一起来建立期望的翼形外形。
不同的叶片/凹坑几何结构的粒子在图中示出。图7示出了一个涡轮机配置中低压末级叶片的典型位置。本发明的结构可以在涡轮机中温度足够低并且叶片允许足够大的多个级中应用。本发明的结构还可以用在单级流动涡轮机中。
本发明的一些构造提供了一种减少在金属和复合物之间的粘性层中的剪应力的方法,同时提供复合物的主动的机械锁到叶片上。本发明的结构可应用于一或多个不同纤维或织物定向器层的复合物矩阵。
参考图8和图9,在本发明的一些结构中,对混合叶片部10构造设置了一个几何直通″窗″12凹坑11的结构。这些构造中的其中一些的凹坑11具有采用流道表面58向上到分界面56的逐渐倾斜面。窗12帮助复合材料14与叶片部10主动机械连接。此外,窗12还使复合物14和金属叶片部10之间的粘合层中的剪应力减小。
本发明的一些构造提供一种多窗口12构造,其促进了模层状复合材料14和叶片部10之间的机械连接的改善。由于复合材料14的高刚度,穿透叶片部10的壁是可行的。(在至少一种具有混合叶片的现有技术的构造中,使用的是低温和很小刚度的聚合物。在此现有技术中采用柔软的低温聚合物来穿过叶片壁是不可行的)在本发明的一些构造中,用于混合叶片部10的凹坑11的几何构造包括多个″窗″12,这些窗一直延伸穿透叶片壁52。凹坑11环绕边缘可以是凹陷或凸起的。对于凹陷或者凸起的选择可以根据经验作出,取决于在复合物分层过程中那种最有益和/或哪种具有最好的保持性能。窗12定位于选择用来最小化或者至少减少对于凹陷11和叶片设计的应力集中的区域54。窗口12可具有多个形状,这些形状可通过具有窗口12的叶片的有限元分析确定。在一些构造中,根据经验测试决定,窗12在窗口边缘既采用凹陷也采用凸起的表面。
在本发明的一些构造中,复合材料14包括织物16,如玻璃,碳,Kevlar或其他材料,其使用树脂粘合剂/填料18布置成层。例如,成层复合物14采用诸如单向保混剂或机织织物带制得。制造成层复合物的合适的方法包括在铸造过程中,将树脂注入纤维上。在一些构造中采用一个高温聚酰亚胺基体,但是其他具有耐高温能力的聚合物也是合适的。
本发明的在边缘处采用金属填料的设计不仅限于前缘,还可应用于所有边缘,包括但不仅限于,外侧或者径向外边缘。内侧边缘可设置一个具有高入射角的径向流道或者一个来自造成径向向外″湿″蒸汽流的离心负载的纯径向流。凹陷具有一个小或大的半径,其取决于靠近所讨论的边缘附近的翼型的厚度。该凹陷逐步的渗入凹坑的后壁,采用此种方式可减少应力集中。
本发明的一些构造在翼型的两边均具有″均衡压力薄板″,同时复合材料在凹坑处固化。均衡压力薄板在那些凹坑被机械加工去掉处形成翼型的形状。树脂填料用来在对″凹坑″加工工序之前重建翼型形状。
此外,本发明的一些构造提供一种将复合材料的附加机械连接件加入叶片凹坑中,从而减少在复合物和金属翼型之间的粘合层中的剪应力。而且,本发明的一些构造有利于改善叶片中的应力水平以使叶片能够形成为在其自由端附近具有较长的叶片长度或弦宽。
本发明的一些构造还在叶片内的复合基体中加入了主动机械性保持件。
这样,概括来说,再次参考图1和图2,本发明的一些构造提供了一种减少涡轮机叶片部(bucket)10的应力的方法,其中叶片包括金属性基体金属。该方法包括用聚合物或在树脂基体18中具有连续纤维16的复合物14来填充叶片部10中的一或多个凹坑11。纤维16具有一个与预先选定的叶片频率调节相一致而确定的定向。
参考图3至图7,在多个涡轮机叶片(blade)20的多个涡轮机叶片部10中可以重复该方法,其中叶片部10的预选定的频率调节在至少叶片20的第一组22和叶片20的第二组24之间不同。而且,一些方法包括装配叶片20的第一组22和叶片20的第二组24来实现涡轮机26的机械阻尼。该方法还能包括将第一组22中的叶片20可选的与第二组24中的叶片20进行装配。还有,在一些构造中,多个涡轮机叶片20具有同样的外部空气动力学外形和轮廓,叶片20至少包括两组22和24,一组24在叶片部10中具有比其他一组或多组24中更高强度或刚度中之一或二者均高的复合物14。在本发明的一些构造中,其中多个涡轮机叶片20具有同样的外部空气动力学外形和轮廓,并且叶片20至少包括两组22和24,该方法进一步包括将一组22中的纤维16以与其他一组或多组24相不同的方向定向于树脂基体18中。
参考图4-图6,本发明的一些构造还包括填充具有在至少两个方向上定向的纤维16的复合物14,其中在第一优选的方向36填充比不同的第二方向38上更多的纤维。参见图10,本发明的一些构造还包括采用织物材料的多个不同的层40和42对复合物14进行填充,其中纤维16在定向于不同方向的不同层中。复合物14能包含一种准全向的接头46,并且此方法还进一步包括将两组结构上不同的叶片48,50安装在一个结构中,以减少叶片排的净频率响应。在一些构造中,该复合物包括在基体18中随机定向的长纤维16,并且该方法包括将两组不同的叶片安装在一个结构中以减少叶片排的净频率响应。
另一方面再次参考图1到图7,本发明的一些构造提供了一个已调准的涡轮叶片20。该叶片具有至少一个包括金属基体金属的叶片10,其中一或多个凹坑11中填充有聚合物或者具有粘结于树脂基体18中的连续纤维16的复合物14。纤维16具有依据预先选定的叶片频率调节的确定的方向。本发明的一些构造包括多个涡轮叶片20,其包括至少具有调节到第一频率的叶片部10的叶片20的第一组22,和调节到一个不同的第二频率的叶片部10的叶片20的第二组24。将叶片20组装以获得燃气或蒸汽涡轮机26的机械阻尼。在一些构造中,多个叶片部10仅由第一组22和第二组24组成,并且具有第一组22的叶片部10的叶片20与具有第二组24的叶片部10的叶片20交替装配。本发明的一些构造包括多个具有同样外部空气动力学形状和轮廓的涡轮机叶片,并且叶片20包括至少两组22和24,每组在叶片部10中具有不同的复合物14。本发明的还有一些附加的构造包括多个具有同样空气动力学外形和轮廓的涡轮机叶片20,并且叶片包括至少两组22和24。在这些构造中,一组22在叶片部10中具有较其他一或多组24的更高强度和/或更大刚度的复合物14。还有其他的构造包括多个涡轮机叶片20具有同样空气动力学外形和轮廓。但是,叶片20包括至少两组22和24,其中一组22中和另外一组或多组24中的纤维16定向于不同方向。
本发明的一些构造提供涡轮机叶片20,其中复合物14包括定向于至少两个方向上的纤维16,其中在第一优选方向36填充比一个不同的第二方向38上更多的纤维16。而且,参见图10,本发明的一些构造提供涡轮机叶片20,其中复合物14包括多个不同的织物材料层40和42,其中在不同层40和42中的纤维16定位在不同的方向上。
本发明的其他一些构造提供多个涡轮机叶片20,其中复合物14包括一种准全向的接头46或者在基体18中随机定向的长纤维16。两组结构上不同的叶片部10安装在一个构造中以减少叶片排的净频率响应。
本发明的其他一些构造还提供了一种涡轮机叶片20,其具有多个全部穿透叶片部10的壁52的窗凹坑11的叶片部10。窗12定位于最小化或至少减少窗凹坑11的应力集中的区域54,并且叶片20进一步包括复合材料14,其包括树脂基体18和织物材料层44。
可以认识到,本发明的构造提供了将聚合物或复合材料保持于叶片内的机械协助。可以了解到本发明提高了外叶片部的强度从而有利叶片应力水平的减少,尤其利于调准叶片或阻尼构造。
当本发明以不同的特定实施例进行描述时,本领域技术人员会认识到在权利要求的精神和范围内本发明可以实施修改。
部件列表10 叶片部11 凹坑12 窗14 复合物16 纤维18 基体20 叶片22 第一组24 第二组26 燃气或蒸汽涡轮机36 优选方向38 第二方向40 不同层42 不同层44 织物材料46 准全向接头48 叶片部50 叶片部52 叶片壁54 区域56 分界面58 流道表面
权利要求
1.一种涡轮机叶片(20),其包括叶片部(10),该叶片部具有多个穿透所述叶片部的壁(52)的窗凹坑(11),所述多个窗凹坑定位在便于减少在所述多个窗凹坑处的应力集中的区域(54)中,和包括树脂基体(18)和多个织物材料层(40,42)的复合物(14)。
2.如权利要求1所述的涡轮机叶片(20),其中所述多个窗凹坑(11)定位于利于最小化所述叶片的应力集中的区域(54)中。
3.如权利要求2所述的涡轮机叶片(20),其中所述多个窗凹坑(11)根据带有所述多个窗凹坑(11)的所述叶片部(10)的有限元分析来进行定位。
4.如权利要求1所述的涡轮机叶片(20),其中所述复合物包括置于层(40,42)中的织物材料和树脂粘合剂。
5.如权利要求4所述的涡轮机叶片(20),其中所述织物材料(44)包括玻璃、碳和含有玻璃纤维(16)的织物中的至少一种。
6.如权利要求4所述的涡轮机叶片(20),其中所述织物材料(44)包括至少一个预浸渍单向机织织物带,其中机织织物带有在铸造过程中注入纤维(16)中的树脂粘合剂。
7.如权利要求4所述的涡轮机叶片(20),其中所述树脂粘合剂包括一个高温聚合物。
8.如权利要求7所述的涡轮机叶片(20),其中所述高温聚合物包括聚酰亚胺。
9.如权利要求1所述的涡轮机叶片(20),其中所述多个窗凹坑(11)由外边缘限定,所述多个窗凹坑是围绕它们边缘的凹陷和凸起之一。
10.如权利要求1所述的涡轮机叶片(20),其中所述多个窗凹坑(11)临近所述涡轮机叶片的前缘处进行设置。
全文摘要
一种制造涡轮机叶片(20)的方法,该方法包括在涡轮机叶片上设置一个叶片部(10),其带有多个全部穿透该叶片部的壁(52)的窗凹坑(11),将该窗凹坑(11)定位于最小化或至少减少窗凹坑的应力集中的区域(54),铸造包括树脂基体(18)和在叶片部中的织物材料(44)层的复合物。
文档编号F01D5/28GK101059080SQ20071010353
公开日2007年10月24日 申请日期2007年3月30日 优先权日2006年3月31日
发明者S·S·伯德吉克, C·拉诺, A·马金德, 林玫玲 申请人:通用电气公司
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