具有可分离的复合叶片的复合增压器转轴的制作方法

文档序号:11141631阅读:305来源:国知局
具有可分离的复合叶片的复合增压器转轴的制造方法与工艺

公开的实施例大体上关于用于在燃气涡轮发动机中使用的非金属增压器转轴。更具体而言,但不经由限制,本实施例涉及具有延伸穿过增压器转轴的可分离的非金属(例如,复合)叶片的非金属(例如,复合)增压器转轴。



背景技术:

典型的燃气涡轮发动机大体上拥有前端部和后端部,其中其若干芯部或推进构件沿轴向定位在它们之间。空气入口或进气口在发动机的前端部处。按顺序朝后端部移动,进气口后接发动机芯部,其包括高压压缩机、燃烧室和高压涡轮。由本领域技术人员将容易显而易见的是,附加的构件还可包括在发动机中,如例如,低压压缩机和低压涡轮。然而,这不是详尽的清单。发动机还典型地具有内部轴,其沿发动机的中心纵向轴线轴向地设置。内部轴连接于涡轮和空气压缩机两者,使得涡轮提供旋转输入至空气压缩机,以驱动压缩机叶片。

在操作中,空气在压缩机中加压,并且在燃烧器中与燃料混合,用于生成热燃烧气体,其向下游流动穿过涡轮级。这些涡轮级从燃烧气体抽取能量。高压涡轮首先从燃烧器接收热燃烧气体,并且包括定子喷嘴组件,其将燃烧气体向下游引导穿过从支承转子盘沿径向向外延伸的一排高压涡轮转子叶片。在两级涡轮中,第二级定子喷嘴组件定位在第一级叶片下游,第一级叶片继而后接从第二支承转子盘沿径向向外延伸的一排第二级转子叶片。涡轮将燃烧气体能量转换成机械能,其中各组定子导叶转向,并且使燃烧气体加速来接合(engage)相邻的一排旋转涡轮叶片。

也称为增压器的低压压缩机位于风扇后方。增压器包括转轴,其与多个叶片一起旋转以增大空气压力。当前的转轴结构由金属或复合物/金属系统形成。这些系统还包括叶片,其与转轴集成地形成。此类集成形成导致用于发动机的更困难的维护。例如,如果一个集成叶片破裂,则整个转轴或其较大区段必须替换,以便替换叶片,并且这导致执行起来更困难且更复杂的维护。

如可由前文所见,将合乎需要的是克服燃气涡轮发动机内的这些和其它缺陷。燃气涡轮发动机(尤其是航空行业中使用的那些)中的连续改进目标中的一个在于通过发动机构件的重量减轻来改进性能。因此,将合乎需要的是,在低压压缩机或增压器中提供更轻质的组件以降低组件的重量并且改进性能。还将合乎需要的是以如下方式提供此类轻质构造,使得不必要求为了单个结构破裂或替换而替换整个组件或其较大部分。

包括在本说明书的该背景技术部分中的信息(包括本文中引用的任何参考文献和其任何描述或论述)仅出于技术参考目的被包括,并且将不看作是本发明的范围将由其界定的主题。



技术实现要素:

根据本实施例或其方面,提供了一种具有可分离的复合叶片的复合增压器转轴。叶片从转轴的内圆周内沿径向插入,并且向外延伸穿过转轴。系统提供了相比于现有技术的金属或复合物/金属组合系统减轻重量的组件。此外,叶片为可分离的,这导致优于完全集成的系统的更可现场服务的组件,在该完全集成的系统中,叶片和转轴由复合物或金属和复合物的组合集成地形成。此外,叶片可形成为没有平台,这显著地降低了制造的复杂性。

根据一些实施例,增压器组件包括具有前端部和后端部的非金属转轴、多排孔,孔绕着转轴沿周向延伸、从转轴的内侧到外侧延伸穿过孔的多个沿径向可除去的非金属叶片,并且多个可除去的非金属叶片均具有沿转轴的内侧固持非金属叶片的固位特征,并且多个非金属叶片是可除去的。

可选地,非金属叶片和非金属转轴由相同材料形成。根据其它实施例,非金属叶片和非金属转轴由不同材料形成。非金属转轴和非金属叶片由陶瓷基质复合物、陶瓷复合物、碳复合物、聚合复合物中的至少一种形成。孔可沿轴向延伸,或者可与发动机轴线成角延伸。孔可沿径向方向为恒定厚度或变化厚度。孔可为长形槽口、圆形,或多边形形状。增压器组件还可包括开环,其设置在转轴内,并且抑制多个叶片在旋转停止时沿径向向内落下。槽口可沿径向方向成锥形。转轴可具有第一区、第二区和第三区。第一区可为多向层叠。第二区可为周向层叠。第三区为轴向层叠。增压器组件还可包括设置在转轴与叶片之间的RTV密封件。

该发明内容提供成以简化形式介绍构思的选择,该构思在下面在具体实施方式中进一步描述。该发明内容不旨在识别要求权利的主题的关键特征或基本特征,也不旨在用于限制要求权利的主题的范围。特征、细节、效用和优点的更广泛展示在各种实施例的以下书面描述中提供,在附图中示出,并且在所附权利要求中限定。

附图说明

本实施例的以上提到和其它的特征和优点,以及获得它们的方式将变得更加显而易见,并且具有可分离复合叶片的复合增压器转轴(包括其方法)将通过参照连同附图进行的实施例的以下描述来更好理解,在该附图中:

图1为示例性燃气涡轮发动机的侧视截面视图;

图2为包括单个叶片的部分增压器转轴的透视图;

图3为包括多级叶片槽口的部分复合转轴的透视图;

图4为示例性复合叶片的透视图;

图5为包括多个复合叶片的示例性转轴的侧视截面;以及

图6为延伸穿过示例性实施例的复合转轴的单个复合叶片的截面视图。

具体实施方式

现在将详细参照提供的实施例,其一个或更多个实例在附图中示出。各个实例经由阐释公开的实施例提供,而不限制公开的实施例。实际上,对本领域技术人员而言将显而易见的是,可在本实施例中作出各种改型和变型,而不脱离本公开的范围或精神。例如,示为或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例一起使用以还产生又一个实施例。因此,意图是,本发明覆盖归入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。

参照图1-6,绘出了具有可分离的非金属叶片的非金属增压器转轴的各种实施例。燃气涡轮发动机增压器或低压压缩机由环形形状的非金属材料(例如,复合物)形成,该环形形状的非金属材料具有其中的多个孔。孔从转轴的内部收纳沿径向向外延伸的非金属叶片(例如,复合物)。转轴可具有单级或单排叶片,或者作为备选,可具有多个级,其包括对应的多排叶片。

如本文中使用的,用语"轴向"或"轴向地"是指沿发动机的纵轴线的维度。连同"轴向"或"轴向地"使用的用语"前"是指沿朝发动机入口的方向移动,或者构件相比于另一个构件相对更接近发动机入口。连同"轴向"或"轴向地"使用的用语"后"是指沿朝发动机喷嘴的方向移动,或者构件相比于另一个构件相对更接近发动机喷嘴。

如本文中使用的,用语"径向"或"径向地"是指在发动机的中心纵向轴线与发动机外周之间延伸的维度。以它们自身或结合用语"径向"或"径向地"的用语"近侧"或"近侧地"的使用是指沿朝中心纵向轴线的方向移动,或者构件相比于另一个构件相对更接近中心纵向轴线。以它们自身或结合用语"径向"或"径向地"的用语"远侧"或"远侧地"的使用是指沿朝发动机外周的方向移动,或者构件相比于另一个构件相对更接近发动机外周。

如本文中使用的,用语"侧向"或"侧向地"是指垂直于轴向维度和径向维度两者的维度。

所有方向表示(例如,径向、轴向、近侧、远侧、上、下、向上、向下、左、右、侧向、前、后、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、顺时针、逆时针)仅用于识别目的,以有助于读者理解本发明,并且不产生特别是关于位置、定向或本发明的使用的限制。连接表示(例如,附接、联接、连接和连结)将被宽泛地解释,并且可包括一系列元件之间的中间部件,以及元件之间的相对移动,除非另外指出。就此而言,连接表示不一定意味着两个元件直接地连接,并且与彼此成固定关系。示例性图仅出于图示目的,并且所附的图中反映的大小、位置、顺序和相对尺寸可变化。

首先参照图1,示出了燃气涡轮发动机10的示意性侧视截面视图,燃气涡轮发动机10具有发动机入口端部12,其中空气进入推进器或芯部13,其大体上由压缩机14、燃烧器16和多级高压涡轮20限定。共同地,推进器13在操作期间提供推力或动力。燃气涡轮10可用于航空、发电、工业、船舶等。

在操作中,空气进入穿过发动机10的空气入口端部12,并且移动穿过至少一个压缩级,其中空气压力增大并且引导至燃烧器16。压缩的空气与燃料混合并且焚烧,提供热燃烧气体,其朝高压涡轮20离开燃烧器16。涡轮20关于中心线26轴对称,并且包括转子盘和多个沿周向间隔开的叶片。在高压涡轮20处,能量从热燃烧气体抽取,引起涡轮叶片旋转,这继而引起轴24旋转。取决于涡轮设计,轴24朝发动机的前部经过,以继续一个或更多个压缩机级14、涡扇18或入口风扇叶片的旋转。涡扇18由轴28连接于低压涡轮21,并且产生推力用于涡轮发动机10。低压涡轮21还可用于抽取另外的能量和对附加的压缩机级供能。高压空气还可用于协助冷却发动机的构件。

燃气涡轮10关于发动机轴线26或轴24为轴对称的,以使各种发动机构件绕着其旋转。轴对称的轴24延伸穿过涡轮发动机前端部到后端部中,并且沿轴结构的长度由轴承轴接。轴绕着发动机10的中心线26旋转。轴24可为中空的,以允许其中的低压涡轮轴28旋转,并且独立于轴24的旋转。轴28也可绕着发动机的中心线轴线26旋转。在操作期间,轴28连同连接于轴的其它结构,如涡轮的转子组件一起旋转,以便产生动力或推力用于动力和工业或航空使用领域中使用的各种类型的涡轮。

风扇18的后方和高压压缩机14的前方是低压压缩机(也称为增压器30)。增压器30接收来自发动机进气口和风扇18的空气。来自风扇18的空气移动至分流器29,并且移动穿过旁通导管27或到增压器30中。增压器30在空气移动到发动机芯部13中之前提供空气的初始压缩。

现在参照图2,绘出了燃气涡轮发动机增压器30的一部分的透视图。增压器30包括沿周向延伸的转轴31。转轴31以半圆形形式示出,但是可为限定全部周向形式的单个结构,或者可由用以限定周向形式的两个或更多个区段形成。增压器30以半圆形形状绘出,并且可由形成圆形结构的两个区段形成,或者可由单件形成,或者在另外的备选方案中,可由多个区段形成。增压器30包括第一轴向端部32,其为更接近风扇18(图1)定向的前端部。增压器30还沿轴向朝第二后端部34延伸。增压器30示为具有增压器叶片组件50,其从增压器30沿径向向外延伸,并且叶片与邻近增压器叶片组件50的导叶排(未示出)互相交叉。这些增压器导叶可从非可旋转的环形结构沿径向向内延伸,并且可定位在各个增压器叶片组件50的前方或后方。

在增压器30的前端部32处,直径为较小的,并且沿向后方向移动而成锥形至较大直径。锥形区段36从第一端部32延伸,并且朝增压器叶片组件50的第一级成锥形。凸缘38沿该锥形结构36沿径向延伸,以便支承引导空气流或抑制空气从增压器叶片组件50沿向前方向泄漏的结构。

增压器转轴31连同增压器叶片组件50一起旋转,以接收来自风扇18的空气,并且在低压压缩空气在高压压缩机14处到达芯部13之前开始压缩增压器中的空气。因此,增压器向芯部13提供接收的空气的初始压缩。

转轴31包括多个孔40,其绕着转轴31成一个或更多个周向排延伸。示出了单排,但转轴30可包括沿轴向方向间隔开的附加排。孔40可包括不同形状,并且根据一个实施例为长形槽口,其允许增压器叶片组件50经过。然而,各种孔尺寸可使用,使得增压器叶片组件50可穿过其,并且可由固位结构或肩部52(图4)从下方密封。

增压器转轴31可由非金属材料形成。对于非限制性实例,非金属可为复合材料。类似地,叶片组件51可由非金属如复合物形成。复合物必须考虑保持增压器转轴31的完整性。在转轴31中施加的主要的力沿周向方向,并且因此,用以耐受环向应力的能力为重要的。作为备选,关于增压器叶片组件50,沿径向施加的力为主要的。复合材料典型地包括树脂,如,环氧树脂,其具有较低固有强度。复合材料可具有高于金属的特定强度,因为包括了可沿相同方向嵌入在复合材料的基质内的多条纤维。纤维大体上在张力上最强,并且因此,纤维放置成沿此类定向布置纤维。复合材料可包括碳复合物、陶瓷基质复合物、聚合复合物以及可在使用或不使用基质内的纤维的情况下增强的各种其它复合材料。复合物可包括节段或连续板层或带,并且可关于转轴31以螺旋或纯周向布置缠绕。此外,层叠可沿单个定向或多向定向来形成。

此外,在建造复合材料的层时,复合带可沿一个方向卷绕,或者可沿多个方向。例如,一层可沿顺时针方向放置,而相邻区段可沿逆时针方向放置。

甚至进一步,一个或更多个层可沿轴向或与轴向方向成角延伸。孔40示为长形槽口。这些槽口可沿纯轴向方向布置,或者可关于轴向方向成角。在示例性实施例中,孔40与纯轴向定向成角。增压器30从增压器装置的内侧收纳复合叶片50。孔40可在复合转轴材料的层叠期间形成,或者此后经由任何适合的机加工或制造方法形成。

现在参照图3,绘出了增压器转轴131的备选实施例。转轴131与第一实施例的差别在于,其包括在前端部132与后端部134之间沿其轴向方向的多个级,而非单级。级由成排的孔140限定,成排的孔140沿周向布置。第一级包括可具有各种形状的多个孔140。在目前的实施例中,孔为长形的,以限定槽口,该槽口沿轴向方向延伸,或者作为备选,可与轴向方向成角。第二级142示为在第一级141后方。第三级143和第四级144跟随第一级和第二级,如所绘。级的孔140可全部沿轴向方向对准,或者可关于轴向方向成角。此外,级可以以相同的角设置,或者均具有不同的角。此外,孔140可沿轴向方向与前方和后方的孔140对准,或者作为备选,可在沿轴向方向从第一级141移动至第四级144时沿周向偏移。此外,可使用各种孔形状,并且级之中的孔形状可为相同形状,或者可改变形状和/或尺寸。更进一步,孔40,140可从径向内侧的开口尺寸到径向外侧的开口尺寸成锥形。

现在参照图4,绘出了示例性非金属叶片组件50的透视图。组件50包括叶片51和固位特征52。固位特征52在叶片51的下端部处,固位特征52可由肩部、燕尾部、凸缘,或抑制叶片组件50沿径向向外完全穿过孔40,140的其它形状的结构限定。叶片51包括在叶片的末端端部58与基部60之间延伸的前缘54和后缘56。叶片51包括绘出的压力侧62,以及以虚铅线绘出的相对的吸入侧64。叶片51限定翼型形状,其也由如先前所述的复合材料形成。这些复合物可为陶瓷基质复合物、碳复合物、聚合材料,或由多层的带或片限定的其它复合物,该多层的带或片由连续长度或短节段形成,并且可缝合在一起,单独模制或者进行一些组合来就位以限定叶片。带或节段可沿单个方向放置,或者可沿多维度方向转向,以便改进强度。作为备选,复合物可包括多维度织造预成形结构。复合叶片构造允许定制叶片中的抗弯且径向的刚度和强度,以最佳地匹配在两个方向上的需要。

固位特征52在翼型件的下端部处,固位特征52可为肩部或块,如所示,或者作为备选,可为燕尾部或任何其它形状。固位特征52具有大于孔尺寸40,140的尺寸,以使叶片50从转轴31,131的径向内侧定位并且向外延伸,直到固位特征52接合转轴31,131的内表面。

系统提供了相比于现有技术的金属或复合物/金属组合系统减轻重量的组件。此外,叶片为可分离且可独立替换的,这导致优于完全集成的系统的更可现场服务的组件,在该完全集成的系统中,叶片和转轴由复合物或金属和复合物的组合集成地形成。此外,由于相邻叶片之间的流动路径表面由转轴自身而非与叶片相关联的特定轮廓的平台形成,故叶片可形成为没有平台,这显著地降低制造复杂性。

现在参照图5,绘出了增压器组件130的侧视截面视图。转轴131示为具有前端部132,以及朝转轴131的叶片区域且朝后端部134向上延伸的锥形区段136。叶片组件50布置成限定级141, 142, 143, 144的四排。叶片51延伸穿过孔140,并且固位特征52由孔捕获,阻止叶片51沿径向完全延伸穿过转轴131。

另外,视图中绘出了用于转轴131的层叠的各种区。第一区170绘出在叶片组件50之间以及在第一叶片组件50的前方。第一区170可为多向层叠,其中复合材料的各种层以多个定向层叠,以便增大强度。第二区172提供限定用于定位叶片组件50的孔40,140的区域中的增大的厚度。第二区172提供主要沿周向层叠的复合材料,以在该区域中提供增大的环向强度。其中限定孔40,140的第三区174可以以主要沿轴向定向的板层层叠,以便增大沿轴向方向的强度。孔140可在复合转轴材料的层叠期间形成,或者此后经由任何适合的机加工或制造方法形成。

此外,固位环80在各排叶片51和固位特征52下方。固位环80限定为半圆形形状,其周长大于沿成排叶片限定的圆周。固位环80将沿径向向外的力提供在叶片51和固位特征52上,以使在发动机停止或处于低速时,叶片不可沿径向向内落下穿过转轴131。固位环80可由金属部分形成,或者可由复合物形成。

图6中示出了单个叶片51、固位特征52和孔140的近视图。示出了复合材料的第一区170、第二区172和第三区174。第三区174可为恒定径向厚度,或者可由变化的厚度形成。

出于图示目的提出了结构和方法的前述描述。其不旨在为详尽的或将结构和方法限于公开的准确形式和/或步骤,并且明显地,许多改型和变形鉴于以上教导是可能的。本文中所述的特征可以以任何组合来组合。本文中所述的方法的步骤可按物理上可能的任何次序执行。理解的是,尽管示出和描述了复合结构的某些形式,但其不限于此,并且改为将仅由所附的权利要求限制。

尽管本文中描述和示出了多个发明实施例,但本领域技术人员将容易构想出用于执行功能和/或获得结果和/或本文中所述的优点中的一个或更多个的多种其它手段和/或结构,并且此类变型和/或改型中的各个认作是在本文中所述的实施例的范围内。更大体而言,本领域技术人员将容易认识到,本文中所述的所有参数、大小、材料和构造意在为示例性的,并且实际的参数、大小、材料和/或构造将取决于发明教导用于其的特定应用或多个应用。本领域技术人员将认识或能够使用仅例行试验确定本文中所述的特定发明实施例的许多等同方案。因此,将理解的是,前述实施例仅经由实例提出,并且在所附权利要求和其等同物的范围内,发明实施例可除如具体描述和要求权利的之外实践。本公开的发明实施例针对本文中所述的各个独立特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。此外,两个或更多个此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合(如果此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不相互矛盾)包括在本公开的发明范围内。

实例用于公开实施例(包括最佳模式),并且还使得本领域技术人员能够实践设备和/或方法(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。这些实例不旨在为详尽的或将本公开限于公开的准确步骤和/或形式,并且许多改型和变型鉴于以上教导是可能的。本文中所述的特征可以以任何组合来组合。本文中所述的方法的步骤可按物理上可能的任何次序执行。

如本文中限定和使用的任何定义应当理解为先于词典定义、通过引用并入的文献中的定义,和/或限定用语的普通意义。如本文中在说明书和权利要求中使用的不定冠词"一"和"一个",除非清楚地相反指出,否则应当理解为意思是"至少一个"。如本文中在说明书和权利要求中使用的短语"和/或"应当理解为意思是如此联合的元件中的"任一个或两者",即,在一些情况中共同出现并且在其它情况中分开出现的元件。

还应当理解的是,除非清楚地相反指出,在包括一个以上的步骤或动作的本文中要求权利的任何方法中,方法的步骤或动作的顺序不一定限于叙述方法的步骤或动作的顺序。

在权利要求中,并且在以上说明书中,所有过渡措词如"包括"、"包含"、"承载"、"具有"、"容纳"、"涉及"、"保持"、"组成"等将理解为开放性的,即,意思是包括但不限于。仅过渡措词"由…构成"和"基本上由…构成"应当分别是封闭或半封闭的过渡措词。

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