复合盘的制作方法

本发明涉及燃气涡轮发动机转子盘，且尤其涉及在燃气涡轮发动机风扇和升压级中使用的转子盘。

背景技术：

燃气涡轮发动机金属转子盘大体用于保持叶片。风扇和升压级中的转子盘承载显著的离心径向力，且因此通常具有用于叶片固定的轴向槽。径向力在发动机操作期间生成径向和切向应力两者。此外，风扇叶片偏斜FBO或叶片偏斜事件可引入高负载。金属转子盘的相对重的重量增加负载和应力。

已经在诸如美国专利第4747900号、第4786347号和第7491032号的若干专利中公开了用于在燃气涡轮发动机中使用的整合复合物的有叶片的转子。整合复合物的有叶片的转子经受大的力，其在设计转子的结构时必须被考虑以保持其完整性。在转子盘区域中，主要的力沿周向方向施加，所以吸收环向应力的能力是重要的，然而，在翼型件叶片中，径向施加的力占优势。在这种转子中使用的复合材料典型地包括树脂(诸如环氧树脂)，其具有低固有强度。由于包含嵌入在复合材料的基质中的通常为相同材料的纤维，复合材料具有比金属的比强度更高的比强度。众所周知，纤维在受拉方面最强，所以成品构件中的力的方向将至少部分地确定其强度。

高度期望具有一种用于制造轻量、坚固且容易制造的燃气涡轮转子盘的设计和方法。还期望具有容易组装和拆卸的复合叶片的转子。还期望具有带有复合叶片的容易检修的转子，其在一个损坏的情况下可单独地检修。

技术实现要素：

燃气涡轮发动机复合盘包括在盘柱之间从复合盘的径向外部周边沿径向朝内延伸的燕尾槽、围绕中心线轴线限定的复合叠层的毂环以及沿径向远离毂环延伸且延伸到盘柱中的径向叠层。复合叠层可缠绕成螺旋形，或者复合叠层在截面中可为同心、环形和圆形的。

复合盘还可包括外皮，其带有围绕复合盘沿周向延伸、覆盖盘柱且定界其间的燕尾槽的一个或多个最外部复合覆盖叠层。

复合盘可包括分段中间环，其与毂环同心且定位在毂环的径向外侧，且包括环形中间环节段。中间环节段中的每一个包括嵌套叠层，且嵌套叠层中的每一个包括围绕中心线轴线限定的环形基底以及在环形基底的顺时针端和逆时针端处大致沿径向延伸的顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂，其中，径向叠层包括顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂。

复合盘可包括外部分段环，其与分段中间环同心且定位在分段中间环的径向外侧，且包括环形外部环节段，且外部环区段中的每一个包括周向堆叠复合叠层，其在大致径向延伸的顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂之间且在环形基底的径向外侧设置在中间环节段中的每一个内。

燕尾槽可朝底部外扩。

技术方案1. 一种燃气涡轮发动机复合盘，包括：

燕尾槽，其在盘柱之间从所述复合盘的径向外部周边沿径向朝内延伸，

围绕中心线轴线限定的复合叠层的毂环，以及

径向叠层，其沿径向远离所述毂环延伸且延伸到所述盘柱中。

技术方案2. 根据技术方案1所述的复合盘，其中，所述复合盘还包括缠绕成螺旋的所述复合叠层或在截面中是同心、环形和圆形的所述复合叠层。

技术方案3. 根据技术方案1所述的复合盘，其中，所述复合盘还包括外皮，其包括在所述复合盘周围沿周向延伸、覆盖所述盘柱且定界其间的燕尾槽的一个或多个最外部复合覆盖叠层。

技术方案4. 根据技术方案1所述的复合盘，其中，所述复合盘还包括：

分段中间环，其与所述毂环同心且定位在所述毂环的径向外侧，

所述中间环包括环形中间环节段，

所述中间环节段中的每一个包括嵌套叠层，且

所述嵌套叠层中的每一个包括围绕所述中心线轴线限定的环形基底以及在所述环形基底的顺时针端和逆时针端处大致沿径向延伸的顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂，其中，所述径向叠层包括所述顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂。

技术方案5. 根据技术方案4所述的复合盘，其中，所述复合盘还包括外皮，其包括在所述复合盘周围沿周向延伸、覆盖所述盘柱且定界其间的燕尾槽的一个或多个最外部复合覆盖叠层，且所述外皮覆盖所述顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂的径向外部边缘。

技术方案6. 根据技术方案5所述的复合盘，其中，所述复合盘还包括：

所述毂环中的周向复合叠层、所述环形基底，且所述外皮覆盖所述盘柱的柱顶部和所述燕尾槽的底部；

所述周向复合叠层包括周向定向纤维；

所述顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂中的径向复合叠层，且所述外皮沿着所述盘柱的径向延伸的柱侧定界所述燕尾槽；且

所述径向复合叠层包括径向定向纤维。

技术方案7. 根据技术方案4所述的复合盘，其中，所述复合盘还包括：

外部分段环，其与所述分段中间环同心且定位在所述分段中间环的径向外侧，

所述外部分段环包括环形外部环节段，且

所述外部环节段中的每一个包括周向堆叠复合叠层，其在大致径向延伸的顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂之间且在所述环形基底的径向外侧设置在所述中间环节段中的每一个内。

技术方案8. 根据技术方案7所述的复合盘，其中，所述复合盘还包括：

外皮，其包括在所述复合盘周围沿周向延伸的一个或多个最外部复合覆盖叠层；

所述外皮覆盖所述外部环节段和所述盘柱且定界其间的燕尾槽；且

所述外皮覆盖所述顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂的径向外部边缘。

技术方案9. 根据技术方案8所述的复合盘，其中，所述复合盘还包括：

所述毂环中的周向复合叠层、所述环形基底，且所述外皮覆盖所述盘柱的柱顶部和所述燕尾槽的底部；

所述周向复合叠层包括周向定向纤维；

所述顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂中的径向复合叠层，且所述外皮沿着所述盘柱的径向延伸的柱侧的定界所述燕尾槽；以及

所述径向复合叠层包括径向定向纤维。

技术方案10. 根据技术方案9所述的复合盘，其中，所述复合盘还包括朝所述底部外扩的所述燕尾槽。

技术方案11. 一种燃气涡轮发动机复合盘和叶片组件，包括：

复合盘，其包括在盘柱之间从所述复合盘的径向外部周边沿径向朝内延伸的燕尾槽，

所述燕尾槽包括盘柱之间的底部，

叶片具有附连到外扩燕尾件根部的翼型件，

所述燕尾件根部设置在所述燕尾槽中，

所述燕尾件根部保持在匹配的外扩燕尾槽中，

围绕中心线轴线限定的复合叠层的毂环，以及

径向叠层，其沿径向远离所述毂环延伸且延伸到所述盘柱中。

技术方案12. 根据技术方案11所述的组件，其中，所述组件还包括缠绕成螺旋的所述复合叠层或在截面中是同心、环形和圆形的所述复合叠层。

技术方案13. 根据技术方案11所述的组件，其中，所述组件还包括外皮，其包括在所述复合盘周围沿周向延伸、覆盖所述盘柱且定界其间的燕尾槽的一个或多个最外部复合覆盖叠层。

技术方案14. 根据技术方案11所述的组件，其中，所述组件还包括：

分段中间环，其与所述毂环同心且定位在所述毂环的径向外侧，

所述中间环包括环形中间环节段，

所述中间环节段中的每一个包括嵌套叠层，且

所述嵌套叠层中的每一个包括围绕所述中心线轴线限定的环形基底以及在所述环形基底的顺时针端和逆时针端处大致径向延伸的顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂，其中，所述径向叠层包括所述顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂。

技术方案15. 根据技术方案14所述的组件，其中，所述组件还包括外皮，其包括在所述复合盘周围沿周向延伸、覆盖所述盘柱且定界其间的燕尾槽的一个或多个最外部复合覆盖叠层，且所述外皮覆盖所述顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂的径向外部边缘。

技术方案16. 根据技术方案15所述的组件，其中，所述组件还包括：

所述毂环中的周向复合叠层、所述环形基底，且所述外皮覆盖所述盘柱的柱顶部和所述燕尾槽的底部；

所述周向复合叠层包括周向定向纤维；

所述顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂中的径向复合叠层，且所述外皮沿着所述盘柱的径向延伸的柱侧定界所述燕尾槽；且

所述径向复合叠层包括径向定向纤维。

技术方案17. 根据技术方案14所述的组件，其中，所述组件还包括：

外部分段环，其与所述分段中间环同心且定位在所述分段中间环的径向外侧，

所述外部分段环包括环形外部环节段，且

所述外部环区段中的每一个包括周向堆叠复合叠层，其在大致径向延伸的顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂之间且在所述环形基底的径向外侧设置在所述中间环节段中的每一个内。

技术方案18. 根据技术方案17所述的组件，其中，所述组件还包括：

外皮，其包括在所述复合盘周围沿周向延伸的一个或多个最外部复合覆盖叠层；

所述外皮覆盖所述外部环节段和所述盘柱且定界其间的燕尾槽；且

所述外皮覆盖所述顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂的径向外部边缘。

技术方案19. 根据技术方案18所述的组件，其中，所述组件还包括：

所述毂环中的周向复合叠层、所述环形基底，且所述外皮覆盖所述盘柱的柱顶部和所述燕尾槽的底部；

所述周向复合叠层包括周向定向纤维；

所述顺时针径向叠层臂和逆时针径向叠层臂中的径向复合叠层，且所述外皮沿着所述盘柱的径向延伸的柱侧定界所述燕尾槽；且

所述径向复合叠层包括径向定向纤维。

技术方案20. 根据技术方案19所述的组件，其中，所述组件还包括朝所述底部外扩的所述燕尾槽。

附图说明

本发明的前述方面和其他特征在下文的描述中结合附图解释，在附图中：

图1是示出盘柱之间带有槽的燃气涡轮发动机复合盘的截面图解视图。

图2是示出设置在图1中示出的复合盘的槽中的叶片根部的透视图解视图。

图3是示出带有环形复合层或布置成螺旋形的叠层的备选燃气涡轮发动机复合盘的截面图解视图。

图4是示出图1和图2中示出的复合盘的区域中沿周向方向和径向方向的纤维定向的透视图解视图。

构件清单

8　　　 中心线轴线

10　　　叶片

12　　　复合盘

14　　　燕尾槽

15　　　外部周边

16　　　盘柱

17　　　翼型件

18　　　燕尾件根部

19　　　燕尾件接合部

20　　　毂环

24　　　叠层

26　　　复合材料

28　　　螺旋

30　　　中间环

36　　　中间环节段

37　　　嵌套叠层

38　　　环形基底

40　　　顺时针径向叠层臂

42　　　逆时针径向叠层臂

43　　　径向叠层

44　　　顺时针端

46　　　逆时针端

47　　　柱部分

57　　　最外部叠层

69　　　底部

70　　　柱侧

72　　　邻接柱部分

74　　　柱顶部

90　　　外部分段环

92　　　外部环节段

96　　　堆叠的复合叠层

98　　　最外部复合覆盖叠层

100　 　槽表面

101　 　外皮

110　 　周向复合叠层

111　 　定向纤维

112　 　周向定向纤维

114　 　周向定向箭头

116　 　径向复合叠层

118　 　径向定向纤维

120　 　径向外部边缘

122　 　径向定向箭头

157　 　最内部叠层

A　　 　锐角

OC　 　 外圆周

IC 　内圆周

OD　 　外直径

ID　 　 内直径。

具体实施方式

图1中示出了围绕发动机中心线轴线8限定的示例性燃气涡轮发动机复合盘12。盘柱16之间的燕尾槽14从复合盘12的径向外部周边15沿径向朝内延伸。燕尾槽14包括底部69，其在盘柱16的邻接的盘柱72的大致沿径向延伸的柱侧70之间周向地延伸。盘柱16的柱顶部74在柱侧70之间延伸，且限定复合盘12的外部周边15。复合盘12主要由复合层或叠层24制成，其还示出利用树脂浸渍且由其制成复合物的预成型件。

图2示出叶片10的一部分，其具有附连到叶片10的外张或外扩的燕尾件根部18的翼型件17。燕尾件根部18设置在其中一个燕尾槽14中。燕尾件根部18沿周向外扩，且在燕尾件接合部19处通过匹配的外扩燕尾槽14固定。燕尾槽14朝燕尾槽14的底部69沿周向外扩。燕尾槽14通过柱侧70和底部69限制，且柱侧70关于底部69如通过它们之间的锐角A指出的那样成锐角，如图1和图2中所示。

参考图1和图2，复合盘12包括围绕中心线轴线8限定的圆形复合叠层24的内环或毂环20。在图1和图2中示出的毂环20的实施例中，复合叠层24在截面上为同心、环形和圆形的。图3中示出了毂环20的备选实施例，其包括围绕中心线轴线8卷绕的布置成螺旋形28的环形复合层或叠层24。螺旋形环形复合层或叠层24可通过将诸如带的连续复合材料26缠绕在芯轴或工具(未示出)周围而制成。

复合材料26至少部分由碳纤维编织材料制成，且当存在多少叠层24时就连续卷绕360度的多少倍。因此，螺旋形复合毂环20是单个连续的匝(wrap)或螺旋28，且复合叠层24是大致圆形或环形的。复合毂环20是大致圆形的，其带有分别在复合毂环20的外圆周OC和内圆周IC或外直径OD和内直径ID处的毂最外部和毂最内部的叠层57、157。

参考图1和图2，复合盘12包括中间环30，其与毂环20同心且定位在毂环20的径向外侧。中间环30是分段的，且包括环形中间环节段36。每个中间环节段36包括嵌套叠层37。嵌套叠层37中的每一个包括环形基底38和在环形基底38的顺时针端44和逆时针端46处的大致沿径向延伸的顺时针径向叠层臂40和逆时针径向叠层臂42。环形基底38设置在毂环20的最外部的层或叠层57周围。环形基底38与毂环20大致同心地围绕其设置，且优选地在毂环20的最外部叠层57上。毂环20、环形基底38和毂环20的最外部叠层57围绕中心线轴线8限定，且可为锥形或柱形。顺时针径向叠层臂40和逆时针径向叠层臂42是复合盘12中的加强盘柱16的径向叠层43的示例。在盘12旋转时，径向叠层43抵消叶片10的离心力，且将叶片10的燕尾件根部18保持在燕尾槽14中。

复合盘12的外部环90定位在中间环30的径向外侧，且优选地邻近中间环30。外部环90是分段的，且包括环形外部环区段92。每个外部环区段92包括周向堆叠的复合叠层96，其设置在中间环节段36的每一个内且在大致沿径向延伸的顺时针径向叠层臂40和逆时针径向叠层臂42之间以及在环形基底38的径向外侧。顺时针径向叠层臂40和逆时针径向叠层臂42沿径向延伸到盘柱16中。在本文中示出的复合盘12的示例性实施例中，所有顺时针径向叠层臂40和逆时针径向叠层臂42沿径向一直延伸到盘柱16中直到外皮101。外皮101在复合盘12周围在盘柱16的柱顶部74上且沿着燕尾槽14的底部69周向地延伸。外皮101沿着定界燕尾槽14的柱侧70径向地延伸。顺时针径向叠层臂40和逆时针径向叠层臂42中的每一个的柱部分47设置在盘柱16的每一个盘柱内且是盘柱16中的每一个盘柱的结构部分。外皮101包括一个或多个最外部复合覆盖叠层98且覆盖盘柱16，且沿着在盘柱16之间周向地延伸的燕尾件槽底部69设置。外皮101覆盖柱顶部74和柱侧70，且定界包括燕尾槽14的底部69的燕尾槽14。

本文中示出的示例性最外部复合覆盖叠层98由与复合叠层24相同的复合材料制成。复合覆盖叠层98覆盖设置在盘柱16内的顺时针径向叠层臂40和逆时针径向叠层臂42的柱部分47。覆盖叠层98沿着燕尾槽14的槽表面100设置，且覆盖顺时针径向叠层臂40和逆时针径向叠层臂42的径向外部边缘120。最外部复合覆盖叠层98还覆盖外部环节段92的周向堆叠的叠层96。最外部覆盖叠层98完成且覆盖盘柱16和其间的燕尾槽14的底部69。最外部覆盖叠层98覆盖限定复合盘12的外部周边15的盘柱16的顶部74。

本文中公开的复合叠层24由定向纤维材料制成，其包括公知在受拉方面最强的定向纤维111。因此，给定材料中的纤维如图4中通过箭头指示地沿单一方向定向。周向复合叠层110具有通过周向定向的箭头114指示的周向定向纤维112，且径向复合叠层116具有通过径向定向的箭头122指示的径向定向纤维118。定向纤维材料的示例包括单向带、织带或优选的定向材料。盘柱16中的顺时针径向叠层臂40和逆时针径向叠层臂42中的径向定向纤维118与环形基底38中的周向定向纤维112互锁。这在发动机操作期间提供复合盘12在负载下的结构完整性。

本文中使用的单向带或材料嵌入在环氧树脂基质中。这些和其他合适材料的论述可在由美国金属学会发布的1987、1989或稍后的版本的“工程材料手册”中找到。本文中公开的复合盘由非金属类型的材料制成，其包含诸如碳质纤维、石英纤维、金属纤维、金属氧化物纤维或陶瓷纤维的嵌入在诸如环氧树脂、PMR15、BMI、PEEK等的树脂材料中的纤维。纤维在利用树脂浸渍的材料或带中单向对准，形成为部分形状，且经由高压釜处理或按压模塑固化以形成轻量、坚硬、具有在其内的层压物或叠层的相对均匀的物品。可使用诸如单向带的单向纤维细丝叠层材料。

可利用各种方法将树脂喷射到诸如通过图1中示出的复合盘12表示的编织复合预成型件内。利用树脂喷射预成型件可在预成型件置于工具系统上时使用树脂传递模塑(RTM)或真空辅助树脂传递模塑(VARTM)执行。备选地，可使用更常规的高压釜处理。在预成型件置放在模具中时，各种模具部分或区段将预成型件保持就位以适当地形成结构。

RTM方法使用RTM模具以在部分的两侧上实现平滑的表面光洁度，且可在高速率下以最小的生产后修整和/或加工来产生复杂、精细的近净形形状。在模具块夹在一起(或在压力中保持在一起)时，树脂在压力下输送，且因此，部分是一致的、可重复的、尺寸上稳定且良好地固结的，带有相对高的纤维内容物和极佳的空隙控制。对于利用更高粘性的坚韧的树脂制成的高性能部分，模具通常加热，且树脂喷射压力利用计量/混合喷射机械控制。因为使用干式预成型件而不是传统的浸渍件，所以原料成本大体小于用于手动敷层的成本。周期时间可在从两到三个小时的范围中，其短于典型的高压釜固化周期。在复合盘12已经使用RTM或VARTM形成之后，其处于净形或近净形状态。加工和/或表面精加工可用于产生最终构件。

本发明已经以说明性方式描述。应当理解，已经使用的术语意在具有描述而不是限制的性质。虽然已经在本文中描述了被认为是本发明的优选和示例性实施例的实施例，但是本发明的其他修改从本文的教导对于本领域技术人员将是显而易见的，且因此，意在使落入本发明的真实精神和范围内的所有这种修改在所附权利要求中得到保护。

相应地，意在通过美国专利特许证保护的是如通过所附权利要求中限定和区分的发明。