包括叶片‑轴连接装置的涡轮发动机转子和用于所述转子的叶片的制作方法

本公开涉及一种根据权利要求1所述的包括叶片-轴连接装置的涡轮发动机转子，以及用于该涡轮发动机转子的叶片。

发明背景

在涡轮发动机中，转子轴和叶片之间的连接被重度加载。在所谓的枞树形连接中，包括底切凹部的槽被布置在转子轴中。每个槽均径向延伸到轴中且例如轴向地延伸，或在还包括轴向范围的情况下倾斜地延伸，并且若干底切凹部沿着所述槽延伸并周向地延伸到轴柱中，所述轴柱被形成在槽之间。底切凹部通常是渐缩的，其顶点指向轴柱的中心。叶片包括被设置在叶片根部上并从叶片根部周向延伸的对应数量的凸瓣。叶片根部被接收在槽内，其中，凸瓣被接收在底切凹部内。在离心加载时，凸瓣的径向向外指向的壁因此支承在底切凹部的径向向内指向的壁上。应当理解的是，术语径向、轴向、和周向是指涡轮发动机转子的空间定向。所述配合的壁关于径向以及关于转子的周向方向倾斜。

很多建议已经被提出以改善所述枞树形连接。例如，GB2011552公开了一种在叶片和轴之间的枞树形连接，其中，在槽的顶点处和在两个根部凸瓣之间的的过渡处，两个半径被布置，其中，邻近承载壁设置的第一半径大于邻近非承载壁设置的半径。所述意在改善部件的低周疲劳性能。

但是，当叶片根部和轴上的配合面被加载时，它们发生弹性变形。在承载面和非承载面之间的过渡区域中，产生复杂的三维材料变形和相关的局部峰值应力。这可能导致叶片根部-轴界面的早期疲劳。

技术实现要素：

本公开的目标是提供一种避免局部峰值负载和相关早期疲劳的叶片根部-轴界面。

本公开的进一步目标是在所述界面处避免与变形相关的应力的突变。

本公开的又更加具体的目标是在叶片根部和轴之间提供界面，使得在与材料变形相关的应力方面实现平滑过渡，且由此避免复杂的局部三维应力模式。

这通过权利要求1中所描述的主题被实现。

现在所公开的主题的更具体的实施例和方面在从属权利要求中并结合从属权利要求被陈述。

本公开的主题的其他效果和优点，无论是否被明确提及，鉴于下面给出的本公开都将变得明显。

因此，所公开的是一种包括轴-叶片连接装置的涡轮发动机转子，转子具有周向方向、径向方向、和由转子轴线所限定的轴向方向。转子包括转子轴和至少一个叶片。轴包括在径向方向上从轴的外壁朝着轴的中心延伸且在轴向方向上延伸的至少一个槽。所述的不排除槽相对于转子轴线倾斜的定向。叶片包括在轴向且在径向方向上延伸的根部，其中，根部被布置在槽中，且因此还可以相对于转子轴线被倾斜地布置。叶片根部以及配对轴槽可以沿纵长范围被弯曲，但在特定实施例中可能是笔直的。至少一个底切凹部被设置在槽处，且尤其在轴柱中，所述轴柱在一个周向侧上限定槽。底切凹部在周向方向上延伸，且在径向外侧处通过轴承载壁被限定。叶片根部包括至少一个凸瓣，所述凸瓣尤其被设置在根部主体上，并且所述凸瓣被布置在底切凹部中，并且所述凸瓣在径向外侧上通过凸瓣承载壁被限定。在典型但非限定性实施例中，若干槽将在周向方向上围绕轴被布置，并且等数量的叶片将被设置在叶片的一个环中，叶片的每个根部均被布置在槽中。轴柱存在于相邻的槽之间且周向地限定相邻的槽。底切凹部被设置在转子轴柱的两个周向侧上。在所述实施例中，槽可以被设置为枞树形槽，并且叶片根部可以被布置为配合的枞树形根部。

根据本公开，轴承载壁包括平坦表面区域，当沿轴向方向观察时所述平坦表面区域相对于径向方向以第一角度倾斜且形成轴承载面。同样，凸瓣承载壁包括平坦表面区域，该平坦表面区域在沿轴向方向观察时相对于径向方向以至少基本相同的角度(即，至少基本上以第一角度)倾斜且形成凸瓣承载面。凸瓣承载面和轴承载面被设置为配合的配对面，并在周向方向上相对于彼此偏置，并且此外沿共同的周向范围叠置。如本领域技术人员将容易理解的，所述周向方向在这方面还可以是指切向方向。

设置在凸瓣上的承载面和设置在其中布置有凸瓣的相应底切凹部的承载壁上的承载面是配合面意味着所述配合承载面是平行的，或者换句话说，当在轴向方向上观察时二者均至少基本上以相同的角度相对于径向方向倾斜。

进一步将容易理解的是，槽和叶片根部沿着相应纵长定向延伸。当根部被插入槽时，设置在轴中的槽的纵长定向和配合根部的纵长定向将重合。另外，底切凹部尤其可以包括纵向范围，底切凹部的所述纵向范围沿着相应槽的纵长定向延伸。布置在叶片根部上的凸瓣尤其可以包括纵向范围，其中，所述纵向范围沿相应槽的纵长定向延伸。

根据本公开的另一个方面，公开了一种用于如上所述的转子的叶片，该叶片包括在叶片的径向外侧上的翼型件和根部，其中，根部适于且被构造成被接收在所述转子的轴的槽内。该槽包括至少一个底切凹部，该底切凹部包括设置在所述底切凹部的径向外壁上的至少一个平坦轴支承面，该支承面指向径向向内且具有周向范围。叶片的根部包括适于且被构造成被接收在所述底切凹部内的至少一个凸瓣。在一个方面中，凸瓣与底切凹部至少基本互补。叶片根部的凸瓣包括指向叶片的径向外侧的承载壁。平坦的凸瓣支承面被布置在凸瓣承载壁上，并意欲作为被设置在相应底切凹部中的轴支承面的配合面。凸瓣支承面被布置且被构造成与轴支承面配合。凸瓣支承面相应地被布置在叶片的根部上，或在凸瓣承载壁上，以便从轴支承面被周向偏置且与轴支承面部分地叠置。

在根据本公开的转子的另一方面中，凸瓣承载面相对于配合的轴承载面朝着叶片根部的在其上设置有凸瓣的主体被周向偏置。这导致支承面被布置在凸瓣的位置处，且继而负载作用在凸瓣的位置处，在此处，存在相对更多的材料并因此机械强度相对更高。因此，所公开的还有一种如前所述的叶片，其中，支承面的所述偏置朝着根部的主体被设置。

在如上所提及的转子的又另一个方面中，安置面的凸出的弯曲端部被设置在凸瓣上，该凸瓣相切地邻接凸瓣承载面且朝着凸瓣的顶点延伸。因此，用于与转子的该实施例一起使用的叶片的特征还在于安置面的凸出的弯曲端部在朝着凸瓣末端或顶点的方向上相切地邻接凸瓣支承面。安置面的所述端部被布置成与轴的配对支承面的一部分周向叠置。为此目的，如果凸瓣和/或轴支承面在涡轮发动机运行时由于作用在连接装置中的起作用的离心力或向心力相应地发生弹性变形，则安置面的所述弯曲端部逐渐接触设置在轴承载壁上的配对的支承面。因此，材料中的变形且因此应力仅在安置面的端部的范围内逐渐变化，从而避免了变形和材料应力的陡峭梯度，继而避免引起复杂的三维峰值应力，并且还进而导致更少的发生早期低周疲劳的弱点。安置面的端部尤其可以被设置为圆柱形表面部分，其中，相应圆柱轴线平行于相应凸瓣或底切凹部的纵向范围。该圆柱形表面的半径可以被选择成相当大，以便实现上文所提及的平滑过渡变形区域。例如，在圆柱或安置的端部半径是50mm的情况下，对于在凸瓣上的1mm的安置面的端部的范围而言，相应表面将向后倾斜大约1/100mm并远离配对支承面。将安置的端部半径选择成大于或等于50mm，且将其选择成小于或等于200mm，并且在具体实施例中小于或等于100mm，可以证实是恰当的选择。

在根据本公开的转子和叶片的其他实施例中，另外的凸瓣径向向外地邻接凸瓣。另外的凸瓣的非承载壁在公同的凸瓣基部处邻接第一凸瓣的承载壁。在某些实施例中，凹入曲率半径逐渐减小的区域被设置成从径向内凸瓣的承载面延伸到径向向外布置的凸瓣的径向外壁的非承载面。因此，在第一凸瓣的承载壁附近，通常通过提供相对更大的半径实现缺口效应的减少，同时，由于在第二凸瓣的非承载侧上设有更小的半径，所以叶片根部的总高度被缩小。这导致叶片根部的重量更小，且因此进而导致整个连接装置的机械应力更低。这还起到了减少引起低周疲劳的弱点的效果，并且此外产生了提高的超速安全性。此外，在降低叶片根部的高度方面，在相同数量的凸瓣并且因此支承面被布置的情况下，转子中的槽可以被设置为具有更浅的深度，从而提供机械上更强的转子核心，其中，转子核心被理解为在其中没有设置任何附接装置的转子的直径部分。

安置面的端部和/或其他凸出或凹入表面部分尤其可以被设置为圆柱形表面部分，其中，相应圆柱轴线平行于相应凸瓣或凹部纵向范围。

根据本公开的又另一个方面，安置面的凸出的弯曲端部被设置在轴承载壁上，安置面的端部相切地邻接轴承载面，并且尤其从轴柱向外侧地被布置。应理解的是安置面的该端部还与设置在叶片根部凸瓣上的配对承载面的一部分叠置。这个特征提供了与结合邻近叶片根部的支承面设置的安置面的端部，或结合邻近配合凸瓣支承面设置的安置面的端部所描述的那些效果相似的效果，还增加并放大了该效果。因此，在根部凸瓣的承载壁上和在轴的承载壁上避免了陡峭的负载梯度，并且因此如果没有被避免可能导致早期疲劳的局部峰值应力被有效地降低。

邻近轴承载面设置的安置面的端部尤其可以被设置为圆柱形表面部分，其中，相应的圆柱轴线平行于相应的凹部纵向范围。该圆柱形表面的半径可以被选择成相当大，以便实现上面所提及的平滑过渡变形区域。例如，在圆柱或安置的端部半径是50mm的情况下，对于在凹部的壁上1mm的安置面的端部的范围而言，相应的表面将向后倾斜大约1/100mm并远离支承面。将安置的端部半径选择成大于或等于50mm，且将其选择成小于或等于200mm，并且在具体实施例中小于或等于100mm，可以证实是恰当的选择。

将理解的是在某些实施例中多个枞树形凸瓣被设置在叶片的根部上，和/或多个配合底切凹部被设置在轴的槽中。尤其，相同数量的底切凹部被设置在槽的每个周向侧上，并且相同数量的凸瓣被布置在配合枞树形叶片根部的每个横向侧上。另外，根据本文所公开的主题的的具体方面，承载面被设置在每个底切凹部的径向外部的承载壁上。凸瓣支承面可以被设置在每个凸瓣的径向外部的承载壁上。安置面的端部尤其可以被布置成邻近每个轴承载面，从而相切地邻接承载面且尤其远离轴柱，或者换句话说，在朝着槽的中心的方向上邻接轴承载面。同样地，安置面的端部尤其可以被布置成邻近每个凸瓣的支承面，从而尤其在朝着凸瓣的顶点或末端的方向上相切地邻接凸瓣承载面。

在现在公开的主题的进一步方面中，轴的槽并且尤其是结合轴-叶片连接装置被设置的轴的每个槽被设置为阴型枞树形连接特征。叶片根部被设置为阳型枞树形连接特征。

在现在公开的主题的又进一步方面中，至少一对凸瓣被布置在叶片根部的周向相对侧上，并且至少一对底切凹部被设置在配合槽的周向相对侧上，其中，凸瓣被布置在底切凹部中。因此，还公开了一种叶片，其中，根部是包括至少两对周向相对的凸瓣的枞树形根，其中，尤其每个凸瓣可以根据上文所给出的关于凸瓣的形状的细节被成形。

在本文中公开的转子的再进一步的实施例中，沿径向方向在所述凸瓣的末端和所述凸瓣的径向外基部之间所测量的凸瓣的第一高度大于在所述凸瓣的末端和所述凸瓣的径向内基部之间所测量的所述凸瓣的第二高度。沿径向方向在所述底切凹部的末端和所述底切凹部的径向外基部之间所测量的底切凹部的第一高度可以大于在所述底切凹部的末端和所述底切凹部的径向内基部之间所测量的所述底切凹部的第二高度。尤其，凸瓣和相应的配合底切凹部的第一和第二高度可以至少基本上相同。也就是说，至少在径向方向上叶片根部的凸瓣被至少基本上没有游隙地接收在轴的配合底切凹部中。到这个程度，还被公开的是一种叶片，所述叶片包括具有至少一个周向延伸的凸瓣的根部，其中，在所述凸瓣的末端和所述凸瓣的径向外基部之间所测量的凸瓣的第一高度大于在所述凸瓣的末端和所述凸瓣的径向内基部之间所测量的所述凸瓣的第二高度。对于设置在叶片根部上的每个凸瓣都可以尤其是该情况。

还被公开的是一种上文所提及的类型的叶片，其中，至少两个凸出的弯曲表面部分被设置在凸瓣承载面和凸瓣的顶点之间，所述凸出的弯曲表面部分包括安置面的端部，安置面的端部被设有第一曲率半径，以及至少第二凸出的弯曲表面部分，所述第二表面部分具有第二曲率半径，其中，第二曲率半径小于第一曲率半径，并且其中，曲率半径从凸出的弯曲表面部分到随后凸出的弯曲表面部分从凸瓣承载面到凸瓣的顶点逐渐减小。其他的凸出的弯曲表面部分可以被布置成邻近凸瓣的顶点，并朝着凸瓣的非承载壁，其中，在每种情况下曲率半径都小于设置在顶点和承载面之间的弯曲表面部分的曲率半径，和/或凸出的弯曲表面部分的曲率半径随着距凸瓣的非承载侧上的顶点的距离的增大而减小。应当理解的是所述凸出的弯曲表面部分可以尤其是部分圆柱形表面部分，并且还可以沿它们相应的圆柱形圆周各自具有不同的尺寸，或者还可以被设置为无穷小表面部分。应理解的是尤其相应部分圆柱形表面的圆柱轴线可以平行于凸瓣纵向范围。

最后，将理解的是现在所公开的主题大致包括用于如上所述的转子的叶片，该叶片的特征在于相应地结合转子所公开的与叶片或者叶片根部相关的特征。

应理解的是上文所公开的特征和实施例可以彼此组合。还将理解的是在本公开和所要求保护的主题的范围内能够想到其他实施例，这些实施例对本领域的技术人员而言是显而易见的。

附图说明

本公开的主题现将借助于在附图中所示的选定示例性实施例被更详细地解释。附图示出

图1包括叶片-轴固定装置的涡轮发动机转子的横截面的一部分；

图2叶片-轴固定装置；

图3具有凸瓣和轴的配对支承面的叶片-轴固定装置的细节；

图4图3的细节“A”；

图5叶片根部凸瓣和配对轴凹部的第一示例性实施例；

图6叶片根部凸瓣和配对轴凹部的第二示例性实施例。

应当理解的是，附图是高度示意性的，为了教导目的不必要的细节可能已经被省略，以便于理解和描述。还应当理解的是附图示出了仅仅选定的说明性实施例，并且未被示出的实施例可能仍然也落入本文所要求保护的主题的范围内。

具体实施方式

图1描绘了涡轮发动机的转子1的横截面的一部分。转子1包括转子轴线10。转子的径向方向于R处示出，相应地周向方向或切向方向于U处示出，并且轴向方向沿着转子轴线10延伸，也即是，垂直于绘图平面。转子1还包括转子轴100和借助于轴-叶片连接装置被附接到转子轴100的叶片200。叶片包括设置在叶片的径向内端部处的叶片根部250和设置在叶片的径向外侧上的翼型件210。每个叶片均具有在201处所示的由转子几何形状和叶片在转子上的预期布置所限定的径向定向。轴-叶片连接装置被设置为所谓的且在本领域中已知的枞树形连接。叶片根部被布置在转子轴的槽中。槽被布置在轴柱150之间，且在周向上通过轴柱150限定。每个槽均在径向方向上(即，朝着转子的轴线10)延伸，并且在轴向方向上(即，沿着转子轴线的方向)延伸。如将在下面更加详细地指出的，底切凹部在槽处和在轴柱中被布置。对应的配合凸瓣被设置在叶片根部上并被接收在底切凹部中。

参见图2，示出了一个叶片的单个轴-叶片连接装置的更加详细的视图。在叶片根部的第一横向侧上，设有凸瓣260。凸瓣260被布置在设置于轴柱150中的对应凹部中并与所述凹部配合。在叶片根部250的第二横向侧上，凸瓣2260被设置并被布置在另外的转子柱150的凹部中。可以说，叶片根部包括设置在叶片根部的主体252上且在其相对横向侧上的成对的凸瓣260和2260，所述凸瓣与设置在轴柱150中的底切凹部配合，其中，所述轴柱限定了槽，叶片根部250被布置在所述槽中。

在图3中，示出了叶片根部250的单个凸瓣260的更加详细的视图，所述凸瓣260被接收在设置于轴柱150中的凹部160中。叶片根部包括根部主体252和凸瓣260，凸瓣之一在本图中被示出。凸瓣260在径向外侧上通过承载壁270限定，并且在径向内侧上通过非承载壁275限定。凸瓣还包括末端或顶点269。凸瓣还可以被说成是在径向外侧上通过径向外基部266限定，并且在径向内侧上通过径向内基部267限定。同样地，凹部160在径向外侧上通过承载壁170限定，并且在径向内侧上通过非承载壁175限定。也可以被说成是，凹部160在径向方向上通过两个轴凸瓣165限定。轴支承面161在承载壁170上被设置为平坦表面。同样地，凸瓣支承面261在凸瓣的承载壁270上被设置为平坦表面。轴的承载面161和根部凸瓣的承载面261在周向方向U上被偏置，同时在周向方向U上彼此部分地叠置。安置面262的凸状端部相切地邻接凸瓣支承面261，并从凸瓣支承面朝凸瓣的末端269延伸。安置面162的凸状端部相切地邻接轴支承面161，并从轴柱150向远侧延伸，或者朝着在两个轴柱之间形成的槽的中心延伸。

图3的细节A被描绘在图4中，为了便于描述，以径向偏移状态示出了承载面161和261。如图所示，设置在叶片根部的凸瓣260上的支承面261相对于轴的支承面161朝着叶片根部的主体252周向地偏置。安置面262的端部相切地邻接凸瓣的支承面261并朝着凸瓣的末端延伸。例如，安置面262的端部是圆柱形弯曲表面，其中，圆柱轴线平行于凸瓣纵长范围延伸，且在具体实施例中平行于转子轴线延伸，并具有安置的端部半径R2。同样，安置面162的端部相切地邻接轴承载面161并从轴柱150的主体向外侧延伸。安置面162的端部还被设置为凸出表面，且可以是具有沿着底切凹部纵长范围延伸并在具体实施例中平行于转子轴线的圆柱轴线的一部分圆柱形表面。安置面162的端部的曲率半径在R1处指示。平坦支承面161和261以至少基本相同的角度a相对于径向方向R倾斜。换句话说，它们彼此平行，并且在配合时，它们沿其周向叠置部分处于完全表面接触。设置在叶片根部上的安置面262的凸出端部与设置在轴的承载壁上的平坦支承面161的一部分周向叠置。安置面162的凸出端部与设置在凸瓣上的平坦支承面261的一部分周向叠置。因此，当凸瓣和凹部的承载壁彼此配合时，安置面162和262的端部提供从承载面的接触区域到逐渐向后倾斜的表面部分的平滑过渡区域。安置的端部半径R1和R2相应地被选择成远大于安置面的端部的相应宽度L1和L2。例如，在所述宽度是一毫米，且安置的相应端部的曲率半径例如是75毫米的情况下，出现的最大间隙宽度将在几微米的范围内。当叶片-轴连接由于作用在叶片上的离心力被加载时，径向向外定向的力作用在轴支承面161上，同时径向向内定向的力作用在凸瓣支承面261上。响应于这些力，承载壁发生变形。由于安置面162和262的端部的存在，所以有效地避免了陡峭的变形梯度和相关的峰值应力。因此导致低周疲劳的弱点被显著减少。

现在再次转到图3，此外能看出承载壁和非承载壁的几何形状相应地被选择成使得在凸瓣的末端269和径向外凸瓣基部266之间所测量的凸瓣的高度H1大于在凸瓣的末端和凸瓣的径向内基部267之间所测量的高度H2。由于因此被设置的几何形状，作用在承载壁上的力被调换，使得合力矢量指向叶片根部的大块主体252，或者指向轴的柱150。作用在凸瓣上的剪切力因此被减小，进而进一步增强了连接装置的疲劳强度。另一方面，由于非承载壁的几何形状，连接机械装置的总高度被减少，从而例如减小了叶片根部的重量和在轴中所要求的配对槽的深度。叶片根部的减小的重量降低了在连接装置上引发的机械应力，同时改善了对抗超速应力的安全性，同时设置在轴中的槽的减小的深度增强了轴本身的强度。

根据以上描述已经变得显而易见的是，在叶片根部上以及在轴柱上，凸瓣和颈部被交替地布置。应当理解的是，由于凸瓣和颈部在叶片根部上以及轴柱上的交替布置，可能存在缺口效应，其可倾向于削弱轴-叶片连接装置。尽管在那些颈部处增大过渡半径可以有效地减少切口效应，但所述措施不利于降低叶片根部的高度和槽在轴中的深度的上面所提及的目标。图5描绘了一种实施例，其中，两个半径被应用以跨过颈部区。在轴柱150侧上，承载壁170和非承载壁175限定底切凹部160。所述壁之间的过渡区域由凹入表面提供，颈部由所述凹入表面限定。同样，轴根部包括凸瓣260，其中，非承载壁275被设置在径向内侧上。另外的凸瓣260a从凸瓣260向内侧地被布置，其中，承载壁270a被设置在凸瓣260a径向外侧上。凹状过渡表面被设置在凸瓣260的非承载壁275和凸瓣260a的承载壁270a之间。在轴柱150处，在承载壁170和非承载壁175之间的凹入过渡区域由两个半径R3和R4提供，其中，被布置成邻近承载壁170的半径R3大于被布置成邻近非承载壁175的半径R4。在叶片根部的情况下，邻近非承载壁275的半径R5小于定位成邻近承载壁270a的半径R6。通常，更大的半径被选择成邻近承载壁，以便减少缺口效应，并因此改善机械强度，同时小半径被选择成邻近非承载壁，以便相应地使得叶片根部的高度降低或者接收槽的深度降低。

图6描绘了甚至更加复杂的实施例，其中，多个逐渐减小的半径Ra到Ry，或者Ra2到Ry2，相应地被设置在轴柱上的凹入过渡区168中和叶片根部上的过渡区268中。

尽管本公开的主题已经借助于示例性实施例被解释，但应当理解的是这些实施例不意欲以任何方式限制所要求保护的发明的范围。将理解的是，权利要求覆盖在本文中没有被明确示出或公开的实施例，并且偏离在实施本公开的教导的示例性模式中所公开的那些的实施例仍将被权利要求所覆盖。

附图标记列表

1 转子

10 转子轴线

100 轴

150 轴柱

160 底切凹部

161 轴的承载面

162 壁的安置面的端部

165 轴凸瓣

168 轴柱的凹入的弯曲表面部分

170 轴凹部的承载壁

175 轴凹部的非承载壁

200 叶片

201 叶片径向定向

210 翼型件

250 叶片根部

252 根部的主体

260 叶片根部的凸瓣

261 根部凸瓣的承载面

262 安置面的凸瓣端部

266 凸瓣的基部

267 凸瓣的基部

268 叶片根部的凹入的弯曲表面部分

269 凸瓣末端

270 根部凸瓣的承载壁

275 根部凸瓣的非承载壁

260a 邻近凸瓣

270a 邻近凸瓣的承载壁

2260 叶片根部上的凸瓣

a 在承载面和径向方向之间形成的角度

L1、L2 安置面的端部的宽度

R1、R2 安置的端部的曲率半径

R3，R4、R5、R6、Ra、Rb、Rc、Ry、Ra2、Rb2、Rc2、Ry2 凹入表面部分的曲率半径

R 径向方向

U 周向方向