专利名称：复合型涡轮轮叶组件的制作方法
技术领域：
本发明在由能源部授予的合约No. DE-FC26-05NT42643下由政府支持完成。政府享有本发明一定的权利。本发明涉及燃气轮机叶片或轮叶，且更具体而言，涉及使陶瓷基复合材料(CMC) 涡轮叶片能够附连到金属涡轮盘或转子上的转接组件。
背景技术：
目前，用于将CMC叶片连接到金属涡轮盘或转子上的方法包括使用机械器件，例如将陶瓷叶片直接连接到转子系统上的螺栓。备选地，在思想上，涡轮盘或转子可特别地设计为带有CMC系统。尽管如此，在没有过度的成本和相当大的额外的复杂性的情况下，当前的系统不允许在现有的金属盘或转子上用CMC叶片对金属合金叶片进行直接现场替换。因此，仍存在对于这样的简单和节省成本的系统的需要通过该系统，CMC叶片可以被改型到现有的金属涡轮转子或盘上。
发明内容
在第一个示例性但非限制性的实施例中，本发明涉及一种复合型涡轮叶片组件， 其包括包括翼型部分、柄部分和附连部分的陶瓷叶片；和适于将陶瓷叶片附连到涡轮盘或转子上的转接组件，该转接组件包括被夹在一起的第一金属转接部件和第二金属转接部件，该第一金属转接部件和第二金属转接部件将陶瓷叶片捕捉于它们之间；其中，第一金属转接部件和第二金属转接部件的内表面形成为与陶瓷叶片的柄部分和附连部分相匹配；并且其中，第一金属转接部件和第二金属转接部件的外表面形成为包括附连特征，该附连特征使转接组件能够附连到涡轮转子或盘上。在另一个示例性但非限制性的实施例中，本发明涉及一种复合型涡轮叶片组件， 其包括包括翼型部分、柄部分和第一鸠尾榫附连部分的陶瓷叶片；和适于将陶瓷叶片附连到涡轮盘或转子上的转接组件，该转接组件包括被夹在一起的第一转接部件和第二转接部件，第一转接部件和第二转接部件将陶瓷叶片捕捉在它们之间；其中，第一转接部件和第二转接部件的内表面形成为与陶瓷叶片的柄部分和第一鸠尾榫附连部分相匹配；并且其中，第一转接部件和第二转接部件的外表面形成为包括使得转接组件能够附连到涡轮转子或盘上的第二鸠尾榫附连部分。在又一个示例性但非限制性的实施例中，本发明涉及一种涡轮转子或盘组件，包括包括翼型部分、柄部分和第一附连部分的至少一个陶瓷叶片；和适于将该至少一个陶瓷叶片附连到涡轮盘或转子上的转接组件，该转接组件包括被夹在一起的第一转接部分和第二转接部分，第一转接部分和第二转接部分将至少一个陶瓷翼型件捕捉于它们之间；其中，所述第一转接部分和第二转接部分的内表面形成为与该至少一个陶瓷叶片的柄部分和第一附连部分相匹配；并且其中，第一段和第二段的外表面形成为包括平台、柄、多个天使翼密封件和使得转接组件能够附连到涡轮转子或盘上的第二附连部分。
现在将结合以下标示的附图来详细描述本发明。图1为本发明的一个示例性但非限制性的实施例的分解视图；示出了陶瓷翼型件和相关联的转接组件；图2为局部组装视图，示出了位于图1中所示的转接组件的一半中的CMC翼型件； 以及图3是透视图，示出了基本完全组装的陶瓷翼型件和转接组件。
具体实施例方式一个示例性但非限制性的实施例涉及用于使陶瓷涡轮翼型件附连到金属涡轮盘或转子上的新颖的转接机构。如下面进一步阐述的，该转接机构或组件允许(实现)带有最少的特征和附件的更低成本的CMC翼型件或叶片，从而大大降低了复杂性和成本二者。此外，本文所公开的设计允许陶瓷叶片代替金属叶片而不损害已有的转子系统的设计。该转接组件(陶瓷叶片通过其而附连到涡轮盘或转子上)由两个或更多个金属转接部件(与它们之间的CMC叶片固定在一起)构成。更具体地，转接组件的部件用一个或多个螺栓或其它适当的紧固件在陶瓷叶片的径向内部的位置处直接地夹持在一起，即螺栓或其它紧固件不穿过陶瓷叶片。转接组件的两个部件可通过多种方式分成扇形，以便优化质量和应力以及另外与陶瓷叶片相符合。所有典型的外部金属涡轮轮叶或叶片设计特征都可包括在转接部件上，包括例如天使翼密封件、平台、柄、鸠尾榫以及典型地与平台、柄和轮叶的安装部分相关联的任何冷却传输和/或冷却特征。由于这些复杂的特征结合在转接部件内，陶瓷叶片本身在设计上可以相对简单，并且相对容易制造。更具体地，且参照图1和2，翼型件组件10包括陶瓷叶片12，其可以由陶瓷基复合材料(CMC)或其它合适的陶瓷材料(例如氮化硅、氧化硅等)制成。陶瓷叶片12包括翼型部分13、第一柄部分14和鸠尾榫附连部分16。该组件10还包括金属转接组件18，其由转接部件20、22构成，转接部件20、22的内表面形成为允许与CMC叶片12的压力侧和吸力侧、 以及特别是与柄部分14和(第一)鸠尾榫附连部分16匹配接合。因此，如关于转接部件 22最佳地看到的，内表面M形成为具有内凹的凹部沈，其接收陶瓷叶片的柄部分14的凸起弯曲侧或压力侧28 (与翼型部分13的压力侧有关)；以及反转地成阶梯的凹部的基部处的区域30，其接收鸠尾榫附连部分16的基部或下侧。转接部件20不同地设置轮廓，以适应CMC叶片12的吸力侧。例如，凸面34接收陶瓷叶片的柄部分14的相应的凹面36。部件20的内表面也形成为包括凹部(不可见但大体类似于凹部32)，其用于接收鸠尾榫附连部分16的另一半。因此，将了解的是，转接组件部件20、22紧贴地配合在陶瓷叶片12的柄部分14和鸠尾榫附连部分16周围，并且这两个部件20、22随后利用螺栓或其它合适的紧固件(未示出)固定在一起，螺栓或其它合适的紧固件穿过在径向上位于翼型件鸠尾榫部分15下方(或相对于盘或转子在径向内部)的相应的螺栓孔对38、40，此处转接部件的平面区域42、44被直接地连接在一起，以使螺栓或其它紧固件不穿过陶瓷叶片12的任何部分。以这种方式，紧固装置(螺栓)穿过该组件的相对较低温和较低应力的位置。面区域42、44也允许螺栓或其它紧固件的夹持载荷从一个转接部件传递到另一个。转接组件部件20、22的外表面形成为包括金属轮叶或叶片柄和鸠尾榫的所有典型的表面特征。例如，部件20和22的外表面可以形成为在部件20上包括一个或多个所谓的“天使翼”密封件46、48、50和(第二)鸠尾榫附连部分52;以及在部件22上包括天使翼密封部分M、56和58与(第二)鸠尾榫附连部分60。通过如此配置转接部件，在如本文所公开的那样用陶瓷叶片组件替换金属轮叶或叶片时，不需要对涡轮转子或盘进行任何类型的修改。注意，当转接件如图3中所示的那样连接起来形成完整的第二鸠尾榫附连部分时，密封件46、48和50分别与密封件M、56和58对齐，且鸠尾榫附连部分52与鸠尾榫附连部分60对齐。还要注意，第一转接部件20和第二转接部件22的外表面形成为包括平台 62和与第一柄部分14匹配地接合的第二柄部分64。因此，平台62和第二柄部分64 (通常为叶片结构的部分)现在是金属转接部件的部分。还将理解，考虑到陶瓷叶片12的不对称轮廓，转接组件部件20、22不是彼此的镜像。结果，两个部件20、22之间的交界面也是非对称的，但无论如何，其可能不仅仅由陶瓷翼型件的构造来确定，而是还基于关于制造方便性、质量和应力的考虑来确定。因此，转接部件的精确构造可取决于陶瓷叶片构造而不同。图3示出了完全组装的轮叶，其中转接部件20、22通过螺栓21、23或其它适当的紧固件在陶瓷叶片12的柄部分14和第一鸠尾榫附连部分16周围被牢固地夹紧。一旦以该方式组装，该组件就可以按照与盘上的任何金属轮叶或叶片完全相同的方式附连到涡轮盘或转子上，因为转接组件部件20和22成形为对应于被代替的金属叶片或轮叶的初始的柄和鸠尾榫部分。相对于另一个转接部件定位一个转接部件通过紧固件、销或通过合适的导引特征来实现。将理解，本发明提供了若干益处，因为其允许陶瓷叶片12相当小并具有简单的设计。此外，金属转接组件可以由比在同等的金属轮叶或叶片中使用的(材料)更低级别的材料构造成，因此能实现额外的节约。还确定的是，在柄部分的较低温度段处存在低的应力，且由于G载荷和它们的质量中心沿轴向对齐这一事实，转接组件部件20、22有效地倒向 (collapse into)彼此。在这点上进一步讲，叶片12的鸠尾榫附连部分16将CMC翼型件和柄离心载荷传递到转接部件20、22上，且转接部件20、22转而将组合的离心载荷传递到盘或转子。还将理解，以上描述仅仅是示例性的，并且构思了各种设计变化。例如，在图示的实施例中，陶瓷叶片12的第一鸠尾榫附连部分16为单柄脚(tang)鸠尾榫。当然，其可为多柄脚或其它类型的附连件。类似地，取决于在相关联的转子涡轮或盘上提供的附连方案， 在转接部件上提供的第二附连特征(第二鸠尾榫附连部分52、60)可以被改变。转接组件部件20、22还可形成为包括用于金属组件的、用于冷却空气的通道或其它冷却特征，以及包含和保持阻尼器的特征。可包括其它特征，例如，用于降低质量的切口或凹部(在66处示出了一个这样的凹部)。虽然已经结合了目前被认为是最实用的和优选的实施例的内容描述了本发明，但是将理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，本发明意图覆盖包括在所附的权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效布置。
权利要求
1.一种复合型涡轮叶片组件(10)，包括包括翼型部分(13)、柄部分(14)和附连部分(16)的陶瓷叶片(12)；和适于将所述陶瓷叶片(1 附连到涡轮盘或转子上的转接组件(18)，所述转接组件 (18)包括夹在一起的第一金属转接部件和第二金属转接部件00，22)，该第一金属转接部件和第二金属转接部件(20,2 将所述陶瓷叶片(1 捕捉在它们之间，其中，所述第一金属转接部件和第二金属转接部件00，22)的内表面形成为与所述陶瓷叶片(1 的所述柄部分(14)和所述附连部分(16)相匹配，并且其中，所述第一金属转接部件和第二金属转接部件00，22)的外表面形成为包括使所述转接组件(18)能够被附连到所述涡轮转子或盘上的附连特征。
2.根据权利要求1所述的复合型涡轮叶片组件(10)，其特征在于，所述陶瓷叶片(12) 的所述附连部分(16)包括第一鸠尾榫附连部分。
3.根据权利要求1所述的复合型涡轮叶片组件(10)，其特征在于，所述附连特征包括鸠尾榫。
4.根据权利要求1所述的复合型涡轮叶片组件(10)，其特征在于，所述第一转接部件和第二转接部件00，22)的所述外表面形成为包括单个或多个天使翼密封件(46，48，50)。
5.根据权利要求1所述的复合型涡轮叶片组件(10)，其特征在于，所述陶瓷叶片(12) 由陶瓷基复合材料构成。
6.一种复合型涡轮叶片组件(10)，包括包括翼型部分(13)、第一柄部分(14)和第一鸠尾榫附连部分(16)的陶瓷叶片(12)；和适于将所述陶瓷叶片(1 附连到涡轮盘或转子上的转接组件(18)，所述转接组件 (18)包括夹在一起的第一转接部件和第二转接部件00，22)，该第一转接部件和第二转接部件(20,2 将所述陶瓷叶片(1 捕捉在它们之间；其中，所述第一转接部件和第二转接部件00，22)的内表面形成为与所述陶瓷叶片(1 的至少所述第一鸠尾榫附连部分(16) 相匹配；并且其中，所述第一转接部件和第二转接部件O0，22)的外表面形成为包括使得所述转接组件(18)能够附连到所述涡轮转子或盘上的第二鸠尾榫附连部分(52，60)。
7.根据权利要求10所述的复合型涡轮叶片组件(10)，其特征在于，所述第一转接部件和第二转接部件O0，22)的所述外表面包括至少一个天使翼密封件(46，48，50)，且其中， 所述附连特征包括鸠尾榫。
8.根据权利要求10所述的复合型涡轮叶片组件(10)，其特征在于，所述第一转接部件和第二转接部件(20,2 在所述陶瓷叶片(1 的径向内部由一个或多个紧固件直接地夹在一起。
9.根据权利要求10所述的复合型涡轮叶片组件(10)，其特征在于，所述陶瓷叶片(12) 由陶瓷基复合材料构成。
10.一种涡轮转子或盘组件，包括包括翼型部分(13)、第一柄部分(14)和第一附连部分(16)的至少一个陶瓷叶片 (12)；和适于将所述至少一个陶瓷叶片(1 附连到涡轮盘或转子上的转接组件(18)，所述转接组件(18)包括夹在一起的第一转接部件和第二转接部件00，22)，该第一转接部件和第二转接部件(20,2 将所述至少一个陶瓷叶片(1 捕捉在它们之间；所述第一转接部件和第二转接部件00，22)的内表面形成为与所述至少一个陶瓷叶片(1 的所述柄部分(14) 和所述第一附连部分(16)相匹配；其中，所述第一转接部件和第二转接部件O0，22)的外表面形成为包括平台(62)、用于与所述第一柄部分(14)匹配接合的第二柄部分(64)、一个或多个天使翼密封件G6，48，50)以及使所述转接组件能够被附连到所述涡轮转子或盘上的第二附连部分(52，60)。
全文摘要
本发明涉及一种复合型涡轮轮叶组件。一种复合型涡轮叶片组件包括包括翼型部分、柄部分和附连部分的陶瓷叶片；和适于将陶瓷叶片附连到涡轮盘或转子上的转接组件，该转接组件包括夹在一起的第一转接部件和第二转接部件，第一转接部件和第二转接部件将所述陶瓷翼型件捕捉在它们之间。第一转接部分和第二转接部分的内表面形成为与陶瓷叶片的柄部分和附连部分相匹配，且所述第一转接部件和第二转接部件的外表面形成为包括使得转接组件能够附连到涡轮转子或盘上的附连特征。
文档编号F01D5/14GK102213108SQ201110078468
公开日2011年10月12日 申请日期2011年2月6日 优先权日2010年4月6日
发明者A·加西亚-克雷斯波, G·C·利奥塔 申请人:通用电气公司