复合翼型件中的嵌入式促动器的制造方法
【专利摘要】一种翼型件，其具有主动促动器和至少一个形变区域，从而允许翼型件的形状改变，且还允许在多于一种操作条件下的翼型件形状的优化。
【专利说明】复合翼型件中的嵌入式促动器
【技术领域】
[0001]本实施例大体涉及燃气涡轮发动机。更具体地，而不是以限制的方式，本实施例涉及用于主动或既主动又被动地改变复合翼型件的形状的装置和方法。
【背景技术】
[0002]在涡轮发动机中，空气在压缩器中加压且在燃烧器中与燃料混合用于生成热燃烧气体，其向下游流动通过涡轮级。这些涡轮级从燃烧气体中抽取能量。高压涡轮包括第一级喷嘴和转子组件，其包括盘和多个涡轮叶片。高压涡轮首先从燃烧器接收热燃烧气体且包括第一级定子喷嘴，其引导燃烧气体向下游通过成排的高压涡轮转子叶片，其从第一转子盘径向朝外延伸。在两级涡轮中，第二级定子喷嘴定位在第一级叶片下游，其后是成排的第二级涡轮叶片，该第二级涡轮叶片从第二转子盘径向朝外延伸。定子喷嘴以如下方式引导热燃烧气体，即最大化在相邻下游涡轮叶片处的抽取。
[0003]第一和第二转子盘通过相应的转子轴接合到压缩器，用于在操作期间驱动压缩器。这些通常称为高压涡轮。涡轮发动机可包括多级固定翼型件，其通常称为导叶，其沿发动机轴线方向位于通常称为叶片的旋转翼型件之间。多级低压涡轮在两级高压涡轮之后，且通常在典型的涡轮风扇飞行器发动机构型中通过第二轴接合到布置在压缩器上游的风扇，用于在飞行中驱动飞行器。
[0004]当燃烧气体向下游流动通过涡轮级时，从燃烧气体抽取能量，且燃烧气体的压力减小。燃烧气体用于驱动压缩器以及涡轮输出轴，用于动力以及航海用途或在航空用途中提供推力。以这种方式，燃料能量转变成旋转轴的机械能，以驱动压缩器且供应继续该过程所需的压缩空气。
[0005]用于燃气涡轮发动机设计的一个可期望特征是总是改进效率且提高性能。由于在涡轮发动机的操作期间的各种操作条件，以及涡轮叶片形状中的改变导致性能以及效率中的不同特性的事实，将期望设计一种翼型件叶片，其用于在不同的操作情形中提高操作性能。例如，一种可期望情形是在起飞期间最大化操作效率。最大化操作效率的另一情形是在飞行高度的巡航条件期间。
[0006]由于已知的叶片由刚性的材料形成，所以最大化效率的设计工作通常仅在单个操作情形中可得。
[0007]通过前文所述可知道，需要优化在多种操作条件下的性能。此外，需要对多种操作特性优化叶片设计，其改进了燃气涡轮发动机在各种操作条件下的性能。
【发明内容】
[0008]本公开的一些实施例涉及一种翼型件或叶片，其通过来自至少一个主动促动器的输入而可形变成至少两种形状。此外，还可利用被动促动。翼型件或叶片包括根部和连接到根部的翼型件部分。翼型件具有前缘、后缘和与根部相对的外缘。翼型件由分层的复合材料形成，且包括至少一个可形变区域，其可通过主动促动来改变形状。
[0009]叶片的一些实施例包括被动促动，诸如，以非限制示例的方式，形状记忆合金，其可除了主动促动以外利用。其他被动促动可包括非对称材料层。
[0010]根据当前公开的特定实施例，叶片可通过主动促动、被动促动或组合来改变弧度。
[0011]所有上述概述的特征仅理解为示例性的，且形状改变的翼型件的更多特征和目标可从本文的公开中收集。因此，本
【发明内容】
的非限制解释可在不进一步阅读本文所包括的整个说明书、权利要求书以及附图的情况下理解。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]通过参考结合附图的实施例的以下描述，本公开的上述和其他特征及优点，以及得到他们的方式将变得显而易见，且形状改变的翼型件将更好地理解，在附图中:
图1是示例性涡轮发动机的侧截面示意图。
[0013]图2是压缩器的示例性翼型件的等距视图。
[0014]图3是备选示例性翼型件的第一侧的等距视图。
[0015]图4是图3的示例性翼型件的第二侧的等距视图。
[0016]图5是图3的翼型件的顶视等距视图。
[0017]图6是翼型件的可形变区域的示例性视图。
[0018]图7是层叠材料的区段的示意图。
[0019]图8是层叠材料的区段的示意图。
【具体实施方式】
[0020]现在将详细参考所提供的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例通过解释而不是限制所公开的实施例的方式提供。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可在本实施例中做出各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可与另一实施例一起使用，以产生其他实施例。因此，预期本发明涵盖落在所附权利要求及其等价物的范围内的这样的修改和变型。
[0021]本实施例提供一种翼型件，其可由具有至少一个可形变区域或部分的各种材料层形成。例如，一种材料可以是聚合物基体复合物(PMC)。这允许对多于一种操作条件优化叶片形状。根据第二实施例，材料可为陶瓷基体复合物。也可使用其他材料，诸如例如碳基材料，且因此该描述不应认为是限制性的。可形变部分可通过主动促动、被动促动或组合来改变形状。
[0022]术语前和后关于发动机轴线使用，且大体意味着沿发动机轴线的方向分别朝涡轮发动机的前方或涡轮发动机的后方。
[0023]现在参考图1-8，各种实施例描述利用主动促动或主动促动与被动促动的组合来改变复合翼型件的形状的装置和方法。翼型件可在涡轮发动机的多个非限制区域中使用，包括但不限于涡轮风扇、压缩器以及涡轮。备选地，形状改变的翼型件设计可包括除了涡轮以外的实施例，诸如例如机翼或其他翼型件形状。
[0024]首先参考图1，燃气涡轮发动机10的示意侧截面视图示出为具有发动机入口端部12、压缩器14、燃烧器16以及多级高压涡轮20。燃气涡轮10可用于飞行、发电、工业、航海等。取决于用途，发动机入口端部12可备选地包含多级压缩器而不是风扇。燃气涡轮10是关于发动机轴线26或轴24轴对称的，因此各种发动机构件围绕其旋转。在操作中，空气通过发动机10的空气入口端部12进入，且移动通过至少一级压缩，其中，空气压力增加且引导至燃烧器16。压缩空气与燃料混合且燃烧，从而提供热燃烧气体，其朝高压涡轮20离开燃烧器16。在高压涡轮20处，能量从热燃烧气体抽取，从而导致涡轮叶片的旋转，其继而导致轴24的旋转。轴24朝发动机的前方传递，以取决于涡轮设计而继续一个或多个压缩器级14、涡轮风扇18或入口风扇叶片的旋转。
[0025]轴对称轴24延伸通过整个涡轮发动机10，从前端部到后端部。轴24通过轴承沿其长度支承。轴24可以是中空的，以允许低压涡轮轴28在其中旋转。轴24和28两者可围绕发动机的中心线26旋转。在操作期间，轴24、28与连接到轴的其他结构(诸如涡轮20和压缩器14的转子组件)一起旋转，以便产生功率或推力，取决于使用领域，例如动力、工业或飞行器。
[0026]仍然参考图1，入口 12包括涡轮风扇18，其具有多个叶片。涡轮风扇18通过轴28连接到低压涡轮19，且产生用于涡轮发动机10的推力。虽然关于涡轮风扇18的各种叶片讨论，但是可形变翼型件形状可与涡轮发动机10内的各种翼型件一起利用。此外，可形变叶片也可以和与除了涡轮发动机的结构相关联的各种翼型件一起利用。
[0027]现在参考图2，描述了压缩器叶片30的等距视图。虽然示出及描述了压缩器叶片，但是利用翼型件形状的其他构件可利用所述结构。叶片或翼型件30包括根部部分32，其连接到例如涡轮发动机10的压缩器20、涡轮风扇18或涡轮20内的根部组件。从根部32延伸的是翼型件部分34，其包括前缘36和后缘38。径向外侧端部40在前缘36与后缘38之间延伸。翼型件34包括吸力侧42和压力侧44。
[0028]现在参考图3和图4，示出了备选压缩器叶片的等距视图。叶片30具有前缘36和后缘38，其形成在叶片30的翼型件34部分上。在翼型件34的底部是根部32，其连接到转子组件。例如，根部32可接收在转子盘的空腔中或可利用与转子的其他机械连接。
[0029]图3和图4的叶片30还包括沿后缘38的可形变区域或部分50，其可在操作期间改变轮廓，以对飞行诸如起飞或在高度处的巡航的不同部分来改变设计形状且改进或优化效率。简要参考图5，描述了风扇叶片的顶端的上部视图。示例性截面描述了后缘38，其以实线且以虚线示出。根据实线的实施例，后缘38具有第一或常规位置。虚线描述了后缘38通过主动促动器、被动促动器或两者组合中的一个的促动而移动到第二位置。
[0030]此外，仍然参考图5，前缘36还可具有形变部分52。因此，叶片30可包括单个形变区域或两个形变区域，其中每一个可处于叶片30的前缘、后缘或其他部分。这些形变区域50和52在操作期间改变叶片30的弧度。简要参考图6，示例性涡轮叶片30的详细视图描述为带有后缘38，其示出为具体具有以虚线示出的可形变区域50。角度Θ在后缘38处于其常规位置与呈虚线的形变位置的角度之间产生。
[0031]当前描述应用到示例性叶片以及可在本公开的范围内的其他叶片。再次参考图3-5，叶片30包括可形变部分或区域50，其定位在翼型件部分34的后缘38处。位于后缘38处的可形变区域50可备选地沿后缘38在根部32与外缘40之间移动至各种位置。类似地，沿前缘36的可形变区域52还可定位在沿翼型件34的前缘36的各种位置处。
[0032]叶片30由复合材料形成，且可为实心、中空、部分中空或可全部或部分填充有一些低密度材料。翼型件34的材料可为与根部32的材料相同或不同的材料。
[0033]参考图7，叶片30利用复合材料的多个层70、72、74、76、78、80以及82形成，其构造在彼此之上以形成至少翼型件部分34的期望形状。虽然多个层在所示实施例中示出，但是可利用更多的层或更少的层。根据一个实施例，叶片30可由聚合物基体复合物(PMC)形成。根据其他实施例，可利用碳纤维、玻璃纤维或其一些组合，且可沿弦向、展向、倾斜方向或其组合通过每个或多个层来铺叠。在翼型件部分内，在期望的可形变位置，翼型件部分34可包括促动器60和62，其可为主动、被动或可备选地利用的两者的组合。主动促动器62以在表面下的方式嵌入，以导致一个或多个表面层在促动时形状变化。此外，由于促动器的嵌入构造，引线(leads)64可从叶片30的各种位置延伸。图7和图8以截面描述了各种实施例，且示出了限定可形变区域例如可形变区域50的多个层。可形变部分50、52的纤维层可沿弦向、展向、倾斜方向或其组合来铺叠，取决于所期望的形状改变。一个或多个翼型件区可设计成实现期望的形状改变。
[0034]主动促动器可通过压电式促动器发生，其嵌入限定叶片30的复合层叠材料中。压电式促动器62是主动促动器，其接收电压输入且由于施加电压到压电式促动器62所产生的驱动力而改变形状。促动器62定位成更靠近可形变区域的外表面，以产生翼型件表面的最大弯曲。通过使用该主动促动器62，可利用更柔性的复合材料，其更能够处理应变且要求更少的驱动力来偏转。可利用的一个示例性材料是在形变区50中的S-玻璃以及用于翼型件34的剩余区的碳。因此，可期望可形变部分50由与翼型件部分34的剩余区至少部分不同的材料或相同材料形成。
[0035]主动促动器引线64可嵌入复合材料中，且终止于结构外部以提供电压到例如压电式促动器62。在促动器62嵌入的情况下，促动器被保护免于可能限制促动器62的操作的腐蚀以及其他损害效应。引线64可在不妨碍性能且不损害引线的任意位置离开。例如覆层可用于覆盖引线且保护其不受损害。
[0036]可利用备选形式的促动。此外，参考图8，被动促动器90可额外地与主动促动器62组合利用。被动促动可通过例如形状记忆合金示例化，其由于在特定操作温度、特性或条件下的温度条件而被动改变形状。因此，在操作期间，主动促动器62可提供全部或一些驱动力到翼型件34，从而导致其形状的改变。被动促动器90可额外地导致在期望位置处翼型件34的进一步形变。
[0037]又一种形式的被动促动可来自非对称复合布局，其中根据这种实施例，非对称复合布局可改变翼型件34的形状，例如由于在高速旋转期间在涡轮叶片30上的离心力。
[0038]主动和被动促动器的促动通过可形变部分50、52的形状改变而导致翼型件34的弧度改变或交错改变。弧度大体被认为是叶片的翘弯的量，且交错是翼型件对流动的轴向方向的相对角度。在改变形状之前翼型件30的初始形状可优化，使得弯曲载荷(或力矩)有利于帮助风扇叶片的形变或形状至少不阻碍促动器62的促动。多材料系统和不同重量分布可优化，使得来自由于叶片旋转而导致的离心力的平面载荷和所诱导的弯曲力矩帮助翼型件形状改变的促动。在弦向截面中，叶片的初始形状可以以相对高的曲率单独弯曲，而形变的形状以相对低的曲率单独弯曲。此外，不同密度或刚度的材料可用于帮助叶片30的形变。
[0039]使用复合材料的层叠结构可用于构造风扇叶片30。这些复合材料表现出各种联接行为，诸如在平面和弯曲载荷存在的情况下沿垂直于载荷的方向的弯曲和扭转偏转。层叠复合结构的这种联接性质可用于改变叶片30的翼型件形状。通过沿非对称和/或多材料层片定向来定制复合材料的层片或层叠合件以及其中发生层片定向的区，翼型件形状可随着风扇叶片的旋转速度形变。用于该类型的被动促动的翼型件形状可通过定制在可形变部分50中的层片或层叠层片以及以若干方式中的一种而改变。首先，层片可通过层叠结构的厚度而为非对称的。其次，叠合件可使用两种或更多种不同的材料，诸如多材料层叠结构。第三，在风扇叶片的各种位置处的重量分布可有意改变，从而由于在涡轮叶片的旋转期间的离心力而导致不同力载荷。其次，除了主动促动外，还可利用被动促动，且被动促动还可在叶片30的一个或多个不同区处，以实现翼型件34形状改变。
[0040]虽然已经在本文中描述和示出了多个创造性实施例，本领域技术人员将容易展望多种其他器件和/或结构，用于执行功能和/或获得结果和/或本文中所述的一个或多个优点，且这种变型和/或修改中的每一个被认为在本文中所述的实施例的本发明的范围内。更一般而言，本领域技术人员将容易意识到本文中所述的所有参数、尺寸、材料和构型意图是示例性的，且实际参数、尺寸、材料和/或构型将取决于本创造性教导所用于的具体一个或多个应用。本领域技术人员将认识到或能够查明使用不止常规试验，在本文中描述了具体创造性实施例的许多等价物。因此，应当理解，前述实施例仅通过示例的方式示出，且在所附权利要求及其等价物的范围内，创造性的实施例可以以除了具体描述和要求保护的方式之外的其他方式实践。本公开的创造性实施例涉及本文中所述的每个单独特征、系统、物件、材料、套件和/或方法。此外，如果这种特征、系统、物件、材料、套件和/或方法不是互相不一致，则两个或更多个这种特征、系统、物件、材料、套件和/或方法的任意组合包括在本公开的创造性范围内。
[0041]使用示例来公开实施例，包括最佳模式，且还使得本领域技术人员能够实践装置和/或方法，包括制作及使用任何设备或系统以及执行任意合并的方法。这些示例不预期是穷举的，或将本公开限制为所公开的精确步骤和/或形式，且按照上述教导，许多修改和变型是可能的。本文中所述的特征可以以任意组合来组合。本文中所述的方法的步骤可以以物理上可能的任意顺序执行。
[0042]如本文中所限定以及使用的全部定义应当理解为支配字典定义、通过引入并入的文献中的定义和/或所定义的术语的普通意思。如本文中在说明书中以及在权利要求中所使用的不定冠词“一个”以及“一种”，除非清楚地相反表明，否则应当理解为表示“至少一个”。如本文中在说明书和权利要求中所用的短语“和/或”应当理解为表示如此结合的元件中的“任一个或两个”，即，在一些情形中连带地出现及在其他情形中分别地出现的元件。
[0043]还应当理解，除非清楚地相反表明，否则在本文中所要求保护的包括多于一个步骤或行动的任意方法中，该方法的步骤或行动的顺序不必须受限于其中该方法所提及的步骤或行动的顺序。
[0044]在权利要求中，以及在上述说明书中，所有连接短语，诸如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“由……组成”等应当理解为可扩充的，即，表述包括但不限于。仅仅连接短语“由……构成”以及“基本上由……构成”应当分别是封闭的或半封闭的连接短语，如在美国专利局专利审查程序手册(United States Patent Office Manualof Patent Examining Procedures), 2111.03 部分中所述。
【权利要求】
1.一种翼型件，包括 根部，其能够连接到旋转转子组件； 翼型件部分，其连接到所述根部，所述翼型件具有前缘、后缘和与所述根部相对的外缘； 所述翼型件部分由复合材料形成且具有可形变区域，该可形变区域通过主动促动器的促动而改变形状。
2.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述主动促动器是压电式促动器。
3.根据权利要求2所述的翼型件，其特征在于，所述压电式促动器通过施加电压而改变弧度。
4.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，还包括被动促动器，其是形状记忆合金。
5.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述翼型件部分由多层材料形成。
6.根据权利要求5所述的翼型件，其特征在于，所述主动促动器定位成邻近所述材料的外层。
7.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述主动促动器定位成邻近所述后缘。
8.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述复合材料由具有不同模量的多个层形成。
9.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，还包括第一促动器和第二促动器。
10.根据权利要求9所述的翼型件，其特征在于，还包括形状记忆合金以及嵌入在所述翼型件中的压电纤维。
11.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述可形变区域包括弦向纤维。
12.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述可形变区域包括展向纤维。
13.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述可形变区域包括倾斜纤维。
14.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述翼型件还包括复合纤维的非对称层。
15.一种翼型件，包括: 翼型件部分，其具有前缘和后缘； 外缘，其与所述翼型件部分的径向内侧部分间隔开，所述外缘在所述前缘和后缘之间延伸； 可形变部分，其沿形状可改变的所述翼型件布置； 主动促动器，其布置在所述可形变部分内，以通过施加电压到所述主动促动器来改变所述可形变部分的形状。
16.根据权利要求15所述的翼型件，其特征在于，还包括在所述翼型件部分的所述径向内侧部分的根部。
17.根据权利要求15所述的翼型件，其特征在于，所述主动促动器改变所述翼型件的弧度。
18.根据权利要求17所述的翼型件，其特征在于，还包括被动促动器。
19.根据权利要求18所述的翼型件，其特征在于，所述被动促动器是形状记忆合金或非对称分层材料中的一种。
20.一种具有可改变形状的翼型件，包括: 翼型件部分，其具有前缘和后缘，且由多层复合材料形成； 可形变部分，其定位在所述翼型件部分的径向内侧端部和径向外侧端部之间，且在所述前缘与所述后缘之间； 所述翼型件部分具有定位在所述可形变部分内的主动促动器，所述主动促动器接收电压输入以对所述可形变部分改变形状；以及， 其中，所述复合材料和所述可形变部分的材料是至少部分不同的材料。
【文档编号】F01D5/14GK104285036SQ201380024114
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年4月23日 优先权日:2012年5月8日
【发明者】N.J.克雷, I.F.普伦蒂斯, A.布里兹-斯特林费罗, D-J.辛, G.C.格梅恩哈德特 申请人:通用电气公司