[发明专利]中空CMC桨叶的薄壁式加固网格结构

说明书

技术领域

本发明大体上涉及涡轮机桨叶，更确切地说，涉及包括内部加固网格结构的涡轮机桨叶，所述内部加固网格结构用于改善刚度和振动性能。

背景技术

在燃气涡轮机中，空气在压缩机中压缩并在燃烧室中与燃料混合，从而生成热燃烧气体。能量从涡轮机级中的气体中提取出来，以用于为压缩机提供动力并对外作功。

每个涡轮机级包括具有一排喷嘴轮叶的静止涡轮机喷嘴，所述喷嘴轮叶将燃烧气体排到对应的一排涡轮机转子叶片或桨叶中。每个叶片所包括的翼型的翼展从一体式平台沿径向朝外延伸，所述一体式平台界定了径向上的内部流路边界。所述平台与支撑燕尾榫接合成一体，其中所述支撑燕尾榫具有安装在燕尾榫槽中的对应凸起，所述燕尾榫槽形成于支撑转子盘的周界上。

所述涡轮机叶片通常是中空的，内部具有冷却回路，所述冷却回路经特定配置以冷却翼型中的不同部分，从而在操作期间避免流过所述不同部分上方的燃烧气体产生不同热负荷。

所述涡轮机翼型包括大体凹入的压力侧以及外周形状与所述压力侧相反的大体外凸的吸入侧，所述翼型的翼展从所述平台处的叶根开始沿径向延伸至径向上的外尖端，并且所述翼型的翼弦沿轴向在相对的前缘与后缘之间延伸。所述翼型具有典型的月牙形径向轮廓(即截面)，所述轮廓从前缘开始往后延伸时，厚度急速增大至最大宽度(即翼型的隆起区域)，随后宽度逐渐变细或变小，直至相对较薄的翼型后缘。

在构造典型的CMC(陶瓷基复合材料)叶片的过程中，从叶片的一侧开始(吸入侧或压力侧)，将多个板片叠放到模具表面。随着叠放过程的继续，这些板片到达叶片翼型的中点或中央。在此点处，将心轴插入模具中，这样，当心轴材料熔出时，便形成了中空空腔。此心轴含有板片包裹材料，这样可在垂直的“叶根至叶尖”的方向上形成薄壁特征。所述心轴可由多种不同材料制成，包括纯锡、锡合金等，或者也可以使用由硅/硼制成的可吸收心轴。在将心轴放置到模具中之后，可继续整个叶片的叶片叠放过程。

在当前制造过程中，叶片往往会变平，也就是说，所述叶片会失去其弧形的翼型形状。另外，可通过提高刚度和振动性能来改善现有桨叶。

发明内容

在一个示例性实施例中，一种用于制造陶瓷基复合材料(CMC)涡轮机叶片的心轴组件包括：叶尖段，所述叶尖段包括压力侧和吸入侧；以及叶根段，所述叶根段包括压力侧和吸入侧。在叶尖段与叶根段之间，从一侧到另一侧叠放有多个CMC板片。

在另一个示例性实施例中，使用多部件心轴来组装涡轮机桨叶，在所述多部件心轴中，陶瓷基复合材料(CMC)板片置于所述心轴的各部件之间。所述涡轮机桨叶包括形成为翼型形状的压力侧和吸入侧。所述压力侧与所述吸入侧被分隔开并且界定了中空中央段。所述CMC板片界定了所述中空中央段内的内部加固网格结构。

在又一个示例性实施例中，一种用于构造涡轮机桨叶的方法包括以下步骤：(a)组装心轴，所述心轴包括具有压力侧和吸入侧的叶尖段、具有压力侧和吸入侧的叶根段以及叠放于所述叶尖段与所述叶根段之间的多个陶瓷基复合材料(CMC)板片；(b)用CMC层包裹所述心轴的压力侧和吸入侧，并将所述压力侧紧固到所述吸入侧；以及(c)移除所述心轴。

附图说明

图1所示为当前的CMC桨叶组合模构造；

图2所示为包括CMC板片的示例性心轴组件；

图3为CMC板片的平面图；

图4为连接和对中结构的近距视图；以及

图5所示为用图2至图4中所示的心轴组件制造的中空CMC叶片。

具体实施方式

图1所示为现有的CMC桨叶组合模构造。心轴12包括前缘段14和后缘段16，两者栓接在一起。心轴12通常由锡制成。所述心轴的压力侧包裹有CMC层以形成桨叶的压力侧18，并且吸入侧包裹有对应的CMC层以形成桨叶的吸入侧20。压力侧18与吸入侧20紧固在一起，并且心轴12通常通过熔化过程而被移除。