[发明专利]CMC涡轮叶片组件、鸠尾套管和安装CMC涡轮叶片的方法

说明书

本发明公开了一种陶瓷基复合材料(CMC)涡轮叶片组件、鸠尾套管和安装CMC涡轮叶片的方法。涡轮叶片组件包括转子、CMC涡轮叶片和至少一个鸠尾套管。所述转子具有带有至少一个狭槽表面的叶片狭槽。所述狭槽表面呈狭槽角。所述CMC涡轮叶片收纳于所述叶片狭槽中。所述CMC涡轮叶片包括具有至少一个根部表面的鸠尾根部。所述根部表面呈根部角。所述根部角比所述狭槽角大至少5度。所述鸠尾套管收纳于所述转子的所述叶片狭槽中。所述鸠尾套管具有接触至少一个根部表面的至少一个内表面和接触至少一个狭槽表面的至少一个外表面，以将所述CMC涡轮叶片径向保持于所述叶片狭槽中。

技术领域

本公开涉及陶瓷基复合材料(ceramic matrix composite，CMC)涡轮叶片组件。更具体地说，本发明的实施例涉及鸠尾套管(dovetail sleeves)和包括鸠尾套管的CMC涡轮叶片组件。

背景技术

陶瓷基复合材料(CMC)部分的制造通常包括铺设具有已经存在的基质材料(预浸材料)的预浸复合纤维以形成部分的几何结构(预成型件)，高压灭菌且烧熔预成型件，使用熔化的基质材料浸润烧熔的预成型件，以及对预成型件进行任何机械加工或进一步处理。浸润预成型件可包括沉积来自气体混合物的陶瓷基质，热解预陶瓷聚合物，使元素进行化学反应，大体上以在925到1650℃ (1700到3000°F)的范围的温度进行烧结，或电泳沉积陶瓷粉末。关于涡轮翼型件，CMC可位于金属翼梁上方以仅形成翼型件的外表面。

CMC材料的实例包括但不限于碳纤维增强的碳(C/C)、碳纤维增强的碳化硅(C/SiC)、碳化硅纤维增强的碳化硅(SiC/SiC)、氧化铝纤维增强的氧化铝(Al₂O₃/Al₂O₃)或其组合。相比于单块陶瓷结构，CMC可具有增强的伸长度、断裂韧度、热冲击、动态负载能力和各向异性特性。

常规CMC叶片通常仅包括一个鸠尾，所述一个鸠尾具有接触转子柄脚的两个相对压力面。因此，每个压力面所需的面积较大，且过渡到这些压力面的翼型件的倒圆角可能较大。如果倒圆角和压力面足够大，那么转子周向柄脚总长度的减少可减少到转子受损的点。另外，优选的是复合叶片的倒圆角和颈部区较大，以便维持安全操作和通常可见于颈部区中的减少的层间张力。CMC叶片是高度正交各向异性的，且从鸠尾压力接触面的弯曲会诱发试图在垂直于径向负载方向的颈部区中撬开叠层的力矩。

归因于较高法向力，CMC鸠尾上的较低侧面角增加了倒圆角和层间张力(ILT)应力且增加了磨损问题，但较高的侧面角存在锁死的风险。

发明内容

在实施例中，陶瓷基复合材料(CMC)涡轮叶片组件包括转子、CMC涡轮叶片和至少一个鸠尾套管。所述转子具有带有至少一个狭槽表面的叶片狭槽。所述狭槽表面呈狭槽角(at a slot angle)。所述CMC涡轮叶片收纳于所述叶片狭槽中。所述CMC涡轮叶片包括具有至少一个根部表面的鸠尾根部。所述根部表面呈根部角。所述根部角比所述狭槽角大至少5度。所述鸠尾套管收纳于所述转子的所述叶片狭槽中。所述鸠尾套管具有接触至少一个根部表面的至少一个内表面和接触至少一个狭槽表面的至少一个外表面，以将所述 CMC涡轮叶片径向保持于所述叶片狭槽中。

在另一实施例中，鸠尾套管包括鸠尾套管的第一侧上的第一轮廓(firstcontour)和与第一侧相对的鸠尾套管的第二侧上的第二轮廓。第一轮廓包括呈外角(at anouter angle)的一对外表面。第二轮廓包括呈内角(at an inner angle)的一对内表面，所述内角比外角大至少5度。鸠尾套管大小被设定成收纳于转子的叶片狭槽中，使得所述一对内表面接触CMC涡轮叶片的鸠尾根部的一对根部表面、且所述一对外表面接触叶片狭槽的一对狭槽表面，以将CMC涡轮叶片径向保持于叶片狭槽中。