導葉和製造導葉的方法
2023-05-22 22:22:16 1
專利名稱：導葉和製造導葉的方法
導葉和製造導葉的方法相關申請的交叉引用[oooi] 本申請是於2006年12月29日提交的美國專利申請第 11/648508號的部分繼續申請。 技術領域
這裡所述的技術一般涉及燃氣渦輪發動機，更特別地，涉及 一種燃氣渦輪發動機導葉和製造該導葉的方法。
技術背景
已知的至少一種燃氣渦輪發動機裝置包括安裝在核心燃氣 渦輪發動機上遊的風扇裝置。在工作期間，從該風扇裝置排出的一部分 氣流被向下遊引導到該核心燃氣渦輪發動機中，其中對該氣流進行壓 縮。然後該壓縮的氣流被引導到燃燒室與燃料混合，並被點火以產生熱 燃燒氣體。然後該燃燒氣體被引導到渦輪機中，其從該燃燒氣體中提取 能量來供給該壓縮機以及產生有用的工作以推進飛行器飛行。從該風扇 裝置排出的另 一部分氣流通過風扇流噴嘴排出該發動機。
為了協助將氣流從該風扇裝置引導到核心燃氣渦輪發動機中，至少一種已知的燃氣渦輪發動機裝置包括用於消除風扇噴嘴前的漩 渦的排氣口導葉。這種排氣口導葉裝置被配置成在引導該風扇氣流通過 支管之前，將風扇氣流將從風扇裝置排出的氣流大致轉向到軸向方向 上。除了轉向該風扇氣流，該排氣口導葉裝置還為該風扇框架提供了結 構剛性。更特別地，排氣口導葉裝置一般包括耦合到該風扇框架的多個 排氣口導葉。為了給風扇框架提供必要的結構剛性，已知的排氣口導葉 是使用金屬材料鑄造為基本實心的葉片。
然而，因為已知的排氣口導葉是基本實心的，所以它們增加了燃氣渦輪發動機的整體重量，並且還會導致燃料效率降低。 發明內容
在一個方面， 一種用於製造排氣口導葉的方法包括步驟使用第一材料製造一結構翼梁，使用第二材料製造導流罩，以及將該導流 罩安裝到該翼梁上以便至少部分環繞該翼梁並形成翼型。
在另一方面， 一種排氣口導葉包括具有前緣和後緣的翼型，
由第一材料製成並設置在該翼型內的結構翼梁，和由第二材料製成並至 少部分環繞該翼梁的導流罩。
在另 一方面， 一種燃氣渦輪發動機裝置包括核心燃氣渦輪發 動機，包括耦合到該核心燃氣渦輪發動機的多個風扇葉片的風扇裝置， 和在下遊耦合到該風扇葉片的多個排氣口導葉，至少一個排氣口導葉包 括具有前緣和後緣的翼型，由第一材料製成並設置在該翼型內的結構翼 梁，和由第二材料製成並至少部分環繞該翼梁的導流罩。
圖1是一個示例性燃氣渦輪發動機裝置的截面圖； [ooio] 圖2是可用於圖l所示燃氣渦輪發動機裝置的排氣口導葉的 前視圖；[ooii] 圖3是圖2的排氣口導葉沿著線3-3的截面圖；和
圖4是圖2所示排氣口導葉的一個替代實施例的與圖3相似 的截面圖。
具體實施方式
圖1是一個具有縱軸11的示例性燃氣渦輪發動機裝置10 的截面示意圖。燃氣渦輪發動機裝置10包括風扇裝置12和核心燃氣渦 輪發動機13。核心燃氣渦輪發動機13包括高壓壓縮機14、燃燒室16和 高壓渦輪18。在該示例性實施例中，燃氣渦輪發動機裝置IO還包括低壓 渦輪20，多級增壓壓縮機22，和基本上外接增壓機22的分離機44。
風扇裝置12包括從旋翼盤26徑向向外延伸的一組風扇葉 片24。燃氣渦輪發動機裝置10具有進氣側28和排氣側30。風扇裝置12、 增壓機22和渦輪20通過第一轉軸31耦合到一起，壓縮機14和渦輪18 通過第二轉軸32耦合到一起。
從風扇裝置12排出的氣流的第二部分52被引導經過支管 4 0以便將來自風扇裝置12的一部分氣流分流到核心燃氣渦輪發動機13
周圍。更特別地，支管40在風扇殼或軍42和分離機44之間延伸。因此， 來自風扇裝置12的氣流的第一部分50如上所述被引導經過增壓機22， 然後進入壓縮機14，來自風扇裝置12的氣流的第二部分52被引導經過 支管40以便例如為飛行器提供推力。燃氣渦輪發動機裝置IO還包括風 扇框架裝置60以便為風扇裝置12提供結構支撐，並且還用於將風扇裝 置12耦合到核心燃氣渦輪發動機13。
風扇框架裝置60包括多個排氣口導葉70，該多個排氣口導 葉70在徑向安裝的外部凸緣和徑向安裝的內部凸緣之間大致徑向延伸， 並且沿圓周分布在支管40內。風扇框架裝置60還可以包括耦合在徑向 安裝的外部凸緣和徑向安裝的內部凸緣之間的多個支柱。在一個實施例 中，風扇框架裝置60被製造成多個弓形部分，其中凸緣耦合到排氣口導 葉70和支柱。在一個實施例中，排氣口導葉和支柱同軸耦合在支管40 內。可選地，排氣口導葉70可以耦合在支管40內的支柱的下遊。[oois]風扇框架裝置60是燃氣渦輪發動機裝置10的各種框架和 支撐組件中的一種，用於協助保持各個部件在燃氣渦輪發動機裝置10內 的定位。更特別地，這種框架和支撐組件連接固定部件並且提供旋翼軸 承座。風扇框架裝置60耦合在支管40內風扇裝置12的下遊，從而使得 排氣口導葉70和支柱沿圓周分布在風扇裝置12的排氣口周圍並且延伸 穿過從風扇裝置12排出的氣流通道。
圖2是可用於圖1所示風扇框架60的排氣口導葉的前視 圖。圖3是圖2所示排氣口導葉70的截面圖。圖4是另一個示例性排氣 口導葉70的截面圖。在該示例性實施例中，排氣口導葉70包括耦合在 外部徑向凸緣和內部徑向凸緣之間的翼型102。翼型102、外部徑向凸緣 104和內部徑向凸緣106可以被澆鑄或鑄造成一個整體的排氣口導葉 70。可選地，外部徑向凸緣104和內部徑向凸緣106可以使用例如焊接 或釺焊技術耦合到翼型102。
如圖3和4所示，翼型102包括第一側壁110和第二側壁 112。在一個實施例中，可以限定第一側壁110和/或第二側壁112的輪 廓以改進空氣動力性能。在該示例性實施例中，第一側壁110是凸面的 並形成翼型102的吸氣側，第二側壁112是凹面的並形成翼型102的壓 力側。側壁110和112在翼型102的前緣114和軸向分隔的後緣116處 接合。更特別地，翼型後緣116在翼型前緣114下遊與其弦向分隔。第 一側壁110和第二側壁112分別在從內部徑向凸緣106到外部徑向凸緣 104的跨距內縱向或徑向向外延伸。在該示例性實施例中，排氣口導葉 70的至少一部分使用金屬材料製造，例如但不限於鈦，鋁，和/或金 屬模板複合物(腦C， Metal Matrix Composite)材料。
如圖3和4所示，翼型102是二體結構，其包括結構翼梁 72,該結構翼梁72使用金屬材料例如鈦、鋁和/或金屬模板複合物 (MMC)材料製造。翼型102還包括導流罩74，其可以是軸向伸展和/ 或沿圓周傾斜的，使用緊固件例如螺釘76或者通過其他適當的本領域已 知緊固技術例如膠粘、鉚釘等粘附到結構翼梁72上。更特別地，翼型102 具有從前緣114至少部分朝向後緣116逐漸向外變細並且還從後緣116 至少部分朝向前緣114逐漸向外變細的外形。在導流罩74和翼梁72之 間形成空腔78。圖3和4的實施例的區別在於，圖3中的導流罩74部 分圍繞翼梁72從而使得翼梁72成為翼型102的空氣動力表面的一部 分，而在圖4中，導流罩74完全圍繞翼梁72以形成完整的空氣動力表 面。翼梁72被近似設置在排氣口導葉70的前緣部分和後緣部分之間的 中心處。
空腔78還減少了排氣口導葉70的整體重量。在該示例性 實施例中，空腔78可以容納有各自的填充物，其中該填充物是相對較輕 質的材料。這裡所用的輕質材料被定義為與用於製造翼梁72和導流軍74 的材料不同的材料，該翼梁72和導流革74是使用每體積重量大於該填 充物材料的每體積重量的材料製造的。在該示例性實施例中，例如可以 用泡沫聚苯乙烯(Styrofoam)來製造填充物。這樣，每個空腔具有一定的深度，對應的各個填充物具有基本上等於空腔深度的厚度，從而使得 當把對應的各個填充物定位在空腔78內時，翼型102具有從翼型前緣114 到翼型後緣116基本平滑的流線型外形。在一個實施例中，填充物被制 造成分離的部件並安裝在空腔78內。可選地，填充物被噴射或注射入空 腔78中，並且如果需要的話，可以用機器加工以形成相對平滑或流線型 的外表面，如上所述，在該外表面上粘附覆蓋材料。與填充物材料一起 或者代替填充物材料，還可以在空腔78中放置聲學處理或其他材料。如 果希望減小翼型102的重量，還可以將空腔78保持為空。
為了製造排氣口導葉70，可以鑄造或鍛造該結構翼梁72。 然後如上所述，將填充物注射或耦合在空腔78內。然後將覆蓋材料環繞
在翼型102的外周邊以形成導流罩74,然後用緊固件將其固定到翼梁72 上或通過其他方式將其定位。替代地，可以將導流罩74固定到翼梁72 上，然後如果需要的話，再將任何填充物材料注射或放置在空腔78內。 覆蓋材料可以以四十五度角通過連續的行或層完全環繞翼型102。此外， 該導流罩有助於增加排氣口導葉70的整體結構完整性，並且形成了相對 平滑的外表面以改進空氣動力性能。
在該示例性實施例中，導流罩74是一種複合材料。在該示 例性實施例中，導流罩74可以是一種玻璃纖維材料、石墨材料、碳材料、 陶瓷材料、芬芳聚醯胺材料例如KEVLAR、薄金屬材料和/或它們的混合 物。可以使用任何適當的熱固聚合樹脂來製成用於導流罩74的覆蓋材 料，例如乙烯基酯樹脂、聚酯樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂、聚氨基甲 酸乙酯樹脂、bismalimide res in和它們的混合物。 一般地，該覆蓋材 料被選擇為使得排氣口導葉的外表面能夠耐受由吸收到燃氣渦輪發動機 裝置10中的外部物質引起的磨損和/或破壞。替代的導流罩配置可以使 用薄金屬纏繞在集成的導流罩上以防護這種磨損或破壞。導流軍74可以 通過螺釘或者其他方式沿其長度緊固到翼梁72上，然後在其前緣開槽放 入或粘合到吸音板中。
如圖1和2所示，不論翼梁72是基本為徑向還是包含任何 掃掠或圓周傾斜，導流罩74都會提供後掠和/或傾斜的流線型表面。 這樣可以為燃氣渦輪發動機性能提供空氣動力、聲學或其他方面的益 處。與徑向方向呈例如+/- 0-40度的掃掠角和/或70 +/- 0 - 30度的 圓周傾斜排氣口導葉可以提供聲學上的優點，例如減少來自風扇裝置12 的噪音。
這裡描述了 一種燃氣渦輪發動機，其中用 一種排氣口導葉代 替了至少一些已知的排氣口導葉，該排氣口導葉具有填充了相對較輕材 料並且纏繞有複合材料以形成較輕的排氣口導葉的基本中空內部部分。 這樣，這裡所述的示例性排氣口導葉就能夠減少該燃氣渦輪發動機裝置 的總重量，同時仍然保持結構完整性，從而實現了用於新應用的非常有 挑戰性的發動機重量目標。製造該排氣口導葉的方法包括製造含有由第 一材料製成的結構翼梁、由第二材料製成並且至少部分環繞該翼梁的導 流罩的翼型，以及在前緣和後緣部分之間安裝填充部分，該填充部分由 比該第一和第二材料更輕的第三材料製造。
在一個實施例中，該翼梁基本上是實心的。可選地，可以去 除每個翼梁的內部部分以形成至少部分中空的翼梁，進一步減少排氣口 導葉的總重量(如圖2-4所示)。然後利用一種薄金屬材料或複合材料 覆蓋該排氣口導葉以保護該排氣口導葉不受固體顆粒的破壞。在一個實 施例中，使用金屬材料製造翼梁。可選地，可以利用一種包含多個相對 於燃氣渦輪發動機軸11徑向定向的纖維織物的複合材料來製造翼梁。
因此，這裡所述的排氣口導葉實質上減少了燃氣渦輪發動機 裝置的總重量。例如，這裡所述的排氣口導葉比已知的排氣口導葉輕30 %-50%。此外，由於這裡所述的排氣口導葉包括結構部件以及翼型以 使得氣流轉向，從而相對於常規設計可以減少大約50%的排氣口導葉數 量。該減少的排氣口導葉數量與軸向掃掠和圓周傾斜相結合，通過減少 風扇葉片的尾流幹擾而獲得了聲學噪音方面的益處。為了利用減少的排 氣口導葉數量來保持空氣動力負載，需要增加翼弦長度和最大厚度。這 種翼弦長度和排氣口導葉最大厚度的增加需要更多的內部空間，其可以 用輕體材料填充。類似地，可以調節翼梁前緣和後緣厚度以獲得框架剛 性需求和保持最小的翼梁軸向寬度。
替代地，可以使用這裡所述的排氣口導葉重新設計該發動機 風扇裝置12。所得到的發動機相對於前述的設計將具有更小的風扇和排 氣口導葉直徑以及進一步減少的重量，但是沒有聲學噪音的益處。
雖然是通過各個特定實施例來描述了本發明，但是本領域普 通技術人員將會認識到，可以利用在權利要求的精神和範圍內的修改來 實現本發明。部件列表10:燃氣渦輪發動機裝置11:縱軸12:風扇裝置13:核心燃氣渦輪發動機
14:高壓壓縮機16:燃燒室18:高壓渦輪20:低壓渦輪22.增壓壓縮機24風扇葉片26.旋翼盤28.進氣側30排氣側31第一旋翼軸32第二旋翼軸40:支管42:遮板44:分離機50:第一部分52:第二部分60:風扇框架裝置70:排氣口導葉72:結構翼梁74:導流罩76:螺釘78'空腔102:翼型104:外部凸緣106:內部凸緣110:第一側壁112:第二側壁114:前緣116:後緣
權利要求
1.一種用於製造燃氣渦輪發動機排氣口導葉(70)的方法，包括使用第一材料製造結構翼梁(72)；使用第二材料製造導流罩(74)；和將所述導流罩(74)安裝到所述翼梁(72)上以便至少部分環繞所述翼梁(72)和形成翼型(102)。
2. 如權利要求l所述的方法，還包括在結構翼梁(72)和導流罩(74)之間安裝填充材料，該填充材料 是由比該第一和第二材料更輕的第三材料製造的。
3. 如權利要求l所述的方法，還包括 用緊固件將所述導流罩(74)安裝到所述翼梁(")上。
4. 如權利要求l所述的方法，還包括穿過所述翼梁(72)形成多個 開口以減少導流罩(102)的重量。
5. —種用於燃氣渦輪發動機(10)的排氣口導葉(70)，所述排氣 口導葉(70)包括具有前緣(114 )和後緣(116 )的翼型(102 ); 由第一材料製成並設置在所述翼型(102)內的結構翼梁(72);和 由第二材料製成並至少部分環繞所述翼梁(72)的導流罩(74)。
6. 如權利要求5所述的排氣口導葉(70)，還包括設置在所述結構 翼梁(72)和所述導流罩(74)之間的由第三材料構成的填充材料。
7. —種燃氣渦輪發動機裝置(10)，包括 核心燃氣渦輪發動機(13);設置在所述核心燃氣渦輪發動機上遊的風扇裝置(12)，所述風扇 裝置(12)包括多個風扇葉片(24);和設置在所述風扇葉片(24)下遊的多個排氣口導葉(70)，至少一 個所述排氣口導葉(70)包括具有前緣(114)和後緣(116)的翼型(102);由第一材料製成並設置在所述翼型U02)內的結構翼梁(72);和由第二材料製成並至少部分環繞所述翼梁(72)的導流軍(74)。
8. 如權利要求7所述的燃氣渦輪發動機裝置(10),所述排氣口導 葉(70)還包括設置在所述翼梁(72)和所述導流罩(74)之間的由第 三材料構成的填充材料。
9. 如權利要求7所述的燃氣渦輪發動機裝置(10)，其中所述多個 排氣口導葉(70)包括一個掃掠角。
10. 如權利要求7所述的燃氣渦輪發動機裝置(10)，其中所述 多個排氣口導葉(70)包括相對於該徑向方向的圓周傾斜角。
全文摘要
一種用於製造排氣口導葉(70)的方法，包括步驟使用第一材料製造結構翼梁(72)，使用第二材料製造導流罩(74)，和將該導流罩(74)安裝到該翼梁(72)上以便至少部分環繞該翼梁(72)和形成翼型(102)。一種排氣口導葉(70)包括具有前緣(114)和後緣(116)的翼型(102)，由第一材料製成並設置在該翼型(102)內的結構翼梁(72)，和由第二材料製成並至少部分環繞該翼梁(72)的導流罩(74)。一種燃氣渦輪發動機裝置(10)包括核心燃氣渦輪發動機(13)，包括耦合到該核心燃氣渦輪發動機(13)的多個風扇葉片(24)的風扇裝置(12)，和在下遊耦合到該風扇葉片(24)的多個排氣口導葉(70)，至少一個排氣口導葉(70)包括具有前緣(114)和後緣(116)的翼型(102)，由第一材料製成並設置在該翼型(102)內的結構翼梁(72)，和由第二材料製成並至少部分環繞該翼梁(72)的導流罩(74)。
文檔編號F04D29/54GK101210577SQ20071030814
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月29日 優先權日2006年12月29日
發明者N·I·麥索泰, R·D·切達, R·J·奧爾蘭多, T·O·莫尼茲 申請人:通用電氣公司