凹坑非金屬填料的機械保持方法和裝置的製作方法
2023-10-10 07:43:34 1
專利名稱：凹坑非金屬填料的機械保持方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及蒸汽渦輪機，尤其涉及到混合葉片中形成的凹坑中材料的保持方法和裝置以及減少對葉片的壓力。
背景技術：
汽輪機葉片(葉片)是在受到高離心負荷，振動壓力，和對動葉的流體入射角變化的環境中運行。當這些負荷和壓力接近葉片自然共振頻率時，振動壓力增大。當葉片振動處於諧振時，振動壓力的幅度與系統中存在的阻尼(其中阻尼包括材料，空氣動力學和機械部件)和激勵水平成比例。對於連續連接的葉片，振動頻率是整個系統的葉片的函數，而非單個葉片的函數。
混合葉片包括主要由金屬材質但至少有一個非金屬複合填充材料的「凹坑」的渦輪葉片(例如，蒸汽渦輪機葉片或燃氣渦輪機葉片)。填充材料可包括帶有連續玻璃纖維，碳纖維，KEVLAR或其他纖維加強物的聚醯亞胺或其他類型的聚合樹脂(或其化合物)，以獲得帶有原始翼型表面的合成基體。現在合成基體設計為在風力工況(葉片的低流量，高速「風車」)下具有高葉片溫度的機組中使用。但是，高剛性高溫組合物不能很好地依附於金屬。
許多公開的專利已集中在用複合材料製造渦輪機葉片。例如，名稱為「燃氣渦輪機的多組件葉片」的美國專利5720597，描述了由金屬和泡沫構成的燃氣渦輪飛行器葉片，其帶有複合表皮，侵蝕塗層或者兩者兼備，名稱為「蒸汽渦輪機的合金組件葉片」的美國專利6139728，公開了與美國專利5720597類似的結構裝置，但是其應用於蒸汽渦輪機。但是，在這兩份申請中，葉片上的凹坑的尺寸，形狀，位置均受到限制。此外，名稱為「失諧扇葉片裝置和方法」的美國專利6042338描述了一種「推進發動機扇」和具有不同凹坑位置的不同類型的葉片，但是並未公開實質上具有帶有不同肋條結構的基本上一個凹坑的葉片。而且，所公開的內容在第二或可選凹坑設計中限定凹坑徑向位置為從葉頂到5％-38％跨度處，弦長從前緣部的15％到35％和後緣部的20％到45％處或類似限制。而且，這些專利中沒有任何一件，記載或建議在凹坑中開一個直通窗來實現將聚合物或複合物夾持於葉片中的機械式的協助。
發明內容
一方面，本發明的一些配置提供了製造一種渦輪機葉片的方法，其包括設置一個在渦輪機葉片中的葉片，其帶有多個貫穿所述葉片壁的窗凹坑，定位窗凹坑於能最小化或者至少減少對窗凹坑的應力集中的區域，在葉片中鑄造一個包含樹脂基體和織物材料層的複合物。
另一方面，本發明的一些配置提供了製造渦輪機葉片的方法。該方法包括設置在渦輪機葉片中的葉片，其帶有多個貫穿所述葉片壁的窗凹坑，定位窗凹坑於能最小化或者至少減少對窗凹坑的應力集中的區域，在葉片中鑄造包含樹脂基體和織物材料層的複合物。
能夠理解到，本發明的這些配置提供將聚合物或複合物夾持於葉片中的機械式協助。
圖1示出了渦輪機葉片中多窗口凹坑的配置的透視圖；圖2示出了用來填充圖1所示的凹坑的複合物的一部分的透視圖；圖3示出了按照本發明的配置裝配入一個渦輪機中的多組葉片中的一些葉片的透視圖；圖4示出了單軸纖維定向的示例；圖5示出了二軸纖維定向的示例；圖6示出了類全向纖維定向的示例；圖7示出了一個雙流程低壓蒸汽渦輪機的側面截圖，其示出了末級葉片的位置；圖8示出了一個多窗口凹坑配置的側視圖。圖8中的虛線表示凹處的輪廓。更特別地，圍繞直通窗中之一的實線表示凸起的輪廓，而圍繞直通窗中的兩個的實線表示凹處輪廓；圖9示出了帶有多個窗口的葉片界面配置的頂視圖；圖10示出了具有多個纖維層的複合填料配置的部分側視圖。
具體實施例方式
本文使用的，詞語「a」，「an」或者「一個」(特別地，「至少一個」)用於一個部件或者單個步驟或流程中時，它們應該被理解成不排除多個所述部件或步驟，除非明確描述將其排除在外。進一步地，本發明中提及到本發明的″一個實施例″(或者″其他實施例″)並不被解釋為排除了也包括已被記載的特徵的附加實施例的存在或者排除被記載為與本發明相關聯的其他特徵。而且，相反地如果明確的提出，″包含″或″具有″具有特別屬性部件一個或多個部件的實施例可以包括一些不具備該屬性的附加部件。
參照圖1和圖2，在本發明的一些構造中，提供一種對一排連續的安裝或獨立安裝的渦輪機葉片20進行調準的方法來減少振動的振幅和/或阻尼特性。該方法包括在混合葉片部10構造中使用一個方向纖維16定位器。葉片部10可由帶有一或多個凹坑11的金屬性基體金屬製造，其中凹坑可由聚合物或複合物填充。聚合物或複合物14可以是一種聚醯亞胺基的樹脂或其他合適類型。複合物14包括如玻璃纖維，碳纖維，KEVLAR或其他類型的纖維16，這些纖維粘結於，舉例來說，如聚醯亞胺基樹脂基體的樹脂基體18中。纖維16可被包含於一個單層，多層，在一或多個纖維層，或穿過基體18。纖維16定向器被選來以特定的方式來調準葉片部10和/或被用來″混合調準″該裝置。換句話說，纖維定位器根據一個預先選定的葉片部10的調準來決定。在本發明的一些構造中，在複合物14擱置和固化過程中，頻率特性通過調整纖維16定位器控制。本發明的一些構造通過對纖維16定位器和/或纖維16編織物進行微調來控制在由這些纖維製得的織物中不同方向上的應力和彈性模數。而且，複合填充材料和纖維定位器還有利於特定的調準和域與直通窗聯合的葉片的阻尼設計，以在填料和葉片之間允許結構改善。
還有，參照圖3到圖7，在本發明的一些構造中，纖維16的特定定向器用來對獨立的葉片部10頻率進行調準。″混合調準″包括將一個具有頻率特性的特定組22和一或多個其他頻率特性的組24相結合。然後葉片20組22和24被組裝(例如，交替地)成一排以獲得渦輪機26(例如，蒸汽或燃氣渦輪機)的改善的機械阻尼。根據最終″混合調準″期望值，可以有多於一組或兩組不同的葉片20組。
應該注意到本發明的構造可以用於其他的環境允許的蒸汽或燃氣渦輪機動葉或葉片(例如，燃氣渦輪機前級壓縮機葉片)。本發明的一些構造利於對一個連續安裝或獨立安裝的葉片部10排的自然頻率和動態響應的解調，而不需要改變空氣動力學外形和效率。本發明的一些構造還具有單獨對一個葉片10排進行調節的能力和在不改變空氣動力學外形和效率的情況下對不滿足設計要求的特定模式進行調節的能力。
本發明的一些構造具有在不改變空氣動力學效率情況下，採用複合物定位器控制混合葉片的凹區域的剛度的方式來對單獨的葉片頻率調準的能力。纖維16可以採用不同的方式定向來對可控制特定葉片自然頻率的方向上的剛度進行控制。複合物14設計為基於纖維類型，織法和定向在的不同方向上具有顯著不同的應力和彈性模量。
參照圖4到圖6，本發明的一些構造提供了通過混合調準葉片排中葉片20的自然頻率來抑制葉片排(連續安裝或獨立安裝)的空氣彈性變形的響應的能力。這些構造採用了帶有纖維16加強剛性調節的混合長葉片部10設計。該調節可以通過使用不同織物材料16，織法和定向來控制不同方向上的剛度來實現。不同頻率和特性的葉片部10還可以用來改變一個葉片組的自然頻率(參考前述美國專利5931641，描述了一種混合葉片基體設計)。本發明的這些構造產生了至少兩個截然不同的葉片20的葉片組22和24(參看圖3)。每個組具有相同的空氣動力學形狀和外輪廓，但在葉片20凹處具有不同的組合填料14，因此就有意地改變了兩組(或更多)葉片組22和24的自然頻率。例如，在本發明的一些結構中，一葉片組22使用更高應力和″剛度″的複合材料14，而另一組22使用更低剛度和高阻尼材料14。例如還有，在一些構造中，第一組22採用定向於一個方向的纖維16(參見圖4)，第二組24採用定位於第二方向的纖維16。這樣，兩組和更多組的葉片20被有目的地製造和合理地安裝，以利用它們在固有的自然頻率上的不同來抑制葉片對於同步或非同步的振動的響應，並不會反向影響到葉片的空氣動力學性能。
在本發明不同的構造中，纖維定向器，生產工藝或者兩者的結合被用於改變單獨葉片的基礎自然頻率，連續連接的葉片排的特定模式調準，或兩者的結合。這樣，在一些構造中，擱置的複合物具有在優選方向上對齊的更多的纖維，其影響了在利益相關方向上的剛度，從而控制或者轉變頻率。本發明的一些構造將織物材料的多個不同層定向為不同方向，這樣以影響在兩個或以上方向上的剛度，從而在每個方向上允許進行不同的剛度控制。
參見圖6的本發明的一些構造中，使用一個準全向接頭(例如
n，其中n是重複層序列數)或在一個基體(例如片狀層壓複合物或″SMCs″)中隨機定向的長纖維，主要就如同上述描述過的″混合調準″裝置一樣。至少兩組不同的葉片和其相應的自然頻率響應以一種選擇用來減少葉片排的淨頻率響應的方式進行安裝。
在一些構造中，纖維定位器用來混合調準葉片排。更特別的，兩組或更多組帶有凹陷部和/或″凹坑″的葉片組裝配於環上，凹陷部和/或「凹坑」主要沿著葉片的壓力邊安置。這些葉片組包括在渦輪機一個級中的一套葉片，一組葉片具有較其他組更高的共振頻率或阻尼特性。在一個示例性的構造中，一組葉片配置使得一個自然頻率等距離的布置在兩個″per-rev″標準之間(例如4 per rev和5 per rev開口)。同時，另一組葉片具有可選擇的纖維擱置定向，構造使得圍繞另一組「per-rev」激勵等距的設置(例如，3 per rev和4 per rev開口)當在複合樹脂基體中採用不同的織物材料和定向時，會發生固有的不同阻尼和頻率響應。複合纖維結構先於加工″凹坑″工藝前與樹脂粘合劑一起來建立期望的翼形外形。
不同的葉片/凹坑幾何結構的粒子在圖中示出。圖7示出了一個渦輪機配置中低壓末級葉片的典型位置。本發明的結構可以在渦輪機中溫度足夠低並且葉片允許足夠大的多個級中應用。本發明的結構還可以用在單級流動渦輪機中。
本發明的一些構造提供了一種減少在金屬和複合物之間的粘性層中的剪應力的方法，同時提供複合物的主動的機械鎖到葉片上。本發明的結構可應用於一或多個不同纖維或織物定向器層的複合物矩陣。
參考圖8和圖9，在本發明的一些結構中，對混合葉片部10構造設置了一個幾何直通″窗″12凹坑11的結構。這些構造中的其中一些的凹坑11具有採用流道表面58向上到分界面56的逐漸傾斜面。窗12幫助複合材料14與葉片部10主動機械連接。此外，窗12還使複合物14和金屬葉片部10之間的粘合層中的剪應力減小。
本發明的一些構造提供一種多窗口12構造，其促進了模層狀複合材料14和葉片部10之間的機械連接的改善。由於複合材料14的高剛度，穿透葉片部10的壁是可行的。(在至少一種具有混合葉片的現有技術的構造中，使用的是低溫和很小剛度的聚合物。在此現有技術中採用柔軟的低溫聚合物來穿過葉片壁是不可行的)在本發明的一些構造中，用於混合葉片部10的凹坑11的幾何構造包括多個″窗″12，這些窗一直延伸穿透葉片壁52。凹坑11環繞邊緣可以是凹陷或凸起的。對於凹陷或者凸起的選擇可以根據經驗作出，取決於在複合物分層過程中那種最有益和/或哪種具有最好的保持性能。窗12定位於選擇用來最小化或者至少減少對於凹陷11和葉片設計的應力集中的區域54。窗口12可具有多個形狀，這些形狀可通過具有窗口12的葉片的有限元分析確定。在一些構造中，根據經驗測試決定，窗12在窗口邊緣既採用凹陷也採用凸起的表面。
在本發明的一些構造中，複合材料14包括織物16，如玻璃，碳，Kevlar或其他材料，其使用樹脂粘合劑/填料18布置成層。例如，成層複合物14採用諸如單向保混劑或機織織物帶製得。製造成層複合物的合適的方法包括在鑄造過程中，將樹脂注入纖維上。在一些構造中採用一個高溫聚醯亞胺基體，但是其他具有耐高溫能力的聚合物也是合適的。
本發明的在邊緣處採用金屬填料的設計不僅限於前緣，還可應用於所有邊緣，包括但不僅限於，外側或者徑向外邊緣。內側邊緣可設置一個具有高入射角的徑向流道或者一個來自造成徑向向外″溼″蒸汽流的離心負載的純徑向流。凹陷具有一個小或大的半徑，其取決於靠近所討論的邊緣附近的翼型的厚度。該凹陷逐步的滲入凹坑的後壁，採用此種方式可減少應力集中。
本發明的一些構造在翼型的兩邊均具有″均衡壓力薄板″，同時複合材料在凹坑處固化。均衡壓力薄板在那些凹坑被機械加工去掉處形成翼型的形狀。樹脂填料用來在對″凹坑″加工工序之前重建翼型形狀。
此外，本發明的一些構造提供一種將複合材料的附加機械連接件加入葉片凹坑中，從而減少在複合物和金屬翼型之間的粘合層中的剪應力。而且，本發明的一些構造有利於改善葉片中的應力水平以使葉片能夠形成為在其自由端附近具有較長的葉片長度或弦寬。
本發明的一些構造還在葉片內的複合基體中加入了主動機械性保持件。
這樣，概括來說，再次參考圖1和圖2，本發明的一些構造提供了一種減少渦輪機葉片部(bucket)10的應力的方法，其中葉片包括金屬性基體金屬。該方法包括用聚合物或在樹脂基體18中具有連續纖維16的複合物14來填充葉片部10中的一或多個凹坑11。纖維16具有一個與預先選定的葉片頻率調節相一致而確定的定向。
參考圖3至圖7，在多個渦輪機葉片(blade)20的多個渦輪機葉片部10中可以重複該方法，其中葉片部10的預選定的頻率調節在至少葉片20的第一組22和葉片20的第二組24之間不同。而且，一些方法包括裝配葉片20的第一組22和葉片20的第二組24來實現渦輪機26的機械阻尼。該方法還能包括將第一組22中的葉片20可選的與第二組24中的葉片20進行裝配。還有，在一些構造中，多個渦輪機葉片20具有同樣的外部空氣動力學外形和輪廓，葉片20至少包括兩組22和24，一組24在葉片部10中具有比其他一組或多組24中更高強度或剛度中之一或二者均高的複合物14。在本發明的一些構造中，其中多個渦輪機葉片20具有同樣的外部空氣動力學外形和輪廓，並且葉片20至少包括兩組22和24，該方法進一步包括將一組22中的纖維16以與其他一組或多組24相不同的方向定向於樹脂基體18中。
參考圖4-圖6，本發明的一些構造還包括填充具有在至少兩個方向上定向的纖維16的複合物14，其中在第一優選的方向36填充比不同的第二方向38上更多的纖維。參見圖10，本發明的一些構造還包括採用織物材料的多個不同的層40和42對複合物14進行填充，其中纖維16在定向於不同方向的不同層中。複合物14能包含一種準全向的接頭46，並且此方法還進一步包括將兩組結構上不同的葉片48，50安裝在一個結構中，以減少葉片排的淨頻率響應。在一些構造中，該複合物包括在基體18中隨機定向的長纖維16，並且該方法包括將兩組不同的葉片安裝在一個結構中以減少葉片排的淨頻率響應。
另一方面再次參考圖1到圖7，本發明的一些構造提供了一個已調準的渦輪葉片20。該葉片具有至少一個包括金屬基體金屬的葉片10，其中一或多個凹坑11中填充有聚合物或者具有粘結於樹脂基體18中的連續纖維16的複合物14。纖維16具有依據預先選定的葉片頻率調節的確定的方向。本發明的一些構造包括多個渦輪葉片20，其包括至少具有調節到第一頻率的葉片部10的葉片20的第一組22，和調節到一個不同的第二頻率的葉片部10的葉片20的第二組24。將葉片20組裝以獲得燃氣或蒸汽渦輪機26的機械阻尼。在一些構造中，多個葉片部10僅由第一組22和第二組24組成，並且具有第一組22的葉片部10的葉片20與具有第二組24的葉片部10的葉片20交替裝配。本發明的一些構造包括多個具有同樣外部空氣動力學形狀和輪廓的渦輪機葉片，並且葉片20包括至少兩組22和24，每組在葉片部10中具有不同的複合物14。本發明的還有一些附加的構造包括多個具有同樣空氣動力學外形和輪廓的渦輪機葉片20，並且葉片包括至少兩組22和24。在這些構造中，一組22在葉片部10中具有較其他一或多組24的更高強度和/或更大剛度的複合物14。還有其他的構造包括多個渦輪機葉片20具有同樣空氣動力學外形和輪廓。但是，葉片20包括至少兩組22和24，其中一組22中和另外一組或多組24中的纖維16定向於不同方向。
本發明的一些構造提供渦輪機葉片20，其中複合物14包括定向於至少兩個方向上的纖維16，其中在第一優選方向36填充比一個不同的第二方向38上更多的纖維16。而且，參見圖10，本發明的一些構造提供渦輪機葉片20，其中複合物14包括多個不同的織物材料層40和42，其中在不同層40和42中的纖維16定位在不同的方向上。
本發明的其他一些構造提供多個渦輪機葉片20，其中複合物14包括一種準全向的接頭46或者在基體18中隨機定向的長纖維16。兩組結構上不同的葉片部10安裝在一個構造中以減少葉片排的淨頻率響應。
本發明的其他一些構造還提供了一種渦輪機葉片20，其具有多個全部穿透葉片部10的壁52的窗凹坑11的葉片部10。窗12定位於最小化或至少減少窗凹坑11的應力集中的區域54，並且葉片20進一步包括複合材料14，其包括樹脂基體18和織物材料層44。
可以認識到，本發明的構造提供了將聚合物或複合材料保持於葉片內的機械協助。可以了解到本發明提高了外葉片部的強度從而有利葉片應力水平的減少，尤其利於調準葉片或阻尼構造。
當本發明以不同的特定實施例進行描述時，本領域技術人員會認識到在權利要求的精神和範圍內本發明可以實施修改。
部件列表10 葉片部11 凹坑12 窗14 複合物16 纖維18 基體20 葉片22 第一組24 第二組26 燃氣或蒸汽渦輪機36 優選方向38 第二方向40 不同層42 不同層44 織物材料46 準全向接頭48 葉片部50 葉片部52 葉片壁54 區域56 分界面58 流道表面
權利要求
1.一種渦輪機葉片(20)，其包括葉片部(10)，該葉片部具有多個穿透所述葉片部的壁(52)的窗凹坑(11)，所述多個窗凹坑定位在便於減少在所述多個窗凹坑處的應力集中的區域(54)中，和包括樹脂基體(18)和多個織物材料層(40，42)的複合物(14)。
2.如權利要求1所述的渦輪機葉片(20)，其中所述多個窗凹坑(11)定位於利於最小化所述葉片的應力集中的區域(54)中。
3.如權利要求2所述的渦輪機葉片(20)，其中所述多個窗凹坑(11)根據帶有所述多個窗凹坑(11)的所述葉片部(10)的有限元分析來進行定位。
4.如權利要求1所述的渦輪機葉片(20)，其中所述複合物包括置於層(40，42)中的織物材料和樹脂粘合劑。
5.如權利要求4所述的渦輪機葉片(20)，其中所述織物材料(44)包括玻璃、碳和含有玻璃纖維(16)的織物中的至少一種。
6.如權利要求4所述的渦輪機葉片(20)，其中所述織物材料(44)包括至少一個預浸漬單向機織織物帶，其中機織織物帶有在鑄造過程中注入纖維(16)中的樹脂粘合劑。
7.如權利要求4所述的渦輪機葉片(20)，其中所述樹脂粘合劑包括一個高溫聚合物。
8.如權利要求7所述的渦輪機葉片(20)，其中所述高溫聚合物包括聚醯亞胺。
9.如權利要求1所述的渦輪機葉片(20)，其中所述多個窗凹坑(11)由外邊緣限定，所述多個窗凹坑是圍繞它們邊緣的凹陷和凸起之一。
10.如權利要求1所述的渦輪機葉片(20)，其中所述多個窗凹坑(11)臨近所述渦輪機葉片的前緣處進行設置。
全文摘要
一種製造渦輪機葉片(20)的方法，該方法包括在渦輪機葉片上設置一個葉片部(10)，其帶有多個全部穿透該葉片部的壁(52)的窗凹坑(11)，將該窗凹坑(11)定位於最小化或至少減少窗凹坑的應力集中的區域(54)，鑄造包括樹脂基體(18)和在葉片部中的織物材料(44)層的複合物。
文檔編號F01D5/28GK101059080SQ20071010353
公開日2007年10月24日 申請日期2007年3月30日 優先權日2006年3月31日
發明者S·S·伯德吉克, C·拉諾, A·馬金德, 林玫玲 申請人:通用電氣公司