[发明专利]包括多个插入件区段的混合涡轮叶片

说明书

技术领域

本公开大体上涉及涡轮机，并且更具体地涉及燃气轮机和汽轮机两者，以及由不同材料制成的插入件构成的涡轮叶片的设计。

背景技术

汽轮机包括但不限于汽轮机发电设备和船上的汽轮机推进设备。示例性汽轮机通常包含高压涡轮区段、低压涡轮区段或两者的组合，它们由蒸汽流旋转。燃气轮机包括但不限于燃气轮机发电设备和燃气轮机飞行器发动机。示例性燃气轮机通常包括核心发动机，其具有压缩进入核心发动机的空气流的高压压缩机、燃料和压缩空气的混合物在其中焚烧来生成推进气流的燃烧器，以及由推进气流旋转且由较大直径的轴连接来驱动高压压缩机的高压涡轮。典型的前风扇燃气轮机飞行器发动机增加了由较小直径的同心轴连接的低压涡轮(位于高压涡轮后方)，以驱动前风扇(位于高压压缩机的前方)，并且驱动可选的低压压缩机(位于前风扇与高压压缩机之间)。低压压缩机有时称为增压压缩机或简单地称为增压器。

在示例性汽轮机中，通常高压涡轮区段和低压涡轮区段具有各自包括附接到柄部部分的翼型件部分的汽轮机叶片。在示例性燃气轮机中，通常是风扇与高压压缩机和低压压缩机，以及涡轮具有各自包括附接到柄部部分的翼型件部分的燃气轮机叶片。转子叶片为分别附接到旋转的燃气轮机或汽轮机转子盘上的燃气轮机或汽轮机叶片。定子导叶为分别附接到非旋转的燃气轮机或汽轮机定子外壳上的燃气轮机叶片或汽轮机叶片。通常，存在交错的周向成排的沿径向向外延伸的转子叶片和沿径向向内延伸的定子导叶。当以燃气轮机构造存在时，第一排和/或最后一排定子导叶(也称为入口和出口导叶)可具有它们的也附接到非旋转燃气轮机定子外壳上的径向内端。反旋转“定子”导叶也是燃气轮机设计中已知的。常规燃气轮机和汽轮机叶片设计通常具有翼型件部分，其完全由诸如钛的金属制成，或完全由复合物制成。包括昂贵的宽翼弦中空叶片的全金属叶片重量较大，导致较低的燃料性能且需要稳健的叶片附接。

在燃气轮机飞行器应用中，没有金属前缘的较轻的全复合物叶片更容易受到飞鸟卷入事件的破坏。已知的混合叶片包括出于腐蚀和飞鸟碰撞原因而其前缘由金属保护(其中叶片其余部分由非金属涂层覆盖)的复合叶片。燃气轮机风扇叶片通常是燃气轮机飞行器发动机中的最大(并且因此最重的)的叶片，并且前风扇叶片首先受飞鸟撞击碰撞。复合叶片典型地已经用于重量是主要考虑的应用中。然而，除较高操作速度之外，在叶片损失事件期间期望减小附带破坏已经创建了甚至进一步减轻这些叶片的重量的期望。

克服该问题的现有尝试已使用了复合夹层翼型件构造，其包括由夹在碳/环氧面板之间的单个复合低密度插入芯构成的翼型件部分。尽管导致了重量轻的设计，但由这些单个重量轻的插入结构引起的应力状态由于几何应力集中和模块失配而已经显示出在飞鸟撞击情况下有问题。更具体地，单个插入件的使用被证实在静止飞鸟撞击测试下产生超过复合材料能力的层间应力。单个插入件的形状和尺寸的随后优化表明解决方案难以获得。

因此，明确需要一种改善的涡轮叶片，需要的是燃气轮机叶片，并且特别是燃气轮机风扇叶片，其重量比常规复合或混合叶片更轻，并且包括降低的几何应力集中。还需要的是一种比常规复合或混合叶片更轻的汽轮机叶片。

发明内容

现有技术的这些及其它不足通过提供混合涡轮叶片的本公开来解决。

按照实施例，提供了一种混合涡轮叶片其包括：柄部部分；以及包括外部复合结构并且具有形成在其中的凹口的翼型件部分，翼型件部分包括：具有第一密度的至少一个复合区段；各自具有小于前述第一质量密度的第二质量密度的至少两个插入件区段，至少两个插入件区段与至少一个复合区段成交错层叠关系设置，并且限定至少一个复合区段和至少两个插入件区段的交错叠层，其中至少一个复合区段和至少两个插入件区段的交错叠层设置在凹口中并沿弦向、翼展方向延伸且延伸穿过翼型件部分的显著厚度，其中至少两个插入件区段的最外层连结到外部复合结构上，并且其中前述外部复合结构、前述至少一个复合区段和前述至少两个插入件区段一起限定翼型件形状。