专利名称：复合翼型件组件的制作方法
复合翼型件组件政府支持条款
本发明根据由(美国)能源部给予的合同N0.DE-FC26-05NT42643在政府的支持下作出。因此，政府对本发明具有某些权利。
背景技术：
本发明涉及一种用于使用在涡轮机中的复合叶片组件，并且具体地讲，涉及在陶瓷翼型件和金属平台之间的接合部。涉及陶瓷叶片结构的当前实践需要在制造过程期间被结合在翼型件基部处的一体式平台区段。由于与一体式平台系统的生产相关的材料、劳动力以及机械加工成本，这增加了构件的成本。事实上，这些在零件制造的总的成本分配中是相当大的成本。其它的复合叶片包括单独形成的翼型件和平台，其通过机械器件被附连在转子上。还有其它的复合叶片在它们的金属平台和陶瓷翼型件区段之间使用化学接合(joint)。这些布置也是劳动力密集型的并且制造起来昂贵。用金属材料制造平台对较低温度的应用(其中，平台不经受最高温度)来说是极其有利的。因此，仍然存在对这样的简单且相对不昂贵的陶瓷叶片结构的需要:其可利用陶瓷翼型件技术，但与在某些应用中所希望的金属平台相结合。
发明内容
在一个示范性的但非限制性的实施例中，提供了一种用于安装在提供于涡轮叶轮上的槽中的复合翼型件组件，其包括:形成有翼型部分、叶片柄部和叶片燕尾式柄脚的陶瓷叶片；以及具有平台柄和径向内侧平台燕尾榫的金属平台；陶瓷叶片被捕获在金属平台内，使得在使用中，陶瓷叶片独立于金属平台保持在涡轮叶轮中的槽内。在另一方面，提供了一种安装有多个复合翼型件组件的涡轮转子叶轮，各个翼型件组件包括陶瓷叶片以及具有平台柄和径向内侧平台燕尾榫的金属平台；陶瓷叶片具有被捕获在金属平台内的叶片燕尾式柄脚，使得在使用中，陶瓷叶片独立于金属平台被保持在涡轮叶轮内。在又一方面，提供了一种将陶瓷叶片装配到金属平台的方法，包括提供具有翼型部分、柄部以及径向内侧燕尾式柄脚的陶瓷叶片；以及在陶瓷叶片的柄部和径向内侧燕尾式柄脚周围铸造金属平台。现将结合下面标识的附图详细说明本发明。
图1为根据本发明的示范性的但非限制性的实施例的复合叶片组件的侧视图。图2为从图1的叶片组件中去除的翼型部分的透视 图3为安装在转子叶轮上的图1的叶片组件的部分截面；以及图4为根据本发明的示范性的但非限制性的实施例的四个复合叶片组件的组的透视图。部件列表
10 叶片组件
12 陶瓷翼型件
14 金属平台
16 翼型部分
18 柄部
20 燕尾式柄脚
22 平台柄
24、26、28 燕尾式柄脚
32、34 柄端
36、38 天使翼密封件
40、42 密封件
44 斜面
46、48、50 细长的凹槽 52 平台空腔 52 燕尾式切口 54、56、58、60 端部 66 燕尾槽或转子槽 68、70、72、74 配合表面 76 径向间隙 78 内表面 80 相邻表面 82 间隙。
具体实施例方式一开始参考图1-3，根据本发明的示范性的但非限制性的实施例的复合叶片组件10包括陶瓷翼型件12和金属平台14。如在图2中最好地看出，陶瓷翼型件12包括翼型部分16、柄部18以及在其径向最内端的燕尾式柄脚20。金属平台14(图1)包括平台柄22以及相对地延伸且否则为常规的平台燕尾式柄脚24、26以及28，平台燕尾式柄脚适于被容纳在形成在转子叶轮30 (见图3)中的配合槽中，如本文进一步所述。平台柄22包括相对的柄端32、34，其在一端上设有天使翼密封件36、38，且在相对端上设有密封件40、42。如果需要，所谓的“斜面”(slash face)(在44处示出一个)中的一个或两者可形成有细长的凹槽46、48、50以便允许放置轴向和/或径向的销式密封件(未示出)。金属平台14因此看起来是基本上中空的，具有大体在平台斜面
44、柄端32、34和中间的燕尾式柄脚26之间限定的空腔52。因此，径向外侧的平台柄脚28的一部分在端部54、56之间被切去，并且通向中间的平台柄脚26的过渡区域的一部分在端部58、60之间被切去，使得由于在下面进一步解释的原因而形成了平台空腔52的部分。
在示范性的但非限制性的实施例中，陶瓷翼型件12由例如CMC材料、硅基质纤维材料、氮化娃陶瓷或无纤维的独石陶瓷(monolithic ceramic)材料形成。可使用其它合适的陶瓷材料，但在所有的情况下，陶瓷材料必须具有足够的高温特性以便不仅经受住涡轮的操作温度而且经受住如下文描述的在金属平台围绕翼型件的制造期间的铸造温度。在示范性的但非限制性的实施例中，翼型件柄部18和翼型件燕尾式柄脚20由在图2中的62处(从在64处的接合部延伸到(并且包括)柄脚20的下侧)示出的陶瓷浆料部分地封闭。平台14此后通过常规的铸造过程围绕翼型件12铸造，使得产生在图1和图3中所示的构造，其中，翼型件柄部18和翼型件燕尾式柄脚20在不用任何种类的冶金或化学结合的情况下被捕获在平台空腔52内。注意，翼型件燕尾式柄脚20安装在平台燕尾式切口 52内，并且成形为使得在端部54、56之间形成上部平台柄脚28的基本上的延续部分，因此允许以惯常的方式将叶片组件10装载到转子叶轮30上。尽管如此，翼型件燕尾式柄脚20没有以其它方式附连或固定到金属平台。如在图1和图3中最好地看出，当复合叶片组件装载到涡轮转子叶轮30上时，平台燕尾式柄脚24、26以及28安装在转子叶轮30中的配合的燕尾槽66内，其中，翼型件燕尾式柄脚20独立地锚定在槽66的径向外端内，并且沿轴向在平台柄脚28的端部54、56之间。当涡轮在运转中时，离心力将在沿径向向外的方向上驱动翼型件12，从而引起翼型件柄脚20与转子槽66的配合表面68、70和72、74之间的接触。结果，在叶片柄脚20的内表面78和平台柄脚26的相邻表面80 (其限定空腔52的沿径向最里面的表面)之间保持有微小的径向间隙76。同时，翼型部分16在其进入金属平台14的地方还没有密封。相反，非常微小的间隙82围绕翼型部分16的金属外围延伸，如同样在图3中最好地看出。间隙82适应陶瓷和金属材料的膨胀的不同的热系数，并且可通过在翼型件和平台之间不传递负载的常规的机械方法密封。图4示出了装载到转子叶轮30上的一组4个基本上同样的复合叶片组件10。各个叶片组件如上面所描述的那样构造和装配，从而理解叶片围绕叶轮的外围延伸。本文描述的陶瓷叶片组件10具有许多优点。例如，当复合叶片组件10安装在涡轮转子叶轮30上时，转子叶轮燕尾槽或杉树状槽66上的下部的支撑特征或表面将支承金属平台14，同时，转子叶轮槽的上部的凸起(lobe)或柄脚将支承如上面所描述的并且如在图3中最好地看出的陶瓷叶片柄18。这种布置最终使金属平台与陶瓷翼型件分离，从而防止可能的在包含热期间由于热的失配而引起的裂缝。在翼型件的周边和金属平台之间的小的间隙80可被控制，使得来自柄空腔的泄漏不改变金属系统上的吹扫流的要求。可在没有一体式平台的情况下制造陶瓷翼型件，并且然后用在铸造过程中，其中，金属平台围绕CMC翼型件铸造，同时控制翼型件和平台之间的间隙。另外，不需要补充的(complimentary)吊钩或其它附连器件来将翼型件12固定到平台14。因此，在制造期间或运转期间，陶瓷翼型件将不接触金属平台系统。已经确定，所描述的布置可在发动机中每一叶片排的组合循环效率中产生正的阶跃变化。虽然已经结合目前认为是最实际和优选的实施例的内容描述了本发明，但要理解的是，本发明将不限于公开的实施例，而是相反，意图覆盖包括在所附的权利要求的精神和范围内的不同的修改和等效的布置。
权利要求
1.一种用于安装在提供于涡轮叶轮上的槽中的复合叶片组件，所述复合叶片组件包括:形成有翼型部分、翼型件柄部以及翼型件燕尾式柄脚的陶瓷翼型件；以及具有平台柄、平台柄空腔以及径向内侧平台燕尾榫的金属平台；所述陶瓷翼型件燕尾式柄脚被捕获在所述金属平台柄空腔内，使得在使用中，所述陶瓷翼型件独立于所述金属平台保持在所述涡轮叶轮中的所述槽内。
2.根据权利要求1所述的复合叶片组件，其特征在于，所述翼型部分突伸通过在所述金属平台的径向外表面中的开口。
3.根据权利要求2所述的复合叶片组件，其特征在于，所述径向内侧平台燕尾榫包括至少一个燕尾式柄脚，所述至少一个燕尾式柄脚形成有在它的相对端之间的所述部分切□。
4.根据权利要求3所述的复合叶片组件，其特征在于，所述部分切口在所述相对端之间基本上居中。
5.根据权利要求4所述的复合叶片组件，其特征在于，所述叶片燕尾式柄脚形成了所述至少一个平台燕尾式柄脚的延续部分。
6.根据权利要求1所述的复合叶片组件，其特征在于，所述陶瓷翼型件由CMC复合材料组成。
7.根据权利要求1所述的复合翼型件组件，其特征在于，所述陶瓷翼型件由硅基质纤维材料组成。
8.根据权利要求1所述的复合翼型件组件，其特征在于，所述陶瓷翼型件由氮化硅或独石陶瓷材料组成。
9.一种涡轮转子叶轮，其由以下构件组成: 多个复合叶片组件，各个叶片组件包括陶瓷翼型件和具有平台柄以及径向内侧平台燕尾榫的金属平台； 所述陶瓷翼型件具有捕获在所述金属平台内的翼型件燕尾式柄脚，使得在使用中，所述陶瓷翼型件独立于所述金属平台保持在所述涡轮叶轮内。
10.根据权利要求9所述的涡轮转子叶轮，其特征在于，所述径向内侧平台燕尾榫形成有部分切口，以容纳所述陶瓷翼型件的所述径向内侧燕尾式柄脚。
11.根据权利要求10所述的涡轮转子叶轮，其特征在于，所述径向内侧平台燕尾榫包括至少一个燕尾式柄脚，所述至少一个燕尾式柄脚形成有所述部分切口。
12.根据权利要求11所述的涡轮转子叶轮，其特征在于，所述部分切口在所述至少一个燕尾式柄脚的相对端之间基本上居中。
13.根据权利要求12所述的涡轮转子叶轮，其特征在于，所述陶瓷翼型件的所述径向内侧燕尾式柄脚形成了所述至少一个燕尾式柄脚的延续部分。
14.根据权利要求9所述的复合翼型件组件，其特征在于，所述陶瓷翼型件由CMC复合材料组成。
15.根据权利要求9所述的涡轮转子叶轮，其特征在于，所述径向内侧平台燕尾榫包括至少三个燕尾式柄脚，所述至少三个燕尾式柄脚中的径向外侧的一个形成有所述部分切口 ；并且所述陶瓷翼型件的所述径向内侧燕尾式柄脚形成了所述至少三个燕尾式柄脚中的所述径向外侧的一个的延续部分。
16.根据权利要求9所述涡轮转子叶轮，其特征在于，所述陶瓷翼型件由氮化硅或独石陶瓷材料组成。
17.一种将陶瓷翼型件装配到金属平台的方法，包括: a.提供具有翼型部分、柄部以及径向内侧燕尾式柄脚的陶瓷翼型件；以及 b.围绕所述陶瓷翼型件的所述柄部和所述径向内侧燕尾式柄脚铸造金属平台。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述金属平台形成有平台柄和径向内侧平台燕尾榫；所述翼型部分突伸通过在所述金属平台的径向外表面中的开口。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述径向内侧部分燕尾榫包括具有居中的区段切口的燕尾式柄脚，并且其中，所述陶瓷翼型件的所述径向内侧燕尾式柄脚容纳在所述居中的区段切口内。
20.根据权利要求19所述的方法， 其特征在于，包括在使用时维持所述陶瓷翼型件的所述径向内侧燕尾式柄脚的径向内表面与所述径向内侧平台燕尾榫的所述径向内侧燕尾式柄脚的外表面之间的空隙。
全文摘要
本发明涉及一种复合翼型件组件。用于安装在涡轮叶轮上的复合叶片组件包括陶瓷翼型件和翼型件平台。陶瓷翼型件形成有翼型部分、叶片柄部以及叶片燕尾式柄脚。金属平台包括平台柄和径向内侧平台燕尾榫。陶瓷翼型件被捕获在金属平台内，使得在使用中，该陶瓷翼型件独立于金属平台而保持在涡轮叶轮中。
文档编号F01D5/14GK103184890SQ201210432509
公开日2013年7月3日 申请日期2012年11月2日 优先权日2012年1月3日
发明者A.J.加西亚-克雷斯波 申请人:通用电气公司