涡轮机叶片组件的制作方法

涡轮机叶片组件的制作方法
【专利摘要】本公开内容的实施例包括一种系统，其包括涡轮机叶片组件，其具有叶片部分、柄部分和安装部分，其中叶片部分、柄部分和安装部分包括从翼型件的末端延伸至燕尾部的底座的第一组多个板层。
【专利说明】涡轮机叶片组件
[0001] 关于联邦政府咨助的研究和开发的声明 本发明是根据由能源部资助的授权号DE-FC26-05NT42643-D0E利用政府支持作出的。 政府对本发明具有一定的权利。

【技术领域】
[0002] 本文中公开的主题涉及涡轮机，并且更具体地涉及用于制作和使用涡轮机叶片的 系统及方法。

【背景技术】
[0003] 涡轮机包括压缩机和涡轮，如燃气涡轮、蒸汽涡轮、喷气发动机和水力涡轮。大体 上，涡轮机包括转子，转子可为支承涡轮机叶片的轴或转鼓。例如，涡轮机叶片可通过与转 子中的槽口匹配的安装节段来附接到转子上。此外，涡轮机叶片可包括其它构件，诸如，平 台、密封件、抗旋转装置、柄和其它构件。令人遗憾的是，涡轮机叶片可由易受可引起过早磨 损和退化的升高的温度和应力的材料形成。


【发明内容】

[0004] 下文概括了与原来请求专利保护的本发明在范围上相同的某些实施例。这些实施 例并非旨在限制要求得到专利保护的本发明的范围，而相反这些实施例仅旨在提供本发明 的可能形式的简要概括。实际上，本发明可涵盖可类似于或不同于下文中所阐明的实施例 的多种形式。
[0005] 在第一实施例中，一种系统包括涡轮机叶片组件，其具有叶片部分、柄部分和安装 部分，其中叶片部分、柄部分和安装部分包括从叶片部分的末端延伸至安装部分的底座的 第一组多个板层（ply)。
[0006] 在第二实施例中，一种系统包括第一涡轮机叶片，其具有包括中空腔的叶片部分、 包括流体地联接到中空腔上的加压端口的柄部分，以及构造成将第一涡轮机叶片联接到转 子上的安装部分。
[0007] 在第三实施例中，一种涡轮机叶片组件包括第一部分、第二部分、第三部分和第四 部分。第一部分包括翼型件部分、柄部分和燕尾部分，其中第一部分包括第一组多个板层。 第二部分包括围绕第一部分设置的平台弓形部，其中平台弓形部包括第二组多个板层。第 三部分包括设置成邻近平台弓形部的多个天使翼，其中多个天使翼包括第三组多个板层。 第四部分包括在翼型件部分和平台弓形部上延伸的嵌条（fillet)部分，其中嵌条部分包 括第四组多个板层，以及其中第一组多个板层、第二组多个板层、第三组多个板层和第四组 多个板层层合到彼此上以形成单件。
[0008] 根据一实施例，一种系统，包括：涡轮机叶片组件，包括：叶片部分；柄部分；以及 安装部分，其中，所述叶片部分、所述柄部分和所述安装部分包括从所述叶片部分的末端延 伸至所述安装部分的底座的第一组多个板层。
[0009] 根据一实施例，所述第一组多个板层中的各个均包括遍布第一陶瓷基质材料的第 一组多条陶瓷纤维。
[0010] 根据一实施例，所述第一组多条陶瓷纤维沿所述第一组多个板层中的各个的轴线 定向。
[0011] 根据一实施例，所述涡轮机叶片组件包括设置在所述叶片部分和所述柄部分的外 表面上的至少一个柄弓形部，其中，所述柄弓形部包括第二组多个板层，所述第二组多个板 层中的各个均包括遍布第二陶瓷基质材料的第二组多条陶瓷纤维，且遍布所述第二陶瓷基 质材料的第二组多条陶瓷纤维的第一量大于遍布所述第一陶瓷基质材料的第一组多条陶 瓷纤维的第二量。
[0012] 根据一实施例，所述第一组多个板层层合到彼此上来形成单件。
[0013] 根据一实施例，所述涡轮机叶片组件包括围绕所述叶片部分、所述柄部分和所述 安装部分设置的平台弓形部，其中，所述平台弓形部包括第二组多个板层，其中，所述第二 组多个板层包括遍布陶瓷基材料的多条陶瓷纤维。
[0014] 根据一实施例，所述第一组多个板层和所述第二组多个板层层合到彼此上来形成 单件。
[0015] 根据一实施例，所述叶片部分包括构造成容纳来自于所述涡轮机叶片组件的柄腔 的加压流的叶片腔。
[0016] 根据一实施例，所述柄部分包括流体地联接所述叶片腔和所述柄腔的加压端口。
[0017] 根据一实施例，一种系统，包括：第一涡轮机叶片，包括：包括中空腔的叶片部分； 包括流体地联接到所述中空腔上的加压端口的柄部分；以及构造成将所述涡轮机叶片联接 到转子上的安装部分。
[0018] 根据一实施例，所述加压端口从所述第一涡轮机叶片的中空腔延伸至柄腔。
[0019] 根据一实施例，所述系统包括设置成邻近所述第一涡轮机叶片的第二涡轮机叶 片，以及设置在所述第一涡轮机叶片与所述第二涡轮机叶片之间的多个密封销。
[0020] 根据一实施例，所述多个密封销包括关于所述第一涡轮机叶片的轴线的至少一个 坚直密封销和至少一个水平密封销。
[0021] 根据一实施例，所述第一涡轮机叶片包括围绕所述叶片部分和所述柄部分定位且 从所述叶片部分和所述柄部分沿径向延伸的平台。
[0022] 根据一实施例，所述叶片部分、所述柄部分和所述安装部分包括第一组多个板层， 以及所述平台包括第二组多个板层。
[0023] 根据一实施例，所述第一组多个板层和所述第二组多个板层层合到彼此上来形成 单件。
[0024] 根据一实施例，所述系统包括延伸穿过所述叶片部分和所述平台的嵌条部分，其 中，所述嵌条部分包括第三组多个板层。
[0025] 根据一实施例，所述第一组多个板层、所述第二组多个板层和所述第三组多个板 层中的各个均包括遍布陶瓷基质材料的多条陶瓷纤维。
[0026] 根据一实施例，一种涡轮机叶片组件，包括：第一部分，其包括：翼型件部分；柄部 分；燕尾部分；其中，所述第一部分包括第一组多个板层；第二部分，其包括：围绕所述第一 部分设置的平台弓形部，其中，所述平台弓形部包括第二组多个板层；第三部分，包括：设 置成邻近所述平台弓形部的多个天使翼，其中，所述多个天使翼包括第三组多个板层；以及 第四部分，其包括：在所述翼型件部分和所述平台弓形部上延伸的嵌条部分，其中，所述嵌 条部分包括第四组多个板层；其中，所述第一组多个板层、所述第二组多个板层、所述第三 组多个板层和所述第四组多个板层均层合到彼此上来形成单件。
[0027] 根据一实施例，所述第一组多个板层、所述第二组多个板层、所述第三组多个板层 和所述第四组多个板层中的各个均包括遍布陶瓷基质材料的多条陶瓷纤维。

【专利附图】

【附图说明】
[0028] 当参照附图来阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变 得更容易理解，所有附图中的相似标号表示相似的部分，在附图中： 图1为具有燃气涡轮系统、蒸汽涡轮和热回收蒸汽发生（HRSG)系统的联合循环发电系 统的实施例的简图； 图2为根据本公开内容的实施例的涡轮机的局部截面轴向视图，示出了具有安装节段 的沿轴向安装的涡轮机叶片； 图3为根据本公开内容的实施例的涡轮机的局部截面轴向视图，示出了具有安装节段 的沿轴向安装的涡轮机叶片； 图4为根据本公开内容的实施例的涡轮机叶片组件的分解透视图； 图5为根据本公开内容的实施例的涡轮机叶片的截面； 图6为示出用于形成涡轮机叶片组件的构件的多个叠层的材料成分的示意图；以及 图7至图13为示出组装涡轮机叶片组件的过程的步骤的局部涡轮机叶片组件的透视 图。

【具体实施方式】
[0029] 下文将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简要描述， 在说明书中可不描述实际实施方式的所有特征。应当认识到，在任何这些实际实施方式的 开发中，如在任何工程或设计项目中一样，必须作出许多针对实施方式的决定，以实现开发 者的具体目标，如遵循关于系统和关于商业的限制，这可从一个实施方式到另一个实施方 式变化。此外，应当认识到，这些开发工作可能很复杂且耗时，但对于受益于本公开内容的 普通技术人员来说，仍为设计、构造和制造的常规任务。
[0030] 在介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词〃一个〃、〃一种〃、〃该〃和〃所述〃 旨在意指存在一个或多个元件。用语〃包括〃、〃包含〃和〃具有〃旨在为包括性的，且意 指可存在除所列元件之外的附加元件。
[0031] 公开的实施例包括改进的涡轮机叶片组件，以及用于形成改进的涡轮机叶片组件 的工艺或方法。更具体而言，某些实施例包括涡轮机叶片组件，其中涡轮机叶片组件的一个 或多个构件由多个连续的纤维增强的板层或层形成。以下文详细描述的方式，涡轮机叶片 组件和/或涡轮机叶片组件的构件可通过将多个连续的纤维增强的板层或层定位在模具 中形成，且板层或层然后可使用作业过程、加工过程、化学过程、冶金过程或它们的组合来 层合在一起。例如，涡轮机叶片组件可分别由复合材料层合层形成为单件，如，陶瓷基复合 材料或其它复合材料（例如，具有遍布基质材料的纤维）。例如，陶瓷基复合材料可包括具 有遍布陶瓷基质材料分散的陶瓷纤维（例如，碳化硅、碳或氧化物纤维）的陶瓷基质材料 (例如，碳化硅或氧化物基质）。结果，涡轮机叶片组件可能够在没有冷却的情况下经得起 升高的温度。
[0032] 此外，在某些实施例中，涡轮机叶片组件可包括中空叶片部分（例如，中空翼型 件）。例如，中空翼型件可包括用于将翼型件的中空内部连接到涡轮机的柄腔上的通路或 端口。以此方式，柄腔内的加压流（例如，空气流）可流入涡轮机叶片的翼型件的中空内部 中。当各个涡轮机叶片组件的翼型件的中空内部加压时，涡轮机叶片组件可受到保护而免 受外来物体的破坏和冲击退化。此外,为了保持柄腔和翼型件的中空部分内的流的加压，密 封销可设置在涡轮机叶片之间来阻挡从柄腔至周围大气的加压流的泄漏。尽管在涡轮（例 如，蒸汽涡轮、水力涡轮或燃气涡轮）的背景下描述了下文公开的实施例，但重要的是注意 公开的涡轮机叶片组件可结合其它涡轮机如压缩机或泵来使用。
[0033] 现在转到附图，图1为具有配备有改进的涡轮机叶片组件的各种涡轮机的联合循 环系统10的实施例的示意性框图。具体而言，涡轮机包括涡轮机叶片组件，其可由多个板 层或层的材料如陶瓷基复合材料形成。例如，多个板层或层的材料可层合到彼此上。在某 些实施例中，各个涡轮机叶片组件均可包括多个构件，如，叶片部分（例如，翼型件）、平台、 安装部分（例如，燕尾形接头）等，其中的一些或所有都可由多个层合的板层或层的材料形 成。如图所示，联合循环系统10包括燃气涡轮系统11，其具有压缩机12、具有燃料喷嘴16 的燃烧器14,以及燃气涡轮18。燃料喷嘴16将液体燃料和/或气体燃料如天然气体或合 成气发送至燃烧器14。燃烧器14点燃且燃烧燃料空气混合物，且然后将热加压燃烧气体 20 (例如，排气）传递到燃气涡轮18中。涡轮叶片22 (例如，涡轮机叶片组件）联接到转子 24上，转子24还联接到如图所示的联合循环系统10各处的若干其它构件上。如下文详细 描述的那样，例如，涡轮叶片22可为由多个层合的板层或层来形成的改进的涡轮叶片22。 当燃烧气体20穿过燃气涡轮18中的涡轮叶片22时，燃气涡轮18被驱动而旋转，这引起转 子24沿旋转轴线25旋转。最后，燃烧气体20经由排气出口 26 (例如，排气管道、排气管、 消音器等）离开燃气涡轮18。
[0034] 在所示的实施例中，压缩机12包括压缩机叶片28。压缩机12内的压缩机叶片28 也联接到转子24上，且在转子24被如上文所述的燃气涡轮18驱动而旋转时旋转。此外，压 缩机叶片22还可由多个层合的板层或层形成。当压缩机叶片28在压缩机12内旋转时，压 缩机叶片28将来自于进气口的空气压缩成加压空气30,加压空气30被发送至燃烧器14、 燃料喷嘴16和联合循环系统10的其它部分。然后，燃料喷嘴16混合加压空气和燃料来产 生适合的燃料空气混合物，其在燃烧器14中燃烧以生成燃烧气体20来驱动涡轮18。此外， 转子24可联接到第一负载31上，第一负载31可通过转子24的旋转来供能。例如，第一负 载31可为可通过联合循环系统10的旋转输出生成功率的任何适合的装置，如，发电站或外 部机械负载。例如，第一负载31可包括发电机、飞机的螺旋桨等。
[0035] 系统10还包括蒸汽涡轮21，其用于驱动第二负载23(例如，通过轴27的旋转）。 第二负载23也可为用于生成电功率的发电机。然而，第一负载31和第二负载23两者都可 为能够由燃气涡轮系统11和蒸汽涡轮21驱动的其它类型的负载。此外，尽管燃气涡轮系统 11和蒸汽涡轮21在所示的实施例中驱动单独的负载（例如，第一负载31和第二负载23)， 但燃气涡轮系统11和蒸汽涡轮23还可串联使用来通过单个轴驱动单个负载。
[0036] 系统10还包括HRSG系统35。来自于涡轮18的加热的排出气体29输送至HRSG 系统35来加热水产生用于向蒸汽涡轮21供能的蒸汽33。如将认识到的那样，HRSG系统 35可包括各种节约器、冷凝器、蒸发器、加热器等，以生成和加热用于蒸汽涡轮21供能的蒸 汽33。由HRSG系统35产生的蒸汽33穿过蒸汽涡轮21的涡轮叶片。当蒸汽33穿过可由 多个层合的板层和层形成的蒸汽涡轮21中的涡轮叶片时，蒸汽涡轮21可被驱动而旋转，这 引起轴27旋转，从而对第二负载23供能。
[0037] 在以下论述中，可参照各种方向或轴线，如，沿轴线25的轴向方向、远离轴线25的 径向方向34,以及围绕蒸汽涡轮21的轴线25的周向方向36。此外，如上文所述，尽管下文 所述的改进的涡轮机叶片可结合多种涡轮机中的任一种（例如，压缩机12、燃气涡轮18或 蒸汽涡轮21)使用，但以下论述描述了涡轮18(例如，燃气涡轮）的背景下的改进涡轮机叶 片。
[0038] 图2为具有联接到转子24上的涡轮叶片22的涡轮18的局部截面轴向32视图。 在所示的实施例中，各个涡轮叶片22包括多个构件，如下文详细描述的那样，构件可由多 个层合的板层或层形成。例如，各个涡轮叶片22均可包括叶片部分50 (例如，翼型件）、平 台52和安装插入部分56 (例如，燕尾形接头、安装节段部分或燕尾形插入件）。具体而言， 各个涡轮叶片22的燕尾部56均构造成与凹口或槽口 58接合，如，形成在转子24的外表面 60中的轴向或周向的槽口。例如，燕尾部56可与形成在转子24中的第二燕尾部分或燕尾 槽口接合。在一个实施例中，槽口 58可完全围绕（例如，环绕）转子24沿周向方向36延 伸。在另一个实施例中，转子24可包括沿周向36围绕转子24与彼此间隔开的多个轴向槽 口 58。所示的实施例示出了联接到转子24上的涡轮叶片22的单级60。如本文使用的涡 轮叶片22的〃级〃是指在沿转子24的某一轴向32地点处围绕转子24沿周向36延伸的 那些涡轮叶片22。此外，如上文所述，在所示的实施例中的涡轮叶片22沿轴向32安装（例 如，通过燕尾部56)在槽口 58中。换言之，形成在转子24中的槽口 58沿转子24轴向地32 延伸。如将认识到的那样，各个相应的涡轮叶片22的燕尾部56可通过将燕尾部56沿轴向 32插入一个槽口 58中来联接到转子24上。
[0039] 如上文所述，各个涡轮叶片22均可包括翼型件50、平台52和燕尾部56。翼型件50 形成叶片22的叶片部分，而下文所述的平台54、燕尾部56和涡轮叶片22的其它构件限定 叶片22的底座部分或安装部分。如下文所述，各个涡轮叶片22均可由多个层合层（例如， 板层）形成为单件。更具体而言，涡轮叶片22的各个构件（例如，翼型件50、平台52、燕尾 部56等）可由多个层合的板层或层形成，且涡轮叶片22的各个构件（例如，翼型件50、平 台52、燕尾部56等）还可连结或层合在一起以形成单件涡轮叶片22。此外，各个层合层均 可由复合材料如陶瓷基质复合材料构成，且可具有嵌入基质材料（例如，陶瓷基质材料，如 碳化硅或氧化物基质）中的多条纤维（例如，陶瓷纤维，如，碳化硅、氧化物或碳纤维）。具 体而言，在某些实施例中，经由各层或板层（见图6)的陶瓷基质复合材料分散的陶瓷纤维 的量可大致相同。在其它实施例中，经由层的陶瓷基质复合材料分散的多条陶瓷纤维可改 变以增大或减小作用于由层或板层形成的构件上的振动负载的阻力。如将认识到的那样， 复合材料可能够经得起较高的温度，且具有比金属材料更长的寿命。此外，复合材料需要的 冷却可比金属材料更少。此外，复合材料可为较轻的重量，这可允许改善涡轮18的响应。
[0040] 此外，在所示的实施例中，密封销70定位在各个涡轮叶片22之间。更具体而言， 水平密封销72和坚直密封销74定位在各个涡轮叶片22之间。例如，密封销70可定位在 相邻的涡轮叶片22的相应平台、平台弓形部、天使翼或其它构件之间。在某些实施例中，涡 轮叶片22的一个或多个构件可包括构造成收纳和约束密封销70的凹口 75。以此方式，密 封件70可密封各个涡轮叶片22的平台52下方的柄腔76。例如，凹口 75可通过加工过程 形成，或凹口 75可通过围绕凹口 75定位层板层来形成凹口 75而形成。如将认识到的是， 柄腔76可填充有加压流体（例如，空气、氮气、C02等），其可由联合循环系统10的压缩机 12、燃烧器14或其它构件供应。例如，加压流体可为转子24内的吹扫流。以下文所述的方 式，加压流体可暴露于各个涡轮叶片22的翼型件50的翼型件腔。因此，加压流体可加压涡 轮叶片22的内部，从而改善涡轮叶片22的回弹性且增大对来自于行进穿过涡轮18的碎片 或其它外来物体的冲击的涡轮叶片22阻力。
[0041] 图3为具有联接到转子24上的涡轮叶片22的涡轮18的局部截面轴向视图，示出 了暴露于各个涡轮叶片22的平台52下方的柄腔76的各个涡轮叶片22的翼型件腔100。 具体而言，在所示的实施例中，各个涡轮叶片22的翼型件50为中空的，从而形成各个涡轮 叶片22的翼型件腔100。此外，各个翼型件腔100通过形成在各个涡轮叶片22的柄104中 的加压端口 102来流体地联接到柄腔76上。即，加压端口 102从翼型件腔100延伸至柄腔 76。结果，柄腔76内的加压流体（例如，加压空气、氮气、C02)可如箭头106指出那样流入 各个涡轮叶片22的翼型件腔100中。在翼型件腔100内，加压流体可如箭头108指出地那 样将向外的压力施加到翼型件50的内表面110上。以此方式，加压流体可有助于保护翼型 件50免受外来物体冲击退化。即，加压流体可保持从翼型件腔100内的翼型件50上的向 外的压力，从而允许了对来自于外来物体对翼型件50的外表面112的冲击的阻力和涡轮叶 片22的回弹性。此外,在此实施例中，涡轮叶片22不可冷却。然而，在其它实施例中，涡轮 叶片22可冷却。
[0042] 图4为涡轮叶片22 (例如，涡轮机叶片组件）的分解透视图，示出了组装成形成涡 轮叶片22的各种构件。如上文所述，涡轮叶片22包括翼型件50、平台52、燕尾部56和柄 104。然而，在某些实施例中，涡轮叶片22可不包括平台52。此外，涡轮叶片22可包括平台 弓形部120、柄弓形部122、天使翼124、填料（filler) 126和嵌条层128。如上文所述，涡轮 叶片22的任何或所有各种构件都可由多个层合的板层或层（例如，陶瓷基复合材料板层或 层）形成。此外，涡轮叶片22的各种构件还可层合、处理和/或加工到彼此上来形成单件 涡轮叶片22。
[0043] 如下文详细论述那样，用于形成涡轮叶片22的一个或多个构件的各个板层或层 可为陶瓷基复合材料层。例如，层可由具有遍布陶瓷基质的陶瓷纤维的陶瓷基质制成。在某 些实施例中，遍布陶瓷基质的陶瓷纤维的量（例如，每单位体积的百分比或重量）可对于用 于形成涡轮叶片22的构件的所有层都相同。在其它实施例中，某些层可包括比其它层更多 的遍布陶瓷基质的陶瓷纤维。例如，用于制作柄板层的层或板层可包括比用于制作翼型件 50的层或板层更多的陶瓷基质内的陶瓷纤维，或反之亦然。如将认识到的那样，用于制作涡 轮叶片22的其它构件（例如，平台弓形部120、天使翼124、填料126和/或圆角层128)的 陶瓷基复合材料的其它层或板层还可包括遍布陶瓷基质的陶瓷纤维的其它量（例如，百分 比或每单位体积的重量）。
[0044] 图5为涡轮叶片22的各种构件的侧视图，其可由多个层合的层或板层200形成。 具体而言，所示的实施例示出了涡轮叶片22的翼型件50、柄104和燕尾部56。翼型件50、 柄104和燕尾部56由相同组的板层200形成在一起。换言之，一个板层200可从翼型件50 的末端202延伸至燕尾部56的底座204。如图所示，板层200定位成邻近彼此，以形成单 件翼型件5〇、柄1〇4和燕尾部56。例如，在某些实施例中，板层200可位于模具或其它作业 或加工结构内以形成期望形状或构造的板层200。在模具结构内，板层200可为紧凑的，且 /或抵靠彼此压制。以下文所述的方式，附加板层200可加至形成翼型件50、柄104和燕尾 部56的板层200来形成涡轮叶片22的其它构件。此外，形成涡轮叶片22的其它各种构件 的板层200可进一步层合和加工。此外，其它作业过程可用于将板层200附连到彼此上。
[0045] 任何数目的板层200可用于形成涡轮叶片22的各种构件（例如，翼型件50、柄104 和燕尾部56)。例如，在所示实施例中的组合的翼型件50、柄104和燕尾部56可形成有10 个至1000个、50个至500个、100个至400个或200个至300个板层200。此外，如上文所 述，尽管翼型件50的所示实施例为实心的，但翼型件50也可为中空的。具体而言，板层200 可用于形成具有翼型件腔100的翼型件50和具有加压端口 102的柄104。以此方式，加压 流体可从涡轮18的柄腔76供应至翼型件腔100。
[0046] 如上文所述，板层200可由陶瓷基复合材料构成。例如，如图6中所示，各个板层 200均可包括遍布基质材料222 (例如，陶瓷基材料）的多条纤维220 (例如，陶瓷纤维）。纤 维220沿轴向方向224关于板层200定位在基质材料222内。此外，在某些实施例中，纤维 220可延伸板层200的全部长度。在其它实施例中，纤维220可为分段的。即，纤维220可 仅延伸各个板层200的全长的一部分。然而，当形成涡轮叶片22的一个构件时，板层200 可定向成使得基质222内的纤维220沿任何期望的方向关于涡轮18定向。例如，在形成 翼型件50、柄104和燕尾部56的板层200中，纤维220可沿径向方向在基质材料222内延 伸。然而，在用于形成平台52的板层200中，纤维220可沿周向方向36在基质材料222内 延伸。此外，如上文所述，遍布基质材料222的纤维220的量（例如，百分比或每单位体积 的重量）可对于用于形成涡轮叶片22的构件的所有板层200相同或不同。
[0047] 图7至图13为涡轮叶片22的透视图，示出了涡轮叶片22的各种构件的组装。然 而，应当认识到的是，以下论述为通过多个板层200形成和组装涡轮叶片22及其构件的一 个非限制性实例。例如，图7为翼型件50、柄104和燕尾部56的透视图。如上文所述，翼型 件50、柄104和燕尾部56可形成单件。此外，单件翼型件50、柄104和燕尾部56可由上文 所述的板层200形成。即，陶瓷基复合材料板层200可用于形成翼型件50、柄104和燕尾部 56。例如，板层200可定位在模具结构或其它作业构件中。在模具结构或其它作业构件内， 板层200可被压制在一起，且层合来形成单个构件（例如，组合的翼型件50、柄104和燕尾 部 56)。
[0048] 图8为形成在组合的翼型件50、柄104和燕尾部56上的平台弓形部120的透视 图。同样如上文所述，平台弓形部120还可形成有多个层合的板层200。例如，在形成组合 的翼型件50、柄104和燕尾部56之后，附加的板层200可定位在模具结构或其它作业构件 (例如，其可与用于形成组合的翼型件50、柄104和燕尾部56的模具结构或作业构件相同 或不同）内，且围绕柄104和燕尾部56定位。此后，形成平台弓形部120的板层200可被压 制和层合。以此方式，翼型件50、柄104、燕尾部56和平台弓形部120可连结来形成单件。
[0049] 如将认识到的那样，平台弓形部120可构造成将平台52 (或流动通路）上的负载 传送或传递至转子24。此外，平台120的弓形几何形状可允许增大平台弓形部120和涡轮 叶片22的刚度和/或稳健性。如图所示，平台弓形部120包括燕尾部分240,燕尾部分240 抵靠涡轮叶片22的燕尾部56,且具有与燕尾部56相似的几何形状。结果，平台弓形部120 的燕尾部分240可联接到转子24的槽口 58内的转子24上。此外，平台弓形部120的燕尾 部分240从平台弓形部120的平台表面242延伸。在某些实施例中，平台52 (见图4)可定 位在平台弓形部120上或平台弓形部120的顶部上。在其它实施例中，涡轮叶片22可不包 括平台52,且平台弓形部120的平台表面242可至少部分地限定流过涡轮18的流动通路 (例如，用于燃烧气体20)。此外，在某些实施例中，平台弓形部120可包括用于支承密封销 70的凹口 75 (见图2)。
[0050] 图9为形成在组合的翼型件50、柄104、燕尾部56和平台弓形部120上的天使翼 124的透视图。具体而言，天使翼124定位成抵靠涡轮叶片22的上游侧250和下游侧252上 的平台弓形部120。换言之，涡轮叶片22包括上游或前天使翼254和下游或后天使翼256。 此外，各个天使翼124均包括燕尾部分258,其抵靠平台弓形部120的燕尾部分240。同样 如上文所述，燕尾部分258可与形成在转子24中的一个槽口 58接合，从而将负载从涡轮叶 片22传递至转子24。如将认识到的那样，天使翼124可包括特征，如侧向平台260,其从天 使翼124沿侧向向外延伸，构造成将涡轮叶片22至少部分地密封到彼此和涡轮18的其它 构件上。例如，侧向平台260可进一步限定涡轮内的流动通路，从而引导和/或引送涡轮18 内的气流（例如，燃烧气流20)。
[0051] 同样如上文所述，天使翼124还可由多个板层200形成。例如，在组合的翼型件50、 柄104、燕尾部56和平台弓形部120形成之后，附加的板层200可定位在模具结构或其它 加工构件（例如，其可与用于形成组合的翼型件50、柄104、燕尾部56和平台弓形部120的 模具结构或作业构件相同或不同）内来形成天使翼124。此后，形成天使翼124的板层200 可被压制和层合。以此方式，翼型件50、柄104、燕尾部56、平台弓形部120和天使翼124可 连结来形成单件。
[0052] 图10为形成在组合的翼型件50、柄104、燕尾部56、平台弓形部120和天使翼124 上的平台52的透视图。如上文所述，平台52可形成在平台弓形部120的平台表面242上。 如将认识到的那样，平台52至少部分地限定用于气体（例如，燃烧气体20)流过涡轮18的 流动通路。此外，平台52还可由多个板层200(例如，以径向34方式或布置堆叠）形成。例 如，在组合的翼型件50、柄104、燕尾部56、平台弓形部120和天使翼124形成之后，附加的 板层200可定位在模具结构或其它作业构件（例如，其可与用于形成组合的翼型件50、柄 104、燕尾部56、平台弓形部120和天使翼124的模具结构或作业构件相同或不同）内来形 成平台52。此后，形成平台52的板层200可被压制和层合。以此方式，翼型件50、柄104、 燕尾部56、平台弓形部120、天使翼124和平台52可连结来形成单件。
[0053] 此外，在所示的实施例中，涡轮叶片22包括定位在平台52与平台弓形部120 (例 如，平台表面242)之间的填料262。如将认识到的那样，填料262可填充平台弓形部120 与平台52之间的间隙。在某些实施例中，填料262还可由层板200 (例如，陶瓷基复合板层 200)形成。例如，填料262可包括平放或卷起的板层200。在其它实施例中，形成填料262 的板层200可包括悬置在基质材料222中的切短纤维220 (例如，可不沿单个方向对准的纤 维220)。填料262还可由其它材料制成。
[0054] 图11为形成在涡轮叶片22的柄104和翼型件50上的柄弓形部122的透视图。 柄弓形部122可构造成向涡轮叶片22的柄104和翼型件50提供附加支承和/或加强。此 夕卜，柄弓形部122还可由多个板层200形成。例如，在形成组合的翼型件50、柄104、燕尾部 56、平台弓形部120、天使翼124和平台52之后，附加的板层200可定位在模具结构或其它 作业构件（例如，其可与用于形成组合的翼型件50、柄104、燕尾部56、平台弓形部120、天 使翼124和平台52的模具结构或作业构件相同或不同）内来形成柄弓形部122。此后，形 成柄弓形部122的板层200可被压制和层合。以此方式，翼型件50、柄104、燕尾部56、平台 弓形部120、天使翼124、平台52和柄弓形部122可连结来形成单件。
[0055] 此外，当柄弓形部122可构造成向柄104和翼型件50提供附加的支承和/或加强 时，形成柄弓形部122的板层200可具有遍布基质材料222的纤维220的较高集中度，从而 增大了形成柄弓形部122的板层200的强度和/或刚度。即，用于形成柄弓形部122的板 层200可比用于形成一些其它构件（例如，翼型件50、柄104、燕尾部56、平台弓形部120、 天使翼124等）的板层200包含更多的基质材料222中的纤维220。
[0056] 图12为形成为穿过涡轮叶片22的翼型件50和平台52且在翼型件50与平台52 之间的填料材料300的透视图。具体而言，填料材料300可包括定位成穿过在翼型件50与 平台52之间的接头来使翼型件50与平台52之间的过渡平稳的板层200。同样如上文参照 填料262所述，填料材料300可为平放或卷起的板层200。在其它实施例中，填料材料300 可为包括悬置在基质材料222中的切短纤维220 (例如，可不沿单个方向对准的纤维220) 的板层200。此外，在某些实施例中，填料材料300可为陶瓷基复合材料（例如，具有分布 在其中的陶瓷纤维220的陶瓷基材料222)，其形成为（例如，切割）配合翼型件50与平台 52之间的交点。例如，填料材料300可具有大体上三角形的形状，其产生在翼型件50与平 台52之间的平稳过渡。
[0057] 图13为形成在涡轮叶片22的翼型件50和平台52上，穿过翼型件50和平台52 以及在翼型件50与平台52之间的嵌条层128的透视图。具体而言，嵌条层128可由板层 200形成，且可产生在翼型件50与平台52之间的平稳表面过渡（例如，嵌条过渡320)。
[0058] 在某些实施例中，一旦涡轮叶片22的一些或所有构件的板层200都定位和层合到 彼此上，则涡轮叶片22可经历一个或多个加工过程。例如，涡轮叶片22可定位在模具结构 或工具（例如，高压釜）内来用于加压。在工具内，板层200可被压实（debulk)。在板层 200压实之后，板层200的有机挥发物可被除去，且板层200可渗透有树脂（例如，熔融硅）。 渗透的板层200凝固成最终涡轮叶片22。
[0059] 如将认识到的那样，上文所述的涡轮叶片22的构件可允许延长涡轮18的操作寿 命。例如，用于形成板层200的陶瓷基复合材料可具有对升高的温度的升高耐受性。结果， 可减少涡轮叶片22的强制冷却。此外，由陶瓷基复合材料形成的涡轮叶片22和/或具有 翼型件腔100的涡轮叶片22可比常规涡轮叶片22重量更轻。因此，转子24可具有较长的 使用寿命，从而降低了成本（例如，维护成本）。更具体而言，涡轮叶片22的重量轻的构造 和设计减小了转子24上的负载或拉力。结果，转子24可由较便宜的合金、成本效益更合算 的形状或构造，或它们的组合制成。此外，由于由陶瓷基复合材料形成的涡轮叶片22可比 常规涡轮叶片22重量更轻，故转子24可更快加速且可具有较快的响应时间。
[0060] 如上文详细论述的那样，所公开的实施例包括改进的涡轮机叶片组件（例如，涡 轮叶片22)和用于形成改进的涡轮机叶片组件（例如，涡轮叶片22)的工艺或方法。更具体 而言，某些实施例包括涡轮机叶片组件，其中涡轮机叶片组件的一个或多个构件由多个连 续的纤维增强的板层或层形成（例如，板层200)。例如，涡轮机叶片组件和/或涡轮机叶片 组件的构件（例如，翼型件50、柄104、燕尾部56、平台52、平台弓形部120等）可通过将多 个连续的纤维增强的板层或层（例如，板层200)定位在模具或其它工具中来形成，且板层 或层然后可使用作业过程、加工过程、化学过程、冶金过程或它们的组合来层合在一起。例 如，涡轮机叶片组件可分别由复合材料的层合层形成为单件，如，陶瓷基复合材料。陶瓷基 复合材料可包括具有遍布陶瓷基质材料分散的陶瓷纤维（例如，纤维200)的陶瓷基质材料 (例如，基质材料222)。结果，涡轮机叶片组件可能够在没有冷却的情况下经得起升高的温 度。此外，由陶瓷基复合材料的板层形成的涡轮机叶片组件可重量更轻，且可具有较长的寿 命循环。
[0061] 此外，在某些实施例中，涡轮机叶片组件可包括中空翼型件。即，翼型件（例如，翼 型件50)可包括翼型件腔（例如，翼型件腔100)。中空翼型件可包括使翼型件的中空内部 (例如，翼型件腔100)暴露于涡轮机的柄腔（例如，柄腔76)的通路或端口（例如，加压端 口 102)。以此方式，柄腔内的加压流（例如，空气、氮气、C02、等）可流入涡轮机叶片的翼型 件的中空内部中。当各个涡轮机叶片组件的翼型件的中空内部加压时，涡轮机叶片组件可 受到保护而免受外来物体的破坏和冲击退化。此外，为了保持柄腔和翼型件的中空部分内 的流的加压，密封销（例如，密封销70)可设置在涡轮机叶片之间来阻挡从柄腔至周围大气 的加压流的泄漏。
[〇〇62] 本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的任何技术 人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何组合的方法。本发明 的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员所构想出的其它实例。如果这些其 它的实例具有并非不同于本权利要求的书面语言的结构元件，或者，如果这些其它实例包 括与本权利要求的书面语言无实质差异的同等结构元件，则这些实例预期在本权利要求的 范围之内。
【权利要求】
1. 一种系统，包括： 涡轮机叶片组件，包括： 叶片部分； 柄部分；以及 安装部分， 其中，所述叶片部分、所述柄部分和所述安装部分包括从所述叶片部分的末端延伸至 所述安装部分的底座的第一组多个板层。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一组多个板层中的各个均包括遍 布第一陶瓷基质材料的第一组多条陶瓷纤维。
3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一组多条陶瓷纤维沿所述第一组 多个板层中的各个的轴线定向。
4. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述涡轮机叶片组件包括设置在所述叶 片部分和所述柄部分的外表面上的至少一个柄弓形部，其中，所述柄弓形部包括第二组多 个板层，所述第二组多个板层中的各个均包括遍布第二陶瓷基质材料的第二组多条陶瓷纤 维，且遍布所述第二陶瓷基质材料的第二组多条陶瓷纤维的第一量大于遍布所述第一陶瓷 基质材料的第一组多条陶瓷纤维的第二量。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一组多个板层层合到彼此上来形 成单件。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述涡轮机叶片组件包括围绕所述叶片 部分、所述柄部分和所述安装部分设置的平台弓形部，其中，所述平台弓形部包括第二组多 个板层，其中，所述第二组多个板层包括遍布陶瓷基材料的多条陶瓷纤维。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一组多个板层和所述第二组多个 板层层合到彼此上来形成单件。
8. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述叶片部分包括构造成容纳来自于所 述涡轮机叶片组件的柄腔的加压流的叶片腔。
9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述柄部分包括流体地联接所述叶片腔 和所述柄腔的加压端口。
10. -种系统，包括： 第一涡轮机叶片，包括： 包括中空腔的叶片部分； 包括流体地联接到所述中空腔上的加压端口的柄部分；以及 构造成将所述涡轮机叶片联接到转子上的安装部分。
【文档编号】F01D5/28GK104100304SQ201410043286
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2013年4月3日
【发明者】A.J.加西亚克雷斯波 申请人:通用电气公司