專利名稱：混合式葉輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及燃?xì)鉁u輪，尤其，涉及燃?xì)鉁u輪的混合式葉輪。
背景技術(shù)：
在其他變型中，燃?xì)鉁u輪包括燃?xì)鉁u輪發(fā)電設(shè)備和燃?xì)鉁u輪飛機(jī)發(fā)動機(jī)。燃?xì)鉁u輪包括一個具有高壓壓縮機(jī)的核心發(fā)動機(jī)；在其中燃燒燃料和壓縮空氣的混合物產(chǎn)生推進(jìn)氣體流的燃燒室；和一個高壓渦輪。該高壓渦輪由該推進(jìn)的氣體流轉(zhuǎn)動，并利用軸連接，以驅(qū)動該高壓壓縮機(jī)。通常的燃?xì)鉁u輪飛機(jī)發(fā)動機(jī)還增加一個低壓渦輪，由另一根軸連接，以驅(qū)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)子。該風(fēng)扇轉(zhuǎn)子是這種形式的發(fā)動機(jī)最重的零件之一。
該風(fēng)扇轉(zhuǎn)子帶有多個翼面形狀的葉片，通常，這些葉片安裝在一組榫槽中。一般，通常的燃?xì)鉁u輪葉片設(shè)計完全由金屬或諸如碳-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料一類的復(fù)合材料制成。包括成本高的寬弦空心葉片在內(nèi)的全金屬葉片重量較重，造成燃料性能較低和需要更堅固的葉片連接；而較輕的全復(fù)合材料葉片更容易受到鳥撞擊的損壞。已知的混合式葉片包括復(fù)合材料葉片，為了防腐蝕和鳥撞擊，其前緣用金屬保護(hù)。另外，還包括帶有非金屬鑲襯的金屬葉片。雖然這些混合式葉片可減小該風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的重量，但仍需要與轉(zhuǎn)子的單獨(dú)的機(jī)械連接。
因此，需要一種重量輕和耐撞擊的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子。
本發(fā)明概述本發(fā)明可以滿足上述需要。根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供了一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子組件，該轉(zhuǎn)子組件包括具有一個環(huán)形的流道表層的金屬輪轂和至少一個從該流道表層向外伸出的葉片。該葉片包括一個具有第一密度的金屬體和一個鑲襯。該金屬體形成一個柄部分和具有相反的壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)，并與該輪轂成一整體的一個翼面部分。該鑲襯具有比該體具有的第一密度小的第二密度。該鑲襯和該體共同地形成翼面形狀。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子組件的方法包括形成具有環(huán)形流道表層的金屬輪轂，和形成至少一個與該輪轂為一整體和從該流道表層向外伸出的葉片。該葉片包括具有第一密度的金屬體和一個鑲襯。該金屬體形成一個柄部分和具有相反的壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)，并與該輪轂成為一個整體的翼面部分。該鑲襯具有比該體所具有的第一密度小的第二密度。其特征為，該鑲襯和該體共同地形成翼面形狀。
附圖簡要說明參考結(jié)合附圖的以下說明，可以最好地理解本發(fā)明。其中

圖1為根據(jù)本發(fā)明制造的風(fēng)扇葉輪的透視圖；圖2為圖1所示的葉輪的風(fēng)扇葉片中的一個的側(cè)視圖；圖3為沿著圖2的3-3線所取的圖；圖4為與圖1所示的葉輪一起使用的另一個風(fēng)扇葉片的側(cè)視圖；圖5為沿著圖4的5-5線所取的橫截面圖；圖6為與圖1所示的葉輪一起使用的再一個風(fēng)扇葉片的側(cè)視圖；圖7為沿著圖6的7-7線所取的橫截面圖；和圖8為與圖1所示的葉輪一起使用的另一個風(fēng)扇葉片的側(cè)視圖。
優(yōu)選實(shí)施例說明在所有各附圖中，相同的符號代表相同的零件。圖1表示根據(jù)本發(fā)明制造的一個示例性的風(fēng)扇葉輪10。該風(fēng)扇葉輪10具有帶有一個環(huán)形流道表層14和多個與其連接的翼面形狀的葉片16。這里所用的術(shù)語“葉輪”是指包括具有與其成為一個整體的葉片的輪轂的任何燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)零件。這種零件有時稱為“葉片圓盤”或“整體式葉片轉(zhuǎn)子”。本發(fā)明對于用作飛機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)上的低壓風(fēng)扇的葉輪特別有用，但也可以用在任何種類的葉輪結(jié)構(gòu)中。這里所用的術(shù)語“整體的”是指不論該零件原來是單獨(dú)的或由一個工件制成的，可以有效地形成沒有機(jī)械間斷的一個件的二個零件。
圖2和圖3更詳細(xì)地表示一個示例性的葉片16。該葉片16包括形成了一個翼面部分20和一個柄部分22的金屬體18。該翼面部分20包括相反的壓力側(cè)24和負(fù)壓側(cè)26，前緣28，后緣30和頂部32。
該體18由金屬合金制成。該金屬合金可以作成所希望的形狀，可以承受必要的工作負(fù)荷和可與該輪轂的材料相適應(yīng)。適當(dāng)?shù)暮辖鸬睦影ǎ?但不限于)鈦，鋁，鈷，鎳或鋼基合金。在該所示的例子中，該體18由Ti-6Al-4V合金制成。該體18和輪轂2(參見圖1)可通過利用已知的方法，從一個材料毛坯上加工相應(yīng)的輪廓制成。在該體18中形成至少一個凹坑34。為了適應(yīng)具體的應(yīng)用，該凹坑34的數(shù)目和位置可以改變。在該所示的例子中，該體18包括在翼面部分20的壓力側(cè)24中形成的一個大的凹坑34。為了影響該葉片的性質(zhì)-例如扭轉(zhuǎn)剛性和頻率響應(yīng)，可以用已知的方法選擇該凹坑34的尺寸和形狀。
鑲襯36被配置在該凹坑34中，并與它接合。該鑲襯36具有形成該葉片16的壓力側(cè)24的一部分的外表層38。該鑲襯36可用可承受在工作過程中的預(yù)期的空氣負(fù)荷和溫度，并可以作成所希望的輪廓的任何材料制成。該鑲襯36可以或不可以對該葉片16的總的結(jié)構(gòu)整體性有幫助。
該鑲襯材料的密度比金屬件18的密度小，以便與密實(shí)的翼面比較，減小葉片16的總質(zhì)量。適當(dāng)?shù)牟牧系睦影◤?fù)材料—例如稱為“碳-環(huán)氧樹脂”系統(tǒng)的埋入環(huán)氧樹脂粘合劑中的碳纖維絲，纖維-雙馬來酰亞胺，纖維聚酰亞胺和其他纖維-環(huán)氧樹脂熱定形或熱塑性樹脂和混合物。其他適應(yīng)的材料包括彈性體，剛性泡沫(例如，具有在全部材料中分散的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的聚合物，陶瓷，硅酮或金屬或其混合物，結(jié)構(gòu)泡沫(即具有蜂窩狀核心和整體表層的塑料)和合成泡沫(即通過將剛性的，極微細(xì)的顆粒在流體聚合物中分散，然后固化制成的蜂窩狀聚合物)?？梢宰鞒鲈撹傄r36，再用接合劑或緊固件固定在該凹坑34中，或者可以作出該鑲襯并固化在該凹坑34中的規(guī)定位置上，直接接合。
圖4和圖5表示另一個葉片116。該葉片116的外形基本上與上述的葉片16相同，并且包括形成一個柄部分122和一個翼面部分120的一個金屬體118。該翼面部分120包括相反的壓力側(cè)124和負(fù)壓側(cè)126，前緣128，后緣130和頂部132。
該體118由上述的金屬材料制成。該體118和輪轂12(見圖1)可以通過已知的方法，從一個材料毛坯上加工相應(yīng)的輪廓形成。該葉片116與葉片16的不同主要在于該凹坑的配置。在該體118中形成至少一個凹坑134。在所示的例子中，該體118包括在該翼面部分120的壓力側(cè)124上作出的多個第一凹坑134A，和在該翼面部分120的負(fù)壓側(cè)126上作出的多個第二凹坑134B。該第一凹坑134A由多個直立的壓力側(cè)肋140A隔開，而該第二凹坑134B由多個負(fù)壓側(cè)肋140B隔開。為了影響該葉片的性質(zhì)一例如扭轉(zhuǎn)剛性和頻率響應(yīng)，可以用已知的方法選擇該肋140A和140B的尺寸，橫截面積和圖形。
第一鑲襯136A被配置在每一個第一凹坑134A中，并與它接合。第二鑲襯136B被配置在每一個第二凹坑134B中并與它接合。每一個第一鑲襯136A具有形成該翼面部分120的壓力側(cè)124的一部分的一個外表層138A，和每一個第二鑲襯136B具有形成該翼面部分120的負(fù)壓側(cè)126的一部分的一個外表層138B。該鑲襯136可用能承受在工作過程中的預(yù)期的空氣負(fù)荷和可以作成所希望的輪廓的任何材料制成。該鑲襯136可以或不可以對葉片116的總的結(jié)構(gòu)整體性有幫助。該鑲襯材料的密度比該體118的密度小，以減小與密實(shí)的翼面比較，葉片118的總的質(zhì)量。鑲襯136的適當(dāng)材料的例子如以上針對半墊36的一樣。如圖5所示，肋140延伸至該翼面部分120的外表層，將該鑲襯136完全隔開。另一種方案為，可使在圓周方向側(cè)量的該肋140的厚度比該凹坑134的深度小，使得可以用連續(xù)的一個鑲襯136充滿在該翼面部分120的同一側(cè)上的所有凹坑134。
圖6和圖7表示又一個葉片216。該葉片216的外形基本上與上述的葉片16相同，并包括一個柄部分222和一個翼面部分220。該翼面部分222包括相反的壓力側(cè)224和負(fù)壓側(cè)226，前緣228，后緣230和頂部232。
該翼面部分222包括一個金屬體218。金屬體218的適合的金屬合金的例子包括(但不限于)鈦，鋁，鈷，鎳或鋼基合金。在所示的例子中，該體218由Ti-CAl-4V合金制成。該體218具有第一質(zhì)量密度，并沿徑向從該柄部分延伸至該葉片的頂部232。
該翼面部分222包括至少一個鑲襯236。該鑲襯236具有比該體218的質(zhì)量密度小的第二質(zhì)量密度，并與該體218接合。該體218還包括被配置在鑲襯236之間和與鑲襯236接合的肋240。該體218和鑲襯236共同地形成翼面形狀。
如上所述，該鑲襯236可由能承受在工作過程中的預(yù)期的空氣負(fù)荷和可以作成所希望的輪廓的任何材料制成。適當(dāng)?shù)牟牧系睦尤缟纤??？梢宰鞒鲈撹傄r236，然后用接合劑或緊固件固定在該體218上，或者作出該鑲襯并在規(guī)定位置固化。
該翼面部分222可以隨意地帶有表層242，該表層覆蓋鑲襯236和與鑲襯236接合。這種表層242可以由復(fù)合材料或金屬制成。該表層242可以為單個的復(fù)合材料層的敷層或?yàn)榫幙椊Y(jié)構(gòu)的敷層。在所示的例子中，該表層242包括埋入環(huán)氧樹脂基體粘合劑中的碳、玻璃或芳族聚酰胺絲。最好，任何表層復(fù)合材料的接合利用單獨(dú)的接合劑薄膜材料或樹脂轉(zhuǎn)移模制或注入來完成。接合的其他例子無限制地包括在復(fù)合材料樹脂本身和基片之間的接合。一般，該表層242為一個薄層，可以(圖7所示)或不可以覆蓋該體218。當(dāng)存在時，該表層242的目的是使該鑲襯有一個硬表層，可將任何撞擊的力散開。
該翼面部分222可以任選地包括基本上覆蓋該表層242和與該表層接合的腐蝕涂層244。在一個示例性結(jié)構(gòu)中，該腐蝕涂層244包括一般配置在前緣228上的一個金屬區(qū)域244’。該腐蝕涂層244還包括一個離開該金屬區(qū)域244’，一般配置在后緣230上的非金屬區(qū)域244”。該非金屬區(qū)域244”的材料的一個例子為聚氨酯，而該金屬區(qū)域244’的材料的一個例子為鈦。
如上所述，該葉片16，116或216可以與該輪轂12作成一個整體，或者，它們可以單獨(dú)制造，然后永久地與該輪轂12連接。如果該葉片16，116或216與該輪轂12為一整體，則該金屬體18，118或218可以作成包括任何凹坑的所希望的形狀，然后連接或形成鑲襯36，136或236。如果該葉片16，116，或216單獨(dú)制成，則可在將該葉片16，116或216與該輪轂12連接之前，加上該鑲襯36，136或236。將該葉片16，116或216與該輪轂12連接的已知方法包括移動摩擦焊接，擴(kuò)散接合和熔融焊接。角一個葉片18，118或218的相應(yīng)的柄部分22，122或222作成合適的形狀和尺寸，以適應(yīng)預(yù)期的接合形式。例如，如圖2所示，葉片16的柄部分20包括一個矩形或平行六面體實(shí)心形狀的增大的塊部分23。這使得可夾緊，操縱和接合該葉片16，并可起散熱片作用，以防止連接過程的熱影響區(qū)域(HAZ)損壞該葉片16的非金屬部分。如果可以限制選擇的連接過程(例如，移動摩擦焊接)的HAZ至足夠窄的區(qū)域，使它不影響鑲襯36的工程性質(zhì)，則可在將該體18接合在該輪轂12上以前，將該鑲襯36用接合劑與該體18連接。如果HAZ影響該鑲襯36的工程性質(zhì)，則可在將該體18與該輪轂12接合后，使該鑲襯36與該體18連接(或在內(nèi)部形成)。
如果葉片單獨(dú)制成并與輪轂連接，則通過有選擇地除去材料，可以減輕重量。例如，圖8表示另一個葉片116’，它與葉片116相同，并具有一個柄部分122’和一個翼面部分120’。在該柄部分122’中形成一個空心的腔300，并部分地向上伸入該翼面部分中。在所示的例子中，可用一組用鉚釘槍鉆出的孔302共同地作出該腔300，但可以使用其他機(jī)械加工方法。該腔300的存在有助于從該葉片116’的柄部分122’的中心除去增加該葉片重量的材料，現(xiàn)對該葉片的扭轉(zhuǎn)剛度或彎曲阻力不會有大的幫助。如果需要，為了在移動摩擦焊接過程中，防止材料擠入加工的腔中，在移動摩擦焊接過程以前，可將該腔300的底部用焊接或銅焊的堵頭304堵住。
完成的葉輪10有幾個優(yōu)點(diǎn)。該鑲襯36的主要目的是代替在翼面部分上的金屬，從而減小該葉輪10的重量。這個重量的優(yōu)點(diǎn)是在沒有通常的葉片榫安裝的重量或復(fù)雜性的條件下得到的。這種結(jié)構(gòu)還可改善該葉輪10的修理性能，因?yàn)樵趽p壞的情況下，只需更換該鑲襯36，而不需修理葉輪10的沒有損壞的金屬部分或全部更換該葉輪10。
以上說明了一種混合式葉輪及制造這種葉輪的方法。雖然說明了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的人知道，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可作各種改進(jìn)。因此，以上對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例和實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最好方式的說明只是為了說明的目的，不是限制。本發(fā)明由權(quán)利要求書確定。
零件清單10-風(fēng)扇葉輪12-輪轂14-環(huán)形流道表層16-翼面形狀的葉片18-金屬體20-翼面部分22-柄部分24-壓力側(cè)26-負(fù)壓側(cè)28-前緣30-后緣32-頂部34-凹坑36-鑲襯38-外表層116-另一個葉片118-金屬體120-翼面部分122-柄部分124-壓力側(cè)126-負(fù)壓側(cè)128-前緣130-后緣132-頂部134-凹坑134A-多個第一凹坑134B-多個第二凹坑136A-第一鑲襯136B-第二鑲襯138A-外表層138B-外表層
140-肋140A-壓力側(cè)肋140B-負(fù)壓側(cè)肋216-第一葉片218-金屬體220-翼面部分222-柄部分224-壓力側(cè)226-負(fù)壓側(cè)228-前緣230-后緣232-頂部236-鑲襯240-肋242-表層244-腐蝕涂層244’-金屬區(qū)域244”-非金屬區(qū)域
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子組件，包括一個具有一個環(huán)形流道表層(14)的金屬輪轂(12)；和至少一個從所述流道表層(14)向外伸出的葉片(16，116，216)；所述葉片(16，116，216)包括一個具有第一密度的金屬體(18，118，218)；所述金屬體(18，118，218)限定一個柄部分(22，122，222)和一個翼面部分(20，120，220)，該翼面部分具有相反的壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)，并與所述輪轂(12)成為一個整體；和一個具有在所述金屬體(18，118，218)含有的所述第一密度小的第二密度的鑲襯(36，136，236)，其中所述鑲襯(36，136，236)和所述金屬體(18，118，218)共同地限定翼面形狀。
2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征為，所述金屬件(18，118，218)和所述輪轂(12)由單個連續(xù)的材料毛坯制成。
3.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征為，所述金屬體(18，118，218)與所述輪轂(12)是分開形成的，然后與所述輪轂(12)連接。
4.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征為，所述翼面部分(20，120，220)具有在所述的壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)中選擇的一側(cè)形成的至少一個凹坑(34，134)，并且所述的鑲襯(36，136，236)被配置在所述凹坑(34，134)中。
5.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征為，一片狀表層(242)被配置在所述翼面部分(220)的外表面上。。
6.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征為，在所述葉片(16，116，216)的所述柄部分(23，122，222)內(nèi)配置至少一個腔。
7.一種制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子組件的方法，包括形成具有一個環(huán)形流道表層(14)的金屬輪轂(12)；和形成與所述輪轂(12)成一整體并從所述流道表層(14)向外伸出的至少一個葉片(16，116，216)；所述葉片(16，116，216)包括一個具有第一密度的金屬體(18，118，218)；所述金屬件(18，118，218)限定一個柄部分(22，122，222)和一個具有相反的壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)，并與所述輪轂(12)成一整體的翼面部分(20，120，220)；和一個具有比所述體(18，118，218)含有的所述第一密度小的第二密度的鑲襯(36，136，236)；其中，所述鑲襯(36，136，216)和所述金屬體(18，118，218)共同限定翼面形狀。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征為，還包括由單個連續(xù)的材料毛坯制成所述金屬體(18，118，218)和所述輪轂(12)；和使所述鑲襯(36，136，236)與所述金屬體(18，118，218)連接。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征為，還包括形成所述輪轂(12)；與所述輪轂(12)分開地形成所述金屬體(18，118，218)；使所述鑲襯(36，136，236)與所述金屬體(18，118，218)連接，以形成一個葉片(16，116，216)；和將所述葉片(16，116，216)接合在所述輪轂(12)上。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征為，利用固態(tài)連接工藝方法將所述葉片(16，116，216)接合在所述輪轂(12)上。
全文摘要
燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子組件或“葉輪”包括具有一個環(huán)形流道表層(14)的一個金屬輪轂(12)，和從該流道表層(14)向外伸出的至少一個葉片(16，116，216)。該葉片包括具有第一密度的一個金屬體(18，118，218)。該金屬體(18，118，218)形成一個柄部分(22，122，222)和具有相反的壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)，并與該輪轂(12)成為一整體的一個翼面部分(20，120，220)。鑲襯(36，136，236)具有比該體(18，118，218)所具有的第一密度小的第二密度。該鑲襯(36，136，236)和該體(18，118，218)共同形成翼面形狀。還提供了制造該轉(zhuǎn)子組件的方法。
文檔編號F01D5/02GK1932248SQ20061015396
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月16日
發(fā)明者A·P·卡拉費(fèi)利斯 申請人:通用電氣公司