[發明專利]復合材料的渦輪翼型及其制造方法

有效

• 申請號: 201210207156.8
• 申請日: 2012-06-21
• 公開（公告）號: CN102839990A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: R.孔齊克;S.哈瓦克奇安
• 申請（專利權）人: 阿爾斯通技術有限公司
• 主分類號: F01D5/14
• 分類號: F01D5/14
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 肖日松;譚祐祥

技術領域

本發明涉及特別是用于蒸汽渦輪的復合材料的渦輪翼型(airfoil)和制造這種翼型的方法。

背景技術

在下列描述中，術語“渦輪”用于表示具有通過諸如水、蒸汽或氣體的流體介質力聯接的旋轉部分和定子部分的旋轉引擎。本發明特別感興趣的是軸向渦輪，其包括與移動轉子葉片的徑向配置交替的徑向地配置的固定定子葉片或靜葉(vane)。運動通常限定為相對于殼體或外殼的運動。

在大型渦輪，特別是蒸汽渦輪中，目前利用鋼或鈦基合金制造移動葉片或翼型。在多級渦輪中，葉片的尺寸從級到級增大。在最大低壓渦輪的最終級中，渦輪葉片的高度可超過一米或更多。雖然可取的是增大渦輪級的尺寸并且由此增大其流走表面(flow-off)和效率，但是主要由于作用在旋轉葉片上的大離心力，因此當前材料的特性已經達到它們的極限。

為了克服由鋼和鈦的材料特性引起的障礙，已經主要利用碳纖維基材料提議復合材料翼型。雖然已經公開大量的這種設計，但是這種復合葉片的現實應用當前受限于用于先進飛行器引擎的燃氣渦輪。

迄今為止阻礙復合葉片在發電領域中大規模采用的原因中的一個是復合材料缺乏對腐蝕的抵抗。特別地，在蒸汽渦輪葉片領域中，材料在長的操作時段內遭受由從穿過渦輪的蒸汽冷凝的水滴引起的腐蝕。在來自水蒸汽的冷凝物的持續沖擊下，與當前應用的金屬合金相比，復合材料腐蝕得更快，因此不適合作為用于大型蒸汽渦輪葉片的翼型材料。

作為一般腐蝕問題的已知解決方案，自三十年代初已經在諸如德國專利DE?536278?C2的許多公開的專利文獻中建議保護層的使用。對于復合葉片，保護層例如描述在公開的美國專利申請US?2008/0152506A1和公開的國際專利申請WO?2011/039075?A1和WO?2010/066648中。

當施加保護層或涂層的解決方案可具有減少在渦輪葉片的暴露部分處的腐蝕的可能時，要求進一步改進以使復合翼型操作。特別地，視為本發明的目的的是改進保護層和渦輪翼型的復合芯部連接的方式。

發明內容

根據本發明的方面，提供具有根部部分和尖端部分的優選為旋轉葉片的渦輪葉片的翼型，其中，翼型具有由復合材料制成的連續芯部，并且從根部部分到尖端部分是連續的，并且保護套在暴露于腐蝕的位置或若干位置處連接于復合芯部，其中，芯部至少在尖端部分附近變寬。

根據本發明的該方面的優選實施例，通過變寬芯部和保護套之間的過盈配合防止保護套在徑向向外方向上沿著芯部的運動。

當參照徑向方向時，該方向限定為從渦輪轉子的旋轉軸線開始的徑向方向。

在本發明的該方面的優選實施例中，通過復合芯部在離旋轉軸線一距離的情況下的連續或逐步變寬實現過盈配合。該變寬可導致垂直于徑向方向截取的翼型的橫截面的增大的周長，或更特別地，對于渦輪葉片，導致在朝向其尖端的方向上的翼型的弦長或輪廓厚度的增大。在該實施例的變型例中，根據徑向距離的弦長具有在尖端附近的至少一個區段，在該至少一個區段中，弦長根據徑向距離增大；并且可具有弦長根據徑向距離減小的第一區段，其當從葉片的根部到尖端沿著葉片觀看時由弦長根據徑向距離增大的區段跟隨。

翼型在本文中理解為葉片的空氣動力學地形成的部件，其在相對于周圍介質運動時引起轉子上的期望反作用力。該術語排除葉片的所謂根部部分和任何護罩部分，該所謂的根部部分用于將葉片錨固在轉子中，該任何護罩部分在已知葉片設計中的一些中用于與相鄰葉片的護罩部分互鎖，以在裝配的葉片周圍形成密封或穩定圓周環。因此，護罩的主要方位位于圓周方向上，而翼型和翼型的任何特殊尖端延伸(諸如小翼)定向成朝向介質的流動方向。其他的穩定部件(諸如緩沖器)也不包括在如在本文中使用的術語“翼型”中。

新翼型的形狀典型地為朝向尖端變寬的復雜三維形狀，其可以描述為倒錐形區段。倒錐形形狀提供過盈配合，從而防止保護套和復合芯部之間的徑向方向上的任何相對運動，因此加強以上兩個部件之間的任何附加固定。但是，重要的是注意，葉片的倒錐形形狀可具有除了改進保護套和復合芯部之間的連接的穩定性之外的優點。

在本發明的該方面的優選變型例中，芯部的變寬區段在尖端處或非常靠近翼型的尖端結束。然而，變寬區段沿著葉片的長度的開始點的位置在很大程度上服從設計考慮，諸如穩定性、重量和期望的流走區域。

在本發明的該方面的另一個優選實施例中，保護套通過諸如膠箔的結合層或粘合層與復合芯部連接。根據本發明的葉片的新設計用于支撐箔片并且在其故障的情況下替代箔片以防止保護套的破裂或松開。