涡轮发动机的运行中自产互锁接触力的涡轮叶片的制作方法

本发明涉及涡轮机涡轮、特别是航空涡轮发动机或工业涡轮的叶片，并且更特别地涉及由陶瓷基复合材料(以下称为cmc材料)制成的带根叶片。本发明特别应用于飞行器的涡轮机的低压涡轮的叶片，但也可以在集成根部或平台的状况下应用于其它模块、翼片组件、多翼型部件的叶片。所谓叶片是指绕旋转轴旋转的带叶片叶轮的叶片。

背景技术：

1、在本技术中，术语“上游”和“下游”的定义与穿过涡轮机的正常气体流动方向(从上游到下游)相关。涡轮机的转子的旋转轴线也称为“涡轮机轴线”或“驱动轴线”。轴向方向对应于涡轮机轴线的方向，径向方向是垂直于涡轮机轴线并与该轴线相交的方向。同样，轴向平面是包含涡轮机轴线的平面，而径向平面是垂直于该轴线的平面。

2、在如图1所示的涡轮机中，低压涡轮机4回收气体燃烧产生的部分能量，以用于风扇、压缩机和涡轮机配件的运行。低压涡轮机4的组成元件之一是转子1，转子1是处于轴上的轮盘和叶片10的组件。转子1包括多级叶片10，这些叶片绕转子1的旋转轴线xx径向布置。

3、如图2所示，叶片10包括翼型11，翼型11沿径向方向z在叶片10的近端10b(径向内端)与远端10a(径向外端)之间延伸。换言之，翼型11沿着与转子1的旋转轴线xx正交的方向延伸。翼型11包括外弧面(在图2中不可见)和内弧面43，该外弧面和内弧面43通过前缘48在上游连接，通过后缘47在下游连接。

4、在翼型11的近端10b处，叶片10包括基部14，该基部14允许叶片10固定到转子1的轮盘3，并且更具体地固定在与轮盘3互补的单元体中。轮盘3常规地包括径向分布在其周缘上的多个单元体，以接纳若干个叶片10的基部14。翼型11使得能够回收穿过涡轮机的气体的力，以将它们传递到转子1的轮盘3。

5、在翼型11的远端10a处，叶片10包括横向平台26，更常称为根部。

6、涡轮叶片10常规地在驱动操作中受到振动激励。

7、用于限制振动响应和应力的已知解决方案是在相邻叶片10的根部26之间引入摩擦接触技术，以便为系统提供阻尼。该技术被称为预扭转技术或互锁技术。

8、该技术的特点是对根部的侧向面进行特定切割，使其在外弧侧上有突起部，在内弧侧上有互补的凹陷部。在安装期间，通过翼型的角度变形(＝预扭转)而在这些图案上产生接触。

9、叶片在操作中的振动在该接触区域的水平位置上引起相对滑动，该相对滑动与接触压力相结合，产生摩擦阻尼。

10、被称为预扭转技术的技术所提供的阻尼与叶片间接触力的值密切相关。常规上通过设计从安装建立力，然而，操作中变形的叶片的形状和相邻根部的相对位移能够改变该力，特别是在振动载荷加剧的高速下。在向下变化的情况下，有必要在安装期间放大力，这会导致感应到静态过应力。这种场景对cmc材料制成的叶片尤其不利，甚至可能会堵塞，因为cmc材料的机械容许值很低。

11、为了说明这一点，图3更具体地示出了叶片10的上部份，更具体地示出了图2中所示的叶片10的根部26的顶视图。根部26包括平台28，平台28具有相对于气体流动方向(沿轴线x)横向延伸的上游扰流板281和下游扰流板282。两个扰流板281和282通过具有被称为v形轮廓或z形轮廓的轮廓的两个侧向边缘283和284连接在一起。平台28具有定位在翼型11的外弧侧上的第一侧向边缘283和定位在翼型11的内弧侧上的第二侧向边缘284。为了区分这两个横向边缘，平台28的位于翼型11的外弧侧上的侧向边缘在下文中将称为“外弧侧向边缘283”，而平台28的位于翼型11的内弧侧上的侧向边缘在下文将称为“内弧侧向边缘284”。

12、根部26还包括两个刮擦件30和31，它们相对于平台28突出，并且沿着相对于气体流动方向(沿着轴线x)的横向方向延伸。在低压涡轮4操作期间，刮擦件30和31通过与定子2互补来确保密封，如图1中可见。

13、当叶片10安装在轮盘3上的环中时，每个平台28与两个相邻叶片10的另外两个平台28接触，更具体地，与侧向边缘283、284接触，如图4所示。平台28的形状使得当叶片10在轮盘3上就位时能够将叶片10置于扭转应力下，特别是通过在平台28的侧向边缘283、284的水平位置处与相邻的叶片一起支承叶片。这种应力特别使得能够抑制它们在操作中所受到的振动。

14、该技术状态的一个特殊性是，在驱动操作中，根部间的接触力与安装情况相比可以改变。这种影响可能是由翼型的自然旋转(顺时针或逆时针)引起的，也可能是由相邻根部的相对运动(相互靠近或远离的位移)引起的。

15、在根部间接触力向下变化的情况下，有必要在安装期间放大力，以在寻求缓冲的情况下以高速瞄准目标力。这种适应导致静态过应力。

16、在由cmc材料制成叶片的情况下会遇到主要问题，这是由于该材料族的低机械容许值使得叶片对预扭转的耐受性较差。因此，对于cmc叶片，安装期间的强烈预扭转会导致高静应力，甚至超过允许静应力。

17、还应注意的是，cmc的膨胀比叶片的常用金属材料小三倍。这导致相邻根部在热时远离彼此位移，并且因此，对于现有技术的配置，导致操作中的接触力减小。

技术实现思路

1、本发明旨在克服上述缺点，并通过提出具有根部间接触拓扑结构的涡轮机涡轮叶片来克服上述困难，从而使得在发动机操作中、特别是在振动载荷最大的高速下能够自然地增加接触力。

2、本发明的一个目的提出了一种涡轮机叶片，该叶片包括沿第一方向在内端与外端之间延伸的翼型、固定到该翼型的内端的叶片基部、以及固定到该翼型的外端的根部，该根部包括平台，该平台一方面沿垂直于所述第一方向的第二方向由上游边缘和下游边缘界定，另一方面沿正交于第一方向和第二方向的第三方向由第一侧向边缘和第二侧向边缘界定，第一侧向边缘在包括第二方向和第三方向的平面中具有与第二侧向边缘的形状互补的形状。

3、根据本发明的总体特征，第一侧向边缘包括从上游边缘或下游边缘延伸的第一部分、以及沿第三方向与第一部分成锐角地向外突出的第二部分，而第二侧向边缘包括与第一侧向边缘的形状互补的形状，以通过和与所述叶片相同的叶片的第一侧向边缘嵌套而进行协配。

4、第二侧向边缘具有与第一侧向边缘的形状互补的形状，因此其包括第二侧向边缘的从上游边缘或下游边缘延伸的第一部分、以及第二侧向边缘的沿第三方向与第二侧向边缘的所述第一部分成锐角地向内突出的第二部分。

5、因此，本发明提供了一种叶片技术，其使得可以在高速下自行产生所需的接触力，以便在安装期间和低速下承受该力的过大尺度，该过大尺度对于cmc叶片的静态强度的影响特别严重。

6、实际上，当第一叶片和相邻的第二叶片彼此嵌套时，第一叶片的第一侧向边缘的第二部分(换言之，向外突出部分)嵌套到第二叶片的第二侧向边缘的第二部分中(换言之，嵌套在第二叶片的向内突出部分中)。形成在第一叶片的第一侧向边缘的第一部分与第二部分之间的锐角与形成在第二叶片的第二侧向边缘的第一部分与第二部分之间的锐角协配，以将两个叶片楔合在一起。因此，两个叶片的根部通过接触保持在一起，特别是当相对运动倾向于沿着第三方向分离两个根部时。

7、此外，第一侧向边缘的第一部分和上游边缘或下游边缘较佳地形成包括在65°到115°之间的另一角度。换言之，第一侧向边缘的第一部分从上游边缘或下游边缘以包括在65°到115°之间的角度延伸，例如以90°的角度延伸。

8、根据叶片的第一方面，所述下游边缘可以平行于所述上游边缘延伸，并且沿第三方向具有与所述上游边缘的长度相同的长度，所述下游边缘包括第一端和第二端，而所述上游边缘包括第一端和第二端，所述下游边缘的第一端沿第三方向位于所述上游边缘的第一端与第二端之间，所述上游边缘的第二端沿第三方向位于所述下游边缘的第一端与第二端之间。

9、上游边缘和下游边缘之间的偏移使得可以遵循翼型的曲率。

10、根据叶片的第二方面，第一侧向边缘可包括z形轮廓，而第二侧向边缘可包括与第一侧向边缘的z形轮廓互补的z形轮廓。

11、z形轮廓使得可以形成第一开口侧向边缘的面向叶片的下游边缘的锐角。因此，第一侧向边缘的锐角的定向适于翼型在其上安装叶片的带叶片叶轮的操作期间随着叶片彼此靠近或远离时沿逆时针方向具有自然扭转的叶片构造。

12、根据叶片的第三方面，第一侧向边缘的第一部分可从所述下游边缘在第一部分的固定到下游边缘的下游端与第一部分的上游端之间延伸，而第一侧向边缘的第二部分可包括第一区段和第二区段，该第一区段从所述上游边缘在第一区段的固定到所述上游边缘的上游端与第一区段的下游端之间延伸，而所述第二区段在所述第一区段的所述下游端与所述第一部分的所述上游端之间延伸，所述第二区段与所述第一部分形成第一锐角，与所述第一区段形成第二锐角。

13、根据叶片的与第二方面和第三方面不同的第四方面，第一侧向边缘的第一部分可以从所述上游边缘在第一部分的固定到所述上游边缘的上游端与第一部分的下游端之间延伸，而第二部分可以包括第一部份和第二部份，第一部份从第一部分的下游端沿第三方向与第一部分成锐角地向外突出，第二部份处于所述下游边缘与第一部份之间，所述第一侧向边缘的第二部份沿第三方向位于所述上游边缘的第一端与第二端之间。

14、此时，该轮廓使得可以形成第一开口侧向边缘的面向叶片的上游边缘的锐角。因此，第一侧向边缘的锐角的定向适于翼型在其上安装叶片的带叶片叶轮的操作期间随着叶片彼此靠近或远离时沿逆时针方向具有自然扭转的叶片构造。

15、根据叶片的第五方面，叶片可以由陶瓷基复合材料制成。

16、根据叶片的第六方面，叶片可以是用于涡轮机涡轮机的活动的带叶片叶轮的叶片。

17、本发明还涉及一种涡轮机涡轮，其包括绕中心轴线旋转安装的活动的带叶片叶轮，该带叶片叶轮包括如上所述的叶片的环形环。

18、本发明还涉及一种涡轮机，其包括如上所限定的涡轮机涡轮机涡轮。

19、本发明还涉及包括至少一个如上所限定的涡轮机的飞行器。