專利名稱：渦輪葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪機，具體涉及冷卻的渦輪葉片。
背景技術(shù)：
在設(shè)計和制造渦輪葉片時，控制熱量是很重要的考慮。葉片通常具有冷卻通道網(wǎng)。通常的通道網(wǎng)通過葉片平臺接收冷卻空氣。冷卻空氣穿過翼片中的盤旋路徑，至少部分冷卻空氣經(jīng)翼片中的孔離開葉片。這些孔包括沿翼片的壓力側(cè)表面和吸氣側(cè)表面分布的洞(例如“膜洞”)和這些表面在前緣和后緣結(jié)合處的洞。其他的孔可以配置在葉片頂部。在普通的制造方法中，葉片的主要部分用鑄造和加工方法形成。在鑄造作業(yè)期間，利用犧牲芯來形成冷卻通道網(wǎng)的至少主要部分。該芯在葉片頂部的適當(dāng)支承部分與突出于鑄件頂部的芯部分相關(guān)，在除去該芯時，留下相關(guān)的洞。因此，眾所周知，這造成鑄件具有頂部空穴，在該空穴中可以插入板，以便至少部分地堵塞由該芯留下的洞。這樣便可以改變通過頂部的氣流量和分布，從而達(dá)到要求的性能。在美國專利3533712、3885886、3982851、4010531、4073599和5564902中公開了這種結(jié)構(gòu)的例子。在多個這種葉片中，該板在鑄件頂部空穴內(nèi)下齊平，留下葉片頂部空穴或者氣室。
眾所周知，該板由于受到熱/機械疲勞兩種疲勞作用和腐蝕的作用的組合而破裂。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一方面涉及一種具有翼片主體的葉片，該翼片主體具有內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)和主體頂部空穴。至少一個板固定在該主體頂部空穴中并具有內(nèi)側(cè)和外側(cè)表面。在該外側(cè)表面上有凹部，在該內(nèi)側(cè)表面上有相關(guān)的突出部。
在各種實施中，該凹部的深度可為該板的鄰近厚度的30％-200％，該突出部的高度可為該板的鄰近厚度的30％-200％。該凹部的最大橫向尺寸可不超過該板的鄰近厚度的500％，而最小橫向尺寸可不小于最大橫向尺寸的50％?？纱嬖诙鄠€彼此相反地結(jié)合的這種凹部和突出部。該凹部的中心可位于距離該板地等分線20％以內(nèi)。該板可以是單一的板。該板可具有周緣，并可沿該周緣的至少90％焊接在翼片主體上。該板可以沿基本上整個周緣焊接在翼片主體上。該主體頂部空穴可經(jīng)多個口與冷卻通道網(wǎng)連通。該板可具有至少一個通孔。該板可下齊平地固定在該主體頂部空穴內(nèi)，從而留下葉片頂部氣室。該主體頂部空穴可具有不間斷的周緣壁。
本發(fā)明的另一方面涉及一種制造葉片的方法。形成葉片主體，包括鑄造步驟。形成板，包括在該板的第一表面上凹進(jìn)多個凹處。將該板插入到主體的頂部空穴中。將該板固定到主體上。
在各種實施中，可在該板上鉆出多個通孔。該凹進(jìn)可形成多個從與第一表面相反的第二表面突出的突出部。該固定可包括沿板的周緣進(jìn)行焊接。可將該葉片安裝到燃?xì)廨啓C上，代替原有的葉片，該原有的葉片沒有該凹處。
本發(fā)明的另一方面涉及一種葉片，該葉片具有翼片主體，所述翼片主體具有內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)和經(jīng)多個口與冷卻通道網(wǎng)連通的主體頂部空穴。至少一個板固定在主體頂部空穴中，與該頂部下齊平，從而留下鄰近該頂部的葉片頂部空穴，并且至少部分地堵塞至少一些口。該板具有減輕周期性熱應(yīng)力的機構(gòu)。
在各種實施中，該機構(gòu)可包括多對對準(zhǔn)的外側(cè)表面凹處和內(nèi)側(cè)表面突出部。該主體可主要由鎳基或者鈷基超級合金構(gòu)成。該板可基本上由鎳基或者鈷基超級合金構(gòu)成。
本發(fā)明的另一方面涉及將燃?xì)廨啓C葉片結(jié)構(gòu)從第一結(jié)構(gòu)再設(shè)計成再設(shè)計結(jié)構(gòu)的方法。第一結(jié)構(gòu)包括翼片主體，該翼片主體具有內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)和經(jīng)多個口與該冷卻通道網(wǎng)連通的主體頂部空穴。板具有基本上平的內(nèi)側(cè)和外側(cè)表面并固定在主體頂部空穴中，與頂部下齊平，從而留下鄰近頂部的葉片頂部空穴，并至少部分地堵塞至少一些口。在一次或多次迭代(iteration)中，得到再設(shè)計的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有翼片主體，所述翼片主體具有內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)和經(jīng)多個口與該冷卻通道網(wǎng)連通的主體頂部空穴。板具有內(nèi)側(cè)和外側(cè)表面并固定在主體頂部空穴中，與該頂部下齊平，從而留下鄰近該頂部的葉片頂部空穴，并至少部分地堵塞至少一些口。該板具有至少一個相對于第一結(jié)構(gòu)有效提高抗熱/機械疲勞性的表面增強部。
在各種實施中，表面增強部可包括凹處。再設(shè)計結(jié)構(gòu)的翼片主體可相對于第一結(jié)構(gòu)的翼片主體基本上不改變。
在附圖和下面的說明中，說明了本發(fā)明一個或者多個實施例的細(xì)節(jié)。從這些說明和附圖以及權(quán)利要求書，可以明顯看出本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點。


圖1是分解圖，示出按本發(fā)明原理的渦輪葉片。
圖2示出圖1所示葉片頂部隔間的蓋板。
圖3示出圖1所示葉片的頂部。
圖4是圖1所示葉片頂部的中間截面圖。
圖5示出現(xiàn)有技術(shù)的蓋板。
在各個圖中，相同的附圖標(biāo)記和名稱表示相同的部件。
具體實施例方式
圖1示出渦輪葉片20，該葉片具有翼片22，該翼片沿內(nèi)側(cè)平臺26上的近基的根部24到遠(yuǎn)端頂部28的長度延伸。并排組裝多個這種葉片，其各自的內(nèi)側(cè)平臺構(gòu)成約束流路內(nèi)側(cè)部分的環(huán)。在例示性實施例中，葉片的主要部分由金屬合金整體形成(例如形成為鑄件)。該鑄件具有頂部隔間30，在此隔間中可以將獨立的蓋板32(見圖2)固定就位(見圖3)。
該翼片從前緣40延伸到后緣42。該前緣和后緣將壓力側(cè)面和吸氣側(cè)面即表面44和46分開。為了冷卻葉片，該葉片具有冷卻通道網(wǎng)50(圖4)，該通道網(wǎng)連接于平臺上的口(未示出)。例示性的通道網(wǎng)包括一系列大體沿翼片長度方向延伸的空腔。最前面的空腔表示為前緣空腔，大體平行于該前緣延伸。最后的空腔表示為后緣空腔，大體平行于后緣延伸。這些空腔可以在一端或者兩端和/或者沿其長度的若干位置上連接起來。該通道網(wǎng)還包括伸向壓力表面44和吸氣表面46的洞，以便進(jìn)一步冷卻這些表面，并使這些表面與外部高溫隔離。在這些洞中包括后緣出口槽52(圖3)?？梢耘渲藐嚵惺降暮缶壎慈〈摬?，所述后緣洞在后緣空腔和靠近后緣的位置之間延伸。
在例示性的實施例中，葉片的主要部分用鑄造方法和加工方法形成。該鑄造法采用犧牲芯，以形成該通道網(wǎng)。例示性的鑄造方法形成具有所述鑄件頂部隔間30(圖1)的最終鑄件。該隔間具有周圍的肩部53，該肩部具有與通道分隔壁58的外側(cè)端部56相配合以形成鑄件頂部隔間的底部的外側(cè)表面54(圖4)。該底部位于壁構(gòu)件邊緣60的下面，所述壁構(gòu)件在所最終翼片的壓力側(cè)和吸氣側(cè)具有壁部分62和64(圖3)。該底部從前緣到后緣具有一系列的孔70、72、74、76和78(圖1)。這些孔可以由安裝于外側(cè)模具的用作支承的犧牲芯部分形成。這些孔與通道網(wǎng)相通。這些孔是從葉片損耗冷卻空氣的不希望有的通道。因此，最好用蓋板32完全地或者部分地堵塞一些或全部這樣的孔。
該蓋板32具有內(nèi)側(cè)表面80和外側(cè)表面82(圖4)。該蓋板的內(nèi)側(cè)表面80平放在肩部的外側(cè)表面54和壁端部56上。該蓋板的外表面82凹進(jìn)地(下齊平地)位于比邊緣60低高度H1的位置上，從而留下葉片頂部空穴或者隔間90。在操作時，邊緣60(經(jīng)過下面說明的凹進(jìn))基本上緊鄰鄰近的罩的內(nèi)部(例如具有約0.1英寸的間隙)。
首先形成蓋板32(見圖2)，該蓋板包括具有第一部分100和第二部分102的周緣，所述的一部分100大體與翼片壓力側(cè)的輪廓相關(guān)，所述第二部分102大體與翼片吸氣側(cè)的輪廓相關(guān)。例示性的蓋板材料是鎳基超級合金(例如UNS N06625 0.03-0.05英寸厚)。部分100和102(受到下面說明的可能偏差的影響)的尺寸定為可以緊配合在頂部隔間中，靠近壁構(gòu)件部分62和64的內(nèi)表面。
以下述方式安裝蓋板32，即將它定位在鑄件的隔間中，并沿整個或局部的周緣部分100和102，將該蓋板焊接或者釬焊在鑄件上。具體是，在例示的實施例中，該板沿其周緣繞整個360°激光焊接在鑄件上。或者可以角焊(例如MIG或者TIG焊接)在整個周緣上或者局部周緣上。
圖2還示出蓋板32，該蓋板包括一系列的通孔110、112、114、116和118，這些孔大體靠近翼片部分的中間，每個孔與隔間70、72、74、76和78中相關(guān)的一個隔間相通。這些例示性的通孔是鉆孔形成的，具有圓筒形表面。這些通孔用于將空氣引入到葉片頂部隔間，從而冷卻該頂部，并從冷卻通道網(wǎng)50排出臟物(例如灰塵)。
圖2還示出蓋板的外側(cè)表面82，該表面包括多個凹進(jìn)區(qū)域120、122和124。這些區(qū)域與內(nèi)側(cè)表面80上的相關(guān)突出部126、128和130是對準(zhǔn)的(圖4)。這些突出部比內(nèi)側(cè)表面80的其余平的部分高出高度H2，很類似于在外側(cè)表面82的其余部分的下面凹進(jìn)凹部。這種成對的凹部/突出部均可通過使蓋板32從外側(cè)表面82向下凹進(jìn)而形成(通過壓凹工具)。如下所述，這些成對的凹部/突出部用于防止蓋板發(fā)生破裂。
圖5示出別樣的類似的蓋板200，該蓋板沒有成對的凹部/突出部。蓋板200具有與第一蓋板32的通孔類似地定位的通孔202、204、206、208和210。在操作中觀察到了形成一個或者多個裂紋220的破裂模式。蓋板32不均勻的冷卻可能增加周期性的熱沖擊和由此產(chǎn)生的熱/機械疲勞。這種疲勞與化學(xué)(例如氧化)和腐蝕作用相結(jié)合，形成裂紋220。突出部的存在易于局部地增加熱量向流過通道網(wǎng)50的冷卻氣流的傳遞。對于該板外側(cè)表面上的熱傳遞，相關(guān)的凹部即便有影響也只是具有很低的影響。然而這種凹部具有結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(例如在諸如現(xiàn)場澆鑄或沉積的突出部等方面與只有突出部的條件不同)。首先，該凹部降低了質(zhì)量，因而降低了慣性力(例如離心力)。其次，成對的凹部/突出部的向內(nèi)取向可以增加抵抗外力(例如離心力)的結(jié)構(gòu)性剛性(例如在壓縮條件下起拱的作用，而不是在張力條件下起懸鏈作用)。
可以按照特定的翼片結(jié)構(gòu)和發(fā)動機操作參數(shù)定位該凹部和確定其尺寸，以便達(dá)到要求的減輕疲勞的作用。通常，這些凹部相對靠近原本會發(fā)生破裂的位置(例如承受高振幅溫度和應(yīng)力的區(qū)域，或者承受高周期性振幅溫度和應(yīng)力的區(qū)域)。例如，這些凹部通常相對更靠近翼片截面的等分線(例如從等分線到壓力側(cè)周緣部分或者吸氣側(cè)周緣部分距離的20％以內(nèi))。該位置也可以位于沿著冷卻流路徑的相對下游，因為在這些位置的冷卻空氣原本起較小的作用(例如朝著鄰近的壁端部56之間空間的下游端部)。例示性的凹部深度和突出部高度是鄰近的板厚度的30％-200％(例如約100％)。例示性的橫向尺寸(即圓形截面的凹部/突出部的直徑)在凹部的外側(cè)表面和突出部的內(nèi)側(cè)表面上測量。例示性的最大橫向凹部尺寸不超過鄰近的板厚度的500％。凹部還可能是非圓形的，此時例示性的最小橫向凹部尺寸不小于凹部最大橫向尺寸的50％。
已經(jīng)說明本發(fā)明的一個或者多個實施例。然而應(yīng)當(dāng)明白，在不超出本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種改型。例如，很多細(xì)節(jié)是專用的?？梢赃_(dá)到這樣的程度，即本發(fā)明的原理可以應(yīng)用于現(xiàn)有的各種應(yīng)用，或者更具體說，可用作為現(xiàn)有葉片的改型，但是這些應(yīng)用或者現(xiàn)有葉片的特征可能影響實施。因此其他實施例均在以下權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種葉片，其包括翼片主體，其具有內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)和主體頂部空穴；至少一個板，其固定在主體頂部空穴中，并具有內(nèi)側(cè)表面和外側(cè)表面；其中，該至少一個板具有外側(cè)表面上的凹部和內(nèi)側(cè)表面上的與該凹部相關(guān)的突出部。
2.如權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于該凹部的深度為該板的鄰近厚度的30-200％；該突出部的高度為該板的鄰近厚度的30-200％。
3.如權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于該凹部的最大橫向尺寸不超過該板的鄰近厚度的500％；該凹部的最小橫向尺寸不小于所述最大橫向尺寸的50％。
4.如權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于，具有多個這樣的凹部和多個這樣的突出部，這些凹部和突出部彼此相反地結(jié)合。
5.如權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于，所述凹部的中心位于距離該至少一個板的等分線20％以內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于，所述至少一個板是單一的板。
7.如權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于所述至少一個板具有周緣；所述至少一個板沿所述周緣的至少90％焊接在翼片主體上。
8.如權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于所述至少一個板具有周緣；所述至少一個板沿基本上整個所述周緣焊接在翼片主體上。
9.如權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于所述主體頂部空穴經(jīng)多個口與冷卻通道網(wǎng)連通；所述至少一個板具有至少一個通孔；所述至少一個板下齊平地固定在主體頂部空穴內(nèi)，從而留下葉片頂部氣室。
10.如權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于，所述主體頂部空穴具有不間斷的周緣壁。
11.一種制造葉片的方法，其包括形成葉片主體，包括鑄造步驟；形成板，包括在該板的第一表面上凹進(jìn)多個凹處；將該板插入到主體的頂部空穴中；將該板固定到該主體上。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括在該板上鉆出多個通孔。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，該凹進(jìn)形成多個從與第一表面相反的第二表面突出的突出部。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，該固定包括沿該板的周緣進(jìn)行焊接。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括將葉片安裝到燃?xì)廨啓C上，代替原有的葉片，該原有的葉片沒有所述多個凹處。
16.一種葉片，其包括翼片主體，其具有內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)，并具有經(jīng)多個口與該冷卻通道網(wǎng)連通的主體頂部空穴；至少一個板，固定在主體頂部空穴中，與該頂部下齊平，從而留下鄰近該頂部的葉片頂部空穴，并且至少部分地堵塞多個口中的至少一些口，且具有減輕周期性熱應(yīng)力的機構(gòu)。
17.如權(quán)利要求16所述的葉片，其特征在于，該機構(gòu)包括多對對準(zhǔn)的外側(cè)表面凹部和內(nèi)側(cè)表面突出部。
18.如權(quán)利要求16所述的葉片，其特征在于該主體主要由鎳基或者鈷基超級合金構(gòu)成；該板基本上由鎳基或者鈷基超級合金構(gòu)成。
19.一種將燃?xì)廨啓C葉片結(jié)構(gòu)從第一結(jié)構(gòu)再設(shè)計成再設(shè)計結(jié)構(gòu)的方法，該第一結(jié)構(gòu)包括翼片主體，其具有內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)，并具有經(jīng)多個口與該冷卻通道網(wǎng)連通的主體頂部空穴；板，其具有基本上平的內(nèi)側(cè)和外側(cè)表面并固定在主體頂部空穴中，與該頂部下齊平，從而留下鄰近該頂部的葉片頂部空穴，并至少部分地堵塞多個口中的至少一些口；該方法包括在一次或多次迭代中，得到再設(shè)計的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括翼片主體，其具有內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)，并具有經(jīng)多個口與該冷卻通道網(wǎng)連通的主體頂部空穴；板，其具有內(nèi)側(cè)和外側(cè)表面并固定在該主體頂部空穴中，與該頂部下齊平，從而留下鄰近該頂部的葉片頂部空穴并且至少部分地堵塞多個口中的至少一些口，具有至少一個相對于第一結(jié)構(gòu)有效提高抗熱/機械疲勞性的表面增強部。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，該表面增強部包括凹處。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，該再設(shè)計結(jié)構(gòu)的翼片主體相對于第一結(jié)構(gòu)的翼片主體基本上沒有改變。
全文摘要
葉片具有翼片主體，該翼片主體具有內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)和主體頂部空穴。至少一個板固定在該主體頂部空穴中，并具有內(nèi)側(cè)和外側(cè)表面。在該外側(cè)表面上形成有凹部，在該內(nèi)側(cè)表面上形成有相關(guān)的突出部。
文檔編號B23P15/04GK1719002SQ200510082300
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月8日
發(fā)明者W·A·克盧斯, J·R·克里斯托菲爾 申請人:聯(lián)合工藝公司