專(zhuān)利名稱(chēng)：渦輪葉片的制作方法
渦輪葉片
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1前序部分所述的渦輪葉片和一種如權(quán)利
要求7前序部分所述的制造渦輪葉片的方法。
渦輪葉片，尤其是燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片在運(yùn)行時(shí)要承受高溫，有時(shí)這樣 的高溫也會(huì)超過(guò)材料應(yīng)力的極限。尤其是在渦輪葉片的入流前緣周邊區(qū)域內(nèi) 會(huì)出現(xiàn)這樣的情況。為了即便在高溫時(shí)也能使用渦輪葉片，很久以來(lái)已知的 方法是對(duì)渦輪葉片進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s，使它們具有更高的耐熱性，其中，尤其 是在燃?xì)廨啓C(jī)中，由于燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)口溫度越來(lái)越高，對(duì)渦輪葉片實(shí)施冷卻 的重要意義也一直在增加。利用具有高耐熱性的渦輪葉片，尤其可實(shí)現(xiàn)較高 的動(dòng)力效率。
已知的冷卻方式例如是對(duì)流冷卻，沖擊式冷卻和薄膜式冷卻。對(duì)流冷卻 可能是應(yīng)用最為廣泛的葉片冷卻方式。在這種冷卻方式中，冷卻空氣被導(dǎo)引 通過(guò)葉片內(nèi)的通道并利用對(duì)流效應(yīng)，將熱量帶走。在沖擊式冷卻方式中，冷 卻空氣流從內(nèi)側(cè)撞擊到葉片表面上，由此在撞擊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)很好的冷卻效果，然 而這樣良好的冷卻效果僅僅局限于撞擊點(diǎn)較窄的區(qū)域及比較靠近的周邊。因 此，這種冷卻方式主要用于冷卻渦輪葉片的承受局部很高溫度載荷的入流前 緣。在薄膜式冷卻方式中，冷卻空氣通過(guò)渦輪葉片中的開(kāi)孔從內(nèi)部流到葉片 的外側(cè)。冷卻空氣繞流渦輪葉片并在熱的過(guò)程燃?xì)夂蜏u輪葉片表面之間形成 一個(gè)隔熱層。上述這些冷卻方式可視具體應(yīng)用情況而適當(dāng)組合，從而實(shí)現(xiàn)盡 可能有效的葉片冷卻。
例如在美國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)US 6,238,182中公開(kāi)了渦輪葉片的入流前緣的沖 擊式冷卻。該渦輪葉片具有一個(gè)鑄造出的葉片型面，其型壁較厚。在較厚的 型壁中插裝有一種薄壁的沖擊式冷卻插件。該沖擊式冷卻插件通過(guò)多個(gè)分別 減縮成尖端的肋片支撐在與之相對(duì)的另 一些肋片上，這另 一些肋片設(shè)置在型 壁的內(nèi)側(cè)。這樣形成的成對(duì)肋片(肋片對(duì))在此相互焊接，以圍成所述腔室。
為實(shí)現(xiàn)對(duì)流冷卻，在目前已知的渦輪葉片設(shè)計(jì)中，葉片連同例如葉片襯 套形式的外殼以及冷卻通道被澆鑄而成。然后通過(guò)涂敷工藝在葉片上施加涂 層。在該制造工藝中，尤其是借助澆鑄工藝制造在已知的渦輪葉片中設(shè)計(jì)的冷卻通道十分麻煩，成本耗費(fèi)也很大。
除了用澆鑄工藝制造渦輪葉片外，在美國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)US 2,906,495中也公 開(kāi)了由一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)和一個(gè)外殼組成的可純粹進(jìn)行對(duì)流冷卻的渦輪葉片。所 述支撐結(jié)構(gòu)為波形。波谷和波峰分別與 一個(gè)由外殼板構(gòu)成的葉片型面的吸入 側(cè)和壓力側(cè)焊接，由此形成多個(gè)沿葉片型面直線延伸的冷卻通道。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種可進(jìn)行特別有效的對(duì)流冷卻 的渦輪葉片，并且該渦輪葉片與已知的渦輪葉片相比能更方便和廉價(jià)地制 造。
上述技術(shù)問(wèn)題按照本發(fā)明通過(guò)一種具有如權(quán)利要求1前序部分所述特 征的渦輪葉片這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)，即，所述外殼和所述托架結(jié)構(gòu)通過(guò)所述間隔保持 件進(jìn)行逐點(diǎn)地連接，所述間隔保持件面狀分布地設(shè)置。
在本發(fā)明的渦輪葉片中，所述優(yōu)選為葉片襯套形式的外殼僅僅用于在渦 輪葉片被繞流或迎流時(shí)，通過(guò)按照本發(fā)明的間隔保持件將氣體動(dòng)力傳遞到一 個(gè)面狀地位于該外殼之下的托架結(jié)構(gòu)中。所述托架結(jié)構(gòu)主要支撐外殼并承接 通過(guò)外殼和間隔保持件傳遞來(lái)的流動(dòng)力。如果按照本發(fā)明的渦輪葉片也用作 動(dòng)葉片，則托架結(jié)構(gòu)也承受因轉(zhuǎn)動(dòng)造成的離心力作用。就此而言，本發(fā)明的 渦輪葉片與美國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)US6，238,182所公開(kāi)的渦輪葉片存在區(qū)別，在后者 所披露的葉片中，僅葉片型面段設(shè)計(jì)為自支撐，沖擊式冷卻插件僅僅承擔(dān)為 沖擊式冷卻保持間隔距離的作用。
所述力傳遞通過(guò)大量面狀分布地設(shè)置、并分別將外殼與托架結(jié)構(gòu)逐點(diǎn)地 連接起來(lái)的間隔保持件來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)間隔保持件的面狀分布設(shè)置，所述外殼 在大量的部位被支撐，這使得外殼可特別薄并因此能特別好地冷卻。
所述通過(guò)間隔形成的間隙按照本發(fā)明由一種優(yōu)選為氣體或流體的冷卻 介質(zhì)流過(guò)，以便在渦輪葉片應(yīng)用過(guò)程中通過(guò)對(duì)流冷卻實(shí)現(xiàn)對(duì)外殼的有效冷 卻。按照本發(fā)明，所述外殼的熱量?jī)H僅通過(guò)所述間隔保持件傳遞給所述托架 結(jié)構(gòu)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于，避免了因外殼受熱所導(dǎo)致的托架結(jié)構(gòu)過(guò)熱。
采用本發(fā)明的渦輪葉片，可相對(duì)于已知的技術(shù)方案更好地區(qū)分流動(dòng)導(dǎo)向 任務(wù)和力傳遞任務(wù)，從而降低任務(wù)的復(fù)雜程度。通過(guò)熱和機(jī)械方面的脫耦， 可有效地結(jié)合不同尋常的材料組合，而這在已知的連同其外殼和冷卻通道一 起被澆鑄而成的渦輪葉片中卻不能順利簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)。
尤其是，按照本發(fā)明的渦輪葉片相對(duì)于已知的渦輪葉片可更簡(jiǎn)便地制造，因?yàn)椴槐貫闃?gòu)造冷卻通道準(zhǔn)備相應(yīng)復(fù)雜構(gòu)型的鑄模。按照本發(fā)明，僅僅 需要通過(guò)間隔保持件實(shí)現(xiàn)在托架結(jié)構(gòu)和外殼之間的連接，以便形成按照本發(fā) 明的間隙形式的可流通的冷卻通道。
按照本發(fā)明提供一種設(shè)計(jì)用于對(duì)流冷卻的渦輪葉片，它除了便于制造之 外，尤其還具有通過(guò)大量面狀分布設(shè)置的間隔保持件明顯改善散熱和將熱量 傳遞給冷卻介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。其中，所述大量的間隔保持件的表面被冷卻介質(zhì)流 過(guò)并同時(shí)使冷卻介質(zhì)產(chǎn)生渦流，從而提高傳熱系數(shù)。
特別優(yōu)選的是，所述間隔保持件均勻地分布在外殼和托架結(jié)構(gòu)之間。在 本發(fā)明的另一有利的擴(kuò)展設(shè)計(jì)中，所述間隔保持件分別設(shè)計(jì)成焊料球，并通 過(guò)焊接，尤其是釬焊與所述托架結(jié)構(gòu)及所述外殼連接。因此，按照本發(fā)明， 所述外殼與托架結(jié)構(gòu)之間的連接通過(guò)釬焊實(shí)現(xiàn)，更確切地說(shuō)是優(yōu)選通過(guò)在各 個(gè)單獨(dú)部位的^^f焊實(shí)現(xiàn)。所述焊料按照本發(fā)明由許多小的焊料球組成，它們 在焊接過(guò)程中不是全部融化，而是僅部分融化。這些焊料球在電子技術(shù)中通
常被稱(chēng)為"球柵(Ball-Grid)"。由上述方式可在外殼和托架結(jié)構(gòu)之間形成窄縫 形式的間隙，其中，熱量但J又可在如此構(gòu)成的焊點(diǎn)處傳遞到托架結(jié)構(gòu)中。所 述焊料球_#姿照本發(fā)明形成一個(gè)大的表面，使得熱量可直接傳遞到穿過(guò)所述間
隙流動(dòng)的冷卻介質(zhì)中。每單位面積內(nèi)的間隔保持件數(shù)量越多，所述間隔保持 件可被冷卻介質(zhì)繞流的表面積就越大，這一方面能改善冷卻，另一方面能改 善外殼與托架結(jié)構(gòu)的連接。更好的連接本身又可實(shí)現(xiàn)更堅(jiān)固或更薄的外殼。 在另 一有利的擴(kuò)展設(shè)計(jì)中，在外殼和面狀托架結(jié)構(gòu)之間的所述間隙設(shè)計(jì) 為縫隙狀，其中，在葉片的橫截面圖中看，其縫隙大小從葉片的前緣到后緣 都基本保持不變。由此可使得用于對(duì)流冷卻外殼的冷卻空氣特別小損耗地流 過(guò)所述間隙。
在本發(fā)明另 一有利的擴(kuò)展設(shè)計(jì)中，所述渦輪葉片的葉根被這樣構(gòu)造，即， 使得所述間隙從葉根開(kāi)始可被冷卻介質(zhì)流過(guò)。從而以實(shí)用的方式實(shí)現(xiàn)了按照 本發(fā)明的間隙的通流。
本發(fā)明還涉及一種制造按本發(fā)明的渦輪葉片的方法，該渦輪葉片具有一 個(gè)托架結(jié)構(gòu)和一個(gè)包繞該托架結(jié)構(gòu)的外殼，該外殼與所述托架結(jié)構(gòu)保持間隔 地相連接，其中，所述外殼在所述托架結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)部位釬焊到所述托架 結(jié)構(gòu)上，以便使所述外殼與所述托架結(jié)構(gòu)保持間隔地相連接，其中，所述外 殼和所述托架結(jié)構(gòu)通過(guò)間隔保持件進(jìn)行逐點(diǎn)地連接，所述間隔保持件面狀分 布地設(shè)置。下面借助附圖所示對(duì)按照本發(fā)明的渦輪葉片的 一 實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)
明，附圖中
圖l是按照本發(fā)明的渦輪葉片的橫剖面視圖2是葉片襯套形式的渦輪葉片外殼連同相連的焊料球的局部立體視
圖3是通過(guò)按照本發(fā)明的焊料球在外殼和托架結(jié)構(gòu)之間形成的連接的 局部放大視圖。


圖1示出按照本發(fā)明的渦輪葉片IO的橫斷面，由此橫剖面視圖可看出， 葉片IO具有一個(gè)倒圓的入流前緣和一個(gè)尖銳的流動(dòng)后緣。所述渦輪葉片10 具有一個(gè)實(shí)心的或空心的托架結(jié)構(gòu)12,—個(gè)薄壁的葉片襯套14形式的外殼， 該外殼通過(guò)焊料球16與托架結(jié)構(gòu)12保持間隔地相連接，以便形成可被一種 冷卻介質(zhì)流過(guò)的狹窄縫隙形式的間隙18。為了形成一樣寬度的間隙，所述托 架結(jié)構(gòu)12在與所述外殼14內(nèi)側(cè)相對(duì)的區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)成面狀結(jié)構(gòu)，并相應(yīng)于外 殼14的氣體動(dòng)力學(xué)造型而彎曲成型。所述葉片村套14用于將流體入流它時(shí) 所形成的流體動(dòng)力學(xué)力傳遞給所述托架結(jié)構(gòu)12。該托架結(jié)構(gòu)12則設(shè)計(jì)成可 將傳遞給它的力進(jìn)一步傳遞給一個(gè)圖中未示出的葉片托架，所述托架結(jié)構(gòu)12 固定在該葉片托架上。通過(guò)大量的在電子技術(shù)領(lǐng)域行話中也稱(chēng)為"球柵 (Ball-Grid)"的焊料球16相應(yīng)地釬焊在所述托架結(jié)構(gòu)12或葉片襯套14的各 點(diǎn)上，可實(shí)現(xiàn)所述外殼與托架結(jié)構(gòu)的連接。在此，所述焊料球16在釬焊過(guò) 程中不完全融化。
在冷卻介質(zhì)流過(guò)間隙18時(shí)，葉片襯套14基于其熱量被流過(guò)的冷卻介質(zhì) 帶走而被有效地對(duì)流冷卻。由于在葉片襯套14和托架結(jié)構(gòu)12之間的熱傳遞 僅僅通過(guò)焊料球16進(jìn)行，托架結(jié)構(gòu)12僅被熱的葉片襯套14少許加熱。葉 片襯套1的絕大部分熱量被冷卻介質(zhì)帶走，在此，所述焊料球16形成大的 表面，熱量直接被傳遞給冷卻介質(zhì)。
圖2示出渦輪葉片10的呈葉片襯套14形式的外殼及與之相連接的焊料 球16。如圖所示，這些焊料球16僅僅設(shè)置在各個(gè)獨(dú)立的、相互間隔的位置 上，以實(shí)現(xiàn)在托架結(jié)構(gòu)12和葉片襯套14之間盡可能有效的連接，并且隨之 形成盡可能有利于流動(dòng)的間隙18。所述焊料球16按照一種均勻柵格的形式 面狀分布地設(shè)置在外殼14和托架結(jié)構(gòu)12之間，由此可將作用在外殼14上 的流動(dòng)力均勻地傳遞到托架結(jié)構(gòu)12中。與此同時(shí)，基于所采用的大量焊料球16,各單個(gè)焊料球16所傳遞的力也會(huì)比較小。相應(yīng)地各焊料球16可設(shè)計(jì) 得相對(duì)較小。
圖3最后示出通過(guò)焊料球16在葉片襯套14和托架結(jié)構(gòu)12之間實(shí)現(xiàn)連 接的局部》文大^L圖，其中，所述葉片襯套14上還具有一些通孔20，它們可 這樣地提供作為對(duì)流冷卻的輔助手段的薄膜式冷卻，即，冷卻介質(zhì)可通過(guò)這 些通孔20向外流出。
同樣也可以利用一個(gè)空心的托架結(jié)構(gòu)12對(duì)葉片襯套14進(jìn)行沖擊式冷 卻，其中，在所述托架結(jié)構(gòu)12內(nèi)的空腔通過(guò)適當(dāng)?shù)臎_擊式冷卻開(kāi)孔與所述 間隙18連通。
權(quán)利要求
1.一種渦輪葉片(10)，其具有一個(gè)托架結(jié)構(gòu)(12)和一個(gè)包繞該托架結(jié)構(gòu)的外殼(14)，該外殼通過(guò)大量的間隔保持件(16)與所述托架結(jié)構(gòu)(12)保持間隔地相連接，以便在所述托架結(jié)構(gòu)(12)和所述外殼(14)之間形成可供冷卻介質(zhì)流過(guò)的間隙(18)，其特征在于，所述外殼(14)和所述托架結(jié)構(gòu)(12)通過(guò)所述間隔保持件(16)進(jìn)行逐點(diǎn)地連接，并且所述間隔保持件(16)面狀分布地設(shè)置。
2. 如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片(IO),其中，所述間隔保持件(16)均勻 地面狀分布。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的渦輪葉片(10),其中，所述間隔保持件(16) 分別設(shè)計(jì)成焊料球，并通過(guò)釬焊與所述托架結(jié)構(gòu)(12)及所述外殼(14)連接。
4. 如權(quán)利要求3所述的渦輪葉片(IO)，其中，所述悍料球(16)僅部分融化。
5. 如權(quán)利要求1至4之一所述的渦輪葉片(10)，其中，所述間隙(18)設(shè) 計(jì)為縫隙狀，并且在橫截面圖中看，其縫隙大小從葉片的前緣到后緣都基本 保持不變。
6. 如權(quán)利要求1至5之一所述的渦輪葉片(10),其特征在于，所述渦輪 葉片(10)具有葉根，該葉根被這樣構(gòu)造，即，使得所述間隙(18)可從葉根開(kāi) 始一皮冷卻介質(zhì)流過(guò)。
7. —種制造渦輪葉片(10)的方法，該渦輪葉片(10)具有一個(gè)托架結(jié)構(gòu)(12) 和一個(gè)包繞該托架結(jié)構(gòu)的外殼(14)，該外殼與所述托架結(jié)構(gòu)(12)保持間隔地 相連接，其中，所述外殼(14)在所述托架結(jié)構(gòu)(12)的大量部位處釬焊到所述 托架結(jié)構(gòu)(12)上，以便使所述外殼(14)與所述托架結(jié)構(gòu)(12)保持間隔地相連 接，其特征在于，所述外殼(14)和所述托架結(jié)構(gòu)(12)通過(guò)間隔保持件(16)進(jìn)行 逐點(diǎn)地連接，并且所述間隔保持件(16)面狀分布地設(shè)置。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述間隔保持件(16)包括焊 料球(16)，這些焊料球在連接所述托架結(jié)構(gòu)(12)與所述外殼(14)時(shí)僅僅部分融 化。
全文摘要
一種渦輪葉片(10)，其具有一個(gè)托架結(jié)構(gòu)(12)和一個(gè)包繞該托架結(jié)構(gòu)的外殼(14)，該外殼通過(guò)至少一個(gè)間隔保持件(16)，例如焊料球與所述托架結(jié)構(gòu)(12)保持間隔地相連接，以便在所述托架結(jié)構(gòu)(12)和所述外殼(14)之間形成可供冷卻介質(zhì)流過(guò)的間隙(18)。本發(fā)明另外還涉及一種制造渦輪葉片(10)的方法，該渦輪葉片(10)具有一個(gè)托架結(jié)構(gòu)(12)和一個(gè)包繞該托架結(jié)構(gòu)的外殼(14)，該外殼與所述托架結(jié)構(gòu)(12)保持間隔地相連接，其中，所述外殼(14)在所述托架結(jié)構(gòu)(12)的至少一個(gè)部位處釬焊到所述托架結(jié)構(gòu)(12)上，以便使所述外殼(14)與所述托架結(jié)構(gòu)(12)保持間隔地相連接。
文檔編號(hào)F01D5/18GK101600853SQ200880003931
公開(kāi)日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2008年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月1日
發(fā)明者奧利弗·施耐德, 拉爾夫·米斯根, 斯卡利特·法賈多-雷納, 斯蒂芬·W·基利安尼, 法西·阿邁德, 西爾維奧-烏爾里克·馬丁, 馬庫(kù)斯·吉爾 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司