專(zhuān)利名稱(chēng)：通過(guò)滾壓制造中空葉片的組成部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及渦輪機(jī)葉片的制造方法，該渦輪機(jī)葉片例如可以是中空風(fēng)機(jī)葉片或者用于渦輪機(jī)或動(dòng)力裝置上的任何其他類(lèi)型的轉(zhuǎn)子或者定子葉片。
背景技術(shù)：
用于渦輪機(jī)的中空風(fēng)機(jī)葉片通常包括相對(duì)較厚的根部，該根部用于將葉片固定到轉(zhuǎn)子盤(pán)上，該根部通過(guò)稱(chēng)為葉片翼面的較薄的流線(xiàn)型部件(具有符合動(dòng)力學(xué)輪廓的部件)而徑向向外延伸。
現(xiàn)有技術(shù)(例如，參見(jiàn)第US-A-5 636 440號(hào)美國(guó)專(zhuān)利)描述了一種主要是利用擴(kuò)散結(jié)合技術(shù)與超塑成型技術(shù)相結(jié)合來(lái)制造該中空葉片的方法。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的該方法中，首先限定葉片的兩個(gè)或三個(gè)組成部件，然后為了獲得一個(gè)所需的葉片預(yù)制件，在利用擴(kuò)散結(jié)合技術(shù)將其相互重疊和組裝之前，對(duì)各組成部件分別進(jìn)行加工。
下一個(gè)步驟為形成先前制造的預(yù)制件的流線(xiàn)型輪廓，并隨后通過(guò)施加氣體壓力使預(yù)制件膨脹并對(duì)該預(yù)制件進(jìn)行超塑成型，以在進(jìn)行最后機(jī)加工之前，形成基本具有最終形狀的葉片。
如上所述，葉片預(yù)制件的制造包括制造至少兩個(gè)外部初始部件的步驟。通常地，外部部件是通過(guò)初始部件的機(jī)加工毛坯而形成。兩個(gè)機(jī)加工外部部件中的每一個(gè)都具有兩個(gè)徑向相對(duì)的、且厚度完全不同的部分，其中厚的根部用于將葉片固定到轉(zhuǎn)子盤(pán)中，而薄的流線(xiàn)型翼面部件從根部朝向外端部徑向延伸。
已經(jīng)提出了各種不同的技術(shù)用于制造這些外部部件。例如，文獻(xiàn)US-A-3 858 428中披露了一種方法，其中兩個(gè)部分重疊的板件滾壓，從而在板件沒(méi)有重疊的部分可獲得其中的較厚的部件。
文獻(xiàn)US-A-5 711 068描述了一種方法，其包括由比預(yù)制件(從根部到翼面部)長(zhǎng)的金屬材料制造平行六面體形狀的部件，該金屬材料的厚度與根部件的厚度近似相同。之后，將每一個(gè)平行六面體傾斜切割以形成兩個(gè)在縱向上厚度逐漸減少的部件。
這些方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)都非常復(fù)雜并且很快就會(huì)達(dá)到根部所限制的最大厚度，從而需要添加另外的部件來(lái)形成葉片的根部。
因此考慮到厚度的改變，形成葉片預(yù)制件的至少部分外部部件的制造將導(dǎo)致很高的額外材料成本和機(jī)加工成本，因此中空葉片的制造方法不是最佳的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種渦輪機(jī)的中空葉片的制造方法，該方法至少部分地克服了上述缺陷。
更確切地說(shuō)，根據(jù)其中的一個(gè)方面，本發(fā)明涉及外部初始部件的毛坯的制造方法，該方法與現(xiàn)有技術(shù)的方法相比可降低制造成本。
特別地，根據(jù)其中的一個(gè)方面，本發(fā)明涉及利用成型滾壓來(lái)制造外部初始部件的毛坯的方法以及利用管狀供料來(lái)制造中空葉片的方法。
根據(jù)其中的另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及在對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)初始部件的毛坯的管狀環(huán)狀物上切割縱向區(qū)段(segment)。隨后可將這些區(qū)段或者毛坯平整，使得它們?nèi)绗F(xiàn)有技術(shù)中所述能夠被用于形成部件和/或用于制造中空葉片，例如可通過(guò)超塑成形和擴(kuò)散結(jié)合方法來(lái)制造。
方便地，從環(huán)狀物截取的區(qū)段可用于制造至少一個(gè)初始部件的毛坯，且從區(qū)段厚度中切割出至少一個(gè)區(qū)段。
優(yōu)選地，環(huán)狀物在其至少一端包括突出部以形成初始部件的根部。環(huán)狀物可通過(guò)圓形成型滾壓來(lái)制造。


通過(guò)閱讀以下參照附圖的描述，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)更加容易理解，其中附圖僅用于說(shuō)明本發(fā)明而非用于限定本發(fā)明，其中圖1示出了傳統(tǒng)的渦輪機(jī)的中空葉片；圖2示出了擴(kuò)散結(jié)合之后獲得的葉片預(yù)制件或者通過(guò)模制而限定出的初始部件；圖3示出了初始部件的毛坯；圖4A和圖4B示出了環(huán)狀物的立體截面圖，毛坯可從中獲得；圖5示意示出了環(huán)狀物的制作方法；以及圖6A、6B、和6C示出了根據(jù)本發(fā)明所采用的環(huán)狀物的不同的壁輪廓。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了用于渦輪機(jī)(未示出)的大弦渦輪風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片類(lèi)型的中空葉片1。該種類(lèi)型葉片的幾何形狀非常復(fù)雜，其可例如由鈦或者鈦合金(如，TV6V)制成，并且包括根部2，其通過(guò)翼面4沿徑向延伸。翼面4設(shè)置在通過(guò)渦輪機(jī)的氣流的循環(huán)路徑內(nèi)，并具有兩個(gè)外部表面，分別稱(chēng)為外拱面6和內(nèi)拱面8，這兩個(gè)表面通過(guò)前邊10和尾邊12連接。
這種類(lèi)型的中空葉片的復(fù)雜輪廓優(yōu)選采用SPF/DB(超塑成形/擴(kuò)散結(jié)合)技術(shù)來(lái)進(jìn)行制造。
不論采用哪種方法，第一步都包括模制葉片1的輪廓以獲得預(yù)制件，該預(yù)制件可由焊接初始部件而制成；內(nèi)拱壁和外拱壁或者其圖示接觸同一平面。該操作可通過(guò)使用CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))工具來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)，例如在解扭曲以及矯直之后進(jìn)行收縮以獲得如圖2所示的預(yù)制件14。
預(yù)制件14包括根部16，其通過(guò)翼面部18在徑向延伸。如圖2所示，根部件16設(shè)置有具有較大平均厚度2E的內(nèi)部20，其隨后用于將葉片固定在渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子盤(pán)上。
預(yù)制件14的翼面部18設(shè)置有厚度為2e的徑向內(nèi)端22和厚度為2e’(通常小于2e)的徑向外端24。然而，預(yù)制件14的翼面部18的厚度基本均勻。
為了能夠制造預(yù)制件14(用于制作中空葉片1，該預(yù)制件必須是可膨脹的，因此其不能由單一部件組成)，初始部件26限定為可彼此固定在一起。初始部件26確定出了圖3中示意性示出的毛坯28的形狀，可對(duì)該毛坯進(jìn)行機(jī)加工以獲得這些初始部件。即使這樣，上述確定出的初始部件的毛坯28的輪廓還是非常復(fù)雜，特別是包括厚度大約為E的根部，以及厚度幾乎恒定的較長(zhǎng)的翼面部，其厚度為e”，且e”＞e＞e’。例如，初始部件26和毛坯28的根部的厚度E可大約為20mm到40mm，而對(duì)于較長(zhǎng)的翼面部的厚度大約為0.6m到1.2m，并且毛坯28的厚度e”可以在8mm到15mm之間，優(yōu)選地平均大約為10mm。
根據(jù)本發(fā)明，可由如圖4A和圖4B所示意性示出的中空管狀部件或者環(huán)狀物來(lái)制作外部初始部件的毛坯28。環(huán)狀物30的高度H大約與所制作的初始部件的長(zhǎng)度相同，也即，翼面的長(zhǎng)度1，例如0.6m到1.2m；而環(huán)狀物30在直徑d大約為4m時(shí)的高度H的大多數(shù)范圍內(nèi)，其壁厚基本恒定且為e”。
此外，環(huán)狀物30的一端設(shè)置有厚度為E并且高度為h的突出部32。該突出部用于制作初始部件26的根部16，其高度h因此選擇作為根部的函數(shù)；例如，高度h可以為大約30到40mm。在本實(shí)施例中，方便地，突出部32只在環(huán)狀物30的壁的一側(cè)，即，朝向內(nèi)側(cè)或者朝向外側(cè)突出，而壁的另一側(cè)的截面仍然保持平直。
環(huán)狀物30優(yōu)選地由管狀供料，如圖5所示的鋼坯，通過(guò)成型滾壓而制造。初始鋼坯34可為鑄件，其通過(guò)例如直徑為1050mm，沿著其外表面定位的旋轉(zhuǎn)的輥?zhàn)?6而被滾壓。將直徑為600mm，插入到鋼坯34之內(nèi)的旋轉(zhuǎn)心軸38朝向輥?zhàn)?6平移以形成管34的壁由于摩擦力的作用，鋼坯34繞著可移動(dòng)的軸旋轉(zhuǎn)，且其厚度均勻減小，而其內(nèi)徑和外徑增大。支撐件40，例如以1.2m的間距維持管狀部件34的高度以保證均勻的滾壓厚度。通過(guò)切割輥?zhàn)?6和/或心軸38可從最終的環(huán)狀物30獲得突出部32；在管狀部件的壁厚上也可以具有斜度。
旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和平移速度、以及鋼坯34的初始尺寸等提供了獲得滿(mǎn)足所需用途的環(huán)狀物的設(shè)定方法。
然后，在環(huán)狀物30的高度方向并且圍繞其圓周面切割以形成區(qū)段42和42’。切割可通過(guò)激光、水柱、或鋸切而進(jìn)行。在這個(gè)方面，應(yīng)該指出的是根據(jù)本發(fā)明的方法，切割環(huán)狀物30還具有其他的優(yōu)點(diǎn)，即，如圖4A所示意性示出的，具有復(fù)雜輪廓的區(qū)段或者毛坯42可通過(guò)切割而形成，重要的是不必限制其形狀為梯形形狀，并且即使是復(fù)雜形狀的初始部件(例如，軍刀形狀)，其材料的損失也會(huì)達(dá)到最小化。
隨后，利用傳統(tǒng)的鍛造方法平整被切割的區(qū)段42，并隨后加工成所限定的輪廓，從而制成毛坯28并隨后形成初始部件26。
環(huán)狀物30的制造成本與作為其直徑d的函數(shù)的高度與厚度比H/e”具有直接關(guān)系。直徑超過(guò)4m的環(huán)狀物30就變得非常難于操作，且獲得的葉片1的通常高度H超過(guò)了1m。因此，環(huán)狀物30的厚度推薦大于或等于30mm，以保證環(huán)狀物30的制造成本在合理的限度內(nèi)。
可以確定獲得部件的區(qū)段42，同時(shí)，在將其平整之后沿其厚度方向切割該區(qū)段42，以減少初始部件的厚度通過(guò)區(qū)段42的一次或幾次鋸切可以獲得多個(gè)具有相似表面但是更薄的毛坯28和初始部件26。
圖6A、6B、6C示出了可以應(yīng)用的環(huán)狀物的不同輪廓，特別是在其高度方向并且圍繞其圓周切割環(huán)狀物之后形成區(qū)段的樣品之后縱向切割時(shí)的不同輪廓。
因此，圖6A示出環(huán)狀物30a的輪廓，其中突出部32a從環(huán)狀物的壁的一端以及兩側(cè)同時(shí)向外和向內(nèi)突出。一旦已經(jīng)得到區(qū)段42a，那么就可以沿著虛線(xiàn)進(jìn)行切割，換句話(huà)說(shuō)，在區(qū)段42a的厚度內(nèi)進(jìn)行切割，以得到兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的初始部件毛坯28。
另一種可能性參見(jiàn)圖6B所示，其中兩個(gè)突出部32b和32b’位于環(huán)狀物30b的兩端，這樣，一個(gè)突出部32b向內(nèi)突出，而另一個(gè)突出部32b’向外突出；隨后，區(qū)段可被如圖所示的沿對(duì)角方向切割，或者類(lèi)似如圖6A所示的方式，與其一側(cè)平行地切割。
還可以對(duì)區(qū)段進(jìn)行連續(xù)的切割。由此，圖6C示出了環(huán)狀物30c的輪廓，其中每一個(gè)區(qū)段可以提供有三個(gè)初始部件毛坯。如圖所示，為了易于制造環(huán)狀物30c，其可使突出部32c的輪廓很平滑而不是讓其成為“階梯狀”，材料損失也會(huì)達(dá)到最小化。
很明顯，可以考慮到這些解決方案的許多結(jié)合和這些輪廓的許多替換。
方便地，毛坯和初始部件的每次滾壓和/或平整步驟也可在高溫金屬上實(shí)現(xiàn)的，例如在900℃下的鈦合金以及利用加熱到如100到300℃的工具進(jìn)行。
一旦制作完成，裝配外部的初始部件26以形成預(yù)制件14并將其固定到一起。根據(jù)葉片的尺寸、以及施加到其上的應(yīng)力等，可堅(jiān)固中空結(jié)構(gòu)的板形初始支撐件可插入到部件之間。方便地，可通過(guò)擴(kuò)散結(jié)合對(duì)部件進(jìn)行組裝。隨后，將可以調(diào)整流線(xiàn)型輪廓(符合動(dòng)力學(xué)輪廓)的預(yù)制件14進(jìn)行機(jī)加工以得到葉片1。優(yōu)選地，該步驟進(jìn)行通過(guò)氣體壓力進(jìn)行膨脹的操作以及根據(jù)SPF/DB技術(shù)中所熟知的條件進(jìn)行超塑成型的操作。
因此，根據(jù)本發(fā)明的方法，可從簡(jiǎn)單的部件(如環(huán)狀物)制成葉片和葉片預(yù)制件，并且可通過(guò)已驗(yàn)證的機(jī)加工方法(如滾壓、鋸切、和銑削)進(jìn)行，即使對(duì)于復(fù)雜的初始部件。應(yīng)該指出的是制造這種類(lèi)型的復(fù)雜部件占葉片成本的40％以上，由此，考慮到材料損失的局限和機(jī)加工操作的減少，特別是精確機(jī)加工操作，葉片的制造成本可大大降低。還應(yīng)該指出的是，環(huán)狀物(環(huán)狀的、同軸的)的形狀的制造公差可以很大，另外，對(duì)于60個(gè)以上初始部件的制造而言，該環(huán)狀制造步驟是唯一的。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于渦輪機(jī)的中空葉片(1)的初始部件(26)的制造方法，包括從環(huán)狀物(30)切割所述初始部件(26)的毛坯(28)，所述環(huán)狀物具有管狀壁，所述管狀壁在其兩端之間具有初始厚度(e”，E)，通過(guò)切割所述兩端之間的所述壁，所述毛坯從所述兩端部之間的壁的區(qū)段(42)被切割出，并且其厚度為所述初始厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括平整所述毛坯或所述壁的區(qū)段(28，42)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括在厚度方向在其兩端部之間切割所述壁的區(qū)段(42)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，包括在厚度方向在其兩端部之間多次切割所述壁的區(qū)段(42)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述環(huán)狀物(30)至少在其一端包括有突出部(32)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的方法，包括通過(guò)成型滾壓制造所述環(huán)狀物(30)。
7.一種用于渦輪機(jī)的中空葉片(1)的制造方法，所述中空葉片包括有根部(2)和翼面(4)，所述方法包括利用根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述的方法制造至少兩個(gè)外部初始部件(26)的步驟；以及擴(kuò)散結(jié)合步驟，用于連接所述兩個(gè)初始外部部件以制造葉片預(yù)制件(14)，所述葉片預(yù)制件包括翼面部(18)和根部(16)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其中在所述兩個(gè)外部部件(26)的所述擴(kuò)散結(jié)合組裝步驟之后，通過(guò)施加氣體壓力來(lái)進(jìn)行膨脹以及對(duì)所述預(yù)制件(144)進(jìn)行超塑成型。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，包括制造第三初始支撐部件，所述預(yù)制件(14)由兩個(gè)圍繞所述初始支撐部件的外部初始部件(26)組成。
10.一種渦輪機(jī)的中空葉片(1)的制造方法，利用圓柱形的環(huán)狀物(30)進(jìn)行制造。
11.一種渦輪機(jī)的中空葉片(1)的初始部件(26)的制造方法，利用圓柱形的成型滾壓技術(shù)進(jìn)行制造。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種渦輪機(jī)的中空葉片的制造方法，其中，葉片通過(guò)由外部初始部件制成的預(yù)制件而制造。包括根部的每一個(gè)初始部件通過(guò)平整從環(huán)狀物(30)獲得的毛坯(42)而形成，其中，該環(huán)狀物具有較大的直徑(d)，且設(shè)置有突出部(32)，根據(jù)本發(fā)明的方法可降低成本。
文檔編號(hào)B23P15/04GK1718361SQ20051008903
公開(kāi)日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2005年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月3日
發(fā)明者讓-皮埃爾·貝爾格, 米歇爾·布雷頓, 讓-米歇爾·帕特里克·莫里斯·弗朗謝, 阿蘭·洛里厄, 菲利普·薩戈 申請(qǐng)人:斯奈克瑪公司