用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機翼片區(qū)段的熔模鑄造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機中使用的被冷卻的翼片區(qū)段的鑄造。具體地，發(fā)明涉及鑄造具有用來形成翼片區(qū)段的翼型中的內(nèi)部冷卻通道的傳統(tǒng)型芯部分加上用來形成翼片區(qū)段的圍帶的背側(cè)表面的圍帶外部殼部分的單塊陶瓷鑄造型芯。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機包括用于壓縮空氣的壓氣機、用于使燃料與壓縮空氣的混合物燃燒的燃燒器裝置和用于從燃燒氣體中提取能量的渦輪機。渦輪機部包括被固定至轉(zhuǎn)子軸的成排的葉片，其中的所有葉片都在能量提取過程中通過燃燒氣體旋轉(zhuǎn)。在成排的渦輪機葉片之間的是當(dāng)燃燒氣體在渦輪機內(nèi)行進時將燃燒氣體合適地定向的成排的固定翼片。各排翼片包括翼片區(qū)段，其中的每一個區(qū)段具有被固定至至少一個翼型的相反端的內(nèi)圍帶和外圍帶。在很多渦輪機中翼型可以經(jīng)由內(nèi)部冷卻通道被冷卻并且圍帶的背側(cè)也可以被冷卻。這些被冷卻的翼型可以是第一和甚至第二排的渦輪機葉片的一部分。冷卻可以包括憑借冷卻空氣在待冷卻的表面上面的流動的對流冷卻，和/或憑借被置于翼型的內(nèi)部冷卻通道中和鄰接圍帶的背側(cè)的沖擊板插件的沖擊冷卻。
[0003]翼型和圍帶可以被一起鑄造由此形成單塊翼片區(qū)段?？商娲兀硇秃蛧鷰Э梢员粏为毜罔T造并接著焊接到一起。翼型的內(nèi)部通道要求陶瓷型芯的使用以創(chuàng)建通道并在鑄造工藝期間限定內(nèi)部表面配置。翼片區(qū)段表面的包括了內(nèi)、外圍帶的那些在內(nèi)的余下部分典型地由圍繞翼片區(qū)段的錯模(wax pattern)形成的陶瓷殼限定，其中錯模圍繞陶瓷型芯形成。蠟?zāi)＝又蝗コ谝砥瑓^(qū)段的形狀中留下空隙，其中陶瓷型芯限定翼型的內(nèi)部通道的表面并且陶瓷殼限定翼片區(qū)段的表面的余下部分。
[0004]小特征是在翼片區(qū)段的表面的一些上所期望的，包括翼型的內(nèi)部通道和圍帶的背側(cè)表面，因為它們可以與沖擊射流結(jié)合地使用以提高沖擊冷卻。小特征可以通過陶瓷型芯容易地形成在翼型的內(nèi)部通道的表面中，因為陶瓷型芯上的小特征在通向最終鑄件的步驟中存活下來，并且被直接印到最終翼片區(qū)段上。然而在圍帶的背側(cè)表面上的小特征將通過蠟?zāi)Ｐ纬桑驗橄災(zāi)Ｏ薅▏鷰У谋硞?cè)表面。蠟?zāi)Ｊ擒洸牧?。出于這個原因，如果小特征被印到蠟?zāi)５谋砻娌⒔又?jīng)受浸漬工藝，在此期間形成陶瓷殼，則小特征被扭曲和/或損失。因為蠟?zāi)Ｖ械男√卣鞑荒茉诮n工藝中存活下來，所以當(dāng)小特征將產(chǎn)生自被暴露于浸漬工藝的蠟?zāi)r，翼片區(qū)段的由殼限定(進而由蠟?zāi)Ｏ薅?的表面不能具有小特征。
[0005]已用來克服該問題的一個技術(shù)是使用單獨鑄造的離散陶瓷插件來形成圍帶背側(cè)表面上的小特征。蠟?zāi)@陶瓷型芯和陶瓷插件及去除的殼形成，留下用于翼片區(qū)段的空隙。在該方法中陶瓷型芯限定翼型的內(nèi)部表面及其小特征，并且陶瓷插件限定圍帶背側(cè)表面及其小特征，并且翼片區(qū)段表面的余下部分通過殼形成。然而，當(dāng)使用陶瓷插件時陶瓷插件的位置難以精確地控制并且鑄件的質(zhì)量小于可接受的。出于前述原因在本領(lǐng)域存在有改進的空間。
【附圖說明】
[0006]在以下描述中鑒于附圖來說明發(fā)明，附圖示出:
[0007]圖1是現(xiàn)有技術(shù)翼片區(qū)段鑄件的示意性截面。
[0008]圖2是使用這里所公開的鑄造型芯和方法的翼片區(qū)段的示意性截面。
[0009]圖3是在現(xiàn)有技術(shù)型芯模具中鑄造時的現(xiàn)有技術(shù)陶瓷型芯的示意性截面。
[0010]圖4是在具有柔性型芯模具里襯的型芯模具中鑄造時的具有翼型部分和圍帶殼部分的一體鑄造型芯的示意性截面。
[0011]圖4A是圖4的細(xì)節(jié)的特寫。
[0012]圖5是圖3的現(xiàn)有技術(shù)陶瓷型芯的示意性截面。
[0013]圖6是圖4的一體鑄造型芯的示意性截面。
[0014]圖7是被定位在現(xiàn)有技術(shù)蠟?zāi)＞邇?nèi)側(cè)的圖5的現(xiàn)有技術(shù)陶瓷型芯和使用組件形成的現(xiàn)有技術(shù)蠟?zāi)５氖疽庑越孛妗?br>[0015]圖8是被定位在這里所公開的蠟?zāi)＞邇?nèi)側(cè)的圖6的一體鑄造型芯和使用組件形成的蠟?zāi)５氖疽庑越孛妗?br>[0016]圖9是圖7的現(xiàn)有技術(shù)陶瓷型芯和現(xiàn)有技術(shù)陶瓷模的示意性截面。
[0017]圖10是圖8的一體鑄造型芯和蠟?zāi)５氖疽庑越孛妗?br>[0018]圖11是圖9的現(xiàn)有技術(shù)陶瓷型芯和現(xiàn)有技術(shù)陶瓷模及圍繞組件形成的現(xiàn)有技術(shù)陶瓷殼的示意性截面。
[0019]圖12是圖10的陶瓷型芯和蠟?zāi)＜皣@組件形成的陶瓷殼的示意性截面。
[0020]圖13是具有用于現(xiàn)有技術(shù)翼片區(qū)段的空隙的圖11的現(xiàn)有技術(shù)陶瓷型芯和現(xiàn)有技術(shù)陶瓷殼的示意性截面。
[0021]圖14是具有用于翼片區(qū)段的空隙的圖12的一體鑄造型芯和陶瓷殼的示意性截面。
[0022]圖15是圖11的現(xiàn)有技術(shù)陶瓷型芯和現(xiàn)有技術(shù)陶瓷殼及在其中鑄造的現(xiàn)有技術(shù)翼片區(qū)段的示意性截面。
[0023]圖16是圖14的一體鑄造型芯和陶瓷殼及在其中鑄造的翼片區(qū)段的示意性截面。
【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明人已發(fā)明了一種獨特的方法和一體鑄造型芯，通過它們，當(dāng)翼片區(qū)段的翼型部分和圍帶部分(或多個部分)被同時鑄造以形成單塊、被冷卻的鑄造翼片區(qū)段時可以在被冷卻的翼片區(qū)段的圍帶的背側(cè)上形成精細(xì)特征。精細(xì)特征可以是能夠與沖擊冷卻射流結(jié)合地使用以更有效地冷卻圍帶背側(cè)的熱傳遞特征。該方法和鑄造型芯能夠在一些實施例中通過柔性型芯模具里襯的使用而得以實現(xiàn)。柔性里襯使得能夠使特征合并到鑄件的表面內(nèi)，這在使用剛性型芯模具時是不可能的。這是因為剛性型芯模具必須被沿著拉動平面(pull plane)分開。當(dāng)模具必須在沿著鑄件的表面滑動的情況下被拉開時，兩個表面不能被成形使得它們與該滑動干涉。歸因于諸如翼片區(qū)段等的很多部件的幾何形狀，這限制了精細(xì)特征可以形成到鑄件內(nèi)所在的平面、諸如圍帶背側(cè)表面。在剛性型芯模具內(nèi)側(cè)的柔性里襯避免了該問題，因為柔性里襯被用來形成精細(xì)特征并且柔性里襯可以在被去除時圍繞精細(xì)特征彎曲。
[0025]發(fā)明人利用了該柔性里襯的優(yōu)點來創(chuàng)建一體鑄造型芯，其創(chuàng)新地形成翼片區(qū)段的翼型部分的冷卻通道而同時形成了圍帶的背側(cè)表面，該背側(cè)表面在以前通過陶瓷殼或者離散的陶瓷插件來形成。精細(xì)特征也可以使用一體鑄造型芯形成在背側(cè)表面上，因為在該鑄造方法中，圍帶背側(cè)并因此是任何圍帶背側(cè)表面特征通過一體型芯在鑄造期間被直接形成在翼片區(qū)段中。由于一體型芯形成精細(xì)特征，所以沒有關(guān)于憑借蠟?zāi)Ｐ纬蓵r的精細(xì)特征的損失或憑借離散的陶瓷插件形成時的未對準(zhǔn)的擔(dān)憂。由于柔性里襯可以被從圍繞著小特征拉出來，其中該小特征會阻止剛性型芯模具里襯的分離，所以沒有關(guān)于型芯模具分離的擔(dān)憂。
[0026]圖1是具有有著翼型內(nèi)部通道14、翼型內(nèi)表面16和翼型外表面18的翼型12的現(xiàn)有技術(shù)翼片區(qū)段10的示意性截面。內(nèi)圍帶20和外圍帶22被布置在翼型12的內(nèi)端24和外端26處。圍帶各具有平滑的、即缺乏精細(xì)熱傳遞特征的相應(yīng)的背側(cè)表面28。翼型沖擊插件30可以用來形成用于使翼型內(nèi)表面冷卻的沖擊射流。圍帶沖擊板32可以用來形成用于使圍帶背側(cè)表面28冷卻的沖擊射流。
[0027]圖2是使用這里的教導(dǎo)形成的高溫合金翼片區(qū)段50的示意性截面。翼片區(qū)段50包括具有翼型內(nèi)部通道54、翼型內(nèi)表面56和翼型外表面58的翼型52。內(nèi)圍帶60和外圍帶62被布置在翼型52的內(nèi)端64和外端66處。圍帶各具有相應(yīng)的背側(cè)表面68。小特征70可以被形成到翼型內(nèi)表面56內(nèi)和/或圍帶背側(cè)表面68中的一個或兩者內(nèi)。這些小特征70可以是被設(shè)計成與通過翼型沖擊插件30和/或圍帶沖擊板32形成的沖擊射流一起工作的熱傳遞特征。這些小特征70可以采取對于改善熱傳遞已知的任何形狀，包括諸如凹坑的陣列等的重復(fù)幾何形狀的陣列?？商娲兀梢酝ㄟ^針對可在必要時被局部裁剪的小特征70的各種不同尺寸和形狀使熱傳遞最大化。
[0028]圖3至圖16示意性地將現(xiàn)有技術(shù)的翼片區(qū)段鑄造工藝及相關(guān)聯(lián)的型芯與這里所公開的工藝及相關(guān)聯(lián)的型芯進行比較。圖3示意性地描繪了在現(xiàn)有技術(shù)剛性型芯模具102內(nèi)的現(xiàn)有技術(shù)陶瓷鑄造型芯100的形成。圖4是使用柔性里襯112和相關(guān)聯(lián)的剛性型芯模具114形成的一體鑄造型芯110的示意性截面。一體鑄造型芯110包括限定翼型內(nèi)部通道54的型芯翼型部分116，和從型芯翼型部分116橫向延伸且具有限定外圍帶62的背側(cè)表面68的型芯圍帶背側(cè)成形表面120的殼部分118(外殼部分)。一體鑄造型芯110還可以包括從型芯翼型部分116橫向延伸且具有限定內(nèi)圍帶60的背側(cè)表面68的相對的型芯圍帶背側(cè)成形表面124的相對的殼部分122(內(nèi)殼部分)。型芯圍帶部分118、122可以具有被配置成形成小特征70的型芯殼特征130。型芯翼型部分116可以具有被配置成在翼型內(nèi)表面56上形成小特征70的型芯翼型特征140。型芯殼特征130可以包括較高高度132和鄰接于較高高度132的較低高度134，其中高度是相對于相應(yīng)的型芯圍帶部分118的。
[0029]由于一體鑄造型芯110的幾何形狀，如果使用了剛性型芯模具，則剛性型芯模具將需要被沿著線136分開。然而，當(dāng)如圖所示配置型芯殼特征130時，其中在較高高度132與型芯翼型部分116的表面142上的最近點138之間存在有較低高度134，所以在型芯殼特征130與剛性型芯模具中的相反特征之間的干涉將會阻止型芯圍帶部分118與剛性型芯模具之間的橫向移動。這必定將阻止沿著線136的移動。然而，柔性里襯是充分柔性的使得它可以被從圍繞著型芯殼特征130去除而不會對它們造成任何傷害。引起以該方式阻止剛性型芯模具的分離的干涉但可以用柔性里襯112形成的型