用于制造燃氣輪機部件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及制造燃氣輪機部件(37)的方法，該部件包括：外環(huán)結構(42、47)、內環(huán)結構(41)以及在其間延伸的多個周向間隔的元件(46、46a、46b)，其中，在元件(46、46a、46b)之間限定用于軸向氣流的主燃氣通道，并且其中，部件(37)具有供燃氣進入的入口側和供燃氣流出的出口側。本發(fā)明的特征在于，方法包括機加工單件金屬坯料以形成單件式零件(47)的步驟，單件式零件(47)包括：每一個元件(46)的部分(46b)，其中，部分(46b)涉及在環(huán)結構(41、42)之間的元件(46)的延伸長度的一部分；以及環(huán)形構件(42)，其連接元件部分(46b)并且旨在形成環(huán)結構中的一個的部分。本發(fā)明還涉及包括根據(jù)上述方法制造的部件(37)的燃氣輪機(1)。
【專利說明】用于制造燃氣輪機部件的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制造燃氣輪機部件的方法。具體地，本發(fā)明涉及一種涉及組裝預制造的零件的方法。本發(fā)明還涉及一種包括這樣的部件的燃氣輪機。

【背景技術】
[0002]軸向燃氣輪機，比如飛機“噴氣式發(fā)動機”，通常包括空氣入口、壓縮器部分、燃料燃燒室、渦輪部分、連接相應的壓縮機和渦輪的一個或多個可旋轉的驅動軸、排氣出口和用于支撐驅動軸并用于將發(fā)動機安裝到例如飛機的結構。
[0003]通常，支撐結構是包括內殼體或環(huán)和外殼體或環(huán)的靜態(tài)零件，內殼體或環(huán)用于連接到軸承和居中地定位的驅動軸，外殼體或環(huán)用于連接到例如發(fā)動機外罩，并且周向地分布的支柱在內殼體/環(huán)和外殼體/環(huán)之間延伸并連接內殼體/環(huán)和外殼體/環(huán)。支撐結構設計成能夠在驅動軸和發(fā)動機外罩之間傳遞負載。通過發(fā)動機的軸向氣流被允許在通常被空氣動力學地設計的支柱之間流動。此處論述類型的支撐結構受到相當極端的平衡負載和熱致負載。
[0004]傳統(tǒng)上，支撐結構已經(jīng)被制造成一個大的鑄造部件。為了降低成本，最近幾年通過組裝預制零件，諸如較小的鑄造的、鍛造的和板金屬零件來制造支撐結構變得更常見。典型地，零件被焊接到一起。這種技術涉及到的問題是在焊接過程中熱被引入到部件中。該熱導致最終產品變形和各個零件的幾何形狀不準確。結果是，必須花費時間進行測量和手動調節(jié)。因此，組裝預制零件通常很難以有效方法自動化。
[0005]需要一種是成本有效的且允許有效的自動化的制造上述類型的支撐結構的方法。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種制造燃氣輪機部件的方法，其涉及組裝預制零件，但是仍舊是有成本效益的且適合于自動化。該目的通過由獨立權利要求1中包含的技術特征限定的方法來實現(xiàn)。從屬權利要求包含本發(fā)明的有利實施例、另外的發(fā)展以及變型。
[0007]本發(fā)明涉及一種制造燃氣輪機部件的方法，所述燃氣輪機部件包括:外環(huán)結構、內環(huán)結構以及在所述內環(huán)結構和所述外環(huán)結構之間延伸的多個周向間隔的元件，其中，在所述元件之間限定用于軸向氣流的主燃氣通道，并且其中，所述部件具有供燃氣進入的入口側和供燃氣流出的出口側。
[0008]本發(fā)明的特征在于，所述方法包括機加工單件金屬坯料以形成單件式零件的步驟，所述單件式零件包括:所述元件中的每一個元件的一部分，其中所述部分涉及在所述環(huán)結構之間的所述元件的延伸長度的一部分；以及環(huán)形構件，所述環(huán)形構件連接所述元件部分，并且所述環(huán)形構件旨在形成所述環(huán)結構中的一個的部分。
[0009]通過選擇金屬坯料的合適材料和形狀，能夠使上述類型的單件式零件的機加工比這種零件的鑄造更成本有效。此外，機加工，優(yōu)選地銑削，提供達到足夠低的公差。此外，因為單件式零件含有元件(支柱)中的每一個元件的長度的一部分，所以不需要將支柱的任何端部連接在/至外環(huán)結構或內環(huán)結構。這是有利的，因為支柱和環(huán)構件之間的焊接的T接頭具有導致裂紋形成和部件的有限耐用性的趨勢。代替地，可以使用對接接頭來在沿著每一個葉片的長度的某些點處連接相應的支柱部分，例如，在外環(huán)結構和內環(huán)結構之間的中間的點處。這些相應的支柱部分優(yōu)選地提供支柱的其余部分且優(yōu)選地附接到或能夠附接到相應的環(huán)構件，使得能夠在兩個環(huán)結構上避免支柱的焊接的T接頭。因為支柱部分的對接接頭基本上在氣流方向上延伸，所以不需要在焊接該接頭后進行機加工。
[0010]在本發(fā)明的有利實施例中，環(huán)形構件旨在形成外環(huán)結構的部分，其中，元件部分從環(huán)形構件的內側向內延伸。與傳統(tǒng)的組裝技術一致，這種部件能夠通過將多個元件部分與相應數(shù)量的彎曲板焊接在一起來制造，彎曲板將元件部分隔開。然而，這需要很多焊接接頭，且可引起前述問題的相當大的熱量在組裝期間被引入到材料中。通過代替地從單件金屬坯料機加工成該零件，焊接可被省掉，且可以實現(xiàn)零件的精確測量。此外，避免了鑄造成本。
[0011 ] 在本發(fā)明的有利實施例中，單件式零件包括從環(huán)形構件的外側徑向向外延伸的多個元件延伸部，其中每一個元件延伸部均被布置在與相應的元件部分的位置相對的位置，使得負載能夠大致筆直徑向地通過環(huán)形構件在元件部分和相應的元件延伸部之間傳遞。以這種方式，來自/至最終部件中的元件(支柱)的主要負載能夠經(jīng)由從環(huán)形構件徑向向外定位的另外的零件傳遞，該另外的零件優(yōu)選地特別為該目的而設計。因此，連接支柱部分的環(huán)形構件不必支承任何實質的負載，并且因而能夠被設計成僅用于連接支柱和導向氣流。這使得能夠使環(huán)形構件非常薄。
[0012]在本發(fā)明的有利實施例中，單件金屬坯料是鍛造環(huán)。這提供有效的方法。優(yōu)選地，材料是馬氏體析出硬化不銹鋼。
[0013]在本發(fā)明的有利實施例中，所述方法包括以下步驟:生產外環(huán)結構和內環(huán)結構以形成單獨的結構；和經(jīng)由元件將內環(huán)結構和外環(huán)結構結合在一起。優(yōu)選地，所述方法包括將所述元件部分焊接到相應的其余的元件部分以連接到其它環(huán)結構的步驟。
[0014]在本發(fā)明的有利實施例中，所述相應的其余的元件部分形成另一環(huán)形構件的一部分。以這種方式，僅需要一個焊接部來經(jīng)由元件連接兩個環(huán)形構件。
[0015]本發(fā)明還涉及一種包括根據(jù)前述方法制造的部件的燃氣輪機。在本發(fā)明的另外實施例中，該燃氣輪機被布置成用于推進飛機。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]在下面給出的本發(fā)明的描述中，參考了附圖，其中:
[0017]圖1以示意性總視圖示出設有根據(jù)本發(fā)明的方法制造的燃氣輪機部件的軸流式飛機燃氣輪機；
[0018]圖2以透視圖示出根據(jù)本發(fā)明的方法制造的創(chuàng)造性燃氣輪機部件的實施例；
[0019]圖3示出根據(jù)圖2的部件的局部剖視圖；并且
[0020]圖4以分解透視圖示出根據(jù)圖2的部件。

【具體實施方式】
[0021]圖1以示意性總視圖示出設有根據(jù)本發(fā)明的部件的支撐結構37的軸向流飛機燃氣輪機I。圖1還示出另外的支撐結構27。通常，圖1中示出的燃氣輪機I是常規(guī)構造，并以軸向流順序包括空氣進氣口 3、低壓壓縮機4、高壓壓縮機5、燃燒設備6、高壓渦輪7、低壓渦輪8和排氣出口 9。在操作期間，高壓壓縮機5由高壓渦輪7經(jīng)由第一中空軸，即高壓(HP)渦輪軸(未示出)驅動。類似地，低壓壓縮機4由低壓渦輪8經(jīng)由第二中空軸，即低壓(LP)渦輪軸(未示出)驅動，低壓(LP)渦輪軸同軸地布置在第一渦輪軸10內。同軸布置的第三軸(未示出)連接到風扇12，該風扇12迫使空氣進入并圍繞燃氣輪機外罩。還示出了公共軸線2。
[0022]燃氣輪機I通常以常規(guī)方式操作，據(jù)此通過空氣進氣口 3吸入的空氣初始地被風扇12壓縮，并隨后在進入高壓壓縮機5內之前被低壓壓縮機4壓縮，空氣在高壓壓縮機5中被進一步壓縮。被壓縮的空氣然后流動到燃燒設備6中，在燃燒設備6中壓縮的空氣與燃料混合，并且混合物燃燒。所生成的熱燃燒產物然后在通過排氣出口 9排放到大氣之前通過高壓渦輪和低壓渦輪7、8膨脹。
[0023]發(fā)動機I還包括后支撐結構27和前支撐結構37，用于支撐驅動軸和用于將發(fā)動機安裝到飛機。前支撐結構布置在低壓壓縮機4和高壓壓縮機5之間，并形成通常被稱為的壓縮器中介機匣，ICC。后支撐結構27通常被稱為渦輪后框架(TRF)、渦輪排氣機匣或尾部軸承外殼。
[0024]通常，噴氣式發(fā)動機中的支撐結構借助于滾柱軸承支撐一個或多個軸。負載通過內支撐結構(支撐錐體)傳遞到借助于徑向“輻條”連接到外結構(護罩)的內轂。為了降低空氣動力學阻力或導引氣流，這些“輻條”通常覆蓋有翼型結構或與該結構制成一體。一體式機翼或葉片常常表示為“支柱”。支柱能夠支撐空氣動力學負載以及結構和熱致負載的組合。大部分現(xiàn)代的噴氣式發(fā)動機在環(huán)-支柱-環(huán)部件，諸如前支撐結構37中利用這種支柱。
[0025]圖2示出了組裝狀態(tài)下的部件37，圖3示出了組裝的部件37的局部剖視圖，并且圖4示出了部件37的分解圖。圖4因此示出了當結合在一起時形成部件37的預制零件。
[0026]如圖2-4中示出的，根據(jù)本發(fā)明的方法制造的燃氣輪機部件37的實施例包括:轂41形式的內環(huán)結構；和基本上由包括環(huán)形構件42的環(huán)狀單件式零件47 (葉片環(huán))形成的外環(huán)結構。轂41在其內側包括環(huán)狀支撐結構41a，用于連接到軸軸承座。外環(huán)結構旨在連接到發(fā)動機箱的支撐零件。該示例性部件還包括前殼體43、前凸緣44和后殼體45。內環(huán)結構和外環(huán)結構繞公共軸線2同心布置。
[0027]多個支柱46形式的周向隔開的元件(如下面進一步描述，由部分46a和46b形成)在轂41和環(huán)形元件42之間徑向延伸，其中在支柱46之間(以及在內環(huán)結構和外環(huán)結構之間)限定軸向氣流的主燃氣通道。因此，支柱46牢固地連接到轂41和環(huán)形構件42中的每一個。支柱46在部件的徑向方向上延伸。圖中的部件37的左側形成供燃氣進入的入口側，而右側形成供燃氣流出的出口側。
[0028]在該示例中，轂41被鑄造而成，而包括環(huán)形構件42的零件47從單件金屬坯料機加工而成，如下面進一步描述。前殼體43、前凸緣44和后殼體45通過已知方式產生。所有這些主要零件被焊接在一起以形成部件37。
[0029]本發(fā)明的方法包括以下步驟:機加工單件金屬坯料以形成單件式零件47，該單件式零件47包括所述支柱46中的每一個支柱的一部分46b。該部分46b涉及支柱46的在環(huán)結構之間的延伸長度的一部分，即，部分46b涉及支柱46的徑向長度(以及燃氣通道限定長度)的一部分。機加工的單件零件47還包括環(huán)形構件42，該環(huán)形構件42連接支柱部分46b并形成環(huán)結構中的一個，在該情形中，外環(huán)結構的一部分。因為在該情形中環(huán)形構件42旨在形成外環(huán)結構的一部分，所以支柱部分46b從環(huán)形構件42的內側向內延伸。
[0030]轂41包括相應的其余元件/支柱部分46a，用于通過焊接到形成單件式環(huán)形構件42的一部分的部分46b來連接到另一環(huán)結構。在此處描述的實施例中，待結合到一起的兩個支柱部分46a、46b具有相同的徑向長度，即，連接該兩個部分的焊接部徑向地定位在轂41的外周向側和環(huán)形構件42的內側之間的燃氣通道的中間。將焊接部定位在燃氣通道的中間具有的優(yōu)點是其提供用于進行焊接的更多空間，并且應力、張力等在該位置比靠近環(huán)結構處小。
[0031]單件式零件47還包括從環(huán)形構件42的外側徑向地向外延伸的多個支柱延伸部46c。這些延伸部46c中的每一個均布置在與對應的支柱部分46b的位置相對的位置處，使得負載能夠大致筆直徑向地通過環(huán)形構件42在支柱部分46b和相應的支柱延伸部46c之間傳遞。
[0032]板構件48布置在支柱延伸部46c的外端處，用于將部件37緊固到外支撐件。板構件48配合到前殼體43中的切口內。
[0033]用于機加工單件式零件47的單件坯料為由高強度不銹鋼制成的鍛造環(huán)。合適材料的示例是馬氏體析出硬化的不銹鋼，比如17-4PH和Custom465。該工件優(yōu)選地在機加工之后通過例如熱處理進行硬化。本領域技術人員知道什么樣的材料是合適的并且如何處理/硬化這些材料的原理。
[0034]這些材料的機加工，諸如銑削對技術人員也是已知的?？梢蕴岬降氖?，典型地，鍛造環(huán)坯料的重量是300kg，而單件式零件47的重量是12kg。
[0035]因為本發(fā)明的方法適于自動化，且因為能夠利用較便宜的材料(并且因為移除的材料可被熔化并再利用)，所以根據(jù)本發(fā)明的方法制造的部件比常規(guī)的鑄造部件成本更低。
[0036]本發(fā)明方法包括以下步驟:制造外環(huán)結構和內環(huán)結構以形成單獨的結構；和經(jīng)由元件/支柱46將內環(huán)結構和外環(huán)結構結合在一起。因此，該方法是其中不同的預制零件被結合在一起以形成最終部件的所謂制造方法。在該實施例中，該方法還包括將外支柱部分46b焊接到相應的其余的內支柱部分46a以連接兩個環(huán)結構的具體步驟。
[0037]在該特定示例中，內環(huán)結構和外環(huán)結構之間的氣流通道的徑向高度，即，轂41和環(huán)形構件42之間的距離，是僅45mm。這意味著沒有非常多的空間用于焊接，但是通過使用相等徑向長度的支柱部分46a、46b并由此將焊接部放置在燃氣通道的中間，仍存在進行焊接的空間。因為支柱部分46a、46b已經(jīng)形成環(huán)結構的一部分，所以每一個支柱46僅需要一個焊接部。
[0038]本發(fā)明不受上面描述的實施例限制，而是可在權利要求的范圍內以各種方式修改。例如，作為替代或補充，由單件金屬坯料機加工而成的單件式零件可形成內環(huán)結構的一部分。因而，代替地或者作為對如上面描述的外機加工環(huán)形構件42的補充，轂零件41可以形成具有支柱部分的機加工環(huán)形構件。
[0039]此外，部件37可以包括除了根據(jù)本發(fā)明方的法結合在一起的那些支柱之外的另外的支柱。此外，內環(huán)結構和外環(huán)結構可以包括另外的部件。
[0040]而且，不必使用徑向長度完全相等的支柱部分46a、46b并由此將焊接部準確地放置在燃氣通道的中間。優(yōu)選地，每一個支柱部分46a、46b貢獻至少徑向長度的30-40%,使得結合的焊接部變得至少較靠近燃氣通道的中間放置。因此，元件部分46b優(yōu)選地貢獻所述環(huán)結構41、42之間的元件46的延伸長度的至少30-40%且至多60-70%。
[0041]此外，本發(fā)明不限于上面示例的ICC37。其也適用于燃氣輪機中的其它支撐結構，比如前框架(入口框架或風扇輪轂框架)、中間機匣(MC)、渦輪中間結構(TMF、TMS)或渦輪后框架(TFR)。然而，發(fā)動機的渦輪部件的溫度可能太高而不能使用容易機加工的材料。
[0042]此外，本發(fā)明適用于靜止的燃氣渦輪(發(fā)電機)以及飛行噴射發(fā)動機。
【權利要求】
1.一種用于制造燃氣輪機部件(37)的方法，所述燃氣輪機部件(37)包括: -外環(huán)結構(42,47), -內環(huán)結構(41)，以及 -多個周向隔開的元件(46、46a、46b)，所述元件在所述內環(huán)結構(41)和所述外環(huán)結構(42)之間延伸， 其中，在所述元件(46、46a、46b)之間限定用于軸向燃氣流的主燃氣通道，并且其中，所述部件(37)具有用于燃氣進入的入口側和用于燃氣流出的出口側， 其特征在于， 所述方法包括以下步驟:對單件金屬坯料進行機加工以形成單件式零件(47)，所述單件式零件(47)包括: -所述元件(46)中的每一個元件的部分(46b),其中，所述部分(46b)涉及所述元件(46)的在所述環(huán)結構(41、42)之間的延伸長度的一部分；以及 -環(huán)形構件(42)，所述環(huán)形構件(42)連接所述元件部分(46b)，并且所述環(huán)形構件(42)旨在形成所述環(huán)結構中的一個環(huán)結構的一部分。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于， 所述環(huán)形構件(42)旨在形成所述外環(huán)結構的一部分，其中，所述元件部分(46b)從所述環(huán)形構件(42)的內側向內延伸。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于， 所述單件式零件(47)包括多個元件延伸部(46c),所述元件延伸部從所述環(huán)形構件(42)的外側徑向向外延伸，其中，每一個兀件延伸部(46c)均被布置在與相應的兀件部分(46b)的位置相對的位置，使得負載能夠大致筆直徑向地通過所述環(huán)形構件(42)在所述元件部分(46b)和相應的元件延伸部(46c)之間傳遞。
4.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于， 所述單件金屬坯料是鍛造環(huán)。
5.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于， 所述方法還包括以下步驟:生產所述外環(huán)結構和所述內環(huán)結構以形成單獨的結構；和經(jīng)由所述元件(46)將所述內環(huán)結構和所述外環(huán)結構(41、42)結合在一起。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于， 所述方法包括以下步驟:將所述元件部分(46b)焊接到相應的其余的元件部分(46a)以連接到其它環(huán)結構。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于， 所述相應的其余的元件部分(46a)形成另一個環(huán)形構件(41)的一部分。
8.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于， 所述元件部分(46b)貢獻所述元件(46)的在所述環(huán)結構(41、42)之間的延伸長度的至少30-40%且至多60-70%。
9.一種燃氣輪機(I)，其特征在于， 所述燃氣輪機(I)包括根據(jù)前述權利要求中的任一項制造的部件(37)。
10.根據(jù)權利要求9所述的燃氣輪機(I)，其特征在于， 所述燃氣輪機(I)被布置成用于推進飛機。
11.一種用于制造燃氣輪機部件的方法，所述燃氣輪機部件包括:外環(huán)結構、內環(huán)結構，以及多個周向隔開的元件，所述元件在所述內環(huán)結構和所述外環(huán)結構之間延伸，其中，在所述元件之間限定用于軸向燃氣流的主燃氣通道，并且其中，所述部件具有用于燃氣進入的入口側和用于燃氣流出的出口側，其中，所述方法包括以下步驟:對單件金屬坯料進行機加工以形成單件式零件，所述單件式零件包括:所述元件中的每一個元件的部分，其中，所述部分涉及所述元件的在所述環(huán)結構之間的延伸長度的一部分；以及環(huán)形構件，所述環(huán)形構件連接所述元件部分，并且所述環(huán)形構件旨在形成所述環(huán)結構中的一個環(huán)結構的一部分。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中， 所述環(huán)形構件旨在形成所述外環(huán)結構的一部分，其中，所述元件部分從所述環(huán)形構件的內側向內延伸。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中， 所述單件式零件包括多個元件延伸部，所述元件延伸部從所述環(huán)形構件的外側徑向向外延伸，其中，每一個元件延伸部均被布置在與相應的元件部分的位置相對的位置，使得負載能夠大致筆直徑向地通過所述環(huán)形構件在所述元件部分和相應的元件延伸部之間傳遞。
14.根據(jù)權利要求11-13中的任一項所述的方法，其中， 所述單件金屬坯料是鍛造環(huán)。
15.根據(jù)權利要求 11-14中的任一項所述的方法，其中， 所述方法還包括以下步驟:生產所述外環(huán)結構和所述內環(huán)結構以形成單獨的結構；和經(jīng)由所述元件將所述內環(huán)結構和所述外環(huán)結構結合在一起。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中， 所述方法包括以下步驟:將所述元件部分焊接到相應的其余的元件部分以連接到其它環(huán)結構。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中， 所述相應的其余的元件部分形成另一個環(huán)形構件的一部分。
18.根據(jù)權利要求11-17中的任一項所述的方法，其中， 所述元件部分貢獻所述元件的在所述環(huán)結構之間的延伸長度的至少30-40%且至多60-70%。
19.一種燃氣輪機，所述燃氣輪機包括根據(jù)前述權利要求中的任一項制造的部件。
20.根據(jù)權利要求19所述的燃氣輪機，其中， 所述燃氣輪機被布置成用于推進飛機。
【文檔編號】F02C7/32GK104053859SQ201180075753
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2011年12月20日 優(yōu)先權日:2011年12月20日
【發(fā)明者】拉爾斯-奧洛夫·赫爾格倫, 奧洛夫·萊溫, 肯特·霍梅達爾 申請人:Gkn航空公司