用于制造導(dǎo)向葉片的方法以及導(dǎo)向葉片的制作方法
【專利摘要】一種用于制造具有葉身(149)和葉根(145)的渦輪機(jī)葉片(130)的方法，所述方法應(yīng)當(dāng)用于實(shí)現(xiàn)渦輪機(jī)的更高的效率。對(duì)此，所述方法包括下述步驟：a)將葉身(149)和葉根(145)作為單獨(dú)的構(gòu)件制造；b)將冷卻空氣開口(151)引入到葉身(149)中；和c)在步驟b)之后將葉身(149)和葉根(145)接合。
【專利說明】用于制造導(dǎo)向葉片的方法以及導(dǎo)向葉片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于制造具有葉身和葉根的渦輪機(jī)葉片的方法。本發(fā)明還涉及這種渦輪機(jī)葉片。

【背景技術(shù)】
[0002]渦輪機(jī)是將流動(dòng)的流體(液體或氣體)的內(nèi)能(焓)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)能并且最終轉(zhuǎn)換成機(jī)械的驅(qū)動(dòng)能的流體機(jī)械。通過盡可能無渦流地層狀地環(huán)流渦輪機(jī)葉片，從流體流中抽取其內(nèi)能的一部分，這部分轉(zhuǎn)移到渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片上。隨后，經(jīng)由所述內(nèi)能將渦輪機(jī)軸置于轉(zhuǎn)動(dòng)，將可用的功率輸出到耦聯(lián)的做功機(jī)械上，例如輸出到發(fā)電機(jī)上。轉(zhuǎn)子葉片和軸是渦輪機(jī)的可運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子或旋轉(zhuǎn)體的一部分，所述轉(zhuǎn)子或旋轉(zhuǎn)體設(shè)置在殼體之內(nèi)。
[0003]通常，多個(gè)葉片安裝在軸上。在一個(gè)平面中安裝的轉(zhuǎn)子葉片分別形成葉輪或轉(zhuǎn)動(dòng)輪。葉片輕微彎曲地成型，類似于機(jī)翼。在每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輪上游通常存在導(dǎo)向輪。所述導(dǎo)向輪從殼體伸入到流動(dòng)的介質(zhì)中并且將所述介質(zhì)置于渦旋。在導(dǎo)向輪中產(chǎn)生的渦旋(動(dòng)能)在隨后的轉(zhuǎn)動(dòng)輪中用于將其上安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)輪葉片的軸置于旋轉(zhuǎn)。
[0004]導(dǎo)向輪和轉(zhuǎn)動(dòng)輪共同表示成級(jí)。通常，依次接入多個(gè)這種級(jí)。因?yàn)閷?dǎo)向輪靜止，所以其導(dǎo)向葉片能夠固定在殼體內(nèi)部和殼體外部上，從而為轉(zhuǎn)動(dòng)輪的軸提供支承件。
[0005]渦輪機(jī)的導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子葉片除了具有以空氣動(dòng)力學(xué)的方式作用的本來的葉身之外通常具有葉根，所述葉根也稱作為平臺(tái)，所述葉根相對(duì)于葉身擴(kuò)寬并且具有固定設(shè)備以用于將相應(yīng)的葉片例如固定在轉(zhuǎn)子上或固定在殼體上。葉根和葉身通常在制造過程中一件式地共同澆鑄并且隨后被金屬涂覆。
[0006]為了冷卻渦輪機(jī)的、尤其是燃?xì)廨啓C(jī)的加載熱氣的構(gòu)件，此外使用薄膜冷卻。這也適用于渦輪機(jī)葉片。在此，通過柱形的或擴(kuò)散器類型的冷卻空氣開口，冷卻介質(zhì)一一典型為空氣一一被引導(dǎo)到要冷卻的表面上，以便形成進(jìn)行保護(hù)的冷卻薄膜。通過冷卻空氣開口相對(duì)于表面根據(jù)局部的流動(dòng)關(guān)系沿著流線傾斜，得到最優(yōu)的冷卻效率。
[0007]在制造過程中，冷卻空氣孔通常通過激光或腐蝕法引入。在渦輪機(jī)導(dǎo)向葉片中，在葉身到平臺(tái)的過渡的區(qū)域中，由于在那里出現(xiàn)的凹狀的棱邊，激光或腐蝕工具的接近在很大程度上受到限制。在葉身的壓力側(cè)和平臺(tái)之間具有小于90。的角度的三維成形的葉身以及通過二次流動(dòng)效應(yīng)影響的流線使引入最優(yōu)定向的冷卻空氣孔變得不可能。
[0008]因?yàn)橐胱顑?yōu)定向的孔在冷卻效率最大的情況下迄今是不可能的，變差的冷卻效果必須通過增多數(shù)量的并非最優(yōu)的孔來補(bǔ)償。由此，冷卻空氣消耗增多并且葉片組的空氣動(dòng)力學(xué)的效率減小。這二者都引起渦輪機(jī)效率變差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]因此，本發(fā)明的目的是，闡明一種用于制造渦輪機(jī)葉片的方法以及一種渦輪機(jī)葉片，借助其能夠?qū)崿F(xiàn)渦輪機(jī)的更高的效率。
[0010]關(guān)于方法，所述目的根據(jù)本發(fā)明通過下述方法來實(shí)現(xiàn)，所述方法包括下述步驟:
[0011]3)將葉身和葉根作為單獨(dú)的構(gòu)件制造，
[0012]幻將至少一個(gè)冷卻空氣開口引入到葉身或葉根中或者
[0013]引入至少兩個(gè)開口，其中各至少一個(gè)開口設(shè)置在葉根和葉身中，以及
[0014]0在步驟幻之后將葉身和葉根接合。
[0015]在此，本發(fā)明基于下述考慮:通過下述方式改進(jìn)渦輪機(jī)的效率，即，能夠?qū)⒗鋮s空氣孔剛好在從葉身到平臺(tái)的過渡區(qū)域中關(guān)于環(huán)流的介質(zhì)的流線最優(yōu)地引入。然而，這僅在用于引入開口的相應(yīng)的工具具有足夠的運(yùn)動(dòng)自由度的情況下是可能的。這能夠在將平臺(tái)或葉根和葉身作為分開的構(gòu)件制造并且在引入開口時(shí)才進(jìn)行接合的情況下實(shí)現(xiàn)。因此，能夠分別以任意的流線最優(yōu)的布置將開口在沒有被葉根阻礙的情況下引入到葉身中或者將開口在沒有被葉身阻礙的情況下引入到葉根中。
[0016]在有利的設(shè)計(jì)方案中，制造葉根和/或葉身通過澆鑄進(jìn)行。由此，以具有小的錯(cuò)誤公差的精確的形狀確保構(gòu)件的制造。
[0017]引入冷卻空氣開口有利地通過激光和/或借助于電火花腐蝕進(jìn)行。由此，能夠尤其簡(jiǎn)單地控制開口的軸線還有其形狀。
[0018]在有利的設(shè)計(jì)方案中，冷卻空氣開口的軸線在葉身的外側(cè)上指向葉根或者冷卻空氣開口的軸線在葉根的外側(cè)上指向葉身。這種開口剛好在葉身和平臺(tái)之間的凹狀的棱邊的區(qū)域中是必需的，以便確保冷卻空氣流沿著熱氣流線的最優(yōu)的定向。所述開口同時(shí)借助所述方法尤其簡(jiǎn)單地制造，因?yàn)橐牍ぞ卟槐蝗~根阻礙并且所述引入工具可自由運(yùn)動(dòng)。
[0019]在其他的有利的設(shè)計(jì)方案中，該方法包括附加的步驟:
[0020](1)用覆層對(duì)葉根和葉身的區(qū)域涂覆。
[0021]由此在將葉根和葉身接合之后能夠施加閉合的覆層，所述覆層提高構(gòu)件的熱學(xué)的和/或機(jī)械的耐抗性。
[0022]在此，可能有問題的是，在所述方法中，在引入冷卻開口之后才進(jìn)行涂覆。在此，能夠出現(xiàn)冷卻空氣開口的局部堵塞。如果冷卻空氣孔的軸線與涂覆方向相反地定向，那么使所述風(fēng)險(xiǎn)最小化。有利地，然而，冷卻空氣開口錐形地構(gòu)造。由此，孔之內(nèi)的金屬層不會(huì)影響冷卻空氣穿流。尤其在借助于激光引入時(shí)，柱形的設(shè)計(jì)方案在沒有較大的耗費(fèi)的情況下是可能的。
[0023]在方法的替選的或附加的設(shè)計(jì)方案中，所述方法包括附加的步驟:
[0024]6)將冷卻空氣開口上的覆層通過激光和/或借助于電火花腐蝕移除。
[0025]因?yàn)樵诖瞬辉龠M(jìn)行深的鉆孔、而是僅進(jìn)行表面移除，所以不需要工具的大的可運(yùn)動(dòng)性，使得也能夠在構(gòu)件的組合和覆層之后進(jìn)行移除。對(duì)此，僅需要了解開口的準(zhǔn)確位置。
[0026]渦輪機(jī)葉片有利地借助所述方法制造。
[0027]關(guān)于渦輪機(jī)葉片，所述目的通過下述方式解決:渦輪機(jī)葉片包括葉身和葉根，其中葉身具有冷卻空氣開口，所述冷卻空氣開口的軸線在葉身的外側(cè)上指向葉根。
[0028]渦輪機(jī)有利地包括這種渦輪機(jī)葉片。
[0029]借助本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)尤其在于，通過在澆鑄之后在單獨(dú)的葉身上引入冷卻空氣開口，實(shí)現(xiàn)關(guān)于開口的軸線的定向的尤其高的靈活性，使得冷卻孔能夠沿著熱氣的流線最優(yōu)地定向，冷卻效率進(jìn)而還有渦輪機(jī)的效率提高。通過所述方法，也能夠有效地冷卻最復(fù)雜的30幾何形狀。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]根據(jù)附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明。在附圖中示出:
[0031]圖1示出燃?xì)廨啓C(jī)的部分縱剖圖，
[0032]圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的導(dǎo)向葉片的俯視圖，
[0033]圖3示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的導(dǎo)向葉片的剖視圖，
[0034]圖4示出具有在將葉身和葉根組合之前引入的冷卻孔口的導(dǎo)向葉片的俯視圖，以及
[0035]圖5示出具有在將葉身和葉根組合之前引入的冷卻孔口的導(dǎo)向葉片的剖視圖。
[0036]相同的部件在所有附圖中設(shè)有相同的附圖標(biāo)記。

【具體實(shí)施方式】
[0037]圖1示出渦輪機(jī)100、在此為燃?xì)廨啓C(jī)的部分縱剖圖。燃?xì)廨啓C(jī)100在內(nèi)部中具有圍繞旋轉(zhuǎn)軸線102(軸向方向)轉(zhuǎn)動(dòng)安裝的轉(zhuǎn)子103，所述轉(zhuǎn)子也稱作為渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)體。沿著轉(zhuǎn)子103依次為抽吸殼體104、壓縮機(jī)105、環(huán)面狀的燃燒室110、尤其是具有多個(gè)同軸設(shè)置的燃燒器107的環(huán)形燃燒室106、渦輪機(jī)108和排氣殼體109。
[0038]環(huán)形燃燒室106與環(huán)形的熱氣體通道111連通。在那里，例如四個(gè)依次接入的渦輪級(jí)112形成渦輪機(jī)108。每個(gè)渦輪級(jí)112由兩個(gè)葉片環(huán)形成。沿工質(zhì)113的流動(dòng)方向觀察，在熱氣體通道111中跟隨導(dǎo)向葉片組115的是由轉(zhuǎn)子葉片120形成的排125。
[0039]導(dǎo)向葉片130在此固定在定子143上，然而排125的轉(zhuǎn)子葉片120借助于渦輪機(jī)盤133安置在轉(zhuǎn)子103上。因此，轉(zhuǎn)子葉片120形成轉(zhuǎn)子的或旋轉(zhuǎn)體103的組成部分。在轉(zhuǎn)子103上耦聯(lián)有發(fā)電機(jī)或做功機(jī)械(沒有示出)。
[0040]在燃?xì)廨啓C(jī)100運(yùn)行期間，由壓縮機(jī)105通過抽吸殼體104抽吸空氣135并且將其壓縮。在壓縮機(jī)105的渦輪機(jī)側(cè)的端部上提供的經(jīng)過壓縮的空氣被引向燃燒器107并且在那里與燃燒劑混合。隨后，混合物在形成工質(zhì)113的條件下在燃燒室110中燃燒。從那里開始，工質(zhì)113沿著熱氣體通道111流過導(dǎo)向葉片130和轉(zhuǎn)子葉片120。工質(zhì)113在轉(zhuǎn)子葉片120上以傳遞動(dòng)量的方式膨脹，使得轉(zhuǎn)子葉片120驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子103進(jìn)而所述轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)耦聯(lián)在其上的做功機(jī)械。
[0041]暴露于熱的工質(zhì)113的構(gòu)件在燃?xì)廨啓C(jī)100運(yùn)行期間經(jīng)受熱負(fù)荷。沿工質(zhì)113的流動(dòng)方向觀察第一渦輪級(jí)112的導(dǎo)向葉片130和轉(zhuǎn)子葉片120在對(duì)環(huán)形燃燒室106加襯的隔熱元件附近受到最大熱負(fù)荷。為了承受住那里存在的溫度，將其借助于冷卻介質(zhì)冷卻。同樣地，葉片120、130能夠具有抗腐蝕的覆層(此“]^ = ？6、(?、附、稀土元素)和抗熱的覆層(隔熱層，例如。
[0042]在圖2中示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的導(dǎo)向葉片130的俯視圖，并且在圖3中示出其部分剖視圖。參考圖1，導(dǎo)向葉片130具有朝向渦輪機(jī)108的內(nèi)殼體138的導(dǎo)向葉片葉根145和與導(dǎo)向葉片葉根145相對(duì)置的導(dǎo)向葉片頂部147。導(dǎo)向葉片頂部朝向轉(zhuǎn)子103并且固定在定子143的固定環(huán)140上。導(dǎo)向葉片130空心地構(gòu)造。在內(nèi)部空間131中，典型為空氣的冷卻介質(zhì)循環(huán)。
[0043]導(dǎo)向葉片130尤其在位于導(dǎo)向葉片葉根145和導(dǎo)向葉片頂部147之間的導(dǎo)向葉片葉身149上具有多個(gè)冷卻空氣開口 151。冷卻空氣開口 151在現(xiàn)有技術(shù)中被引入到一件式澆鑄的導(dǎo)向葉片130中。然而在此，尤其在導(dǎo)向葉片葉根145和導(dǎo)向葉片葉身149之間的過渡的區(qū)域中，即在形成凹狀的棱邊153的位置，用于引入冷卻空氣開口 151的工具的靈活性受到限制。因此，迄今僅能夠引入其軸線155不朝向?qū)蛉~片葉根145定向的冷卻空氣開口 151。在圖2和3中，箭頭示出冷卻空氣1(和熱氣!I的流動(dòng)方向。如圖3清楚地示出的那樣，流動(dòng)方向部分地反向定向，使得不確保最優(yōu)的冷卻并且冷卻空氣消耗增多。
[0044]在此，在圖4和5中類似于圖2或3示出的轉(zhuǎn)子葉片130提供明顯的改進(jìn)。在此，冷卻空氣開口 151的軸線155在棱邊153的區(qū)域中朝向?qū)蛉~片葉根145定向。由此，冷卻空氣X的流沿著熱氣II的流線定向并且實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)100的明顯更好的效率。
[0045]冷卻空氣開口 151的所述布置能夠通過在下文中闡述的制造方法來實(shí)現(xiàn)。首先，將導(dǎo)向葉片葉身149和導(dǎo)向葉片葉根145分開地鑄造。隨后，將在棱邊153的區(qū)域中的重要的冷卻空氣開口 151借助于激光或電火花腐蝕引入。在此，工具是可自由運(yùn)動(dòng)的。隨后，將葉根145和葉身149在圖5中示出的接縫157上連接，例如焊接。
[0046]隨后，例如用金屬層對(duì)導(dǎo)向葉片130進(jìn)行涂覆。在此，冷卻空氣開口 151能夠由覆層材料阻塞。為了在此不會(huì)出現(xiàn)對(duì)冷卻空氣流的損害，冷卻空氣開口 151錐形地構(gòu)造。替選地或附加地，隨后能夠借助于激光或電火花腐蝕將冷卻空氣開口 151上的覆層再次移除。同時(shí)，能夠引入其他的關(guān)于可達(dá)到性不重要的冷卻空氣開口。
[0047]這樣制成的導(dǎo)向葉片130基于改進(jìn)的冷卻效果來提高燃?xì)廨啓C(jī)100的效率。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制造渦輪機(jī)葉片(130)的方法，所述渦輪機(jī)葉片具有葉身(149)和葉根(145)，所述方法具有下述步驟: a)將葉身(149)和葉根(145)作為單獨(dú)的構(gòu)件制造， b)將至少一個(gè)冷卻空氣開口(151)引入到所述葉身(149)和/或所述葉根(145)中，和 c)在步驟b)之后將葉身(149)和葉根(145)接合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其中根據(jù)步驟a)通過澆鑄來制造單獨(dú)的構(gòu)件(145，149)。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法， 其中根據(jù)步驟b)通過激光和/或借助于電火花腐蝕來引入至少一個(gè)所述冷卻空氣開□O
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法， 其中所述冷卻空氣開口(151)的軸線(155)在所述葉身(149)的外側(cè)上朝向所述葉根(145)或相反地定向。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法具有下述附加的步驟: d)用覆層對(duì)葉根(145)和葉身(149)的區(qū)域進(jìn)行涂覆。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法， 其中所述冷卻空氣開口(151)錐形地構(gòu)造。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，所述方法具有下述附加的步驟: e)通過激光和/或借助于電火花腐蝕將所述冷卻空氣開口(151)上的覆層移除。
8.一種渦輪機(jī)葉片(130)， 所述渦輪機(jī)葉片借助根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法制造。
9.一種具有葉身(149)和葉根(145)的渦輪機(jī)葉片(130)，其中所述葉身(149)具有冷卻開口(151)，所述冷卻開口的軸線(155)在所述葉身(149)的外側(cè)上朝向所述葉根(145)定向。
10.一種具有根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的渦輪機(jī)葉片(130)的渦輪機(jī)(100)。
【文檔編號(hào)】F01D9/02GK104487657SQ201380039681
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2013年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月25日
【發(fā)明者】邁克爾·漢德勒 申請(qǐng)人:西門子公司