專利名稱：耐用葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及渦輪發(fā)動機(jī)，且更具體地涉及用在軸向壓
縮系統(tǒng)中的葉片。
背景技術(shù)：
在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，運(yùn)行時在壓縮模塊內(nèi)對空氣加壓。 引導(dǎo)穿過壓縮模塊的空氣與燃燒器中的燃料混合并點(diǎn)燃，產(chǎn)生流經(jīng)渦
載如發(fā)電機(jī)供以動力，其中，渦輪級從該熱燃燒氣體中抽取能量，以 向風(fēng)扇和壓縮器轉(zhuǎn)子提供動力。壓縮系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子組件，該轉(zhuǎn)子組件包括從盤徑向向外延 伸的多個轉(zhuǎn)子葉片。更具體地，各轉(zhuǎn)子葉片具有與盤接合的#-1妄部、 形成流動通道的 一部分的平臺以及從平臺徑向地延伸至末梢的翼型 件(airfoil)。平臺可以與葉片制成一體或備選地單獨(dú)制成。在一些設(shè)計中，轉(zhuǎn)子葉片尤其是那些在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和多級壓 縮系統(tǒng)的前級中的葉片，在翼型件上具有一對周向地延伸的護(hù)罩 (shroud), —個從壓力表面伸出且一個從吸入表面伸出。護(hù)罩位于葉片 才參接部和葉片末梢之間的徑向^f立置處。在一些其它的設(shè)計中，護(hù)罩可
位于葉片翼型件的末梢處。在壓縮系統(tǒng)的正常運(yùn)行期間，葉片扭曲且 相鄰葉片上的護(hù)罩相互接觸，從而形成為葉片提供支承的護(hù)罩環(huán)。在 發(fā)動機(jī)運(yùn)行期間，護(hù)罩環(huán)抵抗葉片的振動和扭曲。用語"中跨(midspan) 護(hù)罩"在本文用來指在運(yùn)行期間相互接觸的處亍風(fēng)扇和壓縮系統(tǒng)葉片 上的所有支承件，并且包括在葉片跨距(span)上位于任何位置的所有 支承件，包括位于葉片末梢處的支承件。如文中所用，"中跨護(hù)罩"
可位于沿著葉片^,距的任何位置，不僅僅在跨距的中間點(diǎn)處。在某些異常事件中，例如鳥撞擊、其它外物撞擊或發(fā)動機(jī) 運(yùn)行時的停轉(zhuǎn)，擾亂了葉片的護(hù)罩之間的正常接觸。由于撞擊使得接 觸力變大且未對準(zhǔn)，而且使得護(hù)罩完全或部分地脫開接合。這稱作葉 片的"壓擠(shingling)"。壓擠在中跨護(hù)罩上引起顯著的磨損和撕裂損 傷。當(dāng)壓縮器轉(zhuǎn)子的速度下降時，壓擠的葉片會回彈，從而引起護(hù)罩 上的進(jìn)一步磨損和撕裂。常規(guī)葉片有時具有銅焊在中跨護(hù)罩的接觸面上的耐磨墊 (wear pad)。如圖4所示，耐磨墊51,52已經(jīng)在常規(guī)葉片24中用來解 決磨損問題。例如， 一些由鈦制成的壓縮器葉片包含銅焊在WC-Co 上的耐磨塾，以防止兩個摩擦的Ti-6A1-4V中跨護(hù)罩之間的粘著磨損。 耐磨墊慣常使用鈦銅鎳(TiCuNi)合金銅焊箔來銅焊到鈦葉片上。在高 溫銅焊時TiCuNi銅焊箔和WC-Co耐磨墊之間會發(fā)生擴(kuò)散。鈦與耐磨 墊的合金元素在銅焊接合處形成脆性化合物。結(jié)果，銅焊接合處獲得 了高硬度，失去了延展性并且會不能經(jīng)受撞擊與撕裂型破壞。已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)，TiCuNi銅焊箔在壓擠事件中對于撞擊和撕裂型破壞缺乏延展性。 如圖4、圖5和圖6所示，常規(guī)的墊/銅焊件系統(tǒng)(構(gòu)件51,52，53，54)不 能承受當(dāng)葉片從壓擠事件回彈時發(fā)生在外露的墊邊緣上的拉負(fù)荷 105,106和摩擦負(fù)荷103,104。這種類型的負(fù)荷和撞擊損傷都導(dǎo)致耐磨 墊51,52材料從中^爭護(hù)罩表面的顯著損耗，并且需要維修以恢復(fù)對葉 片的耐磨性。期望的是，有一種帶有耐磨墊的耐用葉片，該耐磨墊抵抗 撞擊和撕裂型損傷并且還抵抗這類當(dāng)壓縮系統(tǒng)葉片從壓擠回彈時的 損傷。值得期望的是取得用來^f吏葉片耐用的方式來應(yīng)用耐磨墊和銅焊 的制造方法。值得期望的是取得用來將耐用耐磨墊應(yīng)用到已在使用的 葉片上的修理方法。

發(fā)明內(nèi)容
通過帶有位于中跨護(hù)罩上的至少一個凹部以及附接在該中 跨護(hù)罩的凹部內(nèi)的耐磨墊的示范性實(shí)施例，可滿足上述需求。


在本說明書的結(jié)束吾卩分特別地指出并明確地主張被認(rèn)為是 本發(fā)明的主題。然而，參考結(jié)合附圖的下列說明可更好地理解本發(fā)明， 附圖中圖1為示范性燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)組件的截面視圖。
圖2為用在燃?xì)鉁u$侖發(fā)動機(jī)中的示范性壓縮器。
圖3為用在燃?xì)鉁u4侖發(fā)動機(jī)中的常規(guī)壓縮器葉片。
圖4為在中跨護(hù)罩上帶有常規(guī)耐磨墊的壓縮器葉片的一部 分的平面視圖。圖5為在典型運(yùn)行中相接觸的兩個相鄰常規(guī)壓縮器葉片的 中跨護(hù)罩的示意草圖。圖6為在壓擠狀態(tài)中的兩個相鄰常規(guī)壓縮器葉片的中跨護(hù) 罩的示意草圖。圖7為制造時帶有處于中跨護(hù)罩面上的凹部的示范性壓縮 器葉片的透S見圖。圖8為帶有在中跨護(hù)罩上的凹進(jìn)耐磨墊的示范性壓縮器葉 片的一部分的平面視圖。圖9為圖8所示的中跨護(hù)罩上的凹進(jìn)耐磨墊的側(cè)視圖。圖10為在壓擠狀態(tài)中帶有凹進(jìn)耐磨墊的兩個相鄰示范性壓 縮器葉片的中跨護(hù)罩的示意草圖。
部件清單
10 燃?xì)鉁u4企發(fā)動纟幾組件
11 縱向軸線
12 核心燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)
14高壓壓縮器
16燃燒器
18高壓渦輪
20低壓渦輪
21常規(guī)葉片才料妾部
22壓縮器組件
23常規(guī)葉片平臺
24常規(guī)壓縮器葉片
25壓力側(cè)上的常關(guān)見中跨護(hù)罩
26吸入側(cè)上的常規(guī)中跨護(hù)罩
28進(jìn)氣側(cè)
30排氣側(cè)
31第一轉(zhuǎn)子軸
32第二轉(zhuǎn)子軸
33轉(zhuǎn)子盤
51常規(guī)耐磨墊-PS
52常規(guī)耐磨墊-SS
53常規(guī)銅焊件-PS
54常規(guī)銅焊件-ss
55常規(guī)銅焊箔-PS
56常規(guī)銅焊箔-ss'
61常規(guī)護(hù)罩面-PS
62常規(guī)護(hù)罩面-ss
122風(fēng)扇組件
124風(fēng)扇葉片
125壓力側(cè)上的風(fēng)扇葉片中跨護(hù)罩
126吸入側(cè)上的風(fēng)扇葉片中跨護(hù)罩
133風(fēng)扇盤
224耐用葉片
225壓力側(cè)上的中3爭護(hù)罩
226吸入側(cè)上的中^爭護(hù)罩
251耐磨墊-PS
252耐磨墊-SS
255銅焊箔-PS
256銅焊箔-ss
257
258凹部-ss
261護(hù)罩面-PS
262護(hù)罩面-ss
具體實(shí)施例方式參看附圖，貫穿各個視圖，其中相同的標(biāo)號表示相同的元 件。圖1示出了具有縱向軸線11的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)組件10的截面#見 圖。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)組件10包括核心燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)12,該核心燃 氣渦輪發(fā)動機(jī)12包括高壓壓縮器14、燃燒器16和高壓渦輪18。在 圖1中示出的示范性實(shí)施例中，燃?xì)鉁u^^發(fā)動^L組件IO還包括從核 心燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)12向下游軸向聯(lián)接的低壓渦輪20以及從核心燃?xì)?渦輪發(fā)動機(jī)12向上游軸向聯(lián)接的風(fēng)扇組件122。風(fēng)扇組件122包括從 轉(zhuǎn)子盤133向外徑向延伸的一組風(fēng)扇葉片124。該風(fēng)扇葉片具有位于 翼型件的根部和末梢之間的中跨護(hù)罩125,126。中跨護(hù)罩125,126從翼 型件的壓力側(cè)和吸入側(cè)周向地延伸。圖2示出了用在渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī) 中的示范性壓縮器組件22。壓縮器組件22包括從轉(zhuǎn)子盤33向外徑向 延伸的一組壓縮器葉片24。前級壓縮器葉片，如圖2中所示的1級壓 縮器葉片24,可具有從翼型件的壓力側(cè)和吸入側(cè)周向延伸的中跨護(hù)罩 25,26。在圖1中所示的示范性實(shí)施例中，發(fā)動機(jī)10具有進(jìn)氣側(cè)28和
排氣側(cè)30。在示范性實(shí)施例中，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)組件10為可以從俄 亥俄州辛辛那提的通用電氣公司得到的渦輪風(fēng)扇燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。核 心燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)12、風(fēng)扇組件122和低壓渦輪20由第一轉(zhuǎn)子軸31 聯(lián)接在一起，而壓縮器14和高壓渦輪18由第二轉(zhuǎn)子軸32聯(lián)接在一 起。運(yùn)行中，空氣流經(jīng)風(fēng)扇組件葉片24并將壓縮空氣供給至高 壓壓縮器14。將從風(fēng)扇組件122排出的空氣引導(dǎo)至壓縮器14，在其 中進(jìn)一步地壓縮氣流并將其引導(dǎo)至燃燒器16。利用來自燃燒器16的 燃燒產(chǎn)物驅(qū)動渦輪18和渦輪20，而渦輪20經(jīng)由軸31驅(qū)動風(fēng)扇組件 122。發(fā)動機(jī)10可在設(shè)計運(yùn)行狀況和偏離設(shè)計(off-design)運(yùn)行狀況之 間的運(yùn)行狀況范圍內(nèi)運(yùn)行。圖3示出了 1級壓縮器葉片24,其具有翼型件、#-換部21、 平臺23、吸入側(cè)上的中跨護(hù)罩25和壓力側(cè)上的中跨護(hù)罩26。在風(fēng)扇 和壓縮器轉(zhuǎn)子組件中，葉片布置在圍繞盤的周向方向上。如此前所解 釋，在發(fā)動才/Li^行中，葉片翼型件扭曲，且葉片吸入側(cè)上的中跨護(hù)罩 與相鄰葉片的壓力側(cè)上的中跨護(hù)罩相接觸。各護(hù)罩當(dāng)因此相互接合 時，形成了支^^十片以防止振動的剛性環(huán)。圖5示意性地示出了護(hù)罩 的接觸區(qū)域以及由護(hù)罩所施加的力101和102。當(dāng)發(fā)動才幾停才幾時，護(hù) 罩脫開接合。當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行過4艮多循環(huán)時，護(hù)罩的接觸面受到顯著的 磨損和撕裂。此外，在壓擠事件如由于烏撞擊或其它不常見的負(fù)荷事件 中，改變了相鄰的中跨護(hù)罩之間的接觸力以及它們的定向，使得中跨 護(hù)罩脫開接合從而導(dǎo)致壓擠。這在圖6和10中示意性地示出了。在 發(fā)動機(jī)的連續(xù)運(yùn)行中，已壓擠的中跨護(hù)罩225,226彈回到正常的相互 接觸。這種彈回例如由于發(fā)動機(jī)速度改變或由于其它氣動機(jī)械力而發(fā) 生。中跨護(hù)罩225,226在彈回期間經(jīng)受摩擦力(103,104)和撕裂力 (105,106)。這些摩擦力和撕裂力在常規(guī)中跨護(hù)罩25,26上引起非常顯 著的磨損和撕裂。圖8中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。在優(yōu)選實(shí)施例中， TiCuNi銅焊箔由組分按重量百分比為47%Au-43%Cu-10%Ni的金基 銅焊合金(AuCuNi)件所取代。從銅焊箔除去Ti減少了形成在銅焊接合 處中的脆性的TiC和TixCoy金屬間化合物并提高了延展性。在銅焊 后，AuCuNi銅焊箔比當(dāng)前使用的TiCuNi合金更軟，具有更好的剪切 強(qiáng)度和相當(dāng)?shù)目刮g特性。銅焊溫度為1750F-1900F且銅焊持續(xù)時間為 1-3分鐘。在優(yōu)選實(shí)施例中，更軟的AuCuNi箔減少了銅焊界面分離。 如此前所解釋，中跨護(hù)罩25，26的耐磨墊51,52的側(cè)4i和撕裂損傷當(dāng) 壓擠的中跨護(hù)罩回彈時非常顯著?？梢娔湍|的此類破壞為粘結(jié)破壞 (在耐磨墊內(nèi))而非粘著破壞(在界面)。為了防止耐磨墊251,252由于在 壓擠事件中的撕裂而引起的粘結(jié)破壞，在圖8所示的優(yōu)選實(shí)施例中， 將耐磨墊251,252銅焊到中跨護(hù)罩225,226的面262,263上的凹部 257,258中，如例如在圖7、圖8、圖9和圖10中所示。凹進(jìn)的耐磨 墊251,252受到防護(hù)，以免在壓擠/回彈事件中經(jīng)受相鄰中跨護(hù)罩的拉 負(fù)荷105,106和摩擦負(fù)荷103，104(如圖10中示意性所示)，并減少了與 邊緣有關(guān)的撕裂破壞。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，相鄰中跨護(hù)罩的拉和撕裂作用比壓 擠時耐磨墊經(jīng)受的迎面撞擊損傷更大。AuCuNi銅焊合金件因其延展 性而比TiCuNi銅焊箔更能抵抗迎面撞擊破壞。通過如圖8所示的凹 進(jìn)設(shè)計，保護(hù)了耐磨墊251,252的邊緣以免經(jīng)受相鄰中跨護(hù)罩的撕裂 作用，從而增強(qiáng)了葉片224的耐用性。通過使用常規(guī)方法如4幾械加工在中跨護(hù)罩225,226的面 261,262上形成凹部257,258而制成耐用葉片224。圖7示出了凹部258 的優(yōu)選實(shí)施例，該凹部258形成在壓縮器葉片224的中跨護(hù)罩226的 面262上。凹進(jìn)的耐磨墊251,252作為新的葉片制造工藝的一部分可 結(jié)合到新的葉片224上。凹進(jìn)的耐磨墊251,252可用于修理已在使用的葉片，以便提 高它們的耐用性。對于已在使用的葉片，修理過程包括若干步驟，這
些步驟包括通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄈ缁瘜W(xué)或機(jī)械的方法來除去任何現(xiàn)存的 耐磨墊，機(jī)械加工中跨護(hù)罩，清潔并檢查，必要時通過焊接來組裝中 跨護(hù)罩，通過機(jī)械加工來使所組裝的任何焊接部混合，熱處理，如圖 7所示在護(hù)罩225,226的面261,262上形成凹部257,258,通過將其銅 焊在凹部257,258中而應(yīng)用新的耐磨墊251,252，通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄈ绯?聲波檢查或X射線來檢查銅焊。在需要的地方對葉片榫接部涂覆和噴 丸處理。在耐用葉片及其制造方法和修理方法的優(yōu)選實(shí)施例中，將 厚度為1-3密爾(mil)的AuCuNi箔255,256置于此前形成的Ti-6A1-4V 葉片中跨護(hù)罩225,226的凹進(jìn)槽257,258中。WC-Co耐磨墊251,252 置于銅焊箔255,256的頂部上。葉片224置于在用于感應(yīng)銅焊的真空 室中。中跨護(hù)罩225,226置于在感應(yīng)線圈中。交流電經(jīng)過線圈并在中 跨護(hù)罩中產(chǎn)生磁場，該磁場在護(hù)罩中產(chǎn)生渦流，這使得溫度快速升至 銅焊溫度范圍。銅焊溫度為1750-1卯OF。銅焊的持續(xù)時間為大約1-3 分鐘。使用的真空為大約10A-5托(torr)。在本發(fā)明的備選實(shí)施例中，使用文中的教導(dǎo)可以將其它的 耐磨墊材料和銅焊箔用于形成在中跨護(hù)罩接觸面中的凹部內(nèi)。有可能 的是，僅在葉片接觸表面261,262的某些選定區(qū)域上使用耐磨墊 251,252。還有可能將文中的教導(dǎo)應(yīng)用到葉片上可受到壓擠的其它位置 如葉片平臺和末梢護(hù)罩。盡管文中描述了已認(rèn)為是本發(fā)明優(yōu)選和示范性的實(shí)施例， 但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，本發(fā)明的其它修改根據(jù)文中的教導(dǎo)是 顯而易見的，且因此期望所有的此類落入本發(fā)明真實(shí)精神和范圍內(nèi)的 修改在所附權(quán)利要求中得到保護(hù)。
權(quán)利要求
1. 一種葉片(224)，包括:具有壓力側(cè)和吸入側(cè)的翼型件；位于所述翼型件上的中跨護(hù)罩(225，226)；在所述中跨護(hù)罩(225，226)上的至少一個凹部(257，258)；以及附連到所述中跨護(hù)罩(225，226)的所述凹部(257，258)上的耐磨墊(251，252)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片(224),其特征在于，所述中跨護(hù) 罩(225,226)從所述壓力側(cè)和所述吸入側(cè)沿周向方向延伸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片(224)，其特征在于，所述耐磨墊 (251 ，252)由包括碳化鴒(WC)和鈷(Co)的合金制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片(224),其特征在于，所述耐磨墊 (251 ，252)通過銅焊附連到所述中跨護(hù)罩(225,226)上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉片(224),其特征在于，使用包括鈦 銅鎳(TiCuNi)的銅焊合金來進(jìn)行所述銅焊。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉片(224)，其特征在于，使用按重量 包括47。/。的金(Au)、 43。/。的銅(Cu)、 10。/。的鎳(Ni)的金基銅焊合金來進(jìn) 行所述銅焊。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片(224)，其特征在于，耐磨墊(251) 附連到在所述壓力側(cè)上的中跨護(hù)罩面(261)上的凹部(257)，且耐磨墊 (252)附連到所述吸入側(cè)上的中跨護(hù)罩面(262)上的凹部(258)。
8. —種制造葉片(224)的方法，包括步驟 形成具有中跨護(hù)罩(225,226)的葉片，在所述中跨護(hù)罩上的至少一個面(261，262)上形成凹部(257，258), 將銅焊合金件(255,256)插入所述凹部， 將耐磨墊(251 ，252)插入具有所述銅焊合金件的所述凹部， 通過銅焊將所述耐磨墊附連到所述葉片上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述耐磨墊(251，252) 包括具有包括碳化鴒(WC)和鈷(Co)的合金。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述銅焊合金件 (255，256)包括鈦、銅和鎳(TiCuNi)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述銅焊合金件 (255,256)包括金基合金。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述金基合金 按重量包括47。/o的金(Au)、 43。/o的銅(Cu)、 10。/。的4臬(Ni)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特4i在于，所述銅焊在大約 1750F至大約1900F之間進(jìn)行。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述銅焊在真 空中進(jìn)行。
15. —種修理葉片的方法，包括步驟在中跨護(hù)罩(225,226)的至少 一 個面(261，262)上形成凹部 (257,258)，將銅焊合金件(255,256)插入所述凹部， 將耐磨墊(251,252)插入具有所述銅焊合金件的所述凹部， 通過銅焊將所述耐磨墊附連到所述葉片上。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述耐磨墊 (251,252)包括具有碳化鵠(WC)和鈷(Co)的合金。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述銅焊合金 件(255,256)包括鈦、銅和鎳(TiCuNi)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述銅焊合金 件(255,256)包括金基合金。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述金基合金 按重量包括47。/。的金(Au)、 43%的銅(01)、 10。/。的鎳(Ni)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述銅焊在大 約1750F至大約1900F之間進(jìn)4亍。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述銅焊在真 中進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及耐用葉片，具體而言，描述和主張了一種耐用葉片及其制造方法以及修理葉片的方法。耐用葉片包括具有壓力側(cè)和吸入側(cè)的翼型件，位于翼型件上的中跨護(hù)罩(225，226)，在中跨護(hù)罩上的至少一個凹部(257，258)和附連到中跨護(hù)罩的凹部上的耐磨墊(251，252)。
文檔編號F04D29/38GK101382149SQ200810213209
公開日2009年3月11日 申請日期2008年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月16日
發(fā)明者D·E·巴丁杰, K·奧茲貝薩爾, P·S·威爾遜, S·P·賴?yán)?申請人:通用電氣公司