專利名稱：渦輪葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪機(jī)，尤其涉及冷卻的渦輪葉片。
背景技術(shù)：
熱的控制是渦輪葉片設(shè)計(jì)和制造技術(shù)中的一個(gè)重要考慮。渦輪葉片通常做成具有內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)路，普通的冷卻通道網(wǎng)路接收經(jīng)葉片平臺(tái)的冷卻空氣，該冷卻空氣經(jīng)回旋狀流道流過(guò)翼面，至少有一部分冷卻空氣經(jīng)翼面上的孔而離開(kāi)葉片。這些孔包括例如沿翼面的壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)表面分布的“氣膜孔”和位于前緣和后緣上這些表面接合處的小孔。另外在葉尖上也可設(shè)置小孔。在普通的制造技術(shù)中，渦輪葉片的主要部分通過(guò)鑄造和機(jī)加工工藝制成。在鑄造過(guò)程中，采用一種犧牲型芯來(lái)形成冷卻通道網(wǎng)路的主要部分。上述型芯通過(guò)其在鑄件尖部突出的部分正確地支承在葉片尖部，當(dāng)型芯脫除后便留下相應(yīng)的孔洞。因此，通常制出帶有一種葉尖部空腔的葉片鑄件，并在上述尖部空腔內(nèi)置入一種板蓋以便至少部分地阻塞由型芯留下的孔洞。這就可按需要調(diào)節(jié)流過(guò)葉尖的氣流量和分布，以達(dá)到理想的性能。美國(guó)專利No.3533712、3885886、3982851、4010531、4073599、和5564902公開(kāi)過(guò)上述結(jié)構(gòu)的實(shí)例。在多種這類葉片中，上述的板件置于上述鑄件尖部空腔內(nèi)部低于葉尖頂表面之處而形成葉片尖部空穴或者說(shuō)葉尖充氣區(qū)。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種葉片，該葉片具有一個(gè)平臺(tái)和一個(gè)帶有一個(gè)位于上述平臺(tái)處的葉根和一個(gè)葉尖的翼面，該翼面具有前緣和后緣以及一條包括至少一個(gè)后緣內(nèi)空穴的內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)路。有多個(gè)后緣小孔從葉片后緣延伸至后緣內(nèi)空穴處，還有多個(gè)葉尖小孔從葉尖延伸至后緣內(nèi)空穴處。
在各種設(shè)計(jì)方案中，上述的葉尖小孔和葉片末端的一組后緣小孔可以從上述后緣內(nèi)空穴向外分叉。葉尖小孔的橫截面可以是圓形的，直徑可為0.3～2.0mm。每個(gè)葉尖小孔可具有圓柱形表面，其長(zhǎng)度至少比小孔直徑大5倍。上述葉尖小孔的數(shù)目可以是2～6，每個(gè)葉尖小孔可穿過(guò)葉片鑄件。該葉片可具有一個(gè)本體和一個(gè)葉尖蓋板，并可具有一個(gè)與內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)路連通的葉尖充氣區(qū)，該充氣區(qū)可由鑄件的沿翼面之壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)延伸的壁部及下沉于該壁部的邊緣的蓋板之外側(cè)表面所界定。上述的葉片壁沿上述充氣區(qū)的跨越壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)的后部是不間斷的。葉尖可具有一個(gè)沿壓力側(cè)設(shè)置的減壓區(qū)，該減壓區(qū)可部分地穿越葉尖小孔的出口。
在下面的附圖和說(shuō)明中示出了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。從下面的說(shuō)明和附圖以及所附權(quán)利要求書，人們將明白本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是按照本發(fā)明的原理的渦輪葉片的透視圖；圖2是圖1的渦輪葉片的葉尖后緣部分的局部剖視圖；圖3是圖1的渦輪葉片的負(fù)壓側(cè)的葉尖后緣部分的局部視圖。
在各附圖中相同的標(biāo)號(hào)和名稱表示相同的部件。
詳細(xì)說(shuō)明圖1示出一種渦輪葉片20，它具有一個(gè)沿著從內(nèi)側(cè)平臺(tái)26處附近的葉部24至葉片末端葉尖28的長(zhǎng)度延伸的翼面22?？蓪⒍鄠€(gè)上述的渦輪葉片20以它們各自的內(nèi)側(cè)平臺(tái)26彼此并排地裝配在一起形成一個(gè)界定氣流通路內(nèi)側(cè)部分的環(huán)圈。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，葉片20的主要部分由合金制成(例如制成一種鑄件)，這種鑄件制成帶有一個(gè)可在低于葉尖平面之處固定安裝一個(gè)獨(dú)立的蓋板58的葉尖隔室而形成一個(gè)葉尖充氣區(qū)30。
翼面22從前緣40延伸至后緣42，該前緣和后緣分隔葉片的壓力側(cè)表面44和負(fù)壓側(cè)表面46。為了冷卻葉片，該葉片內(nèi)部具有與平臺(tái)26內(nèi)的孔口(未示出)相連接的冷卻通道網(wǎng)路。示例性的冷卻通道網(wǎng)路包括一系列大致沿翼面長(zhǎng)度方向延伸的內(nèi)部空穴。最前沿的空穴規(guī)定為大致平行于前緣40延伸的前緣內(nèi)空穴。最后沿的空穴48(圖2)規(guī)定為大致平行于后緣42延伸的后緣內(nèi)空穴48。上述的空穴可在它們的一端或兩端和/或沿其長(zhǎng)度上的一些部位上互相連接起來(lái)。冷卻通道網(wǎng)路還包括許多從內(nèi)部伸向壓力側(cè)44和負(fù)壓側(cè)46的小孔，用于進(jìn)一步冷卻葉片，保護(hù)其表面免受外部高溫的損害。上述的小孔包括一排從后緣內(nèi)空穴48延伸至靠近后緣的部位的后緣小孔90。
在示例性實(shí)施例中，葉片20的主要部分通過(guò)鑄造方法和機(jī)加工制成。鑄件用一種可脫除的型芯來(lái)形成其冷卻通道網(wǎng)路，典型的鑄造方法做出的鑄件具有上面所述的可固定裝入蓋板58的鑄造葉尖隔室30(圖2)，該隔室30具有一個(gè)帶有形成葉尖隔室底座的外側(cè)面的腹板60，上述外側(cè)面位于具有由葉片鑄件之壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)向上延伸形成的壁式結(jié)構(gòu)之凸緣62的下方。上述腹板60做出有多個(gè)孔，這些孔是由可脫除的型芯的安裝在外模型上用于支承的部分形成的，并與上述通道網(wǎng)路相連通，這些孔可認(rèn)為是不希望有的通道，因?yàn)樗斐扇~片中冷卻空氣的損失。因此，最好用蓋板58完全地或部分地將這些孔中的一些或全部堵塞住。上述蓋板可以安置在鑄造隔室的適當(dāng)位置上并將其焊接在鑄件上而安裝起來(lái)。在工作中，上述凸緣62(要經(jīng)受下面所述的開(kāi)淺槽)大致處于緊靠著鄰近于發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)罩的內(nèi)表面之處(例如相隔10mm左右)。
圖2示出典型的后緣小孔50，它們是軸線標(biāo)號(hào)為500的圓柱形孔，均從后緣42延伸至后緣內(nèi)空穴48的后端68。一組小孔50大致彼此平行排列，其間距較為均勻，第二組小孔(位于葉片末端處的50A，50B，50C，50D，50E和50F)是不平行排列的，而是從后緣內(nèi)空穴48呈扇形向外展開(kāi)排列的。在所示實(shí)施例中，后緣小孔50A～50F是包括葉尖小孔70A，70B，70C和70D在內(nèi)的在端部連續(xù)地呈扇形展開(kāi)排列的一系列小孔中的一部分，上述葉尖小孔的進(jìn)入端(入口)沿后緣內(nèi)空穴48的后端68分布，出口端(出口)則沿葉尖分布。典型小孔的截面為圓形，直徑為D，典型小孔50A～50F和70A～70D的入口沿后緣內(nèi)空穴的后端68分布，它們的間距S1基本均勻。該間距S1最好稍小于其余小孔50之間的典型間距(例如鄰近一組小孔50的間距S2)。上述的小孔逐漸向外呈扇形展開(kāi)排列，故它們的軸線500與沿后緣內(nèi)空穴后端68的內(nèi)側(cè)方向之間的夾角θ逐漸減小，其θ值從最后一個(gè)非扇開(kāi)展開(kāi)排列的小孔50的剛超過(guò)90°逐漸減小到最后的小孔70D的45°左右。上述的小孔呈扇形展開(kāi)排列和間距減小比僅僅連續(xù)平行排列的小孔更有利于加強(qiáng)葉片后緣尖部的冷卻。在典型實(shí)施例中，葉尖小孔70A～70D的出口沿隔室30的凸緣62后面的后部72分布。在典型實(shí)施例中，凸緣后部72具有一個(gè)位于壓力側(cè)的淺槽80，該淺槽80至少部分地穿過(guò)小孔70A～70D的出口，它用于使葉尖的一個(gè)部位凹入到低于后緣部分72的負(fù)壓側(cè)的不開(kāi)淺槽的部位82。在渦輪工作中，上述的不開(kāi)淺槽部位82平行于且緊密地靠近相鄰的發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)罩內(nèi)表面，由淺槽80形成的凹處導(dǎo)引氣流沿淺槽80的表面從小孔70A～70D的出口向后流出而冷卻葉尖的鄰近于后緣的壓力側(cè)。
在一個(gè)示例性葉片制造方法中，小孔50，50A～50F和70A～70D可通過(guò)鉆孔法(例如激光打孔法)加工出來(lái)。這項(xiàng)工作在葉片鑄出之后或用其他方法制造出之后進(jìn)行，也可以在最初的鑄后加工工序后進(jìn)行。至少上述的呈扇形展開(kāi)排列的小孔可通過(guò)使單刃(single-bit)鉆頭(或在激光打孔的情況下是單光束鉆頭)連續(xù)而漸進(jìn)地不斷改變鉆頭取向的方法鉆出來(lái)。小孔鉆出之后，作為精加工的一部分對(duì)凸緣62磨削出淺槽80，由該淺槽80形成的凹部可防止葉尖小孔堵塞。在沒(méi)有這種凹部的情況下，凸緣后部72與發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)罩之間的偶然接觸可能磨出的材料會(huì)進(jìn)入葉尖小孔而將它們堵塞。通過(guò)至少使小孔出口的在壓力側(cè)的部分凹進(jìn)到低于不開(kāi)淺槽的部位82，就可防止上述的小孔堵塞現(xiàn)象。典型的淺槽80是凹形的，其在壓力側(cè)的相對(duì)于不開(kāi)淺槽部位82的深度為R1，在壓力側(cè)的葉尖小孔70A～70D的出口與淺槽80交叉處的深度為R2。在典型實(shí)施例中，上述深度R1，R2從后緣向前緣逐漸稍稍增加。典型的深度R1約0.5～3.0倍于小孔直徑，而典型的深度R2約0.25～2.0倍于小孔直徑。
在示例性實(shí)施例中，葉尖小孔最好為2～6個(gè)，而呈扇形展開(kāi)排列的后緣小孔最好為2～10個(gè)。根據(jù)一些因素(包括尺寸)不同，小孔數(shù)目也可能更多些，在較為狹義的實(shí)施例中，葉尖小孔為3～5個(gè)，呈扇形展開(kāi)排列的后緣小孔為4～8個(gè)。典型的小孔直徑為0.3～2.0mm。示例性的小孔長(zhǎng)度為10～30倍于小孔直徑(較為狹義的實(shí)施例中為15～25倍于小孔直徑)。在示例性實(shí)施例中，呈扇形展開(kāi)排列的小孔的上述夾角θ從非扇形展形排列的小孔50起從60°逐漸減小至30°。
上面已經(jīng)說(shuō)明了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，然而，應(yīng)當(dāng)明白，在不違背本發(fā)明的精神和范圍的情況下還可以進(jìn)行各種各樣的改型。
權(quán)利要求
1.一種渦輪葉片，它具有一個(gè)平臺(tái)；和一個(gè)翼面，該翼面具有一個(gè)位于上述平臺(tái)處的葉根；一個(gè)葉尖；一個(gè)前緣和一個(gè)后緣；和一條內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)路，該網(wǎng)路包括至少一個(gè)后緣內(nèi)空穴；多個(gè)從上述后緣延伸至上述后緣內(nèi)空穴的后緣小孔；和多個(gè)從上述葉尖延伸至上述后緣內(nèi)空穴的葉尖小孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪葉片，其特征在于，上述的葉尖小孔和位于葉片后側(cè)的一組上述的后緣小孔是從上述后緣內(nèi)空穴向外分叉的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪葉片，其特征在于，上述的葉尖小孔是直徑為0.3～2.0mm的圓截面小孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪葉片，其特征在于，每個(gè)上述的葉尖小孔具有圓柱形表面，其長(zhǎng)度至少比小孔直徑大5倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪葉片，其特征在于，該葉片包括一個(gè)本體和一個(gè)葉尖蓋板，并具有一個(gè)與上述冷卻通道網(wǎng)路相連通的葉尖充氣區(qū)，該葉尖充氣區(qū)由鑄件的沿翼面之壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)的壁部及下沉于該壁部之邊緣的葉尖蓋板的外側(cè)表面所界定。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的渦輪葉片，其特征在于，上述壁部沿跨越壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)充氣區(qū)后部是不間斷的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪葉片，其特征在于，上述的葉尖具有一個(gè)沿壓力側(cè)的減壓區(qū)，該減壓區(qū)部分地穿越上述葉尖小孔的出口。
8.一種渦輪葉片，它具有一個(gè)平臺(tái)；和一個(gè)翼面，該翼面具有一個(gè)位于上述平臺(tái)處的葉根；一個(gè)葉尖；一個(gè)前緣和一個(gè)后緣；和一條內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)路，該網(wǎng)路具有一個(gè)后緣內(nèi)空穴；和一個(gè)用于冷卻翼面后緣頂角部的結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的渦輪葉片，其特征在于，上述的冷卻結(jié)構(gòu)包括多個(gè)從后緣內(nèi)空穴延伸出來(lái)的葉尖小孔，上述葉片還具有一個(gè)用于防止用于接觸造成上述葉尖小孔堵塞的結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的渦輪葉片，其特征在于，上述的冷卻結(jié)構(gòu)包括多個(gè)從上述的后緣內(nèi)空穴向外分叉到上述后緣和葉尖的葉尖小孔。
11.一種制造葉片的方法，包含如下步驟鑄出一種渦輪葉片毛胚，該毛胚具有一個(gè)平臺(tái)；和一個(gè)翼面，該翼面沿著從上述平臺(tái)處的葉根附近至葉片末端的長(zhǎng)度延伸；具有將壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)分隔開(kāi)的前緣和后緣；和具有一條包括至少一個(gè)后緣內(nèi)空穴的冷卻通道網(wǎng)路；在翼面上加工出第一組從后緣延伸至上述后緣內(nèi)空穴的小孔；和在翼面上加工出第二組從葉尖延伸至上述后緣內(nèi)空穴的小孔。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于，還包含如下步驟沿上述葉尖的壓力側(cè)的后部制出一個(gè)淺槽，該淺槽部分地穿過(guò)上述第二組小孔的出口。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于，還包含如下步驟沿上述葉尖的壓力側(cè)后部制出一個(gè)凹形淺槽。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于，上述的加工葉片端部的第一組小孔的步驟包括連續(xù)漸進(jìn)地改變鉆頭取向以便鉆出上述端部第一組從上述后緣內(nèi)空穴分叉的小孔。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于，上述的加工上述第二組小孔的步驟包括連續(xù)漸進(jìn)地改變鉆頭取向，以便鉆出上述的第二組從后緣內(nèi)空穴分叉的小孔。
全文摘要
一種渦輪葉片具有一個(gè)平臺(tái)和一個(gè)從位于上述平臺(tái)的葉根向葉尖延伸的翼面，該翼面具有一條包括至少一個(gè)后緣內(nèi)空穴的內(nèi)部冷卻通道網(wǎng)路。有一組后緣小孔從葉片的后緣延伸至上述后緣內(nèi)空穴，另有一組葉尖小孔從上述葉尖延伸至上述后緣內(nèi)空穴。
文檔編號(hào)B22C9/24GK1519458SQ20041000254
公開(kāi)日2004年8月11日 申請(qǐng)日期2004年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月31日
發(fā)明者W·A·克盧斯, W A 克盧斯, S·J·芬克, 芬克 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司