專利名稱：渦輪機(jī)葉片以及制造這種葉片的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有一個(gè)由鈦合金制成的基體的渦輪機(jī)葉片。本發(fā)明還涉及一種制造這種葉片的方法。
從US 5,063,662已知一種由鈦合金制成的壓縮機(jī)工作葉片。以鈦為基質(zhì)的葉片與由鋼制成的葉片相比具有明顯的節(jié)約重量的優(yōu)點(diǎn)。但是鈦合金幾乎不可以鑄造。鍛造的葉片不可能設(shè)計(jì)成空心的，這又抵消了節(jié)約重量的優(yōu)點(diǎn)。制造一種這樣的葉片的一個(gè)可能性是聯(lián)接(bond)兩個(gè)兩半的部件。在此，是將所述兩個(gè)兩半的部件在高溫及高壓的條件下相互連接。接下來(lái)扭轉(zhuǎn)所述葉片。為了保持形狀在高壓下向所述空心的葉片內(nèi)導(dǎo)入一種氣體。在一個(gè)鈦葉片的葉根部中安裝一個(gè)導(dǎo)氣管是US 5,448,829所公開的內(nèi)容。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種渦輪機(jī)葉片，在該葉片中的一個(gè)連接區(qū)域的強(qiáng)度被改善。另外，也提供了一種特別適合的制造這樣一種葉片的方法。
上述有關(guān)葉片的技術(shù)問(wèn)題按照本發(fā)明通過(guò)權(quán)利要求1所述特征得以解決。為此所述葉片具有一個(gè)由鈦合金制成的具有一個(gè)第一殼形部件和一個(gè)第二殼形部件的葉身，其中，各部件分別被通過(guò)高壓和高溫連接方法構(gòu)成一個(gè)連接區(qū)域地相互連接的接觸面限定，使得在所述部件之間形成一個(gè)由這些部件的內(nèi)側(cè)面包圍成的空腔，其中，在所述第一殼形部件的第一內(nèi)側(cè)面與所述第一接觸面之間的連接區(qū)域中沿葉片縱向設(shè)置一個(gè)槽，其槽壁與所述接觸面一起構(gòu)成一個(gè)大于70°的連接角。
本發(fā)明是以下述認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)，即，通過(guò)連接工序在一個(gè)葉片中進(jìn)行的連接可能會(huì)導(dǎo)致在尖角處出現(xiàn)強(qiáng)度問(wèn)題。而恰恰在將兩個(gè)在流入棱邊和流出棱邊相互連接的兩半的部件連接成一個(gè)葉片時(shí)會(huì)形成這樣的尖角。由此導(dǎo)致局部非常高的可能引起連接處裂開的應(yīng)力集中。
通過(guò)在連接區(qū)域中設(shè)置的槽通常由所述第一部件和第二部件上下相互對(duì)接成的尖角變成為大于70°的角。由此大大地降低了在連接區(qū)域中的局部應(yīng)力集中，致使所述第一部件和第二部件之間的連接處不再存在裂開的危險(xiǎn)。
在另一個(gè)有利的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中，在所述第二部件的第二內(nèi)側(cè)面與所述第二接觸面之間的連接區(qū)域上這樣設(shè)置一個(gè)沿葉片縱向延伸的、與所述槽相對(duì)置的具有一個(gè)相對(duì)槽壁的相對(duì)槽，使得所述相對(duì)槽壁與所述槽壁在連接區(qū)域處平齊地相互鄰接并且構(gòu)成一個(gè)連接角。在這個(gè)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中所述連接角還可以以簡(jiǎn)單的方式增大到90°以上。
所述連接角可以大于120°，尤其是大于150°。一個(gè)大約180°的連接角是特別有利的，因?yàn)榇藭r(shí)所述槽壁和相對(duì)槽壁直接在所述槽棱邊處垂直于所述第一部件和第二部件的表面地定向設(shè)置。
在特別有利的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中，按照本發(fā)明葉片上的所述槽一側(cè)與所述第一部件的第一接觸面鄰接，而另一側(cè)與該第一部件的第一內(nèi)側(cè)面鄰接，并且其中只有所述第一接觸面與所述第二部件連接。在所述第一內(nèi)側(cè)面與第二部件之間不存在連接。也就是說(shuō)第一內(nèi)側(cè)面不與第二部件熔接(gebondet)。如果不是那樣，也就是說(shuō)所述第一內(nèi)側(cè)面還與第二部件相連接，則會(huì)抵消由本發(fā)明所帶來(lái)的減小在所述連接區(qū)域中的材料內(nèi)應(yīng)力集中的效果。因此，在那里出現(xiàn)的連接會(huì)有不利影響并且該連接可能不能承受住所產(chǎn)生的負(fù)荷。
所述鈦合金優(yōu)選是鈦鋁合金(Titanaluminid)。該鈦鋁合金在耐高溫性能方面具有特別有利的特性。但是用鈦鋁合金制造葉片時(shí)也存在必須要連接的工序。由于借助于所述槽改善了在連接區(qū)域中的連接強(qiáng)度，因此鈦鋁合金還可適用于要求高強(qiáng)度的用途中。
在有利的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中，所述槽沿整個(gè)連接區(qū)域延伸。當(dāng)然也可以考慮局部地設(shè)置所述槽、在例如尤其是存在機(jī)械應(yīng)力的區(qū)段內(nèi)。也可以設(shè)置多個(gè)槽。然而在制造技術(shù)上最簡(jiǎn)單的是，設(shè)置唯一一個(gè)沿整個(gè)連接區(qū)域延伸的槽。
相宜地，所述槽具有一個(gè)沿槽的方向變化的槽深。在此，所述第一部件和第二部件在連接區(qū)域中構(gòu)成一個(gè)共同的沿所述連接區(qū)域變化的壁厚，其中所述槽深隨著所述壁厚的增大而變深。在這個(gè)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中，所述槽的尺寸與所述壁厚相適配。當(dāng)所述壁厚越大時(shí)，由于在連接區(qū)域內(nèi)的局部應(yīng)力分布就必須將所述槽設(shè)計(jì)得越深，以便于引起在所述連接區(qū)域內(nèi)作用的力按大于70°的角形成足夠的偏移。所述槽深此時(shí)隨著所述壁厚連續(xù)地變化。
若所述槽具有一個(gè)橢圓形或半圓形的橫截面，則該槽可相宜地與一個(gè)同樣是半圓形的相對(duì)槽一起構(gòu)成一個(gè)環(huán)槽。該環(huán)槽的直徑對(duì)應(yīng)于在所述連接區(qū)域內(nèi)的壁厚變化。壁厚越大時(shí)，該環(huán)槽的直徑也越大。
所述第一部件或第二部件構(gòu)成吸力面，而所述第二部件或第一部件構(gòu)成壓力面。
所述葉片設(shè)計(jì)為燃?xì)廨啓C(jī)葉片，尤其是用于燃?xì)廨啓C(jī)最后一級(jí)的葉片。對(duì)于一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片有特別高的耐高溫性能方面的要求。特別有利的是，所述燃?xì)廨啓C(jī)葉片在此具有一個(gè)大于60cm的葉片長(zhǎng)度。這樣大的葉片會(huì)產(chǎn)生很大的離心力。在這兒節(jié)約重量是特別有利的，因此采用一種鈦合金制造所述基體。但是又由于要承受特別高的機(jī)械負(fù)荷，為了將所述部件可靠地相互連接在一起，一個(gè)傳統(tǒng)的連接工序(Bonding-Prozess)是不能充分滿足要求的。而利用在所述連接區(qū)域內(nèi)延伸的槽就可以達(dá)到建立足夠可靠連接的目的。
上述有關(guān)方法的技術(shù)問(wèn)題按照本發(fā)明通過(guò)權(quán)利要求13的特征得以解決。在此，一個(gè)葉身的一個(gè)第一殼形部件和一個(gè)第二殼形部件由鈦合金制成，其中，所述部件分別由一些接觸面限定，所述接觸面通過(guò)高壓高溫連接構(gòu)成一個(gè)連接區(qū)域地相互連接，使得在所述部件之間形成一個(gè)由部件的內(nèi)側(cè)面包圍成的空腔，在此，在連接前，在至少一個(gè)部件中在所述殼形部件的內(nèi)側(cè)面與所述接觸面之間的連接區(qū)域中設(shè)置一個(gè)沿葉片縱向延伸的槽，其槽壁與所述接觸面構(gòu)成一個(gè)大于70°的連接角。
下面借助于附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明的一些實(shí)施方式。附圖中以局部示意圖的方式并且未按比例地表示出

圖1是一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉片的側(cè)視圖，圖2是按照?qǐng)D1的燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉片的另一個(gè)側(cè)視圖，圖3-9是沿圖2中的直線III-III、IV-IV、V-V、VI-VI、VII-VII、VIII-VIII或IX-IX的剖面圖，圖10是按照?qǐng)D1的燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉片的局部放大剖示圖，圖11示出一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)，以及圖12是按照?qǐng)D10那樣的示圖方式示出一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的葉片。
在所有附圖中相互一致的構(gòu)件以相同的附圖標(biāo)記標(biāo)注。
圖1表示一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片1的側(cè)視圖，該燃?xì)廨啓C(jī)葉片由一個(gè)由鈦鋁合金制成的基體2構(gòu)成。按照用途也可以在所述基體2上涂敷一層保護(hù)層、尤其是防腐層。燃?xì)廨啓C(jī)葉片1具有一個(gè)成形為樅樹狀的葉根部3，并且該葉根部3以未詳細(xì)示出的方式嵌入到一個(gè)葉輪的相應(yīng)槽中。緊接著該葉根部的是一個(gè)具有一個(gè)吸力面7和一個(gè)壓力面9的葉身5。
燃?xì)廨啓C(jī)葉片1由一個(gè)第一部件11和一個(gè)第二部件13構(gòu)成。第一部件11構(gòu)成所述吸力面7。第二部件13構(gòu)成所述壓力面9。所述兩個(gè)通常呈板形形狀的殼形部件11、13通過(guò)一個(gè)高壓高溫連接工序相互連接。
圖2表示所述燃?xì)廨啓C(jī)葉片1的另一個(gè)視圖。所述部件11、13在一個(gè)連接區(qū)域31(也可參見圖10)中通過(guò)連接工序(Bondingprozess)相互連接。一個(gè)環(huán)形槽21在該連接區(qū)域31中延伸，通過(guò)該環(huán)形槽21防止所述連接處裂開。
圖3至9表示沿圖2中各截取線截得的橫截面。可以看出，所述燃?xì)廨啓C(jī)葉片1的壁厚向著所述葉根部逐漸增厚。所述環(huán)槽21的直徑也以相應(yīng)的方式逐漸增大。所述部件11、13包圍成一個(gè)可以通過(guò)一種冷卻流體內(nèi)部冷卻的空腔10。另外，所述燃?xì)廨啓C(jī)葉片1由于所述空心結(jié)構(gòu)和采用鈦合金制造基體2，因此相對(duì)更輕。相應(yīng)地，所述燃?xì)廨啓C(jī)葉片1也可以設(shè)計(jì)得更大。例如葉片長(zhǎng)度達(dá)到940cm。
如從圖3至9中所看到的那樣，所述部件11和13對(duì)接成一個(gè)銳角。當(dāng)應(yīng)用在一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)中受到極高載荷時(shí)通過(guò)一個(gè)連接工序形成的傳統(tǒng)連接可能會(huì)裂開，這是由極高的局部應(yīng)力集中引起的。通過(guò)所述環(huán)槽21避免了出現(xiàn)上述情況，如下面將要詳細(xì)闡述的那樣，環(huán)槽21增大了所述尖銳的連接角。
圖12表示在一個(gè)按照現(xiàn)有技術(shù)的葉片的入流棱邊上的連接區(qū)域31。所述部件11和13以其在連接區(qū)域31中的內(nèi)側(cè)面構(gòu)成一個(gè)小于70°的連接角α。因此在所述連接區(qū)域31的內(nèi)側(cè)引起極高的局部應(yīng)力集中，這可能再次導(dǎo)致所述連接處裂開。
圖10表示通過(guò)所述環(huán)槽21是怎樣改善所述部件11和13之間的連接的。所述環(huán)槽21由一個(gè)在第一部件11中的槽23和一個(gè)在第二部件13中的與所述槽23相對(duì)的槽25構(gòu)成。所述槽23在第一接觸面14與第一內(nèi)側(cè)面12之間延伸，相對(duì)槽25在第二接觸面16與第二內(nèi)側(cè)面15之間延伸。所述槽23也與相對(duì)槽25一樣設(shè)計(jì)為半圓形，使得所述環(huán)槽21具有一個(gè)圓形或環(huán)形的橫截面。所述槽23具有槽壁27。相對(duì)槽25具有相對(duì)槽壁29。槽壁27與相對(duì)槽壁29平齊地連接。通過(guò)所述槽壁27和相對(duì)槽壁29將第一部件11與第二部件13之間的連接角α增大到約180°。由此大大減小了局部應(yīng)力集中和連接裂開的危險(xiǎn)?？梢郧宄乜闯?，所述第一內(nèi)側(cè)面12與第二內(nèi)側(cè)面15沒(méi)有相互連接、亦即相互焊接(gebondet)。如果在那里還存在連接的話，可能會(huì)消除本發(fā)明所帶來(lái)的減小連接區(qū)域處應(yīng)力集中的效果。所述槽23具有一個(gè)槽深T。所述燃?xì)廨啓C(jī)葉片1沿垂直于連接區(qū)域31中心線的方向測(cè)得的壁厚D由所述第一部件和第二部件11、13的壁厚構(gòu)成。所述槽深T與所述壁厚D同等程度地沿所述連接區(qū)域31增大。
圖11表示具有一個(gè)壓縮機(jī)43、一個(gè)燃燒室45以及一個(gè)透平機(jī)部分47的燃?xì)廨啓C(jī)41?？諝?5被壓縮機(jī)43高度壓縮并且被導(dǎo)送到燃燒室45中。在燃燒室中空氣與燃料混合燃燒成熱燃?xì)?3，而后熱燃?xì)庥至魅氲剿鐾钙綑C(jī)部分47中。在那里熱燃?xì)饬鬟^(guò)葉片圈49并因此驅(qū)動(dòng)所述燃?xì)廨啓C(jī)1。因?yàn)樗鐾钙綑C(jī)部分47的熱燃?xì)饬鲃?dòng)通道成錐形地?cái)U(kuò)展，所以在透平機(jī)部分47的最后一級(jí)的葉片圈49中要安裝大的工作葉片1。這些工作葉片1承受非常大的離心力，通過(guò)采用鈦合金減小重量在此是特別有利的。
權(quán)利要求
1.一種具有一個(gè)由鈦合金制成的葉身(5)的渦輪機(jī)葉片(1)，該葉身由一個(gè)第一殼形部件(11)和一個(gè)第二殼形部件(13)構(gòu)成，其中，所述兩個(gè)殼形部件(11、13)分別由接觸面(14、16)限定，所述接觸面通過(guò)高壓高溫連接構(gòu)成一個(gè)連接區(qū)域(31)地相互連接，使得在所述部件(11、13)之間形成一個(gè)由部件(11、13)的內(nèi)側(cè)面(12、15)包圍成的空腔(10)，其特征在于，在所述第一殼形部件(11)的第一內(nèi)側(cè)面(12)與所述第一接觸面(14)之間的連接區(qū)域(31)中設(shè)置一個(gè)沿葉片縱向延伸的槽(23)，其槽壁(27)與所述接觸面(14、16)構(gòu)成一個(gè)大于70°的連接角(α)。
2.按照權(quán)利要求1所述的葉片(1)，其特征在于，在所述第二部件(13)的第二內(nèi)側(cè)面(15)與所述第二接觸面(16)之間的連接區(qū)域(31)上這樣設(shè)置一個(gè)沿葉片縱向延伸的、與所述槽(23)相對(duì)置的具有一個(gè)相對(duì)槽壁(29)的相對(duì)槽(25)，使得所述相對(duì)槽壁(29)與所述槽壁(27)在連接區(qū)域(31)處平齊地相互鄰接并且構(gòu)成一個(gè)大于120°的連接角(α)。
3.按照權(quán)利要求2所述的葉片(1)，其特征在于，所述連接角(α)大于150°。
4.按照權(quán)利要求1至3之一所述的葉片(1)，其特征在于，所述槽(23)一側(cè)與所述第一殼形部件(11)的第一接觸面(14)鄰接，而另一側(cè)與該第一殼形部件(11)的第一內(nèi)側(cè)面(12)鄰接，并且其中只有第一接觸面(14)與所述第二部件(13)連接。
5.按照權(quán)利要求1至4之一所述的葉片(1)，其特征在于，所述鈦合金是鈦鋁合金。
6.按照權(quán)利要求1至5之一所述的葉片(1)，其特征在于，所述槽(23)沿整個(gè)連接區(qū)域(31)延伸。
7.按照權(quán)利要求1至6之一所述的葉片(1)，其特征在于，所述槽(23)具有一個(gè)沿槽的方向變化的槽深(T)。
8.按照權(quán)利要求1至7之一所述的葉片(1)，其特征在于，所述第一部件(11)和第二部件(13)在所述連接區(qū)域(31)中構(gòu)成一個(gè)共同的沿所述連接區(qū)域(31)變化的壁厚(D)，其中所述槽深(T)隨著壁厚(D)的增大而變深。
9.按照權(quán)利要求1至8之一所述的葉片(1)，其特征在于，所述槽(23)具有一個(gè)橢圓形或半圓形的橫截面。
10.按照權(quán)利要求1至9之一所述的葉片(1)，其特征在于，所述第一部件(11)或第二部件(13)構(gòu)成吸力面以及所述第二部件(13)或第一部件(11)構(gòu)成壓力面。
11.按照權(quán)利要求1至10之一所述的葉片(1)，其特征在于，所述葉片設(shè)計(jì)為燃?xì)廨啓C(jī)工作葉片，尤其是用于燃?xì)廨啓C(jī)最后一級(jí)的工作葉片。
12.按照權(quán)利要求1至11之一所述的葉片(1)，其特征在于，所述葉片長(zhǎng)度(L)大于60cm。
13.一種用于制造一種具有一個(gè)由鈦合金制成的葉身(5)的渦輪機(jī)葉片(1)的方法，所述葉片由一個(gè)第一殼形部件(11)和一個(gè)第二殼形部件(13)構(gòu)成，其中，所述部件(11、13)分別由接觸面(14、16)限定，所述接觸面通過(guò)高壓高溫連接構(gòu)成一個(gè)連接區(qū)域(31)地相互連接，使得在所述部件(11、13)之間形成一個(gè)由部件(11、13)的內(nèi)側(cè)面(12、15)包圍成的空腔(10)，其特征在于，在連接前，在至少一個(gè)部件(11、13)中在所述殼形部件(11、13)的內(nèi)側(cè)面(12、15)與所述接觸面(14、16)之間的連接區(qū)域(31)中設(shè)置一個(gè)沿葉片縱向延伸的槽(23)，其槽壁(27)與所述接觸面(14)一起構(gòu)成一個(gè)大于70°的連接角(α)。
全文摘要
本發(fā)明涉及渦輪機(jī)(41)的一種具有一個(gè)由鈦合金制成的基體(2)的葉片(1)，該葉片由一個(gè)第一殼形部件(11)和一個(gè)第二殼形部件(13)構(gòu)成，所述部件通過(guò)一個(gè)連接工序在一個(gè)連接區(qū)域(31)內(nèi)相互連接。為了減小局部應(yīng)力集中，在所述連接區(qū)域(31)中這樣設(shè)置一個(gè)沿葉片縱向延伸的帶有槽壁(27)的槽(23)，使得該槽壁與所述第二部件(13)直接鄰接并且在連接處與該第二部件(13)構(gòu)成一個(gè)大于70°的連接角(α)。
文檔編號(hào)F01D5/14GK1535350SQ02814779
公開日2004年10月6日 申請(qǐng)日期2002年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月9日
發(fā)明者厄休拉·皮克爾特, 厄休拉 皮克爾特, 彼得·蒂曼, 蒂曼 申請(qǐng)人:西門子公司