專(zhuān)利名稱(chēng)：渦輪機(jī)葉片和它的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及渦輪機(jī)組件，且更特定地涉及用于制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)典型地包括壓縮機(jī)、燃燒器和至少一個(gè)渦輪機(jī)。壓縮機(jī)壓縮空氣，它與燃料混合后并引導(dǎo)到燃燒器。然后點(diǎn)燃混合物以產(chǎn)生熱燃?xì)?，且燃?xì)獗灰龑?dǎo)到渦輪機(jī)，它從燃?xì)庵蝎@取能量以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)以及產(chǎn)生有用功，以推進(jìn)飛行中的飛行器或驅(qū)動(dòng)載荷，例如發(fā)電機(jī)。
渦輪機(jī)包括轉(zhuǎn)子組件和定子組件。轉(zhuǎn)子組件包括多個(gè)從盤(pán)徑向向外延伸的轉(zhuǎn)子葉片。更特定地，每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片在鄰近盤(pán)的平臺(tái)和葉片尖端之間徑向地延伸。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子組件的燃?xì)饬髀窂较蛳騼?nèi)以轉(zhuǎn)子葉片平臺(tái)為界，且徑向向外以多個(gè)罩為界，其中每個(gè)罩包括至少一個(gè)密封齒。
至少一個(gè)已知的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片使用鎳基合金制造，以產(chǎn)生具有大致彎曲的外部罩的渦輪機(jī)葉片。例如，渦輪機(jī)葉片鑄造為帶有附加的原料，使用簡(jiǎn)單的徑向磨削操作將它去除，以產(chǎn)生完成的外部罩和密封齒。更特定地，鎳基合金鑄造為“定尺寸”，即渦輪機(jī)葉片不需要重大的加工以產(chǎn)生完成的渦輪機(jī)葉片。
然而，如果燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片使用不同的材料制造，例如鈦鋁化合物(titanium aluminide)材料，鑄造包括大致彎曲的罩和至少一個(gè)密封齒的渦輪機(jī)葉片產(chǎn)生了不具有“鑄態(tài)”表面的渦輪機(jī)葉片。更特定地，使用鈦鋁化合物鑄造渦輪機(jī)葉片產(chǎn)生了相對(duì)于最終的加工構(gòu)造具有大量多余材料的渦輪機(jī)葉片，如圖1和圖2所示。因此，至少需要兩個(gè)加工操作，以去除多余的材料，以形成具有彎曲外部罩和密封齒的完成的渦輪機(jī)葉片，如圖3所示。因此，使用不同于鎳基合金的其它材料來(lái)制造具有彎曲外部罩的渦輪機(jī)葉片導(dǎo)致了制造渦輪機(jī)葉片成本的增加，因此為客戶(hù)增加了葉片的成本。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面中，提供了制造用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)葉片的方法。該燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括了渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)包括了多個(gè)渦輪機(jī)葉片。該方法包括鑄造至少一個(gè)包括了葉片尖端罩和至少一個(gè)連接到葉片尖端罩的密封齒的渦輪機(jī)葉片，且去除渦輪機(jī)葉片的至少部分，使得葉片尖端罩的徑向外部表面具有至少兩個(gè)大致平的表面。
在另一個(gè)方面中，提供了渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片。渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片包括具有徑向外部表面的葉片尖端罩，徑向外部表面包括至少兩個(gè)大致平的表面，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片還包括至少一個(gè)連接到所述的葉片尖端罩的密封齒。
在又一個(gè)方面中，提供了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子組件。轉(zhuǎn)子組件包括低壓渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和多個(gè)連接到低壓渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的周向間隔的轉(zhuǎn)子葉片。每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片包括具有徑向外部表面，徑向外部表面包括至少兩個(gè)大致平的表面，每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片還包括至少一個(gè)連接到所述的葉片尖端罩的密封齒。


圖1為已知的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片在最初制造中的側(cè)視圖；圖2為圖1中所示的已知的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片在最初制造中的截面圖；圖3為如圖1和圖2所示的已知的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片在加工完成后的截面圖；圖4為典型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的截面圖；圖5為可以與圖4中所示的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)共同使用的轉(zhuǎn)子組件和定子組件的部分切去截面圖；圖6是制造渦輪機(jī)葉片的典型的方法，該渦輪機(jī)葉片可與圖4中所示的燃?xì)鉁u輪機(jī)共同使用；圖7為可以與圖4中所示的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)共同使用的典型的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片在最初制造階段的側(cè)視圖；圖8為圖7中所示的典型的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片在后續(xù)制造后的透視圖；
圖9為圖8中所示的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片的側(cè)視圖；以及圖10為圖9中所示的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片的截面圖。
具體實(shí)施例方式
圖4為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的示意性圖示，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10包括風(fēng)扇組件12、高壓壓縮機(jī)14和燃燒器16。發(fā)動(dòng)機(jī)10還包括高壓渦輪機(jī)18、低壓渦輪機(jī)20和增壓機(jī)22。風(fēng)扇組件12包括從轉(zhuǎn)子盤(pán)26徑向向外延伸的風(fēng)扇葉片24的陣列。發(fā)動(dòng)機(jī)10具有進(jìn)氣側(cè)28和排氣側(cè)30。在一個(gè)實(shí)施例中，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)為Ohio州Cincinnati市的GeneralElectric Company所提供的GE90。在替換的實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)10包括低壓壓縮機(jī)。風(fēng)扇組件12、增壓機(jī)22和渦輪機(jī)20通過(guò)第一轉(zhuǎn)子軸31連接，且壓縮機(jī)14和渦輪機(jī)18通過(guò)第二轉(zhuǎn)子軸32連接。
在運(yùn)行中，空氣流經(jīng)風(fēng)扇組件12且將被壓縮的空氣通過(guò)增壓機(jī)22提供到高壓壓縮機(jī)14。高度壓縮的空氣被供給到燃燒器16。來(lái)自燃燒器16的熱的燃燒產(chǎn)物(在圖1中未繪出)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)18和20，且渦輪機(jī)20通過(guò)軸31驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇組件12和增壓機(jī)22。發(fā)動(dòng)機(jī)10在設(shè)計(jì)運(yùn)行條件和設(shè)計(jì)外運(yùn)行條件之間的運(yùn)行條件范圍內(nèi)是可運(yùn)行的。
圖5為渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子組件40的部分切去截面圖，包括可以與燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10共同使用的定子42。在典型的實(shí)施例中，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子組件40可以作為低壓渦輪機(jī)與燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10共同使用。在典型的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子組件40包括多個(gè)通過(guò)聯(lián)結(jié)件46繞軸向中心軸線(未繪出)同軸地連接在一起的轉(zhuǎn)子44。每個(gè)轉(zhuǎn)子44通過(guò)一個(gè)或多個(gè)葉片整合盤(pán)(blisk)48形成，且每個(gè)葉片整合盤(pán)48包括環(huán)形的徑向外部輪緣50、徑向內(nèi)部輪轂52和在它們之間徑向延伸的整體的輪輻54。每個(gè)葉片整合盤(pán)48還包括多個(gè)從外部輪緣50徑向向外延伸的葉片56。在一個(gè)實(shí)施例中，葉片56整體地與各輪緣50連接。替換地，且至少對(duì)于一個(gè)級(jí)，每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片56可以使用葉片燕尾榫(未繪出)以已知的方式可去除地連接到各輪緣50，燕尾榫安裝在各輪緣50內(nèi)的互補(bǔ)槽(未繪出)內(nèi)。
轉(zhuǎn)子葉片56構(gòu)造為與例如空氣的運(yùn)動(dòng)流體或工作流體合作。在典型的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子組件40為渦輪機(jī)，例如低壓渦輪機(jī)20(在圖4中示出)，其轉(zhuǎn)子葉片56構(gòu)造為合適地在隨后的級(jí)中導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)流體空氣。當(dāng)空氣從一級(jí)流到另一級(jí)時(shí)，轉(zhuǎn)子輪緣50的外部表面58限定了渦輪機(jī)20的徑向內(nèi)部流路表面。
葉片56繞軸向中心軸線旋轉(zhuǎn)到特定的最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，且在旋轉(zhuǎn)部件上產(chǎn)生了離心載荷。由旋轉(zhuǎn)葉片56產(chǎn)生的離心力由每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片56直接下方的輪緣50的部分承擔(dān)。轉(zhuǎn)子組件40和葉片56的旋轉(zhuǎn)從空氣中獲取了能量，這導(dǎo)致了渦輪機(jī)20旋轉(zhuǎn)以及提供動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)低壓壓縮機(jī)12(在圖1中繪出)。徑向內(nèi)部流路在周向上以鄰近的轉(zhuǎn)子葉片56為界且在徑向上以罩80為界。
每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片56包括前緣60、后緣62和在它們之間延伸的翼片64。每個(gè)翼片64包括吸力側(cè)76和周向地相對(duì)的壓力側(cè)78。吸力側(cè)76和壓力側(cè)78分別在軸向間隔地分開(kāi)的前緣60和后緣62之間延伸，且在徑向跨度上在轉(zhuǎn)子葉片尖端罩80和轉(zhuǎn)子葉片根82之間延伸。葉片弦分別地在轉(zhuǎn)子葉片后緣62和前緣60之間測(cè)量。在典型的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子葉片56包括轉(zhuǎn)子密封齒86，它鄰近定子罩88旋轉(zhuǎn)且經(jīng)過(guò)由定子罩88和轉(zhuǎn)子葉片尖端罩80所限定的腔89。
圖6是示出了制造燃?xì)鉁u輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片110的典型方法100的流程圖，該轉(zhuǎn)子葉片110可以與例如但不限制于圖4中所示的燃?xì)鉁u輪機(jī)10的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)共同使用。在典型的實(shí)施例中，方法100包括鑄造102至少一個(gè)渦輪機(jī)葉片110，渦輪機(jī)葉片110包括葉片尖端罩112和至少一個(gè)連接到葉片尖端罩112的密封齒114，和去除104渦輪機(jī)葉片110的至少部分116，使得葉片尖端罩112的徑向外部表面118具有大致V形的截面輪廓120。
圖7為燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片110在最初制造階段的側(cè)視圖。圖8為圖7中所示的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片110在后續(xù)制造后的透視圖。圖9為圖8中所示的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片110的側(cè)視圖。圖10為圖9中所示的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片110的截面圖。在典型的實(shí)施例中，渦輪機(jī)葉片110為低壓渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，它連接到低壓渦輪機(jī)，例如低壓渦輪機(jī)20，如圖4所示。在另一個(gè)實(shí)施例中，方法100可以用于制造任何在燃?xì)鉁u輪機(jī)10中所使用的渦輪機(jī)葉片，如圖4所示。
在典型的實(shí)施例中，燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片110使用金屬材料鑄造。在典型實(shí)施例中，燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片110例如使用鈦鋁化合物材料鑄造。在典型的實(shí)施例中，渦輪機(jī)葉片110為“過(guò)鑄造”，即渦輪機(jī)葉片110包括必須去除的部分116以產(chǎn)生完成的葉片110。
在典型的實(shí)施例中，當(dāng)渦輪機(jī)葉片110鑄造后，多余的部分116使用放電加工(EDM)設(shè)備122加以去除。更特定地，EDM設(shè)備122構(gòu)造為去除多余的部分116使得形成葉片尖端罩112和至少一個(gè)密封齒114，且使得葉片尖端罩112的徑向外部表面118具有大致V形截面輪廓120。
更特定地，葉片尖端罩112如果形成為使得葉片尖端罩外部表面118包括第一非弓形部分130，即平的部分130，和第二非弓形部分132，或平的部分132，它們?cè)陧旤c(diǎn)134連接在一起使得外部表面118具有大致V形的截面輪廓120。在典型的實(shí)施例中，第一部分130和第二部分132與渦輪機(jī)葉片110整體地形成。更特定地，EDM設(shè)備122用于去除部分116，使得外部表面118具有大致V形的截面輪廓。
另外，每個(gè)密封齒114包括第一非弓形部分140，或平的部分140，和第二非弓形部分142，或平的部分142，它們?cè)陧旤c(diǎn)144連接在一起，使得密封齒114具有大致V形的截面輪廓120。在典型的實(shí)施例中，第一部分140和第二部分142與渦輪機(jī)葉片110整體地形成。更特定地，EDM設(shè)備122用于去除部分116，使得每個(gè)密封齒114具有大致V形的截面輪廓120。
此處描述的方法有助于改善燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片的密封齒和罩非流路表面的形成，使得能使用線切割EDM設(shè)備來(lái)制造渦輪機(jī)葉片。更特定地，已知的EDM機(jī)不能在渦輪機(jī)葉片的周向方向上產(chǎn)生彎曲的表面。因此，此處描述的渦輪機(jī)葉片不包括已知渦輪機(jī)葉片的罩和密封齒的彎曲的形式，而是以?xún)蓚€(gè)平的表面來(lái)替換外部罩的拱形的或彎曲的徑向外部表面，其中每個(gè)平的表面跨過(guò)罩的半個(gè)周向?qū)挾?。制造包括具有由兩個(gè)平的表面形成的徑向外部表面的外部罩的渦輪機(jī)葉片有助于減少在密封齒和定子罩之間的泄漏。另外，雖然典型的實(shí)施例圖示了每個(gè)具有兩個(gè)大致平的表面的外部罩和密封齒，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到的是典型的渦輪機(jī)葉片可以包括三個(gè)或更多的限定了外部罩和密封齒的徑向外部表面的平的表面。
因此，此處描述的方法和設(shè)備有助于減少以TiAl材料來(lái)生產(chǎn)LPT葉片所需的加工量，因此減少了制造渦輪機(jī)葉片的成本和周期時(shí)間。另外，此處描述的制造渦輪機(jī)葉片的減少的成本和周期時(shí)間也有助于減少燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的總重量。
上述方法和設(shè)備是有成本效益的且是高度地可靠的。此處描述的渦輪機(jī)葉片包括徑向外部表面和至少一個(gè)密封齒，其每個(gè)包括至少兩個(gè)大致平的表面，以有助于減少制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)間和成本。
雖然對(duì)本發(fā)明根據(jù)不同的特定的實(shí)施例在此處加以描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到本發(fā)明可以以權(quán)利要求書(shū)的精神和范圍內(nèi)的修改來(lái)實(shí)行。
部件列表


權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(56)，其包括葉片尖端罩(112)，包括具有至少兩個(gè)大致平的表面的徑向外部表面(118)；以及至少一個(gè)連接到所述的葉片尖端罩的密封齒(114)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(56)，其中所述的葉片尖端罩(112)具有大致V形的截面輪廓(120)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(56)，其中每個(gè)葉片尖端罩平的表面跨過(guò)近似所述的葉片尖端罩(112)的周向?qū)挾鹊囊话搿?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(56)，進(jìn)一步包括兩個(gè)密封齒(86)，其中每個(gè)密封齒(114)包括徑向外部表面(118)，徑向外部表面(118)具有至少兩個(gè)大致平的表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(56)，進(jìn)一步包括兩個(gè)密封齒(86)，其中每個(gè)密封齒(114)具有大致V形的截面輪廓(120)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(56)，其中所述的渦輪機(jī)葉片包括鈦鋁化合物材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(56)，其中所述的渦輪機(jī)葉片連接到低壓渦輪機(jī)(20)。
8.一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子組件(40)，其包括低壓渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子(44)；以及多個(gè)連接到所述的低壓渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的周向間隔的轉(zhuǎn)子葉片(56)，每個(gè)所述的轉(zhuǎn)子葉片包括包括徑向外部表面(118)的葉片尖端罩(112)，徑向外部表面(118)具有至少兩個(gè)大致平的表面；以及至少一個(gè)連接到所述的葉片尖端罩的密封齒(114)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子組件(40)，其中所述的葉片尖端罩(112)具有大致V形的截面輪廓(120)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子組件(40)，其中每個(gè)葉片尖端罩平的表面跨過(guò)近似所述的葉片尖端罩(112)的周向?qū)挾鹊囊话搿?br> 全文摘要
用于制造渦輪機(jī)葉片(110)的方法(100)，包括鑄造至少一個(gè)渦輪機(jī)葉片，葉片包括葉片尖端罩(112)和至少一個(gè)連接到葉片尖端罩上的密封齒(114)，且去除渦輪機(jī)葉片的至少部分(116)使得葉片尖端罩的徑向外部表面(118)具有至少兩個(gè)大致平的表面。
文檔編號(hào)F01D5/14GK1880729SQ20061009369
公開(kāi)日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2006年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月13日
發(fā)明者J·P·海沃德, M·貝弗利, F·波比 申請(qǐng)人:通用電氣公司