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PERFECTIONNEMENTS DANS LA FABRICATION D'AUBES CONVENANT AUX TURBINES A VAPEUR. COMPRESSEURS ET AUTRES APPAREILS SEMBLABLES
L'invention se rapporte à la fabrication d'aubes convenant aux turbines à vapeur, compresseurs et autres appareils semblables, désignées généralement comme aubes ou aubages de turbines.
Dans de telles applications, les aubes du rotor sont, dans certains cas, exposées à des forces centrifuges très puissantes et on a proposé de réduire les efforts résultant sur les aubes et les rotors par l'emploi d'aubes creuses.
Avec le même objet de réduire les poids, des aubes pleines ont été quelquefois effilées sur toute ou une partie de leur lon- gueur, dans la direction de la racine vers la pointe, de telles aubes effilées n'étant ordinairement utilisées que vers le bout basse-pression de la turbine où les vitesses périphérales attei- gnent leur maximum.
On a proposé aussi de pourvoir d'aubes creuses, soit du type pour rotor ou pour stator, en vue de la nécessité de purger.
Pour autant que nous en savons, dans toutes propositions pareilles, entrainant l'emploi d'aubes courbes, ou bien une aube
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pleine était pourvue d'un creux entaillé à la machine, ou bien l'aube était construite en tôle métallique et les joints étaient obtenus par soudure ou autrement. Ces deux méthodes de formation d'aubes creuses, cependant, se sont montrées peu satisfaisantes en pratique, et le but principal de la présente invention est de four- nir des procédés perfectionnés pour la fabrication d'aubes creuses qui seront exemptes de pareilles objections.
Dans ce but:
La présente invention se résume en un procédé de fabrication d'aubes de turbines du genre indiqué, qui consiste en une déforma- tion appropriée d'une ébauche tubulaire sans joint, avec ou sans racine inté grale.
L'invention consiste aussi en un procédé de fabrication d'aubes de turbines, comme exposé dans le paragraphe précédent, dans lequel l'ébauche tubulaire après avoir été rempli d'un corps résis- tant est étirée longitudinalement, comme dans un procédé de laminage.
L'invention comprend de plus, dans une forme modifiée du procédé suivant la présente invention, l'emploi d'un tube servant d'ébauche d'aube et préférablement de section circulaire, lequel est déformé jusqu'à prendre la forme de l'aube finie par compressicn latérale sans allongement substantiel.
L'invention comprend encore les procédés perfectionnés de fabrication d'ébauches et d'aubes avec racines intégrales ; des ébauches d'aubes avec racines intégrales et l'aubage creux sans soudure ainsi produit, soit parallèle ou à effilage interne ou externe, comme décrits ou indiqués ci-dessous.
En se reportant aux dessins ci-joints qui forment partie de la spécification et sont de nature diagrammatique,
La figure 1 indique en perspective une forme d'appareil pour produire une aube creuse à l'aide d'un poinçon et d'une matrice.
La figure 2 indique une vue perspective similaire de l'ébau- che creuse résultante.
La figure 3 donne une vue perspective d'une forme d'ébauche d'aube pleine, avant qu'on lui ait donné une forme creuse.
La figure 3a donne une vue en bout de l'ébauche, avec deux
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trous forés suivant la longueur, dans la partie qui donne la forme à l'aube.
La figure 3b donne une vue semblable qui montre l'addition d'un troisième trou et
La figure 3c est une vue semblable montrant la forme finale du trou dans la partie de l'ébauche formant l'aube, tandis que
La figure 4 représente une coupe longitudinale correspondante de l'ébauche produite.
La figure 5 montre une coupe longitudinale d'une ébauche tubu- laire remplie de matière résistante.
La figure 6 montre, en élévation extérieure, une ébauche tubu- laire remplie, sur le point d'être passée entre deux cylindres à cannelures interrompues, la figure 7 étant une coupe transversale entre les surfaces profilées des cylindres.
La figure 8 montre en élévation une aube creuse tubulaire, d'une pièce avec sa racine, la figure 8a étant une vue correspondante en bout.
La figure 9 montre une forme de poinçon effilé.
Là figure 10 montre une élévation en coupe longitudinale d'une forme d'ébauche avec murailles amincissantes vers le haut, la figu- re 10a étant une vue correspondante en bout de la partie formant aube de l'ébauche.
La figure 11 donne une élévation en coupe longitudinale d'une aube creuse d'une pièce avec sa racine, l'aube proprement dite étant pa- rallèle extérieurement avec des murs d'une épaisseur décroissante depuis la racine jusqu'au sommet, les figures lla et llb étant des coupes correspondantes sur les lignes A-B et C-D de la figure 11.
La figure 12 indique une ébauche creuse évasée avec murailles d'épaisseur uniforme.
La figure 13 représente une élévation en coupe longitudinale d'une aube creuse, d'une pièce avec sa racine, l'aube proprement dite étant parallèle intérieurement avec des murs d'épaisseur décroissante depuis la racine jusqu'au sommet, les figures 13a et 13b étant des coupes correspondantes respectivement sur les lignes E-F et G-H de la figure 13.
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La figure 14 montre une vue d'extrémité de la partie formant aube, d'une ébauche dans laquelle le creux est déplacé vers un côté.
La figure 15 représente une coupe transversale de l'aube résul- tante.
La figure 16 montre une vue en bout de la partie formant aube d'une billette, dans laquelle la longueur du creux rectangulaire comme vue en coupe est relativement réduite.
La figure 17 montre une coupe transversale de l'aube résultante avec du métal extra sur les arêtes.
La figure 18 donne une coupe longitudinale d'une ébauche creuse dans laquelle le creux traverse à la fois les parties formant l'aube et la racine de l'ébauche.
La figure 19 donne une vue semblable d'une ébauche d'aube dans la partie formant racine est allégée au moyen d'un trou axial et la figure 20, une vue en perspective, dont le trou allégeant est percé transversalement. une coupe, une coupe La figure 21 indique en travers d'une aube creuse pourvue d'une nervure transversale de métal, agissant comme raidisseur.
La figure 22 montre une élévation en coupe d'une ébauche circu- laire de forme tubulaire, remplie et bouchée.
La figure 23 donne une vue correspondante sur bout.
La figure 24 donne une vue en élévation longitudinale d'une longueur d'aubage creuse sans racine, la figure 24a étant une vue correspondante en coupe transversale.
La figure 25 montre en élévation longitudinale la vue d'une ébauche d'aube ayant une racine venue d'une pièce, dans laquelle la partie creuse formant aube est circulaire.
La figure 26 est une section transversale correspondante sur la ligne J-K de la figure 25.
La figure 27 est une vue en bout et la figure 28 une vue de côté correspondante d'un cylindre et d'une matrice co-actifs, convenant pour la compression latérale d'un tube étiré.
La figure 29 donne une coupe transversale d'un tronçon du ruban résultant d'aubes creuses.
La figure 30, une élévation extérieure d'une longueur de feuille
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d'aubage, soudée à l'une des faces de sa racine.
La figure 31 montre une vue correspondante dans laquelle la ra- cine est pourvue d'un bouchon s'ajustant dans le creux de l'aube, tandis que finalement, la figure 32 donne une vue extérieure d'une longueur de feuille d'aubage dont la racine est assujettie entre des sections, la figure 33 étant une section transversale sur la ligne M-N de la figure 32.
On fait usage de préférence, dans les figures, des mêmes symboles de référence pour désigner des pièces correspondantes.
Dans l'exécution de l'invention suivant une forme applicable aux aubes d'une turbine à vapeur à réaction, une ébauche est formée A.
(fig.l) ayant une partie formant aube 2 de section rectangulaire et une partie élargie latéralement pour former la racine 3, y attenant d'une pièce, de telles parties formant aubes et racines étant reliées par un filet 4, de l'espèce décrite dans la spécification britannique du brevet n 306182.
Cette ébauche peut être très commodément pressée à chaud en par- tant d'une billette rectangulaire, d'accord avec le procédé décrit . dans la spécification provisoire accompagnant la demande pour le brevet britannique n 8871, de même date que celle de la présente.-
Suivant une méthode de procédé, l'ébauche A, ainsi formée et à une température convenable, est tenue d'une façon appropriée dans une matrice en plusieurs parties B, la partie formant aube 2 étant renfermée dans une cavité allongée 5, dans la matrice ou moule de coupe transversale semblable et un poinçon façonneur C, également de coupe rectangulaire, dont les coins peuvent être arrondis, est forcé longitudinalement dans la partie formant aube 2 de l'ébauche A d'une extrémité avec les côtés des deux rectangles approximativement para- llèles;
le métal de la billette est ainsi forcé par une action expul- sive de s'introduire dans l'espace.annulaire entre le poinçon C et le moule B, allongeant ainsi la partie formant aube de l'ébauche A jusqu'à la longueur 2a (voir fig. 2) en lui donnant un creux 6, de tubulaire sorte que la partie formant aube 2a a une forme/préliminaire sur une longueur voulue.
L'ébauche creuse prend la forme D, montrée dans la figure 2.
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Suivant un autre procédé de fabrication, une ébauche pleine E, ayant la forme indiquée dans la figure 3, est préparée avec une partie formant aube 2b de la longueur requise; un trou 6a (voir fig. 3c) de la forme exigée, est alors formé longitudinalement dans la-partie formant aube 2b de l'ébauche E en forant deux trous 7 et 8 (voir fig. 3a) en pourvoyant ces trous de bouchons 7a et 8a et en forant un trou intermédiaire 9 (voir fige 3b); un trou de forme irrégulière est ainsi produit, qui peut recevoir sa forme définitive 6a (voir fig. 3c) par des opérations de fraisage, brochage, mandrinage, poinçor nage ou par autres procédés mécaniques ou manuels.
L'ébauche creuse prend alors la forme F, montrée dans la fig.4.
Ou encore, les trois trous 7, 8 et 9 peuvent être forés pour recevoir des pivots taraudés,de plus petits trous-guides étant d'abord forés aux centres appropriés.
Pour donner la coupe transversale désirable à la partie formant aube de l'ébauche creuse produite par l'une ou l'autre des méthodes ci-dessus (ou par toute autre méthode convenable), le creux 6 ou 6a est rempli d'une matière résistante 10, une section longitudinale à travers l'ébauche remplie G étant représentée en figure 5 et la partie remplie 2c de l'ébauche est allongée jusqu'à devenir une aube droite de coupe transversale uniforme, en la passant entre des cy- lindres ou matrices 12, 13, de préférence du même diamètre (voir fig. 6) ayant des intervalles dans la périphérie 12a et 13a pour la réception de la racine 3 d'une aube, le restant de la périphérie étant profilé (voir fig. 7) pour donner la section transversale voulue à l'aube.
Ou, on peut faire usage du procédé décrit dans la spécification du brevet britannique n 168. 636.
Avant que cette opération d'extension ne soit commencée, la tige 2c de l'ébauche peut, dans certains cas, être courbée latérale- ment, comme décrit dans la spécification du brevet britannique n 289.967.
La matière de remplissage 10 est alors enlevée pour donner comme résultat final du procédé (sans tenir compte de tout procédé de finissage, par exemple: meulage, polissage ou finissage à la
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machine comme indiqué ci-après) une aube avec racine H (voir fig.8), l'aube creuse proprement dite étant de la section transversale con- venable de réaction avec des parois 2d, 2e, d'une épaisseur suffisam- ment uniforme et d'une pièce avec sa racine 3.
Si l'aube est en acier inoxydable, qui est laminé à une tempé- rature d'environ 950 c et qui fond aux environs de 1500 c on peut très bien se servir de cuivre comme matière de remplissage, ce métal ayant un point de'fusion d'environ 1085 c de sorte qu'on peut promptement l'évacuer en soumettant l'aube remplie à une tempéra- ture d'environ 1100 c
En effilant le premier poinçon de la figure 1 dans les deux directions, si c'est nécessaire, comme en J (Fig.9), on verra que l'épaisseur des parois de l'ébauche qui en résulte K (fig.10) et de l'aube finie L (fig.ll) diminue graduellement de la racine au sommet, la forme extérieure de l'aube étant maintenue parallèle.
Ou. alternativement, une ébauche F avec trou parallèle 6a peut être formée comme décrit en ce qui concerne la figure 4 et un mandrin conique forcé dans le trou, de manière à faire évaser la partie for- mant aube de cette ébauche et à lui donner la forme M, montrée dans la figure 12; l'ébauche évasée M est alors forgée ou finie extérieu- rement à la machine, pour rétablir la forme parallèle extérieure et laisser intérieurement un trou cônique, comme indiqué en K (fig.10).
Tandis que le poids de l'aube est ainsi réduit avec une diminu- tion correspondante dans les efforts du rotor et des racines, la forme parallèle extérieure donne un passage à la vapeur entre les aubes, qui est très supérieur à celui obtenu avec les aubes pleines effilées extérieurement, de sorte que le rendement de l'aubage est amélioré.
Avec des vitesses supérieures aux sommets des aubes, il peut être nécessaire, dans certains cas, d'effiler les aubes extérieure- ment, ce résultat étant obtenu suivant une des formes, en préparant une aube creuse avec des parois relativement épaisses, telles qu'en F (fig. 4), de section transversale parallèle (ou effilée), de la manière décrite plus haut et en donnant ensuite à la machine', à la face concave et ou à la face convexe, ou aux deux faces, la forme
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extérieure effilée qu'on désire obtenir (voir aube N fig.13).
La disposition du métal dans l'aube dreuse finie peut être réglée en faisant varier la position et les proportions du creux dans l'ébauche de toute façon désirée.
Par exemple, en arrangeant le creux 6a dans la partie formant aube de l'ébauche (voir fig.l4) plus près d'un côté du rectangle de façon à prévoir une paroi épaisse 2f et une paroi mince 2g, les parois correspondantes 2h, 21 de l'aube qui en résulte 0 peu- vent recevoir des épaisseurs différentes comme montrées (voir fig.15)
Ou encore, dans le but de renforcer le mince bord extérieur de l'aube, et ou :
pour assurer une attache solide pour des boucliers contre l'érosion, si on les adapte sur les bords conduc- teurs, il peut être désirable de réduire la longueur du trou rec- tangulaire comme vue en section transversale (voir fig.16) relative- ment à celle de l'ébauche, de façon à prévoir un surcroit de métal 2k, pour la formation des bords d'une pièce, conducteurs et dééchap- pement 2m de l'aube résultante P.
Dans tous les procédés décrits, le trou axial 6 de l'ébauche peut en certains cas, passer non seulement à travers la partie for- mant aube 2, mais aussi à travers la partie formant racine 3 de l'ébauche Q (voir fig.18), ou alternativement, ou additionnellement, la dernière peut être allégée par l'enlèvement de métal par toute méthode convenable, telle que le forage de trous,soit axialement, soit transversalement, rainures, fraisage, creux etc.. Ainsi la figure 19 montre une ébauche R, dans laquelle deux trous axiâls d'allègement 3a sont indiqués dans la racine, tandis qu'en fig.20, la racine de l'ébauche S est allégée par un trou transversal 3b,
L'allégement de la racine peut être effectué soit avant soit après l'extension de la partie de l'ébauche formant aube.
Dans maintes formes de l'invention décrite, au lieu de percer un seul trou longitudinal, rectangulaire, circulaire ou autre dans l'ébauche, deux ou un plus grand nombre de trous parallèles ou co- niques, tels que 7 et 8 (fig.3a) peuvent être creusés à une profon- deur voulue, ou alternativement, deux ou un plus grand nombre de trous à la base peuvent se confondre en un seul au sommet.
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Suivant ce plan, une ou plusieurs nervures de métal 2n, dont on peut faire décroitre l'épaisseur depuis la racine jusqu'au sommet, s'étendront transversalement de la paroi convexe à la paroi concave de l'aube résultante T (voir fig.21) et serviront de raidisseurs effectifs.
Avec de tels procédés, on voit que l'épaisseur de chaque paroi de l'aube creuse résultante peut être rendue substantiellement uni- . forme, quoique l'épaisseur du côté concave et celle du côté convexe peuvent différer. De même, les épaisseurs peuvent varier sur toute longueur désirée de l'aube, par décroissement dans la direction .de la racine au sommet, l'une quelconque de ces formes étant obte- nue aisément, soit en formant l'ébauche avec un trou effilé, soit par un travail externe à la machine de la surface de l'aube, soit par une combinaison de ces deux méthodes.
Des aubes parallèles avec des parois d'une épaisseur uniforme peuvent encore être finies extérieurement à la machine.
Des aubes de turbine creuses, fabriquées comme décrit ci-dessus, ont toutes les caractéristiques désirables dans les aubes de rotor d'une turbine à vapeur marchant à de grandes vitesses périphériques, puisque l'aube proprement dite tient intégralement à sa racine, cette dernière qui est la partie soumise aux efforts les plus élevés étant d'une pièce, tandis qu'en vertu de la formation creuse de l'aube, le poids en est fortement réduit comparativement à celui d'une aube pleine du même contour extérieur et, conséquemment, les efforts sur la racine et sur le rotor de la turbine sont réduits dans une mesure correspondante.
Suivant une autre partie de l'invention, les aubes creuses sont fabriquées en longues barres de profil uniforme, par exemple la section à réaction, et découpées en longueurs appropriées pour former les aubes mêmes.
De pareilles aubes en barres, suivant une forme, sont produites en partant d'une billette circulaire U (fig.22-23), à travers la- quelle un trou axial 14 a été foré concentriquement (ou excentrique- ment). Le trou 14 est alors rempli de cuivre ou toute autre matière 15, qui peut être retenue en place par un bouchon 16, la billette
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composée étant ramenée à une section rectangulaire par laminage ou pressage dans des directions alternativement à angles droits.
La billette rectangulaire ainsi formée avec le même noyau à profil plus ou moins rectangulaire convenablement rempli, est alors passée entre des cylindres profilés pour lui donner la section re- quise et la matière de remplissage enlevée, pour lui donner une longueur d'aubage creuse V, comme montrée dans les figures 24 et 24a.
Alternativement une longueur d'aubage peut être laminée direc- tement d'une billette de section transversale circulaire, sans réduction préalable à la forme rectangulaire.
L'aubage en barres ainsi produit peut avoir des parois d'une épaisseur suffisamment uniforme avec beaucoup de métal disponible pour former les bords d'admission ou d'échappement, ou l'épaisseur des deux parois peut différer comme déjà expliqué.
De tels aubages en barres peuvent aussi être formés avec des dispositifs de renforcement transversal comme décrit plus haut.
Une méthode semblable de fabrication peut être appliquée dans le cas d'une ébauche ayant une partie creuse formant racine et une racine intégrale. Ainsi l'aube W (voir fig. 25 et 26) comprend une racine 17 et une partie tubulaire, à section circulaire, formant aube, ayant des parois 18 et un creux 19 placé excentriquement.
Comme décrit ci-dessus, la partie formant aube d'une telle ébauche peut être ramenée à une section transversale sensiblement rectangu- laire et ensuite allongée pour donner la section transversale dési- rée, par tout moyen convenable, ou l'aube peut être allongée direc- tement en partant de l'ébauche de section circulaire.
Suivant une méthode modifiée pour fabriquer les aubages en barre, un tube étiré d'une pièce 20 (voir fig. 27) de section trans- versale circulaire est soumis à une compression latérale.
Suivant une méthode, une matrice 21 (voir fig.27 et 28) de lon- gueur considérable et correspondant, disons à la face convexe de l'aube, est prévue; cette matrice co-opère avec un rouleau, profilé de façon à conformer avec la face concave requise pour l'aube.
La matrice 21 et le rouleau 22 sont alors mis en mouvement relatif dans une direction longitudinale, les deux parties se rap-
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-prochant graduellement jusqu'à ce qu'un degré suffisant de compres- sion latérale ait été effectué pour donner la section transversale de l'aube désirée (voir fig. 29).
En général dans ce procédé, aucun remplissage n'est requis, mais les dimensions du tube étiré d'une pièce doivent être déter- minées d'avance avec précision, de façon à remplir exactement la matrice lors de l'opération finale, la compression au delà de cette limite pouvant donner lieu à des bouclages ou autres irrégularités.
Suivant une méthode modifiée, le tube étiré d'une pièce peut être rempli d'une matière convenable, quelquefois d'une nature plastique et passé en grandes longueurs entre des cylindres profilés pour donner la section transversale nécessaire, le remplissage maté- riel étant subséquemment enlevé et le tube creux taillé à des lon- gueurs d'aube convenables.
Dans les deux méthodes décrites, on s'apercevra que l'ébauche est comprimée latéralement, sans extension longitudinale ou avec une extension qu'on peut négliger.
Il est désirable, quelle que soit la méthode adoptée pour la compression latérale, que la courbure transversale de la partie de l'ébauche qui devra former la face convexe de l'aube, soit plus forte que celle de l'aube finie, de façon que l'aire de contact entre l'ébauche et la matrice, qui d'abord sera le long d'une bande étroite longitudinale, s'élargisse latéralement avec le progrès de l'opération de compression.
Une autre partie de cette invention se rapporte aux méthodes d'attache de telles aubes en barreaux creux à leurs racines.
Suivant un certain plan, une longueur d'aube creuse X (comme en fig..24) est fixée à sa racine 23, par un procédé de soudure par rapprochement la longueur. d'aube, ou bien aboutissant contre une face 23a de la racine (voir fig.30) ou la racine 23 étant formée avec un bouchon en saillie 23b pour s'ajuster dans le creux de l'aube (voir fig.31).
Suivant une autre méthode (voir fig. 32 et 33), des sections de racines 24, 25 sont prévues ou bien sur le côté concave,convçxe ou sur les deux faces de,l'aube creuse, avec ou sans bouchon cen-
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-tral 26, ajusté dans l'aube à l'extrémité de la racine. Les parties ainsi assemblées peuvent être alors soudées ou brasées par tout pro- cédé convenable.
Là où des cannelures, telles que 27, sont pourvues pour fixer les racines au rotor ou stator, de telles cannelures passent à tra- vers les deux parois de l'aube ou à travers au moins les bords pleins de celle-ci et, de plus, traversent la section ou les sec- tions 24,25 et le bouchon 26.
La matière de remplissage peut être un métal avec un point de , fusion plus bas que celui du métal de l'aube, de sorte que lorsque le laminage est terminé, on peut faire sortir le noyau par fusion.
Le cuivre a été trouvé convenable et commode en conjonction avec le métal ordinaire pour les aubes, à savoir l'acier inoxydable, parce que son point de fusion est au-dessus de la température de laminage, mais en dessous de celle du fusion du métal à aubes.
D'autres métaux ou alliages peuvent, cependant, être utilisés de la même façon.
Alternativement le métal de remplissage peut être une substance non métallique, telle que du sable, ou du sable mélangé à une huile convenable, qui peut être désintégrée pour qu'on l'enlève de l'aube laminée. Avec ce type de remplissage, les extrémités de l'ébauche creuse doivent être bouchées avec du cuivre ou autre matière sem- blable pour retenir la matière pendant le procédé de laminage décrit ci-dessus.
Quand les aubes creuses sont utilisées pour l'échappement des particules d'eau tenues en suspens dans la vapeur, des perforations peuvent être faites à travers leurs parois à des points appropriés.
Des aubes faites suivant les conditions de la présente inven- tion, peuvent comme il en a déjà été question, recevoir une légère torsion autour d'un axe longitudinal ou à peu près,.préférablement avant de retirer la matière de remplissage, s'il en existe.
Il est bien entendu que les méthodes illustratives de fabrica- tion d'aubages creuses décrites ci-dessus, ne sont pas restreintes à des aubes du type à réaction, mais sont également applicables aux @ aubes à impulsion ou autre type ou aux vannes utilisées dans les
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ajutages de diaphragmes des turbines à impulsion, les aubes creuses ou vannes différant d'autres proposées antérieurement en ce qu'elles sont sans soudure, tandis qu'en même temps, l'épaisseur de chaque 'paroi pour toute section transversale donnée peut être rendue subs- tantiellement uniforme, ou réglée comme épaisseur au point voulu.
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IMPROVEMENTS IN THE MANUFACTURE OF AUBES SUITABLE FOR STEAM TURBINES. COMPRESSORS AND OTHER SIMILAR APPARATUS
The invention relates to the manufacture of blades suitable for steam turbines, compressors and other similar apparatus, generally referred to as turbine blades or blades.
In such applications, the rotor blades are, in certain cases, exposed to very powerful centrifugal forces and it has been proposed to reduce the resulting stresses on the blades and the rotors by the use of hollow blades.
With the same object of reducing weights, solid vanes have sometimes been tapered over all or part of their length, in the direction from root to tip, such tapered vanes usually being used only towards the tip. low pressure of the turbine where the peripheral speeds reach their maximum.
It has also been proposed to provide hollow vanes, either of the type for a rotor or for a stator, in view of the need to purge.
As far as we know, in all such proposals, involving the use of curved blades, or a blade
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solid was provided with a machine notched hollow, or the vane was constructed of sheet metal and the joints were obtained by welding or otherwise. These two methods of forming hollow vanes, however, have proved unsatisfactory in practice, and the main object of the present invention is to provide improved methods for the manufacture of hollow vanes which will be free from such objections.
For this purpose:
The present invention is summed up in a method of manufacturing turbine blades of the kind indicated, which consists of a suitable deformation of a tubular blank without a seal, with or without an integral root.
The invention also consists of a method of manufacturing turbine blades, as explained in the previous paragraph, in which the tubular blank after being filled with a resistant body is stretched longitudinally, as in a rolling process. .
The invention further comprises, in a modified form of the process according to the present invention, the use of a tube serving as a blade blank and preferably of circular section, which is deformed to take the shape of the blade. blade finished by lateral compression without substantial elongation.
The invention further includes the improved methods of making blanks and blades with integral roots; blade blanks with integral roots and the seamless hollow blade thus produced, either parallel or with internal or external taper, as described or indicated below.
Referring to the attached drawings which form part of the specification and are diagrammatic in nature,
Figure 1 shows in perspective one form of apparatus for producing a hollow blade using a punch and die.
Figure 2 shows a similar perspective view of the resulting hollow blank.
FIG. 3 gives a perspective view of a shape of a solid blade blank, before it has been given a hollow shape.
Figure 3a gives an end view of the blank, with two
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holes drilled along the length, in the part which gives the shape to the blade.
Figure 3b gives a similar view which shows the addition of a third hole and
Figure 3c is a similar view showing the final shape of the hole in the portion of the blank forming the vane, while
Figure 4 shows a corresponding longitudinal section of the blank produced.
Figure 5 shows a longitudinal section of a tubular blank filled with strong material.
Figure 6 shows, in exterior elevation, a filled tubular blank, about to be passed between two interrupted flute rolls, Figure 7 being a cross section between the profiled surfaces of the rolls.
Figure 8 shows in elevation a tubular hollow blade, in one piece with its root, Figure 8a being a corresponding end view.
Figure 9 shows a form of a tapered punch.
Figure 10 shows a longitudinal sectional elevation of a blank form with thinning walls upwards, Figure 10a being a corresponding end view of the vane portion of the blank.
Figure 11 gives an elevation in longitudinal section of a hollow blade of a piece with its root, the blade itself being parallel on the outside with walls of decreasing thickness from the root to the top, the figures 11a and 11b being corresponding sections on lines AB and CD of FIG. 11.
Figure 12 shows a flared hollow blank with walls of uniform thickness.
Figure 13 shows an elevation in longitudinal section of a hollow blade, in one piece with its root, the blade itself being internally parallel with walls of decreasing thickness from the root to the top, Figures 13a and 13b being corresponding sections respectively on the lines EF and GH of figure 13.
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Fig. 14 shows an end view of the vane portion of a blank in which the recess is moved to one side.
Figure 15 shows a cross section of the resulting vane.
Fig. 16 shows an end view of the blade portion of a billet, in which the length of the rectangular recess as a sectional view is relatively small.
Figure 17 shows a cross section of the resulting vane with extra metal on the ridges.
FIG. 18 gives a longitudinal section of a hollow blank in which the hollow passes through both the parts forming the blade and the root of the blank.
Figure 19 gives a similar view of a blade blank in the root portion is lightened by means of an axial hole and Figure 20 a perspective view, the lightening hole of which is drilled transversely. a section, a section Figure 21 shows across a hollow blade provided with a transverse rib of metal, acting as a stiffener.
Figure 22 shows a sectional elevation of a tubular, filled and plugged circular blank.
Figure 23 gives a corresponding end view.
Figure 24 is a longitudinal elevational view of a length of rootless hollow blade, Figure 24a being a corresponding cross-sectional view.
FIG. 25 shows in longitudinal elevation the view of a blade blank having a root coming from one piece, in which the hollow part forming the blade is circular.
Figure 26 is a corresponding cross section on line J-K of Figure 25.
Figure 27 is an end view and Figure 28 a corresponding side view of a co-active cylinder and die, suitable for lateral compression of a stretched tube.
Figure 29 gives a cross section of a section of the resulting strip of hollow blades.
Figure 30, an exterior elevation of a length of sheet
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blade, welded to one side of its root.
Figure 31 shows a corresponding view in which the root is provided with a plug fitting into the hollow of the blade, while finally Figure 32 gives an exterior view of a length of blade sheet. the root of which is secured between sections, Figure 33 being a cross section on the line MN of Figure 32.
Use is preferably made in the figures of the same reference symbols to designate corresponding parts.
In carrying out the invention in a form applicable to the blades of a reaction steam turbine, a blank is formed A.
(fig.l) having a portion forming a blade 2 of rectangular section and a portion widened laterally to form the root 3, adjoining it in one piece, such portions forming blades and roots being connected by a thread 4, of the species described in British Specification No. 306182.
This blank can be very conveniently hot pressed from a rectangular billet, according to the method described. in the provisional specification accompanying the British patent application No 8871, of the same date as that hereof.
According to one method of process, the preform A, thus formed and at a suitable temperature, is suitably held in a multi-part die B, the vane part 2 being enclosed in an elongated cavity 5, in the die or mold of similar cross section and a shaping punch C, also of rectangular section, the corners of which can be rounded, is forced longitudinally into the vane part 2 of the blank A from one end with the sides of the two rectangles approximately para - llèles;
the metal of the billet is thus forced by an expelling action to enter the annular space between the punch C and the mold B, thus extending the vane portion of the blank A to the length 2a (see fig. 2) by giving it a hollow 6, of tubular so that the blade part 2a has a preliminary shape over a desired length.
The hollow blank takes the form D, shown in figure 2.
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According to another manufacturing process, a solid blank E, having the shape shown in Fig. 3, is prepared with a blade portion 2b of the required length; a hole 6a (see fig. 3c) of the required shape is then formed longitudinally in the blade-forming part 2b of the blank E by drilling two holes 7 and 8 (see fig. 3a) providing these holes with plugs 7a and 8a and by drilling an intermediate hole 9 (see figure 3b); a hole of irregular shape is thus produced, which can receive its final shape 6a (see FIG. 3c) by milling, broaching, mandrelling, punching operations or by other mechanical or manual processes.
The hollow blank then takes the form F, shown in fig. 4.
Alternatively, the three holes 7, 8 and 9 can be drilled to receive threaded pivots, with smaller guide holes first being drilled at the appropriate centers.
To provide the desirable cross section to the vane portion of the hollow blank produced by either of the above methods (or any other suitable method), the hollow 6 or 6a is filled with a material. 10, a longitudinal section through the filled blank G being shown in figure 5 and the filled part 2c of the blank is elongated to become a straight blade of uniform cross section, passing it between cylinders or dies 12, 13, preferably of the same diameter (see fig. 6) having gaps in the periphery 12a and 13a for receiving the root 3 of a blade, the remainder of the periphery being profiled (see fig. 7) to give the desired cross section at dawn.
Or, use may be made of the method described in the specification of British Patent No. 168, 636.
Before this stretching operation is started, the preform rod 2c may in some cases be bent sideways, as described in British Patent Specification No. 289,967.
The filler 10 is then removed to give as the final result of the process (regardless of any finishing process, for example: grinding, polishing or hand finishing.
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machine as shown below) a blade with root H (see fig. 8), the hollow blade proper being of suitable reaction cross section with walls 2d, 2e, of sufficiently uniform thickness and a piece with its root 3.
If the blade is made of stainless steel, which is rolled at a temperature of about 950 ° C and melts at around 1500 ° C, copper can very well be used as a filler, this metal having a point of ' melting of about 1085 c so that it can be quickly evacuated by subjecting the filled vane to a temperature of about 1100 c
By tapering the first punch of figure 1 in both directions, if necessary, as in J (Fig. 9), it will be seen that the thickness of the walls of the resulting blank K (fig. 10) and the finished vane L (fig.ll) gradually decreases from root to apex, the outer shape of the vane being kept parallel.
Or. alternatively, a blank F with parallel hole 6a can be formed as described with regard to figure 4 and a conical mandrel forced into the hole, so as to flare the vane-forming part of this blank and to give it the shape M, shown in Figure 12; the flared blank M is then forged or finished on the outside of the machine, to reestablish the external parallel shape and to leave a conical hole inside, as indicated in K (fig.10).
While the weight of the blade is thus reduced with a corresponding reduction in the forces of the rotor and the roots, the external parallel shape gives a passage to the vapor between the blades, which is much greater than that obtained with the blades. full tapered outwardly, so that the performance of the blade is improved.
With higher speeds at the tops of the blades, it may be necessary, in some cases, to taper the blades externally, this result being obtained in one of the shapes, by preparing a hollow blade with relatively thick walls, such as in F (fig. 4), of parallel (or tapered) cross section, in the manner described above and then giving the machine ', the concave face and / or the convex face, or both faces, the shape
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tapered exterior that you want to obtain (see blade N fig. 13).
The arrangement of the metal in the finished dropping vane can be adjusted by varying the position and proportions of the depression in the blank in any way desired.
For example, by arranging the recess 6a in the vane portion of the blank (see fig.l4) closer to one side of the rectangle so as to provide a thick wall 2f and a thin wall 2g, the corresponding walls 2h, 21 of the resulting vane 0 can be given different thicknesses as shown (see fig. 15)
Or, in order to strengthen the thin outer edge of the blade, and or:
to ensure a strong attachment for erosion shields, if they are fitted to the conductive edges, it may be desirable to reduce the length of the rectangular hole as viewed in cross section (see fig. 16) relative- ment to that of the blank, so as to provide an additional metal 2k, for the formation of the edges of a part, conductors and 2m exhaust from the resulting blade P.
In all the methods described, the axial hole 6 of the blank may in some cases pass not only through the blade forming part 2, but also through the root part 3 of the blank Q (see fig. 18), or alternatively, or additionally, the latter can be lightened by removing metal by any suitable method, such as drilling holes, either axially or transversely, grooves, milling, hollows etc. Thus figure 19 shows a blank R, in which two axial relief holes 3a are indicated in the root, while in fig. 20, the root of the blank S is lightened by a transverse hole 3b,
The root relief can be done either before or after the extension of the vane portion of the blank.
In many forms of the invention described, instead of drilling a single longitudinal, rectangular, circular or other hole in the blank, two or more parallel or conical holes, such as 7 and 8 (fig. 3a) can be dug to a desired depth, or alternatively two or more holes at the base can merge into one at the top.
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Following this plane, one or more metal ribs 2n, the thickness of which can be made to decrease from the root to the top, will extend transversely from the convex wall to the concave wall of the resulting blade T (see fig. 21) and will serve as effective stiffeners.
With such methods, it is seen that the thickness of each wall of the resulting hollow vane can be made substantially uniform. shape, although the thickness of the concave side and that of the convex side may differ. Likewise, the thicknesses can vary over any desired length of the blade, by decreasing in the direction from root to top, any of these shapes being readily obtained, or by forming the blank with a hole. tapered, either by working the surface of the blade outside the machine, or by a combination of these two methods.
Parallel vanes with walls of uniform thickness can still be finished externally on the machine.
Hollow turbine blades, made as described above, have all of the characteristics desirable in the rotor blades of a steam turbine operating at high peripheral speeds, since the blade itself is held entirely by its root, the latter. which is the part subjected to the highest forces being in one piece, while by virtue of the hollow formation of the vane, the weight is greatly reduced compared to that of a solid vane of the same outer contour and, consequently, the stresses on the root and on the turbine rotor are reduced to a corresponding extent.
According to another part of the invention, the hollow vanes are made into long bars of uniform profile, for example the reaction section, and cut into suitable lengths to form the vanes themselves.
Such shaped bar vanes are produced starting from a circular billet U (Fig. 22-23), through which an axial hole 14 has been drilled concentrically (or eccentrically). The hole 14 is then filled with copper or any other material 15, which can be held in place by a plug 16, the billet
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compound being reduced to a rectangular section by rolling or pressing in directions alternately at right angles.
The rectangular billet thus formed with the same core with a more or less rectangular profile suitably filled, is then passed between profiled rolls to give it the required section and the filling material removed, to give it a hollow blade length V , as shown in Figures 24 and 24a.
Alternatively, a length of blade can be rolled directly from a billet of circular cross-section, without prior reduction to the rectangular shape.
The bar vane thus produced may have walls of a sufficiently uniform thickness with a lot of metal available to form the intake or exhaust edges, or the thickness of the two walls may differ as already explained.
Such bar vanes can also be formed with transverse reinforcement devices as described above.
A similar method of manufacture can be applied in the case of a blank having a hollow root portion and an integral root. Thus the vane W (see FIGS. 25 and 26) comprises a root 17 and a tubular part, of circular section, forming a vane, having walls 18 and a hollow 19 placed eccentrically.
As described above, the vane portion of such a blank may be reduced to a substantially rectangular cross section and then lengthened to give the desired cross section, by any suitable means, or the vane may be elongated. directly starting from the blank of circular section.
According to a modified method of making bar blades, a one-piece stretched tube 20 (see Fig. 27) of circular cross-section is subjected to lateral compression.
According to one method, a die 21 (see fig. 27 and 28) of considerable length and corresponding, say, to the convex face of the blade, is provided; this die co-operates with a roller, profiled so as to conform with the concave face required for the blade.
The die 21 and the roller 22 are then set in relative movement in a longitudinal direction, the two parts are compared.
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- gradually approaching until a sufficient degree of lateral compression has been effected to give the desired blade cross section (see fig. 29).
In general in this process, no filling is required, but the dimensions of the stretched tube of a part must be pre-determined with precision, so as to fill the die exactly in the final operation, the compression. beyond this limit which may give rise to closures or other irregularities.
According to a modified method, the drawn tube of one piece can be filled with a suitable material, sometimes of a plastic nature and passed in great lengths between profile rolls to give the necessary cross-section, the material filling subsequently being removed and the hollow tube cut to suitable blade lengths.
In the two methods described, it will be seen that the blank is compressed laterally, without longitudinal extension or with an extension which can be neglected.
It is desirable, whatever the method adopted for the lateral compression, that the transverse curvature of the part of the blank which is to form the convex face of the blade, be greater than that of the finished blade, so that the area of contact between the blank and the die, which at first will be along a narrow longitudinal strip, widens laterally with the progress of the compression operation.
Another part of this invention relates to methods of attaching such hollow bar blades to their roots.
According to a certain plane, a length of hollow blade X (as in fig..24) is fixed at its root 23, by a method of welding by approximating the length. blade, or terminating against a face 23a of the root (see fig. 30) or the root 23 being formed with a projecting plug 23b to fit into the hollow of the blade (see fig. 31).
According to another method (see Figs. 32 and 33), root sections 24, 25 are provided either on the concave side, convection or on both sides of the hollow blade, with or without a central plug.
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-tral 26, fitted in the blade at the end of the root. The parts thus assembled can then be welded or brazed by any suitable process.
Where splines, such as 27, are provided to secure the roots to the rotor or stator, such splines pass through both walls of the vane or at least through the solid edges of the vane and, plus, pass through section or sections 24,25 and plug 26.
The filler material can be a metal with a lower melting point than the blade metal, so that when the rolling is complete, the core can be melted out.
Copper has been found suitable and convenient in conjunction with common metal for blades, namely stainless steel, because its melting point is above the rolling temperature, but below that of melting the metal. paddle steamer.
Other metals or alloys can, however, be used in the same way.
Alternatively the filler metal can be a non-metallic substance, such as sand, or sand mixed with a suitable oil, which can be disintegrated for removal from the rolled blade. With this type of filling, the ends of the hollow blank must be plugged with copper or the like to retain the material during the rolling process described above.
When the hollow vanes are used for the escape of water particles held in suspension in the steam, perforations can be made through their walls at suitable points.
Blades made according to the conditions of the present invention may, as already discussed, receive a slight twist about a longitudinal axis or so, preferably before removing the filling material, if exist.
It is understood that the illustrative methods of manufacturing hollow blades described above are not restricted to reaction type blades, but are also applicable to impulse or other type blades or to valves used in. the
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impulse turbine diaphragm nozzles, the hollow vanes or valves differing from others previously proposed in that they are seamless, while at the same time the thickness of each wall for any given cross section can be made substantially uniform, or set as the thickness at the desired point.