CN100400222C - 用于涡轮机的中空叶片的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机的中空叶片(1)的制造方法，其中该叶片(1)由外部初始部件(28，30)获得的预制件(14)而制成。为了降低成本，叶片的根部(2)由完全位于预制件(14)的两个外部初始部件中的一个上的剩余材料(34)所形成。

Description

用于涡轮机的中空叶片的制造方法
技术领域
本发明通常涉及一种用于涡轮机的叶片的制造方法，如中空风机叶片，或用于涡轮机的任何其它类型的转子或定子叶片。
背景技术
通常地，用于涡轮机的中空风机叶片包括相对较厚的根部，该根部用来将该叶片固定到转盘(叶轮)上，该根部在称为叶片端部的较薄的流线型部分径向向外延伸。
现有技术中已知的该中空叶片的制造方法(参见第US-A-5 636440号专利)主要是利用扩散连接技术和超塑成型技术的结合完成。在现有技术的该方法中，首先限定叶片的两个或三个组成部件，然后在通过扩散连接技术将其相互堆叠和组装之前，对各组成部分分别进行加工，以便获得所需的叶片预制件。
在下一步中，形成之前预制的预制件的流线型轮廓，接着通过气体压力膨胀并经历超塑性成型，以获得基本具有最终形状的叶片。
如上所述，为了形成叶片预制件，需要至少两个外部部件。该外部部件通常通过机加工供给件而形成。由于这两个机加工的外部部件中的每一个都必须具有两个径向相对的、明显厚度不同的部分，所以用来加工外部部件的这两个部分分别称为根部和端部，并且该获得的元件必须具有相对较大的初始尺寸。
还有一种是采用厚板制造初始部件的方法，例如通过机加工制造的方法。然而该厚板具有比较粗糙的微观结构。
另一种用于改善叶片微观结构的方法是，采用薄板来制造初始部件，然后将这些薄板连接到一起以形成两板或三板组件，然后重叠起来以形成根部。然而，该方法由于热翘曲准则而受到限制；预制件的厚度必须比加工成根部所需长度的三分之一要厚。因此叶片根部的几何尺寸不可能需要很大体积的材料。
这样，至少部分形成叶片预制件的外部部件的加工，例如通过滚压进行，将会产生非常高的材料成本和机加工成本，因此，这种加工中空叶片的方法不是最优选的。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于涡轮机的中空叶片的制造方法，其能够至少部分地解决上述诸多问题。
更确切地说，根据其中的一个方面，本发明涉及一种中空叶片的制造方法，其中制造叶片预制件的外部部件的步骤与现有技术相比可显著地降低制造成本。
特别地，仅初始外部部件中的一个具有复杂的形状；预制件的根部，即将来的叶片根部，完全由该第一初始部件所形成，因此，该部分在其端部具有足够的剩余材料来形成完整的根部，换句话说，所有部件突出超过端部的延伸部分。因此，材料被部分地转移到朝向叶片中心线的另一侧。优选地，该初始部件进行锻造。
方便地，另一个外部初始部件是大体上具有片状金属件的形状、且易于以合理成本进行机加工的简单元件。也可机加工形成第三初始部件，以形成预制件的中心支撑件或增强件。
方便地，预制件的扩散连接之后进行超塑性成型，以制作该叶片本身。超塑性成型可通过预制件的流线型仿形切削以及通过气体压力膨胀(inflation)来进行。
根据本发明的方法优选地包括翻倒位于第一外部初始部件上的剩余材料以形成对称的根部的步骤。该步骤可通过锻造，优选地可通过热锻造来完成。可以在扩散连接之后进行翻倒，例如在预制件的流线型仿形切削(aerodynamic profiling)的过程中进行翻倒。
附图说明
通过阅读以下参照附图的描述，本发明的特征和优点将会更加容易理解，其中附图仅用于说明本发明而非用于限定本发明，其中：
图1示出了用于涡轮机的普通中空叶片；
图2示出了在扩散连接之后获得的或模制的、用于限定初始部件的叶片预制件；
图3为预制件的所有部件的立体示意图；
图4为翻倒剩余材料的操作的示意图；以及
图5A和5B示出了根据本发明的一个实施例的通过锻造实现的翻倒过程。
具体实施方式
图1示出了用于涡轮机(未示出)的带有大弦的风机转子叶片类型的中空叶片1。该具有复杂几何形状类型的叶片，例如由钛或钛合金(例如TiALV)制成，包括通过端部4沿径向延伸的根部2。端部4设计为放置在涡轮机气流的循环环形通道内，并具有两个外部表面，分别被称为压力面6和吸力面8，这两个表面通过前边10和后边12连接。
优选采用SPF/DB(超塑性成型/扩散连接)方法来制造该复杂的轮廓。
不管采用哪种方法，第一步包括模制叶片1的轮廓以获得预制件，该预制件可以通过连接初始部件而获得；压力面6和吸力面8，或它们的图示置于同一平面上。该操作可通过使用CAD(计算机辅助设计)工具来模拟实现，例如通过收缩之后的扭曲以及“矫直”以得到如图2所示的预制件。
该预制件14包括根部16，根部16通过端部18在径向延伸。参照图2所示，根部16设置有具有较大平均厚度E的部分20，该具有较大平均厚度的部分从由端部18的表面及其延伸部分所限定的表面的两侧突出，其中该延伸部分还被称为预制件14的AA面。值得注意的是，由于两个突出部分22a和22b位于沿着端部18的延伸部分设置的中心部分22c的两侧，因此突出部分20在随后用于将叶片连接到涡轮转盘上。
预制件14的端部18具有厚度为e的径向内端24和厚度为e’的径向外端26，其中厚度e’通常比厚度e要小。然而，预制件14的端部18的厚度变化不大，厚度e和e’之间的差别在图2中被放大了。
限定各初始部件以能够制造预制件14(用于中空叶片1的该预制件应该是“可膨胀的”，因此不可以由单个部件制造)，并将其连接在一起。可以采用不同的方式限定初始部件，如文献US-A-5 636440中所述的，最明确的沿着中心面BB的纵截面来限定。然而，该方案的主要缺陷在于，不得不对至少两个具有复杂轮廓的部件(一个包括部分22a的部件和另一个包括根部16的部分22b的部件)进行机加工。
根据本发明，仅一个初始部件具有复杂的轮廓，并且将要被翻倒(tipped over)的、用于形成根部16所需的材料仅位于预制件14的平面AA的一侧上，它延长了端部的外表面。因此，如图3所示获得了两个外部的初始部件，即，第一外部初始部件30，具有或多或少为板状的端部32，在其端部具有剩余材料34；第二外部初始部件28，其或多或少为板状。第一和第二外部初始部件28、30可随意用于压力面6或吸力面8。
取决于叶片的尺寸、施加在叶片上的压力等可限定第三初始部件36，通过将其插入到两外部部件28、30之间以作为预制件的增强件。该支撑部件36也或多或少为板状。
或多或少为板状的部件意味着该部件相对于其长度和宽度较薄，并具有基本均匀的厚度，优选地，该厚度为2mm至8mm的范围内，优选为5mm。如果用于其制造的供给元件可以容易地制造为具有与这些部件的最终尺寸基本相等的尺寸，则滚压制造技术尤其适用于这些部件28、36，并且根据材料和机加工成本进行优化。
第一初始部件30也可由板件制成，优选具有厚的坡度或锻造部分，或其他任何具有所要求特征的形状。对本领域的技术人员来说，任何已知技术都可用于对部件本身进行机加工。然而，为了优化叶片的性能和微观结构，优选地采用锻造技术，从而能够加工出具有优异微观结构性能的初始部件30。
一旦制成，外部初始部件28、30组装成坯件38，并固定在一起，其中还可能具有一个初始支撑部件36，用于增强中空结构。优选地，通过扩散连接将这些部件连接在一起。
在连接之后，剩余材料34仅位于坯体38的一侧，该侧相对于其他地方显然是平面。然后，将剩余材料34部分地转移到第二初始部件28的另一侧，以便将叶片1的根部2的质量分配到叶片1的两侧上(即，将预制件14的根部16的质量分配至端部18的两侧上)；因此，图4示出了多余材料40从坯件38的平面AA的一侧转移到另一侧，以形成翻倒的材料42的突起，其形成预制件14和叶片1的根部16的完整部分。
根据一个优选实施例，“翻倒”通过锻造进行，优选地在冲压装置上通过热成型热压，例如，在850℃至950℃之间，特别是在已知的冲压型锻造装置上进行。
图5示出了一个实施例。通过初始部件28、30的连接(参照图3)而获得的、且不对称但具有接合面44的坯件38插入到包括两个方便加热的冲模46、46’的冲压装置中。每一个冲模都设置有“土耳其帽”形状的凹槽48、48’，这些凹槽有助于正确地定位坯件38，也便于加热。优选地，将冲模46以促进材料软纤维化的方式闭合。在步骤的最后，将最初位于上凹槽48上的材料40填入到下凹槽48’中。不同于图4所示，而是如图5B所示，可以看到接合面44也发生了移动。
在将材料翻倒的同时，或在这之后，预制件14方便地进行流线型仿形切削。
然后将可能具有空气动力学轮廓(流线型轮廓)的预制件机加工以形成叶片1。该步骤优选地通过根据SPF/DB中的已知条件应用气体压力和超塑性成型来进行。
因此，根据本发明的方法，对于两外部部件中的至少一个部件和可能会有的中心部件，仅有一个复杂的供给元件包括用于叶片根部的剩余材料，因此以简单元件(例如，板件)开始制作叶片和叶片预制件成为可能；值得注意的是，该种复杂部件的制造只占叶片成本的40％以上。因此，制造成本显著地下降；只有一个部件产生材料浪费以及需要进行复杂的机加工。

Claims (10)

1.一种用于涡轮机的中空叶片(1)的制造方法，所述中空叶片包括根部(2)和端部(4)，所述方法包括：
用于制造至少两个外部初始部件(28，30)的步骤；
将所述两个外部初始部件扩散连接以制造叶片预制件(14)的步骤，所述叶片预制件具有限定出所述预制件的平面(AA，A’A’)的端部(18)以及根部(16)；
其特征在于，用于制造所述两个外部初始部件的步骤包括第一初始部件(30)的制造，所述第一初始部件包括：端部(32)，和在所述第一初始部件(30)一端的、突出超过所述预制件的平面(AA)中的一个的剩余材料(34)，所述剩余材料(34)使得所述预制件(14)的所述根部(16)由所述剩余材料(34)形成。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述第一初始部件(30)的制造包括供给元件的锻造。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其中，所述用于制造所述两个外部初始部件的步骤包括近似片状金属件形式的第二外部初始部件(28)的制造。
4.根据权利要求1所述的制造方法，包括在将所述两个外部初始部件(28，30)扩散连接以形成所述预制件(14)的根部(16)之后，翻倒所述剩余材料(34)的步骤。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其中，翻倒所述根部的操作通过锻造来实现。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其中，翻倒所述根部的操作通过在850℃到950℃之间进行热成型来实现。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其中，通过扩散连接以组装所述两个外部初始部件(28，30)的步骤之后进行所述预制件(14)的通过气体压力膨胀以及超塑性成型的步骤。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其中，在所述预制件(14)的流线型仿形切削之前进行膨胀。
9.根据权利要求8所述的制造方法，包括在所述预制件(14)的流线型仿形切削的同时翻倒所述剩余材料(34)。
10.根据权利要求1所述的制造方法，包括第三初始支撑部件(36)的制造，所述预制件(14)由围绕所述第三初始支撑部件(36)的所述两个外部初始部件(28，30)所构成。
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