CN100584513C - 用于涡轮机的中空叶片的初始部件的制造方法及圆柱形环状物的应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮机的中空叶片的制造方法，其中，叶片通过由外部初始部件制成的预制件而制造。包括根部的每一个初始部件通过平整从环状物(30)获得的毛坯(42)而形成，其中，该环状物具有较大的直径(d)，且设置有突出部(32)，根据本发明的方法可降低成本。

Description

用于涡轮机的中空叶片的初始部件的制造方法及圆柱形环状物的应用方法

技术领域

本发明通常涉及涡轮机叶片的制造方法，该涡轮机叶片例如可以是中空风机叶片或者用于涡轮机或动力装置上的任何其他类型的转子或者定子叶片。

背景技术

用于涡轮机的中空风机叶片通常包括相对较厚的根部，该根部用于将叶片固定到转子盘上，该根部通过称为叶片翼面的较薄的流线型部件(具有符合动力学轮廓的部件)而径向向外延伸。

现有技术(例如，参见第US-A-5 636 440号美国专利)描述了一种主要是利用扩散结合技术与超塑成型技术相结合来制造该中空叶片的方法。在根据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，然后为了获得一个所需的叶片预制件，在利用扩散结合技术将其相互重叠和组装之前，对各组成部件分别进行加工。

下一个步骤为形成先前制造的预制件的流线型轮廓，并随后通过施加气体压力使预制件膨胀并对该预制件进行超塑成型，以在进行最后机加工之前，形成基本具有最终形状的叶片。

如上所述，叶片预制件的制造包括制造至少两个外部初始部件的步骤。通常地，外部部件是通过初始部件的机加工毛坯而形成。两个机加工外部部件中的每一个都具有两个径向相对的、且厚度完全不同的部分，其中厚的根部用于将叶片固定到转子盘中，而薄的流线型翼面部件从根部朝向外端部径向延伸。

已经提出了各种不同的技术用于制造这些外部部件。例如，文献US-A-3 858 428中披露了一种方法，其中两个部分重叠的板件滚压，从而在板件没有重叠的部分可获得其中的较厚的部件。

文献US-A-5 711 068描述了一种方法，其包括由比预制件(从根部到翼面部)长的金属材料制造平行六面体形状的部件，该金属材料的厚度与根部件的厚度近似相同。之后，将每一个平行六面体倾斜切割以形成两个在纵向上厚度逐渐减少的部件。

这些方法实现起来都非常复杂并且很快就会达到根部所限制的最大厚度，从而需要添加另外的部件来形成叶片的根部。

因此考虑到厚度的改变，形成叶片预制件的至少部分外部部件的制造将导致很高的额外材料成本和机加工成本，因此中空叶片的制造方法不是最佳的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡轮机的中空叶片的制造方法，该方法至少部分地克服了上述缺陷。

更确切地说，根据其中的一个方面，本发明涉及外部初始部件的毛坯的制造方法，该方法与现有技术的方法相比可降低制造成本。

特别地，根据其中的一个方面，本发明涉及利用成型滚压来制造外部初始部件的毛坯的方法以及利用管状供料来制造中空叶片的方法。

根据其中的另一个方面，本发明涉及在对应于一个或多个初始部件的毛坯的管状环状物上切割纵向区段(segment)。随后可将这些区段或者毛坯平整，使得它们如现有技术中所述能够被用于形成部件和/或用于制造中空叶片，例如可通过超塑成形和扩散结合方法来制造。

方便地，从环状物截取的区段可用于制造至少一个初始部件的毛坯，且从区段厚度中切割出至少一个区段。

优选地，环状物在其至少一端包括突出部以形成初始部件的根部。环状物可通过圆形成型滚压来制造。

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示出了传统的涡轮机的中空叶片；

图2示出了扩散结合之后获得的叶片预制件或者通过模制而限定出的初始部件；

图3示出了初始部件的毛坯；

图4A和图4B示出了环状物的立体截面图，毛坯可从中获得；

图5示意示出了环状物的制作方法；以及

图6A、6B、和6C示出了根据本发明所采用的环状物的不同的壁轮廓。

具体实施方式

图1示出了用于涡轮机(未示出)的大弦涡轮风机转子叶片类型的中空叶片1。该种类型叶片的几何形状非常复杂，其可例如由钛或者钛合金(如，TV6V)制成，并且包括根部2，其通过翼面4沿径向延伸。翼面4设置在通过涡轮机的气流的循环路径内，并具有两个外部表面，分别称为外拱面6和内拱面8，这两个表面通过前边10和尾边12连接。

这种类型的中空叶片的复杂轮廓优选采用SPF/DB(超塑成形/扩散结合)技术来进行制造。

不论采用哪种方法，第一步都包括模制叶片1的轮廓以获得预制件，该预制件可由焊接初始部件而制成；内拱壁和外拱壁或者其图示接触同一平面。该操作可通过使用CAD(计算机辅助设计)工具来模拟实现，例如在解扭曲以及矫直之后进行收缩以获得如图2所示的预制件14。

预制件14包括根部16，其通过翼面部18在径向延伸。如图2所示，根部件16设置有具有较大平均厚度2E的内部20，其随后用于将叶片固定在涡轮机的转子盘上。

预制件14的翼面部18设置有厚度为2e的径向内端22和厚度为2e’(通常小于2e)的径向外端24。然而，预制件14的翼面部18的厚度基本均匀。

为了能够制造预制件14(用于制作中空叶片1，该预制件必须是可膨胀的，因此其不能由单一部件组成)，初始部件26限定为可彼此固定在一起。初始部件26确定出了图3中示意性示出的毛坯28的形状，可对该毛坯进行机加工以获得这些初始部件。即使这样，上述确定出的初始部件的毛坯28的轮廓还是非常复杂，特别是包括厚度大约为E的根部，以及厚度几乎恒定的较长的翼面部，其厚度为e”，且e”＞e＞e’。例如，初始部件26和毛坯28的根部的厚度E可大约为20mm到40mm，而对于较长的翼面部的厚度大约为0.6m到1.2m，并且毛坯28的厚度e”可以在8mm到15mm之间，优选地平均大约为10mm。

根据本发明，可由如图4A和图4B所示意性示出的中空管状部件或者环状物来制作外部初始部件的毛坯28。环状物30的高度H大约与所制作的初始部件的长度相同，也即，翼面的长度1，例如0.6m到1.2m；而环状物30在直径d大约为4m时的高度H的大多数范围内，其壁厚基本恒定且为e”。

此外，环状物30的一端设置有厚度为E并且高度为h的突出部32。该突出部用于制作初始部件26的根部16，其高度h因此选择作为根部的函数；例如，高度h可以为大约30到40mm。在本实施例中，方便地，突出部32只在环状物30的壁的一侧，即，朝向内侧或者朝向外侧突出，而壁的另一侧的截面仍然保持平直。

环状物30优选地由管状供料，如图5所示的钢坯，通过成型滚压而制造。初始钢坯34可为铸件，其通过例如直径为1050mm，沿着其外表面定位的旋转的辊子36而被滚压。将直径为600mm，插入到钢坯34之内的旋转心轴38朝向辊子36平移以形成管34的壁：由于摩擦力的作用，钢坯34绕着可移动的轴旋转，且其厚度均匀减小，而其内径和外径增大。支撑件40，例如以1.2m的间距维持管状部件34的高度以保证均匀的滚压厚度。通过切割辊子36和/或心轴38可从最终的环状物30获得突出部32；在管状部件的壁厚上也可以具有斜度。

旋转结构和平移速度、以及钢坯34的初始尺寸等提供了获得满足所需用途的环状物的设定方法。

然后，在环状物30的高度方向并且围绕其圆周面切割以形成区段42和42’。切割可通过激光、水柱、或锯切而进行。在这个方面，应该指出的是根据本发明的方法，切割环状物30还具有其他的优点，即，如图4A所示意性示出的，具有复杂轮廓的区段或者毛坯42可通过切割而形成，重要的是不必限制其形状为梯形形状，并且即使是复杂形状的初始部件(例如，军刀形状)，其材料的损失也会达到最小化。

随后，利用传统的锻造方法平整被切割的区段42，并随后加工成所限定的轮廓，从而制成毛坯28并随后形成初始部件26。

环状物30的制造成本与作为其直径d的函数的高度与厚度比H/e”具有直接关系。直径超过4m的环状物30就变得非常难于操作，且获得的叶片1的通常高度H超过了1m。因此，环状物30的厚度推荐大于或等于30mm，以保证环状物30的制造成本在合理的限度内。

可以确定获得部件的区段42，同时，在将其平整之后沿其厚度内贯穿其两端和在其两端部之间切割该区段42，以减少初始部件的厚度：通过区段42的一次或几次锯切可以获得多个具有相似表面但是更薄的毛坯28和初始部件26。

图6A、6B、6C示出了可以应用的环状物的不同轮廓，特别是在其高度方向并且围绕其圆周切割环状物之后形成区段的样品之后纵向切割时的不同轮廓。

因此，图6A示出环状物30a的轮廓，其中突出部32a从环状物的壁的一端以及两侧同时向外和向内突出。一旦已经得到区段42a，那么就可以沿着虚线进行切割，换句话说，在区段42a的厚度内进行切割，以得到两个对称的初始部件毛坯28。

另一种可能性参见图6B所示，其中两个突出部32b和32b’位于环状物30b的两端，这样，一个突出部32b向内突出，而另一个突出部32b’向外突出；随后，区段可被如图所示的沿对角方向切割，或者类似如图6A所示的方式，与其一侧平行地切割。

还可以对区段进行连续的切割。由此，图6C示出了环状物30c的轮廓，其中每一个区段可以提供有三个初始部件毛坯。如图所示，为了易于制造环状物30c，其可使突出部32c的轮廓很平滑而不是让其成为“阶梯状”，材料损失也会达到最小化。

很明显，可以考虑到这些解决方案的许多结合和这些轮廓的许多替换。

方便地，毛坯和初始部件的每次滚压和/或平整步骤也可在高温金属上实现的，例如在900℃下的钛合金以及利用加热到如100到300℃的工具进行。

一旦制作完成，装配外部的初始部件26以形成预制件14并将其固定到一起。根据叶片的尺寸、以及施加到其上的应力等，可坚固中空结构的板形初始支撑件可插入到部件之间。方便地，可通过扩散结合对部件进行组装。随后，将可以调整流线型轮廓(符合动力学轮廓)的预制件14进行机加工以得到叶片1。优选地，该步骤进行通过气体压力进行膨胀的操作以及根据SPF/DB技术中所熟知的条件进行超塑成型的操作。

因此，根据本发明的方法，可从简单的部件(如环状物)制成叶片和叶片预制件，并且可通过已验证的机加工方法(如滚压、锯切、和铣削)进行，即使对于复杂的初始部件。应该指出的是制造这种类型的复杂部件占叶片成本的40％以上，由此，考虑到材料损失的局限和机加工操作的减少，特别是精确机加工操作，叶片的制造成本可大大降低。还应该指出的是，环状物(环状的、同轴的)的形状的制造公差可以很大，另外，对于60个以上初始部件的制造而言，该环状制造步骤是唯一的。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于涡轮机的中空叶片(1)的初始部件(26)的制造方法，包括从环状物(30)切割所述初始部件(26)的毛坯(28)，其中所述环状物(30)在其至少一端包括有突出部(32)，所述环状物具有管状壁，所述管状壁在其具有突出部(32)的一端具有第一初始厚度(E)，而在其余区域具有第二初始厚度(e”)，该第二初始厚度小于所述第一初始厚度(E)，通过贯穿两端切割和切割所述两端之间的所述管状壁，所述毛坯从贯穿所述两端和所述两端之间的管状壁的区段(42)被切割出，并且其厚度分别保持在所述第一初始厚度和所述第二初始厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括平整所述毛坯或所述管状壁的区段(28，42)。

3.根据权利要求2所述的方法，包括在厚度内贯穿其两端和在其两端之间切割所述管状壁的区段(42)。

4.根据权利要求3所述的方法，包括在厚度内贯穿其两端和在其两端之间多次切割所述管状壁的区段(42)。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的方法，包括通过成型滚压制造所述环状物(30)。

6.一种用于涡轮机的中空叶片(1)的制造方法，所述中空叶片包括有根部(2)和翼面(4)，所述方法包括：

利用根据权利要求1至5中任一权利要求所述的方法制造至少两个外部初始部件(26)的步骤；以及

扩散结合步骤，用于连接所述两个外部初始部件以制造叶片预制件(14)，所述叶片预制件包括翼面(18)和根部(16)。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其中在所述两个外部初始部件(26)的所述扩散结合步骤之后，通过施加气体压力来进行膨胀以及对所述预制件(14)进行超塑成型。

8.根据权利要求6或7所述的方法，包括制造用于支撑的第三初始部件，所述预制件(14)由两个围绕所述第三初始部件的外部初始部件(26)组成。

9.一种圆柱形的环状物(30)的应用方法，该圆柱形的环状物至少在一端具有突出部(32)，在该圆柱形的环状物的高度方向上切割该圆柱形的环状物以预形成涡轮机的中空叶片(1)的初始部件(26)。

10.一种圆柱形的成型滚压技术在具有突出部的中空叶片的外部初始部件的制造方法中的应用，以制造圆柱形的环状物(30)，该环状物至少在一端包括有突出部(32)，在该环状物中，切割出涡轮机的中空叶片(1)的初始部件(26)的毛坯。

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