CN101007337A - 包含有冷却空气排气孔的涡轮机部件的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在采用脱蜡铸造方法制作的部件壁面(171)上制作冷却空气排放孔的方法，其特征是：在蜡模内生产部件的蜡型；排气孔带有在壁面外表面(171_ext)上形成的第一部分(110E)气孔。该方法包括在与部件所述第一部分(110E)气孔相符合的蜡型上制作空腔。这样，就可以生产出没有锐边的冷却空气排气孔。

Description

包含有冷却空气排气孔的涡轮机部件的制作方法

技术领域

本发明涉及一种空气膜对涡轮机部件的冷却方法。

背景技术

为了提高燃气轮机的性能，就必须提高燃烧室的排气温度。这样，处于这些气体中的发动机部件就要承受很高的热机械应力。为此，通过如下方式对这些部件进行保护，即，来自空气压气机的冷却空气流入壁面下方的通道内，而后通过直径很小的气孔，再将所述空气排入气流中，使得这些部件得到保护，这些小气孔的形成是为了在壁面和热气体流通之间形成一种保护气体膜。这种处理后，受到影响的部件主要是分配器部分，包括环形区域内两个平台之间的多个径向翼面，而环形区域限制了气体的流动，另外还包括第一涡轮机级的动叶片。采用这种措施可以改善涡轮机部件的机械特性和适用寿命。

小气孔通常都是圆柱形的孔，位于受保护壁面的相应区域内。为了改善沿壁面的空气膜的形成，这些气孔在壁面的表面处呈喇叭口形状。因此，这些气孔由两个独立部分组成，即一个圆柱形部分，用来计量气流的流量；一个成型的部分，用来使气流扩散并引导气流方向，目的是提高冷却气膜形成区域的流量。美国专利US6183 199，欧洲专利228338和美国专利US4197443都通过示例介绍了这些气孔。

一个已知的制作方法是分两级来生产这些气孔。首先，气孔的喇叭形部分通过电火花加工(EDM)方法进行加工；然后，气孔的底部进行钻孔，例如通过激光波束钻孔，目的是形成一个圆柱形的通道。

采用电火花加工技术时，在距离要腐蚀表面一定距离处放置一个电极，在电极和工件之间产生电火花。这些电火花带走物质粒子，对工件表面逐渐进行腐蚀。所获得的腔体形状取决于电极的几何形状，这种形状可以是截头圆锥体状，例如带有长方形截面，或更复杂时，呈圆形部分，如美国专利US 6 183 199或欧洲专利228 338所示。第二部分，即校准部分，是通过相同电极或通过激光束产生。

但采用这种技术时，会遇到下面一些问题。

电极不论其形状如何，即使它可以在腔体内形成滚圆壁面部分，也不能防止锐边的产生。这些锐边构成了应力集中区域，容易引发裂缝。

主要出于经济上的考虑，这些气孔都是通过电极方法来批量生产，即在板材上切割，而后再成排排列。这种做法不允许气孔的几何形状按照气孔周围的局部轮廓逐个优化处理。

在入口逐渐缩小的区域，这种气孔的生产是无法进行的。在沿叶片间通道内的双翼面分配器区域的翼面上不得不制作这种气孔时，更为困难。由于这个区域的气孔绝对必须是喇叭口形状，因此，通过铸造一个单一部件来生产双翼面分配器部分是不可能的。每个叶片都单独制作，然后，将这些叶片焊接到一起，形成分配器部分。因此，制造成本较高。

发明专利内容

根据本发明，在采用脱蜡铸造技术制作的部件的壁面上，制作一些冷却液体排放孔，就可以解决这些问题，该部件的蜡型是在一个蜡模内制作的，蜡模上的所述气孔的第一部分在壁面的外表面处形成。这种方法的特点是，在蜡型上制作腔体，而这些腔体是与所述气孔的第一部分相对应，然后，在铸造部件上加工第二部分气孔，使第一部分的底部与壁面的内表面相通。

在蜡模内制作一种带形状的凸起部分，该形状与所述第一部分的形状成互补，制作方法是蜡型具有所述腔体，而铸造部件包括所述预成形的第一部分气孔。

在铸造件的蜡型上制作这部分气孔时，采用铸造成形的方法进行，这种形状可以很容易地针对气流剖面的每次辐射情况进行优化处理。这样，就可以避免使用工艺复杂且成本昂贵的电火花加工技术，此外，这种方法可以与采用铸造来生产多翼面分配器兼容。

所述第一部分气孔大都带有一种喇叭形状，但是，该发明的方法则适用于任何形状的气孔。

凸起部分的两个非共面部分之间的结合区呈约束轮廓，这样就可以避免形成锐边。这些区域人称是“切成圆角的”。这些切成圆角的表面曲率半径是或至少是0.1毫米，最好是0.2毫米。作为选择方案，这些表面的曲率是渐进的。

根据本发明的另一种特性，第二部分气孔的截面可以很方便地进行校准，以便对气流进行计量。这部分气孔为管状，带有一个圆形或特别椭圆形的截面，例如也可呈斜面形式。

按照优选方法，可采用激光波束进行加工，但其它方法也可以应用。

本发明还包括按照本方法生产的涡轮机部件，包括采用冷却空气排放孔，在这种孔中，第一部分气孔和部件的外壁相连区域进行了圆角处理。

附图说明

图1是涡轮的被冷却动叶片；

图2是根据已有技术在冷却空气排放孔处的壁面的截面图；

图3是蜡模内铸造蜡型的剖面部分；

图4至图6是按照本发明制作喇叭孔的各个步骤；

图7和图8是根据本发明的喇叭口孔的剖面图。

具体实施方式

图1示出了一个动叶片1，包括叶片根部3、一个平台5和一个翼面7。叶片通过一个合适壳体内叶片根部安装在涡轮盘的轮缘上。当叶片为冷却型叶片时，叶片为空心的，内有腔体用来供冷却空气循环。其中一部分冷却空气经由校准的气孔被导入叶片的壁面。这些气孔的其中一部分9是简单的管状。其它气孔10则包括一个喇叭状部分，以便使空气沿叶片壁面流动，从而在壁面形成保护膜。这些带有顺流而下喇叭部分的气孔10例如可以沿10a吸入侧的翼面前沿布置，或者可以沿10b翼面压力侧上的径向线布置。另一个示例是，一排带有喇叭形的气孔沿10c压力侧的后缘布置。

图2为穿过气孔10的翼面壁面71的II-II平面的剖面图。可以区分壁面71的外表面上形成的第一喇叭形部分10E和管状部分10T。这部分10T的截面决定了冷却空气流经气孔的流量。喷射的冷却空气在喇叭部分10E中横向散开，与其它邻近的喷射空气一起沿翼面的壁面形成一种空气膜。

由于其几何形状很复杂，且承受的热机械应力，这种类型的部件可以采用脱腊铸造法来制作。读者可以通过下面的描述了解这种已知技术。

首先，用蜡或另一种类似材料制作一个蜡型，这种蜡型包括一个与叶片内腔体相符合的铸造芯。这种铸造芯本身可单独制作，通常都是一个复杂的形状，包括几个基本芯。这种芯放置在一个蜡模内，将蜡浇注到该芯和蜡模内壁之间的空间内。所形成的就是包括该芯在内的一种蜡型，该蜡型就是拟铸造的部件的模型。

图3示出的是一种部件的示例，这里是个涡轮机叶片。蜡型20含有一个铸造芯，由几个陶瓷芯元21a到21d组成。此处的蜡模30包括两部分30a和30b，每个都带有一个模型壁30a′和30b′，对应于该部件的外壳。所示示例的蜡模是一个简单形状，但是根据部件的复杂程度可以由若干个芯元组成。

然后，从蜡模30中退出蜡型20，将其浸入含有陶瓷粒子悬浮物的混合液中，目的是在其表面连续涂上涂覆层，形成一个壳型铸模。在模子通过焙烧固化后，将蜡脱出。浇入熔融金属，熔融金属进入到模子内壁和铸芯之间的孔穴内就可以制作成部件了。使用一个相应的选择工具，经过控制冷却后，金属就可以按预定结构固化了。根据合金的性质和铸造作业后可能形成的部件的预期特性，带有柱状结构的定向性凝固、带有单晶体结构的定向性凝固或者各方等大凝固等都可以分别产生。前两个系列的部件都属于涡轮喷气发动机内承受高应力包括热应力和机械应力的超合金部件，例如HP涡轮机叶片。

根据已有技术，可在铸造部件上进行加工来形成喇叭口孔。图2所示的气孔是通过电火花加工技术制作的。特别是，该图示出了71ext表面和喇叭口孔10E之间的结合区有一个锐边10E1，该锐边是不可避免的。加工这种部件最好以倒棱的形式而不是倒圆角的形式产生，尤其是因为这种气孔的尺寸较小。加工公差使得刀具相对于要加工的区域很难充分精确定位。

根据本发明，提出了直接在蜡型上制作所述第一部分气孔，即喇叭口部分。浇注蜡的蜡模最好有第一部分气孔的压痕。

图4示出了蜡模130a的内表面130a′和通过凸起132的蜡型，用来按照本发明浇注第一部分气孔。与已有技术单元相符合的本发明的单元都有相同的参考基准，但增加了100。凸起132具有第一部分的形状，这是为了在蜡型120的壁面120′内压痕而要求的。为了满足脱模要求，凸起的表面不包括可使限定脱模角下方角度相对于该区域脱模方向的部分，如图中箭头D所示。当蜡模由若干个带有一个特殊镶块组成，而该镶块又是用于某个凸起部分或一组凸起部分时，就完全可以确定相对于该镶块抽出方向的角度。镶块使用的另一个好处是它可以使其很容易地修改凸起部分的轮廓，例如，在部件研制阶段。制作一个带有喇叭形开口新轮廓部件，可能只需要调整一下镶块就可以了。

铸造部件101在其壁面171处有一个空腔110E，与在蜡型120的壁面120′上应用的凸起132的形状相符。该空腔110E构成了第一部分气孔，该气孔要求切入壁面120′。冷却空气排气孔是在空腔110E的底部钻孔而成，例如，用激光波束钻孔。这种钻孔可以形成一种管状通道110T。该通道110T的截面是由所要求的空气流量来决定的，其形状最好是圆形的或长方形的。图5和图6示出了这两个步骤。

图7和图8示出了冷却空气排气孔110，该排气孔是采用本发明所述方法在由空气膜冷却的壁面171上制作的。准线母线段示出了各个不同的表而部分，介绍了它们的三维特性。

它们说明喇叭形状的第一部分110E在壁面171的外表面171_ext处形成。而第二部分110T为管状，在第一部分的底部加工而成，在壁面171的内表面171_int处形成。空腔110E有一个底部A，当从上面看时，它实际上呈梯形。该空腔相对于气体流动方向面向下游。该底部在管状部分110T和其与壁面171的外表面171_ext结合边缘A1之间成倾斜形式。空腔的侧壁L1和L2以凹入圆柱部分L1A和L2A的形式向内成曲面，此处沿其与底部A相结合的区域成一渐进轮廓。表面是辐射式表面。这些表面的曲率半径最好至少是在0.1毫米，并沿轮廓线变化。侧壁L1和L2还包括向里弯曲的表面部分L1S和L2S，带有渐进轮廓，沿壁面171_ext的表面方向。两个侧向侧壁L1和L2之间横向布置着空腔的侧壁B，该侧壁B还包括一个凸起的成圆角的部分BS，用来与壁面171的外表面171_ext结合，而凹入的成圆角的部分则与侧壁L1和L2相结合。

这些成圆角的表面部分L1S，L2S和BS都是与凸起部分132的表面成互补形的，凸起部分132与浇注蜡型的蜡模130a的表面130a′相结合。所要求的就是正确地使凸起部分成形，以便制作的部件在这些部位不会出现锐边。

例如，这些成圆角的结合部分的曲率半径为0.2毫米，最小为0.1毫米。它们限制了这些区域的热应力和机械应力，减少了发生裂缝的概率。部件的机械特性和其使用寿命从而得到改善。

电火花加工的另一个好处是，加工后的表面粗糙度很低，满足航空动力学要求。例如，电火花加工后的粗糙度Ra一般都是4.5μm，但要达到更低的值，其成本是很高的。通过铸造方法则可以很容易获得更好的表面光洁度，例如粗糙度可为1.2μm。

有必要说明的是，管状区110T与第一部分110E的交点是不能成圆角的，因为它是通过机加工实现的。

Claims (11)

1.一种在部件壁面上制作冷却气体排放孔的方法，该部件是采用脱蜡铸造技术制作的；脱蜡铸造方法是在蜡模内制作部件的蜡型；排气孔包括在壁面外表面上形成的第一部分孔，这种方法包括在与该部件所述第一部分相符合的蜡型上制作空腔，然后再在铸造部件上加工制作第二部分气孔，这部分气孔使第一部分气孔的底部与壁面的内表面相通。

2.按照上述权利要求所述的方法，其特征在于：凸起部分带有一定的形状，这个形状与所述第一部分气孔形状互补，在制作这种凸起部分时，是在蜡模内制作，方法是蜡型具有所述空腔，而铸造部件则包括了所述预成形的第一部分气孔。

3.按照上述权利要求所述的方法，其特征在于：与所述第一部分气孔相对应的空腔都是呈喇叭形状。

4.按照上述权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述第一部分气孔相符合的腔体中所提供的结合区域至少部分呈成圆角形状。

5.按照上述权利要求2所述的方法，其特征在于：凸起部分是成圆角的。

6.按照上述权利要求4所述的方法，其特征在于：与所述第一部分气孔相符合的空腔的侧壁和蜡型的外表面之间的结合区域都是成圆角的。

7.按照上面权利要求4，5或6所述的方法，其特征在于：成圆角表面的曲率半径至少为0.1毫米，最好0.2毫米，沿半径表面的轮廓的曲率半径可选择渐进的。

8.按照上述权利要求1所述的方法，其特征在于：第二部分气孔是管状的。

9.按照上述权利要求所述的方法，其特征在于：可采用激光波束或电火花加工方法进行加工。

10.按照前面所述权利要求任一项权利要求所述方法制作的涡轮机部件，包括采用壁面部分的排气孔，其中壁面部分连接在一起的区域成圆角。

11.按照上面权利要求所述的方法，其特征在于：第一部分气孔和部件的外壁结合区域成圆角，曲率半径至少为0.1毫米。

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