CN101432504A - 用于制造涡轮机或者压缩机部件的方法以及涡轮机或者压缩机部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有内置冷却通道(4)的涡轮机或者压缩机部件，特别是涡轮叶片(2)，以及其制造方法，其保证至少改进对部件使用寿命的估计并且此外即使在持续交变的热负荷和机械负荷下，也尽可能保证提高工作可靠性和使用寿命。为此依据本发明，给部件的冷却通道(4)在加压阶段期间施加内压力，选择该内压力的大小，使得限制冷却通道(4)的壁区域至少部分地塑性变形。

Description

用于制造涡轮机或者压缩机部件的方法以及涡轮机或者压缩机部件
技术领域
本发明涉及一种用于制造具有至少一个内置冷却通道的涡轮机或者压缩机部件特别是叶片的方法。本发明此外涉及这种涡轮机或者压缩机部件。
背景技术
涡轮机或者压缩机叶片以及涡轮机或者压缩机工作轮是一种既承受热负荷也承受机械负荷的部件。为降低所使用的材料特别是铬钢或者镍基合金或者类似材料在涡轮机或者压缩机工作期间承受的热负荷，这种部件通常装有内置的冷却通道。在工作期间，通过冷却通道流动大多为气态或者蒸汽状的冷却介质，例如冷却空气，其中，对流为主的冷却通过从限制相应的冷却通道的壁区域向流经的冷却介质的热传导进行。为尽可能均匀冷却例如涡轮叶片这种部件的所有重要区域，一般情况下冷却通道或者冷却空气道蛇曲形地分布在部件内部，特别是涡轮叶片的叶身内。由于叶身内部狭窄的空间情况，需要部分较小的横截面以及较小的曲率半径。
人们通常使用“开放式的”冷却方案，其中冷却介质在通流相应的冷却通道之后，通过从冷却通道分支出来并通到表面上的排流孔中的排流通道离开所要冷却的部件，以便随后与通流涡轮机或者压缩机流动通道的热的工作介质或流动介质混合。排流孔特别是以所谓的薄膜式冷却孔的类型构成和设置，从而从其流出的冷却介质沿部件的表面流动并且在这过程中形成防止表面材料与热的和侵蚀性的工作介质直接接触的冷却膜。
尽管这种冷却方案得到完善和不断细化，但燃气轮机或者蒸汽轮机的涡轮叶片的热负荷仍很可观。此外，特别是设置在涡轮轴上以高转速旋转的工作叶片由于出现离心力而承受机械负荷，但由于振动或者冲击等也承受机械应力，通常导致强负荷。特别是在与转速变化相关反复出现负荷交变过程和启动或者停止状况的情况下，尽管这种新材料在疲劳强度方面得到优化，但在涡轮机或者压缩机持续工作的情况下仍导致材料疲劳现象的出现。这种微观裂纹等形式的疲劳现象限制了相应的部件的使用持续时间或者使用寿命。
上述开放式冷却的涡轮叶片例如由US 2003/143075A1所公开。涡轮叶片为通过吹出产生漩涡的冷却空气冷却其后缘，装有借助特殊方法制造的特别小的吹出孔。依据这种方法，将沿着延伸轮廓化的芯轴装入后缘内所设置的孔内。随后通过压缩后缘外壁使后缘的包围该孔的材料塑性变形，使得设有涡流器的轮廓化的吹出孔在取出芯轴后保留。依据US 2003/143075A1，在此需要注意的是，涡轮叶片的总变形最小，以便将其材料内部的应力负荷保持在尽可能小的程度上。
此外，US 2005/005910A1公开了一种预应力处理法，用于在共轨喷射系统的管内产生压力内应力。
因此总而言之，出于工作可靠性的考虑需要比较频繁地检修和需要时更换或者翻新部件，由此带来不希望的停机时间和高成本。因为这里关心的涡轮机或者压缩机部件的使用寿命一般凭经验很难估计，所以采用保守估计的、也就是缩短选择的维修间隔进行按计划的检修事后常常证明是不必要的，因为检修时的材料疲劳还并没达到人们所担心的那种程度。
发明内容
本发明的目的因此在于，提供一种开头所述类型的涡轮机或者压缩机部件以及一种用于制造这种部件的方法，它们保证至少改进对部件使用寿命的估计并且此外即使尤其在持续交变的热负荷和机械负荷下，也尽可能保证提高工作可靠性和使用寿命。
在方法方面，该目的依据本发明由此得以实现，即给冷却通道在加压阶段期间施加内压力，该内压力以这种程度选择，使得限制冷却通道的壁区域至少部分地塑性变形。
本发明从这种构思出发，即也称为LCF使用寿命(LCF＝Low Cycle Fatigue)的涡轮机或者压缩机部件使用寿命在周期性出现的交变负荷下在特定的程度上由内应力在部件内部的分布确定。在此表明，特别是蛇曲形或者迂回形分布在例如涡轮叶片内部的冷却通道会产生降低疲劳强度的内应力分布。恰恰是在迂回形的回转点附近由于曲率半径比较小，在涡轮机的与极高的峰值负荷相关的工作过程中，会出现在时间和空间平均值上拉应力超过压应力的应力分布。但这种拉应力一般情况下使LCF强度或使用寿命下降。因此值得期望的是，在加工涡轮机部件时就已经采取与通常随着冷却通道的存在出现的拉应力反作用的措施。这些预防措施应至少部分地补偿拉力内应力，或者最好是过补偿并将至少在包围冷却通道的限制壁的附近的平均应力分布向压力内应力的方向推移。
为此目的，按照现在提出的方案对已经设有冷却通道的、例如通过铸造方法制造的叶片主体或者其他涡轮机或者压缩机部件进行后处理，其中给叶片内部的冷却通道或者用于输送冷却空气的其他空腔在加压阶段期间施加内压力，其明显高于以后预计的工作负荷。在相应选择内压力大小的情况下，在这样处理的部件中，在邻接相应的空腔的壁区域内产生在压力下降后仍旧保持的压力内应力。在压力负荷超过材料的流变极限或者弹性极限时，通过部分塑化，也就是保留的部分塑性变形产生压力内应力。这样产生的压力内应力与已经存在(加工条件造成)的或者在涡轮机或者压缩机部件工作时出现的拉应力反作用，由此提高部件特别是在周期性负荷下的疲劳强度并因此提高所期望的使用寿命。
该方法本身在完全另一方面即在处理枪膛或者输送压力的汽缸套时作为所谓的“预应力处理”公知；在具有集成的或者内嵌的冷却通道的涡轮机或者压缩机部件上的应用迄今为止则尚未有人考虑。正如出乎意料地表明的那样，预应力处理特别是在内部冷却的涡轮工作叶片中明显提高了LCF使用寿命以及抗振动断裂的能力。此外，减少了例如由于凸缘、横向钻孔或者加工误差产生的峰值应力降低强度的作用。最后，通过预应力处理产生的应力分布的再分布就此而言也是具有优点的，它使本领域的技术人员预言涡轮机部件在常规工作条件下的预期使用寿命变得容易，从而涡轮机可能的维修和检修间隔特别是可以根据需要计划和确定。
具有优点的是，在加压阶段期间，内压力在1000bar-10000bar(1bar＝105Pa＝105N/m2)的范围调整。因此一方面确保用于使包围相应的冷却通道的壁区部分塑性变形的加压足够高。另一方面，涡轮机或者压缩机部件的由于过压产生的破裂或者裂纹或者其他损坏得到可靠避免。最有利的预应力处理压力以及处理持续时间主要取决于各自的使用情况，例如所要处理的部件的类型和冷却通道的分布以及需要时其他的边缘条件。
优选至少限制冷却通道的壁区域直接在加压阶段之前和/或者直接在加压阶段之后和/或者在加压阶段期间加热到高于室温的处理温度。处理温度最好在30℃-1000℃的区间调整。温度处理可以这样影响弹性-塑性变形所依据的物理效应，使所产生的压力内应力在预应力处理压力下降以后也达到特别具有优点的稳定性。
为加压最好将气态或者液态介质特别是空气导入部件的冷却通道内，其中，所规定的内压力通过适当的液压或者气动装置产生。加压介质依据目的可以这样进行恒温处理，使其将整个部件或者至少邻接冷却通道的区域进行上述具有优点的加热。作为替代方案，加压也可以通过以下方式进行，即将可燃混合气体加入冷却通道内并在里面有针对性地进行爆炸。
只要部件具有多个不相互连接的冷却通道，那么预应力处理法就具有优点地应用于每个冷却通道。作为替代方案，取决于所追求的应力分布，依据目的也可以仅对单个冷却通道进行压力处理。
具有优点的是，所要处理的部件在加压阶段期间夹紧或者固定在夹紧装置或者这类装置内，以便使其外侧不致扭曲。这一点特别适用于空气动力学特性取决于叶身精确断面分布的涡轮叶片。例如，这种叶片在加压阶段期间和需要时在前面或者后面的温度处理阶段期间以夹层的方式固定在两个与叶身的轮廓相匹配的耐压的模壳(Formschale)之间。
在制造部件(例如涡轮叶片)时，最好在压力处理阶段之后才在部件内加工出从冷却通道分支出来并通入外侧的排流孔的分通道，该分通道在以后的工作中用于外侧的薄膜式冷却。这样做的优点是，冷却通道或从其分支出来的分通道在其末端上在加压前无需先利用塞堵或者类似部件费力地封闭并随后再打开，其中，本来就很难实现对上述具有优点的压力情况所需的密封性。取而代之，按照这里所提出的方法，无论如何在通常也是在以后工作中用于导入冷却介质的入流孔的用于加压介质的入流孔处必须负责相应的密封。在预应力处理后，然后薄膜式冷却孔或一般情况下直线穿过叶片壁的比较短的排流通道从外部加工到叶片内，例如通过激光打孔或者通过其他适当的方法。在此可能发生的内应力再分布无关紧要，因为这种再分布仅涉及直接靠近排流通道的周围并从数量级上也可以忽略不计。确切地说，重要的是事先通过对蛇曲形的冷却空气通道的迂回形和转向处的预应力处理提高压力内应力。
在涡轮机或者压缩机部件方面，开头所述的目的通过一种具有内置冷却通道的涡轮机或者压缩机部件得以实现，其中，限制冷却通道的壁段或者边缘区域在部件进行加压之后的静止状态下处于压应力下，使在涡轮机或者压缩机工作时的动态负荷下该区域内部出现的拉应力至少部分地、最好完全地通过预调整的压应力分布补偿。相应的部件在此具有优点地按照上述的方法制造，也就是说，部件在加工期间经历一种随着冷却通道的加压及其壁区域的部分塑性化出现的加工硬化过程。
利用本发明取得的优点特别是在于，通过有针对性地向涡轮机或者压缩机部件的限制冷却通道的内置壁区施加压力内应力，使部件内的内应力分布持久地再分布，其在以后的工作中出现的负荷状态下对耐用性和疲劳强度产生有利影响并因此提高部件的使用寿命。
附图说明
现借助附图对本发明的实施例进行详细说明。其中：
图1示意示出具有内置冷却通道的涡轮叶片；以及
图2示出了曲线图，其中给出了机械应力在限制按图1的涡轮叶片冷却通道的壁延伸上的典型分布。
具体实施方式
图1中作为涡轮机部件举例示出的工作叶片2具有多个在叶片内部引导的冷却通道4，在所属的涡轮机工作期间，比较冷的冷却空气通过这些冷却通道流动。冷却空气通过设置在叶片根部6内的入流孔8进行输送。在冷却空气通流部分蛇曲形、部分直线分布的冷却通道4后，其中，通过周围壁区向流经的冷却空气的对流为主的热传导进行涡轮叶片2的内部冷却，冷却空气通过从相应的冷却通道4分支的排流通道10从设置在叶片表面的排流孔12排出并与此同时构成使叶片表面不受涡轮机内热工作介质影响的冷却空气膜。排流孔12例如也可以作为薄膜式冷却孔构成。
在以往常见结构的涡轮叶片2中，在环绕的叶片壁14的面向相应的冷却通道4的边缘区域中在涡轮机工作期间会出现比较高的拉应力，其对也称为LCF强度的疲劳强度并因此对涡轮叶片2的使用寿命产生不利影响。为避免这类问题，依据现在提出的方案，在叶片内部虽然已经构成冷却通道4，但尚未构成从其分支的排流通道10的涡轮叶片2加工阶段中，给冷却通道4一次性短时间地施加远高于以后工作压力的内压力。在这过程中，在涡轮叶片2的邻接相应的冷却通道4的壁区域上导致超过流变极限并因此导致叶片材料的弹性-塑性变形。由于变形的塑性部分，在叶片壁14中在包围冷却通道4的内表面附近形成局部的压力内应力，其在加压后持久地保留并由此与由以后的工作负荷中产生的拉应力反作用。塑性变形区的厚度在很大程度上取决于所使用的预应力处理压力和所使用的叶片材料的变形特性。
虽然整体上看，也就是观察整个涡轮叶片2，压力内应力和拉力内应力处于平衡状态，从而在使用预应力处理时除了在冷却通道4的附近形成所希望的压应力外，也导致叶片壁14外部区域内出现本身不希望的拉应力；但这种拉应力可以分布在较大的空间区域上并在此仅达到比较小的峰值。因此这种拉应力比在传统结构的涡轮叶片中出现的峰值比较高的拉应力明显更好控制。
图2再一次示意示出了内应力再分布的原理。在此，在曲线图中绘出了内应力σ在壁延伸t上的空间分布，这种空间分布在使用预应力处理之后产生。在此，假设冷却通道处于负t值的范围内并在t＝0处由内壁限制。涡轮叶片的外壁处于t＝t0处。变量t本身表示叶片壁14例如与叶身16的表面垂直测量的空间延伸。靠近t＝0附近存在的压应力具有负号，其量在t＝0处(也就是在内壁上)最大。由于整体的应力平衡，更外部存在拉应力(σ的正号)，但其分布在较大的空间范围上并因此绝对值明显小于压应力。两个由应力分布曲线和t轴线包围的面积A1和A2大小相同，也就是A1＝A2。
该实施例中采用例如1000bar-5000bar的比较高的预应力处理压力，方法是将涡轮叶片2叶片根部6内的入流孔8通过耐压的连接管与这里未示出的储压器或者与其他适用的压力发生装置连接，其中，处于高压下的加压介质在打开溢流阀后流入涡轮叶片2的冷却通道4系统内并与此同时使内置的壁区域部分地塑性变形。作为替代方案，也可以通过在冷却空气通道内部最好在封闭入流孔8的情况下一次或者多次爆炸可燃混合气体进行加压。在完成需要时在提高涡轮叶片2温度的情况下进行的加压后，随后从外部通过叶片壁14加工出排流通道10并由此完成涡轮叶片2的加工。需要时涡轮叶片2再利用绝热层(TBC)涂层。

Claims (9)

1.用于制造具有至少一个内置冷却通道(4)的涡轮机或者压缩机部件特别是叶片(2)的方法，其特征在于，给所述冷却通道(4)在加压阶段期间施加内压力，选择该内压力的大小，使限制冷却通道(4)的壁区域至少部分地塑性变形。
2.按权利要求1所述的方法，其中，加压阶段期间，内压力在500bar-10000bar，特别是1000bar-5000bar的范围调整。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中，至少限制冷却通道(4)的壁区域直接在加压阶段之前和/或者直接在加压阶段之后和/或者在加压阶段期间加热到高于室温的处理温度。
4.按权利要求3所述的方法，其中，处理温度在30℃-1000℃的区间调整。
5.按权利要求1-4之一所述的方法，其中，为加压将气态或者液态介质导入冷却通道(4)内，其中，所期望的内压力通过外部的压力发生装置产生。
6.按权利要求1-4之一所述的方法，其中，将可燃混合气体导入冷却通道(4)内并随后在封闭入流孔和排流孔(8、12)的情况下使可燃混合气体爆炸。
7.按权利要求1-6之一所述的方法，其中，在压力处理阶段之后才在部件内加工出从冷却通道(4)分支出来并通入外侧的排流孔(12)的排流通道(10)。
8.涡轮机或者压缩机部件，特别是涡轮叶片(2)，具有内置的冷却通道(4)，其中，限制冷却通道(4)的壁段或者边缘区域在部件内部进行的加压之后的静止状态下处于压应力下，使在涡轮机或者压缩机工作时的动态负荷下在该区域内部出现的拉应力至少部分地通过预调整的压应力分布补偿。
9.热力流体机械，特别是燃气轮机或者蒸汽轮机，具有一定数量的按权利要求8所述的部件。
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