CN101435344B - 采用模制法制造的金属叶轮叶片和这种叶轮叶片的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用模制法制成的涡轮机叶轮叶片，其包括一个叶片，在该叶片的一端提供有一个跟部，所述跟部与叶片为一整体，其在连接区域与叶片相联，所述跟部包括一个平台，在这个平台上布置有至少一个密封板，第一槽设在平台上，其特征在于，第二槽设在第一槽内，位于叶片和跟部之间的连接区域。

Description

采用模制法制造的金属叶轮叶片和这种叶轮叶片的制造方法

技术领域

本发明涉及一种采用模制法制造的金属叶轮叶片和这种叶轮叶片的一种制造方法。

背景技术

涡轮机—例如喷气发动机—通常都包括一个风扇、一个或多个压气机、一个燃烧室、一个或多个涡轮和一个喷嘴。由于固定到所述转子周边的径向叶轮叶片之缘故，燃气由风扇、压气机和涡轮的转子驱动。

内部、外部、径向、上游或下游位置或布置的概念都是以相对于涡轮机主轴线和沿涡轮机内燃气流动方向来定义的。

涡轮的转动叶轮叶片包括叶根、平台和叶根，所述叶根用来将叶片固定到转子盘上，所述平台则形成作为气体主通道内壁的一部分，以及所述叶片沿径向轴线整体延伸，燃气扫过叶片。根据发动机和涡轮级的具体情况，叶片在距离叶根较远的端部，有一个与叶片总(主)轴线成横向布置的部件，该部件称之为跟部，是构成燃气主通道的外壁的一部分。

跟部的外表面支撑着一个或多个径向板，或称径向片，这些径向板或径向片用来与对面的定子壁一起形成一个迷宫密封装置，确保了气密；为此，所述定子壁一般都是由耐磨材料制成的环构成，所述径向板就在该耐磨材料上磨擦。所述径向板包括与气体流动方向成横向延伸的上游端面和下游端面。

叶轮叶片可以是整体结构，叶根、平台、叶片和跟部都是一个整体部件。叶轮叶片采用所属领域技术人员都非常熟悉的所谓“失蜡”法通过模制工艺制成。在这个方法中：

叶轮叶片的模型事先用蜡制成；

该模型被置入到耐火陶瓷材料内，后者一旦烘烤，就形成一个壳体；

将蜡融化并去除后，即形成一个陶瓷材料的“壳模”，其内部容积就形成了叶轮叶片的形状；

将融化的金属浇注到壳模内，通常也可将若干个壳模串连装配到一起，采用普通的金属供料方法浇注；

将壳模打碎，即可获得所制成的金属叶轮叶片。

壳模的金属供料点在壳模内形成的金属叶轮叶片上会形成相对较厚的浇注点，这些浇注点必须在叶轮叶片制成后进行加工处理。金属的供料一般都是在叶轮叶片跟部位置进行。供料管道的直径，以及最终所形成的跟部的直径，都会比较大，即使这种金属供料靠近迷宫密封板进行，而密封扳的厚度较小；如果只采用一次金属供料，那么，结果会是壳模内金属分布不均匀，导致叶轮叶片出现空隙等问题，特别是在其密封板的位置。

采用两次供料方法就可以解决所述问题，而且供料管道直径也相应缩小。这样，就可以不使用大直径的供料管道，而使用两个小直径的供料管道，且彼此间隔较远，从而能够较好分布金属，避免了空隙问题。

尽管如此，最理想的方法是，既能解决空隙问题，同时又能保持一次供料。

发明内容

为此，本发明涉及一种采用模制法制作涡轮机用叶轮叶片，其包括一个叶片，在该叶片的一端提供有一个跟部，所述跟部与叶片为一整体，在连接区域位置上与叶片相连，所述跟部包括一个设置有至少一个密封板的平台，一个设在平台上的第一槽，其特征在于，第二槽就设在第一槽内，位于叶片和跟部之间的连接区域。

在位于叶片和跟部之间连接区域的槽内设置一个槽，可以避免该区域厚度过大，从而可以在模制叶轮叶片时，可使金属液体在模具内均匀分布。有了这种均匀分布的优点，就可以实施一次金属供料的模制方法。采用一次供料来制作叶轮叶片的优点是，壳模结构更简单，而且，如合适，也可采用多个壳模串连而成，以降低叶轮叶片的制造成本，同时，仍能改善其质量。

此外，跟部位置材料的量也得到优化，进而降低了叶轮叶片的重量和成本。

再者，因为重量分布更加合理，作用在跟部和/或叶片上的机械应力也得到更进一步优化，可被叶轮叶片充分吸收。

根据一个实施方案，第一槽由径向表面和一个底部形成，第二槽位于第一槽的底部。

根据一个实施方案，第二槽是在叶轮叶片的主轴线内形成，第二槽与跟部和叶片之间的连接区域成一直线。

根据一个实施方案，叶片由实心壁制成，其在连接区域有向内弯曲的表面，第二槽有向内弯曲的径向表面和一个底面，第二槽的向内弯曲径向表面在连接区域与叶片向内弯曲表面平行延伸，以在连接区域提供叶轮叶片的实际恒定厚度。

本发明还涉及到一种涡轮，其包括至少一个根据本发明的叶轮叶片。

本发明还涉及一种涡轮机，其包括至少一个根据本发明的涡轮。

本发明还涉及到涡轮机叶轮叶片的一种制造方法，其包括如下步骤：

用蜡制成一个叶轮叶片模型，其包括一个叶片，在叶片的一端带有一个与叶片构成整体的跟部，其在连接区域位置与叶片相连接，所述跟部包括一个平台，在这个平台上，使用了至少一个密封板，第一槽位于该平台内，而第二槽则设在第一槽内，位于叶片和跟部之间的连接区域，

将蜡做的叶轮叶片置入耐火材料中，

制成耐火材料壳模，

经由一次供料口，将熔化的金属倒入壳模内，

打碎壳模，从而获得叶轮叶片。

附图说明

下面参照附图，通过阅读有关本发明叶轮叶片及其制作方法的最佳实施方案的如下说明，可以更好地理解本发明，附图如下：

图1为根据本发明的涡轮叶轮叶片图解剖面图；

图2为叶轮叶片跟部外侧透视图，从上游侧看去；

图3为叶轮叶片截面的剖面图，自图1所示III-III平面剖开；

图4为叶轮叶片跟部外侧透视图，从侧面看去。

具体实施方式

参照图1，本发明的叶轮叶片1沿主轴线A整体延伸，该主轴线相对于装有所述叶轮叶片1的涡轮机的轴线B为实际径向。此处所示叶片为喷气发动机涡轮叶轮叶片。叶轮叶片1包括一个叶根2(在内侧延伸)，一个平台3，一个叶片4和一个跟部5，后者在外侧延伸。跟部5通过连接区域15连接到叶片4上。叶根2置于转子的凹槽内，用于其与转子的固定。平台3在叶根2和叶片4之间延伸，其包括一个相对于叶轮叶片1轴线A横向延伸的表面，以形成从内侧构成气体主流道的壁的一部分；所述内壁是由有关涡轮级的叶轮叶片1的一套平台3形成的，这些平台均并列置放。叶片4沿叶轮叶片1的主轴线A整体延伸，以一种所属领域技术人员所熟知的方式，呈现一种适合其用途的气动力形状。跟部5包括一个平台5a，该平台在叶片外端部以实际横向方式延伸到叶轮叶片1的主轴线A。

参看图2到图4，跟部5的平台包括一个上游边6和一个下游边7，横向相对于气体的流动方向(气体流动一般与喷气发动机的轴线B相平行)。这两个上游6和下游7横向边通过两个侧向边8，9连接到一起，这就形成了所谓的Z形形状；每个侧向边8，9分别包括两个纵向部分(8a，8b)，(9a，9b)，又分别经由部分8’，9’相互连接，这实际上为横向或至少相对于气体流动方向成一个角度。正是沿着侧向边8，9，跟部5才得以与转子上两个相邻叶轮叶片的跟部相接触。更具体地说，为了减少在工作时其所承受的振动，叶轮叶片一般都安装在轮盘上，使扭转应力围绕叶片的主轴线A。跟部5通过沿侧向边8，9的横向部分8’，9’与其邻近跟部相抵，而使叶轮叶片承受扭转应力。

从跟部5的平台5a的外表面上，延伸出径向密封板10，11(或称密封片10，11)，在本示例中，示出了其中两个；可以使用一个单一的密封板或两个以上的密封扳。在跟部5侧向边8，9的两个彼此相对的纵向部分(8a，9a)，(8b，9b)之间，每个密封板10，11从跟部5的平台外表面横向延伸到涡轮机的轴线B处。

跟部5的平台5a整体延伸，其径向角α相对于涡轮机轴线B。实际上，在涡轮中，燃气主管道的截面是从上游到下游逐渐增加的，以便使得气体得以膨胀；因此，跟部5的平台5a从上游到下游背向涡轮机轴线B移动，其内部表面形成了燃气主管道的外部范围。

跟部5的平台5a内(由模具的形状)形成了第一槽12。该第一槽12是由凸肩形成周缘表面13而形成的一个腔室，其从平台5的外表面开始延伸，并与形成槽12底部14的表面14相连接。周缘表面13实际径向延伸，在本示例中，在内侧以一种向内弯曲的方式延伸，以形成了平台5a外表面和槽12底表面14之间的连接。这些向内弯曲的径向表面13与跟部5平台5a侧向边8，9和横向边6，7平行整体延伸，从顶部看去，可以看到其具体形状(沿叶轮叶片1的主轴线)。跟部5的某些区域并不需要所述的径向表面13，槽12的底表面14直接向侧边(见图2中的侧边9a)打开(注意，在图4中，这些区域并不置于相同位置)。

所述槽12已经在已有技术的叶轮叶片中使用。其功能就是减轻跟部5的重量，同时仍保持其机械性能：跟部5平台5a厚度非常接近侧边8，9，当叶轮叶片1转动时，后者的侧向表面在与相邻叶轮叶片接触时会承受高应力，而跟部5平台5a的中央部分则承受较小的应力，因其采用中空形式，即形成第一槽12。

另外，跟部5还包括在第一槽12内的槽16，如下将其称之为第二槽16。第二槽16位于跟部5和叶片4之间的连接区域15。更确切地说，第二槽是在叶轮叶片1的主轴线A上形成的，其与跟部5和叶片4之间的连接区域15相一致。

第二槽16是由凸肩形成周缘表面17而形成的一个腔室，其将第一槽12的底表面14与第二槽16的底部形成表面18相连接(并位于相对于第一槽12的底表面14的内侧上)。周缘表面17实际径向延伸，在本示例中，在外侧和内侧以一种向内弯曲的方式延伸，以形成第一槽12的底表面14和第二槽16的底表面18之间的连接。这些向内弯曲的径向表面17与叶片4的表面平行整体延伸，从顶部看去，可以看到其具体形状(在叶轮叶片1的主轴线上)(见图4)。

第二槽16是在制模时形成的(换句话说，用来形成叶轮叶片1的壳模的形状可形成该槽16)。叶轮叶片1是通过失蜡模制法而制成的，诸如本发明前序部分所述。

第二槽16的使用可以避免跟部5和叶片4之间连接区域15厚度过大。为此，在将金属液倒入壳模内后，金属液会均匀分布，避免出现孔隙，即使金属液的浇注采用一次供料。

于是，叶轮叶片1可以通过失蜡模制法来制成，即，向每个壳模只进行一次液体金属供料，方法简单，因此成本低。如果多个壳模能够装配在一起，那么金属液体的供料就会更加简单。此外，由于向壳模内浇注金属液体是一次供料，所制作的叶轮叶片只有一个残余供料点需要加工处理。为此，这种部件的加工量就减轻了。

此外，叶轮叶片1的重量及成本会因为使用第二槽16而下降，同时，跟部5和叶片4上的应力得到更好分布，因此，叶轮叶片1可以提供更好的支撑。

此处，叶片4是由一个实心壁制成的，即，其不用套管或其壁内空隙来进行冷却。周缘表面17和第二槽16的底表面18优选布置在跟部5和叶轮叶片4的连接区域，因为就叶轮叶片1的厚度而言，该部位厚度实际上是不变的。这种特性从图3中可以清楚看到。特别是，如果15a，15b用来表示叶片4和跟部5之间连接区域15处叶片4的向内弯曲表面，那么，从图3中可以看到，第二槽16的向内弯曲径向表面17就可以按与其面对的叶片4的向内弯曲表面15a，15b实际平行延伸。在所示实施方案中，第二槽16的向内弯曲径向表面17的半径与面向叶片4的向内弯曲表面15a，15b的半径并不相似，不过，这些表面实际上仍是平行的。

从位于图3左侧的第二槽16的部分可以看出，在第一槽12的向内弯曲表面13、第一槽12的底部14和第二槽16的向内弯曲表面17之间，有一个连续的曲线形式，没有真正平直部分。另一方面，在图3的右侧的第二槽16的部分上，每个所述这些部分都可以非常清楚地识别。在所考虑的区域(剖面形式)中，很显然，各个不同部分的相对布置取决于相对于叶片4表面的跟部5表面的位置。

本发明是根据涡轮的转动叶轮叶片提出的。实际上，本发明可应用于采用模制法制成的任何叶轮叶片，这种叶轮叶片包括一个叶片，在叶片的一端上有一个跟部，所述跟部与叶片成一整体构件。

Claims (6)

1.一种采用模制法制成的涡轮机叶轮叶片，其包括一个叶片，在该叶片的一端提供有一个跟部，所述跟部与叶片为一整体，其在连接区域连接到叶片上，所述跟部包括一个平台，在这个平台上布置有至少一个密封板，一个设在平台上的第一槽，其特征在于，第二槽设在第一槽内，位于叶片和跟部之间的连接区域。

2.根据权利要求1所述的叶轮叶片，其特征在于，第一槽是由径向表面和一个底部形成的，第二槽位于第一槽的底部。

3.根据权利要求1所述的叶轮叶片，其特征在于，第二槽位于叶轮叶片的主轴线(A)上，第二槽与跟部和叶片之间的连接区域排成一直线。

4.根据权利要求3所述的叶轮叶片，其特征在于，所述叶片是由一个实心壁制成的，在连接区域有向内弯曲的表面，第二槽有向内弯曲的径向表面和一个底面，第二槽的向内弯曲径向表面在连接区域内与叶片的向内弯曲表面平行延伸，叶轮叶片在连接区域叶轮叶片的厚度保持不变。

5.一种涡轮，其包括根据权利要求1所述的至少一个叶轮叶片。

6.一种涡轮机，其包括根据权利要求5所述的至少一个涡轮。

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