CN101821480A - 用于借助焊接的叶片根部制造叶盘或叶环的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造燃气涡轮机的叶盘(“装有叶片的圆盘”)或叶环(“装有叶片的环”)的方法，其中，该方法包括下列步骤：a)通过将叶片(12)接合到由一种适合熔焊的金属材料构成的适配元件(16)上来制造涡轮叶片(10)，其中适配元件(16)用于构成涡轮叶片(10)的叶片根部；和b)将涡轮叶片(10)与一个由一种适合熔焊的金属材料构成的转子圆盘(22)或一个由适合熔焊的金属材料构成的转子环连接，以致涡轮叶片(10)设置在转子圆盘(22)或转子环的外圆周(26)上。本发明还涉及一种燃气涡轮机或高压或低压压缩机的构件、特别是叶盘(“装有叶片的圆盘”)或叶环(“装有叶片的环”)。按照本发明，构件(30)包括一些单独制成的涡轮叶片(10)或一个由涡轮叶片(10)单独制成的环形的叶栅环(28)和一个与其连接的由一种适合熔焊的金属材料构成的转子圆盘(22)或一个与其连接的由一种适合熔焊的金属材料构成的转子环。

Description

用于借助焊接的叶片根部制造叶盘或叶环的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造燃气涡轮机的叶盘(Blisk)(“装有叶片的圆盘”)或叶环(Bling)(“装有叶片的环”)的方法。本发明还涉及一种借助该方法制造的构件和一种包括一个叶片和一个叶片根部的涡轮叶片。
背景技术
叶盘(“装有叶片的圆盘”)和叶环(“装有叶片的环”)表示转子结构，其中制造一些与一个支承圆盘或一个支承环集成的叶片。这种转子结构的优点在于，对于小的端负载可以优化圆盘形状或环形状并且总体上导致各相应构件的较小的重量。在此压缩机叶盘由钛或镍基合金特别通过铣削以及个别地通过直线的摩擦焊接或电化学的侵蚀制造。在压缩机叶盘中，圆盘材料和叶片材料一般是相同的。相反，在涡轮机领域，圆盘材料和叶片材料彼此必须是不同的，以便可以满足机械的和热的要求。这样，铸造技术制成的涡轮叶片具有一种多晶的、定向明确的或单晶的组织并且由于材料中很高的γ’份额而不适合熔焊。相反，涡轮圆盘通常由适合熔焊的材料例如像因科镍合金718(Inconel 718)那样的材料制造。由此可以只用接合技术实现涡轮叶盘。不过在此要考虑到，例如像直线的摩擦焊接那样的接合方法由于必需的顶锻力而不适合或很少适合制造这种类型的涡轮叶盘。相应地对叶环也是如此。由于所述的限制，只能有限地使用已知的制造方法。并且已知的方法部分地耗费很大并且随之出现相应高的成本费用。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种所述类型的用于制造燃气涡轮机的叶盘(“装有叶片的圆盘”)或叶环(“装有叶片的环”)的方法，该方法可较简单而成本合算地实施。
此外本发明的目的还在于，提供一种所述类型的构件，该构件可比较低耗费而成本合算地制造。
此外本发明的目的还在于，提供一种所述类型的涡轮叶片，该涡轮叶片可比较低耗费而成本合算地制造。
通过一种按照权利要求1的特征的方法、一种按照权利要求14的特征的构件以及一种按照权利要求21的特征的涡轮叶片达到这些目的。
在各相应的从属权利要求中描述本发明的有利的结构形式。
一种按照本发明的用于制造燃气涡轮机的叶盘(“装有叶片的圆盘”)或叶环(“装有叶片的环”)的方法包括以下步骤：a)通过将叶片接合到由一种适合熔焊的金属材料构成的适配元件上来制造至少一个涡轮叶片，其中适配元件用于构成涡轮叶片的叶片根部，和b)将涡轮叶片或大量涡轮叶片与一个由一种适合熔焊的金属材料构成的转子圆盘或与一个由一种适合熔焊的金属材料构成的转子环连接，以致所述涡轮叶片设置在转子圆盘或转子环的外圆周上。通过按照本发明由一个叶片和一个设置在其上的适合熔焊的适配元件制造涡轮叶片，在制造涡轮叶栅环时，可以有利地放弃例如像加压焊接方法、高温钎焊或扩散焊接那样的已知接合方法。在制造一个叶盘或一个叶环时，亦即将铸造叶片接合到锻造的圆盘或环上，通过将基本的构想归回到建立最少数目的接合方法，可以简单而成本合算地实施按照本发明的方法。这样一方面可以借助一种加压焊接方法、一种感应的低频或高频加压焊接方法、一种直线的摩擦焊接方法或一种扩散焊接方法实现按照方法步骤a)的涡轮叶片的制造。
在按照本发明的方法的一种有利的结构形式中，在方法步骤b)之前，由大量按照方法步骤a)制成的涡轮叶片制造一个环形的叶栅环，其中在方法步骤b)中，接着将环形的叶栅环与由一种适合熔焊的金属材料构成的转子圆盘或与由一种适合熔焊的金属材料构成的转子环进行连接，以致叶栅环设置在转子圆盘或转子环的外圆周上。由此确保一种制造技术上较简单而成本合算的方法，用于制造燃气涡轮机的叶盘(“装有叶片的圆盘”)或叶环(“装有叶片的环”)。有利的是，叶栅环的构成通过各个涡轮叶片的构成为叶片根部的适配件的逐段的接合实现。由于适配件由一种适合熔焊的金属材料构成，为此可以采用一种熔焊方法、特别是一种电子束熔焊方法。相应地也适用于涡轮叶片或环形的叶栅环与转子圆盘或转子环的连接，它们同样由一种适合熔焊的金属材料构成。为此按照本发明并且有利的是，可以采用相同的接合过程，亦即一种熔焊方法、特别是一种电子束熔焊方法。在此按照本发明的另一实施形式，适配元件的材料与转子圆盘和转子环的材料一致。在此材料特别是一种可锻合金或锻造材料组分、特别是一种耐高温的镍合金。相反，叶片的材料由一种铸造合金、特别是一种耐高温的镍合金构成。
在按照本发明的方法的另一有利的结构形式中，借助收缩实现叶栅环在转子圆盘和转子环上的定位。为了确保这一点，叶栅环、转子圆盘和转子环具有需要的半径。通过收缩确保在叶盘或叶环的各个零件之间的一种紧密的连接。
在按照本发明的方法的另一有利的结构形式中，在涡轮叶片或环形的叶栅环与转子圆盘或转子环连接以后，部分地去除各涡轮叶片或叶栅环的处在各个涡轮叶片之间的那些区域，以致只有各相应叶片的根部还分别与转子圆盘和转子环连接。但也可以，在各涡轮叶片或环形的叶栅环与转子圆盘或转子环连接以后，去除各涡轮叶片或叶栅环的处在各个涡轮叶片之间的那些区域，以致部分地去除和中断在各涡轮叶片或叶栅环与转子圆盘或转子环之间构成的焊缝。例如借助一种电化学的侵蚀方法和/或一种电腐蚀的侵蚀方法(电火花绕蚀)实现各涡轮叶片或叶栅环和/或转子圆盘或转子环的中间区域的去除。但也可以采用其他的方法像例如钻孔方法或铣削方法那样。
燃气涡轮机的一个按照本发明的构件、特别是一个叶盘(“装有叶片的圆盘”)或一个叶环(“装有叶片的环”)，包括一些单独制成的涡轮叶片或一个由大量单独制成的涡轮叶片制成的环形的叶栅环以及一个与其连接的由一种适合熔焊的金属材料构成的转子圆盘或一个与其连接的由一种适合熔焊的金属材料构成的转子环，其中各涡轮叶片或叶栅环设置在转子圆盘或转子环的外圆周上并且各涡轮叶片分别包括一个叶片和一个固定在其上的由一种适合熔焊的金属材料构成的适配元件构成，其中适配元件构成为用于构成涡轮叶片的叶片根部。通过构件的按照本发明的结构形式，特别是涡轮叶片的结构形式，可以比较低耗费而成本合算地制造该构件。特别在构件制造时，与至今已知的制造方法相比，可以明显减少各种接合方法的数量。通过叶片根部或适配元件由一种适合熔焊的金属材料构成的结构形式，可以借助一种熔焊方法、特别是一种电子束熔焊方法将其接合成由大量涡轮叶片构成的叶栅环。相同的接合方法可以用于连接各个涡轮叶片或叶栅环与相应的转子圆盘或相应的转子环，因为它们同样分别由一种适合熔焊的金属材料构成。在此适配元件的材料可以与转子圆盘或转子环的材料一致。在本发明的一种有利的结构形式中，所述材料可以是一种可锻合金、特别是一种耐高温的镍合金。通常借助一种加压焊接方法、一种感应的低频或高频加压焊接方法、一种直线的摩擦焊接方法或一种扩散焊接方法实现叶片与适配元件的连接，因为叶片的材料通常不适合熔焊并且可以由一种铸造合金、特别是一种耐高温的镍合金构成。
在按照本发明的构件的一种有利的结构形式中，该构件具有至少一个包带，用于保护转子圆盘或转子环。包带在此在燃气涡轮机中特别用于保护热燃气。此外构件可以具有一个外包带。
特别是按照上述方法之一制造按照本发明的构件。
燃气涡轮机的一个按照本发明的涡轮叶片包括一个叶片和一个叶片根部，其中叶片由一种不适合熔焊的金属材料构成而叶片根部由一种适合熔焊的金属材料构成。通过由不同的金属材料构成的涡轮叶片的按照本发明的两件式结构形式，一方面确保涡轮叶片的比较低耗费而成本合算的制造。此外通过叶片根部由一种适合熔焊的金属材料构成，在进一步应用时和特别在由大量涡轮叶片制造一个涡轮叶栅环时产生其他的优点，因为不需要借助例如加压焊接方法或通用的钎焊方法就可以实现各个涡轮叶片的一种相应的接合。与已知的涡轮叶片相比在各个叶片之间给出一种可焊接性。在此叶片根部特别构成为单独的适配元件，以致大量相互连接的适配元件构成一个涡轮叶栅环的一个环。在本发明的一种有利的结构形式中，叶片由一种铸造合金构成而适配元件由一种可锻合金构成。可锻合金和/或铸造合金在此可以是一种耐高温的镍合金。
以上所述的按照本发明的方法、按照本发明的构件和按照本发明的涡轮叶片在修理燃气涡轮机的叶盘(“装有叶片的圆盘”)或叶环(“装有叶片的环”)时得到应用。
附图说明
由下面对多个图示的实施例的描述得出本发明的其他的优点、特征和细节，其中：
图1按照本发明的涡轮叶片作为按照本发明的构件的元件的示意图；
图2按照本发明接合的叶栅环的示意图；
图3按照本发明接合的构件按照第一种实施形式的示意图；
图4按照本发明接合的构件按照第二种实施形式的示意图；
图5按照本发明接合的构件按照第三种实施形式的示意图。
具体实施方式
图1示出一个涡轮叶片10作为燃气涡轮机的元件，特别作为一个叶盘或一个叶环的元件的示意图。人们可以看出，涡轮叶片10具有一种两件式的结构。一个由一种不适合熔焊的材料构成的叶片12在此与一个适配元件16经由一个第一焊缝18连接。适配元件16在此构成涡轮叶片10的叶片根部。或通过一种加压焊接方法、特别是一种直线的摩擦焊接方法或一种感应的高频加压焊接方法或也通过一种扩散焊接方法将叶片12接合到适配元件16上。叶片12由一种铸造合金、特别是一种耐高温的镍合金构成。适配元件16同样由一种耐高温的镍合金构成，但该合金构成为可锻合金。此外涡轮叶片还具有内部的包带14的元件。
图2示出一个由多个在图1中示出的涡轮叶片10接合的涡轮叶栅环28。人们可以看出，大量相互连接的适配元件16构成涡轮叶栅环28的一个环。在此各个适配元件16经由相应的第二焊缝20相互接合。该接合在此可以借助熔焊方法、特别是电子束熔焊方法实现。人们可以看出，第二焊缝沿径向方向延伸，其中分别接合适配元件16的侧面。由于低压涡轮机转子叶片一般具有一个外部的和一个内部的包带14，所以必须从内向外实施电子束焊接。由此电子束关于旋转轴线的角度小于90°，有效的焊入深度通过t/sinα得出，其中t是适配元件16的高度而α是在旋转轴线与电子束之间的角度。此外还可以看出，各零件14在叶栅环28的组装状态下构成一个环绕的内部的包带14。
图3示出一个接合的构件30、亦即一个叶盘的示意图，它包括一个转子圆盘22和接合在转子圆盘22的外圆周26上的涡轮叶栅环28。在此优选借助收缩实现叶栅环28在转子圆盘22上的定位。再次借助一个接合过程、亦即一种熔焊方法如一种电子束焊接方法实现环形的叶栅环28与转子圆盘22的连接。本身构成的第三焊缝24或是轴向的或是轻微圆锥形的。在第一种情况下(参见图3)，电子束源位置固定地定位在待接合的焊缝24的一个点的上方。在第二种情况下，电子束源定位在旋转轴线的上方。通过迅速的射束偏转，在最后的情况下产生多个(例如三个)单射束，它们沿圆周方向位错120°，同时使构件30在一个旋转台上旋转360°。在此可以将轴向变形减至最小。图3示出构件30的第一种实施形式。用作涡轮叶片10的叶片根部的各适配元件16在此这样构成，以致不需要进一步的精加工。
相反，图4示出构件30的第二种实施形式。按照第二种实施形式的构件30也涉及一个叶盘、但不同于图3中所示的实施形式，在这里在环形的叶栅环28与转子圆盘22连接以后，叶栅环28的处在各个涡轮叶片10之间的那些区域被部分地去除了，以致只有各相应叶片10的根部32还分别与转子圆盘22连接。在此可以借助一种铣削方法和/或一种电化学侵蚀方法和/或一种电腐蚀侵蚀方法实现叶栅环28的这些中间区域的去除。
图5示出构件30的第三种实施形式。按照第三种实施形式的构件30也涉及一个叶盘。但不同于图4中所示的实施形式，在这里各涡轮叶片10直接地即没有事先制造的叶栅环28地与转子圆盘22连接。在各涡轮叶片10与转子圆盘22连接以后，各涡轮叶片10的处在各个涡轮叶片10之间的那些区域被部分地去除了，以致在各涡轮叶片10与转子圆盘22之间构成的焊缝24被部分去除和中断。
从示出的各实施例明显表明，可以利用已知的ZfP技术100％地对形成的接合区域进行检验。还可以简单地去除可能的焊缝凸起部。

Claims (25)

1.用于制造燃气涡轮机的叶盘(“装有叶片的圆盘”)或叶环(“装有叶片的环”)的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
a)通过将叶片(12)接合到由一种适合熔焊的金属材料构成的适配元件(16)上来制造至少一个涡轮叶片(10)，其中适配元件(16)用于构成涡轮叶片(10)的叶片根部；和
b)将涡轮叶片(10)与一个由一种适合熔焊的金属材料构成的转子圆盘(22)或与一个由一种适合熔焊的金属材料构成的转子环连接，以致涡轮叶片(10)设置在转子圆盘(22)或转子环的外圆周(26)上。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在方法步骤b)之前，由大量按照方法步骤a)制成的涡轮叶片(10)制造一个环形的叶栅环(28)，并且在方法步骤b)中，将环形的叶栅环(28)与由一种适合熔焊的金属材料构成的转子圆盘(22)或与由一种适合熔焊的金属材料构成的转子环进行连接，以致叶栅环(28)设置在转子圆盘(22)或转子环的外圆周(26)上。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助一种加压焊接方法、一种感应的低频或高频加压焊接方法、一种直线的摩擦焊接方法或一种扩散焊接方法实现按照方法a)的涡轮叶片(10)的制造。
4.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，通过各个涡轮叶片(10)的构成为各叶片根部的适配件(16)的逐段的接合制造叶栅环(28)。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，接合方法是一种熔焊方法、特别是一种电子束焊接方法。
6.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，借助一个接合过程实施涡轮叶片(10)或环形的叶栅环(28)与转子圆盘(22)或转子环的连接。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述接合过程是一种熔焊方法、特别是一种电子束焊接方法。
8.按照权利要求2至7之一所述的方法，其特征在于，借助收缩实现叶栅环(28)在转子圆盘(22)或转子环上的定位。
9.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在涡轮叶片(10)或环形的叶栅环(28)与转子圆盘(22)或转子环连接以后，部分地去除各涡轮叶片(10)或叶栅环(28)的处在各个涡轮叶片(10)之间的那些区域，以致只有各相应叶片(10)的根部(32)还分别与转子圆盘(22)或转子环连接。
10.按照权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，在涡轮叶片(10)或环形的叶栅环(28)与转子圆盘(22)或转子环连接以后，去除各涡轮叶片(10)或叶栅环(28)的处在各个涡轮叶片(10)之间的那些区域，以致在各涡轮叶片(10)或叶栅环(28)与转子圆盘(22)或转子环之间构成的焊缝(24)被部分地去除和中断。
11.按照权利要求9或10所述的方法，其特征在于，借助一种铣削方法和/或一种电化学的侵蚀方法和/或一种电腐蚀的侵蚀方法实现各涡轮叶片(10)或叶栅环(28)和/或转子圆盘(22)或转子环的中间区域的去除。
12.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，适配元件(16)的材料与转子圆盘(22)或转子环的材料一致。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，所述材料是一种可锻合金，特别是一种耐高温的镍合金。
14.燃气涡轮机的构件、特别是叶盘(“装有叶片的圆盘”)或叶环(“装有叶片的环”)，其特征在于，构件(30)包括一些单独制成的涡轮叶片(10)或一个由大量单独制成的涡轮叶片(10)制成的环形的叶栅环(28)以及一个与其连接的由一种适合熔焊的金属材料构成的转子圆盘(22)或一个与其连接的由一种适合熔焊的金属材料构成的转子环，其中各涡轮叶片(10)或叶栅环(28)设置在转子圆盘(22)或转子环的外圆周(26)上并且各涡轮叶片(10)分别包括一个叶片(12)和一个固定在其上的由一种适合熔焊的金属材料构成的适配元件(16)，其中适配元件(16)构成为用于构成涡轮叶片(10)的叶片根部。
15.按照权利要求14所述的构件，其特征在于，构件(30)包括一个包带(14)，用于保护转子圆盘(22)或转子环。
16.按照权利要求14或15所述的构件，其特征在于，适配元件(16)的材料与转子圆盘(22)或转子环的材料一致。
17.按照权利要求16所述的构件，其特征在于，所述材料是一种可锻合金、特别是一种耐高温的镍合金。
18.按照权利要求14至17之一所述的构件，其特征在于，叶片(12)的材料是一种铸造合金、特别是一种耐高温的镍合金。
19.按照权利要求14至18之一所述的构件，其特征在于，构件(30)具有一个外包带。
20.按照权利要求14至19之一所述的构件，按照权利要求1至11之一所述的方法进行制造。
21.燃气涡轮机的涡轮叶片，包括一个叶片(12)和一个叶片根部，其特征在于，叶片(12)由一种不适合熔焊的金属材料构成而叶片根部由一种适合熔焊的金属材料构成。
22.按照权利要求21所述的涡轮叶片，其特征在于，叶片根部构成为单独的适配元件(16)，以致大量相互连接的适配元件(16)构成一个涡轮叶栅环(28)的一个环。
23.按照权利要求21或22所述的涡轮叶片，其特征在于，叶片(12)由一种铸造合金构成而适配元件(16)由一种可锻合金构成。
24.按照权利要求21所述的涡轮叶片，其特征在于，可锻合金和/或铸造合金是一种耐高温的镍合金。
25.一种按照权利要求1至13之一所述的方法、一种按照权利要求14至20之一所述的构件或一种按照权利要求21至24之一所述的涡轮叶片的应用，用于修理燃气涡轮机的叶盘(“装有叶片的圆盘”)或叶环(“装有叶片的环”)。
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