CN102105706A - 提高旋转时约束在一起的两转子部件间的粘着系数的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高旋转时约束在一起的两个转子部件(12、14)之间、尤其是两个涡轮机部件的粘着系数的方法，所述两个部件借助于支承面(18、20)彼此相互支承，所述方法包括如下步骤：通过铣削对所述支承面中的至少一个支撑面进行加工，以改变其表面状态和粗糙度，然后用摩擦系数高的硬质材料薄层(44)涂覆所述或各个加工出的支撑面。

Description

提高旋转时约束在一起的两转子部件间的粘着系数的方法
技术领域
本发明涉及提高旋转时被约束在一起的两个转子部件，例如涡轮机转子的部件之间的粘着系数的方法。
背景技术
涡轮机转子通常包括多个盘，各个盘具有按压在相邻盘的环形凸缘上并且借助例如螺帽和螺栓紧固件通过螺栓固定而紧固到其上的环形凸缘。螺栓与转子的旋转轴线平行，并且穿过凸缘中的孔，螺栓规则地分布在以转子轴线为中心的周部上。
在操作期间，旋转扭矩经由凸缘和螺栓从一个转子盘传递至另一转子盘，该传递过程主要是借助剪力和摩擦力而发生的。由于支撑力位置的改变，凸缘之间的相对滑动使得对螺栓和供螺栓从凸缘中穿过的孔的边缘造成过大的应力，并且降低了凸缘的使用寿命，进而降低了转子的使用寿命。
该问题的一个解决方案包括：提高螺栓的夹持力，进而提高凸缘之间的夹持力，这意味着增大用于将凸缘紧固在一起的螺栓的直径和/或数量。然而，该解决方案在实践中并不总是可行的，尤其是由于空间可用性或盘材料的压缩强度的原因，并因为该方案使得转子的重量显著增大(在航空领域中增大重量总是有害的)而无法令人满意，并会(由于紧固件螺栓通道穿过的孔彼此更加接近，还由于离心力更大)造成盘的应力增大。
本发明的具体目的在于通过利用摩擦力而不是剪力促进凸缘之间的旋转扭矩的传递并且限制凸缘之间的相对移动，为解决现有技术中的上述问题提供了一种简单、有效且成本低的方案。
发明内容
为此，本发明提供了一种提高旋转时约束在一起的两个转子部件之间、尤其是两个涡轮机部件之间的粘着系数的方法，所述部件借助于支承面彼此相互支承并且借助螺栓固定方式紧固在一起，所述方法的特征在于，包括如下步骤：通过铣削对所述支承面中的至少一个支撑面进行加工以改变其表面状态和粗糙度，然后用摩擦系数高的硬质材料薄层涂覆所述或各个加工出的表面。
本发明的所述方法包括两个主要的连续步骤：铣削所述或各个部件的支承面以改变其粗糙度，以及用摩擦系数高的硬质材料保护薄膜来涂覆加工出的表面。
本发明用于以受控方式增大两个部件之间的粘着系数。已经提出了借助通常采用金刚砂或铝的喷砂法来增大这种组件中的部件粗糙度。然而，这种技术不能使部件之间的最终粘着系数得到很好的控制。由于支承面的形态是确定摩擦系数的主要因素，但该技术不能获得精确且可再现的形态。此外，喷砂之后不能进行如下的其他处理：包括沉积硬质保护材料以保证所获得的粗糙度在由于部件被夹持在一起并相互摩擦而导致的压缩状态是长期可用的。
本发明方法的铣削步骤优选地借助具有高推进速度的铣刀来执行，以在支承面上形成特定类型的突起部，该突起部由交替出现的顶点和沟槽形成。硬质材料薄层用于保护该突起部并避免其在将部件紧固并夹持在一起时被平坦化或被操作时的摩擦改变或损坏。薄膜的厚度较小以防止改变通过铣削方式所获得的表面状态。薄膜的材料优选地是陶瓷的，并且例如是氮化钛。通过化学气体或气相沉积可以在加工出的面上沉积薄膜。
优选地，通过铣削方式来加工两个部件的支承面，沿着相反方向形成所述支承面的顶点和沟槽，以成为大致互补的形状并且增大部件之间的摩擦系数。
举例而言，所述支撑面是围绕所述转子的旋转轴线延伸的环形面。
通过在一个或各个支承面上制造出一个或多个通道来进行所述铣削。
举例而言，使所述铣刀在一个所述支承面上围绕旋转轴线沿着顺时针方向移动来产生至少一个周向通道。使所述铣刀在另一个所述支承面上围绕旋转轴线沿着逆时针方向移动来产生至少一个周向通道。可以在所述或各个面上产生多个直径增大或减小的同心周向通道。
在变型例中，使所述铣刀在所述或各个支承面上沿着相对于所述转子的旋转轴线的大致径向方向上移动来产生多个径向通道，所述通道是一个挨着另一个的以加工所述面的整个面。还可以使所述铣刀在所述加工出的面上沿着相对于所述部件的大致切向移动来产生多个切向通道。
用铣刀来执行所述铣削，所述铣刀的每齿给进量fz确定为所述或各个支承面的期望算术平均粗糙度Ra和铣刀半径R的函数，并由如下公式确定：fz＝√(18√3)×√(Ra×R)。粗糙度或算术平均粗糙度Ra应该理解为顶点和沟槽的高度的算术平均值。举例而言，每齿给进量速度fz在0.01毫米每齿(mm/齿)至0.3mm/齿的范围内，优选地在0.05mm/齿至0.1mm/齿的范围内，例如为0.07mm/齿。
在本发明方法的特定实施例中，所述部件是涡轮机转子盘，各个转子盘具有抵靠在另一盘的环形凸缘上的环形凸缘并且借助螺栓固定方式紧固在其上，所述方法包括如下步骤：加工这些凸缘的支承面中的至少一个支撑面并用薄层对其进行涂覆。
在对凸缘的支承面进行铣削的步骤之前，所述方法可以包括对所述凸缘上执行抛光旋转的步骤；并且在涂覆所述加工出的支承面的步骤之后，所述方法可以包括铣削所述凸缘以在所述凸缘中提供花彩或雉堞的其他步骤。
对于涡轮机的高压压缩机的钛转子，已经发现，使转子凸缘之间的摩擦系数或粘着系数增大2倍，对于同样的螺栓夹持扭矩，可以使得凸缘的使用寿命并从而使转子的使用寿命增加1.3倍，或者使螺栓数量减少10％、或者如果所关注的螺栓尺寸过大，实际上会使螺栓数量减少10％以上。
本发明还提供了一种转子盘，尤其是用于涡轮机的转子盘，该转子盘包括具有支承面的紧固凸缘，所述支撑面包括交替出现的涂覆有摩擦系数高的硬质材料薄层的顶点和沟槽。沟槽相对于顶点的顶部的深度为例如1μm至2μm的量级。
附图说明
阅读通过非限制性的实例并参考附图所进行的说明，可以更好地理解本发明，并更清楚地理解本发明其它细节、特征和优点，在附图中
图1是涡轮机的两个转子盘之间的螺栓固定方式连接件的轴向截面的部分概括图；
图2是实施本发明方法的图1的凸缘之一的支承面的高度概括性视图；
图3是本发明的方法的铣削步骤的高度概括性视图；
图4是本发明方法中的沉积薄层的步骤的高度概括性视图；
图5和图6是在利用本发明的方法对所述支撑面进行处理之后，图1的凸缘的支承面的高度概括性视图；
图7是实施本发明的变型方法的凸缘的支承面的高度概括性视图；以及
图8是图7的凸缘的支承面在本发明方法结束时的高度概括性视图。
具体实施方式
首先参考图1，该图是涡轮机的第一转子盘的环形凸缘12与第二转子盘的环形凸缘14之间的螺栓固定方式连接件10的轴向截面，为了更清楚起见，在附图中省略了这两个转子盘。举例而言，这两个转子盘由基于镍和钴的合金制成。
凸缘12、14围绕转子的旋转轴线16延伸并且相对于所述轴线沿径向向外取向。凸缘12、14彼此相互挤压，并且借助于螺帽螺栓紧固件而夹持在一起。
凸缘12包括用于支承在凸缘14的对应横向面20上的径向或横向支承面18。
凸缘12具有轴向孔22，轴向孔22供绕旋转轴线16规则分布的螺栓24从中穿过并在轴向上与凸缘14的孔26对准。举例而言，螺栓24的数量在20至40的范围内。
螺栓24轴向地接合(在附图中从左到右)到凸缘12的各个孔22中并且接合到凸缘14的对应孔26中，直到螺栓的头部28轴向地支承在凸缘12的背离横向面18的横向面上或者支承在垫圈30上，垫圈30在轴向上置于上述的背离横向面18的横向面与螺栓的头部之间。各个螺栓24具有螺纹部分32，螺纹部分32接纳螺帽34，螺帽34用于轴向地支承在凸缘14的与其横向面20相对的横向面上。
在操作中，旋转振动和扭矩由于剪力和摩擦力的作用而从一个转子盘传递至另一转子盘，从而在螺栓24中并且在供所述螺栓从中穿过的孔22、26的边缘上产生高水平的应力。
本发明提供了对凸缘12和14的支承面18和20进行处理的方法，以用于增加凸缘之间的抓握(grip)或摩擦系数，从而通过摩擦力而不是剪力来增强旋转振动和扭矩在凸缘之间的传递。
本发明的方法包括两个步骤：第一步骤包括，利用铣削对凸缘的支承面18和20中的至少一个支撑面进行加工从而改变它们的表面状态和粗糙度；第二步骤包括，用摩擦系数高的硬质材料的薄层覆盖加工出的面。
在图2和图3中概括地示出的第一步骤主要包括：使用高推进速度铣刀40以及使铣刀在支承面上移动，以在突出部分中形成锯齿部分，锯齿部分包括交替出现的顶点36和沟槽38。
在图2所示的实例中，铣刀在支承面18、20上沿顺时针方向(箭头42)在周向上移动。在该附图中，铣刀40被示出为在面18、20上的内周附近穿过。然后，需要多个直径增大了的周向通道，以便加工整个支承面18、20，这些通道的数量具体是铣刀的直径和支承面18、20的径向尺寸的函数。
用于该操作的铣刀可以是单件铣刀或镶齿的铣削铣刀。该铣刀可以由碳化物、陶瓷、高速工具钢(HSS，High Speed Steel)、和/或立方氮化硼(CBN，Cubic Boron Nitride)制成，并且可以被任意涂层覆盖。
举例而言，铣刀的直径是16毫米(mm)，尖端41为锐角或半径小于0.1mm的圆缘，齿的数量等于4，并且螺旋角为约45°。
举例而言，当对由Inconel 718制成的凸缘的支承面进行铣削时，铣刀的使用参数如下：切削速度vc＝25m/min，轴向接合(axial engagement)ap＝0.3mm，并且每齿给进量fz＝0.07mm。
通常，铣刀的每齿给进量可以使用如下公式来确定：fz＝√(18√3)×√(Ra×R)，其中，Ra是支承面18、20的期望算术平均粗糙度，R是铣刀的终止半径。举例而言，算术平均粗糙度是1.6μm。
当通过铣削对两个凸缘12、14的支承面18、20进行加工时，铣刀在第一支承面18或20上的行进方向优选地与铣刀在第二支承面20或18上的行进方向相反，使得在这两个面上加工出的突出部分是彼此大致互补，从而改善表面之间的摩擦系数。在图2的实例中，铣刀在其中一个面上顺时针移动，而在另一个面上逆时针移动。
图5和图6是凸缘的支承面18、20的高度概括的剖视图。在这两个图中，以如下方式构造支承面上的突出部分：当凸缘12、14夹持在一起时，第一面的顶点36与第二面的沟槽38接合，反之依然。在图6中，支承面18’、20’的顶峰36’的形状与另一支承面的沟槽38’的形状大致互补，反之依然。
在图4中概括性地示出了本发明方法的第二步，其包括在加工出的支承面18、20上沉积保护薄层44。
薄层44覆盖了所有的突出部分从而覆盖了支承面的顶点和沟槽，并且具有小的厚度以避免改变通过铣削获得的支承面的表面状态。举例而言，该厚度的量级为约1μm至2μm。
薄膜44由非常硬质的材料制成，以防止在凸缘夹持在一起时支承面上的突出部分被弄平，从而限制这些突出部分在操作期间由于摩擦而受到磨损。该材料还具有高的摩擦系数，尤其是对自身材料具有高的摩擦系数。
薄层44可以借助任意合适的技术来沉积，例如借助物理气相沉积(PVD)法或者内部气相沉积(IVD)法。
薄膜可以借助这种类型的技术沉积到各种类型的基板上，例如由钢、基于镍或钛的合金等制成的基板。由于实施沉积的条件(尤其是温度)符合应用于构成基板的合金的热处理、甚至符合通过对基板进行机械处理获得的预定预应力状态(例如，借助冷变形或喷砂处理)，因此沉积用于保持基板(盘)的机械和粘着特性。
举例而言，沉积为薄层的材料是氮化钛的化学计量涂层。可以在300℃至400℃的温度量级下实施沉积，这些温度符合应用于上述合金的热处理并且在使预应力放松的阈值之下。
氮化钛的硬度大于1000HV(Vickers hardness，维氏硬度)。其具有良好的附着力并且对自身具有高的摩擦系数。由于材料(陶瓷)的性质，这些特性在涡轮机的转子盘的整个温度范围内是稳定的(高达750℃以上)。因此，摩擦系数从金属对金属接触的0.3-0.6的范围升至约0.9的系数。
下面，参考图7和图8，这两个附图示出了本发明方法的变型实施例。
附图标记118、120表示转子盘的两个凸缘112、114的支承面，凸缘112、114示出为径向尺寸比图2中的凸缘的径向尺寸大。
该方法与上述方法不同之处在于通过沿着径向和切向而不是周向移动铣刀来对各个支承面进行铣削。
通过在各个支承面18、20的整个周向上沿径向向上或向下移动铣刀来加工出多个相邻的径向通道。这些通道的数量具体取决于凸缘的直径和铣刀的直径。然后在支承面的整个轮廓上制造出多个切向通道，以垂直于由径向通道所形成的顶点和沟槽形成顶点和沟槽。这在支承面上产生了形成材料顶峰阵列的通道栅格，这些材料顶峰对应于由径向通道形成的顶点和由切向通道形成的顶点之间的交叉处。
在本发明方法的特定实施例中，上述两个通道之前的步骤包括通过转动实施对凸缘的半抛光加工。然后，这些步骤之后的另一步骤是：铣削凸缘以在其内周处形成花彩或雉堞型边缘。花彩150或雉堞沿径向向内延伸并且围绕转子的旋转轴线116规则地分布。然后，可以在花彩150中钻出使凸缘紧固件螺栓穿过的孔122、126。
为了改善所述部件的使用寿命，本发明方法中的上述铣削和沉积薄层的操作可以在如下操作之前或之后进行：对该部件，尤其是对凸缘的孔或花彩进行机械处理(例如，借助冷变形或喷砂)和/或热处理(例如，膨胀或回火)。应该选择硬质材料的温度和沉积条件以考虑构成用于处理的部件的材料的机械和/或热处理。如果在沉积之前实施处理，则还可以考虑预应力状态。如果在沉积硬质材料之后执行这些步骤，可以借助例如掩摸来保护硬质材料涂覆的区域。

Claims (16)

1.一种提高旋转时约束在一起的两个转子部件(12、14)之间、尤其是两个涡轮机部件之间的粘着系数的方法，所述两个部件借助于支承面(18、20)彼此相互支承并且借助螺栓固定方式紧固在一起，所述方法的特征在于其包括如下步骤：通过铣削对所述支承面中的至少一个支撑面进行加工，以改变其表面状态和粗糙度，然后用摩擦系数高的硬质材料薄层(44)涂覆所述或各个加工出的表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用高推进速度铣刀(40)加工所述支承面以在所述支撑面上形成交替出现的顶点(36)和沟槽(38)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过铣削对所述两个部件的支承面(18、20)进行加工，在相反的方向上形成所述支承面的顶点和沟槽。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述支承面(18、20)是环形的并且围绕所述转子的旋转轴线(16)延伸。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过在所述支承面(18、20)上产生一个或多个通道来执行所述铣削加工。
6.根据权利要求4和5所述的方法，其特征在于，使所述铣刀(40)在一个所述支承面(18、20)上围绕旋转轴线(16)沿着顺时针方向(42)移动来产生至少一个周向通道。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使所述铣刀(40)在另一个所述支承面(18、20)上围绕旋转轴线(16)沿着逆时针方向移动来产生至少一个周向通道。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述或各个面(18、20)上产生多个直径增大或减小的同心周向通道。
9.根据权利要求4和5所述的方法，其特征在于，使所述铣刀在所述或各个支承面(118、120)上沿着相对于所述转子的旋转轴线(116)的大致径向移动来产生多个径向通道(146)，所述通道是一个挨着另一个的以加工所述支撑面的整个面。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使所述铣刀在所述或各个加工出的面上沿着相对于所述部件的大致切向方向移动来产生多个切向通道(148)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用铣刀(40)来进行所述铣削加工，所述铣刀的每齿给进量是所述或各个支承面18、20的期望粗糙度Ra和铣刀半径R函数，并由如下公式确定：fz＝√(18√3)×√(Ra×R)。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用例如氮化钛之类的陶瓷材料的薄层(44)来覆盖所述支承面(18、20)。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于由涡轮机的转子盘构成的部件，各个转子盘具有抵靠在另一转子盘的环形凸缘上的环形凸缘(12、14)并且借助螺栓固定方式紧固在其上，所述方法包括如下步骤：加工所述凸缘的支承面中的至少一个支撑面并用薄层对其进行涂覆。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在对凸缘的支承面进行铣削的步骤之前，所述方法包括对所述凸缘进行抛光旋转的步骤；并且在涂覆所述加工出的支承面的步骤之后，所述方法包括铣削所述凸缘以在所述凸缘中提供花彩(150)或雉堞的步骤。
15.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，铣削和沉积所述薄层(44)的步骤在如下步骤之前或之后：对所述部件(12、14)进行机械处理，例如，借助冷变形或喷砂，和/或对所述部件进行热处理，例如借助膨胀或回火。
16.一种转子盘，尤其是用于涡轮机的转子盘，其包括具有环形支承面(18、20)的紧固凸缘(12、14)，所述支撑面包括交替出现的涂覆有摩擦系数高的硬质材料薄层(44)的顶点(36)和沟槽(38)。
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