CN102139419A - 旋转的硬件及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋转的硬件及其方法，具体而言，提供了一种制造旋转硬件的方法和由此形成的旋转硬件。该方法包括制造至少两个部件，其共同限定了构件的至少两个部分。各个部件具有界面表面，在该界面表面处可将部件连接起来，从而在从所述部分的第二部分的径向向外的方向上定位所述部分的第一部分。部件连接在一起，使其界面表面形成定位在焊垫区域内的焊缝接口，焊垫区域具有比构件的邻接区域更大的轴向厚度。焊缝接口不垂直于构件的轴向方向和径向方向。焊垫区域由浮凸部分来限定，其在构件的径向方向上彼此偏离，从而在构件的轴向方向上彼此部分地但并非完全地重叠。

Description

旋转的硬件及其方法

技术领域

本发明一般地涉及包括连接操作的制造方法。更特别地，本发明指向一种用于制造旋转硬件，例如涡轮机械的旋转构件的技术、它们的制造过程中所使用的连接技术以及从而形成的硬件。

背景技术

燃气涡轮发动机的燃烧器和涡轮段中的构件通常由超级合金材料形成，以便在由于燃烧器中所产生的热的燃烧气体所引起的高温下取得可接受的机械特性。现代高压力比的燃气涡轮发动机中的较高的压缩机出口温度还可使高性能超级合金的使用成为必需，高性能超级合金用于压缩机构件，包括转子(spool)、转盘以及其它构件。用于给定构件的合适的合金成分和显微结构依赖于构件面临的具体的温度、应力以及其它条件。例如，燃气涡轮发动机的旋转硬件包括压缩机转子、压缩机转盘和涡轮转盘，它们典型地由超级合金形成，超级合金必须经历仔细控制的锻造、热处理和表面处理，以产生受控制的晶粒结构和期望的机械特性。用于这些应用的贵重超级合金包括伽马相(γ’)沉淀作用增强的镍基超级合金，其非限制性的示例是René88DT(R88DT；参见Krueger等人的美国专利No.4,957,567)。

图1以横截面图显示了用于燃气涡轮发动机的压缩机增压器轴或转子10的一部分。应该懂得由于压缩机段的轴对称的构造，有未在图1中显示的直径方向相对的部分，但图1中显示了该部分的镜像。转子10包括轮缘12和转盘(转轮)14，后者各包括位于其径向最深处的孔16和相对较薄的腹板18。轮缘12具有适合于固定压缩机叶片(未显示)的特征20，以及位于叶片级之间的环形密封件22。孔16提供了结构，转子10通过该结构安装到由发动机的涡轮段驱动的轴(未显示)上。转子10的其它方面以及压缩机和发动机的结构和操作在本领域中是已知的，因此将不在本文做任何详细的论述。

图1的转子10呈现为一种整体式单一合金的锻件，并且代表航空发动机中使用的转子。单一合金锻件的重量和成本驱动了开发材料、制造方法和硬件设计的意愿，它们能够减少用于燃气涡轮机的旋转硬件的锻件的重量和成本。提出了这样一种方案，其在于压缩机转子和涡轮转盘的孔和腹板具有比它们的轮缘更低的操作温度，并因此可由具有比轮缘处所需要的特性更少特性的合金形成。为了实现这种设计，在腹板中必须具有焊缝或其它冶金接头以连接不同的材料。图2代表这种焊缝的焊缝接头界面24。

为了满足与焊接相关的严格的寿命要求，腹板焊缝接头中的径向应力优选比由单一合金锻件所形成的旋转构件的腹板中的应力低得多。出于此目的，图2显示了定位在腹板18的增厚区域中的焊缝接头界面24，增厚区域在本文被称为焊垫26，其由位于腹板18的相对表面上的抬高区域或浮凸部分28限定。焊缝接头界面24垂直于两个浮凸部分28的表面。图3代表相似的方案，但不同于图2之处在于，焊缝接头定向成使得其界面24不垂直于两个浮凸部分28的表面。利用图2和图3中所示的设计而获得的径向应力下降基于增加需要减少应力的区域(焊缝接头)的横截面积基础。具体地说，此方案使用了一种简单的力/面积计算以降低应力。例如，假定是恒定的径向力，如果焊垫26内的横截面积变成两倍，那么应力将减少一半。图3包括由有限元分析获得的数据(lbf/in²)，其证明由于焊垫26大约为腹板18的剩余部分的两倍厚而引起焊缝接头界面24处的应力减少大约50％。

虽然图2和图3中所示类型的对称的浮凸部分28减少了腹板18的焊缝接头处的径向应力，但是焊垫26会显著地增加腹板18的重量而超出对于旋转硬件可接受的或所需要的范围。

发明内容

本发明提供了一种制造旋转硬件，例如涡轮机械的旋转构件的方法、它们的制造过程中所使用的连接技术、以及从而形成的旋转硬件。

根据本发明的第一方面，用于制造旋转构件的一种方法包括制造至少两个部件，它们共同限定了该构件的至少两个部分。各个部件均包括界面表面，在该界面表面处可将部件连接起来，以便在从这些部分的第二部分的径向向外的方向上定位这些部分的第一部分。部件连接在一起，使其界面表面形成定位在焊垫区域内的接头界面，焊垫区域定位在该构件的部分的至少其中一个部分中。焊垫区域具有构件的轴向方向上的厚度，该厚度比在从该焊垫区域的径向方向上定位的构件的邻接区域更大。部件的界面表面成形为使得接头界面不垂直于构件的轴向方向和径向方向。通过定位在构件的相对轴向面上的浮凸部分限定了焊垫区域。浮凸部分在构件的径向方向上彼此偏离，从而在构件的轴向方向上彼此部分地但并非完全地重叠。

本发明的另一方面是一种具有旋转轴线并包括至少两个部件的旋转构件，该至少两个部件连接在一起以限定该构件的至少两个部分。这些部分的第一部分设置在从这些部分的第二部分的径向向外的方向上。焊垫区域定位在该构件的这些部分的至少其中一个部分中，并具有构件轴向方向上的厚度，该厚度比在从焊垫区域的径向方向上定位的构件的邻接区域更大。焊垫区域由浮凸部分限定，浮凸部分定位在构件的相对轴向面上，并且在构件的径向方向上彼此偏离，从而在构件的轴向方向上彼此部分地但并非完全地重叠。部件连接在一起，以形成接头界面，该接头界面定位在焊垫区域内，并定向成以便不垂直于构件的轴向方向和径向方向。

本发明的一个显著优势是减少接头界面处的径向应力同时产生最小的额外重量的能力。本发明还促进了适应或另外特别适合于旋转构件的不同区域的不同材料的使用。本发明因此能够通过采用连接技术而在材料选择上容许更大的设计灵活性，这种连接技术对于构件最终的重量和性能具有最小的影响。因此，本发明特别适合于在燃气涡轮机和其它涡轮机械以及旋转机械中所采用的类型的旋转硬件中使用。

从以下详细说明将更好地理解本发明的其它的方面和优点。

附图说明

图1表现了可用于根据现有技术的高旁通燃气涡轮发动机中类型的单一合金锻造的转子的局部横截面图

图2表现了例如图1中所示类型的转子的腹板的一部分，但其经过改进而包括焊垫和焊缝接头，通过该焊垫和焊缝接头将腹板连接到转子的轮缘上，以容许由根据现有技术的多个锻件制造转子。

图3表现了类似于图1和图2中所示的转子腹板的一部分，并且来自有限元分析的数据覆盖在其上，以显示在轮缘、腹板和焊垫内的相对应力水平。

图4表现了根据本发明一个实施例的多锻件转子的局部横截面图。

图5表现了图4中所示转子的腹板内的焊垫区域的详图。

图6表现了覆盖在图5的焊垫区域上的有限元分析的数据，以显示在轮缘、腹板和焊垫内的相对应力水平。

部件列表：

10转子

12轮缘

14转轮

16孔

18腹板

20特征

22密封件

24界面

26焊垫

28浮凸部分

30转子

32轮缘

34转轮

36孔

38腹板

40特征

42密封件

44界面

46焊垫

48a，48b浮凸部分

50，52锻件

54重叠

具体实施方式

本发明将参照用在高旁通燃气涡轮发动机中的类型的旋转硬件进行描述，但是应该懂得本发明的教导和益处可适合并应用于大范围的应用。

图4示意性地表现了用在高旁通燃气涡轮发动机的压缩机段中的类型的增压器轴或转子30的局部横截面图。类似于图1中所示的现有技术的转子10，转子30包括轮缘32，轮缘32定位在多个转盘(转轮)34的径向向外的方向上，后者在它们的径向最深处包括孔36并在轮缘32和孔36之间包括相对较薄的腹板38。轮缘32具有适合于固定压缩机叶片(未显示)的特征40，以及位于叶片级之间的环形密封件42。转轮34的孔36使转子30能够安装到由发动机的涡轮段驱动的轴(未显示)上，使得转子30(和安装在它上面的硬件)围绕转子30的旋转轴线(未显示)而旋转。转子30的其它方面以及压缩机和发动机的结构和操作在本领域中是已知的，因此将不在这里做任何详细的论述。

同图1的转子10相比，图4中将转子30表示为由多个锻件50和52制成，使转子30能够由多种合金生产。具体地说，多个锻件50和52可由不同的合金生产，这使轮缘32和转轮34能够特别适应或另外更优化地适合于在压缩机内存在于它们的特定区域中的操作条件。例如，转子30的转轮34通常将具有比轮缘32更低的操作温度，并因此形成各个转轮34的大部分的锻件52可由具有比形成轮缘32的锻件50所需特性更少特性的合金形成。在图4中所示的此设计的实施方式中，锻件50和52被表示为连接在一起。更具体地说，限定轮缘32和转轮34的径向最外部分的锻件50和限定各个转轮34的大部分的各个锻件52被制造成具有互补的接合面，其在焊接到一起形成焊缝接头时限定了焊缝接头界面44。在图4中，焊缝接头以及它们的界面44显示为定位在焊垫46内，焊垫46完全形成于腹板38内。

根据本发明的一个优选方面，焊垫46和焊缝接头界面44构造成提高转子30满足对于遭受高径向应力的焊缝的严格的寿命要求的能力，这对于转子30和燃气涡轮的其它旋转硬件情况也是如此。图4中所示的焊缝接头界面44并不垂直于它们相应的腹板38的相对轴向面(并因此不垂直于腹板38的径向方向，也不平行于转子30的旋转轴线)。相反，界面44显示为定向在相对于转子30的径向和轴向方向大约45度的角度上。用于界面角度的优选范围通常是相对于转子30的轴向方向大约30至60度，但是可使用更小和更大的角度。

同图2和图3中所示的对称的焊垫26相比，图4中所示的焊垫46可被描述为由于被两个浮凸部分48a和48b限定的焊垫46而非对称，这两个浮凸部分在腹板38上并不是彼此直接相对的，如图5中更清晰所示。具体地说，尽管图2和图3的浮凸部分28的特征在于转子10的轴向方向上100％的重叠，但是浮凸部分48a和48b在转子30的轴向方向上只是彼此部分地重叠。在图5中，浮凸部分48a和48b具有各个浮凸部分48a和48b的径向尺寸上大约20％的重叠54，且浮凸部分48a和48b的剩余部分在相对的方向上是彼此径向偏离的。虽然不一定需要重叠54，但是径向最外面的浮凸部分(图5中的48a)的径向最内区域优选与径向最里面的浮凸部分(图5中的48b)的径向最外区域至少轴向地对准，相当于大约0％的重叠。浮凸部分48a和48b可在各个浮凸部分48a和48b的径向尺寸上彼此重叠多达大约70％。如由图5而明显的是，焊缝接头界面44需要与各个浮凸部分48a和48b的轴向面相交。

如同图2和图3的焊垫26一样，图4和图5的焊垫46通过由浮凸部分48a和48b造成的腹板38的轴向增厚区域形成，浮凸部分48a和48b在轴向方向上从它们相应的腹板38的相邻表面中突出来，使得焊垫46具有轴向厚度，该轴向厚度比腹板38的两个径向邻接区域的任一个的轴向厚度更大。然而，由图4的焊垫46实现的径向应力的下降显著大于图2和图3中所示的设计所实现的径向应力的下降。类似于图3，图6表示了由有限元分析获得的数据(lbf/in²)，并且印证了当遇到基本相同的应力条件时可将应力减少至与图3的设计相当的水平。然而，同图3的焊垫26相比，图6的焊垫利用焊垫46实现了此减少，焊垫46相对于周围腹板38的轴向厚度比对于图3的焊垫26而言为了获得相似的应力减少所需要的轴向厚度上的相对增加是相当小的。作为代表性的对比，图3的焊垫26具有大约为腹板18的邻接部分的轴向厚度的两倍的轴向厚度，而图5的焊垫46的轴向厚度显著小于腹板38的邻接部分的轴向厚度的两倍。在图6中，焊垫46的轴向厚度仅比腹板38的径向邻接部分的轴向厚度大大约20％。因此，同图2和图3所采用的用于获得减少应力的简单的力/面积计算相比，图4到图6的浮凸部分48a和48b的非对称的/偏离的构造实现了进一步的应力减少，其超出了用简单的力/面积计算所预测的范围。例如，图3的焊垫26通过具有比周围腹板18大大约100％的轴向厚度而将应力减少了大概一半，而由图4到图6中具有比周围腹板38仅大大约20％的轴向厚度的焊垫46可实现相似的应力减少。因此，图4到图6中非对称的浮凸部分48a和48b能够显著地减少腹板38的焊缝接头界面44处的径向应力，同时产生远小得多的额外重量。因此，焊垫46特别适合于在图4中所示类型的旋转硬件，以及燃气涡轮机和其它涡轮机械及旋转机械的其它旋转硬件中使用。

虽然不希望束缚于任何特定的理论，但是有限元分析已经指出图4到图6中所示类型的非对称的/偏离的焊垫实现了在焊缝接头界面44与腹板38的相对表面相交处的径向应力的局部减少。更具体地说，图6中所示的数据印证了由于图4到图6中所表示的偏离的浮凸部分48a和48b，非对称的焊垫46实现了压缩应力、在焊缝接头界面44与浮凸部分48a和48b的表面相交处应力减少、以及在焊缝接头界面44的配合面上的径向应力屏蔽的组合，使得大部分径向应力定位在腹板38的中心和其附近，而非腹板38的轴向面上。此组合降低了焊缝接头界面44处的整个径向应力水平，通过延缓裂纹的发展和生长而提高了焊缝接头满足严格的寿命要求的能力。据信在腹板38的中心处更好地承受了更高的径向应力，因为在腹板38内部中的裂纹在真空中，并且将比位于腹板38的外表面处的裂纹扩散得慢得多。

考虑到上述原因，据信上述类型的非对称的焊垫允许使用适应或另外特别适合于旋转构件的特定区域的材料。因此，整个构件不需要由单一材料形成，该单一材料的特性必须满足构件的有限区域的最苛刻的操作条件，但远远超过了构件其它区域所需要的特性。本发明还能够通过利用连接技术而在材料选择上容许更大的设计灵活性，该连接技术对于构件的最终重量和性能具有最小的影响。

虽然已经根据具体的实施例描述了本发明，但是很明显的是，本领域中的技术人员可采用其它形式。因此本发明的范围只受到所附权利要求的限制。

Claims (10)

1.一种制造具有旋转轴线的旋转构件(30)的方法，所述方法包括制造至少两个部件(50，52)，所述至少两个部件(50，52)共同限定所述构件(30)的至少两个部分(32，34)，各个所述部件(50，52)均包括界面表面，在所述界面表面处能够将所述部件(50，52)连接起来，从而在从所述部分(32，34)的第二部分(34)的径向向外的方向上定位所述部分(32，34)的第一部分(32)，所述方法的特征在于：

将所述部件(50，52)连接在一起，使得其所述界面表面形成定位在焊垫区域(46)内的接头界面(44)，所述焊垫区域(46)定位在所述构件(30)的至少其中一个所述部分(32，34)中，所述焊垫区域(46)具有在所述构件(30)的轴向方向上的厚度，所述厚度比从所述焊垫区域(46)在所述构件(30)的径向方向上定位的所述构件(30)的邻接区域(38)的厚度更大，所述部件(50，52)的所述界面表面形成为以便所述接头界面(44)不垂直于所述构件(30)的轴向方向和径向方向，所述焊垫区域(46)由定位在所述构件(30)的相对轴向面上的浮凸部分(48a，48b)限定，所述浮凸部分(48a，48b)在所述构件(30)的径向方向上彼此偏离，从而在所述构件(30)的轴向方向上彼此部分地但并非完全地重叠。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浮凸部分(48a，48b)彼此重叠大约0％至大约70％。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述焊垫区域(46)具有小于所述构件(30)的邻接区域(38)的轴向厚度的两倍的轴向厚度。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述接头界面(44)与所述浮凸部分(48a，48b)的轴向面相交。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其特征在于，所述部件(50，52)由不同的合金形成。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述旋转构件(30)是燃气涡轮发动机的构件，并且所述部分(32，34)包括所述构件(30)的轮缘(32)和至少一个转轮(34)

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述焊垫区域(46)和所述构件(30)的所述邻接区域(38)完全定位在所述转轮(34)内。

8.根据权利要求1-7中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述旋转构件(30)安装在燃气涡轮发动机中，以便在从所述第二部分(34)径向向外的方向上定位所述构件(30)的所述第一部分(32)。

9.由权利要求1-8中的任一方法形成的所述旋转构件(30)。

10.根据权利要求9所述的旋转构件(30)，其特征在于，所述构件(30)是压缩机转子(30)。

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