CN102548682A - 冷压修理压缩机的钛叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种修理涡轮发动机压缩机叶片(2)的方法，所述叶片包括在其径向端(4)的凹槽叶顶(5)，其径向延伸小于预定的标称径向延伸(6)，所述方法包括使用冷压作业拉长所述凹槽叶顶的步骤，所述冷压作业是在所述凹槽叶顶的壁上进行，这样，其径向拉伸大于所述标称延伸，其特征在于：冷压作业是一种滚柱抛光作业，通过沿将叶片前缘与其后缘相连的翼弦，在带有直线母线的两个滚柱(7)之间移动叶片(2)端部来进行该作业，两个滚柱间隔距离小于所述凹槽叶顶的厚度。

Description

冷压修理压缩机的钛叶片

技术领域

本发明领域为航空发动机领域，具体来讲，是指这些发动机的压缩机叶片的修理领域。

背景技术

航空发动机传统上由组合体构成，该组合体由下列组件构成：一个或多个对吸入进气口内的空气进行压缩的压缩机、燃烧与空气混合的燃料的燃烧室、一个或多个输出燃烧所产生部分动力以便驱动一个或多个压缩机的涡轮，以及排气喷嘴，经由该喷嘴，将所产生的燃气喷出。压缩机是采用一系列级的形式构成，每个级包括一个转轮，或称转子，和一个静子环，或称静子，所有这些都装有叶片，分别称之为转子或静子叶片。转子叶片通过它们的内部部件，或称叶根，通过发动机旋转轴固定，而其外部，或称叶尖，固定在压缩机壳体对面，后者将整个空气流动路径包围，并对压缩空气进行密封。

飞机发动机的压缩机叶片顶部因为与外部壳体之间的摩擦而容易磨损。因为飞机所标定的负载系数，在正常运行期间会出现这种摩擦，因此，造成发动机转子相对于其周围壳体而产生相对运动，或者因为叶根磨损，造成叶根在其空腔内向上移动。这种摩擦也可在异常运行时出现，例如，由于可能发生称之为压缩机喘振的现象，由于外部物体的吸入，由于过度振动等所致。

因此，必须在发动机定期检修期间检查叶片的长度，如果需要的话，恢复其初始长度，以便缩小叶片和壳体之间的间隙，因为该间隙对压缩机的航空动力学性能是有害的。

在现有技术中，所采用的修理技术，诸如通用电气公司的申请专利EP 1302627所描述的技术，涉及到叶片顶部的切割，使用焊接增大叶背，然后对叶片再加工到其初始几何尺寸。这种修理还包括一系列工业操作，诸如喷丸处理，目的是将表面层进行压缩，这样，就能更好地承受振动应力和/或热处理，在热处理时，叶片温度会增加，以缓解焊接操作所造成的内部应力。

很显然，这种技术成本很高，而且，首先是涉及到使用许多方法，其次，修理时间很长。因此，在部件修理的同时，部件的修理停工时间需要使用称之为部件的浮动库存，以便发动机检修线能够持续不断地获得部件。此外，使用焊接堆积的方法会对叶顶材料特性造成损害，导致某些叶片被废弃，因为它们再也不能承受振动应力。

另外一已知方法是美国专利US4095451中介绍的叶片加长，即，将需要修理的叶片在两个滚柱之间压制，其中一个滚柱为凸形，而另一个为凹形，从而重新形成叶片轮廓形状。压制作业的实施是将叶片沿其纵向移动。这种方法的缺点是对叶片整个长度而不是只对其一端进行压制。叶片的强度特性因此会由于其叶型厚度减小而降低。此外，这种方法仅适合于一个叶片轮廓形状，而且，在不同级的叶片上使用时，还需更换滚柱。

发明内容

本发明的一个目的是，提出一种修理压缩机叶片端部的方法，以克服所述这些缺陷，这种方法不会再次出现现有技术中的某些缺陷，而且特别是，实施简单，快捷，而且经济。

为此，本发明的目的是提出一种修理涡轮机组压缩机叶片的方法，所述叶片在其径向端带有凹槽叶顶，该凹槽叶顶的径向延伸小于预定的标称径向延伸，所述方法包括使用冷压操作拉长所述凹槽叶顶的步骤，所述冷压操作是在所述凹槽叶顶的壁上进行，这样，其径向拉伸就大于所述标称延伸，其特征在于，压制操作是一种滚柱抛光作业，即，通过沿连接叶片前缘至其后缘的翼弦，在带有直母线的两个滚柱之间移动叶片端部进行该工艺，两个滚柱间隔距离小于所述凹槽叶顶的厚度。

诸如滚柱抛光作业这样的压制作业进行起来特别简单，不会在根本上改变叶片径向端部的冶金特性。这种方法的优点是简单，可以在室温下进行，无需作业后的热处理(不像其它一些方法涉及使用熔料进行堆焊)，对所需的染料渗透检查无损试验没有限制。

此外，带直母线的圆柱形滚柱的使用和沿翼弦移动方式意味着，该方法可以在所有类型叶片上实施，无需使滚柱形状必须适合叶型的轮廓。

优选地，滚柱之间的间隙小于所述凹槽叶顶局部厚度约0.1到0.5mm之间的值。

在一个实施例中，采用连续的滚柱抛光轧道来实现拉长，其高度在0.1到0.5mm之间。

优选地，移动速度大于或等于20m/min。

在一个具体实施例中，滚柱抛光作业所施加的压力沿叶片的翼弦变化。由于滚柱抛光的优选方法是保持滚柱之间距离不变，这引起了叶片凹槽叶顶的厚度也不变，但有利的是，可改变所施加的压力，以改变凹槽叶顶的厚度。

在另一个实施例中，滚柱轴线相对于与移动方向相垂直的平面是倾斜的，其上部会相对于移动方向而向前偏移。优选地，滚柱轴线的倾斜角小于5°。

有利的是，所述方法应用于钛合金制成的叶片。优选地，钛合金为TA6V。应该指出的是，可以使用滚柱抛光或冷镦对由钛合金制成的部件进行拉长作业，尽管这种合金的刚性很高。

通过阅读如下本发明的一个实施方式的详细解释性描述，可以更好地理解本发明，本发明的其它目的、细节、特性和优点会更清楚地显现出来，所述实施方式通过纯粹示例性且非限定性实施例并结合附图给出。附图如下：

附图说明

图1为涡轮机组压缩机转子的总体剖面图；

图2和图3为根据本发明一个实施方式的修理方法使用前和使用后压缩机叶片径向端的剖面图。

具体实施方式

参照图1，图1示出了涡轮机组压缩机的转子1的横截面，包括安装在转子1上的叶片2和转子1内面对叶片2的压缩机轮盘3。每个叶片2带有采用所属领域技术人员所熟知技术固定到转子1上的根部，叶片一直延伸到端部，或称尖缘4，构成本发明主题的修理方法就是针对该部位。

参照图2，该图为叶尖的径向剖面图，叶尖形状为尖缘4，其厚度由预期的机械强度特性确定，其径向延伸有较薄部分5，所属领域技术人员称该部分为凹槽叶顶，该凹槽叶顶的作用是对环绕压缩机的壳体形成密封。这种凹槽叶顶的变薄，是为了其偶尔进入到壳体所结合的耐磨材料内，这样，在叶型的尖缘4和壳体之间形成的间隙尽可能小。图2还示出了尺寸公差6，对应于叶片在转子上适当位置的径向延伸的标称尺寸，目的是正确地控制与壳体之间的间隙。图2所示叶片带有精确地对应于该间隙标称尺寸的径向延伸。

相对于该标称尺寸，在叶片径向延伸上留有公差，低于该公差，则该叶片被认为不能在发动机上使用。因此，叶片需要送回修理，以便重新获得足够的径向延伸。

现在，参照图3，图3示出了压缩机叶片2，其叶型的尖缘4也带有凹槽叶顶5。此处，凹槽叶顶5置于由硬金属制成的两个滚柱7中间，滚柱7的形状为带直母线的圆柱形，可在其上进行滚柱抛光作业；凹槽叶顶被压在滚柱之间，后者向凹槽叶顶5径向端的两侧施加相当大的压力，目的是使其变薄，从而将金属向外镦锻。滚柱抛光作业是通过移动滚柱7之间的叶片2端部而进行的，而滚柱则沿连接前缘至其后缘的翼弦围绕其轴线8转动。因为滚柱抛光所形成的这种变薄作业，凹槽叶顶会变长，而其径向端会再次越过所述叶片标称延伸线。因此，该叶片可以再次在发动机上投入使用。

滚柱抛光作业本身被称之为是一种冷变形作业，其涉及在不移除材料的情况下，通过部件周缘层面的塑性变形，对材料表面进行整平和压制。通常，用来获得高的表面质量，目的是针对周围部件而拥有良好的摩擦或密封特性。因为表面的压制，还可以增加部件的硬度，以改进部件耐磨性，耐腐蚀性，并提高疲劳强度。

考虑到需对金属进行镦锻或使部件变得更薄，所以通常不用。

众所周知，滚柱抛光可以应用于所有可变形材料。通常，人们认为材料的硬度决不可超过45HRC时设定的洛氏硬度，从而使得滚柱抛光作业可以实施。此外，材料需要足够伸长特性，具有超过5％的断裂伸长率的特点。

所属领域的技术人员因此会认为，这种方法主要适用于钢基合金。考虑到钛合金的具体特性，他/她不会想到在这种材料上应用滚柱抛光工艺。

申请人公司的做法恰恰与这些先入之见相反，首先，他们提出，滚柱抛光可以应用于合金，诸如TA6V上，后者主要用于制作涡轮机组压缩机叶片，即使其硬度相当接近45到50HRC值，且即使其断裂伸长率在8％左右，非常接近通常可以接受的下限值。其次，申请人公司还表示，滚压作业不仅会对表面进行压制，而且还会拉长叶片的凹槽叶顶5。

为此，这种滚柱抛光方法的使用允许压缩机叶片通过冷态拉长其凹槽叶顶而得到修复，与此同时，保持其轮廓形状，使用该工艺，操作简单，成本不高。

下面，介绍根据本发明的滚柱抛光作业在由钛合金制成的压缩机叶片2端部4的应用情况。

叶片根部面向下，叶片2位于两个滚柱7之间，其叶型中央表面在滚柱与其接触点处与滚柱成切向。滚柱7的间隙一般设定在凹槽叶顶5的厚度以下约0.2mm左右。该值可以根据叶片设计在0.1和0.5之间变化。该间隙通常是不变的，但是，为了考虑叶片的轮廓形状和沿其翼弦所呈现的厚度变化，滚柱7的相对位置有利地可以是变化的，以保持小于凹槽叶顶局部厚度的0.2mm间隙。在后一种情况下，优选地，可使用数控机床来进行这项工艺。尤其是，这种工艺可使本发明修理方法在各种类型叶片上实施，不论其轮廓如何。为此，所要求的是将叶片翼弦形状编程到机床的软件中。

在滚柱上施加一个预定的压力，以便通过材料向上镦锻的凹槽叶顶5的变薄来移动材料，与此同时，沿叶片翼弦方向，向叶片施加压力，使其在滚柱7之间向前移动。

在此处所述的由钛合金TA6V制成的叶片的情况下，如上所述设定值为0.2mm的滚柱抛光作业可以在0.15mm高度上以22m/min的移动速度进行。对于钛合金制成的叶片来讲，该高度一般在0.10mm和0.50mm之间。在凹槽叶顶端部处半径和叶尖之间进行几次工艺轧道，以便向上推动在滚柱上方形成的凸起，并实现凹槽叶顶5所期望的拉长。

实施这种方法，可以设想有多种不同形式的实施方式。在第一种形式的实施方式中，施加给滚柱的压力不是不变的，而是随着叶片2在滚柱7之间向前的移动，该压力会下降，在出口处的压力等于其入口值的大约50％。叶型沿其轮廓厚度的改变引起压力的变化，以便滚柱抛光印记可达到与叶型表面平行的表面。

在另一种不同形式的实施方式中，滚柱7的轴线8相对于与移动方向垂直的平面而倾斜，其上部相对于该移动方向向前偏移，这使得材料更方便地沿叶型向上移动。所使用的角度优选小于5°，目的是实现正确的滚柱抛光，这表明无需沿凹槽叶顶建立梯级效果。

上面介绍了本发明的叶型在两个滚柱之间移动和在预定轧道高度上进行滚柱抛光作业。在若干轧道中，向凹槽叶顶5施加冷镦，使用压模来在静止叶型上很容易地进行这种作业，压模的高度大体上相当于所采用的轧道高度。

尽管上面结合一个具体实施例介绍了本发明，但很显然，本发明包括了所介绍装置的所有等同技术装置和这些的结合形式，而所有这些都在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种修理涡轮机组压缩机叶片(2)的方法，所述叶片在其径向端(4)包括凹槽叶顶(5)，其径向延伸小于预定的标称径向延伸(6)，所述方法包括使用冷压作业拉长所述凹槽叶顶的步骤，所述冷压作业是在所述凹槽叶顶的壁上进行，以便其径向拉伸大于所述标称延伸，其特征在于：冷压作业是一种滚柱抛光作业，通过沿连接叶片前缘与其后缘的翼弦，在带有直母线的两个滚柱(7)之间移动叶片(2)端部进行该作业，两个滚柱间隔距离小于所述凹槽叶顶的厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：滚柱(7)间隙小于所述凹槽叶顶(5)局部厚度0.1到0.5mm之间的值。

3.根据权利要求1和2中任一项权利要求所述的方法，其特征在于：通过连续的滚柱抛光轧道而实现拉长，其高度在0.1到0.5mm之间。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：移动速度大于或等于20m/min。

5.根据权利要求1到4中一项权利要求所述的方法，其特征在于：滚柱抛光作业所施加的压力沿叶片(2)翼弦变化。

6.根据权利要求1到5中一项权利要求所述的方法，其特征在于：滚柱(7)的轴线(8)相对于与移动方向相垂直的平面倾斜，其上部相对于移动方向向前偏移。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：滚柱(7)的轴线(8)的倾斜角小于5°。

8.根据权利要求1到7中一项权利要求所述的方法，其特征在于，其应用于由钛合金制成的叶片(2)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：钛合金为TA6V。

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