CN103153533B - 便于对叶根进行机加工的包括可转动托架和用来封装涡轮叶片机翼的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在封装体内封装涡轮发动机涡轮叶片的机翼的设备，包括底座(11)，模具(12)位于该底座上，以便涂覆金属流动，所述模具包括腔室，在封装体上形成了空间定位的参考平面，其中，所述底座(11)还带有通过六个支撑点支撑叶片的托架(13)，所述支撑点形成了所谓的定位平面，代表了机翼相对于叶片根部的角度位置，其特征在于，托架(13)相对于所述底座(11)围绕轴线旋转运动，从而与叶片前缘方向大体水平，以便改变所述参考平面和定位平面之间形成的角度。

Description

便于对叶根进行机加工的包括可转动托架和用来封装涡轮叶片机翼的设备

技术领域

本发明涉及到航空领域，而且特别涉及到涡轮机涡轮叶片的制造领域。

背景技术

涡轮机叶片通常包括三个部分：上部(或称叶冠)，中部(或称机翼)和下部(或称叶根)，上部和下部通过平台与机翼相隔开。机翼设计成可位于燃气流中，以便通过燃气流中燃气的膨胀而提取功，从而带动涡轮机转子旋转。叶片制造时的一个重要部分就是确保机翼相对于叶根正确取向，因为当叶根固定到轮盘并因此而相对于涡轮机转子保持不动时，这个方向决定了机翼在燃气流路中的位置，进而，决定了机翼的气动力效能。

叶片制造时的第一阶段通常是制作一个铸件，该铸件的机翼部分尺寸为完成尺寸，但叶根和叶冠还只是坯件。然后，必须对叶根和叶冠进行加工，从而赋予其确切形状。尤其是，叶根的加工非常重要，因为正是这个加工过程决定了机翼相对于空气流路的正确方向。实施叶根加工这个步骤，减小机翼相对于叶根的定位的不确定性，这是很重要的，特别是，避免在机翼生产相关公差上增加过大加工公差。

传统上，在加工叶根时，将叶片固定在一个已知的参照系内，与机床相连，用六个接触点嵌入，后者起制动作用，叶片必须紧紧压抵在这些接触点上。基准平面与叶片前缘方向水平取向，确定了叶片机翼相对于其叶根表面的方向，其目的是与安装叶片的轮盘上的狭槽相接触，所述基准平面通常根据所述六个接触点来确定。如果叶根加工时可使叶片的该基准平面对应于叶片理想定位平面，同样相对于叶根的相同端面而确定，就可获得机翼的最佳空气动力效能。

叶片与制动器接触的其中几个点通过叶片外表面上的参考点而嵌入,该参考点是在锻造或铸造期间形成的。下一步是为实现叶根相对于机翼正确定位所必不可少的，涉及到紧固叶片，这样，在叶根加工期间，叶片就不会移动，而且，叶根球茎或冷杉形状各边都会正确取向。与该项作业相关的其中一个难度就是机翼的立体形状，因为其没有可以施加良好支撑压力的平面。

一种已知技术涉及到机械紧固机翼于参照系内，通过六个与机床相连的接触点来嵌入，夹持部件紧紧顶在机翼上。一旦机翼方向正确，即，一旦其能通过称之为预选角来转动时，就可赋予机翼在涡轮机内燃气流路中正确的迎角，那么就可以首先加工叶根表面，因为叶根表面会作为所有随后加工步骤的空间参照。然后，将叶根的经过加工的表面抵在机床上的相应参照系上，就可对叶根形状和叶冠形状进行加工。

首先，在起空间基准作用的叶根表面加工期间，该项技术并不能确保完全稳定，因为通常在机翼吸力面中心提供的压力受到其只在一个方向作用的限制。能够应用的压力同样也受到机翼强度和代表该吸力面厚度的表皮强度的限制。如果压力不足，机翼会在加工期间移动；然而，如果压力过大，会引起吸力面表面留下痕迹，造成该吸力面的外形变形，因为其很薄。所以，该项技术存在加工部件位置不稳的因素，首先，因为机翼置于机床上时，所有的参照系都与机翼相关，那么，叶根在与机床相关的参照系内加工，最后，叶冠也在与叶根表面相关的参照系内加工。

另一项经常使用的技术涉及到机翼的镶嵌，或者，至少其中大约一部分镶嵌到由低熔点材料制成的封装体(encasingblock)内，诸如锡和铋合金。首先加工叶根表面。然后，该表面可以作为叶片在六点参照系内定位的空间参考点。然后，将机翼嵌入到低熔点材料的封装体内。这样，机翼的精确定位问题就成了封装体的定位问题，后者设计成带有平面，这些平面可作为后续加工步骤的基准平面。在叶根和叶冠加工后，封装体就可通过熔化而取出，叶片恢复其正常外形。然而，该方法依然存在缺陷，即增加了叶根定位的不稳定性，因为机翼的制造公差需考虑封装体置放在机翼周围所引起的公差。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决这些缺陷的方案，即提出一种确定参照系的方法，该参照系可作为加工叶片根部时叶片的空间定位，该方法不会出现现有技术的缺陷，特别是，排除了因为所述叶片端部加工所使用参照平面变化造成的不确定性。另外，本发明的目的是提出可使用这种方法来加工涡轮叶片根部的设备。

为此，本发明涉及到在封装体内封装涡轮机叶片的机翼的设备，包括固定模具的底座，以便围绕所述机翼来浇铸封装金属，所述模具包括印记，该印记可在封装体上确定参照平面，该平面起封装体空间定位用的支架作用。所述底座进一步包括通过六个接触点来固持叶片的托架，所述六个接触点构成了所述叶片空间定位的参照系，并确定了定位平面，该定位平面代表了机翼相对于叶片根部的角度位置，当叶片前缘抵靠在所述六个接触点上时，所述参照平面和定位平面都大体上与叶片的前缘方向平行取向，其特征在于，所述托架能够相对于所述底座围绕与叶片前缘方向大体水平取向的轴线而旋转运动，从而可改变所述参照平面和定位平面之间形成的夹角。

这样，由于设备可只改变一次机翼空间定位参照系，叶片机翼便可在涡轮机燃气流中的定位精度得到提高，这是直接根据叶片的六个接触点面向封装体的平面所实现的。于是，对于所有叶片来讲，叶根和叶冠的加工都可根据同一个参照平面进行，而该平面就是位于封装体上的参照平面。

在一个具体实施例中，托架是由位于模具两侧且刚性彼此连接的两个部件构成。

优选地，接触点分布在两个部件上。

叶片固定用的装置于是可以进一步彼此分开，其优点是能够更稳定地固定叶片。

有利的是，模具的印记确定了两个平面，其取向大体平行于叶片根部平台其中一个侧面所取之方向，每个平面都能够用作第一参考平面。

这种构型使得后续加工步骤更为容易。此外，封装体容积较小；这种尺寸上的缩小使得加工叶根和叶冠的设备的安装更为方便，因此，可以同时进行两个步骤。

优选地，该设备包括可调整托架旋转角度的装置，该装置的有效调整范围为正负2°。

另外，本发明还提出了在加工叶片根部和/或冠部期间可采用低熔点金属来封装涡轮机叶片的方法，所述叶片的机翼带有其完成尺寸所述叶根为坯件状态，端面与叶片前缘方向大体水平取向，构成了机翼空间旋转位置的空间基准，所述方法包括测量预选角度的步骤，所述预选角度是由定位平面的平面构成，该平面表示机翼空间旋转位置，所述机翼的理想定位平面可赋予涡轮机燃气流中机翼的最佳方向，两个平面与叶片前缘方向大体水平取向，其方向按所述叶根端面相对角度来确定，起空间基准的作用，所述方法进一步包括在模具中围绕所述机翼浇铸所述低熔点金属的步骤，从而形成封装体。其特征在于，其在浇铸低熔点金属前，通过等于所测预选角度的角度，包括相对于模具而旋转所述机翼的步骤。

通过赋予相对于机翼模具壁的相对位置，该旋转使得机翼可在加工叶根以及叶冠端面的正确位置时直接定向。

最后，本发明提出了制作涡轮叶片的方法，该方法包括使用上述方法来封装叶片机翼的步骤。

有利的是，根据上述方法，叶根和叶冠可以在同一机床上同时加工，所述叶片通过封装体而固定在所述机床上。

于是，涡轮叶片的生产就可以节省时间，相对于涡轮机燃气流中的理想位置,机翼取向质量不会损失。

通过如下纯粹说明性的非限定性的详细描述本发明的一个实施例，可以更好地理解本发明,本发明的其它目的、细节、特性和优点就会更清楚地显现出来,所述说明参照附图，附图如下：

附图说明

图1为涡轮机涡轮叶片的透视图，所示为叶根和叶冠加工前叶片的原始毛坯铸

件状态；

图2为镶嵌到封装体内的涡轮叶片的透视图；

图3为图2所示封装后的涡轮叶片的仰视图；

图4为根据本发明一个实施例的涡轮叶片封装设备的局部透视图；

图5为图4的详图，示出了封装设备的一个具体部分，

图6为图4所示封装设备的第二个局部透视图。

具体实施方式

图1示出了涡轮叶片1，从下往上(图中，从左往右)，有叶根2，机翼3和叶冠4。叶片1与其机翼3铸造为一体，后者为完成尺寸，即，无需继续成型加工，而叶根2和叶冠4为坯件，需要加工，以获得其最终形状。特别是，叶根相对于机翼的精确定向必须在此次通过旋转对叶根当前侧面加工期间来确定，预选角度范围为+/-2°，为的是获得叶片的最佳空气动力性能。然后，按已知方式加工叶冠以形成密封唇口。

图2示出了镶嵌在封装体5内的叶片1，叶片机翼3的绝大部分嵌入到低熔点的金属内，而叶根2和叶冠4则裸露在外边，供机床成型加工。封装体5带有平行平面5a,5b，相对于机翼取向,二者与叶片前缘8大体平行延伸并具有精确的角度方向，这样，在机床上安装期间，可作为机翼空间定位的基准平面。

图3为叶片1的仰视图，所示叶片镶嵌在封装体5内，叶根2和与叶根划定界限的平台7。此处所示封装体5为右转的平行六面体，带有两个平行端面5a,5b，至少其中一个在叶片端部加工期间起基准平面的作用。这两个端面大体水平于叶根平台7两个侧面而定位。

并行地，机翼3带有称之为定向平面6，与叶片前缘8方向平行，此处，其大体上对应于机翼中央表面，并且，其相对于叶片六个参考点而精确定位，而六个参考点则确定了叶片机翼的空间位置。当叶片安装在涡轮机上时，该平面6相对于叶根2侧面2a的方向---或者平台7侧面7a的方向---控制叶片机翼相对于燃气流所具有的迎角，为此，所述平面可看作是叶根端面，该端面起空间基准的作用，而叶片空间转动位置据此而确定。如前所述，如果叶根的加工会使得机翼取向平面相当于机翼取向最佳平面时，则可获得机翼的最佳空气动力效能。此外，该理想平面相对于叶片平台7端面或叶根2侧面而形成，该理想平面由公司设计部门提供。控制封装体5的表面5a或5b平面与机翼方向6平面之间的夹角正是本发明的目的。在图3中，所示角度等于零。

现在参照图4，该图示出了设备10的主要组成部分，该设备用来将封装体5浇铸到叶片1的机翼3上。该设备10主要由三部分组成：固定到地板上的底座11，同样也固定并由底座11刚性支撑的模具12，和由底座11支撑并能相对于底座11和模具12围绕水平轴30旋转的托架13。此处，设备10带有叶片1，从托架13中可以看到。该叶片与其前缘8布置在一起，处于大体水平位置，与轴线30平行。

模具12位于托架两个部分13a和13b之间，位于设备10的后面，两个部分紧紧夹住模具，并通过刚性连接装置而将彼此连接到一起。这是一种传统的模具，用来将低熔点金属铸造到机翼周围，其首先带有制作封装体5平行面5a和5b的印记，其指向精度很高，其次，位于上部(图中未示)的铸造孔,和位于模具12和可移动托架13两个部分之间模具两侧的两个板22，从而可在沿机翼3浇铸期间容纳液态金属并限制封装体5范围。此处仅仅示出了模具的局部，而匹配部分位于叶片机翼2前方，从而可在浇铸期间对其进行完全封装。

托架13围绕水平心轴30旋转，该心轴通过底座11保持的两个轴承支撑。调整装置32可调整托架13的转动，于是，便可知并可调整托架相对于底座11进而相对于模具12的角度位置。正是这个装置才使得预选角度，即定位平面6和封装体端面5a和5b平面之间的预期分离角度，得以设定。

图5给出了移动托架13本身的示意图，无叶片1。该托架带有六个接触点，用来将叶片保持在其六个参考点的水平上，可将其空间定位。当灌入低熔点金属时，五个接触点，即X1,X2,X3,Y1和Y2，精确构成了机翼2必须具有的空间位置，特别是，围绕心轴30旋转时其定位平面6的方向。

第六个接触点Z通过与叶片叶冠4配合确定了机翼在心轴30上的纵向位置；关于机翼在该心轴上的位置的不确定性不会带来不利影响，因为最终在机翼3上可实现封装体5的简单纵向偏移。

图6示出了图4的设备，但无封装体，所以，叶片1的位置清楚可见，四个接触点与六个参考点中的四个相抵，使叶片空间定位，后两个参考点未示出。

下面介绍根据本发明的一个实施例在浇铸设备10上安装叶片1并将其封装在封装体5内的工艺过程。

在铸造步骤之后的质量控制期间，对叶片1毛坯铸件进行分析，在该质量控制期间，检查相对于毛坯铸件平台7侧面的叶片方向。角度测量可以通过在叶根加工期间调整叶根侧面方向或平台侧面方向来确定叶根2必须偏移的角度，从而使得机翼3在涡轮机燃气流路中正确取向。预选角度等于定位平面6和机翼空间方向理想平面之间的角度，即机翼在燃气流动中的理想方向。然后,正如现有技术那样,通过将叶片平台7侧面7a或叶片叶根2侧面2a其中一个的方向与理想方向进行比较,来测量该预选角度,所述理想方向根据叶片空间定位的叶片六个参考点来确定。

一旦得知该角度，通过将叶片六个定位参考点与托架13六个接触点X1,X2,X3,Y1,Y2和Z对准，来实现叶片在托架内的定位。使用调整装置32，使得托架13相对于底座11沿可校正所观测角度偏移的方向在其心轴30上转动，转动角度等于此前测量的预选角度。

然后，通过铸造孔口，将液相的低熔点金属倒入模制块12。所述金属在模具内部印记和两个侧向平板22所允许的范围内围绕叶片机翼3而扩散。一旦封装体5凝固，就可从设备10内取出封装的叶片，该叶片可随时安装到机床上来加工其叶根2和叶冠4。一旦预选角在封装前通过在机翼上进行的转动得以修正，封装体端面5a和5b都会相对于机翼定位平面6而正确取向；然后,这些端面可用作机翼定位基准,因此而作为封装体在机床上的定位基准。

然后，无需再将机翼3的基准传递给平台7的两个侧面中的一个，为的是在加工叶片根部2之前对叶片再进行定位，或者，等候叶根加工完成后，再用此来作为加工叶冠4的基准。这样，可以将封装的叶片置于机床上来同时对这两个端部进行加工，所述机床包括(例如)两个砂轮。

于是，只要是加工同一种类型的叶片的根部，当从一个叶片换成另一个叶片时，叶片机翼的位置就可以通过封装体(5)的铸造而正确定位，不再需要改变机床的设定位置。

这样，在涡轮叶片生产时就可节省宝贵时间，而且，由于参照系的连续传递数的减少而达到良好定位。

Claims (8)

1.涡轮机叶片(1)的机翼(3)在封装体(5)内封装的设备，包括底座(11)，模具(12)就固定在该底座上，用来向所述机翼(3)周围浇铸封装材料，所述模具包含印记，该印记限定了封装体(5)上的参考平面(5a,5b)，该模具起将封装体(5)空间定位的支撑作用，所述底座(11)还带有通过六个接触点(X1,X2,X3,Y1,Y2,Z)保持叶片(1)的保持装置(13),所述六个接触点形成所述叶片空间定位的参考系和构成定位平面(6),该定位平面(6)代表机翼(3)相对于叶片(1)根部(2)的角度位置，当叶片抵靠在所述六个接触点而定位时，所述参考平面(5a,5b)和定位平面(6)与叶片(1)前缘(8)方向大体水平取向，

其特征在于，保持装置(13)能够相对于所述底座(11)围绕心轴(30)旋转运动，所述心轴与叶片(1)前缘方向大体水平取向，从而使得所述参考平面(5a,5b)和定位平面(6)之间形成的角度得以改变。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，保持装置(13)由两个部件(13a,13b)构成，所述两个部件位于模具(12)两侧并通过连接装置彼此刚性相连。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，接触点分布在两个部件(13a,13b)上。

4.根据权利要求1其中一项所述的设备，其特征在于，模具(12)的印记限定了两个平面，与在所述设备上由叶片(1)根部平台(7)其中一个侧面(7a)形成的方向成大体水平取向，每个平面都能用作第一参考平面。

5.根据权利要求1到4其中一项所述的设备，包括调整保持装置(13)的转动角度的装置(32)，该转动角度的有效范围为正负2°。

6.一种在叶片根部(2)和/或冠部(4)加工期间使用可熔材料来固持所述叶片(1)的涡轮机叶片(1)的封装方法，所述叶片(1)的机翼(3)带有其完成尺寸，所述根部(2)带有与叶片前缘(8)方向大体水平定位的侧面(2a)，形成机翼空间转动位置的空间基准，所述方法包括测量由称之为定位平面形成的预选角的步骤，所述定位平面(6)代表机翼(3)空间转动位置，所述机翼的理想定位平面可给出机翼(3)在涡轮机燃气流动中的最佳方向，该定位平面(6)和理想定位平面与叶片前缘(8)方向大体水平取向，其方向相对于起空间基准作用的所述根部端面而形成，所述方法进一步包括向模具(12)内所述机翼周围浇铸所述可熔材料的步骤，以形成封装体(5),

其特征在于，在浇铸所述材料前，其包括通过等于所测预选角的角度来相对于模具(12)旋转所述机翼(3)的步骤。

7.一种制造涡轮叶片的方法，包括使用权利要求6所述方法封装所述叶片机翼(3)的步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根部(2)和冠部(4)可在同一机床上同时进行机加工，叶片(1)通过封装体(5)而保持在所述机床上。