CN104053859B - 用于制造燃气轮机部件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制造燃气轮机部件(37)的方法，该部件包括：外环结构(42、47)、内环结构(41)以及在其间延伸的多个周向间隔的元件(46、46a、46b)，其中，在元件(46、46a、46b)之间限定用于轴向气流的主燃气通道，并且其中，部件(37)具有供燃气进入的入口侧和供燃气流出的出口侧。本发明的特征在于，方法包括机加工单件金属坯料以形成单件式零件(47)的步骤，单件式零件(47)包括：每一个元件(46)的部分(46b)，其中，部分(46b)涉及在环结构(41、42)之间的元件(46)的延伸长度的一部分；以及环形构件(42)，其连接元件部分(46b)并且旨在形成环结构中的一个的部分。本发明还涉及包括根据上述方法制造的部件(37)的燃气轮机(1)。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造燃气轮机部件的方法。具体地，本发明涉及一种涉及组装预制造的零件的方法。本发明还涉及一种包括这样的部件的燃气轮机。
背景技术
轴向燃气轮机，比如飞机“喷气式发动机”，通常包括空气入口、压缩器部分、燃料燃烧室、涡轮部分、连接相应的压缩机和涡轮的一个或多个可旋转的驱动轴、排气出口和用于支撑驱动轴并用于将发动机安装到例如飞机的结构。
通常，支撑结构是包括内壳体或环和外壳体或环的静态零件，内壳体或环用于连接到轴承和居中地定位的驱动轴，外壳体或环用于连接到例如发动机外罩，并且周向地分布的支柱在内壳体/环和外壳体/环之间延伸并连接内壳体/环和外壳体/环。支撑结构设计成能够在驱动轴和发动机外罩之间传递负载。通过发动机的轴向气流被允许在通常被空气动力学地设计的支柱之间流动。此处论述类型的支撑结构受到相当极端的平衡负载和热致负载。
传统上，支撑结构已经被制造成一个大的铸造部件。为了降低成本，最近几年通过组装预制零件，诸如较小的铸造的、锻造的和板金属零件来制造支撑结构变得更常见。典型地，零件被焊接到一起。这种技术涉及到的问题是在焊接过程中热被引入到部件中。该热导致最终产品变形和各个零件的几何形状不准确。结果是，必须花费时间进行测量和手动调节。因此，组装预制零件通常很难以有效方法自动化。
需要一种是成本有效的且允许有效的自动化的制造上述类型的支撑结构的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造燃气轮机部件的方法，其涉及组装预制零件，但是仍旧是有成本效益的且适合于自动化。该目的通过由独立权利要求1中包含的技术特征限定的方法来实现。从属权利要求包含本发明的有利实施例、另外的发展以及变型。
本发明涉及一种制造燃气轮机部件的方法，所述燃气轮机部件包括：外环结构、内环结构以及在所述内环结构和所述外环结构之间延伸的多个周向间隔的元件，其中，在所述元件之间限定用于轴向气流的主燃气通道，并且其中，所述部件具有供燃气进入的入口侧和供燃气流出的出口侧。
本发明的特征在于，所述方法包括机加工单件金属坯料以形成单件式零件的步骤，所述单件式零件包括：所述元件中的每一个元件的一部分，其中所述部分涉及在所述环结构之间的所述元件的延伸长度的一部分；以及环形构件，所述环形构件连接所述元件部分，并且所述环形构件旨在形成所述环结构中的一个的部分。
通过选择金属坯料的合适材料和形状，能够使上述类型的单件式零件的机加工比这种零件的铸造更成本有效。此外，机加工，优选地铣削，提供达到足够低的公差。此外，因为单件式零件含有元件(支柱)中的每一个元件的长度的一部分，所以不需要将支柱的任何端部连接在/至外环结构或内环结构。这是有利的，因为支柱和环构件之间的焊接的T接头具有导致裂纹形成和部件的有限耐用性的趋势。代替地，可以使用对接接头来在沿着每一个叶片的长度的某些点处连接相应的支柱部分，例如，在外环结构和内环结构之间的中间的点处。这些相应的支柱部分优选地提供支柱的其余部分且优选地附接到或能够附接到相应的环构件，使得能够在两个环结构上避免支柱的焊接的T接头。因为支柱部分的对接接头基本上在气流方向上延伸，所以不需要在焊接该接头后进行机加工。
在本发明的有利实施例中，环形构件旨在形成外环结构的部分，其中，元件部分从环形构件的内侧向内延伸。与传统的组装技术一致，这种部件能够通过将多个元件部分与相应数量的弯曲板焊接在一起来制造，弯曲板将元件部分隔开。然而，这需要很多焊接接头，且可引起前述问题的相当大的热量在组装期间被引入到材料中。通过代替地从单件金属坯料机加工成该零件，焊接可被省掉，且可以实现零件的精确测量。此外，避免了铸造成本。
在本发明的有利实施例中，单件式零件包括从环形构件的外侧径向向外延伸的多个元件延伸部，其中每一个元件延伸部均被布置在与相应的元件部分的位置相对的位置，使得负载能够大致笔直径向地通过环形构件在元件部分和相应的元件延伸部之间传递。以这种方式，来自/至最终部件中的元件(支柱)的主要负载能够经由从环形构件径向向外定位的另外的零件传递，该另外的零件优选地特别为该目的而设计。因此，连接支柱部分的环形构件不必支承任何实质的负载，并且因而能够被设计成仅用于连接支柱和导向气流。这使得能够使环形构件非常薄。
在本发明的有利实施例中，单件金属坯料是锻造环。这提供有效的方法。优选地，材料是马氏体析出硬化不锈钢。
在本发明的有利实施例中，所述方法包括以下步骤：生产外环结构和内环结构以形成单独的结构；和经由元件将内环结构和外环结构结合在一起。优选地，所述方法包括将所述元件部分焊接到相应的其余的元件部分以连接到其它环结构的步骤。
在本发明的有利实施例中，所述相应的其余的元件部分形成另一环形构件的一部分。以这种方式，仅需要一个焊接部来经由元件连接两个环形构件。
本发明还涉及一种包括根据前述方法制造的部件的燃气轮机。在本发明的另外实施例中，该燃气轮机被布置成用于推进飞机。
附图说明
在下面给出的本发明的描述中，参考了附图，其中：
图1以示意性总视图示出设有根据本发明的方法制造的燃气轮机部件的轴流式飞机燃气轮机；
图2以透视图示出根据本发明的方法制造的创造性燃气轮机部件的实施例；
图3示出根据图2的部件的局部剖视图；并且
图4以分解透视图示出根据图2的部件。
具体实施方式
图1以示意性总视图示出设有根据本发明的部件的支撑结构37的轴向流飞机燃气轮机1。图1还示出另外的支撑结构27。通常，图1中示出的燃气轮机1是常规构造，并以轴向流顺序包括空气进气口3、低压压缩机4、高压压缩机5、燃烧设备6、高压涡轮7、低压涡轮8和排气出口9。在操作期间，高压压缩机5由高压涡轮7经由第一中空轴，即高压(HP)涡轮轴(未示出)驱动。类似地，低压压缩机4由低压涡轮8经由第二中空轴，即低压(LP)涡轮轴(未示出)驱动，低压(LP)涡轮轴同轴地布置在第一涡轮轴10内。同轴布置的第三轴(未示出)连接到风扇12，该风扇12迫使空气进入并围绕燃气轮机外罩。还示出了公共轴线2。
燃气轮机1通常以常规方式操作，据此通过空气进气口3吸入的空气初始地被风扇12压缩，并随后在进入高压压缩机5内之前被低压压缩机4压缩，空气在高压压缩机5中被进一步压缩。被压缩的空气然后流动到燃烧设备6中，在燃烧设备6中压缩的空气与燃料混合，并且混合物燃烧。所生成的热燃烧产物然后在通过排气出口9排放到大气之前通过高压涡轮和低压涡轮7、8膨胀。
发动机1还包括后支撑结构27和前支撑结构37，用于支撑驱动轴和用于将发动机安装到飞机。前支撑结构布置在低压压缩机4和高压压缩机5之间，并形成通常被称为的压缩器中介机匣，ICC。后支撑结构27通常被称为涡轮后框架(TRF)、涡轮排气机匣或尾部轴承外壳。
通常，喷气式发动机中的支撑结构借助于滚柱轴承支撑一个或多个轴。负载通过内支撑结构(支撑锥体)传递到借助于径向“辐条”连接到外结构(护罩)的内毂。为了降低空气动力学阻力或导引气流，这些“辐条”通常覆盖有翼型结构或与该结构制成一体。一体式机翼或叶片常常表示为“支柱”。支柱能够支撑空气动力学负载以及结构和热致负载的组合。大部分现代的喷气式发动机在环-支柱-环部件，诸如前支撑结构37中利用这种支柱。
图2示出了组装状态下的部件37，图3示出了组装的部件37的局部剖视图，并且图4示出了部件37的分解图。图4因此示出了当结合在一起时形成部件37的预制零件。
如图2-4中示出的，根据本发明的方法制造的燃气轮机部件37的实施例包括：毂41形式的内环结构；和基本上由包括环形构件42的环状单件式零件47(叶片环)形成的外环结构。毂41在其内侧包括环状支撑结构41a，用于连接到轴轴承座。外环结构旨在连接到发动机箱的支撑零件。该示例性部件还包括前壳体43、前凸缘44和后壳体45。内环结构和外环结构绕公共轴线2同心布置。
多个支柱46形式的周向隔开的元件(如下面进一步描述，由部分46a和46b形成)在毂41和环形元件42之间径向延伸，其中在支柱46之间(以及在内环结构和外环结构之间)限定轴向气流的主燃气通道。因此，支柱46牢固地连接到毂41和环形构件42中的每一个。支柱46在部件的径向方向上延伸。图中的部件37的左侧形成供燃气进入的入口侧，而右侧形成供燃气流出的出口侧。
在该示例中，毂41被铸造而成，而包括环形构件42的零件47从单件金属坯料机加工而成，如下面进一步描述。前壳体43、前凸缘44和后壳体45通过已知方式产生。所有这些主要零件被焊接在一起以形成部件37。
本发明的方法包括以下步骤：机加工单件金属坯料以形成单件式零件47，该单件式零件47包括所述支柱46中的每一个支柱的一部分46b。该部分46b涉及支柱46的在环结构之间的延伸长度的一部分，即，部分46b涉及支柱46的径向长度(以及燃气通道限定长度)的一部分。机加工的单件零件47还包括环形构件42，该环形构件42连接支柱部分46b并形成环结构中的一个，在该情形中，外环结构的一部分。因为在该情形中环形构件42旨在形成外环结构的一部分，所以支柱部分46b从环形构件42的内侧向内延伸。
毂41包括相应的其余元件/支柱部分46a，用于通过焊接到形成单件式环形构件42的一部分的部分46b来连接到另一环结构。在此处描述的实施例中，待结合到一起的两个支柱部分46a、46b具有相同的径向长度，即，连接该两个部分的焊接部径向地定位在毂41的外周向侧和环形构件42的内侧之间的燃气通道的中间。将焊接部定位在燃气通道的中间具有的优点是其提供用于进行焊接的更多空间，并且应力、张力等在该位置比靠近环结构处小。
单件式零件47还包括从环形构件42的外侧径向地向外延伸的多个支柱延伸部46c。这些延伸部46c中的每一个均布置在与对应的支柱部分46b的位置相对的位置处，使得负载能够大致笔直径向地通过环形构件42在支柱部分46b和相应的支柱延伸部46c之间传递。
板构件48布置在支柱延伸部46c的外端处，用于将部件37紧固到外支撑件。板构件48配合到前壳体43中的切口内。
用于机加工单件式零件47的单件坯料为由高强度不锈钢制成的锻造环。合适材料的示例是马氏体析出硬化的不锈钢，比如17-4PH和Custom465。该工件优选地在机加工之后通过例如热处理进行硬化。本领域技术人员知道什么样的材料是合适的并且如何处理/硬化这些材料的原理。
这些材料的机加工，诸如铣削对技术人员也是已知的。可以提到的是，典型地，锻造环坯料的重量是300kg，而单件式零件47的重量是12kg。
因为本发明的方法适于自动化，且因为能够利用较便宜的材料(并且因为移除的材料可被熔化并再利用)，所以根据本发明的方法制造的部件比常规的铸造部件成本更低。
本发明方法包括以下步骤：制造外环结构和内环结构以形成单独的结构；和经由元件/支柱46将内环结构和外环结构结合在一起。因此，该方法是其中不同的预制零件被结合在一起以形成最终部件的所谓制造方法。在该实施例中，该方法还包括将外支柱部分46b焊接到相应的其余的内支柱部分46a以连接两个环结构的具体步骤。
在该特定示例中，内环结构和外环结构之间的气流通道的径向高度，即，毂41和环形构件42之间的距离，是仅45mm。这意味着没有非常多的空间用于焊接，但是通过使用相等径向长度的支柱部分46a、46b并由此将焊接部放置在燃气通道的中间，仍存在进行焊接的空间。因为支柱部分46a、46b已经形成环结构的一部分，所以每一个支柱46仅需要一个焊接部。
本发明不受上面描述的实施例限制，而是可在权利要求的范围内以各种方式修改。例如，作为替代或补充，由单件金属坯料机加工而成的单件式零件可形成内环结构的一部分。因而，代替地或者作为对如上面描述的外机加工环形构件42的补充，毂零件41可以形成具有支柱部分的机加工环形构件。
此外，部件37可以包括除了根据本发明方的法结合在一起的那些支柱之外的另外的支柱。此外，内环结构和外环结构可以包括另外的部件。
而且，不必使用径向长度完全相等的支柱部分46a、46b并由此将焊接部准确地放置在燃气通道的中间。优选地，每一个支柱部分46a、46b贡献至少径向长度的30-40％，使得结合的焊接部变得至少较靠近燃气通道的中间放置。因此，元件部分46b优选地贡献所述环结构41、42之间的元件46的延伸长度的至少30-40％且至多60-70％。
此外，本发明不限于上面示例的ICC37。其也适用于燃气轮机中的其它支撑结构，比如前框架(入口框架或风扇轮毂框架)、中间机匣(IMC)、涡轮中间结构(TMF、TMS)或涡轮后框架(TFR)。然而，发动机的涡轮部件的温度可能太高而不能使用容易机加工的材料。
此外，本发明适用于静止的燃气涡轮(发电机)以及飞行喷射发动机。
Claims (10)
1.一种用于制造燃气轮机部件(37)的方法，所述燃气轮机部件(37)包括：
-外环结构(42)，
-内环结构(41)，以及
-多个周向隔开的元件(46)，所述元件在所述内环结构(41)和所述外环结构(42)之间延伸，
其中，在所述元件(46)之间限定用于轴向燃气流的主燃气通道，并且其中，所述燃气轮机部件(37)具有用于燃气进入的入口侧和用于燃气流出的出口侧，
其特征在于，
所述方法包括以下步骤：对单件金属坯料进行机加工以形成单件式零件(47)，所述单件式零件(47)包括：
-所述元件(46)中的每一个元件的元件部分(46b)，其中，所述元件部分(46b)涉及所述元件(46)的在所述内环结构(41)和所述外环结构(42)之间的延伸长度的一部分；以及
-环形构件，所述环形构件连接所述元件部分(46b)，并且所述环形构件旨在形成所述内环结构(41)和所述外环结构(42)中的一个环结构的一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述环形构件旨在形成所述外环结构(42)的一部分，其中，所述元件部分(46b)从所述环形构件的内侧向内延伸。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述单件式零件(47)包括多个元件延伸部(46c)，所述元件延伸部从所述环形构件的外侧径向向外延伸，其中，每一个元件延伸部(46c)均被布置在与相应的元件部分(46b)的位置相对的位置，使得负载能够径向地通过所述环形构件在所述元件部分(46b)和相应的元件延伸部(46c)之间传递。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，
所述单件金属坯料是锻造环。
5.根据前述权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，
所述方法还包括以下步骤：生产所述外环结构和所述内环结构以形成单独的结构；和经由所述元件(46)将所述内环结构(41)和所述外环结构(42)结合在一起。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述方法包括以下步骤：将所述元件部分(46b)焊接到相应的其余的元件部分(46a)以连接到其它环结构。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述相应的其余的元件部分(46a)形成另一个环结构的一部分。
8.根据前述权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，
所述元件部分(46b)贡献所述元件(46)的在所述内环结构(41)和所述外环结构(42)之间的延伸长度的至少30％且至多70％。
9.一种燃气轮机(1)，其特征在于，
所述燃气轮机(1)包括根据前述权利要求中的任一项制造的燃气轮机部件(37)。
10.根据权利要求9所述的燃气轮机(1)，其特征在于，
所述燃气轮机(1)被布置成用于推进飞机。
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