CN104067000A - 修复支撑旁路式发动机风机的转子上磨损痕迹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种修复转子凸缘(43)的方法，上游涡轮风机发动机中的风机轮盘(20)固定到凸缘的横向表面上。所述凸缘环形地包括连接到轮盘(20)上的开口和中间所谓的排放开口(43D)。磨损痕迹(T)因风机叶片在凸缘上摩擦而形成。所述方法包括在带磨损标记区域内在凸缘上加工孔口平面(43)的步骤，并将所谓的耐磨塞(50，150)放入摩擦期间被叶片覆盖的排放开口(43D)内。所述方法的特征在于，孔口平面(43L)在连接开口(43D)之间延伸并沿周向被轮盘和凸缘之间的连接的夹紧表面所限定。

Description

修复支撑旁路式发动机风机的转子上磨损痕迹的方法

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机领域，特别涉及带有前置风机的喷气发动机。

背景技术

民用飞机上安装的多气流喷气发动机风机转子包括由低压轴驱动的轮盘和在轮盘周围的多个叶片。这些叶片相对于发动机轴线径向延伸，由其形成燕尾横截面的端部固定，而且这些端部都置于沿大体轴向方向的轮盘轮缘加工的相应狭槽内。在风机轮盘的紧接的下游，以及构成同一转子，是增压式压气机(boost compressor)。该增压式压气机为鼓轮形式，且包括几个叶片级。

在一个实施方式中，风机轮盘通过用螺栓连接到其上游面的径向凸缘上而固定到增压式压气机的鼓轮上。另外，该凸缘开有扇形凹口以形成轴向保持风机轮盘叶片的装置。为此，每个叶根在其下游提供有称之为钩部的轴向延伸部分，该轴向延伸部分带有两个径向侧槽。该钩部在径向槽处与上述的增压式压气机凸缘上的扇形凹口相啮合，以便防止其出现任何轴向移动。

当发动机在地面时，风机在风机叶片上的风的作用下会出现转动。这种现象会引起风机叶片的切向变形。而后，在燕尾形根部和平台之间形成叶柄的叶片部分会经由其下游横向边缘而摩擦增压式压气机鼓轮的上游凸缘。于是，这个动作引起摩擦，该摩擦导致位于风机轮盘狭槽延伸部分区域内凸缘上游面上出现值得注意的磨损。

一旦这种磨损超过某个深度，一方面会影响部件寿命，另一方面会在叶片损耗情况下影响它们的完整性。

与这种磨损现象相关的一个问题是因为这些区域存在钻孔，而这些钻孔是用来消除凸缘上的机械应力。这些钻孔称之为应力消除孔，通常用很简单的塑料塞封堵。在带钻孔区域内，抵靠在凸缘上的叶片本身会遭受侵蚀。因此，叶柄上的磨损是不均匀的。叶柄下游面的表面仅在其与凸缘接触的区域磨损；而面对钻孔的表面部分则不会磨损，而且，长此以往，日益突出。除了这种叶片磨损现象外，叶片和凸缘之间还会发展为间隙。

本发明申请者曾提出在凸缘和叶片柄部之间设置一种弹性缓冲件，以避免这种接触。然而，EP 1 873 401所介绍的这种解决方案并不能解决凸缘上存在的磨损痕迹的情况。

人们已经提出了修理凸缘的解决方案。这些解决方案首先是，通过刮孔口平面，然后再对面向叶根的基准表面进行重构，从而消除受磨损的区域。后一种作业使用称之为耐磨塞的塞子，该耐磨塞紧紧地装入鼓轮的应力消除孔内。

耐磨塞可以采用复合材料或金属制成。复合材料的优点是其磨损速度远远低于金属。另外，当需要更换时，也更容易拆除。然而，当安装叶片时，它们不具有足够的机械完整性。为此，耐磨塞通常采用金属制成，但是，风险是，为了检查增压压气机鼓轮应力消除孔的材料状况而需要进行装配和拆卸作业期间，压气机鼓轮会损坏。

确切地说，缺点如下：

当安装耐磨塞时，存在引起缺陷的风险。

安装耐磨塞是一项技巧性工作，因为耐磨塞必须滑动装入孔内，但还必须能观察到微小收缩，为的是保证在使用期间耐磨塞腔室内保留最小收缩量。这可通过加热鼓轮和冷却耐磨塞来实现。需要有相当大的温度差，超过300℃。

修理十分昂贵，要求对众多孔口平面进行加工，其数量与风机叶片相同，以及同等数量的装配作业。

修理工作必须在专门车间进行，这意味着部件或甚至发动机需要停止工作。

每次拆卸作业时，鼓轮上的钻孔都必须重新镗孔；这限制了在鼓轮整个寿命期间可进行的更换次数。

作为一个至少可部分解决这些缺陷的方案，申请人公司提出了改进，可使耐磨塞的安装更为容易；例如，在专利申请FR2 929 660中，耐磨塞分两个部分，经受摩擦应力的上游金属部分和使安装和拆卸作业更为容易的下游塑料部分。在FR 2 948 725专利申请中，耐磨塞是这样布置的，即其仅从鼓轮上游进行安装和拆卸。

FR 10 60 087专利申请提出了在轮盘和凸缘之间安装和叠加环形衬垫，形成轴向支撑表面，狭槽内置放的叶片就抵靠在该表面上。当发现由于叶根摩擦而出现磨损痕迹时，这个解决方案可简化转子的修理。需要的只是更换环形衬垫。所述衬垫还形成了封闭应力消除孔的装置。为此，没有必要再为应力消除孔提供堵塞。在凸缘上可加工环形道，以便容纳衬垫。这个解决方案非常适合修理最初没有环形衬垫的转子，环形道上加工有足够深度以去除部件的较弱部分，并将环形衬垫放置到位。采用这种方式时，环的磨损原因就可排除，轮盘和环之间的基准面得以恢复。

申请人公司自己提出了开发另一种修理方法的目标。这个目标就是进行可靠的修理，直到部件寿命结束。另外，也可减少快速维修成本，修理成本肯定低于采用新部件进行更换的成本。另外，也可去除凸缘前端面上的磨损，无需改变对面叶片的轴向位置。

发明内容

这些目标可以通过对带有磨损痕迹区域进行优化的孔口平面处理来实现。

更确切地说，根据本发明，在带有上游涡轮风机的发动机内，所述方法涉及到修理转子的凸缘，在所述转子的横向端面上固定有风机轮盘，所述凸缘在环形上包括连接到轮盘上的开口和这些开口之间称之为应力消除开口的开口，磨损痕迹因风机叶片在凸缘上摩擦而形成。

所述方法包括两个步骤，一个步骤是在带磨损痕迹区域内的凸缘上加工孔口平面，另一个步骤是在摩擦期间可能被叶片覆盖的应力消除开口内置放销钉(称之为耐磨销)，所述方法的特征在于，孔口平面在连接开口之间延伸，并沿圆周方向被夹紧区域或轮盘和凸缘之间连接表面所限定。

由于这个特性，风机轮盘和凸缘之间的夹紧条件就不会让人疑虑。

根据另一个特性，两个连接开口之间的每个孔口平面由两个径向取向的边界限定，至少其中一个边界位于应力消除孔的外部。避免孔口平面边界穿过应力消除孔，可减少形成应力集中区域的风险，因为这种应力集中区会引发裂纹。

有利的是，孔口平面的深度被确定为沿所述边界获得足够的孔口平面处理基圆半径(base radius)，以避免沿所述边界出现应力集中，同时限制了有效横截面的减少。

更特别是，由于凸缘包括容纳叶片轴向钩部的径向扇形凹口，径向边界径向延伸到扇形凹口的基部。在叶片断裂情况下，这个解决方案可以不会降低部件的强度。实际上，叶片损耗会引起在扇形凹口处使凸缘变形的各种力。

采用带有斜口(chamfer)的扇形凹口的基部，通过限制孔口平面深度，使其深度小于斜口深度，叶片损耗情况下凸缘的抗变形能力会进一步改善。

根据另一个特性，带销柱和挡圈的耐磨销，通过滑动装配布置在可能会被风机叶片覆盖的应力消除开口内，所述耐磨销采用金属制成。滑动装配的目的是减少对凸缘损坏的风险。实际上，金属销可以更好地抵抗各种力和冲击，诸如在安装叶片时作用在挡圈上的冲击力。此外，滑动装配与装配期间耐磨销柱周围足够空间相关，这会限制冲击的风险，也会限制形成引起裂纹的槽的风险。

有利的是，滑动装配由在应力消除开口内收缩装配耐磨销柱而实现。在这种情况下，由于凸缘表面经历了喷丸处理，凸缘的加热在温度和时间方面都进行了调整，以便不会消除喷丸处理后的残余应力。

根据另一个解决方案，该方案避免对凸缘带来损坏的风险，耐磨销销柱沿径向方向可变形，径向伸展销柱的塞子布置在挡圈对面一侧。或者，由于耐磨销销柱沿径向方向可变形，对销柱进行挤压(pinch)，以便插入开口内，而后，再松开挤压。

附图说明

下面参照附图介绍本发明的非限定性实施方式，其它特性和优点会显现出来，附图如下：

图1为应用本发明的喷气发动机的轴向剖面图；

图2为增压式压气机上游凸缘一侧的喷气发动机风机转子详细透视图；

图3为带有孔口平面处理区的压气机鼓轮的上游凸缘的透视图；

图4示出了凸缘正面和安装在应力消除孔内的耐磨销的剖面图；

图5示出了使用和不使用插入式锁紧部件的安装耐磨销的另一种实施方式。

具体实施方式

图1为双转子旁路式喷气发动机1的轴向剖面图。发动机1包括上游的前风机2，该前风机2带有位于风机机壳3内的函道转子，该机壳限定了二次流。风机的转子2固定到低压压气机4(又称之为增压式压气机)上。由风机2和增压式压气机组成的组件经由中央轴的中间段固定到形成低压涡轮8的下游涡轮组件上。

在增压式压气机4的下游，空气被高压压气机5进一步压缩。高压压气机旋转地固定到带动其转动的高压涡轮级7上。经压缩的空气进入燃烧室6，燃烧室6产生热气体用以驱动涡轮级。

在这个示例中，本发明涉及到发动机的位于风机转子2和低压压气机转子4之间的那部分。

图2示出了以透视画法和从上游看去的该区域的内部，为了清晰起见，在这个区域内，风机叶片被略去。

风机轮盘20包括其轮缘上的狭槽21。这些狭槽为全部定向为轴向，也就是说沿发动机轴向，在所示这个情况下，呈弯曲形状。狭槽带有燕尾式横截面，以便径向保持叶片。轮缘包括位于狭槽之间的横向径向凸缘22，用来固定叶片间的平台(图中未示)。轮盘20固定到下游的低压压气机40(又称之为增压式压气机)上。压气机40包括圆柱形鼓轮41，在鼓轮41上固定有压气机叶片42，图中可看到局部叶片42。在上游方向，鼓轮固定到形成环的径向横向凸缘43上，轮盘20的轮缘用螺栓固定到凸缘43上。轮缘包括位于狭槽21之间的径向连接凸缘23。每个径向凸缘23用螺栓24固定到压气机的上游凸缘43上。应该指出的是，压气机鼓轮上游凸缘43上的孔并不是都起相同的作用：连接孔43F可以确保轮盘用螺栓连接到鼓轮上，应力消除孔43D保护所述连接孔免受周向应力流。螺栓24置于连接孔43F内。连接孔43F的直径稍大于应力消除孔43D的直径。在这种情况下，两个连接孔之间设有三个应力消除孔。它们都布置在同一个圆环上。密封塞(图中未示)封堵住开口43D并防止鼓轮腔室内的下游空气沿上游方向通过钻孔泄漏，因为上游方向压力较低。这些密封塞采用合成材料制成，并不起其它作用。

上游凸缘43带有保持用的扇形凹口43a，所述扇形凹口43a带有径向边缘并朝向机轴张开。这些扇形凹口用来通过将叶片钩部插入而沿轴线方向固定叶片，叶片钩部置放在位于对应的狭槽21内。叶片的这种保持方法在本申请人公司的专利EP 165 860中有介绍。

当发动机在地面时，风机自转以产生风机叶片的切向变形。在这种情况下，叶片会经由其叶柄下游面而与凸缘43摩擦。叶片的压力和动作引起叶片和上游凸缘两者的磨损。叶片柄部留在凸缘43上的磨损痕迹T的位置会标示在该转子上。这些磨损痕迹会复制出叶片柄部横截面的形状，即矩形形状。这些痕迹位于装有叶片的狭槽的延长部分上，具体是与应力消除孔43D的重叠。

下面介绍本发明的修理方法。这个方法涉及到在每个磨损痕迹T区域内加工优化的孔口平面43L，见图4。该孔口平面43L由两个径向边界43L1和43L2之间的其周向范围、其径向范围和其深度所形成。一旦孔口平面已经形成，凸缘43表面通过在与轮盘20狭槽对应的应力消除开口43D内置放耐磨销50而重构。这些耐磨销带有置于对应孔内的销柱51，和压抵在孔口平面43L基部的挡圈52。

为了消除轮盘20凸缘23在鼓轮凸缘43上采用螺栓24夹紧情况的疑虑，对孔口平面的周向范围进行了限制。特别是，轮盘20凸缘23通过接触区域夹紧到鼓轮凸缘上，不对该接触区域进行机加工。

此外，孔口平面处理的优化的目的是不会缩短部件的使用寿命。为此，使至少其中一个边界43L1和43L2在两个相邻的应力消除孔43D之间穿过。总的说来，这可减少边界和应力消除孔相交处出现裂缝的风险。

另外，为了不缩短部件的使用寿命，在沿边界结合半径所必需的孔口平面深度和减小径向与周向有效横截面之间，达成妥协。

孔口平面处理的优化还考虑部件在因叶片损耗而引起载荷方面的完整性。在叶片损耗的情况下，扇形凹口两边区域沿轴线方向夹持叶片，并直接促进下游保持系统的灵活性。因此，孔口平面的范围沿轴向方向被限定，以便最大限度减小对下游风机叶片保持系统的轴向挠性的影响。为此，扇形凹口43a的径向边缘不予加工，其厚度不变。

关于扇形凹口的基部，为了避免叶片钩部和扇形凹口基部之间接触表面缩减，孔口平面的深度在孔口平面和扇形凹口基部43af之间相交处限定在现有斜口的深度。

关于孔口平面的深度，其深度足够完全去除叶片根部处发现的磨损痕迹。

关于安装在轮盘狭槽对应应力消除孔43D内的耐磨销50，考虑了如下因素：

将挡圈厚度加到最大，以便保证装配和使用期间挡圈的机械完整性。

选择能够承受装配严谨性和具有良好磨损行为的金属材料。显然，镍基合金(诸如Inconel718)可满足这个条件。

在孔口43D内滑动装配耐磨销50，以便不会冒如下风险：损伤和划伤钛合金制成的凸缘。

一种可满足这个条件的滑动装配是收缩装配。这种装配涉及通过液态氮来对耐磨销进行冷却，结合部件加热到限定不会消除上层喷丸处理时的残余应力的温度。有利的是，收缩装配涉及通过至-196℃液态氮来冷却Inconel718制成的耐磨销，结合对钛合金(诸如TA6V)制成的部件加热至250℃至350℃之间持续一个小时。

已经在160个孔上进行了装配情况的可行性试验。当装配耐磨销时，未发现对鼓轮造成损伤。

有关耐磨销的收缩装配的其它解决方案，只要对鼓轮造成损伤的风险低，且无需插入表明对部件进行加热的应力消除开口，，都是可行的。

例如，图5示出了装配带销柱151和挡圈152的耐磨销150的解决方案，所述耐磨销包括插入式部件155，该部件被插入挡圈对面一侧，从而放入销柱内。销柱沿纵向分开，这样，就可沿径向伸展。一旦放于孔内，稍呈截头圆锥形的插入式部件，被轴向导入销柱内，后者在耐磨销销柱的壁上引起径向力。通过螺丝连接或强制配合可获得导向作用。

根据另一个实施方式，耐磨销的销柱可以分开，并呈稍许喇叭口形状。通过合适工具，将销柱分开的边缘缩颈就可将耐磨销置放到位。

Claims (10)

1.一种修复转子凸缘(43)的方法，在带有上游涡轮风机的发动机内，风机轮盘(20)固定在所述转子凸缘的横向表面上，所述凸缘在环形上包括连接到轮盘(20)上的开口(43F)和这些开口(43F)之间称之为应力消除开口的开口(43D)，磨损痕迹(T)因风机叶片在凸缘上摩擦而形成，所述方法包括在带有磨损痕迹区域的所述凸缘上加工孔口平面(43L)的步骤和在摩擦期间可能被叶片覆盖的应力消除开口(43D)内置放销钉(50,150)(称之为耐磨销)的步骤，其特征在于，孔口平面(43L)在连接开口(43D)之间延伸并沿圆周方向被轮盘和凸缘之间连接的夹紧表面所限制。

2.根据前面权利要求所述的方法，两个连接开口之间的每个孔口平面由两个径向朝向的边界(43L1,43L2)所限定，至少边界的其中一个在应力消除孔的外侧。

3.根据前面权利要求所述的方法，按照这种方法，孔口平面(43L)的深度被确定为沿所述边界(43L1,43L2)获得足够的孔口平面处理基圆半径，为的是避免沿所述边界出现应力集中，同时限制孔口平面处理区域内凸缘的有效横截面的减少。

4.根据权利要求2和3任一项所述的方法，所述凸缘包括容纳叶片轴向钩部的径向扇形凹口(43a)，根据这个方法，径向边界径向延伸到扇形凹口的基部。

5.根据前面权利要求所述的方法，所述扇形凹口的基部带有斜口，根据这个方法，所述孔口平面的深度被限制为小于斜口的深度。

6.根据前面其中一项权利要求所述的方法，按照这个方法，带销柱和挡圈的耐磨销通过滑动装配布置在可能被风机叶片所覆盖的应力消除开口内，所述耐磨销采用金属制成。

7.根据前面权利要求所述的方法，按照这个方法，滑动装配通过在应力消除开口内收缩装配耐磨销销柱而实现。

8.根据前面权利要求所述的方法，凸缘表面经过喷丸处理，对凸缘加热预定时间并达到预定温度，以便其不会消除喷丸处理后的残余应力。

9.根据权利要求1所述的方法，耐磨销(150)销柱沿径向方向可变形，径向伸展销柱的塞子布置在挡圈的侧对面上。

10.根据权利要求1所述的方法，耐磨销销柱沿径向方向可变形，所述销柱被挤压，以便将其插入开口内，而后松开挤压。