CN104144757B - 用于制造涡轮机叶片的铸芯组件以及制造叶片和关联叶片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造具有尖端区段偏移的涡轮机(1)的叶片(1)的铸芯，其包括用于形成各种内腔(19a‑19e)的核心元件(31)，所述核心元件包括前缘腔内核心(31a)、中心腔内核心(31b,31c,31d)以及后缘腔内核心(31e),其特征在于，邻近于后缘腔的内核心(31e)的中心腔(31d)的内核心具有朝向前缘腔的核心(31a)延伸的胀出部(34)。

Description

用于制造涡轮机叶片的铸芯组件以及制造叶片和关联叶片的 方法
技术领域
本发明通常涉及涡轮机领域，更具体说是涉及这些涡轮机的涡轮叶片的领域，以及涉及它们的制造。
背景技术
由于热气体在燃烧室的出口处投入，因此涡轮叶片承受强烈的热应力，并需要被冷却以支撑这些温度。它们因此是中空的并由冷切气体在其中循环的内腔穿过，在一个压缩机的级的出口处被采纳。
更准确地，涡轮机的涡轮叶片包括在叶片根部和叶片尖部之间延伸的空气动力学表面(或叶片)。叶片具有相对于来自涡轮机的燃烧室的热气体的流动来布置的前缘，以及相对于将前缘连接到后缘的前缘、横向内弧面壁和横向外弧面壁的后缘。
内腔延伸跨越叶片的高度，并沿着来自燃烧室的气流的方向从上游到下游包括分别邻近于叶片的前缘和后缘的前缘腔和后缘腔以及在前缘腔和后缘腔之间延伸的至少一个中心腔。这些腔通过将它们连接到叶片的根部经由管道供应有冷却气体。
叶片还包括通过内弧面壁和外弧面壁的延伸以及通过关闭内腔的底部壁来限定的在其尖部的水平处的中空形状部或中空容器。
为了制造具有复杂形状且其几何结构必须具有高精度的这些不同的腔，叶片通常由被称为脱蜡熔炼的技术制成。此技术图示地包括制造蜡叶片通风机，其中由再生合成腔的陶瓷制成的核心被嵌入。蜡叶片然后被嵌入到例如由耐火材料制成的壳中，然后，核心化学地被移除，在它们的位置中留下优选的内腔和容器。此方法的实施例特别地在申请人姓名下的文件FR 2 875425、FR 2 874 186或FR 2 957 828中进行描述。
用于这些现代涡轮叶片的核心由内腔核心构成，通常具有柱的形式，所述柱肩并肩地定位并一起由传统的设备保持。
随着需要用于冷却叶片的规格的提高和叶片的变化，这些核心具有逐渐地更加复杂的形式。有必要将它们定位在具有极高精确度的壳中。
核心通常包括设计成形成腔体的第一核心元件和设计成形成容器的第二核心元件，所述第二核心元件通过连接由氧化铝或石英制成的杆与第一核心元件连接。
这些杆的目的在于将核心的部分保持在它们之间并使合成组件更硬，它们涉及在叶片的上部分中制造除尘孔。这些杆存储在孔中，它们意图在容器的底部中制造所述孔。除尘孔使在腔中的冷却气体能够循环并排出进入到涡轮机中的不同颗粒。
为了提高叶片的空气动力学性能和最小化能量损失，根据以申请人的名字于2011年11月17日登记的法国专利申请No.FR 11 60465，提出了使用具有类型为“尖端区段的平移”的先进叶片尖端的涡轮机的涡轮叶片。
这种涡轮机叶片适应于最小化能量损失。它们包括可以被分解成根据沿着叶片的堆叠方向而堆叠的叶片区段的叶片。在叶片尖端具有尖端区段平移的情况下，在叶片尖端的水平处的区段的堆叠优选地渐进地沿着内弧面壁的方向平移。
为此，如在专利申请No.FR 11 60465中所描述的，叶片可以包括在其尖端水平处的腔，所述腔沿着其自由端部的方向张开并被底部壁和在前缘和后缘之间延伸的周缘所界定。在此周缘的水平处的叶片的叶片区段的堆叠沿着内弧面的方向具有平移，此平移随着叶片尖端的自由端部的靠近而提升。叶片也包括冷却通道，所述冷却通道相对于内弧面倾斜并将内腔连接到内弧面壁上。
叶片的内弧面壁也可以具有突出部分，所述突出部分的外表面相对于叶片的内弧面的剩余部分倾斜并在其端部处具有朝向周缘转动的端面。底部壁在突出部分的端面的水平处与内弧面壁连接，冷却通道可以布置在内弧面的突出部分中，使得它们在突出部分的端面上终止，冷却通道的轴线和内弧面侧面的周缘的自由端部的外部界限之间的距离大于零。
然而，此尖端区段平移和小尺寸的叶片以及使用于其制造的核心使得难以把持第二核心元件的杆，所述杆设计成在第一核心元件上形成容器。
因此提出了以相对于叶片的主要方向的大角度个别地定向杆。然而，由于连接杆相对于核心的主要方向(以及因此陶瓷的注射方向)的巨大倾斜而使制造核心复杂，其可能出现在容器的地底部水平处的核心磨损的问题。此外，执行此制造方法需要本领域所有技术人员，特别地本文的创建者所持有的专业知识和经验。
还提出了使用通常锚固在核心元件中的连接杆，但是由于叶片的内腔的最小尺寸，锚固相对于传统的技术极大地降低。但是，围绕连接杆的核心(通常由陶瓷制成)的锚固深度和厚度造成了核心元件的开裂(在由于不均匀收缩产生的力的作用下发生的部分断裂)以及因此过大的丢弃率的问题。
发明内容
本发明提出了这种用于制造由在内腔中的流体循环所冷却的涡轮机叶片的形成核心的组件，所述组件包括用于形成不同内腔的细长形状的第一核心元件以及用于形成容器腔的第二核心元件，第二核心元件设计成被布置在第一核心元件的延伸部中，其中第一核心元件包括前缘腔内核心、至少一个中心腔内核心和后缘腔内核心，以便沿着在涡轮中的气流方向从上游到下游分别形成叶片的前缘腔、至少一个中心腔和后缘腔。邻近于后缘腔的内核心的中心内腔的核心在紧邻于第二核心元件具有沿着前缘腔的核心方向延伸的胀出部。
这种解决方案使至少一个连接杆锚固在第一核心元件的放大区域的水平处(胀出部的水平处)，并因此根据具有最小丢弃率的核心的可靠方法来制造用于具有尖端区段平移的涡轮机的涡轮叶片。
本发明还涉及一种借助于这种形成铸芯的组件来制造的叶片，以及一种使用这种组件的制造方法。
附图说明
参考通过非限制给出的附图，从以下详细描述中，本发明的其他特征、目的和优点将更清楚地显而易见，其中：
图1是根据本发明的具有尖端区段平移的涡轮叶片的例子的截面半立体一般视图；
图2是根据本发明的实施例图示铸芯的立体图；
图3是图2中铸芯的上部分和在不同核心元件之间的连接杆的详细视图；
图4a是具有使用现有技术来保持的尖端区段平移的叶片的例子的侧视图；
图4b是显示根据平面X1和X2的腔的图4a的叶片的顶部视图；
图5a是具有使用本发明来保持的尖端区段平移的叶片的例子的侧视图；以及
图5b是显示根据平面Y1和Y2的腔的图5a的叶片的顶部视图。
具体实施方式
参见图1和5a，这些显示了用于涡轮机的涡轮叶片1，所述涡轮机包括在叶片根部11与叶片尖端12之间延伸的叶片10，叶片10包括：前缘13，与该前缘相对的后缘14，侧向内弧面和侧向外弧面15，由根据叶片1的高度延伸的腔内壁20分离的内腔19a–19e。
该叶片可具有例如与2011年11月17日以本申请人名字注册的法国专利申请No.FR11 60465一致的“尖端区段平移”类型的先进叶片顶部。
特别是，从前缘13至后缘14，叶片1包括：前缘腔19a，一个或多个中心腔19b，19c，19d(在此例中三个用于附图中显示的叶片1，具体为第一上升中心腔19b，下降中心腔19c，以及第二上升中心腔19d)，它们共同组合形成一内腔“长号”和一后缘腔19e。叶片1还包括在其尖端11的水平上的容器18，所述容器18的底部壁17关闭内冷却腔19a–19e。
将邻近于腔19e后缘的中心腔19d与沿着前缘13的方向的随后的腔(即在图1中叶片的情况下为中心腔19c)分离的腔内壁20，在容器18的底部壁17附近，与沿着前缘13的方向的一偏移16符合。
作为变型，当叶片1只包括一单一的中心腔19d时，腔内壁20将此单一的中心腔19d与前缘腔19a分离，所述前缘腔19a可以在该容器的底部壁17的附近与沿着前缘13的方向的偏移匹配。
由于相对于腔内壁20的剩余部分的此偏移16，邻近于后缘腔19e的中心腔19d在底部壁17的附近具有一胀出部34，所述腔19d在叶片尖端12的水平处比在叶片根部11的水平处更宽。此中心腔19d的特殊形状简化了叶片1的制造。
而且，如图1和5a中所图示的，腔内壁20在直到底部壁17的偏移16的水平处偏移，以扩大此中心腔19d的整个上部分。
形成用于制造这种涡轮机叶片(图2和3)的铸芯30的组件具有适应的补充形状，并包括重复腔19a–19e的形状的第一核心元件31和自身重复容器18的形状的第二核心元件32。这两个核心元件31和32由例如陶瓷制成。
该第二核心元件32通过连接杆40与第一核心元件31连接，所述连接杆40可例如由铝或石英制成。
该第一核心元件31具有根据叶片1的高度的整体细长形状，并包括一系列的内核心(或柱)31a，31b，31c，31d和31e，设计为分别形成前缘19a的腔、中心腔19b，19c和19d，以及后缘腔19e。
第二核心元件32被布置在第一核心元件31上方，并通过连接杆40与所述第一核心元件31分离，所述杆40定位为在内核心31a至31e中形成除尘孔35。
限定邻近于后缘腔的核心31e的中心腔31d的内核心19d至少在紧邻第二核心元件32的区域中具有沿着前缘腔的内核心31a的方向的胀出部34。如在图4a至5b中所明显显示的那样，对应中心腔的内核心31c因此在此水平处更宽，例如宽30％至60％。实际上，在具有尖端区段偏移的传统叶片上，在平面X2的水平处邻近于后缘腔31e的核心的内腔31d的核心的最大宽度dx为3.4mm的量级。相比之下，对于具有尖端区段偏移但包括根据本发明的胀出部34的类似叶片，在平面Y2的水平处的邻近于后缘腔内核心31e的内腔31d的核心的最大宽度dy可以是5mm的量级(或宽大约50％)。用于将连接杆40插入此腔核心31d的可获得的空间因此极大地大于嵌入在现有技术中叶片的空间，其提高了围绕连接杆40的核心的锚固深度和厚度，并防止在核心元件31，32中裂纹的形成，因此极大地减少了在制造过程中叶片的废弃率。
同样，沿着前缘的腔31a的方向紧邻的中心腔内核心31c匹配于一互补相对形状33，使得在这两个内核心31c和31d之间制成的腔内壁20沿着叶片1的前缘13的方向具有如上所述的偏移16。
作为变型，当叶片1仅包括一单一的中心腔19d时，第一核心31仅包括单一的中心腔内核心31c，并且前缘腔的内核心31a紧邻于此中心核心内核心31d。因此，前缘的内核心31a匹配该互补相对形状，使得在这些两个内核心31a和31d之间制成的腔内壁20沿着叶片1的前缘13的方向具有如上所述的偏移16。
胀出部34和相对形状33是局部的，并且仅在内核心31b–31d的上部分的水平处延伸(分别地31a，在叶片包括单一中心腔的情况下)，在此胀出部34的水平处的邻近于后缘腔的核心31e的核心31d比在其下部分的水平处的宽。
胀出部34的高度足够允许将连接杆40锚固在胀出部34的水平上，并在形成容器18的底部的壁17中制成除尘孔35，而不在内核心31b–31d中形成裂纹。同样，胀出部34延伸至中心腔内核心31e的上壁。
通过修改与后缘核心31e相邻的内核心31d的几何形状，更具体为通过在其上部胀出部34的存在，使制造这些除尘孔35更容易。特别是，由于叶片10的空气动力学形状，该形状在后缘14与前缘13之间具有增加的横向截面，因此胀出部34的存在将连接杆40锚固在比具有传统核心结构更宽的核心31的区域中，因此限制连接杆40与这些核心的主轴之间形成的角。制造孔35因此更有利于铸造，并且还提高了锚固连接杆40的可能性。
而且，在最终产品中，可选择保持杆40的直径，以等于除尘孔35的优选直径，以避免在脱蜡熔化步骤后用于抛光叶片10的额外步骤(孔的覆盖)。
如图2和3所图示的那样，除尘孔35是倾斜的并可例如朝向叶片1的前缘13。然而，考虑到保持杆40的直径相当大以确保叶片1中灰尘的排出，此方向不是限制性的。
连接杆40因此相对于它们所穿过的第二核心元件32沿其延伸，以形成第二核心元件32的除尘孔35大致方向倾斜。
第二核心元件32还可包括在上部分的凸起36(图2)，以改进连接杆40的锚固。
形成例如图2和3中所图示的铸芯30的组件随后用来制造蜡毛坯，所述蜡毛坯然后嵌入到外壳中，随后核心被去除，以形成不同的腔19a–19e和容器18。

Claims (8)

1.一种形成用于制造涡轮机的叶片(1)的铸芯(30)的组件，所述叶片(1)具有通过在内腔(19a–19e)中流体的循环来冷却的尖端区段偏移，所述组件包括用于形成不同内腔(19a–19e)的细长形状的第一核心元件(31)以及用于形成容器腔(18)的第二核心元件(32)，所述第二核心元件(32)构造成布置在所述第一核心元件(31)的延伸部中，
其中所述第一核心元件(31)包括前缘腔内核心(31a)、至少一个中心腔内核心(31b–31d)和后缘腔内核心(31e)，它们沿着所述涡轮中气流的方向从上游到下游分别形成所述叶片(1)的前缘腔(19a)、至少一个中心腔(19b–19d)和后缘腔(19e)，
其特征在于，邻近于所述后缘腔内核心(31e)的所述中心腔的至少一个内核心(31d)在紧邻于所述第二核心元件(32)之处具有向着所述前缘腔内核心(31a)的方向延伸的胀出部(34)，并且
邻近于所述后缘腔内核心(31e)的所述中心腔内核心(31d)的最大宽度dy在所述胀出部(34)的水平是5mm的量级，
多个连接杆在具有沿着所述前缘腔的核心的方向的胀出部的内核心与所述第二核心元件之间延伸，所述连接杆锚固在所述内腔的所述胀出部中以及所述第二核心元件的上部分中的凸起上。
2.根据权利要求1所述的形成铸芯(30)的组件，其中相对于具有所述胀出部(34)的所述中心腔内核心(31d)的所述内核心(31a，31b，31c)具有与所述胀出部(34)互补的相反形状(33)。
3.根据权利要求1所述的形成铸芯的组件，其中锚固在所述胀出部(34)中的所述连接杆(40)相对于所述第二核心元件(32)倾斜地延伸。
4.根据权利要求1或3所述的形成铸芯的组件，其中所述杆(40)由氧化铝或石英制成。
5.根据权利要求1至3中任何一项所述的形成铸芯的组件，其中所述第一核心元件(31)包括四个内核心(31a，31b，31c，31d，31e)。
6.一种用于制造涡轮机叶片(1)的方法，其中毛坯通过使用根据权利要求1至5中任何一项所述的铸芯(30)的组件通过脱蜡熔化而由叶片制成，
所述毛坯包括前缘腔(19a)、至少一个中心腔(19b，19c，19d)和后缘腔(19e)，各腔通过腔内壁(20)和容器腔(18)与相邻腔分离，
其特征在于，邻近于所述前缘腔(19a)的所述至少一个中心腔(19b，19c)的腔内壁(20)在紧邻于所述容器腔(18)之处与沿着所述前缘腔(19a)的方向的一偏移相符。
7.一种涡轮机叶片(1)，其特征在于，该涡轮机叶片使用由根据权利要求1-5中任何一项所述的组件形成的铸芯来制造。
8.一种涡轮机，其包括根据权利要求7所述的涡轮机叶片(1)。
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