CN104520539A - 涡轮叶片铆接销 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于燃气涡轮发动机(100)的铆接销(22)。该铆接销(22)可包括延伸铆接销(22)长度(400)一部分的实心部，和延伸铆接销(22)长度(400)另外部分的空心部。铆接销(22)可由具有在约0.0449毫米与0.1270毫米之间的平均粒径的合金X材料构成。

Description

涡轮叶片铆接销

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机(GTE)的销，并且更具体涉及用于将涡轮叶片铆接在GTE的涡轮转子轮盘中的铆接销。

背景技术

GTE通过从由燃料在压缩空气流中燃烧产生的热气流中提取能量产生动力。通常，涡轮发动机具有联接到下游涡轮的上游空气压缩机，其中燃烧室(“燃烧器”)在中间。当压缩空气和燃料的混合物在燃烧器中燃烧时，能量被释放。产生的热气被引导在涡轮叶片之上，使涡轮旋转从而产生机械动力。

在操作期间，涡轮叶片和GTE的其它组件经受高温和高局部应力。由于支撑涡轮叶片的涡轮转子轮盘的转动，所以涡轮叶片就经受离心力，并且因此必须保持在转子轮盘内。尽管涡轮叶片根部，例如楔形榫头，可促进涡轮叶片的保持，但仍可利用其它装置或附加装置来保持涡轮叶片。

美国专利No.3,165,294(“’294专利”)描述了在流体机械中用于保持转子组件叶片的锁定布置。根据’294专利，转鼓具有多个轴向隔开的周向延伸狭槽。放射状延伸的螺纹孔或螺孔经提供用于将要在其中接收的塞子。具有根部和通道的叶片位于狭槽中，并且塞子设置在通道中。因此，叶片被保持以防相对于转鼓的径向运动，并且塞子在狭槽中也保持整行邻接叶片根部以免圆周运动。’294专利进一步指出，在转鼓的转动期间，离心力推动塞子离开螺纹孔或螺孔并进入锁定方向。

发明内容

一方面，公开了一种用于燃气涡轮发动机的铆接销。铆接销可包括延伸铆接销长度一部分的实心部和延伸铆接销长度另外部分的空心部。铆接销可由具有在约0.0449毫米与0.1270毫米之间的平均粒径的合金X材料构成。

另一方面，公开了一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机可包括压缩机系统、燃烧器系统和涡轮系统。涡轮系统可包括至少一个涡轮转子轮盘和多个涡轮叶片，每个涡轮叶片均保持在涡轮转子轮盘中。涡轮叶片中的至少一个可通过铆接销保持在涡轮转子轮盘中，铆接销由具有在约0.0449毫米与0.1270毫米之间的平均粒径的合金X材料构成，并且延伸通过至少一个涡轮叶片的一部分。

又另一方面，公开了一种用于燃气涡轮发动机的铆接销。铆接销可包括在延伸铆接销长度一部分的实心部和延伸铆接销长度另外部分的包括孔的空心圆柱形部。圆柱形部可具有约1毫米的壁厚，并且铆接销可由具有在约0.0449毫米与0.1270毫米之间的平均粒径的合金X材料构成。

附图说明

图1为示例性的公开GTE的图解；

图2为带有根据本发明的铆接销的一个实施例的图1的GTE一部分的剖视图；

图3为在图2中圈出的部分“3”的放大图；

图4为图2的涡轮叶片中的其中一个的俯视图；

图5为图2所示的铆接销的侧视图；

图6为图5的铆接销的端视图；以及

图7为图2的铆接销表面的一部分的放大图，其示出销的微观结构的一个实施例。

具体实施方式

图1示出示例性燃气涡轮发动机(GTE)100。除了其它系统以外，GTE100可具有压缩机系统10、燃烧器系统20、涡轮系统70和沿着发动机轴线98布置的排气系统90。压缩机系统10压缩空气并且将压缩过的空气传递至燃烧器系统20的包封空间。然后，压缩过的空气从外壳导入燃烧器50。液体或气体燃料可通过燃料喷射器30导入燃烧器50。燃料在燃烧器50中燃烧以在高压和高温下产生燃烧气体。这些燃烧气体在涡轮系统70中使用，以产生机械动力。涡轮系统70可进一步包括安装在涡轮转子轮盘76上的多个涡轮叶片72(图2和图3)。另外，涡轮系统70可包括作为一系列涡轮定子(未示出)的一部分的多个涡轮喷嘴。涡轮叶片72、转子轮盘76、喷嘴和定子可包括在一系列涡轮级中，例如，第一级73、第二级74和第三级75。尽管图1仅示出三个级73、74、75，但更多或更少的涡轮级可组成涡轮系统70的一部分。在操作中，涡轮系统70从燃烧气体中提取能量并且引导排气通过排气系统90。

图2为图1所示的涡轮系统70的一部分的剖视图。特别地，图2示出安装在涡轮系统70的一个级的涡轮转子轮盘76上的多个涡轮叶片72。每个涡轮叶片72包括平台12和根部14，该根部14被接收在转子轮盘76中的对应形状的切口中。如图2所示，根部14配置为楔形榫头；然而，对于每个涡轮叶片72和转子轮盘76，可分别提供其它根部形状和对应切口。每个根部14均被接收和支撑在转子轮盘76的转子轮盘柱(post)16之间。应该注意，图2仅为说明的目的示出在转子轮盘76与根部14和平台12之间的空间。尽管这些空间可存在于涡轮系统70中，但转子轮盘76可与涡轮叶片72中的一个或多个的根部14和/或平台12的一个或多个表面直接接触。转子轮盘76包括可在每个转子轮盘柱16中形成的狭槽34。在某些情况下，狭槽34围绕转子轮盘76的外径周向延伸，使得“狭槽”34可被称为单狭槽34。然而，在其它情况下，狭槽34可形成为以便在每个轮盘柱16中的轴向方向(即，平行于发动机轴线98和在流动路径18中的气流)上延伸。狭槽34在此也可称为沟槽、转子轮盘凹槽等。

如图2所示，每个涡轮叶片72可包括通过平台12的孔36。该孔36可经配置与狭槽34对齐，使得孔36和狭槽34可接收铆接销22。如以下更详细所述，铆接销22可安装通过孔36并安装到狭槽34中。铆接销22在此也可称为锁定销、保持销等等中的任一个。

图3为在图2中圈出的部分“3”的放大图。图3示出铆接销22，铆接销22安装通过孔36并安装到狭槽34中，以便将涡轮叶片72固定到转子轮盘16。在图3所示的已安装状态下，设置在狭槽34中的铆接销22的部分显示出可以被称为喇叭形状或蘑菇形状的形状。即，铆接销22在狭槽34中的部分延伸到在平台12的一部分之下的孔36的边界之外。尽管图3示出设置在狭槽34中的铆接销22的部分以基本上一致的方式呈喇叭形或呈蘑菇状，但并非总是这种情况。例如，铆接销22布置在狭槽34中的部分可以非一致的方式变形，使得空心圆柱形部的壁的一些部分比壁的其它部分变形更多或更少。在某些情况下，铆接销布置在狭槽34中的部分可具有基本上等于狭槽34的宽度210的宽度，该宽度可大于延伸通过平台12的孔36的铆接销22的一部分的宽度。尽管未在图2或图3中示出，但在安装的状态下，铆接销22可邻接狭槽34限定宽度210的侧面，使得铆接销22基本上跨越在狭槽34的两侧之间的距离。图3也示出狭槽34延伸到轮盘柱16中的深度220。

在已安装的状态下，铆接销22可从平台12突出并突出到流动路径18内突出距离200。突出距离200可在约0.254毫米到约0.762毫米(约0.010英寸到约0.030英寸)之间。在某些情况下，突出距离200可小于约0.508毫米(约0.020英寸)。例如，突出距离200可以为约0.381毫米(约0.015英寸)。在其它情况下，可以可能的是安装铆接销22以便与平台12齐平，使得铆接销22不延伸进入流动路径18。

图4示出根据本申请的涡轮叶片72的俯视图。如图4所示，平台12可以成平行四边形，例如，矩形或长菱形。平台12可包括第一边缘24、第二边缘26、第三边缘28和第四边缘32，其中第二边缘26和第四边缘32可限定平台12的长度300，并且其中第一边缘24和第三边缘28可限定平台12的宽度306。长度300可以在约25.4毫米与38.1毫米(约1.0英寸与1.5英寸)之间，并且宽度306可以在约12.7毫米约25.4毫米(约0.5英寸与1.0英寸)之间。然而，在某些情况下，长度300和/或宽度306可具有不同的值。

图4示出孔36，孔36具有设置在其中的铆接销22。图4示出放置在涡轮叶片72的压力侧38上的孔36。然而，在一些实施例中，孔36可安置在涡轮叶片72的进口侧40上。在某些情况下，在压力侧38或进口侧40上，孔36均位于在第一边缘24与第三边缘28之间的中间。即，孔36可位于距边缘24距离302处，距离302基本上等于平台12的长度300的一半。另外，孔36可从平台12的一个边缘偏离，例如，从第二边缘偏离距离304。在一些实施例中，距离304可基本上等于宽度306的约四分之一。

图5示出在安装之前的铆接销22的侧视图。铆接销22具有长度400和外径404，长度400也被称为全长或总长。另外，铆接销22可包括形成铆接销22开口端的空心圆柱形部，其中圆柱形部可具有小于销的总长度400的长度406。该圆柱形部可限定空心内部和锥形部410，空心内部具有内径402的铆接销22。如下所讨论，长度406可大于在转子轮盘76中的狭槽34的深度220。图6示出沿着在图5中的直线6-6截取的铆接销22圆柱形部的剖视图。圆柱形部可具有壁厚408，其为在外径404与内径402之间的差。空心内部为在此可称为铆接销孔42的盲孔，并且长度406可称为铆接销孔深度。铆接销孔42可通过在形成铆接销22的材料上钻孔形成。并非由圆柱形部限定的铆接销22的长度可以是实心的，并且因此在此称为铆接销22的实心部。如以下更详细描述，因为圆柱形部可经配置在安装期间在狭槽34内变形，所以圆柱形部也可在此称为变形部、扭曲部、蘑菇状部、破碎(crushing)部等。例如，当铆接销22安装在涡轮系统70以便支持在涡轮转子轮盘76中的涡轮叶片72时，在狭槽34中的铆接销22的外径可大于延伸通过在涡轮叶片平台12中的孔36的铆接销22的外径。

铆接销22的尺寸可具有各种值。在某些情况下，长度400可以在约5.000毫米与6.000毫米(在约0.197英寸与0.236英寸之间)之间，例如，约5.969毫米(约0.235英寸)。圆柱形部的长度406可小于或等于长度400的约一半。例如，长度406可在约2.000毫米与3.000毫米(在约0.079英寸与0.118英寸之间)之间，例如，约2.500毫米(约0.098英寸)。即，例如，长度400与长度406的比率可以为约3比1，约2比1或在某些情况下约2.4比1。另外，外径404可以在约3.000毫米与3.500毫米(在约0.118英寸与0.138英寸之间)之间，例如，约3.162毫米(约0.125英寸)。内径402可以在约2.000毫米与2.500毫米(在约0.079英寸与0.098英寸之间)之间，例如，约2.108毫米(约0.083英寸)，或约2.159毫米(约0.085英寸)。基于这些尺寸，厚度408可以在约0.500毫米与1.500毫米(约0.020英寸与0.059英寸)之间，包括端值，或约1.0毫米(约0.039英寸)。因为可以使用其它值，所以各种销的尺寸的这些值仅仅为实例。

铆接销22可由合金X材料构成。合金X为显示出耐热和抗氧化性两者的变形镍基高温合金。例如，诸如由合金X制成的铆接销的组件可以对1200℃(2200°F)的温度是抗氧化的；然而，对其它温度值的抗氧化性可以是可能的。另外，合金X可显示出高屈服强度和极限抗拉强度，使得在GTE操作温度下的最低极限抗拉强度(UTS)可以为约655MPa(约95ksi)，并且最低屈服强度(YS)可以为约240MPa(约35ksi)。用于构成铆接销22的合金X材料可以以条、片、线或任何其它形式提供。在某些情况下，铆接销22可由锻造或铸造形式的合金X机器加工而成。在其它情况下，铆接销22可从具有基本上等于外径404的直径的合金X焊接金属丝切割而成。合金X材料的一部分可形成为图5所示的圆柱形状，并且然后诸如铆接销42的盲孔可形成(钻孔)为材料的一端，以创建铆接销22的圆柱形部。

图7提供图2的铆接销22的表面的一部分的放大图，其示出销22的微观结构的一个实施例。铆接销22的微观结构可包括晶粒55。当铆接销22由合金X材料构成时，铆接销22的微观结构可显示出具体的粒度，其可以影响销22的物理性能(例如，抗氧化性、耐腐蚀性、强度和温度特性)。粒度可称为晶粒55中的一个的平均直径。粒度也可称为数字“N”，其中N等于在一百倍放大率下测量的每平方英寸晶粒55的数目。对于较大的N值，粒度越小，并且材料(例如，合金X)可以被称为是“精细的”。对于较小的N值，诸如N＝4，粒度越大，并且因此材料可以被称为“粗糙的”。图7示出具有约N＝16的粒度的铆接销22的微观结构的一个实施例，其可对应于约0.1000毫米(约0.0039英寸)的平均粒径。在某些情况下，铆接销22可由诸如合金X的材料制成，该材料具有在32与4之间的粒度N，其分别可对应于在约0.0449毫米与0.1270毫米(约0.0018英寸与0.0050英寸)之间的平均粒径。在某些情况下，例如，晶粒55可具有在约0.0449毫米与0.0750毫米(约0.0018英寸与0.0030英寸)之间的平均粒径。例如，如果制成铆接销22的合金X经退火，微观结构可显示围绕销22外缘的较大的粒度。因此，退火可导致围绕销22外缘的粒度具有大约为4的N值。另外，退火过程可导致销22的非一致粒度，使得销22的一些截面可具有一个粒度，而销22的其它截面可具有另外的粒度。例如，铆接销22的一些截面可具有N＝4的粒度，而铆接销22的其它截面可具有N＝8的粒度，其可对应于约0.0750毫米(约0.0030英寸)的平均粒径。此外，不同的退火温度可产生不同的粒度。例如，如果合金X材料在大于约1093℃(2000°F)的温度下退火，则退火过程就可产生例如N＝16或N＝32的粒度。然而，如果制成铆接销22的合金X未经退火，则销22就可，例如，显示出在N＝4到N＝6的范围内的一致的粒度。晶粒55的大小(例如，平均直径)和形状并非限制于以上讨论并在图中所示的实例。

为将涡轮叶片72安装在涡轮系统70中，涡轮叶片72的根部14被插入在邻近的轮盘柱16之间的涡轮转子轮盘76的狭槽34中。在该位置，在涡轮叶片72的平台12中的孔36与狭槽34对齐。为了将涡轮叶片72固定在涡轮转子轮盘76上，铆接销22就安置在孔36上方，使得铆接销22的圆柱形部邻近或接触孔36。然后，例如，在与铆接销孔42相对的铆接销22的一端，推动或敲击铆接销22，以将铆接销22推动通过孔36并推动到涡轮转子轮盘76的狭槽34内。铆接销22可使用锤子手动敲击，或者使用任何其它工具手动或自动敲击。如图2和图3所示，在安装期间，铆接销22的圆柱形部在狭槽34内变形或“呈蘑菇状”，使得在狭槽34中的铆接销22的圆柱形部扩展到在平台12的下方延伸。在已安装状态下，铆接销22的扩展部分可邻接狭槽34的壁，以便基本上跨越在狭槽34的两侧之间的距离。如在此所述，尽管图3示出在已安装状态下的铆接销22在狭槽34内具有基本上一致的“蘑菇状(mushroomed)”部分，但在安装期间，铆接销22的圆柱形部可以非一致的方式被压碎的或呈蘑菇状。例如，当安装销22时，圆柱形部的壁的部分可接触狭槽34的壁，而圆柱形部的壁的另一部分可以不接触狭槽34的壁。另外，销22的圆柱形部的壁的一部分可弯曲成与圆柱形壁的另一部分所弯曲成的角度不同的角度。如图5和图6所示，在安装之前，铆接销22可沿着其整个长度400具有恒定的外径404。提供铆接销孔42来形成圆柱形部允许铆接销22在狭槽34内“呈蘑菇状”，以将铆接销22固定在狭槽34中。一旦固定在狭槽34中，铆接销22就防止在GTE100的操作期间涡轮叶片72的向前和向后运动。因此，当安装铆接销22时，设置在狭槽34中的圆柱形部的外径可大于在安装之前的初始外径404。尽管图2和图3示出设置在狭槽34中的一部分铆接销22的一致外径，但该外径不一定是一致的，并且可沿着铆接销22的长度406变化。

在某些情形下，在安装了铆接销22之后，也可执行涡轮叶片72或铆接销22的移除操作或“去铆接”操作。去铆接操作可在例如预定使用寿命结束时执行，或者如果在检查期前发现涡轮叶片72存在问题就执行。为将销22去铆接，诸如金属块的工具可用于敲击从涡轮叶片平台12的表面突出的铆接销22的一部分。这样做可在期望的位置处(例如，在与平台12的表面齐平的位置处)剪断铆接销22。在成功剪断铆接销22之后，可将销22的任何剩余部分从涡轮叶片72中移除，从而完成去铆接操作。在某些情况下，接着可提供具有新的未使用的铆接销22的新涡轮叶片72。然而，在其它情况下，新铆接销22可代替去铆接销22安装在先前使用过的涡轮叶片72中。

工业实用性

以上公开的铆接销系统可安装在承受高温和高应力的设备中，诸如GTE。铆接销系统可安装在包括定子的燃烧器系统、涡轮系统的任何级或压缩机系统中。另外，尽管铆接销被描述为GTE中使用，但其一般地可用于要求保持经受例如离心力的部件的应用或行业中。

GTE100通过从在来自压缩机系统10的压缩流体(例如空气)流中的燃料的燃烧产生的热气流中提取能量产生动力。当压缩空气和燃料的混合物在燃烧器系统20中燃烧时，能量就被释放。燃料喷射器30将液体燃料或气体燃料导向燃烧器系统20内用于燃烧。产生的热气经引导通过涡轮系统70，经过级73、74、75，越过定子轮叶和涡轮叶片，以使涡轮叶片72和转子76旋转并产生机械动力。在涡轮系统70内转动的涡轮叶片72可各自包括穿过平台12并进入涡轮转子轮盘76的狭槽34中而设置的铆接销72。

在涡轮操作期间，涡轮叶片72可承受高应力。由于它们可损坏GTE，并导致不便和非定期停机来修理和/或替换被损坏的GTE组件，所以应防止涡轮叶片故障。如果根据它们的设计使用了涡轮叶片铆接销，则铆接销可由于在销中的裂纹形成而氧化从而出故障。由于GTE继续在较高温度下操作，所以就有对于抗氧化的部件(诸如铆接销)的需要，以便防止故障和过早的停机。另外，GTE部件由于例如盐或硫可遭受腐蚀，从而导致由于裂纹形成而造成的故障。

根据本说明书的铆接销22可提供某些优点。例如，可制成铆接销22的材料，即，合金X与上述的微观结构和销尺寸结合，提供抗氧化性铆接销22，该铆接销22在暴露于GTE100的操作温度和条件下时可避免过早劣化。通过使用在本申请中所描述的铆接销22，可减少GTE故障和/或必须过早替换涡轮叶片中的其中一个的风险。

如上所述，合金X为高强度的变形镍基高温合金。由于其高强度，铆接销22被设计成防止当铆接销22被安装时，铆接销22从平台12的表面明显突出并进入流动路径18。特别地，在某些情况下，铆接销孔42的内径402使得圆柱形部的壁厚408足够薄，以在安装期间使销22在狭槽34中能够极好的变形或“呈蘑菇状”。通过将销22锁定在孔36中，在平台12之下在狭槽34中呈蘑菇状可防止铆接销22从在涡轮叶片平台12中的孔36“撤出”。这反过来可固定涡轮叶片72并防止其在向前的或向后的方向上移动。这可减少损坏在GTE100的涡轮系统70中的部件(诸如涡轮转子76和/或涡轮喷嘴)的风险。分开地或与在铆接销22的圆柱形部中提供薄壁结合，销22的总长400可相对缩短，以限制在安装好销22后销22从平台12的表面突出。

除抗氧化性之外，由合金X材料制成的铆接销22既耐腐蚀又耐热，并且耐用，使得铆接销22可耐得住GTE操作的应力。由合金X材料制成的铆接销22也显示出期望的蠕变性能，以防止由于蠕变而发生故障。即，在操作期间，在诸如高温和高负载的应力的影响下，本文描述的铆接销22可具有比由另外材料制成的铆接销更少的永久变形趋势。另外，由于焊丝具有铆接销22可接受的外径，所以制成销22的合金X可以是便宜的并且容易得到，从而减少制造铆接销22的时间和费用。

因此，所公开的铆接销22的配置损坏减少对铆接销22的发生率，诸如由于氧化形成的破裂而造成的损坏。铆接销22在GTE操作应力下可以是稳定的，使得即使在破裂被预计启动的铆接销孔42的圆柱形部中也可以防止破裂。此外，本文描述的铆接销可持续的时间至少与其安装在其中的涡轮叶片72一样长。因此，可避免不必要的GTE停机，也可避免由于其铆接销过早出故障而将涡轮叶片72移除对涡轮转子轮盘柱16的可能的损坏，诸如破裂。

另外，关于去铆接操作，使用本文描述的铆接销22使相对简单的去铆接操作成为可能。尽管在操作期间，铆接销22将涡轮叶片72牢固地保持在适当的位置，但如果去铆接是必要的，则铆接销22的脆性破坏模式就可允许在去铆接期间将销22干净地剪断而不损坏涡轮转子轮盘76或涡轮叶片72。例如，铆接销22可以在与平台12的表面齐平的位置处折断或剪断。制成销22的材料(例如合金X)、本文描述的销22的微观结构和/或销22的尺寸可促成允许在去铆接期间干净剪断的铆接销22的脆性破坏模式。

对本领域的技术人员显而易见的是，可对所公开的设备和方法作出各种修改和变化。通过仔细考虑说明书以及所公开的系统和方法的实践，其它实施例对本领域的技术人员将是显而易见的。这意味着说明书和实例被视为仅是示例性的，而真实范围由随附权利要求书及其同等物表明。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机(100)的铆接销(22)，包括：

实心部，其延伸所述铆接销长度(400)的一部分；以及

空心部，其延伸所述铆接销长度的另外部分，其中，所述铆接销由具有在约0.0449毫米与0.1270毫米之间的平均粒径的合金X材料构成。

2.根据权利要求1所述的铆接销，其中，所述空心部为包括延伸所述铆接销长度的所述另外部分的孔(42)的圆柱形部分。

3.根据权利要求1所述的铆接销，其中，所述空心部小于所述铆接销长度的一半。

4.一种燃气涡轮发动机，包括：

压缩机系统(10)；

燃烧器系统(20)；以及

涡轮系统(70)，其中，所述涡轮系统包括：

至少一个涡轮转子轮盘(76)；以及

多个涡轮叶片(72)，每个涡轮叶片(72)保持在所述涡轮转子轮盘中，其中

所述涡轮叶片中的至少一个通过铆接销保持在所述涡轮转子轮盘中，所述铆接销由具有在约0.0449毫米与0.1270毫米之间的平均粒径的合金X材料构成，并且延伸通过所述至少一个涡轮叶片的一部分。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其中，所述铆接销延伸到在所述涡轮转子轮盘中形成的狭槽(34)内。

6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其中，所述铆接销的在所述狭槽中的部分的直径大于所述铆接销的延伸通过所述至少一个涡轮叶片的一部分的部分的直径。

7.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其中，所述至少一个涡轮叶片的所述一部分为平台(12)，并且其中，所述铆接销从所述平台的表面突出。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中，所述铆接销在所述平台的两个相对端之间的基本上中间的位置处延伸通过所述平台。

9.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其中，所述铆接销包括：

实心部，其延伸所述铆接销长度的一部分；以及

空心部，其从所述实心部延伸并且形成所述铆接销的开口端，其中，所述空心部小于所述铆接销的长度的一半。

10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其中，所述空心部为包括延伸所述铆接销的长度的所述另外部分的孔的圆柱形部分。