CN105263646A - 用于恢复畸变的涡轮机叶片的方法 - Google Patents

Abstract

用于恢复燃气涡轮发动机的涡轮叶片扇段(例如低压涡轮机中的叶片扇段)的移位特征的方法和装置，并且更具体地涉及相对于叶片扇段的外部叶冠恢复内部叶冠，使其满足初始设计位置和尺寸的方法和装置。

Description

用于恢复畸变的涡轮机叶片的方法

技术领域

本发明公开了用于恢复燃气涡轮发动机的叶片扇段(例如低压涡轮机叶片)的位移特征的方法和设备，并且更具体地公开了用于恢复叶片扇段的内部叶冠相对于叶片扇段的外部叶冠的位移特征的方法和设备。

背景技术

在高级涡轮发动机中，热空气通道中的燃气涡轮机部件例如高压涡轮和低压涡轮中的桨叶、叶片和外部气体密封件会承受温度和负荷，经过一段时间后能使这些部件的尺寸发生畸变，从而显著背离原始设备制造商的图纸和参数，当涡轮发动机进行大修或修补时，这些部件一般就会报废。在某些情况中，组件的报废并且用新部件进行替换由航空安全问题驱动，但是在其他情况中，由于得不到可行的修复，部件就会轻易的报废。

这种部件的一个示例就是Pratt&WhitneyPW4000燃气涡轮发动机上的三级低压发动机中的定子叶片扇段11，如图1所示。典型地，多个叶片10聚在一起形成叶片扇段11，在用于这种特殊的发动机的低压发动机叶片的第三级组中存在多个叶片扇段。这些特殊的叶片10由镍基合金铸成，例如Mar-M247(一种现有技术中广泛已知的合金)。在发动机的低压涡轮(未示出)的内部壳体导轨上，叶片通过与前部外部叶冠导轨12和尾部区域的外部叶冠导轨14接合而被安装在发动机中，如图1所示，内部叶冠16包括内部凸缘18，所述内部凸缘包括螺栓孔20，所述螺栓孔用于将叶片扇段11栓接到低压发动机的内部支承部(未示出)。由于热负荷和空气动力学负荷，内部叶冠16在相对于外部叶冠24会经受沿畸变方向17的畸变(例如内部叶冠16的移位或者偏移)和螺栓孔20的伸长，以及螺栓孔20的中心22相对于外部叶片叶冠24沿畸变方向17的移位，对于PW4000来说，畸变方向就是从正视位置观察时从其原始设计位置沿顺时针的方向，如图1所示。在任何涡轮机组中，螺栓孔20的中心22的移位不会与一个特定的叶片扇段11分离，成组的所有叶片扇段11也会经受这种类型的移位。位移的程度或尺寸的多少对于不同的叶片扇段11不是固定的。

需要的是用于恢复用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片扇段(例如低压涡轮中的叶片扇段)的移位特征的方法和装置，并且更具体地需要叶片扇段的内部叶冠相对于叶片扇段的外部叶冠的移位特征的方法和装置，使其满足原始设计位置和尺寸。

发明内容

本发明提出了一种用于使叶片扇段的内部叶冠相对于该叶片扇段的外部叶冠恢复到其原始设计位置和尺寸的方法。

本发明还提出了一种用于实践这种使叶片扇段的内部叶冠相对于该叶片扇段的外部叶冠恢复到其原始设计位置和尺寸的方法的设备。

本发明又提出了一种用于使叶片扇段的内部叶冠凸缘中的螺栓孔恢复到其原始设计位置和尺寸的方法。

附图说明

本发明将结合如下附图进行详细说明，其中:

图1使能通过本发明的方法和装置进行恢复的叶片扇段的正视图，即从燃气涡轮被设计运行的正面进行观察的角度。

图2是用于实践本发明的方法的本发明的装置的俯视图。

图3是沿图2中的线3-3截取的本发明的装置的侧视图，此时活塞体位于降低的位置，并且锁定销从销孔中移出。

图4是图3的视图，此时活塞位于升高的位置，并且锁定销延伸穿过销孔和螺栓孔。

具体实施方式

图2、图3和图4示出了用于实践本发明的方法的设备50。设备50包括外部叶冠夹紧装置52和内部叶冠夹紧装置54。外部叶冠夹紧装置52被设计用来接收和可移除地固定叶片扇段11的外部叶冠24的前部导轨12和后部导轨14，而内部叶冠夹紧装置54则被设计用来可滑动地接收叶片扇段11的内部叶冠24。外部叶冠夹紧装置52和内部叶冠夹紧装置54都固定到基底56。向叶片扇段11的内部叶冠施加作用力的装置(例如机械或液压施压装置58)也被固定到基底56，并布置在内部叶冠夹紧装置54的正下方。施压装置58具有活塞60，所述活塞能相对于内部叶冠夹紧装置54沿第一方向61移动。

外部叶冠夹紧装置52一方面被设计用来使内部叶冠16正好布置在活塞60的路径上，另一方面又使得内部叶冠16取向成使得活塞60被驱动与内部叶冠16接触，内部叶冠16被沿第一方向61驱动，所述第一方向与畸变方向17正好相反。如图2所示，外部叶冠夹紧装置52包括夹板62，所述夹板能在引导销64、66上向基板68滑动，引导销被固定在基板上，并且底板70布置在夹板62的紧下方，用于在本发明的方法被实践时支承叶片扇段11的外部叶片叶冠24。虎钳螺栓72延伸穿过夹板62中的孔74，并旋入基板68中的孔中，所述孔接收带螺纹的虎钳螺栓72。虎钳螺栓72优选具有虎钳手柄76，所述虎钳手柄永久地连接到一端，以使得虎钳螺栓72不需要借助分立工具即可进行旋转。虎钳螺栓72的螺纹和基板68上的接收虎钳螺栓72的螺纹孔能使得虎钳手柄76沿顺时针方向的旋转向基板68推动夹板62。更优选地，夹板62的、面向基板68的表面和基板68的、面向夹板62的表面均包括与外部叶冠24的前部导轨12、外部轮廓24的后部导轨14或者前部导轨和后部导轨二者相符合的轮廓，使得当前部导轨12、后部导轨14或者前部导轨和后部导轨二者夹入外部叶冠夹紧装置52时(如下所述)，由夹板62和基板68向前部导轨12和后部导轨14施加的作用力得到分散，以避免前部导轨12和后部导轨14之一的永久性畸变。当夹板62的轮廓表面接近基板68的轮廓表面，但仍与其间隔开时，轮廓表面相配合以形成凹槽，前部导轨12、后部导轨14或者前部导轨和后部导轨二者均能容易地滑动进入凹槽，以布置在基板68和夹板62之间。一旦布置完毕，虎钳手柄76能沿顺时针位置旋转，使得夹板62朝向基板68滑动，直到前部导轨12、后部导轨14或者前部导轨和后部导轨二者能被牢固地夹紧在基板和夹板之间。采用这种方式，叶片扇段11的外部叶冠24能被可移除地固定到基底56，而不破坏叶片扇段11。如图2到图4所示，内部叶冠夹紧装置54具有面板80和背板82，所述面板和所述背板通过隔板84连接。隔板84使得面板80相对于背板82隔开，并在面板和背板之间提供足够宽的间隙83，使得当外部叶冠24如上文所述被可移除地固定到基底56时，所述间隙能滑动地接收叶片扇段11的内部叶冠16。压块86被固定到活塞60的上端88，并位于间隙83的紧下方，在压块86如下所述通过活塞60被驱动与内部叶冠16接触时，压块86的上表面90的轮廓高度更优选成形为与内部叶冠16的下部表面92大致齐平。面板80包括在预设的位置延伸贯穿面板80的销孔94，该位置使得当新的叶片扇段11(未在发动机中运行)的外部叶冠24如上所述通过外部叶冠夹紧装置52可移除地固定到基底56时、销孔94与内部叶冠凸缘18的螺栓孔20同轴。还包括如下所述的锁定销96，锁定销96的长度足以插入到销孔94中，并且当销孔94和螺栓孔20对准时，延伸穿过螺栓孔20。

对于在发动机中运行的叶片扇段11，为了达到期望的将内部叶冠16恢复到相对于这一叶片扇段11的外部叶冠24的其初始设计位置和尺寸的目的，本发明的方法将如下所述在叶片扇段11上进行实践。锁定销96被从销孔94中移除，并放在一边，并且夹板62通过逆时针旋转虎钳手柄76被布置成与基板68隔开，直到夹板62的轮廓与基板68的轮廓之间的空间足够宽，以能够使前部导轨12、后部导轨14或者前部导轨和后部导轨二者容易地在夹板62和基板68之间滑动，并且使得叶片扇段11的外部叶冠24搁置在底板70上。活塞60被降低，使得压块86在内部叶冠夹紧装置54下方足够远，使得其尽可能不会干涉前部导轨12、后部导轨14或者前部导轨和后部导轨二者在夹板62和基板68之间的滑动，并且在叶片扇段11布置在外部叶冠夹紧装置52中期间，使得叶片扇段11的外部叶冠24搁置在底板70上。叶片扇段11然后通过将其放置在火炉(优选是燃气炉)中进行加热，并且将其加热到温度范围1600°F到2050°F之间，并且更优选加热到1925°F到1975°F之间，使得叶片扇段11达到“红热”状态。红热状态的叶片扇段11然后被从火炉中取出，并且外部叶冠24的前部导轨12和后部导轨14立即被滑入夹板62的轮廓和基板68的轮廓之间的空间，并且被降低，直到叶片扇段11的外部叶冠24达到搁置在底板70上的程度，并且内部叶冠16被可滑动地接收在内部叶冠夹紧装置54内。当降低叶片扇段11时，会需要叶片扇段11的某种摆动，以保证其搁置在底板70上而不会悬挂在夹板62或者基板68上。就此而言，叶片扇段11应该仍处于红热状态。叶片扇段11然后通过顺时针旋转虎钳手柄76被固定到基底56上，直到前部导轨12、后部导轨14或者前部导轨和后部导轨二者能被牢固地夹在外部叶冠夹紧装置52的夹板62和基板68之间。

施压装置58然后被操作以向上驱动活塞60，直到活塞86的轮廓表面90与内部叶冠16的下表面92接触，并且然后施压装置58继续运行，向上驱动内部叶冠16，直到内部叶冠凸缘18中的螺栓孔20与销孔94对准。这时，锁定销96被插入到销孔94中，并且推动锁定销穿过螺栓孔20，相对于基底56固定内部叶冠16的位置。叶片扇段11然后被冷却(优选通过风扇协助)达到环境温度，或者使叶片扇段11至少冷却达到可以用手拿起的程度(即冷却达到可触摸的温度)。施压装置58然后被操作以降低活塞体86，并使其远离叶片扇段11的内部叶冠16。叶片扇段11然后通过逆时针旋转虎钳手柄76被从外部叶冠夹紧装置52释放，并且滑动夹板62，使其远离基板68，直到前部导轨12和后部导轨14被松散地安置在夹板62和基板68之间。锁定销96然后被从螺栓孔20和销孔94中撤出，并且放在一边。就此而言，叶片扇段11能用手提起，并且向上滑动，并且完全地脱离外部叶冠夹紧装置52和内部夹紧装置54。正如本领域中的技术人员所容易理解的，这种方式需要在叶片扇段11经受塑性变形时进行，以防止叶片扇段11的破裂，并且优选从将叶片扇段11从火炉中取出的时刻到当锁定销96被插入到销孔94和螺栓孔20时的时段不应超过20秒。

这时，螺栓孔20被检查，以确定螺栓孔的中心22是否相对于原始设备制造商的定位(和移位的限制)发生了移位。如果螺栓孔20的位置移位超过这些限制，螺栓孔20则会被钻出预设的具有更大的直径的孔，并且然后具有比这一更大直径稍小的直径的圆柱形塞被钎焊进入具有更大的直径的孔中。塞优选由与内部叶冠凸缘18采用相同的合金制成，但是也可以由其他合适的合金制成。螺栓孔20然后被穿过钎焊的塞再次钻孔，使得螺栓孔20的直径和其中心22落入初始设备制造商的相应的限制中。如果塞比内部叶冠凸缘18更厚，则塞需要被加工成与用于内部叶冠凸缘18的初始设备制造商的尺寸相匹配。

本发明将结合具体实施例进行描述，所述实施例在各个方面都将是说明性的，而非限制性的。可替代的实施例对于本发明所属的技术领域中技术人员来讲是明显的，但是这并不脱离本发明的范围。本文所提出的替代物和所使用的等价物不脱离如权利要求中所述的本发明的范围。应该明白的是，某些特征和子组合是实用的，并且可以在不参考其他特征和子组合的条件下使用。这是可预期的，并且处于权利要求的范围之内。

如上所述，应该明白的是，本发明的一方面很好地适合实现前文所述的目标和目的，并且还具有其他的明显的和所述结构固有的优点。

应该明白的是，某些特征和子组合是实用的，并且可以在不参考其他特征和分组合的条件下使用。这是在权利要求中所预期的，并且处于权利要求的范围之内。

由于可以不脱离本发明的范围提出很多可能的实施例，因此应该理解的是，前文所述的所有情况或者附图所示的所有情况都应该被视为是说明性的，而不应被视为限制性的。

Claims (13)

1.一种用于恢复叶片扇段的尺寸的方法，所述叶片扇段具有外部叶冠、内部叶冠和在所述外部叶冠和所述内部叶冠之间延伸的多个翼形件，其中，所述内部叶冠由于在燃气涡轮发动机中的操作而相对于所述外部叶冠沿畸变方向偏移，所述方法包括以下步骤：将所述叶片扇段加热到温度范围在1600°F到2050°F之间；将所述叶片扇段的所述外部叶冠刚性地夹到被固定到基底的第一夹紧装置，由此防止所在所述叶片扇段的外部叶冠和所述基底之间移动；驱使所述内部叶冠沿与所述畸变方向相反的方向远离所述基底，直到所述内部叶冠距离所述基底达到预设距离；使得所述叶片扇段冷却；以及从所述第一夹紧装置释放所述叶片扇段的所述外部叶冠。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述叶片扇段加热到温度范围在1600°F到2050°F之间的所述步骤包括将所述叶片扇段加热到温度范围在1925°F到1975°F之间。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述外部叶冠包括从所述外部叶冠延伸的多个导轨，并且所述将所述叶片扇段的所述外部叶冠刚性地夹到被固定到所述基底的第一夹紧装置的所述步骤包括将所述多个导轨中的至少一个导轨夹在所述第一夹紧装置中。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，使得所述叶片扇段冷却的所述步骤包括允许所述叶片扇段冷却到环境温度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述内部叶冠包括从所述内部叶冠延伸的凸缘，所述凸缘包括延伸通过所述凸缘的螺栓孔，并且当所述螺栓孔与被固定到所述基底的第二夹紧装置中的销孔定位成同轴时，达到所述预设距离。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，从所述第一夹紧装置释放所述叶片扇段的所述外部叶冠的所述步骤之后跟随如下步骤：将所述螺栓孔钻出预设的具有更大直径的孔；将圆柱形塞插入到所述具有更大直径的孔中；将所述圆柱形塞铜焊到所述具有更大直径的孔以及穿过所述圆柱形塞钻孔以取代所述螺栓孔。

7.所述权利要求1中的方法，还包括将所述内部叶冠可移除地夹到内部叶冠夹紧装置的一部分。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，将所述内部叶冠可移除地夹到所述内部叶冠夹紧装置是通过将锁定销布置成穿过所述内部叶冠中的螺栓孔、并穿过所述内部叶冠夹紧装置的面板中的销孔实现的。

9.一种用于恢复叶片扇段的尺寸的设备，所述叶片扇段具有外部叶冠、内部叶冠和多个在所述外部叶冠和所述内部叶冠之间延伸的多个翼形件，其中，所述内部叶冠由于在燃气涡轮发动机中的操作而相对于所述外部叶冠沿畸变方向偏移，所述设备包括：基底；外部叶冠夹紧装置，所述外部叶冠夹紧装置固定到所述基底；内部叶冠夹紧装置，所述内部叶冠夹紧装置固定到所述基底；以及施压装置，所述施压装置固定到所述基底，并处于所述内部夹紧装置的下方；其中所述外部叶冠夹紧装置被设计成用于接收和可移除地固定所述叶片扇段的所述外部叶冠，并且所述内部叶冠夹紧装置被设计成用来能滑动地接收所述叶片扇段的所述内部叶冠。

10.根据权利要求9中所述的设备，其中，所述外部叶冠夹紧装置包括夹板、底板、基板和引导销，所述底板被定位成处于所述夹板的紧下方，所述引导销固定到所述基板，其中，所述夹板在所述引导销上朝向所述基板滑动。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述外部叶冠包括从所述外部叶冠延伸的多个导轨，并且所述夹板包括面向所述基板的夹持表面，所述基板包括具有面向所述夹板的基底表面，并且所述夹持表面和所述基底表面都包括与所述多个导轨中的至少一个导轨相符合的轮廓，使得当所述多个导轨中的至少一个导轨被夹持到所述外部夹紧装置时，由所述夹板和所述基板施加到所述至少一个导轨的作用力被分散，以避免所述至少一个导轨发生永久性的畸变。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述内部叶冠夹紧装置包括面板、背板和隔板，所述隔板使得所述面板相对于所述背板隔开，并在所述面板和所述背板之间限定足够宽的间隙，以在所述多个导轨中的至少一个导轨被夹到所述外部叶冠夹紧装置中时，能滑动地接收所述叶片扇段的所述内部叶冠。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述施压装置包括活塞和压块，所述压块被固定到所述活塞的所述上端部，并位于所述间隙的紧下方，并且所述压块的上表面的轮廓被设计成与所述内部叶冠的下表面大致齐平。