CN107109944A - 在转子上实施作业的方法及其相关衬片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在金属涡轮发动机转子比如鼓轮上实施作业的方法，其用于保持转子的可运行状态，包括：对转子的圆周槽(34)的上游和/或下游面(343)进行研磨，所述面上带有凹陷痕迹，所述研磨旨在去除所述痕迹或至少使其模糊，以及，将衬片(43)放置在转子叶片(24)和转子之间的槽内，至少在所述面已经被研磨过的区域内。

Description

在转子上实施作业的方法及其相关衬片

技术领域

本发明涉及一种实施作业的方法，以保持现有飞机涡轮机转子(如低压压缩机转子鼓轮(drum))处于运行状态。

本发明还涉及在这种转子叶片上使用的衬片(foils)，和由叶片和叶片上及叶根周围下方衬片组成的组件。

背景技术

优选涡轮机为一种飞机涡轮发动机。此外，在本申请中，轴向定义为平行于风扇旋转轴线的方向。此外，部件的上游和下游定义为相对于涡轮发动机内气流的正常方向。径向为直立于上述轴向的方向，术语“内部”和“外部”分别指在径向上相对更靠近和远离所述旋转轴线。

另外，此处所述转子：

-围绕中央轴旋转，至少一种气态流体在该转子叶片之间从上游向下游整体平行于所述中央轴流动。

-以及，其外周缘带有至少一个圆周槽，其中，由所述转子使其围绕所述中央轴线转动的所述叶片布置并保持在上游面和下游面之间，在槽边界处直立位置，至少其中一个所述上游面和下游面上带有凹陷痕迹(recessed marks)，与至少其中一个叶片相对。

那么，在所述转子转动时，每个叶片会在其壳体内轴向前后移动，并在其所位于的槽边界处直立位置，反复撞击这些面。叶片对槽对面的这些面的反复撞击对叶片造成损伤并降低转子的使用寿命。如果仅是可能的话，作为裂纹起始部位(只要可能出现)的印痕(上述凹陷痕迹)一般会在槽内被发现。这种现象特别恼人，因为转子(包括鼓轮)都是较为昂贵的部件，而且，这些部件的更换也颇费时间。

事实上，特别是在鼓轮上，维修期间发现的这种不符合要求的部件都会成为报废件，因为它们都已无法修理了。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种相关方案，以避免有关部件被系统地提前更换，因为导致部件更换的磨损一般从部件使用寿命过半后便可被发现。

作为另一种解决方案，已考虑磨蚀(abrasion)(又称“融合(blending)”)配合面(seating face)上的磨损来局部去除材料，但是，这个解决方案要求调整叶片顶部的间隙而且不可能防止这种配合面的磨损。

另一种解决方案是使用衬片，这种衬片是插入在叶根和转子之间的“防摩擦”部件。然而，每个衬片都会继续移动，并在其所位于的槽边界处直立位置反复撞击这些面，包括文献FR2890684中所述，其中，因为叶根在其上所施加的推力，凸耳(lugs)会趋于打开。一旦打开，所述凸耳不再起制动作用，所以，衬片不再保持不动。

本发明的目的是避免这种不适当情况的出现。针对如下偏见，即认为以恢复结合面为目的的修复是不适当的，因为耗时且需要大量工作(分解、重新装配)以及涉及到结构强度减弱，影响可靠性和随后叶片固定，然而，本发明提出：

-由于带有径向颈部的槽用来保持边缘之间的叶片，在距颈部一定距离处，研磨(grinding)带有凹陷痕迹的所述面，消除或至少使这些凹陷痕迹的至少其中一些变得模糊(blur)；

-通过其中一个所述边缘被用来将叶片装入槽内的缺口所隔断，对缺口重新加工，然后通过缺口将叶片同其衬片一起装入；

-以及，然后，将衬片置于叶片和转子之间的槽内，至少在表面已经被研磨的区域内。

于是，磨损程度超过维修标准的槽或隔间(cells)配合面的几何形状将恢复。所提出的修复方案将恢复有关槽的配合面的几何形状。

另外，应该注意的是，实际上，特别是在鼓轮上，如果已经计划放置一个环(或一种抗摩擦条)来抵补加工作业，那么，在配合面上插入或保持这种环也会成为问题。

此外，与本发明者所预期的相反，也已证明最好整体地而不是局部地实施作业。为此，建议：

-带有凹陷痕迹的所述表面应至少在其周缘主要部分上进行研磨，

-以及，应在所有叶片和转子之间的槽内使用衬片。

这将防止无衬片叶片与重新加工槽的混淆，这会增加叶片在其槽内的间隙，然而，不会使得叶片弹出。

此外，以及实际上，如果已经过机械加工，将带有衬片的叶片装在转子/鼓轮内是不可能的。

在对需要去除磨损的间隔配合面进行机械加工后，叶片离心运行时工作材料的体积会减小。然而，如果材料的去除这样进行，即材料截面最小的槽的颈部不减小，那么，就只有限制条件的稍许增加，但这将不会影响转子/鼓轮的使用寿命。已经进行的测算表明并证明增加接触表面则会减小接触压力，增加部件的使用寿命，同时限制磨损。接触表面是叶片配合面相对于衬片和衬片配合面相对于隔间的那些部分。

以及为了确定各种定位作业和所进行工作的整体可靠性，甚至还建议衬片和槽的适配尺寸满足：

-在研磨前，叶片不能够放置在槽内，以及其中一个所述衬片不能够放置在所述叶片和转子之间；

-而在研磨后这种定位和放置是允许的。

同时，建议槽边界处上游面和下游面应该被对称研磨，衬片放置在所有叶片和转子之间的槽内。

为了进行所需的修正，优选采用成形铣刀(form cutter)在小于或等于衬片厚度的深度上，范围在0.1至0.3mm，进行一道或多道加工作业。按推断，至少0.2mm为有利的，这个尺寸高于通常所观察到的磨损尺寸(0.1mm)。重新加工作业可以去除0.3mm的材料。

现在看衬片本身，有利的是，其可采用弹性可变形材料制成，在同一面上包括：

-第一和第二直立侧面分支(side branches)的中心连接部分，这样，所述中心部分可以布置在相应叶根下方，第一和第二侧面分支与所述叶根的上游面和下游面相对；

-第三横向分支，在沿衬片第一边缘局部直立布置，该第一边缘在第一和第二侧面分支之间延伸，以便与所述叶根第三横向面相对，所述第三横向面在该叶根的上游面和下游面之间延伸；

-位于朝向衬片第二边缘的一个和多个突出部或钩部，该第二边缘在第一和第二侧面分支之间延伸，并与第一边缘相对，以便能够：

-所述中心连接部分在叶根下方滑动，实际上，在弹性地强制通过这些突出部之后，基本上一直滑动到第三横向分支抵靠该叶根的所述第三横向面；

-以及，在与所述叶根的与第三横向面相对的第四横向表面相对的突起部或钩部的弹性返回之后，将所述衬片一定程度地保持在该位置上。为此，衬片的设计结合了轴向(侧面分支)，径向(如图所示，超过90°折叠)和横向(横向分支和突出部锁定)，因此，其不会在使用中或在离心时或在安装期间出现脱落。

本发明还涉及一种组件，包括：

-围绕中央轴转动的涡轮机转子，以及转子外周缘带有至少一个圆周槽，槽内布置有由所述转子带动以使其围绕所述中央轴转动的所述叶片，这些叶片被保持在上游面和下游面之间，在槽边界处的直立位置，所述上游面和下游面的至少其中一个被研磨以便使凹陷痕迹模糊，每个叶片带有叶根，叶片通过叶根而保持在槽内，

-以及，具有上述形式的至少一个衬片。

优选地，每个衬片采用薄金属制成，一般为铬镍铁合金(Inconel)，厚度可以为0.3mm，这样，弹性足够适配叶根和槽的形状。

然后，这种衬片的抗磨损性大于钛合金，并可以生产出低厚度部件，其刚性则足够承受叶片/配合面结合处的垫层(matting)应力。另外，这些衬片还可以在其配合面上增加使用润滑清漆，这种清漆提高了叶片和其配合面之间的接触状况，而这种接触则改善了转子/鼓轮的使用寿命。

衬片的第一、第二和第三直立侧面分支都可通过折叠而连接到中心连接部分上。

附图说明

通过阅读以非限定性示例并参照附图给出的如下描述，可以更好地理解本发明，本发明的其它细节、特性和优点会显现出来，附图如下：

-图1示出了已知涡轮发动机的示意图，所示为轴向截面；

-图2也是轴向截面示意图，但仅示出了低压压缩机鼓轮4局部部分；

-图3示出了鼓轮内其中一个槽的下游边界壁局部细节；

-图4为该槽的同一部分，所示为在研磨时叶片和衬片均放置在该槽内；

-以及图5仅示出了衬片。

具体实施方式

在专门介绍本发明之前，因此，根据文献EP2762681的已知现有技术状况，当被损坏并因此而需研磨的转子为低压压缩机鼓轮时，图1和图2示出了本发明的运行环境。

实际上，本发明在规定范围内适用于另一种装有低压压缩机鼓轮叶片的转子；然而，因为其在发动机内的位置、质量、体积，以及因此而涉及的约束条件，这种部件都是特指的。

图1示出了一种双路式涡轮机2。这种涡轮机2沿轴向从上游(AM)到下游(AV)依次包括低压压缩机4、高压压缩机6、燃烧室8和一个或多个涡轮级10。在运行时，经由中央轴传递给转子12的涡轮10的机械动力驱动两个压缩机4和6。转子12围绕其转轴14转动可产生空气流并逐渐压缩空气流到燃烧室入口处。进风风扇16(风扇)耦合到转子12上并产生空气流，该空气流被分成主气流18，该气流在涡轮机上述各级之间循环流动，和副气流20，该气流在涡轮出口与主气流汇合前沿发动机环形通道循环流动(局部示出)。

图2所示低压压缩机4示出了风扇16局部和主气流18和副气流20的分离式喷嘴22(separation nozzle)。转子12包括沿圆周布置的多排转子叶片24和多个静子级，每级都含有一排静子叶片26。静子级与风扇16或一排转子叶片24相关联，从而改变气流方向。转子叶片24从转子12处基本上沿径向延伸。

转子12包括鼓轮28。鼓轮28带有壁30，具有围绕转轴14的旋转型面(profile ofrevolution)，有点类似于大肚子缸(potbellied cylinder)。鼓轮壁30的旋转型面随着主气流内表面截面变化而径向改变。

鼓轮28可以包括条带32，其通常设计成通过研磨与环形耐磨材料层相配合，以提供密封。

此外，鼓轮28此处采用金属制成，围绕中央轴14转动，所述气态流体流在同一排叶片24之间从上游向下游整体平行于所述中央轴流动。

在每一排转子叶片24对面，其外围带有圆周槽，该槽围绕轴线14延伸,根据图2中所示的那排叶片，图中标号为34a、34b或34c。

在每一个圆周槽内，一个系列的转子叶片24被布置在其中并直立保持在上游面(或内壁)和下游面(或内壁)之间(如槽34a的341和343)位于槽边界处的直立状态。

基于此目的，每个叶片24带有根部36，而根部则带有上游面361和下游面363(图4)，分别面向相关槽(图2)的上游面341和下游面343。上游面361和下游面363在图5中分别带有凹槽361a和363a，，壁341和343的各自上游和下游371,373(图2，图4)的圆周边缘在该凹槽内进行接合。

如图4进一步所示，沿其周向，所述边缘，此处为373，在至少一个位置(如39)处被截断，从而使得每个叶根能径向上大体上通过，以便接合到槽(箭头41)中，之后叶片在其槽中的扇区中滑动。在定位后，叶片被窄颈部37径向固定在边缘371,373之间。

如已经说明那样，存在的问题在于，当压缩机工作时，已经定位的叶片24的大体轴向移动(尽管有限)，在这些叶片的至少一些叶片对面，在至少其中一些圆周槽的至少其中一些内壁341和343处会引起凹陷凹陷，如图3所示的壁343上的痕迹38。

为了克服这一缺陷，为此，本发明提出：

-一方面，研磨带有这些凹陷凹陷痕迹38的表面，以便消除或至少使得这些磨损痕迹的至少其中一些变得模糊；

-另一方面，在叶根36和内壁341,343之间，至少在表面已经被研磨的区域内，在槽34内放置衬片。

图4所示这些痕迹38已经消失。假设压力面341,343(也称之为配合面)带有这种痕迹，已经通过环形加工在这些面上进行了研磨。

关于这个问题，甚至有人建议在槽边界处对称研磨这些内壁341,343并进行介入，以便在所有叶片和相关槽的所述壁之间放置衬片43。

鼓轮内的各槽的加工可使用一种成形铣刀来专门进行，这是与压缩机鼓轮28最初制作期间使用的刀具为同一种刀具，一般都是钛基的。

为此，带有凹陷凹陷痕迹的每个面都要在其大部分周缘上研磨，在上述的下端两侧配合面的内侧上，进行至少扇形的且优选大体环形的机械加工作业。

在上述加工完成后，在将组件与有关槽接合之前，在至少所述系列的所有叶片24上，优选使用衬片43，如图4中箭头45所示。

同时，缺口39将预先重新加工以便插入叶片，为的是考虑使用衬片43，衬片将在后面详细介绍。

因此，槽配合面的最佳几何形状将被恢复，而滑动叶片根部和鼓轮的槽的配合面之间的间隙将得以补偿。

已经考虑了另外两个重点：控制槽内应力的增加，以及所装配的鼓轮的重新加工安装和互换。

关于第一点，根据消除磨损痕迹要求，在对所述槽配合面重新修复后，叶片24旋转时的工作材料的体积会减小。然而，按照这样设计，材料的去除则不会减小颈部37，后者是材料的最小截面。实际上，测算说明，约束条件的低增加不会影响鼓轮28的使用寿命。

关于第二点，为了避免无衬片叶片24与重新加工槽34的混淆(这会增加叶片在其槽内的间隙，不会出现叶片弹出)，在鼓轮上使用标记，以便向操作手说明所有鼓轮叶片上必须使用衬片。为此，带有衬片的叶片如果不进行机械加工是不可能装入鼓轮中。

所以，建议在距所述颈部37一定距离处对带有凹陷痕迹的面进行研磨。

另外，还建议调整衬片和槽的相对尺寸，以便：

-在研磨前，带有衬片43的叶根36无法放置在原始槽34中(图3)；

-而在研磨后则可以进行放置(图4)。

图5较之图4更清楚地示出了衬片43，该衬片优选用于叶根(假如本实施作业方法可以应用到其它形式叶根上)。

衬片43是一种片材，采用相对弹性可变形材料制成。不同于复合材料(如，Vespel；注册商标)，所使用的材料将优选为一种Inconel，其比钛具有更大的耐磨性，可以生产出低厚度衬片，刚性足以承受槽内叶片/配合面结合处垫层应力。另外，也可以在衬片的侧配合面47a,47b上增加一道润滑表面清漆，这种清漆提高了叶片和其配合面之间的接触状况，而这种接触可改善鼓轮的使用寿命。润滑表面清漆49可以是二硫化钼，如目前用在风扇叶片上的那种，或是具有类似特性并满足新的所谓“REACH”标准的产品。

衬片43在同一面(径向外表面)上包括：

-连接第一和第二直立直立侧面分支53,55的中心部分51，以便所述中心部分可布置在叶根45的下方，以及第一和第二侧面分支分别与所述根部上游面361和下游面363相对；

-第三横向分支57，其沿衬片的第一边缘59a的部分直立直立设置，所述第一边缘在第一和第二侧面分支53,55之间延伸，以便位于所述叶根第三横向面365对面，所述第三横向面在该叶根上游面和下游面361,363之间延伸；

-以及位于朝向衬片第二(横向)边缘59b的一个和多个(此处为两个)突出部、接缝或钩部61,63，该第二边缘在第一和第二侧面分支53,55之间延伸，与第一边缘59a相对。

为此，这种衬片可以：

-在弹性强制通过突起部61,63之后，中心部分51滑动(箭头45)，使得中心部分51落在叶根36之下，基本上直到第三横向侧面分支57抵靠根部的第三横向面365；

-在与第三面365相对的所述根部的第四横向表面(图4中的隐藏面367)相对的突起或钩61,63的弹性返回之后，将所述衬片保持在该位置。

-以及，将所述衬片置于叶片根部36下方，与其一起置于槽内，为的是有助于使其在槽内保持定位。

第一、第二和第三直立侧面分支53,55,57优选均连接到中心部分51上，通过折叠，以整合强度和挠性，方便制作。

一般来讲，关于上述方案的优点，可列出如下优点：

-回复接触表面：不同于已知的帆布涂层，这种衬片可以恢复接触表面，符合验证要求。为此，通过槽的配合面来均匀配应力；

-叶片顶部间隙不变：恢复鼓轮/叶片(叶轮)部件的几何形状可以优化叶片顶部间隙，该间隙会影响发动机性能和叶片的机械性能；

-磨损深度的显著覆盖：一般观察到的磨损痕迹深度不超过0.1mm。上述修复覆盖了0.2mm以内，甚至0.3mm的所有磨损痕迹；

-降低磨损率：与附加清漆一起使用的材料可以降低鼓轮配合面的磨损率；

-平衡：如果机械加工对称以及所有叶片均装有衬片，则不会出现不平衡现象；

-方便更换：如果衬片上出现磨损，衬片的拆除和更换非常方便；

-所谓的“墨菲(Murphy)”安全(墨菲定律)：逐级以及在各级之间提供，每个衬片的设计都避免沿设计位置相反方向安装。

-成本方面：新鼓轮价格很高，不包括修理工作所需时间和发动机停机时间引起的损失。由于衬片是一种标准件，机械加工为联合修理作业，与鼓轮整体更换相比，修理成本非常低。

Claims (9)

1.一种用于保持涡轮机转子(28)处于运行状态的实施作业的方法：

-围绕中央轴(14)旋转，至少一种气态流体流在叶片(24)之间从上游向下游大致平行于所述中央轴流动，

-以及在其外周缘上带有至少一个圆周槽(34)，其中，所述叶片被转子带动围绕所述中央轴线转动，所述叶片被布置并保持在上游面和下游面(341,343)之间的槽边界处处于直立位置，至少其中一个所述的与至少其中一个叶片相对的上游面和下游面上带有凹陷痕迹(38)，

其特征在于：

-由于所述槽具有将叶片保持限制在边缘(371,373)之间的径向颈部(37)，在距颈部一定距离处，研磨带有凹陷痕迹(38)的所述面(341,343)，以便消除或至少使得至少其中一些凹陷痕迹变得模糊；

-由于其中一个所述边缘(373)被缺口(39)所截断用于将叶片装入槽内，所述被叶片穿过然后被叶片与其衬片(43)一起装入的缺口被重新加工，

-以及衬片(43)放置在槽(34)内，位于叶片和转子(28)之间，至少在表面已经被研磨的区域内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

-所述面(341,343)在其周缘带有凹陷痕迹的至少主要部分上被研磨，

-以及衬片(43)放置在槽内，位于所有叶片(24)和转子之间。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中：带有凹陷痕迹(38)并被研磨的所述面(341,343)属于低压压缩机鼓轮(28)。

4.根据前述其中一项权利要求所述的方法，其中：衬片(43)和槽(34)的尺寸适于：

-在研磨前，叶片(24)不能够被放置在槽内，其中一个所述衬片不能够被放置在所述叶片和转子之间，

-而在研磨后这种定位和放置是可以的。

5.根据前述其中一项权利要求所述的方法，其中：槽边界处的上游面和下游面(341,343)被对称研磨，衬片放置在槽内，位于所有叶片和转子之间。

6.根据前面其中一项权利要求所述的方法，其中：研磨的实施深度范围为0.1mm至0.3mm之间，小于或等于衬片(43)的厚度。

7.一种弹性可变形材料制成的衬片，特别是用来实施根据前述其中一项权利要求所述的方法，其中，每个叶片(24)带有根部(36)，叶片穿过该根部保持在槽(34)内，所述衬片(43)在同一面上包括：

-连接第一和第二直立侧面分支(53,55)的中心部分(51)，以便所述中心部分可布置在叶根的下方，所述第一和第二侧面分支与所述根部上游面(361)和下游面(363)相对；

-第三横向分支(57)，沿衬片第一边缘局部直立布置，该第一边缘在第一和第二侧面分支(53,55)之间延伸，以便位于所述叶根第三横向面(365)的对面，所述第三横向面在该叶根的上游面和下游面之间延伸，

-以及位于朝向衬片第二边缘的一个和多个突出部或钩部(61,63)，该第二边缘在第一和第二侧面分支(53,55)之间延伸，并与第一边缘相对，以便能够：

-所述中心连接部分在叶片根部之下的滑动，在弹性地强制地通过所述突出部之后，基本上直到所述第三侧面分支抵靠所述根部的所述第三横向面，

-在突出部或钩部(61,63)弹性返回之后所述衬片一定程度地保持在这个位置，这个位置在所述叶根的第四横向面(367)的对面，而第四横向面则与第三横向面相对。

8.根据权利要求7所述的衬片，其中：第一、第二和第三直立侧面分支(53,55,57)各自通过折叠而连接到中心连接部分上。

9.一种组件，包括：

-涡轮发动机的转子(28)：

-围绕中央轴线(14)转动，

-以及其外周缘带有至少一个圆周槽(34)，槽内布置有所述转子叶片，这些叶片被保持在上游面和下游面(341,343)之间，在槽边界处直立位置，所述槽带有径向颈部，用来将叶片保持在边缘(371,373)之间，其中一个边缘(373)被缺口(39)截断用来将叶片插入槽内，所述上游面和下游面的至少其中一个被研磨以便使凹陷痕迹(38)变得模糊，每个叶片(24)带有叶根(36)，叶片通过叶根而保持在槽(34)内，

-根据权利要求7或8所述的衬片，

-以及一个所述叶片，叶片的衬片(43)从下方包围所述叶根(36)。