CN107138847A - 翼型件末端经由摩擦焊接的原位末端修复 - Google Patents

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Abstract

提供用于在燃气涡轮发动机(10)的叶片(68)的末端(69)上积聚材料的方法。该方法可包括将材料供应源(102)和可充气囊(100)插入在末端(69)与护罩(76)之间，使得材料供应源(102)暴露于末端(69)，并且可充气囊(100)定位在材料供应源(102)与护罩(76)之间，将可充气囊(100)充气成强迫材料供应源(102)与末端(69)之间的接触，以及引起材料供应源(100)与末端(69)之间的相对移动。与材料供应源(102)和末端(69)之间的径向偏压接触组合的相对移动通过摩擦产生热。就此而言，相对移动可将新材料从材料供应源(102)摩擦地焊接到叶片(68)的末端(69)上。例如，产生的热可足以熔化材料供应源(102)的表面，以将材料从材料供应源(102)转移至末端(69)。

Description

翼型件末端经由摩擦焊接的原位末端修复
技术领域
本主题大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及用于执行燃气涡轮发动机的内部构件的原位修复的系统和方法。
背景技术
燃气涡轮发动机典型地包括涡轮机芯部，其具有成串流关系的高压压缩机、燃烧器以及高压涡轮。芯部能够以已知的方式操作，以生成初始气流。高压压缩机包括静止导叶的环形阵列(“排”)，其将进入发动机的空气引导到下游，使压缩机的叶片旋转。共同地，一排压缩机导叶和一排压缩机叶片构成压缩机的“级”。类似地，高压涡轮包括环形的成排静止喷嘴导叶，其将离开燃烧器的气体引导到下游，使涡轮的叶片旋转。共同地，一排喷嘴导叶和一排涡轮叶片构成涡轮的“级”。典型地，压缩机和涡轮两者包括多个连续级。
燃气涡轮发动机(特别是飞行器发动机)需要高度的定期维护。例如，定期维护经常调度成允许发动机的内部构件针对缺陷检查并且随后修复。令人遗憾地，用于飞行器发动机的许多常规修复方法需要发动机从飞行器的本体除去，并且随后部分地或完全地拆卸。就此而言，这些修复方法导致与修复内部发动机构件相关联的时间和成本两者的显著增加。
因此，用于执行燃气涡轮发动机的内部构件的原位修复的系统和方法将在技术内受欢迎。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述为明显的，或者可通过本发明的实践学习。
方法大体上提供用于在燃气涡轮发动机的叶片的末端上积聚材料。在一个实施例中，该方法可包括将材料供应源和可充气囊插入在末端与护罩之间，使得材料供应源暴露于末端，并且可充气囊定位在材料供应源与护罩之间，将可充气囊充气成强迫材料供应源与末端之间的接触，以及引起材料供应源与末端之间的相对移动。与材料供应源和末端之间的径向偏压接触组合的相对移动通过摩擦产生热。就此而言，相对移动可将新材料从材料供应源摩擦地焊接到叶片的末端上。例如，产生的热可足以熔化材料供应源的表面，以将材料从材料供应源转移至末端。
技术方案1. 一种在燃气涡轮发动机的叶片的末端上积聚材料的方法，所述方法包括：
将材料供应源和可充气囊插入在所述末端与护罩之间，使得所述材料供应源暴露于所述末端，并且所述可充气囊定位在所述材料供应源与护罩之间；
将所述可充气囊充气成强迫所述材料供应源与所述末端之间的接触；以及
引起所述材料供应源与所述末端之间的相对移动，其中与所述材料供应源和所述末端之间的径向偏压接触组合的所述相对移动通过摩擦产生热。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述相对移动将新材料从所述材料供应源摩擦地焊接到所述叶片的所述末端上。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，产生的所述热足以熔化所述材料供应源的表面，以将材料从所述材料供应源转移至所述末端。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述相对移动通过使所述发动机旋转成使得所述叶片的所述末端绕着所述发动机的轴线旋转而引起。
技术方案5. 根据技术方案4所述的方法，其特征在于，所述材料供应源沿着所述护罩的至少一个节段定位，并且其中所述叶片附接于具有从其延伸的多个叶片的旋转盘。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其特征在于，使所述发动机旋转引起所述盘的旋转，使得所述盘上的各个叶片的所述末端接触所述材料供应源。
技术方案7. 根据技术方案6所述的方法，其特征在于，使所述发动机旋转由使所述燃气涡轮发动机的轴转动的外部马达完成。
技术方案8. 根据技术方案4所述的方法，其特征在于，多个材料供应源沿着所述护罩的相应节段定位，并且其中所述叶片附接于具有从其延伸的多个叶片的旋转盘。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，将所述囊充气成强迫所述材料供应源与所述末端之间的接触包括：
将流体供应到所述囊中。
技术方案10. 根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述流体作为气体供应。
技术方案11. 根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述流体作为液体供应。
技术方案12. 根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述流体作为泡沫供应。
技术方案13. 根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
供应在所述囊内的囊压力下的所述流体，以产生所述材料供应源与所述叶片的所述末端之间的接触。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
监测所述囊压力，以控制通过所述材料供应源与所述末端之间的所述相对移动产生的所述热。
技术方案15. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述材料供应源为定位在所述护罩与末端之间的材料环，其中所述可充气囊定位在所述材料环与所述护罩之间。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述相对移动通过使所述材料供应源沿轴向来回移动而引起。
技术方案17. 一种在燃气涡轮发动机的叶片的末端上积聚材料的方法，所述方法包括：
将环插入在所述末端与护罩之间，其中所述环包括材料；
将可充气囊插入在所述环与所述护罩之间，使得所述环暴露于所述末端，并且所述可充气囊定位在所述环与所述护罩之间；
将所述囊充气成强迫所述环与所述末端之间的接触；以及
引起所述环与所述末端之间的相对移动，其中与所述环和所述末端之间的径向偏压接触组合的所述相对移动通过摩擦产生热。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，将所述囊充气成强迫所述材料供应源与所述末端之间的接触包括：
将流体供应到所述囊中。
技术方案19. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，所述相对移动通过使所述发动机旋转成使得所述叶片的所述末端绕着所述发动机的轴线旋转而引起。
技术方案20. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，所述相对移动通过使所述材料供应源沿轴向来回移动而引起。
本发明的这些及其它的特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入在本说明书中并且构成本说明书的部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同描述用于阐释本发明的原理。
附图说明
包括针对本领域技术人员的其最佳模式的本发明的完整且开放的公开在参照附图的说明书中阐述，在该附图中：
图1示出根据本主题的方面的可在飞行器内利用的燃气涡轮发动机的一个实施例的截面视图；
图2示出适合于在图1中示出的燃气涡轮发动机内使用的涡轮的一个实施例的局部截面视图，特别地示出了用于提供至涡轮的内部通路的限定在发动机中的进入端口；
图3示出适合于在图1中示出的燃气涡轮发动机内使用的压缩机的一个实施例的局部截面视图，特别地示出了用于提供至压缩机的内部通路的限定在发动机中的进入端口；
图4示出使用充气囊(用于在图1中示出的燃气涡轮发动机内使用)与叶片末端强制接触的示例性材料供应源的透视图；以及
图5示出用于在图1中示出的燃气涡轮发动机内使用的示例性充气囊。
附图标记在本说明书和附图中的重复使用旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
部件列表
10 燃气涡轮发动机
12 中心线轴线
14 芯部燃气涡轮发动机
16 风扇区段
18 外壳
20 环形入口
22 增压压缩机
24 轴流式压缩机
26 燃烧器
28 高压涡轮
30 高压驱动轴
32 低压涡轮
34 低压驱动轴
36 排气喷嘴
37 减速装置
38 转子组件
40 风扇壳
42 出口导叶
44 风扇转子叶片
46 下游区段
48 空气流导管
50 气流
52 气流
54 气流
56 气流
58 气流
60 燃烧产物
62 进入端口
66 涡轮喷嘴
68 旋转涡轮叶片
69 末端
70 喷嘴导叶
72 弓形外带
74 弓形内带
76 涡轮护罩
78 喷嘴导叶
80 压缩机导叶
82 压缩机叶片
100 第一囊
101 囊本体
102 材料供应源
103 表面
104 流体源
106 供应管
108 入口。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。各个实例经由阐释本发明提供，而不限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本发明中作出各种改型和变型，而不脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明覆盖归入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。
如本文中使用的，用语"第一"、"第二"和"第三"可以可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，并且不旨在表示独立构件的位置或重要性。
用语"上游"和"下游"是指相对于流体通道中的流体流的相对方向。例如，"上游"是指流体流自的方向，而"下游"是指流体流至的方向。
大体上，系统和方法提供用于执行燃气涡轮发动机的内部构件的原位修复。在一个实施例中，固体材料的材料供应源可定位成抵靠构件的表面并且与其接触，并且接着加热成将材料从材料供应源转移至构件的表面。材料供应源可呈线、片、块或另一固体材料的形式。在某些实施例中，构件的表面可通过材料供应源与构件之间的摩擦移动加热。在其它实施例中，热能可供应至材料供应源与构件之间的界面，如通过加热器、激光器等。
如陈述的，材料供应源可压制抵靠构件的表面，使得其间的相对移动产生热(通过摩擦)。在若干实施例中，可充气囊可用于使材料供应源压制抵靠构件的表面。作为备选或此外，修复工具可插入穿过燃气涡轮发动机的进入端口，以将材料供应源暂时地附接于构件的表面，允许其间的压制接触。此外，修复工具可朝界面供应能量源(例如，用以加热成熔合新材料的激光器)。例如，如果新材料作为固体供应，则激光器可加热和焊接裂纹内的材料，以修复缺陷。
应当认识到的是，公开的系统和方法可大体上用于执行内部构件的原位修复，该内部构件位于任何适合类型的发动机(包括基于飞行器的涡轮发动机和陆基涡轮发动机)内，而不管发动机的当前组装状态(例如，完全或部分地组装)。此外，关于飞行器发动机，应当认识到的是，本主题可在翼或离翼实施。
现在参照附图，图1示出根据本主题的方面的可在飞行器内利用的燃气涡轮发动机10的一个实施例的截面视图，其中发动机10示为具有为了参考目的而延伸穿过其的纵向或轴向中心线轴线12。大体上，发动机10可包括芯部燃气涡轮发动机(大体上由附图标记14指示)和定位在其上游的风扇区段16。芯部发动机14可大体上包括大致管状的外壳18，其限定环形入口20。此外，外壳18还可包封和支承增压压缩机22，其用于使进入芯部发动机14的空气的压力增大至第一压力水平。高压、多级、轴流式的压缩机24可接着接收来自增压压缩机22的加压空气，并且进一步增大此类空气的压力。离开高压压缩机24的加压空气可接着流动至燃烧器26，在燃烧器26内，燃料喷射到加压空气流中，其中所得的混合物在燃烧器26内燃烧。高能燃烧产物沿着发动机10的热气体路径从燃烧器26引导至第一(高压)涡轮28，用于经由第一(高压)驱动轴30驱动高压压缩机24，并且接着引导至第二(低压)涡轮32，用于经由与第一驱动轴30大体上同轴的第二(低压)驱动轴34驱动增压压缩机22和风扇区段16。在驱动涡轮28和32中的各个之后，燃烧产物可经由排气喷嘴36从芯部发动机14排出，以提供推进喷气推力。
此外，如图1中示出的，发动机10的风扇区段16可大体上包括可旋转的轴流式风扇转子组件38，其构造成由环形风扇壳40包绕。本领域技术人员应当认识到的是，风扇壳40可构造成由多个大致径向延伸的周向间隔的出口导叶42关于芯部发动机14支承。就此而言，风扇壳40可包封风扇转子组件38以及其对应的风扇转子叶片44。此外，风扇壳40的下游区段46可在芯部发动机14的外部分之上延伸，以便限定提供附加的推进喷气推力的第二或旁通气流导管48。
应当认识到的是，在若干实施例中，第二(低压)驱动轴34可直接地联接于风扇转子组件38，以提供直接驱动构造。作为备选，第二驱动轴34可经由减速装置37(例如，减速齿轮或齿轮箱)联接于风扇转子组件38，以提供间接驱动或齿轮驱动构造。此类(多个)减速装置还可按需要或要求设置在发动机10内的任何其它适合的轴和/或转轴之间。
在发动机10的操作期间，应当认识到的是，初始空气流(由箭头50指示)可通过风扇壳40的相关联入口52进入发动机10。空气流50接着穿过风扇叶片44，并且分成移动穿过导管48的第一压缩空气流(由箭头54指示)以及进入增压压缩机22的第二压缩空气流(由箭头56指示)。第二压缩空气流56的压力接着增大，并且进入高压压缩机24(如由箭头58指示的)。在与燃料混合并且在燃烧器26内燃烧之后，燃烧产物60离开燃烧器26并且流动穿过第一涡轮28。此后，燃烧产物60流动穿过第二涡轮32，并且离开排气喷嘴36，以提供用于发动机10的推力。
燃气涡轮发动机10还可包括多个进入端口，该多个进入端口限定穿过其壳和/或框架，用于提供至芯部发动机14的内部的通路。例如，如图1中示出的，发动机10可包括多个进入端口62(仅示出其中六个)，其限定穿过外壳18，用于提供至压缩机22,24中的一个或两者的内部通路，和/或用于提供至涡轮28,32中的一个或两者的内部通路。在若干实施例中，进入端口62可沿着芯部发动机14轴向地间隔开。例如，进入端口62可沿着各个压缩机22,24和/或各个涡轮28,32轴向地间隔开，使得至少一个进入端口62位于各个压缩机级和/或各个涡轮级处，用于提供至位于此类(多个)级处的内部构件的通路。此外，进入端口62还可围绕芯部发动机14周向地间隔开。例如，多个进入端口62可围绕各个压缩机级和/或涡轮级周向地间隔开。
应当认识到的是，尽管进入端口62大体上在本文中关于提供至压缩机22,24中的一个或两者的内部通路和/或提供至涡轮28,32中的一个或两者的内部通路来描述，但燃气涡轮发动机10可包括进入端口62，其提供至发动机10的任何适合的内部位置的通路，如通过包括在燃烧器26和/或发动机10的任何其它适合的构件内提供通路的进入端口62。
现在参照图2，根据本主题的实施例示出以上参照图1描述的第一(或高压)涡轮28的局部截面视图。如示出的，第一涡轮28可包括第一级涡轮喷嘴66，和旋转涡轮叶片68(示出其中一个)的环形阵列，其紧接地位于喷嘴66下游。喷嘴66可大体上由环形流动通道限定，该环形流动通道包括多个径向延伸的、圆形间隔的喷嘴导叶70(示出其中一个)。导叶70可支承在大量弓形外带72与弓形内带74之间。此外，周向间隔的涡轮叶片68可大体上构造成从转子盘(未示出)沿径向向外延伸，该转子盘绕着发动机10的中心线轴线12(图1)旋转。此外，涡轮护罩76可定位成紧接地邻近于涡轮叶片68的径向外末端，以便限定用于燃烧产物60的外径向流动路径边界，燃烧产物60沿着发动机10的热气体路径流动穿过涡轮28。
如以上指示的，涡轮28可大体上包括任何数量的涡轮级，其中各个级包括喷嘴导叶的环形阵列和跟随的涡轮叶片68。例如，如图2中示出的，涡轮28的第二级的喷嘴导叶78的环形阵列可紧接地位于涡轮28的第一级的涡轮叶片68下游。
此外，如图2中示出的，多个进入端口62可限定穿过涡轮壳和/或框架，其中各个进入端口62构造成提供在不同的轴向位置处至涡轮28的内部的通路。具体而言，如以上指示的，进入端口62可在若干实施例中沿轴向间隔开，使得各个进入端口62与至涡轮28的不同级的内部通路对准，或者以其它方式提供该内部通路。例如，如图2中示出的，第一进入端口62A可限定穿过涡轮壳/框架，以提供至涡轮28的第一级的通路，而第二进入端口62B可限定穿过涡轮壳/框架，以提供至涡轮28的第二级的通路。
应当认识到的是，相似的进入端口62也可提供用于涡轮28的任何其它级，和/或用于第二(或低压)涡轮32的任何涡轮级。还应当认识到的是，除了图2中示出的轴向间隔的进入端口62之外，进入端口62还可设在不同的周向间隔位置处。例如，在一个实施例中，多个周向间隔的进入端口可在围绕涡轮级的多个周向位置处在各个涡轮级处限定穿过涡轮壳/框架，以提供至涡轮28的内部通路。
可充气囊100和材料供应源102插入和定位在叶片68的末端69与护罩76的弓形外带72的内表面73之间，如图2,3和4中示出的。具体而言，可充气囊100和材料供应源102定位成使得材料供应源102暴露于末端69，并且可充气囊100定位在材料供应源102与护罩76的弓形外带72之间。例如，第一囊100可通过将处于非充气状态的第一囊100插入穿过进入端口62中一个来安装。
在关于可充气囊100的图5的实施例中，供应管106集成至囊本体101，以便使囊本体101在第一端110与第二端112之间充气。在充气之后，囊本体102在第一端110与第二端112之间沿其相应的周向方向以及其相应的纵向方向膨胀。在示出的实施例中，入口104定位在囊本体102的第一端110处。在该实施例中，第二端112可按需要插入在发动机内，其中囊本体102被拖动。例如，第二端112可附接于光纤线缆传送系统(未示出)，并且按需要定位在发动机内。然而，在其它实施例中，入口104可定位在囊本体102上的另一位置。
因此，充气囊本体102填充发动机内的局部空间，其定位在该局部空间内。例如，充气囊本体102可在发动机内的相邻构件(例如，护罩的弓形外带72和旋转叶片68的环形阵列)之间延伸。
在一个实施例中，可充气囊100的材料可为流体不可渗透的(例如，液体不可渗透的材料和/或气体不可渗透的)。在另一实施例中，气囊100的材料可对充气流体而言为有些不可渗透的，以便允许流体穿过囊的缓慢经过(例如，以比充气流体的供应速率慢的流动穿过速率)。气囊100可由可变形材料构成，如塑料材料(例如，塑料膜、塑料纤维网等)、橡胶材料、纸材料(例如，饱和纸材料)，或另一材料。
可充气囊100可使用充气流体(如液体、泡沫、气体)充气。充气囊可通过供应管106和入口108(限定在囊本体101中)从流体源104(图2)填充，如图5中更具体地示出的。在特定实施例中，可充气囊可使用充气流体(如液体、泡沫、气体)充气。例如，在一个实施例中，充气流体可包括水、惰性气体、清洁流体等。
一旦充气，则可充气囊100可强迫材料供应源102与末端69和叶片68之间的接触。如图2的特定实施例中示出的，气囊100插入在第一进入端口62A中，而材料供应源102插入在第二进入端口62B中。然而，在其它实施例中，囊100和材料供应源102可插入穿过相同的进入端口62。
一旦强制接触，相对移动可在材料供应源102与末端69之间引起，使得与材料供应源102和末端69之间的径向偏压接触组合的相对移动通过摩擦产生热。该热足以熔化材料供应源102的表面103，以将材料从材料供应源102转移至末端69。例如，热可将新材料从材料供应源102软化、转移和焊接到叶片68的末端69上。
在一个实施例中，相对移动通过使发动机旋转成使得叶片68的末端69绕着发动机10的轴线旋转(例如，附接于旋转的盘)而引起。例如，相对移动可由附接于发动机10的起动马达或外部马达(未示出)引起。移动可为叶片绕着轴线的旋转移动(例如，顺时针或逆时针)。作为备选，移动可为叶片绕着轴线顺时针移动相对短的距离(例如，小于30°)，接着逆时针移动相对短的距离(例如，小于30°)的交替移动。
在一个实施例中，材料供应源沿着护罩的至少一个节段定位，并且发动机旋转引起盘的旋转，使得盘上的各个叶片的末端接触材料供应源。例如，材料供应源可绕着护罩的弓形外带72的圆周的一部分，或绕着护罩的整个弓形外带72(例如，形成环)定位。
囊100内的压力(即，囊压力)可被监测(如在流体源104或供应管106处)，以便控制材料供应源与叶片末端之间的压力，这继而控制在其间生成的摩擦热的量。
在备选的实施例中，移动可通过将材料供应源沿轴向来回移动而产生。
尽管关于涡轮区段示出，但本公开还可关于高压压缩机24(以上参照图1描述)利用。例如，应当认识到的是，相似的进入端口62也可提供用于压缩机24的其它级中的任一个和/或用于低压压缩机22的级中的任一个。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种在燃气涡轮发动机(10)的叶片(68)的末端(69)上积聚材料的方法，所述方法包括：
将材料供应源(102)和可充气囊(100)插入在所述末端(69)与护罩(76)之间，使得所述材料供应源(102)暴露于所述末端(69)，并且所述可充气囊(100)定位在所述材料供应源(102)与护罩(76)之间；
将所述可充气囊(100)充气成强迫所述材料供应源(102)与所述末端(69)之间的接触；以及
引起所述材料供应源(102)与所述末端(69)之间的相对移动，其中与所述材料供应源(102)和所述末端(69)之间的径向偏压接触组合的所述相对移动通过摩擦产生热。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相对移动将新材料从所述材料供应源(102)摩擦地焊接到所述叶片(68)的所述末端(69)上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，产生的所述热足以熔化所述材料供应源(102)的表面(103)，以将材料从所述材料供应源(102)转移至所述末端(69)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相对移动通过使所述发动机(10)旋转成使得所述叶片(68)的所述末端(69)绕着所述发动机(10)的轴线旋转而引起。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述材料供应源(102)沿着所述护罩(76)的至少一个节段定位，并且其中所述叶片(68)附接于具有从其延伸的多个叶片的旋转盘。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使所述发动机(10)旋转由使所述燃气涡轮发动机(10)的轴转动的外部马达完成。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，多个材料供应源(102)沿着所述护罩(76)的相应节段定位，并且其中所述叶片(68)附接于具有从其延伸的多个叶片的旋转盘。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述囊充气成强迫所述材料供应源与所述末端之间的接触包括：
将流体供应到所述囊中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述流体作为气体供应。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述流体作为液体供应。
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