CN108698117A - 一种形成涡轮叶片的除尘孔的方法及相关的陶瓷芯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使用失蜡铸造技术生产涡轮机的中空的涡轮叶片的陶瓷芯(10)，所述叶片包括从至少一个腔(22)的顶点延伸并通向叶片的通道的经校准的除尘孔；每个所述经校准的除尘孔都在足以确保机械强度的预定高度的芯的一部分中形成，该芯的所述部分包括一个其轴线垂直于经校准的除尘孔的纵向轴线的通孔，在通孔的两侧限定一个具有与将要形成的除尘孔对应的确定的直径的芯圆柱体，以及限定一个在铸造后用于重新填充的剩余的芯体积，使得在不钻孔且不使用连接杆的情况下获得该经校准的除尘孔。

Description

一种形成涡轮叶片的除尘孔的方法及相关的陶瓷芯

技术领域

本发明涉及涡轮发动机涡轮的叶片组的通常领域，更具体地涉及具有由失蜡铸造技术制成的结合在其中的冷却回路的涡轮叶片。

背景技术

以已知的方式，涡轮发动机包括燃烧室，在所述燃烧室中空气和燃料在燃烧之前混合在一起。由这种燃烧所产生的气体从燃烧室向下游流动，然后供给高压涡轮和低压涡轮。每个涡轮包括与一行或多行移动叶片(称为转子轮)交替的一行或多行固定桨叶(称为喷嘴)，这些叶片围绕涡轮的转子圆周地间隔开。这些涡轮叶片和桨叶经受燃烧气体的非常高温度，该温度达到远高于与这种气体直接接触的这些叶片或桨叶不受损坏地承受的值，这意味着需要通过集成冷却电路连续地冷却它们，每当需要不明显地增加空气流量并且不损害发动机性能地提供有效且精确的冷却时，所述集成冷却电路包括多个腔。以这种方式形成的中空叶片由所谓的“失蜡”铸造方法制造，所述“失蜡”铸造方法包括使用与精加工叶片的内侧表面匹配的外表面的模型部分或芯，如以申请人的名义提交的申请FR 2 961 552所述。

发动机运行所需的空气通常包含可在涡轮叶片的冷却回路中积聚的多种灰尘(特别地细沙)，所述灰尘从而导致在腔出口处的排出孔封闭，并且因此威胁叶片的完整性。为了减轻这一问题，涡轮叶片装配在其腔的顶部，通过精确的加工或通过由氧化铝或石英制成的连接杆获得了校准除尘孔，所述连接杆插入在陶瓷芯中，并通过被剔除(即，被溶解)，用于产生这些孔以保证这些颗粒被排出。

然而，使用这种连接杆产生带来一些问题。首先，氧化铝杆用碱性溶液(或在陶瓷芯的标准剔除条件下)很难消除，需要更长的反应时间，非常高浓度的氢氧化钠或氢氧化钾，以及对于合金来说可能腐蚀性(应力下腐蚀)的非常高温度和压力。同样，石英杆具有低机械强度，这不利于其在失蜡铸造方法中的使用，在所述方法中芯受到多种机械应力，由于它具有不同的热膨胀系数(CTE)并且通常也具有不同的成分。此外，杆的使用不适用于制造芯的所有方法。例如，对于通过增材制造制备的芯或通过加工陶瓷块获得的芯，这些杆在制造过程中不能嵌入在芯中(与通过喷射成型方法的制造不同)。最后，杆的使用不适用于芯的所有几何形状，特别是涉及该杆必须紧密地配合到的形状薄板的那些。

同样，由于多个陶瓷芯通常经由芯的部分和末端(非功能芯部分)组装在一起，当加工外部气密封或“浴槽”时，需要消除由铸造引起的多余材料(将芯组装在一起的结果)，从而有必要求助于用于堆焊(封堵)或钎焊板的多种技术。不幸地，这些钎焊板不牢固(它们可能会脱落，并且因此可能有必要在局部对它们增厚)，并且堆焊往往不准确(封堵深度不确定)。在这些情况下，发现钻进对形成除尘孔的连杆钻孔特别地困难，因为这些校准的钻孔发生在先前已封堵的并且因此具有更小直径的位置，然而同时仍符合排出碎片的规定最小直径。申请US2010/303625示出了通过放电加工(EDM)对陶瓷杆的这种钻孔。

发明目的和内容

因此，通过提出一种该芯的几何布置，本发明寻求减轻上述缺点，使得以与目前相比更可靠的方式获得除尘孔很简单，并且特别是不使芯不太牢固。另一目的是在对浴槽钻孔的现有技术中消除最终操作以获得这些孔。

为此，提供了一种用于通过使用失蜡铸造技术制造涡轮发动机的中空涡轮叶片的陶瓷芯，所述叶片包括来源于至少一个腔的顶部并且向外通向所述叶片的浴槽的校准除尘孔；所述芯的特征在于，每个所述校准除尘孔在一个高度被确定足以保证机械强度的芯部分中形成，所述芯部分包括一个轴线垂直于所述校准除尘孔的纵轴线的通孔，并且在所述通孔的两侧上首先限定一个具有与要形成的除尘孔相对应的确定直径的第一芯圆柱体，其次限定一个在铸造后要封堵的剩余芯体积，使得没有钻孔且不使用连接杆地获得所述校准除尘孔。

因此，可以通过喷射、增材制造或加工陶瓷芯，直接地从铸造获得这些除尘孔，而没有钻孔且不使用连接杆。消除了差热膨胀的任何潜在源，提高了芯的机械强度，并且因此相应地保持了叶片的机械性能。该芯还用于消除需要考虑限制不确定性并且可对多腔电路板的几何形状产生有害影响机械加工的现有技术操作。

根据预期的实施例，所述芯部分可形成侧柱的一部分，所述侧柱用于形成所述叶片的侧腔或在所述至少一个腔和所述浴槽之间的腔间连接区域。

优选地，在与要形成的所述浴槽相对应的芯部分上，提供了一种使所述通孔能够在所述连接区域中居中的回退区域，从而在铸造过程中保证所述芯部分的更好强度。

有利地，当叶片的尺寸使这成为必要时，所述剩余芯体积包括至少一个横向加强件(或使其具有四裂片形状的两个加强件)，该横向加强件具有适合于在铸造过程中保证所述芯部分的更好强度的尺寸。

本发明还提供了一种通过如上所解释的陶瓷芯在使用失蜡铸造技术制造的涡轮发动机的中空涡轮叶片中形成校准除尘孔的方法，以及包括使用这种方法制造的多个冷却叶片的任何涡轮发动机涡轮。

附图说明

本发明的其他特征和优点从参考附图进行的以下描述变得显而易见，这些附图示出了不具有限制特征的实施方式，其中：

·图1是本发明的涡轮叶片芯的局部视图；

·图2是示出了侧板的图1芯的一部分的视图；

·图2A和2B是一旦已经移除了图2的芯部分后，分别在铸造后和加工后的视图；

·图3是示出与浴槽的连接的图1芯的一部分的视图；以及

·图3A和3B是一旦已经移除了图3的芯部分后，分别在铸造后和加工后的视图。

具体实施方式

图1示出了一种用于制造涡轮发动机的中空涡轮叶片的陶瓷芯的末端组件。在所示的示例中，陶瓷芯10包括七个部分或柱。位于燃烧气体所到达的侧面上的第一柱12对应于在铸造后要产生的前缘腔，而第二柱14对应于与该前缘腔相邻的中心腔。该腔经由一个通道接收冷却空气流，所述通道在铸造后由芯的第一柱根部的存在而产生。三个其他柱16、18和20对应于通过来自芯的第二柱根部的另一通道接收第二冷却空气流的相邻腔。最后，该芯还具有第六和第七柱22和24，它们构成侧柱并对应于在铸造后形成的侧腔，分别与第二和第三柱14和16间隔一个当铸造熔融金属时用于形成固体腔间壁所需的确定间距。

第一和第二柱12和14通过一系列桥26彼此连接，所述桥26在铸造后对应于用于冷却前缘腔的进气孔。对于第四柱18，通过形成芯的变薄区域垂直地倾斜的其他桥28用于形成叶片的加强区域。各桥的尺寸被确定，以确保在处理芯10的同时它们不会断裂，因为这会使芯不可用。在所考虑的示例中，桥被分布为在芯的高度之上基本规则地间隔开，特别是靠近芯的第一柱。

根据本发明，通过作为铸造的直接结果的一部分芯的几何布置获得了用于移除可能积聚在冷却回路中的任何灰尘(特别是细沙)所需的涡轮叶片除尘孔，而不用钻孔以及不使用连接杆，无论是在芯的侧腔中出现的孔还是提供与浴槽的连接的孔的形式。尽管以这种方式形成的芯与现有技术的芯不同，但在已经制成芯之后通过失蜡铸造来制造叶片的方法是常规的，并且最初包括形成喷射模，在喷射模中在喷射蜡之前放置有该芯。以这种方式形成的蜡模然后浸入在由陶瓷悬浮物构成的浆料中，从而制造铸模(也称为“壳”模)。最后，除去蜡，并在窑中烧制壳模，其后可将熔融金属浇铸到模具内。以下更详细地描述的最终加工(尽管与现有技术相比简化)从而能够获得精加工的叶片。

根据本发明，如图2所示，在芯的部分22A中提供了侧柱22、24的局部几何结构(产生侧腔的陶瓷芯部分)，从而首先形成一芯圆柱体30，所述芯圆柱体30具有对应于要制造的除尘孔的确定的直径(被校准到约0.5毫米(mm)到0.8毫米)，和尽可能小以保证板的机械强度的高度，以及对应于芯的剩余空间的并且在铸造后要封堵的芯体积33。如果使用陶瓷喷射或如果没有额外约束地使用增材制造或使用芯加工，可以常规的方式通过将桥式干扰器结合在板的模具中(在具有纵向轴线的通孔中，所述通孔沿垂直于轴线的方向限定圆柱体30和剩余体积33)获得该形状。

当通过确定涡轮叶片的尺寸而变得必要时，并且考虑到陶瓷的易碎性，通过确保在铸造后获得的板没有被机械地削弱，例如通过增加一个或多个加强件对它们加强以防止这些板在这些位置中制动，来保证芯的机械强度是合适的。应该观察到的是，这些横向加强件(图2B中的附图标记39所示)对喷射具有很小的影响(整个截面并不过度变化，通过增加加强件弥补了与钻孔一起消失的部分)。

同样，由于通过喷射成型制成的陶瓷芯需要脱模，因此明显地需要确保这些芯具有相对于技术脱模轴线的足够的锥度。具体来说，如果脱模轴线没有很好地定向，则该板可被大大地削弱。

图2A示出了在铸造结束时(毛坯铸件)获得的叶片的顶部(其浴槽)，具有对应于两个侧柱的两个腔32和34以及由组装这些柱而产生的围绕它们的多余材料。在图2B中，可以看到已经加工了在多余材料之后的同一浴槽，并且可以看出，在本发明中，在每个腔中形成两个孔36A、38A；36B、38B(而不是现有技术中的仅一个)。具有芯圆柱体30尺寸的孔36A、36B中的一个用于执行除尘功能，而另一个孔38A、38B不具有任何特定功能，具有剩余芯33的体积的尺寸，将被封堵。因此，本发明消除了对除尘孔封堵/钻孔的操作，这在现有技术中是最困难并且具有最小鲁棒性的操作。存在于不确定堵塞深度的现有技术中的问题不再妨碍浴槽的适当制造，因为不再需要对浴槽钻孔。

图3示出了与浴槽的连接。至于侧板，为了获得除尘孔，通过在通孔41的两侧首先形成与要制成的除尘孔的直径对应的确定直径的芯圆柱体40，其次形成在铸造后将封堵的芯43的剩余体积，来提供用于连接目的的局部几何结构。该芯圆柱体还具有尽可能小的高度，从而保证芯的良好强度并避免裂纹的形成。如前所述，可通过使用结合在铸造模具中的桥式干扰器来形成通孔。然而，由于在腔和浴槽之间的可用空间e非常小，并且由于腔间连接很薄(因此具有小截面)，还准备在将要形成浴槽的芯的一部分上布置一个回退区域，从而可以获得更大的空间d。此外，因为用于接收干扰器的通孔41集中在该腔间连接上，因此在铸造过程中获得了更好的鲁棒性。

图3A示出了在铸造结束时(毛坯铸件)获得的叶片的顶部(浴槽)，具有源于使芯回退通过空间d的凸起台面42。在图3B中，可以看到在加工后的该凸起台面的同一浴槽，并且可以看到，在本发明中，在浴槽中形成两个孔44和46。应该观察到的是，存在两个横向加强件48A、48B，赋予第二孔(对应于体积43的一部分)四裂片形，其加强件的尺寸适于保证芯部分是坚固的。当使用陶瓷喷射时，这也使得可增加该部分并保证更好的填充，并且当使用增材制造和芯加工时，加强件加强了该连接并防止芯变形。

自然地，如上所述，当使用陶瓷喷射时，该芯需要保持可脱模，因此增加的连接必须也是可脱模的，正如必须在其中制造该孔一样。

通过本发明，因此提出了用于将保持芯的功能和制备除尘孔(通常由杆实施的功能)的功能相结合的装置，该装置可应用到任何类型的芯制造方法以及用于芯的任何类型的几何形状。

Claims (10)

1.一种用于使用失蜡铸造技术制造涡轮发动机的中空的涡轮叶片的陶瓷芯(10)，所述叶片包括经校准的除尘孔，所述除尘孔来源于至少一个腔(22)的顶部，并且向外通向所述叶片的浴槽，其特征在于，每个所述经校准的除尘孔均在确定为足以保证机械强度的高度的芯部分(22A)中形成，所述芯部分包括一个通孔(31、41)，该通孔的轴线垂直于所述经校准的除尘孔的纵轴线，并且在所述通孔的两侧首先限定一个具有与要形成的所述除尘孔对应的经确定的直径的芯圆柱体(30、40)，其次限定一个在铸造后将被封堵的剩余的芯体积(33、43)，使得所述经校准的除尘孔在不钻孔且不使用连接杆的情况下获得。

2.根据权利要求1所述的陶瓷芯，其特征在于，所述芯部分形成一侧柱(22、24)的将形成所述叶片的侧腔的部分(22A)。

3.根据权利要求1所述的陶瓷芯，其特征在于，所述芯部分在所述至少一个腔与所述浴槽之间形成一腔间连接区域。

4.根据权利要求3所述的陶瓷芯，其特征在于，该陶瓷芯在对应于将形成的所述浴槽的芯部分上包括一个用于使所述通孔能够在所述连接区域中居中的回退区域，从而在铸造过程中保证所述芯部分有更好的强度。

5.根据权利要求2或3所述的陶瓷芯，其特征在于，所述剩余的芯体积包括至少一个横向的加强件(39；48A、48B)，所述加强件的尺寸适于在铸造过程中保证所述芯部分具有更好的强度。

6.根据权利要求5所述的陶瓷芯，其特征在于，所述剩余的芯体积包括两个彼此面对并且赋予其四裂片形状的横向的加强件(48A、48B)。

7.使用根据权利要求1至6中任何一项所述的陶瓷芯，用于使用失蜡铸造技术制造涡轮发动机的中空的涡轮叶片。

8.一种涡轮发动机，其包括使用根据权利要求1至6中任何一项所述的陶瓷芯利用失蜡铸造技术制造的中空的涡轮叶片。

9.一种在涡轮发动机的中空的涡轮叶片中形成经校准的除尘孔的方法，所述涡轮叶片使用陶瓷芯利用失蜡铸造技术制成，所述陶瓷芯的外侧表面用于形成加工后的叶片的内侧表面，其特征在于，该方法包括在确定为足以保证机械强度的高度的芯部分(22A)中形成通孔(31、41)的步骤，并且在所述芯部分中形成每个所述经校准的除尘孔，所述通孔(31、41)的轴线垂直于所述经校准的除尘孔的纵向轴线，并且在所述通孔的两侧首先限定一个具有与将要形成的所述除尘孔对应的确定的直径的芯圆柱体(30、40)，其次限定一个在铸造后将要被封堵的剩余的芯体积(33、43)，使得所述经校准的除尘孔在不钻孔且不使用连接杆的情况下获得。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过使用桥式干扰器形成所述通孔。