CN109070258A - 涡轮机排气壳体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请描述了一种用于涡轮机的壳体(10)，特别是排气壳体，包括具有旋转轴线(A)的内毂(14)和围绕毂(14)延伸的外环形套圈(16)，所述套圈(16)构造成与毂(14)一起限定出用于气流的环形流动路径并且通过臂(20a，20b)刚性地连接到毂，毂(14)在一纵向端部处包括有齿的环形凸缘，该有齿的环形凸缘包括围绕所述轴线间隔分布并通过中空部分彼此间隔开的实心部分。毂(14)通过焊接多个角形毂扇部(14’)而被组装产生，该多个角形毂扇部围绕所述轴线端对端地周向布置，每个毂扇部(14’)通过纵向焊缝(30)连接到相邻的毂扇部(14’)，该纵向焊缝基本上在毂(14)的整个轴向范围上延伸并且基本上与所述凸缘的中空部分轴向对齐。

Description

涡轮机排气壳体及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种壳体，特别是飞行器涡轮机排气壳体，以及其制造方法。
背景技术
现有技术具体包括文献US-A1-2010/111685、US-A1-2006/000077、US-A1-2015/204212和US-A1-2011/262277。
以已知的方式，涡轮机排气壳体包括内毂和围绕毂和旋转轴线延伸的外环形套圈。套圈构造成与毂一起限定出用于气流的环形流动路径，并且套圈通过相对于上述的轴线基本上为径向的臂刚性地连接到毂。
排气壳体安装在涡轮的下游(参考涡轮机中的气体流动)，并且因此，穿过排气壳体的气流是离开涡轮的燃烧气体流。
涡轮机可包括其他类似的壳体，例如中间壳体。中间壳体被插入在涡轮机的低压压缩机和高压压缩机之间，因此低压压缩机气流穿过中间壳体通过并用于供给高压压缩机。
这种类型的壳体在其纵向端部处可包括用于固定到涡轮机的其他构件的凸缘。壳体的毂包括例如处于纵向端部处的有齿的环形凸缘，该环形凸缘包括围绕旋转轴线规则地分布并且通过中空部分彼此间隔开的实心部分。在排气壳体的情况下，该凸缘使得能够将壳体连接到涡轮机的位于下游的喷射锥体。
在现有技术中，通过组装多个部件来制造这种壳体。毂由一个单独的部件制成，臂和套圈(扇形或非扇形)返回并固定在毂上。
本发明尤其提出了关于制造这种类型的壳体的改进。
发明内容
为此，本发明提出一种用于涡轮机的壳体，特别是排气壳体，包括具有旋转轴线A的内毂和围绕毂延伸的外环形套圈，所述套圈构造成与毂一起限定出用于气流的环形流动路径并且通过臂刚性地连接到毂，毂在纵向端部包括有齿的环形凸缘，该有齿的环形凸缘包括围绕所述轴线规则地分布并且通过中空部分彼此间隔开的实心部分，其特征在于，毂通过焊接多个角形毂扇部而被组装产生，所述角形毂扇部围绕所述轴线端对端地周向布置，每个扇部通过纵向焊缝连接到相邻的毂扇部，该纵向焊缝基本上在毂的整个轴向范围上延伸并且基本上与所述凸缘的中空部分轴向对齐。
本发明提出了一种制造壳体，尤其是排气壳体的新方法，该方法不是借助于最初的单件式毂，而是借助于被分成扇形的毂，即通过组装扇部而形成的毂。考虑到待焊接元件的材料厚度，这些毂扇部优选地通过电子束(EB)焊接。
通过毂的几何形状，在组装阶段，电子束可以在上述凸缘的区域中被引导同时穿过多个表层。EB焊接因此被称为“三层表层”，该电子束能够同时穿过三个表层，即凸缘、毂的环形加强件和套圈。
EB焊接能够穿过三个表层，但是穿过多个厚度需要更大的功率并且导致所获得的焊接质量的稳定性更低。
凸缘(例如上述凸缘)的设计必须考虑若干功能和机械尺寸要求，这些要求由符合成本和重量要求的材料厚度、多个螺钉、齿或中空部分的数量和尺寸传达。
所提出的解决方案包括上述凸缘的几何优化，以使得能够特别是通过限制被穿过的表层的数量而有利于焊接毂的过程。
为此，可以增加凸缘的厚度，以使得能够利用机械等容量来扩展和加深齿。齿的角位置被优化，使得两个毂扇部之间的每个焊接区域与齿对齐。因此，该区域成为“双表层”焊接区域(或“单表层”，电子束不需要穿过加强件)，这使得能够最好地控制焊接，尤其是EB焊接。
根据本发明的壳体可以包括一个或多个以下特征，这些特征以自身或彼此组合被采取：
-毂扇部是通过铸造产生的，
-毂扇部的数量等于壳体的臂的数量，
-每个毂扇部和所述臂中的一个的径向内部部分最初由一个单独的部件形成，
-所述臂中的每个的径向外端部焊接到该臂的径向外端部的径向内端部，
-每个臂的径向内部部分基本上位于两个相邻的实心部分之间；因此，凸缘的两个实心部分基本上位于臂的两侧，这保证了良好的载荷分布，
-每个臂的径向内部部分基本上位于由轴线A和所述凸缘的实心部分中的一个穿过的第一纵向平面和由轴线和这些实心部分中的另一个相邻的部分穿过的第二纵向平面之间，
-每个臂的径向内部部分基本上位于两个相邻的实心部分的中间，
-每个臂包括上表面和下表面，每个焊缝在第一臂的上表面和相邻的第二臂的下表面之间延伸，并且相比第一臂的上表面更靠近第二臂的下表面，
-所述臂延伸到基本上与以所述轴线为中心的圆周相切的平面中，以及
-中空部分各自包括中间边缘，该中间边缘基本上是直线的并且与以轴线A为中心的圆周相切；因此优化了齿或空心部分的角位置，使得两个毂扇部之间的每个焊接区域在其直线部分中被齿覆盖。
本发明还涉及一种涡轮机，该涡轮机包括至少一个如上所述的壳体。
本发明还涉及一种用于制造涡轮机的壳体，尤其是排气壳体的方法，该壳体包括内毂和围绕毂和旋转轴线A延伸的外环形套圈，所述套圈构造成与毂一起限定出用于气流的环形流动路径并且通过臂刚性地连接到毂，毂在纵向端部处包括有齿的环形凸缘，该有齿的环形凸缘包括围绕所述轴线规则地分布并且通过中空部分彼此间隔开的实心部分，其特征在于，该方法包括通过焊接来组装多个角形毂扇部的步骤，这些毂扇部围绕所述轴线端对端地周向布置，每个毂扇部通过纵向焊缝连接到相邻的毂扇部，纵向焊缝基本上在毂的整个轴向范围上延伸，并且基本上与所述凸缘的中空部分轴向对齐。
优选地，焊接通过电子束完成。毂扇部可以通过铸造产生，并且每个毂扇部都包括凸缘扇部。
有利地，为了产生每个焊缝，电子束相对于所述轴线例如从壳体的下游纵向端部朝向壳体的上游纵向端部径向地朝向外侧倾斜，并且在基本纵向的平面中移动，该基本纵向的平面穿过所述轴线和所述待产生的焊缝，而不穿过所述凸缘的材料。
凸缘的中空部分可以在组装毂之前预先牵伸，或者在组装之后进行机械加工。因此将被再加工的部分(材料损失)可用作焊接“块”。
该解决方案使得能够提高组装方法的可行性、稳定性和质量并因此提高其成本(因为不需要太多的调整)并且因此使得凸缘到毂的整体集成、优化设计成为可能。
附图说明
通过阅读以下作为非限制性示例并参照附图进行的描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将更清楚地显现，在附图中：
-图1是下游涡轮机部分的示意性轴向横截面半视图，并且示出了排气壳体，
-图2是排气壳体的从下游正视的示意性透视图，
-图3是根据本发明的排气壳体的示意性透视图，图3a以透视图示出了构成该壳体的毂扇部，
-图4是排气壳体的轴向横截面局部示意图，
-图5和图6是图3的壳体的示意性透视图，并且示出了在该壳体下游的凸缘，以及
-图7是图3的排气壳体的透视局部示意图。
具体实施方式
图1和图2表示飞行器涡轮机的壳体10，该壳体在这里是排气壳体。
传统上，涡轮机包括气体发生器，该气体发生器在气流的流动方向上从上游到下游包括至少一个压缩机、燃烧室和至少一个涡轮。在涡轮12的下游设置有排气壳体10，该排气壳体10主要包括内毂14和外环形套圈16，外环形套圈16围绕毂和旋转轴线A延伸，旋转轴线A是涡轮机的纵向轴线。在本申请中，表述“径向”和“径向地”是参照毂或壳体的旋转轴线。
套圈16和毂14一起限定出用于离开涡轮12的燃烧气体的环形流动路径18。
套圈16和毂14通过臂20刚性地相互连接，臂20相对于轴线A基本上是径向的。臂20可以相对于由轴线A穿过的平面倾斜。有利地，臂20延伸到基本上与以轴线A为中心的圆周相切的这些平面中，如图2所示。
壳体10包括用于固定到涡轮机的其他元件的凸缘22。这些安装凸缘22位于壳体的上游纵向端部和下游纵向端部。在所示的示例中，套圈16在其上游纵向端部和下游纵向端部中的每一个处包括环形凸缘22a、22b。上游凸缘22a固定到涡轮12的壳体的下游端部，下游凸缘22b固定到排气喷嘴24的上游端部。
毂14在下游纵向端部处包括环形凸缘22c，该环形凸缘用于固定到由喷嘴24围绕的排气锥26的上游端部。
凸缘22c是有齿的，即凸缘包括围绕轴线A规则地分布并通过中空部分彼此间隔开的实心部分。
在现有技术中，壳体10通过将套圈16和臂18返回并固定在毂14上来进行制造，毂14是一体式的并且通常通过铸造而由单个部件制成。
图3示出了本发明的原理，包括：通过毂14制造出这种壳体，因为毂14被分成扇形，因此通过组装多个毂扇部14’而形成，所述毂扇部14’端对端地周向布置并且通过焊接彼此固定，优选地通过电子束或EB焊接而彼此固定。
图3a示出了毂扇部14’，每个毂扇部14’包括臂的径向内部部分20a。这里扇部14’的数量等于臂20的数量，并且每个毂扇部14’与臂的径向内部部分20a相关联。毂扇部14’和臂20a的一部分由一个单独的部件铸造而成。因此，臂的径向外部部分20b返回并固定在部分20a上，并且扇形或非扇形的套圈也返回并固定在部分20b上。壳体的不同部分的固定可以通过焊接(优选地通过EB焊接)来完成。
在EB焊接的情况下，如图3和图4所示，每个毂扇部14’通过纵向焊缝30连接到相邻的毂扇部，纵向焊缝30基本上在毂的整个轴向范围上延伸。
为了产生每个焊缝，电子束相对于轴线A例如从壳体的下游纵向端部朝向壳体的上游纵向端部径向地朝向外侧倾斜，并且在由轴线和待产生的焊缝穿过的大致纵向的平面中移动，并且该平面对应于图4的图纸平面。
图4的附图标记34表示电子束。电子束朝向待焊接的区域定向，即，定向在两个相邻的毂扇部对面的两个纵向边缘之间的连接区域的水平上。电子束34在此连续穿过三个表层或壁，即，待焊接的边缘、毂的内环形加强件32以及凸缘22c。实际上，凸缘22c的实心部分22c1位于电子束的轨迹上并且因此由电子束的轨迹穿过。中空部分22c2不是这种情况。该特定情况自然地与电子束相对于轴线A的倾斜角度相关联，但是该角度可以通过壳体的一般形状来施加。
如上所述，EB焊接能够穿过多个表层，但这需要更多的功率并且导致所获得的焊接质量的稳定性较低。
由于两个毂扇部14’之间的焊缝30与有齿的凸缘22c的中空部分22c2轴向对齐，使得本发明能够克服这个问题。
图5至图7能够举例说明本发明。
在这些附图中可观察到，每个臂20的径向内部部分20a基本上位于由轴线A和凸缘的实心部分22c1中的一个穿过的第一纵向平面P1以及由轴线A和这些实心部分中的另一个相邻部分穿过的第二纵向平面P2之间。实心部分22c1位于臂的部分20a的中间。换句话说，实心部分对称地放置在臂的该部分的两侧上。
每个臂20包括上表面36和下表面37。每个焊缝30在第一臂的上表面和相邻的第二臂的下表面之间延伸，并且在所示的示例中，每个焊缝30的位置相比第一臂的上表面更靠近第二臂的下表面。
凸缘22c的中空部分22c2各自包括中间边缘38，中间边缘38基本上是直线的并且与以轴线A为中心的圆周C1相切。实心部分22c1也各自包括基本上是直线的并且与以轴线A为中心的圆周C2相切的中间边缘。这些实心部分22c1还钻有孔40，以用于使螺母型装置穿过。
图7示出了电子束34在凸缘22c的区域水平处穿过。据观察，由于待焊接的区域与凸缘22c的中空部分22c2轴向对齐，或者甚至由于凸缘的特别是在厚度和/或径向尺寸上的尺寸调整，电子束确实不穿过凸缘22c。因此，如果电子束必须要穿过加强件32，则焊接可以是双表层类型的焊接，这是所示的示例中的情况。

Claims (11)

1.用于涡轮机的壳体(10)，尤其是排气壳体，包括具有旋转轴线(A)的内毂(14)和围绕所述毂延伸的外环形套圈(16)，所述套圈构造成与所述毂一起限定出用于气流的环形流动路径(18)并且通过臂(20)刚性地连接到所述毂，所述毂在纵向端部处包括有齿的环形凸缘(22)，所述有齿的环形凸缘包括围绕所述轴线规则地分布并通过中空部分(22c2)彼此间隔开的实心部分(22c1)，其特征在于，所述毂通过焊接多个角形毂扇部而被组装产生，所述多个角形毂扇部围绕所述轴线端对端地周向布置，每个扇部通过纵向焊缝(30)连接到相邻的毂扇部，所述纵向焊缝基本上在所述毂的整个轴向范围上延伸，并且基本上与所述凸缘的中空部分轴向对齐。
2.根据前一项权利要求所述的壳体(10)，其中，所述毂扇部(14’)的数量等于所述壳体的臂(20)的数量。
3.根据前一项权利要求所述的壳体(10)，其中，每个毂扇部(14’)和所述臂中的一个的径向内部部分(20a)最初由一个单独的部件形成。
4.根据前一项权利要求所述的壳体(10)，其中，每个臂的径向内部部分(20a)基本上位于两个相邻的实心部分之间。
5.根据前述权利要求中的一项所述的壳体(10)，其中，每个臂(20)包括上表面(36)和下表面(37)，每个焊缝在第一臂的上表面和相邻的第二臂的下表面之间延伸并且相比所述第一臂的上表面更靠近所述第二臂的下表面。
6.根据前述权利要求中的一项所述的壳体(10)，其中，所述中空部分(22c2)各自包括中间边缘(38)，所述中间边缘基本上是直线的并且与以所述轴线(A)为中心的圆周相切。
7.根据前述权利要求中的一项所述的壳体(10)，其中，所述臂(20)延伸到基本上与以所述轴线(A)为中心的圆周相切的平面中。
8.涡轮机，尤其是飞行器的涡轮机，所述涡轮机包括至少一个根据前述权利要求中的一项所述的壳体。
9.用于制造涡轮机的壳体(10)的方法，所述壳体尤其是排气壳体，所述壳体包括内毂(14)和围绕所述毂和旋转轴线(A)延伸的外环形套圈(16)，所述套圈构造成与所述毂一起限定出用于气流的环形流动路径(18)并且通过臂(20)刚性地连接到所述毂，所述毂在纵向端部处包括有齿的环形凸缘(22)，所述有齿的环形凸缘包括围绕所述轴线规则地分布并且通过中空部分(22c2)彼此间隔开的实心部分(22c1)，其特征在于，所述方法包括通过焊接来组装多个角形毂扇部的步骤，所述角形毂扇部围绕所述轴线端对端地周向布置，每个毂扇部通过纵向焊缝连接到相邻的毂扇部，所述纵向焊缝基本上在所述毂的整个轴向范围上延伸，并且基本上与所述凸缘的中空部分轴向对齐。
10.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述焊接通过电子束(34)完成。
11.根据前一项权利要求所述的方法，其中，为了产生每个焊缝(30)，所述电子束(34)相对于所述轴线例如从所述壳体的下游纵向端部朝向所述壳体的上游纵向端部径向地朝向外侧倾斜，并且在基本纵向的平面中移动，所述基本纵向的平面穿过所述轴线和待产生的所述焊缝，而不穿过所述凸缘的材料。
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