CN110248766A - 用于在叶片平台中制造空腔的方法以及相应的叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在叶片(1)的叶片平台(3)中制造空腔(4)的方法，该空腔作为叶片平台冷却系统的一部分，该叶片特别是涡轮叶片，其中该方法具有以下步骤：从第一平台侧面(6)开始沿相对的第二平台侧面(7)的方向，通过在第一平台侧面(6)中生成第一开口(8)来制造第一孔；以及借助于火花腐蚀方法，特别是通过使用线状或杆状的电极来扇形加宽第一孔，使得在第一步骤中生成的第一孔的第一开口(8)表示该扇形加宽的起点。本发明还涉及一种特别是使用这种方法制造的叶片(1)。

Description

用于在叶片平台中制造空腔的方法以及相应的叶片
技术领域
本发明涉及一种用于在叶片、特别是涡轮叶片的叶片平台中制造空腔的方法，以及具有这种空腔的叶片。
背景技术
当包括叶片动叶和叶片平台的涡轮叶片按照常规方式被用于涡轮机中时，会暴露于非常高的温度。相应地，叶片通常使用冷却流体进行冷却。为了冷却叶片平台，必须在叶片平台中构造空腔，所使用的冷却流体可以通过该空腔。目前已知不同的方法来用于制造这样的空腔。
一方面，可以在叶片平台铸造过程期间通过使用相应的铸芯来生成空腔。然而，在铸造过程之后，叶片平台不可避免地具有大量有时非常大的开口，这是由于需要将铸芯固定在铸模内部并且随后移除铸造材料。在移除铸造材料之后，通常使用钎焊或焊接方法密封这些开口，或者至少缩小这些开口，使得在常规使用涡轮叶片期间防止冷却流体不受控制地通过开口而泄漏。然而，存在的问题是：涡轮叶片(包括涡轮叶片的平台)经常由难以钎焊和焊接的镍基超级合金制成，因此通常难以密封开口。
可替代地，还可以随后将空腔引入已经铸造好的叶片平台中，特别是通过使用钻孔和/或火花腐蚀方法。然而，当制造对叶片平台合理冷却所需的相对较大的空腔时，这些方法通常导致产生相对较大的开口，这些开口同样需要通过钎焊或焊接来密封，因此当使用铸造技术来制造空腔时会产生类似的问题。
为了避免叶片平台中的相对较大的开口，从US 2011/0070096A1中已知将弯曲成圆弧形状的电极在相应的圆形路径上引导通过叶片的平台，因此产生圆弧状的冷却通道。然而，存在如下缺点，即，提供的是一种自身使用复杂的工具，并且不可能产生任意的(或者说能匹配通道要求的)冷却通道，甚至不可能产生任意的(或者说能匹配通道要求的)冷却区域。
另外，从JP 2000-000720 A中得知，借助于腐蚀机的曲柄导管，该导向管的电极在工件内部被弯曲，使得底切可以被腐蚀。由于曲柄导管，所以在工件中产生相对较大的进给开口，因此不能解决开口太大而不合乎要求的问题。
发明内容
基于这些当前技术，本发明的目的是提供一种上述方式的备选方法，以至少部分地克服上述缺点。
为了实现该目的，本发明提供了一种用于叶片(特别是涡轮叶片)的叶片平台中制造空腔的方法，该空腔作为叶片平台冷却系统的一部分，其中该方法具有以下步骤：a)从第一平台侧面开始沿相对的第二平台侧面的方向，通过在第一平台侧面中生成第一开口来制造第一孔；以及b)借助于火花腐蚀方法，特别是通过使用线状或杆状的电极来扇形加宽第一孔，使得在步骤a)中生成的第一孔的第一开口表示扇形加宽的起点。
在步骤a)中制造的孔原则上可以使用任意的钻孔方法来制造，其中本文中优选使用火花腐蚀方法。根据本发明在步骤b)中随后扇形加宽第一孔，使得在步骤a)中生成的第一孔的第一开口表示扇形加宽的起点，可以生成相对较大的空腔，同时使第一孔的第一开口仅略微加宽。即使在难以钎焊或焊接的材料的情况下，也可以相对容易地密封这样的小孔。然而，由于这样的孔尺寸小，所以也可以保持未密封，并且特别用作冷却流体出口开口，以供冷却流体通过空腔。
根据本发明的方法的第一实施例，在步骤b)中，从第一孔的第一开口开始，生成多个另外的孔，每个孔相对于彼此具有预定的角度偏移，其中相邻布置的孔局部地彼此重叠。以这种方式，从第一孔的第一开口开始，生成多个孔，这些孔辐射状地延伸并且彼此流体连接，这些孔共同限定一个空腔。
根据本发明的方法的备选实施例，在步骤b)中，插入到第一孔的第一开口中的刚性电极扇形地以挡风玻璃刮水器的方式枢转或移动。以这种方式，制造圆弧状的空腔，并且因此制造了扇形的空腔。
有利地，第一孔以及可能的另外的孔的深度分别延伸超出第一平台侧面和第二平台侧面之间的假想中心平面。相应地，从第一开口开始生成的空腔在对应位置处延伸超过叶片平台宽度的一半。
根据本发明的方法的实施例，制造一个孔，该孔在第一平台侧面和/或第二平台侧面中生成第二开口，并且从第二开口开始沿相对的平台侧面方向延伸，其中孔借助于火花腐蚀方法、特别是通过使用刚性线电极而被扇形加宽，使得第二开口表示扇形加宽的起点。这里生成的孔可以与步骤a)中制造的孔按照以下方式同时生成：在步骤a)中生成的孔被构造为从第一平台侧面延伸到相对的第二平台侧面(特别是垂直于叶片平台的上述中心平面)的通孔。可替代地，这里生成的孔也可以作为单独的第二孔从第二平台侧面开始引入到叶片平台中。然后，借助于火花腐蚀方法，特别是通过使用刚性线电极以类似于步骤b)的方式来扇形加宽孔，使得第二开口表示扇形加宽的起点。
优选地，在扇形加宽的范围中，从在第一平台侧面或第二平台侧面中生成的第二开口开始，生成多个另外的孔，每个孔相对于彼此具有预定的角度偏移，其中相邻布置的孔局部地彼此重叠。可替代地，在扇形加宽的范围中，从第二开口开始而插入到孔中的电极还可以被扇形地枢转。上文已经解释了这两种变体，因此不再对它们进行解释。
有利地，一个孔或多个孔的深度分别延伸超出第二平台侧面和第一平台侧面之间的假想中心平面，使得从第二开口开始生成的空腔延伸超过叶片平台宽度的一半。
特别地，通过在两侧上引入的孔或扇形加宽区域彼此相交或重叠，从相同和/或不同的平台侧面进行的扇形加宽限定了一个共同的空腔。
叶片平台优选由超合金制成，特别是由镍基超合金制成。
为实现开头所述的目的，本发明还提供了一种叶片，特别是涡轮叶片，具有叶片动叶和与叶片动叶连接的至少一个叶片平台，在该叶片平台中被构造至少一个空腔，其中至少一个空腔形成叶片平台冷却系统的一部分，其特征在于，空腔具有基本上三角形或基本上菱形或基本上星形的外轮廓。特别地，当使用根据本发明的上述方法制造空腔时，产生这种类型的外轮廓。
优选地，通过至少一个空腔的邻接的多个侧壁形成的多个角部区域中的至少一个角部区域，限定在平台侧面中的开口。当使用根据本发明的方法制造空腔时，自动产生这样的开口。
根据本发明的实施例，至少一个空腔流体连接到叶片动叶空腔，该叶片动叶空腔通常也表示叶片平台冷却系统的一部分。
有利地，至少叶片平台由超合金制成，特别是由镍基超合金制成。
附图说明
借助于以下参照附图对根据本发明的叶片和方法的不同实施例的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。其中：
图1是涡轮叶片的叶片平台的局部示意性透视图，旨在将空腔作为叶片平台冷却系统的一部分引入该叶片平台，其中叶片平台被示出为透明的并且使用虚线指示了通常模糊的线；
图2是对应于图1的视图，示出了在已经执行了根据本发明的方法的第一方法步骤之后的状态；
图3是对应于图1和图2的视图，示出了在已经执行了根据本发明的方法的第二方法步骤之后的视图；
图4是对应于图1、图2和图3的视图，示出了在已经执行了根据本发明的方法的第三方法步骤之后的视图；
图5示出了图4所图示的叶片平台的平面图；
图6是类似于图5的平面图，其示出了使用根据本发明的方法制造的空腔的备选形式；以及
图7是类似于图5的平面图，其示出了使用根据本发明的方法制造的空腔的另一备选形式。
以下相同的附图标记是指相同或相似的部件。
具体实施方式
图1至图5示出了叶片1，该叶片1在本文中是涡轮叶片，更确切地是涡轮导向叶片。由超合金、特别是镍基超合金制成的一体的叶片1包括叶片动叶2以及连接到该叶片动叶2的至少一个叶片平台3。
为了冷却叶片平台3，需要在前部区域引入空腔4，该空腔4形成叶片平台冷却系统的一部分。为此，在第一步骤中，如图2所示，从第一平台侧面6开始沿相对的第二平台侧面7的方向，通过在第一平台侧面6中生成第一开口8并且在第二平台侧面7中生成第二开口9，来制造第一孔5。为了引入在本文中与第一平台侧面6和第二平台侧面7之间的假想中心平面E成直角地延伸的第一孔5，原则上可以使用任何合适的钻孔方法。在本文中，使用利用线状或杆状的刚性电极10的火花腐蚀方法。
在第二步骤中，第一孔5根据图3被扇形地加宽，使得在第一步骤中生成的第一孔5的第一开口8表示扇形加宽的起点。为此，从第一孔5的第一开口8开始，生成多个另外的孔11，每个孔11相对于彼此具有预定的角度偏移Δα，优选地取决于相对于角度半径所使用的电极的厚度，角度偏移具有0.5°-5°的幅度，其中相邻布置的孔5、11局部地彼此重叠。换句话说，直线型的电极10以稍微改变的角度通过第一孔5的第一开口8，以生成另一孔11，其中孔11的深度分别根据需要而延伸超过在两个平台侧面6和7之间的中心平面E。尽管电极10相对于相关的平台侧面以不同的角度插入，但是第一开口8的尺寸仅被略微加宽。以这种方式，得到图3中所示的扇形或圆形的部分空腔。
替代地，通过在第二方法步骤中将插入到第一孔5的第一开口8中的电极10扇形地枢转，可以获得类似的或者至少形状类似的部分空腔。相应地，所产生的部分空腔不是多个单孔的结果，而是电极10以挡风玻璃刮水器方式围绕作为枢转点的第一开口8的中心点枢转的结果。
在第三步骤中，如图4所示并且以类似于第二步骤的方式，从第一孔5的第二开口9开始，即，从第二平台侧面7开始，制造另一个部分空腔，使得两个部分空腔的孔11相交，或者使得两个部分空腔彼此重叠。这样，总体上生成外部轮廓为基本上菱形的空腔4，该空腔可以经由设置在第一平台侧面6上的第一开口8和设置在第二平台侧面7上的第二开口9从外部进入。
根据需要，开口8和9可以在随后的步骤中被密封，特别是借助于钎焊或焊接来密封。可替代地，开口8和9也可以作为冷却流体出口开口而保留，以供冷却平台侧面6和7。
空腔4可以通过构造一个或多个连接管道12而连接到叶片动叶2的空腔，以便特别地将冷却流体从叶片动叶2内部引导到叶片平台3的空腔4中，并且从那里经由开口8和9引导到外部。
上述方法的特征在于，在对第一孔5进行扇形加宽期间，在制造第一孔5时生成的两个开口8和9不会显著扩大。这两个开口保持相对较小。在制造空腔4之后，开口的直径优选在1mm至5mm的范围内。由于这种小尺寸，即使在材料难焊接的情况下，使用钎焊或焊接方法进行密封也不存在问题。此外，由于开口的尺寸小，可以保留开口8和9作为冷却流体出口开口，这在开头提到的用于在叶片平台中制造空腔的方法中不可想象的。
图6示出了空腔4的可替代的外轮廓，该外轮廓可以在执行上述方法步骤时产生。图6中的空腔4的外轮廓基本上是星形的，这可以归因于与图3和图4相比使用了稍长的电极10来加宽第一孔5。
图7示出了使用根据本发明的方法制造的空腔4的另一可能的外轮廓。空腔4的轮廓分别是基本上三角形的，这可以归因于当加宽第一孔5时使用的电极10被选择为短于平台侧面6和7之间的宽度的一半B/2。
应当指出，第一孔5不一定必须被构造为通孔。同样，可以分别从第一平台侧面6和第二平台侧面7开始生成起始孔，来代替生成贯通的第一孔5，以便然后扇形加宽两个孔。
尽管优选的示例性实施例没有对本发明进行详细说明和描述，但是本发明不受所公开的实施例的限制，并且本领域技术人员可以在不超出本发明范围的情况下导出其他变体。

Claims (12)

1.一种用于在叶片(1)的叶片平台(3)中制造空腔(4)的方法，所述空腔作为叶片平台冷却系统的一部分，所述叶片特别是涡轮叶片，其中所述方法包括以下步骤：
a)从第一平台侧面(6)开始沿相对的第二平台侧面(7)的方向，通过在所述第一平台侧面(6)中生成一个第一开口(8)来制造一个第一孔(5)，
其特征在于，
b)借助于火花腐蚀方法，通过使用一个线状或杆状的电极(10)来扇形加宽所述第一孔(5)，使得在步骤a)中生成的所述第一孔(5)的所述第一开口(8)表示所述扇形加宽的起点。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
在步骤b)中，从所述第一孔(5)的所述第一开口(8)开始，生成多个另外的孔(11)，多个所述另外的孔分别相对于彼此具有一个预定的角度偏移(Δα)，其中相邻布置的孔(5，11)局部地彼此重叠，或者
在步骤b)中，插入到所述第一孔(5)的所述第一开口(8)中的所述电极(10)被扇形地枢转。
3.根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，
所述第一孔(5)以及可能的所述另外的孔(11)的深度分别延伸超出所述第一平台侧面(6)和所述第二平台侧面(7)之间的一个假想中心平面(E)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
制造一个孔(5)，所述孔在所述第一平台侧面和/或所述第二平台侧面(7)中生成一个第二开口(9)，并且从所述第二开口(9)开始沿相对的所述平台侧面(6)的方向延伸，并且
所述孔(5)借助于火花腐蚀方法，特别是通过使用一个线状或杆状的电极(10)被扇形加宽，使得所述第二开口(9)表示所述扇形加宽的起点。
5.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，
在所述扇形加宽的范围中，从在所述第一平台侧面或第二平台侧面(7)中生成的所述第二开口(9)开始，生成多个另外的孔(11)，多个所述另外的孔分别相对于彼此具有一个预定的角度偏移(Δα)，其中相邻布置的孔(5，11)局部地彼此重叠，或者
在所述扇形加宽的范围中，从所述第二开口(9)开始插入到所述孔(5)中的所述电极(10)被扇形地枢转。
6.根据权利要求5所述的方法，
其特征在于，
一个所述孔(5)或多个所述孔(5，11)的所述深度分别延伸超出所述第二平台侧面(7)和所述第一平台侧面(6)之间的一个假想中心平面(E)。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，
其特征在于，
从相同或不同的所述平台侧面(6，7)进行的所述扇形加宽限定了一个共同的空腔(4)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
至少所述叶片平台(3)由超合金制成，特别是由镍基超合金制成。
9.一种叶片(1)，特别是涡轮叶片，具有一个叶片动叶(2)和与所述叶片动叶(2)连接的至少一个叶片平台(3)，在所述叶片平台中至少一个空腔(4)被构造，其中所述至少一个空腔(4)形成叶片平台冷却系统的一部分，
其特征在于，
所述空腔(4)具有基本上三角形或基本上菱形或基本上星形的外轮廓。
10.根据权利要求9所述的叶片(1)，
其特征在于，
通过所述至少一个空腔(4)的邻接的多个侧壁形成的多个角部区域中的至少一个角部区域限定在一个平台侧面(6，7)中的一个开口(7，8)。
11.根据权利要求9或10所述的叶片，
其特征在于，
所述至少一个空腔(4)与一个叶片动叶空腔流体连通。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的叶片，
其特征在于，
至少所述叶片平台(3)由超合金制成，特别是由镍基超合金制成。
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