CN1354066A - 一种涡轮导向器弧段的修复方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于具有至少一个位于外环和内环(14,16)之间的叶片(12)的涡轮导向器弧段(10)的修复方法,包括:将内环(16)从导向器弧段(10)中分解,在内环(16)上连接新造具有外环(32)和至少一个叶片(34)的替换铸件(30)。替换铸件(30)包括在叶片(34)一端形成的固定平台(44),以及在固定平台(44)上形成的凸台(46)。在内环(16)上连接有凸盘(38),凸盘上开有凹槽(42)。然后将凸台(46)插入到凹槽(42)中,固定平台(44)安装在内环(16)的凹进部分(40)中。通过将凸台(46)连接到凸盘(38)上以及将固定平台(44)连接到内环(16)上,就可以完成替换铸件的连接。

Description

一种涡轮导向器弧段的修复方法
技术领域
本发明总体上涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及一种在这种发动机中使用的涡轮导向器弧段的修复方法。
背景技术
燃气涡轮发动机包括一个给燃烧室提供压缩空气的压缩机，空气在燃烧室中与燃料混和并点燃，产生燃烧热气体。这些气体向下流入涡轮部分，从气体中得到能量以驱动压缩机，并提供有效功来驱动航空器飞行。航空器发动机一般包括固定的涡轮导向器，可通过适当地影响涡轮内的气体流动和压力来提高发动机的性能。在多级式涡轮中，涡轮导向器设置在每一级涡轮的入口处，将燃烧气体导入位于导向器下方的涡轮转子中。涡轮导向器通常在其圆周上分成几段，每一导向器弧段都具有一个或多个位于内环和外环之间的叶片，这些叶片限定了流经导向器的燃烧热气体的径向流道的边界。这些导向器弧段安装在发动机的外壳上，形成了一个环状阵列，叶片在相邻级涡轮的转子叶片之间径向地延伸。
已经提出了多种方法来制造导向器弧段。在一普遍采用的方法中，导向器弧段是一多片式组件，包括一内环，一外环，以及一个或多个叶片，其中每一部件都是单独铸造的。内环和外环上均设有槽，叶片端部即钎接在其中，从而形成了导向器弧段组件。另外一个普遍采用的方法是整体地铸造导向器弧段。这就是说，叶片、内环和外环一体地形成，如同一个整体铸件。
这两种方法都有其优点和缺点。例如，多片式方法的一个缺点是导向器弧段一般只是外环安装在发动机壳上，叶片和内环实际上悬在热气流中。因此，导向器弧段的最大机械应力产生在叶片和外环的交界面，其在多片式组件中是钎接连接，其强度一般不及整体铸件交界面的强度。多片式导向器弧段的制造费用也很昂贵。因此，多数导向器弧段都是整体铸造。
在工作中导向器弧段暴露在高温中，腐蚀性气流限制了这些部件的有效使用寿命。因此，导向器弧段一般是由高温钴或镍基超合金制成，并通常有抗腐蚀和/或耐热材料涂层。另外，导向器弧段通常由来自压缩机的冷却空气进行内部冷却，以延长使用寿命。然而即使做了这些努力，导向器弧段的某些部件尤其是叶片，还是会破裂、腐蚀，或是有其它损伤，使得导向器弧段必须进行修复或更换，以维持安全有效率的发动机操作。由于导向器弧段设计复杂，材料相对昂贵且制造费用高，因此还是希望尽可能对其进行修复。
现有的修复工艺包括例如裂纹修复和叶片表面尺寸恢复等技术。然而，这些现有的修复受到局部变形和最小壁厚的限制，然而由于反复修复和化学剥落，这些条件都会超过。因此，导向器弧段上用现有修复工艺无法修复的位置上可能会发生损伤。在整体铸件的导向器弧段中存在着热应力和机械应力，使得内环可修复而其它导向器弧段结构不能修复的情况经常发生。因此，为避免在这种情况下报废整个导向器弧段，需要有一种方法用于抢修导向器弧段的可修复部分。
发明内容
本发明提供了一种具有至少一个位于外环和内环之间的叶片的涡轮导向器弧段的修复方法，可以满足上述需要。此方法包括将内环从导向器弧段中分解下，并在内环中连接一个新的具有外环和至少一个叶片的替换铸件。替换铸件包括在叶片一端形成的固定平台，以及在固定平台上形成的凸台。在内环上连接一个凸盘，凸盘中设有凹槽。然后将凸盘插入凹槽中，固定平台装入内环上的一个凹进部分中。将凸台连接到凸盘上，并将固定平台连接到内环上，就完成了连接。
在阅读了后文中的具体描述和所附的权利要求后并结合附图，可以清楚本发明以及其相对于现有技术的优点。
附图说明
在说明书的结论部分中特别指出和清楚地说明了本发明的主题。然而，参考后文中的描述并结合附图可以更好地理解本发明。附图说明如下：
图1是发动机涡轮导向器弧段的透视图；
图2是从图1所示导向器弧段中分解下的内环的透视图；
图3是本发明修复方法中使用的替换铸件的透视图；
图4是连接有凸盘的图2所示内环的透视图；
图5是图4所示内环加工后的透视图；
图6是图4所示内环加工后的另一透视图；
图7是图3所示替换铸件加工后的透视图；
图8是一修复后的涡轮导向器弧段的透视图。
具体实施方式
参见附图，在所有视图中相同标号所指的是相同的零件。图1显示了一具有第一和第二涡轮叶片12的涡轮导向器弧段10。叶片12设置于弧形外环14和弧形内环16之间。叶片12限定了叶片面的外形，能最优地将燃烧气体引向位于下方的涡轮转子(未示出)。外环14和内环16分别限定了流经导向器弧段10的气体的内外径向边界。叶片12上具有多个常规的冷却孔18和后缘翼缝20。冷却孔一般用在第一级导向器弧段上；后级导向器弧段上一般不采用冷却孔。导向器弧段10最好由高质量的超合金制成，例如钴或镍基超合金，并涂有抗腐蚀材料和/或热障涂层。燃气涡轮发动机包括了在环形圆周上设置的多个这种导向器弧段10。虽然本发明所描述的修复方法是关于双叶片的导向器弧段，但可以理解本发明同样可以应用到具有任何数目叶片的导向器弧段上。
在发动机工作中，导向器弧段10会受到例如可能由局部超高温气流或外来异物冲击所引起的损伤。如上所述，导向器弧段10的一部分可能会在已知修复方法无法修复的某点位置处损伤。本发明涉及一种导向器弧段的修复方法，用在内环可修复而其它导向器弧段结构不能修复的情况下。通过示例，图1显示的叶片12受到了严重的不可修复的损伤，而内环16的损伤相对较轻并可以修复。本发明最适用于整体铸件的导向器弧段，但也可用于其它类型的导向器弧段。
修复方法包括以下主要步骤：将内环16从导向器弧段10中分解下，在内环16上连接一个特别设计的新铸件，其可以替换内环16从中去除的结构。如图2所示，可修复的内环16具有冷侧22(远离热气体流经通道的侧面)和热侧24(朝向热气体流经通道的侧面)，并包括传统结构例如凸缘26和排气孔28。凸缘26为内环16提供了结构上的支撑，在导向器弧段10安装到发动机中时，凸缘26还能有密封功能。在导向器弧段未损伤时，冷却气体通过排气孔28流出叶片12的内部冷却通道。图3显示了一个新铸件，在下文中称为替换铸件30。替换铸件30是一个具有外环32和两个叶片34的整体铸件，在下文中会更详细地介绍。
更具体地，修复方法的初始步骤是检查从工作地点分解下的发动机导向器弧段组件，对这个内环16可修复但其它导向器弧段结构不可修复的导向器弧段10进行鉴定。一旦对这个导向器弧段10作出鉴定，就剥离其所具有的任何涂层材料(例如抗腐蚀或耐热涂层)。可以适当的技术来剥离这些涂层材料，例如喷砂、化学浸浴或类似方法，或者这些技术的组合。下一步是修复内环16上的裂纹，并加大凸缘26的尺寸，可采用已知的修复技术例如合金钎接、合金加厚、焊接以及类似技术来完成。这些传统的修复应根据内环16的情况而进行。在此时，任何原来使用过的抗腐蚀或耐热涂层都不能再使用。
下一步是将内环16从导向器弧段10的其余部分中分解下来。通过大概地沿内环16附近切下两个叶片12，就可以完成分解的工作。切割可以采用任何传统的方法，例如磨料切割轮或电火花加工方法。在分解下内环之后，废弃不能修复的结构，这样内环16就可准备连接替换铸件30了。第一步准备是在内环冷侧22上加工出两个平的凹槽36，如图2所示。两凹槽36用于两叶片34。对于具有不同数目叶片的导向器弧段来说，应采用相应数目的凹槽。凹槽36在各个排气孔28的周围形成，并相对较浅。排气孔28可用于定位加工凹槽36的刀具。
下一步是将凸盘38点焊在每一凹槽36中，如图4所示。凸盘38是实心体，通常为具有特定尺寸的长方体，并具有和各个凹槽36交界的平的表面。因此，凹槽36方便了在内环16的曲形冷侧22上定位凸盘38。凸盘38最好由和内环16相同或相似的材料制成，或者至少由能相容于所连接的内环16和替换铸件30的材料制成。
现在参考图5和6，在凸盘38点焊在冷侧22后，内环16将进行两个加工操作。在第一操作中，在内环16的热侧24上加工出两个凹进部分40，在图5中可以很清楚地看出。凹进部分40的周长接近叶片34的叶片轮廓。加工叶片形凹进部分40的一个优选方法是用电火花加工(EDM)每一凹进部分40。这可以用一个具有叶片形状的EDM电极来完成。电极只进入到去除流动通道壁的深度，而不能进入到支撑凸缘26中。然而，在某些位置上凹进部分40会贯穿内环16，如图5和6中所示。但凸盘38比凹进部分40更宽，使得凸盘悬在内环结构之上，无法通过凹进部分40的开通部分。
排气孔28又可用来在EDM的深入操作中对EDM电极进行定位。两个凹进部分40的EDM深入加工沿两个不平行的轴线进行。由于涡轮导向器包括了以环形阵列设置的多个导向器弧段，所有叶片限定了会聚在发动机中心线上的径向轴线，因而是不平行的。通过沿对应于替换铸件30的各个叶片34的径向轴线的进给轴线加工凹进部分40，每一凹进部分就可以定位在能够正确安装各个叶片34的位置上。
在第二加工操作中，在每一凸盘38上加工出一接收凹槽42。接收凹槽42通过凸盘38径向地延伸出，并通常对准在加工操作中将被去除的排气孔28的位置。接收凹槽42也可以由EDM加工形成。在此例中，两个接收凹槽42在平行的轴线上形成，这可以通过使用两个具有合适形状的电极来同时完成。接收凹槽42相互平行，可以安装替换铸件30，这将在下文中更详细地介绍。
在连接到内环16之前替换铸件30还要进行一些加工操作。再次参考图3可以看到，替换铸件30是一具有外环32和两个叶片34的整体铸件。外环32和叶片34和完整导向器弧段10上的相同，包括相同的内部冷却通道。然而，替换铸件30上没有内环，但具有在每一叶片34的径向内端上一体形成的固定平台44。在每一固定平台44和叶片34的交界处设有圆角，以减小应力。每一固定平台44的底面都有一体形成的凸台46。每一凸台46上都设有排气孔48。
在本领域已公知，完整的整体铸造导向器弧段，例如导向器弧段10，具有三个原始基准点，其中之一位于内环上。这些原始基准点是用于检查导向器弧段是否合格。因此，替换铸件30的每一固定平台44的边缘的前端应铸有一小的平面或基准面50。小平面50之一用做第三基准点，使得可以检查替换铸件30是否合格。
固定平台44具有和叶片形凹进部分40近似的形状，但故意做得大一些。因此，替换铸件30应进行预加工，例如EDM或铣削以去除多余的材料。所要加工的表面是固定平台44的边和底面，以及凸台46的周边。如图7所示，平台44的大小应适合装入到叶片形凹进部分40中，凸台46的尺寸应适合装入到接收凹槽42中。加工平台44的边的时侯会加工掉小平面50，这个平面在替换铸件30已合格后就不再需要了。对于两个叶片，所有的这些表面的加工是在平行的轴线上进行。因此，凸台46可以安装到在相同的平行轴线上加工出的接收凹槽42中。如果凸台46在各个叶片34的径向轴线上加工，那么它们就不可能安装在槽42中，这是因为相汇合的平面会限制凸台46的高度。固定平台44的高度要比凸台46的高度小得多，可以安装在叶片型凹进部分40中。
而且，排气孔槽52是在排气孔48中加工而成。槽52加工成其剖面和深度能保持冷却气体经排气孔48离开各个叶片34的流动和速度。这就是说，排气孔槽52的大小使得冷却空气的流动和速度和在原有导向器弧段10中的相同。槽52最好由EDM方法沿各个叶片34的径向轴线形成。
在完成加工操作之后，内环16和替换铸件30装配在一起，形成一个修复的导向器弧段54，如图8所示(图8中显示了以虚线表示的内环，展示了内环16和替换铸件30的交界面)。如上所述，将固定平台44装入相应的叶片形凹进部分40中，以及将凸台46装入相应的接收凹槽42中，就可将内环16和替换铸件30装配在一起。沿以下交界面连接，就可把这些零件连接在一起，这些交界面是：固定平台和内环在内环热侧24上的交界面，凸盘和凸台的交界面，以及凸台和内环在内环冷侧22上的交界面。可以用传统的方法例如钎接或焊接来完成连接，但通常优先采用钎接，钎接产生在发动机工作时零件经受的热梯度。一个优选的连接操作是先将每一凸盘38点焊在各个凸台46上，再在内环热侧24上涂上钎接粉末，并在固定平台和内环交界面上涂上焊剂。在冷侧22上，在凸盘和凸台交界面以及凸盘和内环交界面上涂上钎接合金。然后整个组件放入炉中，内环16朝上，进行钎接。
最后，任何原来使用过的抗腐蚀和耐热涂层以已知的方式重新涂上。这样，已修复的导向器弧段54就具有以前使用的部分(对应于内环16)和新的部分(对应于替换铸件30)。凸盘38增强了导向器弧段54的结构，还可以提供辅助的阻挡特性。这是说，如果固定平台和内环的连接失效，那么凸盘38可以防止叶片34从内环16上脱离。这是因为凸盘是悬出的，可以防止凸盘38从内环16中拉出。
在一个优选实施例中，替换铸件30是由与内环16相同材料制成，这样就得到一个能保持原有导向器弧段10的材料性能的修复的导向器弧段54。然而，在另一个优选实施例中，替换铸件30是由不同的材料制成的，最好是由具有增强材料性能的合金制成。常常出现这样的情况，在燃气涡轮发动机零件例如导向器弧段的使用寿命中，适用于这些零件的改进合金得到发展。通常来说，发动机操作者不得不用由改进合金制成的新的零件来替代现有零件，以增强材料性能。然而，通过用改进合金制造替换铸件30，所修复的导向器弧段54部分上可以实现增强的材料性能。
上文中描述了涡轮导向器弧段的修复方法，以及用于此修复工艺的替换铸件。虽然描述的是本发明的几个具体的实施例，但对于本领域的技术人员来说，很明显，在不违背权利要求中所述本发明的精神和范围内，可以对本发明进行各种修改。

Claims (28)

1.一种用于修复具有至少一个位于外环和内环(14，16)之间的叶片(12)的涡轮导向器弧段(10)的方法，所述方法包括：
将所述内环(16)从所述导向器弧段(10)中分解；和
在所述内环(16)上连接新的带有外环(32)和至少一个叶片(34)的替换铸件(30)。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，将所述内环(16)连接到所述替换铸件(30)上的步骤包括：
将凸盘(38)连接到所述内环(16)上；
在所述凸盘(38)上加工出凹槽(42)；
将所述替换铸件(30)的所述叶片(34)的一部分插入到所述凹槽(42)中；和
将所述替换铸件(30)的所述叶片(34)连接到所述凸盘(38)和所述内环(16)上。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述方法还包括在所述内环(16)上加工出凹槽(36)，所述凸盘(38)在所述凹槽(36)处和所述内环(16)相连接。
4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，通过钎接将所述凸盘(38)连接在所述内环(16)上，所述替换铸件(30)的所述叶片(34)连接到所述凸盘(38)和所述内环(16)上。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，将所述内环(16)从所述导向器弧段(10)中分解的步骤包括在所述内环(16)附近切下所述导向器弧段(10)的所述叶片(12)。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括修复所述内环(16)上的损伤的步骤。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述替换铸件(30)是由和所述内环(16)相同的材料制成。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述替换铸件(30)是由与制成所述内环(16)的材料相比具有提高的材料性能的材料制成。
9.一种用于修复具有一个或多个位于外环和内环(14，16)之间的叶片(12)的涡轮导向器弧段(10)的方法，所述方法包括：
将所述内环(16)从所述导向器弧段(10)中分解下；
提供一个带有外环(32)和一个或多个叶片(34)的新的替换铸件(30)，所述替换铸件(30)的每一叶片(34)具有设在其一端的固定平台(44)，以及设在所述固定平台(44)上的凸台(46)；
对于所述替换铸件(30)的每一叶片(34)，将一凸盘(38)连接到所述内环(16)的一侧；
对于所述替换铸件(30)的每一叶片(34)，在所述内环(16)的另一侧加工出一凹进部分(40)；
在每一所述凸盘(38)上加工出凹槽(42)；
对于所述替换铸件(30)的每一所述叶片(34)，将所述凸台(46)插入到所述相应凹槽(42)中，将所述固定平台(44)插入到所述相应凹进部分(40)中；
对于所述替换铸件(30)的每一所述叶片(34)，将所述凸台(46)连接到所述相应凸盘(38)上，将所述固定平台(44)连接到所述内环(16)上。
10.根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述方法还包括对于每一所述凸盘(38)，在所述环(16)上加工出一凹槽(36)，每一所述凸盘(38)在所述相应凹槽(36)处和所述内环(16)相连接。
11.根据权利要求9所述方法，其特征在于，通过钎接每一所述凸盘(38)和所述内环(16)相连接，每一所述凸台(46)和所述相应凸盘(38)相连接，每一所述固定平台(44)和所述内环(16)相连接。
12.根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述方法还包括对于所述替换铸件(30)的每一所述叶片(34)，在插入所述相应凹槽(42)和所述相应凹进部分(40)中前，分别对所述凸台(46)和所述固定平台(44)加工到适当尺寸。
13.根据权利要求9所述方法，其特征在于，每一所述凸盘(38)比其相应凹进部分(40)宽。
14.根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述方法还包括在每一所述凸台(46)上设置一排气孔(48)。
15.根据权利要求9所述方法，其特征在于，将所述内环(16)从所述导向器弧段(10)中分解下的步骤包括在所述内环(16)附近切下所述导向器弧段(10)的所述叶片(34)。
16.根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述方法还包括修复所述内环(16)上的损伤的步骤。
17.根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述替换铸件(30)是由和所述内环(16)相同的材料制成。
18.根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述替换铸件(30)是由与制成所述内环(16)的材料相比具有提高的材料性能的材料制成。
19.根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述替换铸件(30)具有至少两个所述叶片(34)，所有所述凹槽(42)在平行的轴线上进行加工。
20.根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述替换铸件(30)在每一所述叶片(34)和所述相应的固定平台(44)之间设有圆角。
21.一种涡轮导向器弧段(10)，包括：
一内环(16)；和
一包括外环(32)和至少一个位于所述外环和内环(14，16)之间的叶片(34)的替换铸件(30)，其特征在于，所述内环(16)具有原来的结构，而所述替换铸件(30)具有新的结构。
22.根据权利要求21所述导向器弧段(10)，其特征在于，所述内环(16)和所述替换铸件(30)由相同的材料制成。
23.根据权利要求21所述导向器弧段(10)，其特征在于，所述替换铸件(30)是由与制成所述内环(16)的材料相比具有提高的材料性能的材料制成。
24.一具有至少一个位于外环(32)和内环(16)之间的叶片(34)的已修复涡轮导向器弧段(10)，所述导向器弧段(10)通过下列方法进行了修复：
将所述内环(16)从所述导向器弧段(10)中分解；和
在所述内环(16)上连接一个新的具有外环(32)和至少一个叶片(34)的替换铸件(30)。
25.一种在修复导向器弧段(10)中使用的替换铸件(30)，所述替换铸件(30)包括：
外环(32)；
至少一个和所述外环(32)一体形成的叶片(34)，所述叶片(34)具有一个在其一端一体形成的固定平台(44)，以及一个和所述固定平台(44)一体形成的的凸台(46)。
26.根据权利要求25所述替换铸件(30)，其特征在于，所述替换铸件(30)还包括在所述凸台(46)上形成的排气孔(48)。
27.根据权利要求25所述替换铸件(30)，其特征在于，所述替换铸件(30)还包括在所述固定平台(44)上形成的一个平的基准面(50)。
28.根据权利要求25所述替换铸件(30)，其特征在于，所述替换铸件(30)还包括在所述叶片(34)和所述固定平台(44)之间形成的圆角。
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