CN1392809A - 制造涡轮叶片的方法和装置以及相应制造的叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造涡轮机(10)叶片(13；14)的装置和方法，该叶片包括两个外壁(17、18)和至少一个位于两外壁(17、18)之间的空腔(24；25；26；27)。其中，采用一个外型模(30)和多个型芯(34、35)来形成叶片(13、14)的外壁(17、18)和至少一个空腔(24；25；26；27)。至少一个所述空腔(26；27)被一个中间隔板(28)分为两个通道(26a；26b；27a；27b)。一个通道(26a；27a)位于第一外壁(17)与中间隔板(28)之间，而另一通道(26b；27b)位于中间隔板(28)与第二外壁(18)之间。因此，相应地采用了彼此隔开的两个型芯(34、35)。这为减小外壁(17、18)的壁厚提供了一种简单而又经济的手段。

Description

制造涡轮叶片的方法和装置以及相应制造的叶片
本发明涉及一种制造涡轮叶片的装置，该叶片具有两个外壁和至少一个在两外壁之间设置的空腔，该装置具有一个外型模和多个形成所述外壁和至少一个空腔的型芯。
本发明还涉及一种制造涡轮叶片的方法，该叶片具有两个外壁和至少一个设置在两外壁之间的空腔，该方法中采用一个外型模和多个形成所述外壁和所述至少一个空腔的型芯。
本发明的另一个主题是一个涡轮叶片，特别是燃气轮机的涡轮叶片，其具有两个外壁和至少一个设置在两外壁之间的空腔。
叶片，特别是燃气轮机的叶片由于很高的运行温度必须从内部冷却。为此，叶片具有一个或多个空腔。在迄今公知的叶片中，这些空腔从叶片的一外壁一直延伸到另一外壁。为了形成各空腔，分别设置一段型芯。各段型芯彼此连接。在铸造工艺中，型芯装在一用于制造叶片的外型模的合适的凹穴中。在此，型芯的长度可以采用一个较大的值。
在从内部冷却的叶片中，外壁的壁厚应该选择得尽可能小。通过采用较小的壁厚，可以使冷却效果明显地改善。但在各种情况下，最小的壁厚都必须大于壁厚公差。否则的话，就存在着在铸造时型芯移动或者变形的危险，这种变形会导致型芯与外壁接触，使得制造出的叶片带有孔洞。因此，在实践中仍必须选择一个较大的壁厚。
公知方法的另一个缺点是铸造时型芯的移位对叶片的两外壁产生影响。其原因是型芯从一个外壁延伸到另一外壁。因此，在这种公知的方法中，必须高度精确地加工型芯。在加工型芯时出现的公差也必须考虑进去。
为了改善冷却，已公知的叶片中有带有中空壁的叶片。这样一种叶片以及其制造方法和装置在本申请人以前的另一专利申请文献WO99/59748中公开。这一文献中建议采用多个型芯，它们通过连接件彼此连接并与外型模连接。该文献中所涉及的是一种复杂且成本高的制造方法。
因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种简单而又成本合理的制造小壁厚叶片的装置和成本合理的制造小壁厚叶片的方法。本发明所要解决的另一技术问题是提供一种涡轮叶片，其外壁的壁厚明显地更小。
在本发明所提供的装置中，各型芯具有至少一段从相应的外壁延伸到叶片的一个中间隔板的型芯块，该型芯块无需参与对另一外壁的构造。
按照本发明的方法的特征在于，对各型芯的至少一段型芯块这样来支撑，使该型芯的型芯块的外侧与外型模内壁之间的距离与另一型芯的型芯块的外侧与外型模内侧之间的距离无关，因此，两外壁的壁厚至少在各型芯块的区域内彼此无关地构造。
本发明关于叶片的技术问题在本文开头所述类型的叶片上这样来解决，即，至少一个所述空腔被一个中间隔板分隔为两条通道，其中，一个通道设置在一个外壁与中间隔板之间，另一通道则设置在中间隔板与另一外壁之间。
本发明的基本思想在于，叶片的两外壁的制造至少分段地彼此独立进行。叶片的至少一个空腔被一个中间隔板分隔为两通道。其中的一个通道从第一外壁延伸到中间隔板，另一通道从中间隔板延伸到第二外壁。另外，提供多个型芯。其中，一个第一型芯具有一个或多个用于形成第一外壁与中间隔板之间的通道的型芯块。另一通道由一第二型芯的型芯块形成，该型芯与第一型芯分开设置。可能使其中一个外壁的壁厚改变的第一型芯的移动和变形不会传递到第二型芯上。因此，两外壁的壁厚至少分区域地相互独立构造。
按照本发明的方法，这样来支撑各型芯的用于形成两通道的型芯块，即，应保证所述叶片外壁有一个最小的壁厚。为此，比较有利地是采用支撑在外型模的内壁上的凸起。
在型芯的制造中，只剩下朝向外型模的内侧的所述型芯块的外侧对于外壁的壁厚还起到关键的作用。特别是，该型芯块对应于中间隔板的一侧可以具有较大的公差。这样可以明显地改善对于外壁壁厚来说起决定作用的型芯外侧的加工精度。全部的公差都转移到中间隔板区域。但这样对于冷却效果并没有负面影响，因为中间隔板不直接受到流过涡轮机的热流体的冲击。而且中间隔板还在两侧通过通道受到冷却。在外壁壁厚较小的情况下，中间隔板还提供了叶片所需的强度。
本发明的有利的实施形式在从属权利要求中提出。
按照本发明的一个有利的实施形式，型芯带有用于支撑在外型模上的凸起。这些型芯最好在铸造时相互支撑，并被压向外型模的内侧。这种支撑可以借助于刚性的，特别是楔形的或者弹性的间隔保持件实现。
在这种优选的实施形式中，对于外壁要可靠地保证最小的壁厚。型芯相互支撑避免了型芯向内移动。对于型芯的制造这意味着只需高精度地制造其朝向外型模内侧的外侧。由于两型芯相互支撑，另一外侧的尺寸精确度就不那么重要了。此外，由于型芯相互支撑，刚度也比公知的装置和方法提高了。这样就减小了铸造时型芯的移动或变形。外壁壁厚的公差跨度(Toleranzspanne)也因此明显地减小了，因此，可以设置总体上较薄的外壁。
比较有利的是，用于支撑在外型模上的凸起从型芯向外逐渐缩小。它们尤其可以设计成锥形。这样就保证了在外壁上只有点状的开口，通过这种开口只能流出很少的冷却介质。尽管是支撑在外壁的内侧上，但是仍可以保持所希望的冷却效果。
型芯可以沿叶片的纵向固定在外型模的一接收部分的一端或两端。如果在横向上通过型芯上的所述凸起支撑，只在纵向上固定就足够了。这样，在制造蜡具和铸造时保证了型芯的位置。
比较有利的是，为了构成多个空腔，用多个肋将所述外壁彼此连接。这样，在叶片的各区域都得到了有针对性的冷却，同时又提高了强度。
按照一个有利的实施形式，在叶片的前缘和/或后缘处，空腔中没有中间隔板。其原因是，在前缘区域需要高效果的冷却。在中间隔板的入流区域，冷却效果受到影响。这对于后缘也是一样。
在有利的实施形式中，中间隔板的壁厚比外壁的壁厚大。这样，由中间隔板和肋来保证所需要的叶片强度。外壁的壁厚可以相应地小。
下面结合附图中示意性地示出的一实施例详细地描述本发明。附图中：
图1是燃气轮机的纵剖面简图；
图2是涡轮机一动叶片的横截面图；
图3是按照本发明的叶片制造装置的横截面图；
图4是型芯支撑在本发明装置中的侧视简图；
图5是类似于图4所示的另一实施例的视图；
图6是对于图5的俯视图。
图1示出一燃气轮机10的纵剖面简图，该燃气轮机具有一壳体11和一转子12。在壳体11上装有静叶片13，在转子12上装有动叶片14。一种热介质，特别是一种气体沿箭头15的方向流过涡轮机10。由于这种流动，转子12相对于壳体11绕轴线16旋转。由于高温，必须从内部冷却叶片13、14。
图2示出涡轮机10的一动叶片14的一横截面。静叶片13的结构与之基本上相似。动叶片14具有两个外壁17和18，它们通过三条肋19、20、21连接。肋19、20、21大致垂直于外壁17和18。外壁17和18在其两端过渡形成一个前缘22和一个后缘23。气体沿箭头15的方向从前缘22向后缘23流过叶片14。
肋19、20、21将外壁17和18之间的中间空间分成多个空腔24、25、26、27。在动叶片14的中间的空腔26和27被一个中间隔板28各分成两个通道26a、26b、27a、27b。通道26a、27a位于第一外壁17与中间隔板28之间。另外的两个通道26b、27b位于中间隔板28与第二外壁18之间。在前缘22和后缘23区域内的空腔24、25没有中间隔板28。
中间隔板28的壁厚D大于外壁的壁厚d。中间隔板28从前肋19穿过中间肋20延伸到后肋21。其大致沿动叶片14的轴向的翼型中线设置。中间隔板28与肋19、20、21一起提供了运行时动叶片14所需的强度。于是，外壁可以设计得较薄。
图3示出按照本发明的用于制造叶片13、14的装置的横截面。外型模30带有两个型模部分31、32，它们按照箭头33的方向彼此分开或相对合拢地移动。在两个型模部分31、32之间插入两个彼此隔开的型芯34、35。第一型芯34具有三个型芯块36a、37a、38a。型芯块36a、37a用于形成通道26a、27a。型芯块38a形成前缘22区域内的空腔24。
第二型芯35基本相似，由型芯块36b、37b、38b构成。在这里也是两个型芯块36b、37b形成通道26b、27b。在后缘23区域内的空腔25由型芯块38b形成。型芯34和35的各段型芯块36ab、37ab、38ab彼此连接。
形成通道26a、26b、27a、27b的型芯块36ab、37ab上都具有凸起39，其构成在外型模30的内壁40上的支撑。凸起39逐渐缩小，为锥形设计。它提供外型模内壁40与型芯块36a、36b、37a、37b的分别相应的外侧46a、46b、47a、47b之间的最小间距。该间距基本上相应于外壁17、18的壁厚d。中间隔板28的壁厚D由型芯块36a、37a与型芯块36b、37b之间的距离确定。
为了制造叶片，只需高精度地加工型芯块36a、36b、37a、37b的外侧46a、47a、46b、47b以及型芯块38a、38b的外侧48a、48b。型芯34和35的另一表面可以具有较高的公差，因为该表面对于确定外壁17和18的壁厚d并不重要。
图4和5示出型芯34和35在装置29中的安装。各型芯34和35的两端具有凸起41和42，其用于固定在按照本发明的装置29的一个图中以虚线表示的接收部分43中。两型芯34和35通过间隔保持件44和45彼此支撑，使得凸起39压向外型模30的内壁40。在图4中示出了采用了刚性间隔保持件44，在图5中示出采用弹性间隔保持件，特别是弹簧45。
在按照本发明的装置中，这样来保证外壁17和18的最小壁厚，即，型芯34和35通过凸起39支撑在内侧40上。由于凸起39逐渐缩小，在制造好的叶片13和14的外壁17和18上只有一个点状孔。型芯34和35相对的移动受到间隔保持件44和45的阻挠。因此，保证了可靠地保持所希望的外壁17和18的壁厚d。可以将迄今所出现的壁厚d的公差明显地减小。因此，可以使壁厚d从一开始就从设计结构上已经相对于公知的叶片13、14和装置29减小了。
另一优点是，外壁17和18的壁厚d不再相互有关。型芯34的移动或变形不会导致外壁18的壁厚d的改变。型芯35的移动或变形也不会导致外壁17的壁厚d的变化。
图6示出图5的一个俯视简图。如图所示，型芯34、35的各型芯块36a、36b、37a、37b、38a、38b彼此固定连接。型芯34、35通过弹性的间隔保持件45相互支撑，并压向内侧40。如果在型芯34、35的全长上分布多个间隔保持件45，则可以将铸造时的移动和变形明显地减小。
为了制造叶片13、14，首先在一个图中未示出的模具中预成型出适合所希望的型芯34、35，接着对其进行烧制。然后将它们放入准备好的外型模30中。将两型芯34、35的型芯块36a、36b、37a、37b的凸起39支撑在外型模30的内侧40上。为此，在两型芯34、35之间放入或者刚性的或者弹性的间隔保持件44、45。然后，将两型芯34和35固定在接收部分43内。
在型芯34、35与外型模30的内壁40之间的间隙中注入一种合适的材料，例如蜡。在蜡凝固后，取下外型模，并使蜡体带有一保护层。该保护层与型芯34、35一样，可以由一种陶瓷材料构成。
带有保护层的蜡具被重新烧制。接着，在保护层与型芯34、35之间的间隙中充入叶片13、14的铸造材料。在这种材料凝固后，以适当的方法取出保护层和型芯34、35，例如利用一种酸或碱液冲洗。
在制造和固定型芯、蜡具和保护层时可以明显地减小在公知的方法和装置中存在的加工和安装公差。因此，叶片13、14的外壁17、18的壁厚明显地减小了。这样就改善了冷却效果。由于采用了中间隔板28，所以保证了叶片13、14所需的强度。

Claims (13)

1.一种制造涡轮机(10)的叶片(13；14)、特别是一种如权利要求10至13中任一项所述叶片的装置，该叶片具有两个外壁(17、18)和至少一个在外壁(17、18)之间设置的空腔(24；25；26；27)，该装置具有一个外型模(30)和多个型芯(34、35)，用于形成外壁(17、18)和所述至少一个空腔(24；25；26；27)，其特征在于：各型芯(34、35)具有至少一个型芯块(36a；36b；37a；37b)，该型芯块从一个相应的外壁(17；18)一直延伸到叶片(13；14)的一个中间隔板(28)，而无需参与对另一外壁(18；17)的构造。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述型芯(34、35)为支撑在外型模(30)上具有凸起(39)。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述凸起(39)从型芯(34、35)起逐渐缩小，特别是呈锥形。
4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于：所述型芯(34、35)借助于刚性的，特别是锥形的或者弹性的间隔保持件(44；45)相互支撑。
5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：所述型芯(34、35)沿叶片(13；14)的纵向固定在外型模(30)的一接收部分(43)的一端或两端。
6.一种制造涡轮机(10)的叶片(13；14)、特别是如权利要求10至13中任一项所述叶片的方法，所述叶片具有两个外壁(17、18)和至少一个在两外壁(17、18)之间的空腔(24；25；26；27)，在该方法中，提供用于形成外壁(17、18)和至少一个空腔(24；25；26；27)的外型模(30)和多个型芯(34、35)，其特征在于：各型芯(34、35)的至少一段型芯块(36a；36b；37a；37b)这样被支撑，使得该型芯(34)的型芯块(36a；36b)的外侧(46a；46b)和外型模(30)的内侧(40)之间的间距与另一型芯(35)的型芯块(37a；37b)的外侧(47a；47b)与外型模(30)的内侧(40)之间的间距无关，从而使两外壁(17、18)的壁厚(d)至少在各段型芯块(36a；36b；37a；37b)的区域内彼此无关地构造。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：两型芯(34、35)通过凸起(39)支撑在外型模(30)的内壁(40)上，以保证外壁(17、18)具有最小的壁厚(d)。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于：两型芯(34、35)相互支撑，并被压向外型模(30)的内壁(40)。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：两型芯(34、35)借助于刚性或弹性的间隔保持件(44；45)相互支撑。
10.一种涡轮机(10)的叶片，特别是燃气轮机的叶片，它具有两个外壁(17、18)和至少一个位于两外壁(17、18)之间的空腔(24；25；26；27)，其特征在于：至少一个空腔由一中间隔板(28)分隔成两通道(26a；26b；27a；27b)，其中，一个通道(26a；27a)位于一个外壁(17)与中间隔板(28)之间，另一个通道(26b；27b)位于中间隔板(28)与另一外壁(18)之间。
11.如权利要求10所述的叶片，其特征在于：所述外壁(17、18)通过多个肋(19、20、21)相互连接，以构成多个空腔(24、25、26、27)。
12.如权利要求11所述的叶片，其特征在于：在前缘(22)和/或后缘(23)处的空腔(24；25)没有中间隔板(28)。
13.如权利要求10至12中任一项所述的叶片，其特征在于：中间隔板(28)的壁厚(D)大于外壁(17、18)的壁厚(d)。
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