CN1636662A - 钻孔导引装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于将柔性钻孔工具引导到表面阻障区域的装置,其包括:本体;至少一个入口孔;至少一个出口孔;和连接所述入口孔和出口孔的中空非直线形通道。一种在阻障表面区域中钻孔的方法,其包括:将钻孔导引装置定位到该表面附近;引导该柔性钻孔装置,如放电加工电极,使得该装置沿非直线形通道钻孔。
Description
〔相关的申请〕
本申请涉及的主题与美国未授权的申请“冷却涡轮叶轮组”(申请人的文件号EH-11065)有关。在此作为参考对其进行引用。
〔由联邦政府资助的研究或开发项目的声明〕
本发明在美国海军授权的N00019-02-C-3003项目下通过政府资助而完成。美国政府也享有本发明一定的权利。
〔技术领域〕
本发明涉及一种在从钻孔设备向孔位置视线方向看不到孔位的表面上,更具体地说是在铸造叶轮组的表面上进行钻孔的装置和EDM方法。
〔背景技术〕
燃气轮机包括压缩机,其用于引导主流体流沿轴向向后经燃烧室流入涡轮中。涡轮从主流体流提取能量并通过轴传递能量使前面安装的压缩机转动。一部分主流体流还流向一个或多个次流体流,以便用于对燃气轮机的部件进行冷却。交替布置的环形多级转动叶片和固定叶片设置在涡轮区段中。叶片和叶轮围绕燃气轮机的纵向中心线沿周向布置。
单个涡轮叶轮由一个内平台部分、一个外平台部分和一个从内平台部分向外平台部分沿径向向外横跨的翼形叶身构成。翼形叶身包括向前的前缘和向后的后缘。翼形叶身相对于主流体流方向交错地布置在平台部分上,相邻叶轮的翼形叶身后缘形成一个交叠的阵列。平台部分和相邻叶轮的翼形叶身一起形成一个用于引导主流体流向后流动的通道。通道区域大致会聚在向后的方向上。
叶轮通常由高强度的镍或钴合金熔模铸造而成,并可在一个铸件内包含多个翼形叶身。具有多个翼形叶身的叶轮铸件被称为铸造叶轮组,其优点是减少了一个涡轮级中内部平台界面的数目。内部平台界面制造成本高,并且是主流体流发生泄漏的源头,主流体流发生泄漏会降低燃气轮机的工作效率。
在需要进行冷却的铸造叶轮组中,一个或多个中空通道延伸穿过翼形叶身的内部,以便引导次流体流流过。多个冷却孔穿过翼形叶身的壁并伸入到中空通道中,以允许次流体流排入到主流体流中。最好,从翼形叶身的后缘方向并以锐角角度在铸造叶轮组的表面上钻出多个冷却孔。钻孔的方向和角度必须保证次流体流大致沿向后的方向排出。这就优化了次流体流的冷却效率并降低了主流体流的气动损失。
通常,在制造好叶轮组铸件之后钻冷却孔。用于在铸件上钻冷却孔的标准方法是激光和放电加工(EDM)。激光钻孔法是采用短脉冲高能量激光束,US5037183就公开了这样一种钻孔方法。放电加工(EDM)钻孔方法使电荷从电极与表面之间的间隙穿过,US6403910就公开了这样一种钻孔方法。激光和EDM钻孔法都要求从钻孔设备的视线方向可看到孔位,因此限制了可进行钻孔的表面。
由于位于铸造叶轮组平台部分上的翼形叶身交错布置,因此,通道的部分表面被翼形叶身的后缘遮挡住,而不能采用普通激光或EDM钻孔法进行钻孔。因此,需要提供一种在从钻孔设备视线方向看不到孔位的表面上进行钻孔的装置和方法。
〔发明内容〕
本发明提供一种在从钻孔设备视线方向看不到孔位的表面上进行钻孔的装置和EDM方法。
按照本发明优选实施例的装置,用于引导柔性钻孔工具的钻孔导引装置包括:由电绝缘材料制成的本体;穿透所述本体的表面的至少一个入口孔;穿透所述本体的表面的至少一个出口孔,和连接所述入口孔和出口孔的中空非直线形通道。
按照本发明优选实施例的钻孔方法,利用前述的钻孔导引装置在从钻孔设备视线方向看不到孔位的表面上进行钻孔。将钻孔导引装置设置在表面阻障区域附近。将柔性钻孔工具插入到入口孔并沿非直线形通道前移。最后,在该表面上用工具进行钻孔。
本发明其它的特点和优点可从下面结合附图的详细描述中清楚得出,说明书通过例子阐述了本发明优选实施例的装置和方法的原理。
〔附图说明〕
图1是燃气轮机沿纵向轴线的示意简图。
图2是用于图1所示燃气轮机的铸造叶轮组的等角投影图。
图3是图2所示铸造叶轮组的截面顶视图,其示出了阻障表面区域。
图4是钻孔导引装置的一个实施例的等角投影图。
图5是钻孔导引装置的另一个实施例的等角投影图。
图6是图2所示铸造叶轮组的截面顶视图,其示出了已安装就位的图4所示钻孔导引装置。
图7是图2所示铸造叶轮组的截面侧视图,其示出了已安装就位的图4所示钻孔导引装置。
图8是图2所示铸造叶轮组的截面侧视图,其示出了已安装就位的图5所示钻孔导引装置。
〔具体实施方式〕
图1示出了具有纵向中心线12的燃气轮机10。燃气轮机包括压缩区段14、燃烧室区段16和涡轮区段18。主流体流20从压缩区段14沿轴向向后经燃烧室区段16并流入到涡轮区段18中。在压缩区段14内,一部分主流体流20流向一个或多个绕过燃烧室区段16的次流体流22,以便于对燃气轮机10中的部件进行冷却。涡轮区段18通常包括多级交替布置的转动叶片24和固定叶片26。多个叶轮可铸造成一个通常被称为铸造叶轮组32(如图2所示)的整体部件。
铸造叶轮组32由一个内平台部分34、一个外平台部分36和至少两个从内平台部分34向外平台部分36沿径向向外横跨的翼形叶身38构成。内平台部分34具有面向翼形叶身的内端壁表面40和一个或多个背向翼形叶身的内侧空腔42(如图7和8所示)。外平台部分36具有面向翼形叶身的外端壁表面44和一个或多个背向翼形叶身的外侧空腔46。如图3所示,每个翼形叶身38由凹形流体引导表面48、凸形流体引导表面50、向前的前缘52和向后的后缘54构成。总之,如图2所示,平台部分的端壁表面40、44和翼形叶身的流体引导表面48、50形成一个用于引导主流体流20向后流动的通道56。一个或多个中空通道58延伸穿过翼形叶身38的内部,并连接内侧空腔42和外侧空腔46(如图8所示)。在沿钻孔设备方向60的视线方向所视的表面上,通过普通激光或放电加工EDM钻孔法钻出多个冷却孔62。
图3示出了通道56的不能从钻孔设备方向60视线方向看到的阻障区域64。阻障区域64沿轴向延伸跨过部分的图2所示的平台部分端壁表面40、44,并沿径向延伸跨过部分的翼形叶身流体引导表面48、50(如图3所示)。在阻障区域64,通过普通激光或放电加工EDM钻孔法不能钻出具有适当方向和角度的孔。
图4示出了钻孔导引装置70的一个实施例,该钻孔导引装置可将一个柔性的钻孔工具72引导到一个从钻孔设备视线方向看不到所要求孔位的表面上。钻孔导引装置70包括一个本体74、一个或多个入口孔76、一个或多个出口孔78和一个连接每个相应的入口孔76和出口孔78的中空非直线形通道80。在该实施例中示出了三条通道;但也可采用其它任意数目的通道。入口通道76可包括一个锥形、钟形或类似形状的入口82,以便于插入柔性钻孔工具72。通道80与柔性钻孔工具72具有类似的横截面形状,且横截面面积略大于柔性钻孔工具。柔性钻孔工具72和非直线形通道80之间所要求的间隙取决于钻孔导引装置70的材料和非直线形通道80的弯曲度。在该实施例中,径向间隙大约为0.004英寸。每个出口孔78穿透钻孔导引装置70的大致相符的表面84。出口孔78相对于物件的阻障表面的位置由大致相符的表面84和其它的定位结构例如辊子、销、凸耳、球、凸缘86确定。定位时,夹紧凸缘88可使钻孔导引装置70牢固地固定到物件上。
图5示出了钻孔导引装置70的另一个实施例。在图示实施例中,钻孔导引装置70包括本体74和大致与物件的内腔或通道相符的表面84。定位时,夹紧凸缘88可使钻孔导引装置70牢固地固定在物件上,而且,夹紧凸缘88包括一个或多个入口孔76。一个或多个出口孔78穿透大致相符的表面84,并通过一个或多个非直线形的通道80与入口孔76相连。在图示实施例中,设有三条通道,但也可采用其它任意数目的通道。
在上述每个实施例中,柔性钻孔工具72是放电加工(EDM)电极。EDM电极由直径大约为0.009-0.016英寸的柔性导电导线制成。对于非圆形孔,可采用相应尺寸的柔性导电薄片条。钻孔导引装置70的本体74最好由电绝缘材料通过固体自由成形制造、铸造、模制、机械加工或其它任何适当的技术制成。另外,本体74可由导电材料制成,且非直线形通道80可涂覆有电绝缘材料。
在一种钻孔方法中,如图6所示,利用钻孔导引装置70将EDM电极72引导到叶轮组32的一部分阻障表面区域64(如图3所示)上。在该实施例中,阻障表面区域位于翼形叶身的凸形流体引导表面50上。利用普通的工具夹具90将叶轮组32装载到一个单轴线或多轴线的EDM工作站上。在该实施例中,采用AMCHEM的型号为HSD6-11的高速EDM工作站。将钻孔导引装置70设置在叶轮组32的通道56(如图2所示)中,并通过相符表面84和定位结构86使其相对于叶轮组32准确定位。通过与夹紧凸缘88接合的夹具92将钻孔导引装置70牢固地固定。将EDM电极72插入到入口孔76中,并沿非直线形通道80前移,直到电极与翼形叶身的凸形流体引导表面50相接触。一旦将EDM电极装入通道80,就将EDM电极72固定到EDM工作站上,并穿透翼形叶身的壁94而进入一个中空的通道58,从而形成孔62。在完成孔62的加工后,缩回EDM电极72,并按照要求重复该过程。
在另一种钻孔方法中,如图7所示,利用钻孔导引装置70将EDM电极72引导到叶轮组32的一部分阻障表面区域64(如图3所示)上。在该实施例中,阻障表面区域位于内端壁表面40上。利用普通的工具夹具90将叶轮组32装载到一个单轴线或多轴线的EDM工作站上。在该实施例中,采用AMCHEM的型号为HSD6-11的高速EDM工作站或等同的设备。将钻孔导引装置70设置在叶轮组32的通道56(如图2所示)中,并通过相符表面84使其相对于叶轮组32准确定位。通过与夹紧凸缘88接合的夹具92将钻孔导引装置70牢固地固定。将EDM电极72插入到入口孔76中,并沿非直线形通道80前移,直到电极与内端壁表面40相接触。一旦将EDM电极装入通道80,就将EDM电极72固定到EDM工作站上,并穿透内平台部分34而进入叶轮组32的内侧空腔42,从而形成孔62。在完成孔62的加工后,缩回EDM电极72,并按照要求重复该过程。
在又一种钻孔方法中,如图8所示,钻孔导引装置70将EDM电极72引导到叶轮组32的一部分阻障表面区域64(如图3所示)上。在该实施例中,阻障表面区域位于翼形叶身的凹形流体引导表面48上,并可通过中空通道58接近它。利用普通的工具夹具90将叶轮组32装载到一个单轴线或多轴线的EDM工作站上。在该实施例中,采用AMCHEM的型号为HSD6-11的高速EDM工作站或等同的设备。将钻孔导引装置70插入到叶轮组32的中空通道58中,并通过相符表面84和定位结构86使其相对于中空通道58准确定位。通过与夹紧凸缘88接合的夹具92将钻孔导引装置70牢固地固定。将EDM电极72插入到入口孔76中,并沿非直线形通道80前移,直到电极与中空通道58的表面相接触。一旦将EDM电极装入通道80中,就将EDM电极72固定到EDM工作站上,并穿透翼形叶身的壁94,从而形成孔62(未示出)。在完成孔62的加工后,缩回EDM电极72,并按照要求重复该过程。
前述实施例已描述了一种在从钻孔设备的视线方向看不到孔位的表面上进行钻孔的装置和方法。虽然本发明是通过在燃气轮机叶轮组的阻障表面上进行钻孔而进行描述和图示的,但应当理解,本发明还可用于需要在阻障表面上进行钻孔的任何物件。显然,对于本领域技术人员来说,在不脱离本发明权利要求书所描述的本发明宗旨和范围的情况下,还可做出各种的变型。
即,本发明涉及一种用于引导柔性钻孔工具的钻孔导引装置,其包括:由电绝缘材料制成的本体;穿透所述本体的表面的至少一个入口孔;穿透所述本体的表面的至少一个出口孔;和连接所述入口孔和出口孔的中空非直线形通道。
Claims (7)
1.一种用于将柔性钻孔工具引导到表面阻障区域的装置,其包括:
本体,其中,所述本体包括一个或多个外表面并由电绝缘材料制成;
入口孔,其中,所述入口孔穿透所述本体的表面,用于插入柔性钻孔工具;
出口孔,其中,所述出口孔穿透所述本体的表面;
穿过所述本体延伸并连接所述入口孔和出口孔的通道,其中,所述通道具有一定的横截面面积,并且是非直线形的。
2.根据权利要求1所述的装置,其中,所述本体还包括与表面阻障区域大致相符的表面。
3.根据权利要求2所述的装置,其中,所述出口孔通过所述大致相符的表面穿透所述本体。
4.根据权利要求3所述的装置,其还包括:位于一个用于与表面接触并使所述出口孔相对于表面阻障区域准确定位的表面上的定位装置。
5.根据权利要求4所述的装置,其中,所述通道的横截面是圆形的。
6.根据权利要求1所述的装置,其中,电绝缘材料是光处理聚合物。
7.根据权利要求3所述的装置,其中,所述入口孔通过一个与所述大致相符的表面不同的表面穿透所述本体。
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