CN1637235A - 冷却的叶片簇 - Google Patents

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Abstract

一种具有增强冷却效果的铸造叶片簇，包括内、外缘板以及至少两个用于轴向向后地引导一次流体流的翼型。内、外端壁表面和相邻翼型的导流表面一起界定了管道的边界。可以在从钻孔设备处无法看到冷却孔位置的情况下利用电火花加工(EDM)方法来在管道中钻出一个或多个冷却孔。处于管道部分内的一个或多个冷却孔从外部位置处看去时是不可见的。另外，当沿着纵向轴线从外部位置看去时，一个或多个冷却孔只有其出口截面区域可见。

Description

冷却的叶片簇
技术领域
本申请公开了与共同未决的美国申请“钻孔导向装置及方法”(代理人档案号EH-10851)相关的主题。该申请的公开内容通过引用结合于本文中。
本发明是在美国海军授予的基金N00019-02-C-3003下通过政府的支持而进行的。政府享有本发明的某些权益。
本发明涉及燃气涡轮发动机的部件，更具体地涉及具有增强冷却效果的铸造叶片簇。
背景技术
燃气涡轮发动机包括压缩机，其用于引导一次流体流轴向向后地穿过燃烧室并进入到涡轮中。涡轮从一次流体流中抽取功率，并通过轴来传递功率，以使安装于前方的压缩机旋转。一次流体流的一部分还被分流为一条或多条用于冷却燃气涡轮发动机中的部件的二次流体流。在涡轮部分中交替地设置了旋转叶片和静叶的环形级。这些叶片和静叶围绕着燃气涡轮发动机的纵向中心轴线周向地布置。
各个涡轮叶片由内缘板、外缘板以及从内缘板径向向外延伸到外缘板上的翼型组成。翼型包括向前的前缘和向后的后缘。翼型在缘板上相对于一次流体流的方向错开，并且相邻叶片的翼型后缘形成了重叠的阵列。相邻叶片的缘板和翼型一起界定了用于向后引导一次流体流的管道。该管道的入口由相邻翼型的前缘和内、外端壁的表面来限定。管道的出口由相邻翼型的后缘和内、外端壁表面来限定。管道区域通常沿着轴向向后的方向收敛。
叶片通常是高强度的镍或钴合金的熔模铸件，并可在一个铸件中包含有多个翼型。具有多个翼型的叶片铸件被称为铸造叶片簇，其具有可减少涡轮级中内缘板接口的数量的优点。内缘板接口的制造成本很高，并且是一次流体流泄漏的一个来源，这会降低燃气涡轮发动机的工作效率。
在需要冷却的铸造叶片簇中，一条或多条中空通道穿过翼形的内部，形成了一系列翼形内表面。中空通道将二次流体流引入到铸造叶片簇的内部。多个冷却孔穿过翼型的壁并进入到中空通道中，使得二次流体流可排放到一次流体流中。各孔均包括入口、出口以及沿着纵向中心轴线从入口延伸到出口的孔体。所述多个冷却孔优选从翼型后缘的方向以相对于铸造叶片簇的表面形成锐角的方式来钻出。钻孔的方向和角度必须保证二次流体流能够沿着基本上向后的方向排放。这便优化了二次流体流的冷却效果，并降低了一次流体流中的空气动力学损耗。
通常在制出了叶片簇铸件后再钻出冷却孔。用于在铸件中钻出冷却孔的标准方法是激光和电火花加工(EDM)。激光钻孔方法利用高能射束的短脉冲，在美国专利No.5037183中显示了一个例子。电火花加工(EDM)钻孔方法使电荷穿过电极和表面之间的间隙，在美国专利No.6403910中显示了一个例子。激光和EDM钻孔方法都需要能够从钻孔设备处看到孔的位置，这便限制了可被钻孔的表面。
由于翼型在铸造叶片簇缘板上错开的原因，管道表面的一些部分被翼型后缘挡住，因此不能利用传统的激光或EDM钻孔方法来钻孔。如果冷却孔可在管道表面上的任何需要的位置处加工出来的话，那么将极大地提高铸造叶片簇的耐用性。所需要的是这样一种铸造叶片簇，其具有可在从钻孔设备处无法看到孔位置的情况下钻入到管道部分内的冷却孔。
发明内容
本发明提供了一种铸造叶片簇，其具有可在从钻孔设备处无法看到孔位置的情况下钻入到加工表面内的冷却孔。
根据一个示例性实施例，具有增强冷却效果的铸造叶片簇包括内、外缘板，以及至少两个用于轴向向后地引导一次流体流的翼型。管道由内、外端壁表面和相邻翼型的导流表面来限定。管道边界包括至少一个用于引导二次流体流的冷却孔，以便增强冷却和延长铸造叶片簇的寿命。
结合以示例方式显示了具有增强冷却效果的一个优选实施例R铸造叶片簇的附图，便可从下述详细描述中清楚其它的特征和优点。
附图说明
图1是燃气涡轮发动机沿着纵向轴线的简化示意图。
图2是在图1所示燃气涡轮发动机中使用的一种类型的铸造叶片簇的轴测图。
图3是图2所示铸造叶片簇的顶面剖视图，其显示了被挡住的表面区域。
图4是用于在铸造叶片簇的被挡住表面区域内钻孔的钻孔导向装置的一个实施例的轴测图。
图5是用于在铸造叶片簇的被挡住表面区域内钻孔的钻孔导向装置的另一实施例的轴测图。
图6是图2所示铸造叶片簇的顶面剖视图，其显示了处于适当位置的图4所示的钻孔导向装置。
图7是图2所示铸造叶片簇的侧面剖视图，其显示了处于适当位置的图4所示的钻孔导向装置。
图8是图2所示铸造叶片簇的侧面剖视图，其显示了处于适当位置的图5所示的钻孔导向装置。
图9是图2所示铸造叶片簇的冷却孔的局部剖视图。
具体实施方式
在图1中显示了具有纵向中心轴线12的燃气涡轮发动机10。燃气涡轮发动机10包括压缩机部分14、燃烧室部分16和涡轮部分18。一次流体流20从压缩机部分14中被轴向向后地引导，穿过燃烧室部分16并进入到涡轮部分18中。在压缩机部分14中，一次流体流20的一部分被分流为一条或多条绕过燃烧室部分16的二次流体流22，其用于冷却燃气涡轮发动机10中的部件。涡轮部分18通常包括多级交错布置的旋转叶片24和静叶26。多个叶片可铸造成一个工件，其通常称为铸造叶片簇32(如图2所示)。
铸造叶片簇32包括内缘板34、外缘板36以及至少两个从内缘板34径向向外地延伸到外缘板36中的翼型38。内缘板34具有朝向翼型的内端壁表面40，以及一个或多个背对翼型的内腔42(如图7和8所示)。外缘板36具有朝向翼型的外端壁表面44，以及一个或多个背对翼型的外腔46。如图3所示，各翼型38均包括下凹的导流表面48、凸起的导流表面50、向前的前缘52以及向后的后缘54。如图2所示，缘板的端壁表面40，44以及翼型的导流表面48，50一起构成了管道56，其用于向后引导一次流体流20。一条或多条中空通道58延伸穿过翼型38的内部，将内腔42和外腔46连接起来(如图8所示)。在可沿着钻孔设备方向60看到的表面上，可利用传统的激光或电火花加工(EDM)钻孔方法来钻出多个冷却孔62。
如图9所示，典型的冷却孔62由入口截面区域65、出口截面区域66和孔体67组成。孔体67沿着纵向中心轴线68从入口截面区域65延伸穿过翼型壁94而到达出口截面区域66。虽然该示例显示了具有圆形的入口截面区域65和出口截面区域66的冷却孔62，然而应当理解，可以使用任意的形状。另外，冷却孔62可穿过内缘板34或外缘板36以及翼型壁94。
图6、7和8显示了铸造叶片簇的一个示例性实施例，其包括一个或多个设于管道56(如图2所示)的被挡住区域64(如图3所示)中的冷却孔62。管道56轴向地延伸穿过缘板端壁表面40，44的一部分，并径向地延伸穿过翼型导流表面48，50的一部分。当从外部位置看去时，设于管道56部分中的一个或多个冷却孔62可能是看不到的。另外，当从外部位置沿着纵向轴线68看去时，一个或多个冷却孔62可能只有一个可见的出口截面区域66。利用一种或多种下述钻孔导向装置和方法，便可制出具有上述增强冷却效果的示例性铸造叶片簇。
图4显示了钻孔导向装置70的一个实施例，其可在从钻孔设备处无法看到所需孔位置的情况下将柔性的钻孔器具72引导至加工表面上。钻孔导向装置70包括主体74、一个或多个进入孔76、一个或多个出口孔78，以及非线形的空心通路80，这些通路80将各自对应的进入孔76和出口孔78连接起来。在该示例中显示了三条通路；然而可以使用任意数量的通路。进入孔76可包括锥形、钟形或类似形状的入口82，以便简化柔性钻孔器具72的插入。通路80具有与柔性钻孔器具72相似的截面形状，并且其截面面积略大一些。柔性钻孔器具72和非线形通路80之间所需的间隙取决于钻孔导向装置70的材料和非线形通路80的弯曲程度。在该示例中采用了约0.004英寸的径向间隙。各出口孔78均穿透了钻孔导向装置70的大致匹配的表面84。出口孔78相对于工件的被挡住表面的位置由该大致匹配的表面84以及诸如辊、销、凸台、球、突起86等其它定位特征来控制。压耳88允许在定位后将钻孔导向装置70刚性地固定在工件上。
图5显示了钻孔导向装置70的另一实施例。在所示实施例中，钻孔导向装置70包括主体74以及与工件的内腔或通道大致匹配的表面84。压耳88允许在定位后将钻孔导向装置70刚性地固定在工件上，其包括一个或多个进入孔76。一个或多个出口孔78穿透该大致对应的表面84，并通过一条或多条非线形通路80而与进入孔76相连。在该例子中显示了三条非线形通路；然而可以使用任何数量的通路。
在各个上述实施例中，柔性钻孔器具72是EDM电极。EDM电极由直径在约0.009-0.016英寸之间的柔性电导线形成。对于非圆形孔而言，可以使用具有相当尺寸的柔性的导电箔条。钻孔导向装置70的主体74优选由电绝缘材料通过使用固体自由成型制造、铸造、模制、机加工或任何其它合适技术来制成。或者，主体74可由导电材料形成，而非线形通路80则可涂覆电绝缘材料。
如图6所示，在钻孔方法的一个方面中，采用钻孔导向装置70来将EDM电极72引导到铸造叶片簇32的被挡住表面区域64(如图3所示)的一部分上。在该示例中，被挡住的表面区域位于翼型的凸起导流表面50上。铸造叶片簇32利用传统的加工夹具90而被装在单轴或多轴式EDM加工站上。在该示例中使用了AMCHEM型HSD6-11高速EDM加工站。将钻孔导向装置70置于铸造叶片簇32的管道56中(如图2所示)，并通过匹配表面84和定位特征86而相对于铸造叶片簇32精确地定位。钻孔导向装置70通过与压耳88相接触的夹具92而刚性地固定。将EDM电极72插入到进入孔76中并沿着非圆形通路80推进，直到电极接触到翼型的凸起导流表面50为止。一旦被装入到通路80中，EDM电极72就被固定在EDM加工站上，并穿过翼型壁94而进入到中空通道58中，从而形成孔62。在加工出孔62之后撤回EDM电极72，并根据需要重复该过程。
如图7所示，在钻孔方法的另一方面中，采用钻孔导向装置70来将EDM电极72引导到铸造叶片簇32的被挡住表面区域64(如图3所示)的一部分上。在该示例中，被挡住的表面区域位于内端壁表面40上。铸造叶片簇32利用传统的加工夹具90而被装在单轴或多轴式EDM加工站上。在该示例中使用了AMCHEM型HSD6-11高速EDM加工站或类似的装置。将钻孔导向装置70置于铸造叶片簇32的管道56中(如图2所示)，并通过匹配表面84而相对于铸造叶片簇32精确地定位。钻孔导向装置70通过与压耳88相接触的夹具92而刚性地固定。将EDM电极72插入到进入孔76中并沿着非圆形通路80推进，直到电极接触到内端壁表面40为止。一旦被装入到通路80中，EDM电极72就被固定在EDM加工站上，并穿过内缘板34而进入到叶片簇32的内腔42中，从而形成孔62。在加工出孔62之后撤回EDM电极72，并根据需要重复该过程。
如图8所示，在钻孔方法的另外一个方面中，采用钻孔导向装置70来将EDM电极72引导到铸造叶片簇32的被挡住表面区域64(如图3所示)的一部分上。在该示例中，被挡住的表面区域位于翼型的下凹导流表面48上，并可经由中空通道58而接触到。铸造叶片簇32利用传统的加工夹具90而被装在单轴或多轴式EDM加工站上。在该示例中使用了AMCHEM型HSD6-11高速EDM加工站或类似的装置。将钻孔导向装置70插入到铸造叶片簇32的中空通道58中，并通过匹配表面84和定位特征86而相对于中空通道58精确地定位。钻孔导向装置70通过与压耳88相接触的夹具92而刚性地固定。将EDM电极72插入到进入孔76中并沿着非圆形通路80推进，直到电极接触到中空通道58的表面为止。一旦被装入到通路80中，EDM电极72就被固定在EDM加工站上，并穿过翼型壁94，从而形成孔62(未示出)。在加工出孔62之后撤回EDM电极72，并根据需要重复该过程。
在上文中已经介绍了具有增强冷却效果的铸造叶片簇及其制造方法。本领域的技术人员应当理解，在不脱离如所附权利要求所述的本发明的精神和范围的前提下，可对本发明进行多种修改。

Claims (11)

1.一种叶片簇，包括：
具有内端壁表面和内腔的内缘板；
具有外端壁表面和外腔的外缘板，其中所述外缘板在所述内缘板的外侧与之径向间隔开，而所述外端壁表面朝向所述内端壁表面；
至少两个在所述内端壁表面和外端壁表面之间延伸的翼型，各所述翼型都包括下凹表面、凸起表面、前缘和设于所述前缘的轴向后方的后缘，其中相邻翼型的所述下凹表面和凸起表面相互面对；
由所述相邻的下凹表面和凸起表面以及所述内端壁表面和外端壁表面界定的管道；
至少一个包括入口截面区域和出口截面区域的孔；和
其中，所述至少一个孔的出口截面区域设于所述管道的边界上。
2.一种叶片簇，包括：
具有内端壁表面和内腔的内缘板；
具有外端壁表面和外腔的外缘板，其中所述外缘板在所述内缘板的外侧与之径向间隔开，而所述外端壁表面朝向所述内端壁表面；
至少两个在所述内端壁表面和外端壁表面之间延伸的翼型，各所述翼型都包括下凹表面、凸起表面、前缘和设于所述前缘的轴向后方的后缘，其中相邻翼型的所述下凹表面和凸起表面相互面对；
由所述相邻的下凹表面和凸起表面以及所述内端壁表面和外端壁表面界定的管道；
至少一个包括入口截面区域和出口截面区域的孔；和
其中，当从所述管道区域之外的位置处看去时，所述至少一个孔是不可见的。
3.根据权利要求2所述的叶片簇，其特征在于，所述外部位置位于所述后缘的轴向后方。
4.根据权利要求2所述的叶片簇，其特征在于，所述外部位置位于所述前缘的轴向前方。
5.一种叶片簇，包括：
具有内端壁表面和内腔的内缘板；
具有外端壁表面和外腔的外缘板，其中所述外缘板在所述内缘板的外侧与之径向间隔开，而所述外端壁表面朝向所述内端壁表面；
至少两个在所述内端壁表面和外端壁表面之间延伸的翼型，各所述翼型都包括下凹表面、凸起表面、前缘和设于所述前缘的轴向后方的后缘，其中相邻翼型的所述下凹表面和凸起表面相互面对；
由所述相邻的下凹表面和凸起表面以及所述内端壁表面和外端壁表面界定的管道；
由所述至少两个翼型的前缘、所述内端壁表面和所述外端壁表面界定的管道入口区域；
由所述至少两个翼型的后缘、所述内端壁表面和所述外端壁表面界定的管道出口区域；
至少一个孔，其包括入口截面区域、出口截面区域以及在所述入口和所述出口区域之间延伸的孔体，其中所述孔体具有纵向中心轴线；和
其中，所述至少一个出口截面区域设于所述管道的边界上，当沿着所述纵向轴线从外部位置处看去时，所述至少一个入口截面区域是不可见的。
6.根据权利要求5所述的叶片簇，其特征在于，所述外部位置位于所述管道入口区域的前方。
7.根据权利要求5所述的叶片簇，其特征在于，所述外部位置位于所述管道出口区域的后方。
8.根据权利要求5所述的叶片簇，其特征在于，所述叶片簇还包括至少一个延伸穿过翼型的中空通道，所述至少一个中空通道与所述内腔和外腔相通，并形成了翼型的内表面。
9.根据权利要求8所述的叶片簇，其特征在于，所述至少一个孔的入口截面区域设于所述翼型内表面上。
10.根据权利要求9所述的叶片簇，其特征在于，所述至少一个孔利用电火花加工方法来形成。
11.根据权利要求10所述的叶片簇，其特征在于，所述至少一个孔的出口截面区域是圆形的。
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