CN1644304A - 用于风机叶片的增强前边或后边的制造方法 - Google Patents

用于风机叶片的增强前边或后边的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于风机叶片(1)的前边(10)和/或后边(12)的增强部件(14)的制造方法。特别地，本发明涉及该种类型的非中空部件的SPF/DB(超塑成型/扩散连接)方法的使用。

Description

用于风机叶片的增强前边或后边 的制造方法
技术领域
本发明涉及一种金属前边和/或后边的制造方法，其设计例如用来增强大弦的涡轮机风机叶片。
背景技术
涡轮机风机叶片承受着较高的机械应力，特别是由于其转速的原因，因此，必须满足严格的重量和尺寸条件。其中一个用来减轻叶片重量的方案是采用复合材料来制造这些叶片。然而，涡轮机风机叶片还必须满足严格的使用标准，特别是必须抵抗外界物体的冲击。但是复合材料，尤其是在叶片边缘的复合材料，如果其非常薄则很容易损坏。
已经提出的一种用于解决该问题的方法是，通过将金属部件与叶片的空气动力学轮廓(流线型轮廓)形成一体来加强由复合材料制成的风机叶片的前边。这种金属增强部件(也称作增强前边或后边)随后在不改变叶片的空气动力学轮廓的情况下，被附加到，通常是连接到复合材料制成的叶片的前边和/或后边。该金属部件由两个非常薄的边缘(十分之几毫米厚)在其压力面和吸力面上延伸的几毫米厚的坚固的部件构成。
本发明用于提供一种用作叶片的增强前边和/或增强后边的部件。
发明内容
本发明的一个方面在于解决制造具有复杂几何形状的增强边的机加工技术发展中所固有的问题，本发明涉及增强前边和/或后边的制造方法，包括中空外壳的制造，以及其后切割外壳以获得所需部件。优选地，应用“扩散连接和超塑成型”技术，可能的话包括弯曲-扭转来制造该外壳。优选地，通过激光或高压喷射进行切割。通过机加工该边缘而成型。
根据另外一个方面，本发明涉及用于制造具有增强边外形的部件的扩散连接和超塑成型方法的使用，特别涉及用于叶片的增强后边和/或前边。
附图说明
通过阅读以下参照附图的描述，本发明的特征和优点将会更加容易理解，其中附图仅用于说明本发明而非用于限定本发明，其中：
图1a示出了涡轮机叶片，图1b示出了用于该叶片的增强前边；
图2示意性示出了图1b所示的边缘外壳的立体图，该边缘外壳模制或通过SPF/DB制造；
图3a到3d示意性地示出了根据本发明的用于增强前边的制造方法的步骤，其中图3a示出了形成前边的初始部件；图3b示出了扩散连接之后的在组装步骤中的初始部件；图3c示出了膨胀和超塑性成型中获得的外壳；图3d示出了切割之后通过前边的剖面图。
具体实施方式
图1a示出了带有大弦的风机转子叶片类型的叶片1。该类型的叶片具有复杂的几何形状，并且包括通过端部4在径向方向延伸的根部2。端部4设计为放置在涡轮机气流的循环环形通道内，并具有两个外部表面，分别被称为压力面6和吸力面8，这两个表面通过前边10和后边12连接。通常地，前边10与后边12之间的长度为约600mm。在后边12上，特别在前边10上需要设置增强件13，以防止或仅减缓这些边缘的磨损，特别是在冲击的情况下。
这些增强件13可在其制造过程中直接在叶片上例如通过金属模制来形成。然而，该方案并不总是可行或令人满意的，例如当选择两种不同材料用于叶片和增强件时。尤其是，在叶片由复合材料制造的情况下，由金属(例如钛合金)制造的前边和/或后边的增强件将被分开制造。这种类型的加强边14随后被附加到叶片1上，使其外型尽可能紧密地与叶片配合，以不改变其机械或空气动力学特性。
参见图1a所示的叶片的几何形状，可以很快地推断出增强边14的轮廓也将具有复杂的设计。此外，由于必须保持空气动力学特性并且重量需保持恒定的影响，因此增强边14所需的尺寸增加了额外的限制。图1b示出了这种用于大弦涡轮机风机叶片的增强前和/或后边14的几何形状，该叶片由复合材料或其它材料制成。例如，这种增强前边14的长度为约100mm到150mm范围，优选地为130mm，增强件的坚固部件的高度h为约50mm到60mm，并且边缘的壁厚e为小于2mm，如果可能的话，其厚度在其大部分长度(l-h)上为约0.5mm。
根据本发明，用于制造该复杂轮廓的一个选择是使用中间产品，即通常为中空的增强前边14的外壳16，其中复杂轮廓制造起来非常复杂。参照图2，外壳16包括由前边14形成的外围和附加部件18，该外围限定出腔20。限定该外壳16的优点在于使用中空部件制造方法，随后切除中空部件16以分离出增强前边14。
特别地，例如在文献EP-A-1 338 353中公开并描述了一种制造方法，用于制造复杂的中空几何形状，即特别用于航空领域的SPE/DB“超塑成型/扩散连接”方法。
第一步骤包括模制增强前边轮廓14，例如，如图1b所示，用于获得可通过SPE/DB制造的部件或外壳16，如图2所示。其中的一种可能是使用计算机辅助设计(CAD)或模制来实现，例如通过沿垂直于设计中的虚拟纵轴而真实切割前边14的横向部分。然后修改这些截面以得到闭合的内部截面，然后将其结合以获得中空外壳16。显然，对于本领域的技术人员而言，也可应用本领域的其它已知技术。
然后进行所谓的“矫直”操作，包括将前边14的闭合外壳16的压力面22和吸力面24矫直(flattening)到同一平面。该矫直操作也可通过使用CAD工具，例如在三个阶段，即，膨胀、及其后的扭转和平直模拟进行，之后为真正的矫直。从该矫直过程中，应用如图3a所示的该类型轮廓的两部件的常规方法，可以推断出初始部件26、28的设计。
然后组成边缘的初始部件26、28通常由滚压或锻造板件机加工而成。板件的厚度是要制造的增强前边或后边厚度的一半；优选地，板件由钛合金(例如，TiAlV)制成，但是任何具有满足使用要求并可使用SFP/DB技术特性的金属或合金都可以被选用。不同的板件或者甚至是不同厚度的板件，也都可用于压力面22和吸力面24，为此，板件的总厚度至少等于或大于增强前边14的最大厚度。机加工包括根据CAD的限定对组成增强前边或后边的各初始部件26、28分配厚度。对于本领域的技术人员而言，可应用如CAPM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)工具和任何其他已知技术来进行。
随着对初始部件26、28进行机加工，下一个步骤为扩散连接以形成如图3b所示预制件30。例如，完成对初始部件26、28的“完全”清洁；下一个步骤为根据预定方式，通过例如网版印刷方法，在至少初始部件的内表面上涂附防扩散产品。烘焙该防扩散产品并且将初始部件26、28组装进预制件30中。
例如，用于复合材料所制的大弦涡轮机风机叶片的钛合金所制的增强前边14的扩散连接的参数选择可如下进行：温度为875℃到940℃，压强为3Mpa到6Mpa，持续至少1小时。通过采用合适的工具在压力装置上施加机械力或等静压就可实现扩散连接；优选地，使用惰性气体，如氩气在等静压下在用于热处理的室中完成，该室也被称作HIP(“热等静压”)室。本操作的目的在于将没有涂附扩散产品的内部金属部件彼此扩散连接。
优选地，在以压力焊接的情况下，扩散连接操作可与修整(shaping)相结合。修整的目的在于改进膨胀模具上的连接预制件的定位，该膨胀模具用于膨胀和超塑成型操作。
在扩散连接之后，可在预制件30上执行弯曲和扭转的步骤。该步骤也可与扩散连接相结合。
然后，将从扩散连接中得到的预制件30放置在膨胀装置中，从而对该预制件实施超塑成型。例如，该步骤可在850℃到940℃之间，2到6Mpa氩气压的压强下实现。该步骤可与扩散连接相结合，还可能结合弯曲-扭转。从该步骤中得到的部件与图3c以及图2所示的增强前边14的外壳16相对应。
应该注意的是，这些步骤与通过SPF/DB制造中空风机叶片的步骤相类似，为此，文献FR-A-2 834 481中描述了一个实施例。根据本发明的方法也提供了一种通过使用已知工具和技术诀窍来降低叶片的这些精密部件的制造成本的方法。
最后，切除外壳16以得到如图3d所示的增强前边14本身。可通过本领域技术人员已知的任何技术进行切除；推荐使用激光切割和高压水喷切割。
进行精机加工的步骤，尤其是对形成的边14进行抛光将会非常有用。此外，为了优化增强前边14与叶片10的后边之间的互补性，优选地，其可调整尺寸。通常地，一旦制成，增强前边14可根据本领域技术人员已知的任何技术进行机加工，特别是可以考虑进行化学和/或机械机加工以减小压力面和吸力面的厚度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则的内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于涡轮机风机叶片(1)的增强前边(14)的制造方法，包括下列步骤：
制造外壳(16)，所述外壳包括由外围限定的腔(20)，所述外围包括所述增强前边(14)；
切除所述外壳(16)，以分离出所述增强前边(14)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述外壳(16)的制造包括以下步骤：
制造初始部件(26、28)；
将所述初始部件(26、28)扩散连接为预制件(30)；
在气压下膨胀所述预制件(30)并超塑成型所述外壳(16)。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括在所述扩散连接之后的弯曲和扭转所述预制件(30)的步骤。
4.根据权利要求2所述的方法，包括将弯曲和扭转与所述扩散连接结合在单个操作中的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其中将所述扩散连接、所述弯曲和扭转与所述膨胀和超塑成型结合在单个操作中。
6.根据上述任一权利要求所述的方法，其中采用激光切割和/或高压水喷切割。
7.根据上述任一权利要求所述的方法，还包括对切除所述外壳(16)而获得的所述增强边(14)进行机加工的步骤。
8.应用扩散连接以及超塑成型方法以制造增强前边和/或后边(14)，从而增强涡轮机风机叶片(1)的方法，包括由两个边缘延伸出的坚固部件。
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