CN1780710A - 风扇与涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重叠扭曲并沿径向的翼形叶片或轮叶(70)，此类叶片是利用弯曲的圆横截面线刀具电极(72)在一个压气机转子或涡轮圆盘或类似物(68)上进行放电成形加工而成，该线电极可由刀夹(28)旋转，使其可按照螺旋路径推进，并利用线的外曲线成形加工出每一个叶片或轮叶的内表面，或利用线的内曲线成形加工出每一个叶片或轮叶的外表面。在一个叶片表面被加工完成后圆盘被换位至下一个旋转位置。

Description

风扇与涡轮机

技术领域

本发明涉及一种工艺、方法和设备，特别涉及到风扇和涡轮(用于与流体动态作用)以及导流叶片(用于与流体静态作用)的加工，尤其是应用在涡轮分子泵和气体涡轮发动机中。

背景技术

气体涡轮发动机是内燃机的广泛采用的形式，其在很多方面优于以两冲程或四冲程原理运行的往复式发动机。特别是对于给定尺寸，气体涡轮发动机能够提供更高的功率输出。

多数气体涡轮机的应用集中于提供很大的能量输出的相关大型发电站内，例如航空学中使用的涡轮喷气发动机和扇涡轮发动机。在缩小这类发动机的尺寸的过程中，当尺寸减小的时候可以遇到一些工程问题。这些问题中的一部分是指在制造层面上进一步减小尺寸的困难，而另有一些用于解决气体在相对小的空间内流动特性的问题。

发明内容

本发明提出了一种特别适用于非常小型的气体涡轮的气体涡轮发动机结构。此类发动机的由这里列举出的特别的实施例例示性示出，本发明被用于制造涡轮喷气发动机的零件，其整体直径为10cm，长度约为32cm，在发动机的转速为90,000rpm时可产生110N(271b)的推力。

在气体涡轮机的一般构成中，旋转的压气机提高了进气的压力，至少有一部分空气被通入燃烧室或燃烧燃料的腔室内，当它们通过排气喷嘴时，废气将驱动涡轮，之后涡轮通过发动机轴驱动压气机。

流过发动机的气体很大程度上受到大量的静态和移动表面的影响，典型地包括位于多级轴流压气机的连续旋转圆盘上的风扇叶片、位于每一对相邻圆盘之间的定子叶片以及最后的圆盘之后的定子叶片、在燃烧室和涡轮之间的静态喷嘴导向叶片，以及旋转的涡轮轮叶。

叶片和轮叶可能具有翼形横截面，他们基本沿径向排列(如同在轮的辐条那样)。流过发动机的轴向气体速度从一个轴向位置到另一个位置都是不同的。在压气机或发动机涡轮部分中的任意给定轴向位置，欲使在发动机整个直径范围内轴向气体速度完全不变。因此，在风扇和涡轮旋转的情况下，轮叶的外梢端比其内根部移动的更快，且由于离心作用，也设计旋转部件的轮叶用于补偿。轮叶的截面随着其与中心的径向距离而变化。典型的，叶片沿其长度方向发生扭曲，且根部的偏转角最小而梢端部的偏转角最大。

这些叶片和轮叶通常是由合适的足够强度并且耐热的合金经过铸造或机加工制成。在每一个单独的叶片制成后，其必须被固定在相应的压气机或涡轮轮轴上。这个工艺需要合适的连接装置以连接相邻部分。在更小的发动机中，这样装置需要更高的精度，因为任何一点小的误差将会成比例地变大。连接装置应该足够坚固但重量较轻。在一些方案中使用焊接工艺将铸成的涡轮叶片连接到中心旋转圆盘上。对于旋转叶片圆盘，需要在装配之后进行调节平衡的操作。

在非常小的发动机的情况下，可能需要将圆盘与整体的叶片一起铸造，但由于相邻叶片接近以及扭曲的形状，将会造成严重的问题。虽然这样的铸造操作在工艺上是可行的，但是这些型式的建立却是非常困难，并且，使用工具(jig)来达到正确且一致的叶片角度、半径、间距以及其它的类似量，这几乎被认为是不可能的。

在上面给出的小型喷气发动机的例子中，包括叶片的压气机和涡轮圆盘，可能直径为8cm，从叶端到叶端，带有在24和40之间紧密地隔开的薄翼形叶片，其翼弦和叶片偏转角在整个叶片的长度范围内变化，引起两相邻叶片沿轴向和径向均基本重叠。制造这样的叶片圆盘在很长一段时间内都是较难处理的问题。

根据本发明，针对如何精确加工紧密隔开的重叠的异形叶片或轮叶的径向排列，特别是用在气体涡轮发动机尤其是小型气体涡轮发动机上的轴流压气机或的涡轮，提出了从实体毛坯上去除将材料的方法，从而使叶片或轮叶作为毛坯的剩余材料而直立，当材料靠近推进刀具时，材料的状态发生变化，即可使实现去除，刀具是一种成型的线，且刀具在推进时将发生旋转，由此来形成所述成型轮叶或叶片的表面。

为了实现加工压气机叶片或涡轮风扇的环形的目的，申请人采用放电加工，也称作电火花腐蚀，使用一个可旋转的线刀具电极，其是目前实践中材料去除方法中唯一的方法。但是，未来可能会出现其他选择，例如使用另外的某种比放电方法的局部加热更加强烈的源极或是对目前机械装置进行改变，这些均为可行的选择。

更加具体而言，本发明包括一种工艺，在具有跨过边缘表面的厚度的工件的毛坯本体中成形加工出一排向所述边缘表面延伸的扭曲翼形叶片，该工艺包括：将成型线电极保持在刀座中；使刀座定位为使得线电极在使得其跨过边缘表面厚度上的方向；向毛坯的边缘表面推进电极，使得在线电极和工件毛坯之间产生高电压放电，由此在刀具电极之前先腐蚀工件的一部分，并由此形成跨过毛坯边缘的第一凹槽，将工具推进凹槽中以加深第一凹槽，并在所述推进过程中旋转刀座以使第一凹槽呈螺旋形；以同样的方式在工件毛坯上加工出第二和更多相似的相邻凹槽，且一对相邻凹槽之间剩余的工件本体具有扭曲翼形叶片的形状。

一旦推进刀座旋转超过一个非常小的角度，线电极将开始下切削(undercut)工件本体以形成下一个相邻叶片。这可使当沿刀具进给的方向观察时相邻叶片的非常紧密地相互隔开且叶片重叠。

在优选应用中，本发明可将具有跨过圆周边缘表面的厚度的圆盘状毛坯工件加工成带有多个径向扭曲翼形叶片的轮轴，采用沿径向向内推进所述刀座的方式加工每一个凹槽。当沿轮轴径向或沿轮轴轴向观察时，叶片可能因此而发生重叠。

本发明也提供了一种成形加工紧密隔开的的径向排列的重叠成型叶片或轮叶设备，包括：将成型线刀具向实体毛坯推进的装置，其可使在靠近推进刀具时材料的状态发生变化，以从中去除材料，从而使叶片或轮叶在毛坯的剩余材料中直立；以及，推进时旋转刀具的装置，由此可形成所述成型叶片或轮叶的表面。

更具体而言，本发明提供了一种成形加工设备，此设备可在具有跨过边缘表面厚度的工件毛坯的本体上加工出一排向所述边缘延伸的扭曲的翼形叶片，包括：保持在刀座中的成型线电极；将刀座定位以使得线电极使得其在跨过边缘表面上的厚度的方向的装置；向毛坯边缘表面的方向推进所述电极的装置；在所述线电极和所述工件毛坯之间产生高电压放电，由此在刀具电极之前先腐蚀工件的一部分，并因此而形成跨过毛坯边缘的第一凹槽的装置；将刀具推进凹槽内以加深所述第一凹槽的装置；以及在所述推进过程中旋转所述刀座来使第一凹槽呈螺旋形的装置。

优选地，还具有一种换位装置，可将工件毛坯通过一系列位置换位，在这些位置上可利用电极成形加工出连续且深的螺旋状凹槽。通常还具有一种装置，可使线电极在其推进方向上可收回，以从成形加工完的凹槽中将该线收回，这样可允许工件被换位至其下一个位置，或因为其它目的而移动。

还可以提供一种在将线推进凹槽的过程中可侧向移动工件或刀座的装置，因此可小斜度地加工凹槽。用这种方法，叶片可在两个相对的倾斜凹槽之间形成，所以它稍微地逐渐变薄，在边上其底部部比顶部的更厚。这种涡轮或压气机叶片，相对于沿长度方向横截面不变的叶片而言，能更有效的减小重量和体积。

显然，工艺和设备的产品是压气机圆盘或者涡轮圆盘，包括：带有沿径向向外导向的扭曲翼形叶片的轮轴，以在气体涡轮发动机中高速旋转；或涡轮导向叶片圆盘或其它类似的与前者具有相似的外观但在发动机中是静止的部分。但是应该注意到，即使是沿径向排列的叶片或轮叶，也可能具有一些变化。例如，圆盘可以具有一个连续的外轮缘，其中叶片沿径向向内朝空的中心延伸，而不具有内轮轴和向外延伸的叶片。也可根据本发明成形加工此类叶片，即由开孔中心沿径向向外，朝轮缘方向推进刀具电极线。这是一种可选的用于制造压气机定子叶片圆盘的方法，其可被置于多级轴流式压气机的逐级转子之间。

成型的线电极因其形状而被命名，同时其与在刀座中的方位，以及刀座的推进和旋转之间关系的选择，可控制由其运动形成的叶片轮廓的最终形状。最简单的线形状可以是直线式，但其在一个道次时将不会形成翼形表面。优选地，可将线弯曲，一般是简单的圆弧形就足够了，此圆弧可选择地位于线的非圆形的两相对端之间。曲线应是平滑的。一般应防止尖端或形状上的突然改变，以使成型叶片的应力集中减到最小，且可促进叶片上方所必需的气体流动。

线采用最合适的标准圆线。这有助于在每一个叶片的底部形成圆滑的根部，在叶片的每一边以及每一个凹槽的底部都需形成圆滑根部。这对于防止应力集中和增强使用寿命非常有效。

线的厚度决定了相邻叶片之间的最小间距。当需要增加间距时，则线需第二次进入毛坯以使凹槽加宽；当需要的间距进一步增加时，则需要切割出一个新的凹槽，在这种情况下要通过适当的装置将凹槽之间不必要的工件材料去除，以使相邻叶片之间的空间清空。合适的装置包括可侧向移动线座或是侧向移动工件的装置，以利用线切割出连接两相邻径向凹槽底部的横向凹槽，并将工件中不需要的材料去除。

因为成型的弯曲线有一个实际厚度，曲线的内边缘的半径比外边缘的更小。弯曲线的内半径限定叶片的外曲线，而弯曲线的外半径限定叶片的内曲线。因此，可用相同的线将叶片的两对边加工成为弯曲翼形截面，该截面具有较薄的两个相对边缘和较厚的中心部分，呈长而且窄的新月形，其内表面较为平坦而外表面较为弯曲。但是，优选地，通常可使用不同半径的弯曲线来分别加工叶片的内表面和外表面，以达到准确的翼形状和横截面。截面的最厚的部分优选的朝向每一叶片的前缘。

当线推进时，在其刀座上，沿着限定了叶片的表面的叶片长度的方向，缓慢旋转刀座可以在叶片上形成扭曲。一般需要的扭转角超过90度的情况非常少见。刀座的旋转可通过任何合适装置来实现，从附图中所示的机械导向装置，到使用步进电机或可编程扭曲控制或其他任何方法的电力设备或电子设备，均可实现刀座的旋转。

附图说明

下面将根据附图中例示性所描述的实施例来进一步讨论本发明的方案。在附图中：

图1是根据本发明的用于加工涡轮圆盘的电火花腐蚀设备的立体视图；以及

图2是从不同且更近的角度来观察的图1中所示设备的一部分的立体视图。

具体实施方式

首先参照图1，图中示出的设备包括一个箱10，其包含适合的液体淬火剂12，该淬火剂为可在其中进行电火花腐蚀的电介质流体，例如可选用石蜡油或水基液。箱由平台14支撑，在其下有壳体16，可安装必要的电子和控制仪器，这些仪器可为现有技术中的任何类型的仪器。

在储水箱10后方，如图所示，是一个支柱18。支柱朝向其上端带有液压驱动器20，其在壳体16中的仪器的控制下可使驱动圆柱22上下运动。电子伺服驱动器是可接受的替换选择。驱动圆柱的下端带有水平支撑臂24，其含有刀座头26，将在图2中进行详细的描述。刀座头带有刀座28。

在箱10中，基座30浸入流体12中，该基座带有垂直地位于刀座28下方的工件32。图1示出了从刀座中引出的正极导电电缆34，以及从基座引出的负极或是接地导电电缆36，两者均通入壳体16内的电源中。这种电源是通常电火花腐蚀所采用的电源。

图2示出了刀座和基座的更多的细节。

刀座头26包括旋转刻度盘40以及旋转刻度指针42，以指示出刀座28在旋转刻度盘之内绕垂直轴线相对于任意零位置的角位移。这种方式是可行的，因为刀座可绕此轴旋转，通过施加外力，克服外部可调张力回动弹簧43(图1)的阻力，可使其远离弹簧通常将其推向那里的止动件。旋转的零位置可为刀座抵靠止动件的位置。

基座上部具有导向支撑柱44，其上加工出了竖直槽46。导向斜体48被安装在斜体安装螺栓50的头部，其穿过槽46并通过螺母52被夹紧在其中一个选定的位置。在夹紧斜体安装螺栓时，操作者不仅仅需要设置斜体的高度，还要设置其角度。

导向斜体48是由摩擦小、电绝缘的材料制成，比如聚酰胺类材料。

刀座28上设置有横向延伸的导向销54，该销定位为使得，当液力驱动器20朝向工件32的作用力使刀座头26降低时，导向销与导向斜体的顶面接触并开始使刀座克服其回动弹簧的作用力转动到位于旋转刻度盘40之上的刻度盘指针42读出的读数的程度。如果接着驱动器20向上升起刀座头，那么回动弹簧的作用力将保持导向销与斜体表面相接触，因此所有运动均可精确地反向进行。可以理解，刀座的旋转和刀座的推进运动之间的关系完全由控制导向销54运动的导向斜体48的表面的轮廓、高度和斜度所控制。

工件32被安装在基座30上，绕心轴60进行旋转，心轴位于水平的换位轴线上；其旋转位置可由换位轮62进行手动控制，换位销64可选择不同的换位位置。整个换位设备可通过换位夹66手动地锁定。在产品应用中，方便地应用一种电动自动换位控制装置来取代手动换位轮62、销64以及夹子66，该电动换位控制装置被连接在壳体16(如图1)中的电火花腐蚀控制仪器上。

在此示出的实施例中，工件是圆盘，其适合于加工成为一个具有围绕中心轴的径向叶片的涡轮圆盘。圆盘具有边缘表面68，在其中按照如下所述的方法加工凹槽，以加工叶片，为了图示，图中示出了两片叶片70。

为了加工凹槽，刀座带有一个弯曲的线刀具电极72。其采用最普遍的安装方式安装于刀座上，包括两个完全相对的可调节线座夹74，各自确定其线座臂76的位置和方向。电极线自身穿过位于每一个刀座臂下部的孔，每一个均通过螺钉78被夹紧在选定的旋转方位以及选定的沿其曲线长度上的位置。

很明显，线被安装在工件圆盘之上的刀座中，以精确选定的位置和方向跨过圆盘边缘，并具有明确的朝向工件的曲线，其被浸入淬火液中，准备开始电火花加工涡轮叶片。工艺的进行以及各设备的作用，如在此说明书中的前述一般性和具体的说明中所述那样。

在此例中，工件是铝合金的，直径为76mm且边厚度为4mm。线为纯铜制成，直径为1.6mm。甚至在电流为3amps电压为80v的试验设备中，可达到满意的腐蚀速率2mm/min。液力传动装置的推进速度以及电流的开/关切换均由壳体16中包含的通常仪器所控制。工件的材料腐蚀速度取决由线尺寸所限定的电流。

尽管图2示出了两个已经加工成形的叶片70，但是在实际中更加方便的是装配电极线以在由换位轮允许位置所确定的位置上加工每一个叶片的表面，无论是内表面还是外表面，在偏置和调节电极线位置之前，利用可调节线座夹和线座臂即可在同样的换位位置形成每个叶片的另一个表面。如果需要，工件圆盘32的相邻叶片70之间的任何残余附着部分将会最终被去除。

Claims (20)

1.一种成形加工沿径向紧密隔开排列的重叠的成型叶片或轮叶的方法，特别用于气体涡轮发动机尤其是用于小型气体涡轮发动机中的轴流压气机或涡轮中，包括：

将材料从实体毛坯中去除，使叶片或轮叶作为毛坯中的剩余材料而直立，当材料靠近推进刀具时，引起材料的状态发生变化，从而实现材料的去除，刀具为成型线，且刀具在推进时发生旋转，由此来形成所述成型叶片或轮叶的表面。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，利用所述旋转线刀具电极进行放电加工实现所述去除。

3.一种工艺，在具有跨过边缘表面的厚度的工件毛坯的本体上成形加工出一排向所述边缘延伸的扭曲翼形叶片，包括：将所述成型线电极保持在刀座中；将所述刀座定位为在使得所述线电极跨过所述边缘表面厚度的方向；向所述毛坯的边缘表面的方向推进电极；在所述线电极和所述工件毛坯之间产生高电压放电，由此在所述刀具电极之前腐蚀所述工件的一部分，并且形成跨过所述毛坯边缘的第一凹槽；将所述刀具推进所述凹槽内以加深所述第一凹槽，并在所述推进过程中旋转所述刀座以使所述第一凹槽呈螺旋形；并以同样的方式在工件毛坯上成形加工出第二和更多相似的相邻凹槽，由此，在成对相邻凹槽之间的留存的工件本体具有扭曲翼形叶片的形状。

4.根据权利要求3所述的工艺，其中，

所述相邻叶片是紧密隔开的，且从所述刀具的推进方向观察时，所述叶片是重叠的。

5.根据权利要求3或4所述的工艺，包括：

成形加工，将具有跨过圆周边缘表面的厚度的所述圆盘状毛坯工件成形加工成带有多个径向扭曲翼形叶片的轮轴，其采用沿径向向内推进所述刀座的方式加工每一个凹槽。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的工艺，其中，当沿所述轮轴径向以及沿所述轮轴轴向观察时，所成形的叶片是重叠的。

7.一种成形加工紧密隔开径向排列的重叠成型叶片或轮叶的设备，包括：

成型线刀具和将其向实体毛坯推进的装置，所述装置可使所述材料靠近所述推进刀具时，所述材料的状态发生变化，以从其中去除材料，从而使所述叶片或轮叶作为所述毛坯的剩余材料直立；以及在推进时旋转刀具的装置，由此可形成所述成型叶片或轮叶的表面。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，

所述成型线刀具是放电加工电极。

9.一种设备，用于在具有跨过边缘表面的厚度的工件毛坯的本体上成形加工出向所述边缘延伸的一排扭曲的翼形叶片，包括：

保持到所述刀座中的成型线电极；将所述刀座定向在所述线电极跨过边缘表面厚度的方向的定位装置；向毛坯边缘表面的方向推进所述电极的装置；在所述线电极和所述工件毛坯之间产生高电压放电的装置，由此在所述刀具电极之前腐蚀工件的一部分，并因此而形成跨过所述毛坯边缘的第一凹槽；将所述刀具推进凹槽内以加深所述第一凹槽的装置；以及，在所述推进过程中旋转所述刀座来使所述第一凹槽呈螺旋形的装置。

10.根据权利要求9所述的设备，还包括：

换位装置，可将所述工件毛坯通过一系列位置换位，在这些位置上可利用所述电极成形加工出连续的且深的螺旋状凹槽。

11.根据权利要求9或10所述的设备，包括：

可使所述线电极沿着其推进路径收回、以将其从成形加工完的凹槽收回的装置。

12.根据权利要求9或11中任一项所述的设备，包括：可在所述线推进到凹槽的过程中侧向移动所述工件或所述刀座从而可小斜度地成形加工所述凹槽的装置。

13.根据权利要求9至12任一所述的设备，其中，

所述成型线电极被弯曲成圆弧形。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，

所述弯曲线的内半径限定所述叶片的外曲线，而所述弯曲线的外半径限定所述叶片的内曲线。

15.根据权利要求13或14所述的设备，其中

所述叶片的内曲线比外曲线平坦，因此所述叶片的翼形截面具有相对的较薄的边缘和较厚的中心部分。

16.根据权利要求9至15中任一项所述的设备，其中

所述线是圆弧线。

17.根据权利要求9至16任一项所述的设备，包括：

可侧向移动所述线座或侧向移动所述工件的装置，以使用所述线来切出连接两相邻径向凹槽的底部的横向凹槽，并在一个工件中去除它们之间的材料。

18.一种产品，包括：

由根据权利要求1或2的方法或权利要求3至6中任一项所述的工艺加工出的叶片或轮叶，其中每一个叶片或轮叶都是在两个相对倾斜的凹槽中形成的，所以它是逐渐变薄的，底部比顶部厚。

19.一种压气机圆盘或涡轮圆盘，包括：

轮轴，带有沿径向向外导向的扭曲翼形叶片或轮叶，其被用在气体涡轮发动机或者涡轮分子泵中，可由任何前述的利要求中的方法、工艺和设备来制造。

20.一种气体涡轮或涡轮分子泵，包括：

如权利要求19中所述的圆盘。