CN1880729A - 涡轮机叶片和它的制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于制造涡轮机叶片(110)的方法(100)，包括铸造至少一个涡轮机叶片，叶片包括叶片尖端罩(112)和至少一个连接到叶片尖端罩上的密封齿(114)，且去除涡轮机叶片的至少部分(116)使得叶片尖端罩的径向外部表面(118)具有至少两个大致平的表面。

Description

涡轮机叶片和它的制造方法
技术领域
本发明一般地涉及涡轮机组件，且更特定地涉及用于制造燃气涡轮发动机转子叶片的方法和设备。
背景技术
燃气涡轮发动机典型地包括压缩机、燃烧器和至少一个涡轮机。压缩机压缩空气，它与燃料混合后并引导到燃烧器。然后点燃混合物以产生热燃气，且燃气被引导到涡轮机，它从燃气中获取能量以驱动压缩机以及产生有用功，以推进飞行中的飞行器或驱动载荷，例如发电机。
涡轮机包括转子组件和定子组件。转子组件包括多个从盘径向向外延伸的转子叶片。更特定地，每个转子叶片在邻近盘的平台和叶片尖端之间径向地延伸。经过转子组件的燃气流路径向向内以转子叶片平台为界，且径向向外以多个罩为界，其中每个罩包括至少一个密封齿。
至少一个已知的燃气涡轮机叶片使用镍基合金制造，以产生具有大致弯曲的外部罩的涡轮机叶片。例如，涡轮机叶片铸造为带有附加的原料，使用简单的径向磨削操作将它去除，以产生完成的外部罩和密封齿。更特定地，镍基合金铸造为“定尺寸”，即涡轮机叶片不需要重大的加工以产生完成的涡轮机叶片。
然而，如果燃气涡轮机叶片使用不同的材料制造，例如钛铝化合物(titanium aluminide)材料，铸造包括大致弯曲的罩和至少一个密封齿的涡轮机叶片产生了不具有“铸态”表面的涡轮机叶片。更特定地，使用钛铝化合物铸造涡轮机叶片产生了相对于最终的加工构造具有大量多余材料的涡轮机叶片，如图1和图2所示。因此，至少需要两个加工操作，以去除多余的材料，以形成具有弯曲外部罩和密封齿的完成的涡轮机叶片，如图3所示。因此，使用不同于镍基合金的其它材料来制造具有弯曲外部罩的涡轮机叶片导致了制造涡轮机叶片成本的增加，因此为客户增加了叶片的成本。
发明内容
在一个方面中，提供了制造用于燃气涡轮发动机的涡轮机叶片的方法。该燃气涡轮发动机包括了涡轮机，该涡轮机包括了多个涡轮机叶片。该方法包括铸造至少一个包括了叶片尖端罩和至少一个连接到叶片尖端罩的密封齿的涡轮机叶片，且去除涡轮机叶片的至少部分，使得叶片尖端罩的径向外部表面具有至少两个大致平的表面。
在另一个方面中，提供了涡轮机转子叶片。涡轮机转子叶片包括具有径向外部表面的叶片尖端罩，径向外部表面包括至少两个大致平的表面，涡轮机转子叶片还包括至少一个连接到所述的叶片尖端罩的密封齿。
在又一个方面中，提供了燃气涡轮发动机转子组件。转子组件包括低压涡轮机转子和多个连接到低压涡轮机转子的周向间隔的转子叶片。每个转子叶片包括具有径向外部表面，径向外部表面包括至少两个大致平的表面，每个转子叶片还包括至少一个连接到所述的叶片尖端罩的密封齿。
附图说明
图1为已知的燃气涡轮机叶片在最初制造中的侧视图；
图2为图1中所示的已知的燃气涡轮机叶片在最初制造中的截面图；
图3为如图1和图2所示的已知的燃气涡轮机叶片在加工完成后的截面图；
图4为典型的燃气涡轮发动机的截面图；
图5为可以与图4中所示的燃气涡轮发动机共同使用的转子组件和定子组件的部分切去截面图；
图6是制造涡轮机叶片的典型的方法，该涡轮机叶片可与图4中所示的燃气涡轮机共同使用；
图7为可以与图4中所示的燃气涡轮发动机共同使用的典型的燃气涡轮机叶片在最初制造阶段的侧视图；
图8为图7中所示的典型的燃气涡轮机叶片在后续制造后的透视图；
图9为图8中所示的燃气涡轮机叶片的侧视图；以及
图10为图9中所示的燃气涡轮机叶片的截面图。
具体实施方式
图4为燃气涡轮发动机10的示意性图示，燃气涡轮发动机10包括风扇组件12、高压压缩机14和燃烧器16。发动机10还包括高压涡轮机18、低压涡轮机20和增压机22。风扇组件12包括从转子盘26径向向外延伸的风扇叶片24的阵列。发动机10具有进气侧28和排气侧30。在一个实施例中，燃气涡轮发动机为Ohio州Cincinnati市的GeneralElectric Company所提供的GE90。在替换的实施例中，发动机10包括低压压缩机。风扇组件12、增压机22和涡轮机20通过第一转子轴31连接，且压缩机14和涡轮机18通过第二转子轴32连接。
在运行中，空气流经风扇组件12且将被压缩的空气通过增压机22提供到高压压缩机14。高度压缩的空气被供给到燃烧器16。来自燃烧器16的热的燃烧产物(在图1中未绘出)驱动涡轮机18和20，且涡轮机20通过轴31驱动风扇组件12和增压机22。发动机10在设计运行条件和设计外运行条件之间的运行条件范围内是可运行的。
图5为涡轮机转子组件40的部分切去截面图，包括可以与燃气涡轮发动机10共同使用的定子42。在典型的实施例中，涡轮机转子组件40可以作为低压涡轮机与燃气涡轮发动机10共同使用。在典型的实施例中，转子组件40包括多个通过联结件46绕轴向中心轴线(未绘出)同轴地连接在一起的转子44。每个转子44通过一个或多个叶片整合盘(blisk)48形成，且每个叶片整合盘48包括环形的径向外部轮缘50、径向内部轮毂52和在它们之间径向延伸的整体的轮辐54。每个叶片整合盘48还包括多个从外部轮缘50径向向外延伸的叶片56。在一个实施例中，叶片56整体地与各轮缘50连接。替换地，且至少对于一个级，每个转子叶片56可以使用叶片燕尾榫(未绘出)以已知的方式可去除地连接到各轮缘50，燕尾榫安装在各轮缘50内的互补槽(未绘出)内。
转子叶片56构造为与例如空气的运动流体或工作流体合作。在典型的实施例中，转子组件40为涡轮机，例如低压涡轮机20(在图4中示出)，其转子叶片56构造为合适地在随后的级中导引运动流体空气。当空气从一级流到另一级时，转子轮缘50的外部表面58限定了涡轮机20的径向内部流路表面。
叶片56绕轴向中心轴线旋转到特定的最大设计转速，且在旋转部件上产生了离心载荷。由旋转叶片56产生的离心力由每个转子叶片56直接下方的轮缘50的部分承担。转子组件40和叶片56的旋转从空气中获取了能量，这导致了涡轮机20旋转以及提供动力来驱动低压压缩机12(在图1中绘出)。径向内部流路在周向上以邻近的转子叶片56为界且在径向上以罩80为界。
每个转子叶片56包括前缘60、后缘62和在它们之间延伸的翼片64。每个翼片64包括吸力侧76和周向地相对的压力侧78。吸力侧76和压力侧78分别在轴向间隔地分开的前缘60和后缘62之间延伸，且在径向跨度上在转子叶片尖端罩80和转子叶片根82之间延伸。叶片弦分别地在转子叶片后缘62和前缘60之间测量。在典型的实施例中，转子叶片56包括转子密封齿86，它邻近定子罩88旋转且经过由定子罩88和转子叶片尖端罩80所限定的腔89。
图6是示出了制造燃气涡轮机转子叶片110的典型方法100的流程图，该转子叶片110可以与例如但不限制于图4中所示的燃气涡轮机10的燃气涡轮发动机共同使用。在典型的实施例中，方法100包括铸造102至少一个涡轮机叶片110，涡轮机叶片110包括叶片尖端罩112和至少一个连接到叶片尖端罩112的密封齿114，和去除104涡轮机叶片110的至少部分116，使得叶片尖端罩112的径向外部表面118具有大致V形的截面轮廓120。
图7为燃气涡轮机叶片110在最初制造阶段的侧视图。图8为图7中所示的燃气涡轮机叶片110在后续制造后的透视图。图9为图8中所示的燃气涡轮机叶片110的侧视图。图10为图9中所示的燃气涡轮机叶片110的截面图。在典型的实施例中，涡轮机叶片110为低压涡轮机转子叶片，它连接到低压涡轮机，例如低压涡轮机20，如图4所示。在另一个实施例中，方法100可以用于制造任何在燃气涡轮机10中所使用的涡轮机叶片，如图4所示。
在典型的实施例中，燃气涡轮机叶片110使用金属材料铸造。在典型实施例中，燃气涡轮机叶片110例如使用钛铝化合物材料铸造。在典型的实施例中，涡轮机叶片110为“过铸造”，即涡轮机叶片110包括必须去除的部分116以产生完成的叶片110。
在典型的实施例中，当涡轮机叶片110铸造后，多余的部分116使用放电加工(EDM)设备122加以去除。更特定地，EDM设备122构造为去除多余的部分116使得形成叶片尖端罩112和至少一个密封齿114，且使得叶片尖端罩112的径向外部表面118具有大致V形截面轮廓120。
更特定地，叶片尖端罩112如果形成为使得叶片尖端罩外部表面118包括第一非弓形部分130，即平的部分130，和第二非弓形部分132，或平的部分132，它们在顶点134连接在一起使得外部表面118具有大致V形的截面轮廓120。在典型的实施例中，第一部分130和第二部分132与涡轮机叶片110整体地形成。更特定地，EDM设备122用于去除部分116，使得外部表面118具有大致V形的截面轮廓。
另外，每个密封齿114包括第一非弓形部分140，或平的部分140，和第二非弓形部分142，或平的部分142，它们在顶点144连接在一起，使得密封齿114具有大致V形的截面轮廓120。在典型的实施例中，第一部分140和第二部分142与涡轮机叶片110整体地形成。更特定地，EDM设备122用于去除部分116，使得每个密封齿114具有大致V形的截面轮廓120。
此处描述的方法有助于改善燃气涡轮机叶片的密封齿和罩非流路表面的形成，使得能使用线切割EDM设备来制造涡轮机叶片。更特定地，已知的EDM机不能在涡轮机叶片的周向方向上产生弯曲的表面。因此，此处描述的涡轮机叶片不包括已知涡轮机叶片的罩和密封齿的弯曲的形式，而是以两个平的表面来替换外部罩的拱形的或弯曲的径向外部表面，其中每个平的表面跨过罩的半个周向宽度。制造包括具有由两个平的表面形成的径向外部表面的外部罩的涡轮机叶片有助于减少在密封齿和定子罩之间的泄漏。另外，虽然典型的实施例图示了每个具有两个大致平的表面的外部罩和密封齿，应该认识到的是典型的涡轮机叶片可以包括三个或更多的限定了外部罩和密封齿的径向外部表面的平的表面。
因此，此处描述的方法和设备有助于减少以TiAl材料来生产LPT叶片所需的加工量，因此减少了制造涡轮机叶片的成本和周期时间。另外，此处描述的制造涡轮机叶片的减少的成本和周期时间也有助于减少燃气涡轮发动机的总重量。
上述方法和设备是有成本效益的且是高度地可靠的。此处描述的涡轮机叶片包括径向外部表面和至少一个密封齿，其每个包括至少两个大致平的表面，以有助于减少制造燃气涡轮发动机的时间和成本。
虽然对本发明根据不同的特定的实施例在此处加以描述，本领域技术人员将意识到本发明可以以权利要求书的精神和范围内的修改来实行。
部件列表
  10   燃气涡轮发动机
  12   风扇组件
  14   高压压缩机
  16   燃烧器
  18   高压涡轮机
  20   低压涡轮机
  22   增压机
  24   风扇叶片
  26   转子盘
  28   进气侧
  30   排气侧
  31   第一转子轴
  32   第二转子轴
  40   转子组件
  42   定子
  44   转子
  46   联结件
  48   叶片整合盘
  50   轮缘
  52   内部轮毂
  54   整体轮辐
  56   转子叶片
  58   外部表面
  60   前缘
  62   后缘
  64   翼片
  76   吸力侧
  78   压力侧
  80   转子叶片尖端罩
  82  转子叶片根
  86  转子密封齿
  88  定子罩
  89  腔
  100  方法
  102  铸造
  104  去除
  110  燃气涡轮机叶片
  112  叶片尖端罩
  114  密封齿
  116  部分
  118  外部表面
  120  截面轮廓
  122  放电加工(EDM)设备
  130  非弓形部分
  132  非弓形部分
  134  顶点
  140  非弓形部分
  142  非弓形部分
  144  顶点

Claims (10)

1.一种涡轮机转子叶片(56)，其包括：
叶片尖端罩(112)，包括具有至少两个大致平的表面的径向外部表面(118)；以及
至少一个连接到所述的叶片尖端罩的密封齿(114)。
2.根据权利要求1所述的涡轮机转子叶片(56)，其中所述的叶片尖端罩(112)具有大致V形的截面轮廓(120)。
3.根据权利要求1所述的涡轮机转子叶片(56)，其中每个叶片尖端罩平的表面跨过近似所述的叶片尖端罩(112)的周向宽度的一半。
4.根据权利要求1所述的涡轮机转子叶片(56)，进一步包括两个密封齿(86)，其中每个密封齿(114)包括径向外部表面(118)，径向外部表面(118)具有至少两个大致平的表面。
5.根据权利要求1所述的涡轮机转子叶片(56)，进一步包括两个密封齿(86)，其中每个密封齿(114)具有大致V形的截面轮廓(120)。
6.根据权利要求1所述的涡轮机转子叶片(56)，其中所述的涡轮机叶片包括钛铝化合物材料。
7.根据权利要求1所述的涡轮机转子叶片(56)，其中所述的涡轮机叶片连接到低压涡轮机(20)。
8.一种燃气涡轮发动机转子组件(40)，其包括：
低压涡轮机转子(44)；以及
多个连接到所述的低压涡轮机转子的周向间隔的转子叶片(56)，每个所述的转子叶片包括：
包括径向外部表面(118)的叶片尖端罩(112)，径向外部表面(118)具有至少两个大致平的表面；以及
至少一个连接到所述的叶片尖端罩的密封齿(114)。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机转子组件(40)，其中所述的叶片尖端罩(112)具有大致V形的截面轮廓(120)。
10.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机转子组件(40)，其中每个叶片尖端罩平的表面跨过近似所述的叶片尖端罩(112)的周向宽度的一半。
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