制造用于燃气涡轮发动机的双部件叶片的方法和由这种方法获得的叶片

摘要

本发明涉及一种制造用于燃气轮机的双部件叶片的方法，该方法连续地包括：获得由陶瓷材料制成的叶片型面(24)，该叶片型面包括从一侧沿长度方向至另一侧穿过叶片型面的孔，从而形成开口进入上凹部(26a)中的纵向通道(28)；将叶片型面定位并保持在模具(30)中，从而形成与叶片型面的通道(28)连通的下凹部(26b)；将熔融金属倒入叶片型面，从而充填上凹部和下凹部以及连接上凹部和下凹部的通道；以及使金属冷却，使得上凹部和下凹部中的冷却金属的收缩引起叶片型面的陶瓷的压缩预应力。

权利要求

1.一种制造用于燃气轮机的双部件叶片的方法，所述方法依次包括：获得由陶瓷材料制成的叶片型面，所述叶片型面具有沿所述叶片型面的长度方向直穿过所述叶片型面的孔，从而形成纵向通道，所述纵向通道在所述叶片型面的第一纵向端部开口进入顶部空腔；

将所述叶片型面定位并保持在模具内，从而形成底部空腔，所述底部空腔在所述叶片型面的第二纵向端部与所述叶片型面的所述通道连通；

将熔融金属(Mf)铸入所述叶片型面，从而充填所述顶部空腔和所述底部空腔以及将所述顶部空腔和所述底部空腔相互连接的所述通道；以及使所述金属冷却，使得冷却的金属在所述顶部空腔和所述底部空腔中的收缩导致所述叶片型面的陶瓷经受压缩预应力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于形成所述叶片型面的陶瓷材料是氧化铝且用于铸造的金属是镍基金属合金。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述叶片中制作内冷却回路。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，内冷却回路通过以下方式在所述叶片内制作：在浇铸熔融金属的步骤之前，将至少一个细长芯部置于沿所述叶片型面的长度方向延伸通过所述叶片型面的所述通道中，且在浇铸熔融金属的步骤之后，将所述芯部抽取出来，从而形成直穿过所述叶片的空气通路。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，用于在所述叶片内制作所述内冷却回路的所述芯部由二氧化硅制成。

6.一种用于燃气轮机的叶片，所述叶片的特征在于，所述叶片由根据权利要求1所述的方法获得。

7.一种燃气轮机，所述燃气轮机包括至少一个根据权利要求6所述的叶片。

说明书

制造用于燃气涡轮发动机的双部件叶片的方法和由这种方法

获得的叶片

技术领域

[0001] 本发明涉及燃气涡轮发动机的叶片制造的总体领域。

背景技术

[0002] 燃气涡轮发动机的叶片且尤其是涡轮喷气飞机的高压涡轮叶片经受来自燃烧室的热气体。

[0003] 为了提高发动机的效率，已知的是增加来自燃烧室的这种喷射气体的温度，直至显著高于普遍用来制造叶片的最佳金属合金的熔点的温度。

[0004] 因而，为了使金属合金叶片能够耐受非常高的温度，已知的是将陶瓷涂层覆盖在它们上面，从而构成热屏障并提供内冷却回路。

[0005] 然而，提供这种涂层和这种内冷却回路正变得越来越复杂，且它们不总使得叶片能够耐受来自燃烧室的喷射气体的非常高的温度。尤其是，趋势是这种喷射气体的温度被升高到燃烧室的喷射气体的实际温度以上，从而使得形成热屏障的涂层和内冷却回路的提供更复杂。

发明内容

[0006] 因而，需要能有一种制造叶片的方法，该方法使得叶片能够耐受非常高的温度而不呈现上述缺陷。

[0007] 根据本发明，该目的由制造用于燃气轮机的双部件叶片的方法实现，该方法依次包括：

[0008] 获得由陶瓷材料制作的，该叶片型面具有沿叶片型面的长度方向直穿过叶片型面的孔，从而形成纵向通道，该纵向通道在叶片型面的第一纵向端部开口进入顶部空腔；

[0009] 将叶片型面定位并保持在模具内，从而形成底部空腔，底部空腔在叶片型面的第二纵向端部与叶片型面的通道连通；

[0010] 将熔融金属铸入叶片型面，从而充填顶部空腔和底部空腔以及将顶部空腔和底部空腔相互连接的通道；以及

[0011] 使金属冷却，使得冷却的金属在顶部空腔和底部空腔中的收缩导致叶片型面的陶瓷经受压缩预应力。

[0012] 本发明的制造方法显著在于，在金属铸件在叶片型面的空腔中冷却期间，金属的自然收缩将压缩力(沿叶片型面的长度方向)施加在构成叶片型面的陶瓷上。因而，由该制造方法获得的叶片在陶瓷中具有压缩预应力。在运行中，叶片所经受的力是离心力(沿叶片型面的长度方向)，该离心力引起叶片的部件上的牵拉力。借助其压缩预应力并由于陶瓷与构成叶片的金属之间的扩张差异，叶片可因而轻松地耐受其所经受的牵拉力。尤其地，为了消除该压缩预应力，需要达到一定温度，在该温度下，金属不再具有任何机械强度，而这种温度在燃气轮机的实践应用中永不会达到。

[0013] 此外，使构成由本发明的制造方法获得的叶片的叶片型面的陶瓷经受压缩使得可能从选择大范围的陶瓷中选择陶瓷，尤其是从比那些通常所用的陶瓷更廉价的陶瓷中选择陶瓷。以此方式获得的叶片的重量也小于现有技术的叶片的重量。最后，这种叶片可仅通过更换陶瓷而轻易地修理。

[0014] 优选地，用于形成叶片型面的陶瓷材料是氧化铝且用于铸造的金属是镍基金属合金。

[0015] 同样优选地，该方法还包括在叶片中制作内冷却回路。在这种情形下，内冷却回路可通过以下方式在叶片内制作：在浇铸熔融金属的步骤之前，将至少一个细长芯部置于沿叶片型面的长度方向延伸通过叶片型面的通道中，且在浇铸熔融金属的步骤之后，将芯部抽取出来，从而形成直穿过叶片的空气通路。用于在叶片内制作内冷却回路的芯部可由二氧化硅制成。

[0016] 尤其是与现有技术中的已知的叶片的内冷却回路相比，这种冷却回路制作简单。此外，冷却回路具有对发动机性能几乎没有影响。

[0017] 本发明还提供了由以上所限定的方法所获得的燃气轮机叶片。

[0018] 本发明还提供了包括至少一个这种叶片的燃气轮机。

附图说明

[0019] 本发明的其它特征和优点从参考附图给出的以下描述中显现，附图中示出了不具有限制性特征的实施例。在附图中：

[0020] 图1是通过本发明的制造方法获得的叶片的示意性立体图；

[0021] 图2至5是示意图，示出了制造图1中的叶片的方法的各种步骤；以及[0022] 图6和7是构成本发明的各种实施例的叶片的纵剖视图。

具体实施方式

[0023] 本发明应用于制作用在燃气涡轮发动机中的任何叶片，且特别地应用于制作涡轮喷气飞机的高压涡轮的叶片，诸如是图1中所示的叶片10。

[0024] 以已知的方式，叶片10具有纵轴线X－X，并用于通过将总体树形的根部12接合在槽中而紧固至涡轮喷气飞机的高压涡轮的转子盘。

[0025] 叶片10沿纵轴线X－X从支座14延伸至顶部16，且具有前缘18和后缘20。根部12经由平台22与叶片的支座14连接，平台22限定了用于燃烧气体穿过高压涡轮的流动通路的内壁。

[0026] 这种叶片10需要耐受来自紧接地位于高压涡轮上游的涡轮喷气飞机的燃烧室的气体的非常高的温度。

[0027] 根据本发明，提供有一种制造这种叶片的方法，该方法使得该目的能够实现。

[0028] 为此目的，本发明的方法首先提供了由陶瓷材料制作叶片型面(profile)。术语“叶片型面”用来表示具有叶片的最终形状的零件。

[0029] 该叶片型面可通过使用各种已知的方法获得，这些已知的方法本文不具体描述，这些方法例如是涉及将陶瓷注入合适形状的模具中的方法，或是被称作“添加法(additive)”的制造方法(即使用三维打印)。

[0030] 可使用的另一已知的(且适于叶片的大量生产的)技术是失蜡铸造技术，失蜡铸造技术使用外壳模具且依赖直接固化。可参考文件EP 2 092 999，其中描述了这种方法。

[0031] 当用于获得叶片型面的方法涉及将陶瓷注入合适形状的模具时，接着，叶片型面被(例如用机械工具)穿透，从而形成了沿待制造的叶片的长度方向、即沿待制造的叶片的纵轴线X－X穿过叶片型面的孔。

[0032] 该通孔制成使得在叶片型面的纵向顶端形成顶部空腔26a，该顶部空腔通向通道28。通道28具有直径d28，直径d28小于通道28引导进入的顶部空腔26a的尺寸。

[0033] 如图3中所示，叶片型面24被定位在模具30中并被保持在位，从而在叶片型面的纵向底端布置了与叶片型面的通道28连通的底部空腔26b。以与顶部空腔相同的方式，底部空腔26b呈现比通道28的直径d28尺寸更大的横截面。

[0034] 自然地，当用于获得叶片型面的方法涉及其它制造技术时，通过其它装置(典型地通过芯部)获得叶片型面的通道以及顶部空腔和底部空腔，其它制造技术特别是诸如使用外壳模具的失蜡铸造。

[0035] 本发明的方法之后的步骤包括将熔融金属铸入叶片型面24，从而充填空腔26a和26b并充填将空腔26a和26b相互连接的通道28。

[0036] 该铸造操作典型地在其中放置模具30的铸造炉(图中未示出)中执行。熔融金属Mf从顶部空腔26a倾倒入模具30中通过叶片型面24，从而完整地充填底部空腔26b、通道28和顶部空腔26a。例如，所选的用于铸造的金属可为诸如AM1之类的镍基金属合金，AM1典型地被制造商斯奈克玛(Snecma)用来制造其某些单晶涡轮叶片。

[0037] 一旦结束铸入熔融金属，就从铸造炉中取出模具30并使叶片型面24冷却。该冷却具有金属在空腔26a、26b的内部、且在将空腔26a和26b相互连接的通道28内部收缩的自然结果(在图4中用箭头表示了该收缩)。

[0038] 因而，如图5中所示，获得双部件叶片10，其中双部件叶片10的充填有金属的顶部空腔26a位于叶片的顶端16旁边，且双部件叶片10的底部空腔26b限定叶片的根部12的至少一部分。

[0039] 在空腔和将各空腔相互连接的通道中冷却的金属的收缩导致叶片型面的陶瓷经受压缩预应力(该压缩预应力由箭头Fc表示)。

[0040] 在运行中，叶片不仅经受高温，还经受离心力(沿叶片型面的长度方向从根部行进至顶部)，该离心力引起叶片型面上的牵拉力。借助其压缩预应力，叶片可因而轻松地耐受其所经受的牵拉力。尤其是，构成叶片型面的陶瓷与叶片型面中的空腔和通道中的金属铸件之间的扩张的差异对减小叶片型面的陶瓷上的压缩预应力有影响。

[0041] 图6示出了通过本发明的方法获得的叶片10'的变型实施例。

[0042] 在该变型中，在叶片中设置了内冷却回路。为此目的，在将熔融金属铸入叶片型面的步骤之前，将细长的芯部(未示出)布置在将空腔26a和26b相互连接的通道28内，该芯部例如可由适合于出模的二氧化硅制成。该芯部因而沿叶片型面的长度方向直穿过叶片型面。

[0043] 在浇铸熔融金属的步骤之后，通过出模将芯部从叶片型面取出，从而形成直穿过叶片10'的空气通路30。将冷却空气流从叶片的根部12的基座注入空气通路30，并在叶片的顶部16处将冷却空气流排入高压涡轮通路。

[0044] 图7示出了通过本发明的方法获得的叶片10”的另一变型实施例。

[0045] 在该另一变型中，叶片10”还具有内冷却回路。当用于获得叶片型面的方法涉及将陶瓷注入合适形状的模具中时，在将熔融金属铸入叶片型面的步骤之前或当将叶片型面放在铸造模具中时，通过将呈衬套的形式的芯部定位在通道28内而形成该回路。当用于获得叶片型面的方法涉及借助外壳模具的失蜡铸造时，在注蜡步骤之前，通过将具有对应于内冷却回路的形状的芯部置于注蜡模具中而形成冷却回路。

[0046] 在浇铸熔融金属的步骤之后，衬套形状的芯部从叶片型面取出，从而在叶片10”的中心部分中形成环形的空气通路30'。将冷却空气流从叶片的根部12的基座注入该空气通路30'，并经由叶片的顶部16将冷却空气流排入高压涡轮通路。