CN1509840A - 从燃气涡轮发动机机盘燕尾槽底部去掉材料的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种从燃气涡轮发动机机盘(12)中燕尾槽(14)的底部(20)去掉预定数量材料的***和方法，包括以下步骤：设置通过燕尾槽(14)的指定流动通道(38)；使磨料(26)以指定的循环次数流过所述流动通道(38)，从燕尾槽底部(20)将基本上相同数量的材料去掉。这种方法还包括密封燕尾槽(14)的压力面(18)的步骤，以防止磨料(26)流到压力面。

Description

从燃气涡轮发动机机盘燕尾槽底部去掉材料的方法和装置
技术领域
本发明总体上涉及燃气涡轮发动机机盘的燕尾槽的修理，具体地，涉及从这种燕尾槽底部去掉预定数量材料的设备和方法。
背景技术
已经发现在加工燃气涡轮发动机机盘，尤其是旋转的涡轮盘，的燕尾槽时会在燕尾槽中产生可降低低循环疲劳性能的强冷加工材料和其他特性。具体地，在形成燕尾槽时由于使用钝的拉刀可产生扰动材料。传统的除去这种扰动材料的方法包括铣削燕尾槽或再次进行拉削。然而，这些方法只在所使用的工具很锐利时才有用。而且，一般需要进行手工去毛刺，这往往会在高应力的燕尾区域产生工具刀痕。
在现有技术中已经知道可以使磨料在燃气涡轮发动机部件表面上流动来进行抛光或表面精加工。这类操作只能去除极少量的材料(举例来说，大约为0.0005英寸或0.5密耳)。在Shaw的美国专利6,183,347公开了这种方法的实例，其中将载流体中柔韧的物料流以小入射角喷射到插塞及其相邻表面进行选择性磨蚀以形成台阶。应当认识到所介绍的方法只对工件进行选择性表面处理，所去除材料的数量不能满足去除扰动材料层或浅裂纹所要求的数量。
由于上述从燃气涡轮发动机机盘去掉扰动材料的方法只用于该特定目的，所以需要研制出一种能够克服上述局限性的去掉这种扰动材料的改进方法。还需要研制出一种可形成通过燕尾槽的流动通道的设备，能够在不影响燕尾槽压力面部分的情况下从燕尾槽底部去掉基本相同数量的材料。
发明内容
在本发明的第一个示例性实施例中，公开了一种从燃气涡轮发动机机盘的燕尾槽底部去掉预定数量材料的方法，包括以下步骤：设置通过燕尾槽的指定流动通道；使磨料按指定的循环次数流过流动通道从燕尾槽底部去掉基本相同数量的材料。这种方法还包括密封燕尾槽的压力面的步骤，以防止磨料流到压力面。
在本发明的第二个示例性实施例中，公开了一种从燃气涡轮发动机机盘的燕尾槽底面去掉预定数量材料的设备，其中，一纵轴贯穿该燕尾槽延伸。这种***包括：装置，使磨料以预定的压力和流速在指定通道来回流动；支架，将燃气涡轮发动机机盘固定在适当位置使燕尾槽与指定通道流体连通；和构件，形成磨料的通过燕尾槽的指定流动通道。这样磨料的流动可将基本相同数量的材料从燕尾槽底面去掉。磨料流动装置中的指定通道设置成可使机盘的每个燕尾槽的工作基本上同时进行。
附图说明
图1是根据本发明安置在磨料流动装置中的涡轮盘的剖视图，以沿燕尾槽的底部去掉材料；
图2是安置在图1所示磨料流动装置中的涡轮盘的局部放大剖视图；
图3是通过图1和2所示燕尾槽底部的流动通道的放大侧视图；
图4是通过图2和3所示燕尾槽底部的流动通道的放大正视图；
图5是涡轮盘的局部正视图，其中具有特定断面形状的销状件设置在燕尾槽中，准备沿该燕尾槽的底部去掉材料；
图6是图5所示涡轮盘的局部后视图；
图7是图5和6所示具有特定断面形状的销状件的侧向透视图，其中为了清楚起见已将上部除去；
图8是图7所示具有特定断面形状的销状件的侧视图，其中为了清楚起见已将上部除去；
图9是图7和8所示具有特定断面形状的销状件的正视图，其中为了清楚起见已将上部除去；
图10是图7-9所示具有特定断面形状的带有上部的销状件的侧向透视图；
图11是另一种结构形式的具有特定断面形状的销状件侧向透视图，其中为了清楚起见已将上部除去；
图12是图11所示另一种结构形式的具有特定断面形状的销状件的底视透视图，其中为了清楚起见已将上部除去；
图13是图11和12所示具有特定断面形状的带有上部的销状件的侧向透视图；和
图14是图11-13所示具有特定断面形状的带有上部的销状件的底视透视图。
具体实施方式
现在详细参见附图，其中相同的数字在所有附图中表示相同的部件。图1示出了对燃气涡轮发动机的机盘12进行磨料流动处理的装置10。这种装置的实例是由宾夕法尼亚州Irwin市的Extrudehone公司制造的名为Spectrum的设备。应当认识到本发明的磨料流动处理可应用于燃气涡轮发动机中的涡轮、压缩机或风扇，附图所示的机盘12是涡轮盘。更具体地，机盘12包含设在其周边的沿圆周隔开的若干个燕尾槽14，每个燕尾槽14位于相邻支柱16之间，可将带有互补燕尾形状(见图4-6)的涡轮叶片(未示出)容纳在其中。每个燕尾槽14最好具有大体上类似于枞树的形状并包含压力面部分18和底部20。
为了从每个燕尾槽底部20的表面22去掉预定数量的材料，将机盘12安置在磨料流动装置10的支架24上，使得磨料26通过指定通道28时被迫通过每个燕尾槽14。从图1中可以知道，磨料流动装置10的指定通道28最好是沿圆周布置的，并包含若干个与各燕尾槽14流体连通的分支30，所有分支30能够基本上同时工作。装置10的磨料26包含载体，如Extrudehone公司生产的型号为995L或649S的载体，其中的磨粒最好是用碳化硼、碳化硅或工业金刚石制成。应当认识到磨料26利用第一气缸(未示出)以预定的压力和流速(最好在每秒大约3-5立方英寸的流速和压力为大约500-600磅/平方英寸下，不过当流速减小或增大时压力可升高或降低)从磨料流动装置10的下部34通过指定通道28、分支30和燕尾槽14进入磨料流动装置10的上部36。然后，位于上部36附近的第二气缸(未示出)迫使磨料26以相同的预定压力和流速沿相反方向通过燕尾槽14、分支30和指定通道28回到下部34中。应当认识到磨料26从下部34移动到上部36然后回到下部34中构成本说明书所称的一个循环。
对每个燕尾槽14来说，在燕尾槽底部20形成的与指定通道28流体连通的流动通道38(在图2-4中可清楚看到)具有纵轴线40(见图3)。为了形成流动通道38，最好将具有某种预定形状的插塞或销状件42放置在每个燕尾槽14中。应当认识到沿流动通道38的横断面一般是不一致的。更具体地，销状件42的底面44包括具有至少一部分轴向长度的基本弧形的部分46，因此流动通道38沿纵轴40的横截面是变化的。底面44中弧形部分46的指定半径48最好与燕尾槽底部22的最小轴向长度50成正比。半径48与最小轴向长度50的比率尽可能在大约1.0-1.5的范围内，且最好在大约1.2-1.4的范围内。
还可以看出底面44在整个弧形部分46上沿圆周方向(即基本上垂直于纵轴40)最好是弧形的，如图4中清楚所示。因此，圆周半径52最好与燕尾槽底部20表面22的圆周半径54成正比。半径52与半径54的比率尽可能在大约1.2-1.8的范围内，且最好在大约1.4-1.6的范围内。
底面44在前端60和后端62处最好分别具有基本平面部分56和58，以便与设在机盘12上的对应槽口64和66紧密配合。因此，应当认识到虽然平面部分56和58可以具有不同的轴向长度，但经过那里的底面44基本上是对称的。从图11-14所示的另一种结构形式可以看出，为了将所要求数量的材料从燕尾槽底部20的表面22上去掉，可以采用具有非线性不对称底面144的销状件142。
在流动通道38中最好保持被称作临界间隙68的最小横断面以确保适量的磨料26从那里流过。临界间隙68还可以定义为燕尾槽底部20的表面22与销状件42的底面44之间的最小距离，或销状件42的径向高度70与燕尾槽底部20的径向高度72之间的差。临界间隙68一般大约位于流动通道38的中点71，并且是前后端60和62处间隙宽度69的大约50-70％。因此中点71处流动通道38的相应横断面大约为前后端60和62处横断面的30-50％。
临界间隙68一般是若干个参数的函数，这些参数包括磨料26所使用的材料、磨料26被迫通过流动通道38时的预定压力和流速、以及沿轴向和圆周方向的流动通道38的形状。尽管如此，已经发现对于将材料从燕尾槽底部20的表面22去掉的预定过程，径向高度70与径向高度72的比应尽可能在大约0.75-0.90的范围内，且最好在0.80-0.86的范围内。因此，临界间隙68将尽可能在大约145-220密耳的范围内，在大约160-210密耳的范围内就更好，而最好是在大约170-200密耳的范围内。
对于销状件42，应当认识到其还包括延伸到燕尾槽底部20以构成流动通道38的第一部分74，和可拆卸地固定在燕尾槽14的压力面部分18的第二部分76。第一部分74具有包含销状件42底面44的底部78。作为底部78一部分的一对倾斜侧壁80和82设置成能够避免与燕尾槽底部20的侧面84和86分别接触。从底部78的顶面90延伸的中部88最好基本是平面的，并具有轴向长度92。中部88最好还包含至少一个开口94，其目的将在下面说明。应当认识到中部88可以具有其它形状，比如从底部78的顶面90延伸的一个或多个圆柱体。
第一部分74还包括取向基本上垂直于中部88的顶部96，因此共同构成基本为T形的横断面。在顶部96的顶面100最好设有凹进部分98，因此提供了用于成形过程的浇口。具体地，应当认识到当通过比如失蜡铸造法熔模铸造形成第一部分74时，能够方便地弄断浇口拖尾而不必担心表面光滑度，因为其中的任何残留部分都位于顶面100的下面。应当认识到用于第一部分74的材料最好是可空气淬硬的工具钢如A2、D2或经过热处理的韧性的铁以提高耐磨性。其它可用于第一部分74的材料包括经模压和烧结的碳化钨硬质合金。无论在哪种情况下，第一部分74的材料的洛氏硬度最好在大约25-60的范围，使得第一部分74能够经受住流经流动通道38的磨料26的磨损。
销状件42的第二部分76基本上是燕尾的形状，因此能够很容易地***燕尾槽14的压力面部分18，使销状件42固定在适当位置。所以，在其各侧面上最好设有一对凹槽部分77和79，而在它们之间设有一对突起部分81和83。第二部分76还在燕尾槽的压力面部分18和底部20之间形成密封，因此磨料26不会接触到压力面部分18。第二部分76一般是通过注射模塑法形成的，并粘结到第一部分74上，如图10所示。还可以设有从第一部分74的开口94中穿过的连接件部分(未示出)。第二部分76最好用比第一部分74软的材料如热固化塑料、尼龙或尿烷制成，只要其具有大约为D50-90的肖氏硬度。因此，第二部分76能够在不刮伤或损伤压力面部分18的情况下实现其预期的固定和密封功能。
应当注意到第二部分76可以带有沿顶面87的前部60设置的台阶85，以对应于机盘12的每一相邻支柱16的台阶102。在装配到装置10时，可以用来确认销状件42已适当地***燕尾槽14中。
通过上述对磨料流动装置10、销状件42、以及每个燕尾槽14中流动通道38的介绍应当知道，从机盘12中每个燕尾槽底部20去掉预定数量材料的方法包括以下步骤：设置通过每个燕尾槽14的流动通道38；使磨料26以指定的循环次数流过每一流动通道38，将基本上相同数量的材料从每一燕尾槽底部20的目标区域去掉。这种方法还包括使每个燕尾槽14的压力面部分18与底部20隔绝的步骤，以防止磨料26流到压力面部分18。这些功能是通过将销状件42的第二部分76***每个燕尾槽14中来实现的。通过使销状件42具有适当的断面形状，可在每个流动通道38中形成横断面缩小的区域并保持最小间隙或临界间隙68。
应当认识到从每个燕尾槽底部20的表面22上去掉的预定数量的材料应至少大约为0.002英寸(2.0密耳)，在大约0.002-0.006英寸(2.0-6.0密耳)的范围内更好，最好是在大约0.0025-0.0035英寸(2.5-3.5密耳)的范围内。为了确定从每个燕尾槽底部去掉预定数量的材料装置10所需的指定循环次数，在磨料26通过流动通道38之前应测量燕尾槽底部20的深度，该深度在本说明中被称作径向高度72。在装置10运行给定的循环次数之后，再次测量燕尾槽底部20的深度(径向高度72)。该过程重复进行直至去掉预定数量的材料，并将需要的循环次数记录下来。即使运行了指定的循环次数之后，最好要确定至少已经去掉预定数量的材料。在材料去除过程完成之后还可以对每个燕尾槽14的底部20进行喷丸硬化以强化表面22。
虽然已经示出和介绍了本发明的优选实施例，对磨料流动装置10、燕尾槽底部20的流动通道38、和/或销状件42所作进一步修改属于本发明的范围。此外，从燕尾槽底部20去掉预定数量材料的方法中的步骤可以改变，但仍要实现预定的功能。
标记表
10磨料流动装置(总体地)
12涡轮盘
14燕尾槽(总体地)
16涡轮盘的支柱
18燕尾槽的压力面部分
20燕尾槽的底部
22燕尾槽底部的表面
24固定涡轮盘的支架
26磨料
28磨料流动装置中的指定通道
30磨料流动装置中指定通道的分支
34磨料流动装置的下部
36磨料流动装置的上部
38通过燕尾槽的流动通道(总体地)
40通过流动通道的纵轴
42销状件(总体地)
44销状件的底面
46销状件底面的弧形部分
48弧形部分的半径
50燕尾槽底部的最小轴向长度
52销状件底面的圆周半径
54燕尾槽底部的圆周半径
56销状件底面前端的平面部分
58销状件底面后端的平面部分
60销状件的前端
62销状件的后端
64机盘前侧的槽口
66机盘后侧的槽口
68流动通道的临界间隙
70销状件的径向高度
71流动通道的中点
72燕尾槽底部的径向高度
74销状件的第一部分
76销状件的第二部分
77销状件第二部分的凹槽部分
78销状件第一部分的底部
79销状件第二部分的凹槽部分
80底部的侧壁
81销状件第二部分的突起部分
82底部的侧壁
83销状件第二部分的突起部分
84燕尾槽底部的侧面
85销状件第二部分的台阶
86燕尾槽底部的侧面
87销状件第二部分的顶面
88销状件第一部分的中部
90底部的顶面
92中部的轴向长度
94中部的开口(一个或多个)
96销状件第一部分的顶部
98顶面的凹进部分
100顶部的顶面
102支柱的台阶
142另一种销状件
144另一种销状件的底面

Claims (13)

1.一种从燃气涡轮发动机机盘(12)中燕尾槽(14)的底部(20)去掉预定数量材料的方法，包括以下步骤：
(a)设置通过所述燕尾槽(14)的指定流动通道(38)；和
(b)使磨料(26)以指定的循环次数流过所述流动通道(38)，从所述燕尾槽底部(20)去掉基本相同数量的材料。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括密封所述燕尾槽(14)的压力面(18)的步骤，以防止所述磨料(26)流到压力面。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括将销状件***所述燕尾槽(14)的步骤，在所述流动通道(38)形成横断面缩小的区域。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述流动通道(38)保持最小横断面的步骤。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括为了从所述燕尾槽底部(20)去掉所述预定数量材料而确定需要的指定循环次数的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述燕尾槽底部(20)去掉的所述预定数量的材料至少为大约2密耳。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定数量的材料从所述燕尾槽底部(20)的目标区域去掉。
8.一种从燃气涡轮发动机机盘(12)的燕尾槽(14)的底面(22)去掉预定数量材料的设备，其纵轴(40)通过所述燕尾槽(14)，所述设备包括：
(a)装置(10)，使磨料(26)以预定的压力和流速在指定通道(28)中来回流动；
(b)支架(24)，将所述燃气涡轮发动机机盘(12)固定在适当的位置，使所述燕尾槽(14)与所述指定通道(28)流体连通；和
(c)构件(42)，构成所述磨料(26)通过的通过所述燕尾槽(14)的指定流动通道(38)；
其中，所述磨料(26)的流动可从所述燕尾槽(14)的底面(22)去掉基本相同数量的材料。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述构件(42)将所述燕尾槽(14)的压力面(18)与所述磨料(26)流密封隔绝。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述构件(42)在所述燕尾槽(14)的所述指定流动通道(38)形成最小横断面。
11.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述构件(42)使通过所述燕尾槽(14)的所述指定流动通道(38)沿所述燕尾槽(14)的所述纵轴(40)具有不同截面。
12.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述构件(42)使通过所述燕尾槽(14)的所述指定流动通道(38)沿基本上垂直于所述燕尾槽(14)所述纵轴(40)的方向具有不同截面。
13.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，通过所述机盘(12)的各所述燕尾槽(14)的指定流动通道(38)与所述磨料流动装置(10)的所述指定通道(28)流体连通，磨料(26)基本上同时流过。
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