專利名稱：一種渦輪導向器弧段的修復方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及燃氣渦輪發(fā)動機，更具體地涉及一種在這種發(fā)動機中使用的渦輪導向器弧段的修復方法。
已經(jīng)提出了多種方法來制造導向器弧段。在一普遍采用的方法中，導向器弧段是一多片式組件，包括一內(nèi)環(huán)，一外環(huán)，以及一個或多個葉片，其中每一部件都是單獨鑄造的。內(nèi)環(huán)和外環(huán)上均設(shè)有槽，葉片端部即釬接在其中，從而形成了導向器弧段組件。另外一個普遍采用的方法是整體地鑄造導向器弧段。這就是說，葉片、內(nèi)環(huán)和外環(huán)一體地形成，如同一個整體鑄件。
這兩種方法都有其優(yōu)點和缺點。例如，多片式方法的一個缺點是導向器弧段一般只是外環(huán)安裝在發(fā)動機殼上，葉片和內(nèi)環(huán)實際上懸在熱氣流中。因此，導向器弧段的最大機械應(yīng)力產(chǎn)生在葉片和外環(huán)的交界面，其在多片式組件中是釬接連接，其強度一般不及整體鑄件交界面的強度。多片式導向器弧段的制造費用也很昂貴。因此，多數(shù)導向器弧段都是整體鑄造。
在工作中導向器弧段暴露在高溫中，腐蝕性氣流限制了這些部件的有效使用壽命。因此，導向器弧段一般是由高溫鈷或鎳基超合金制成，并通常有抗腐蝕和/或耐熱材料涂層。另外，導向器弧段通常由來自壓縮機的冷卻空氣進行內(nèi)部冷卻，以延長使用壽命。然而即使做了這些努力，導向器弧段的某些部件尤其是葉片，還是會破裂、腐蝕，或是有其它損傷，使得導向器弧段必須進行修復或更換，以維持安全有效率的發(fā)動機操作。由于導向器弧段設(shè)計復雜，材料相對昂貴且制造費用高，因此還是希望盡可能對其進行修復。
現(xiàn)有的修復工藝包括例如裂紋修復和葉片表面尺寸恢復等技術(shù)。然而，這些現(xiàn)有的修復受到局部變形和最小壁厚的限制，然而由于反復修復和化學剝落，這些條件都會超過。因此，導向器弧段上用現(xiàn)有修復工藝無法修復的位置上可能會發(fā)生損傷。在整體鑄件的導向器弧段中存在著熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，使得內(nèi)環(huán)可修復而其它導向器弧段結(jié)構(gòu)不能修復的情況經(jīng)常發(fā)生。因此，為避免在這種情況下報廢整個導向器弧段，需要有一種方法用于搶修導向器弧段的可修復部分。
在閱讀了后文中的具體描述和所附的權(quán)利要求后并結(jié)合附圖，可以清楚本發(fā)明以及其相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點。
在發(fā)動機工作中，導向器弧段10會受到例如可能由局部超高溫氣流或外來異物沖擊所引起的損傷。如上所述，導向器弧段10的一部分可能會在已知修復方法無法修復的某點位置處損傷。本發(fā)明涉及一種導向器弧段的修復方法，用在內(nèi)環(huán)可修復而其它導向器弧段結(jié)構(gòu)不能修復的情況下。通過示例，

圖1顯示的葉片12受到了嚴重的不可修復的損傷，而內(nèi)環(huán)16的損傷相對較輕并可以修復。本發(fā)明最適用于整體鑄件的導向器弧段，但也可用于其它類型的導向器弧段。
修復方法包括以下主要步驟將內(nèi)環(huán)16從導向器弧段10中分解下，在內(nèi)環(huán)16上連接一個特別設(shè)計的新鑄件，其可以替換內(nèi)環(huán)16從中去除的結(jié)構(gòu)。如圖2所示，可修復的內(nèi)環(huán)16具有冷側(cè)22(遠離熱氣體流經(jīng)通道的側(cè)面)和熱側(cè)24(朝向熱氣體流經(jīng)通道的側(cè)面)，并包括傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)例如凸緣26和排氣孔28。凸緣26為內(nèi)環(huán)16提供了結(jié)構(gòu)上的支撐，在導向器弧段10安裝到發(fā)動機中時，凸緣26還能有密封功能。在導向器弧段未損傷時，冷卻氣體通過排氣孔28流出葉片12的內(nèi)部冷卻通道。圖3顯示了一個新鑄件，在下文中稱為替換鑄件30。替換鑄件30是一個具有外環(huán)32和兩個葉片34的整體鑄件，在下文中會更詳細地介紹。
更具體地，修復方法的初始步驟是檢查從工作地點分解下的發(fā)動機導向器弧段組件，對這個內(nèi)環(huán)16可修復但其它導向器弧段結(jié)構(gòu)不可修復的導向器弧段10進行鑒定。一旦對這個導向器弧段10作出鑒定，就剝離其所具有的任何涂層材料(例如抗腐蝕或耐熱涂層)?？梢赃m當?shù)募夹g(shù)來剝離這些涂層材料，例如噴砂、化學浸浴或類似方法，或者這些技術(shù)的組合。下一步是修復內(nèi)環(huán)16上的裂紋，并加大凸緣26的尺寸，可采用已知的修復技術(shù)例如合金釬接、合金加厚、焊接以及類似技術(shù)來完成。這些傳統(tǒng)的修復應(yīng)根據(jù)內(nèi)環(huán)16的情況而進行。在此時，任何原來使用過的抗腐蝕或耐熱涂層都不能再使用。
下一步是將內(nèi)環(huán)16從導向器弧段10的其余部分中分解下來。通過大概地沿內(nèi)環(huán)16附近切下兩個葉片12，就可以完成分解的工作。切割可以采用任何傳統(tǒng)的方法，例如磨料切割輪或電火花加工方法。在分解下內(nèi)環(huán)之后，廢棄不能修復的結(jié)構(gòu)，這樣內(nèi)環(huán)16就可準備連接替換鑄件30了。第一步準備是在內(nèi)環(huán)冷側(cè)22上加工出兩個平的凹槽36，如圖2所示。兩凹槽36用于兩葉片34。對于具有不同數(shù)目葉片的導向器弧段來說，應(yīng)采用相應(yīng)數(shù)目的凹槽。凹槽36在各個排氣孔28的周圍形成，并相對較淺。排氣孔28可用于定位加工凹槽36的刀具。
下一步是將凸盤38點焊在每一凹槽36中，如圖4所示。凸盤38是實心體，通常為具有特定尺寸的長方體，并具有和各個凹槽36交界的平的表面。因此，凹槽36方便了在內(nèi)環(huán)16的曲形冷側(cè)22上定位凸盤38。凸盤38最好由和內(nèi)環(huán)16相同或相似的材料制成，或者至少由能相容于所連接的內(nèi)環(huán)16和替換鑄件30的材料制成。
現(xiàn)在參考圖5和6，在凸盤38點焊在冷側(cè)22后，內(nèi)環(huán)16將進行兩個加工操作。在第一操作中，在內(nèi)環(huán)16的熱側(cè)24上加工出兩個凹進部分40，在圖5中可以很清楚地看出。凹進部分40的周長接近葉片34的葉片輪廓。加工葉片形凹進部分40的一個優(yōu)選方法是用電火花加工(EDM)每一凹進部分40。這可以用一個具有葉片形狀的EDM電極來完成。電極只進入到去除流動通道壁的深度，而不能進入到支撐凸緣26中。然而，在某些位置上凹進部分40會貫穿內(nèi)環(huán)16，如圖5和6中所示。但凸盤38比凹進部分40更寬，使得凸盤懸在內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)之上，無法通過凹進部分40的開通部分。
排氣孔28又可用來在EDM的深入操作中對EDM電極進行定位。兩個凹進部分40的EDM深入加工沿兩個不平行的軸線進行。由于渦輪導向器包括了以環(huán)形陣列設(shè)置的多個導向器弧段，所有葉片限定了會聚在發(fā)動機中心線上的徑向軸線，因而是不平行的。通過沿對應(yīng)于替換鑄件30的各個葉片34的徑向軸線的進給軸線加工凹進部分40，每一凹進部分就可以定位在能夠正確安裝各個葉片34的位置上。
在第二加工操作中，在每一凸盤38上加工出一接收凹槽42。接收凹槽42通過凸盤38徑向地延伸出，并通常對準在加工操作中將被去除的排氣孔28的位置。接收凹槽42也可以由EDM加工形成。在此例中，兩個接收凹槽42在平行的軸線上形成，這可以通過使用兩個具有合適形狀的電極來同時完成。接收凹槽42相互平行，可以安裝替換鑄件30，這將在下文中更詳細地介紹。
在連接到內(nèi)環(huán)16之前替換鑄件30還要進行一些加工操作。再次參考圖3可以看到，替換鑄件30是一具有外環(huán)32和兩個葉片34的整體鑄件。外環(huán)32和葉片34和完整導向器弧段10上的相同，包括相同的內(nèi)部冷卻通道。然而，替換鑄件30上沒有內(nèi)環(huán)，但具有在每一葉片34的徑向內(nèi)端上一體形成的固定平臺44。在每一固定平臺44和葉片34的交界處設(shè)有圓角，以減小應(yīng)力。每一固定平臺44的底面都有一體形成的凸臺46。每一凸臺46上都設(shè)有排氣孔48。
在本領(lǐng)域已公知，完整的整體鑄造導向器弧段，例如導向器弧段10，具有三個原始基準點，其中之一位于內(nèi)環(huán)上。這些原始基準點是用于檢查導向器弧段是否合格。因此，替換鑄件30的每一固定平臺44的邊緣的前端應(yīng)鑄有一小的平面或基準面50。小平面50之一用做第三基準點，使得可以檢查替換鑄件30是否合格。
固定平臺44具有和葉片形凹進部分40近似的形狀，但故意做得大一些。因此，替換鑄件30應(yīng)進行預加工，例如EDM或銑削以去除多余的材料。所要加工的表面是固定平臺44的邊和底面，以及凸臺46的周邊。如圖7所示，平臺44的大小應(yīng)適合裝入到葉片形凹進部分40中，凸臺46的尺寸應(yīng)適合裝入到接收凹槽42中。加工平臺44的邊的時侯會加工掉小平面50，這個平面在替換鑄件30已合格后就不再需要了。對于兩個葉片，所有的這些表面的加工是在平行的軸線上進行。因此，凸臺46可以安裝到在相同的平行軸線上加工出的接收凹槽42中。如果凸臺46在各個葉片34的徑向軸線上加工，那么它們就不可能安裝在槽42中，這是因為相匯合的平面會限制凸臺46的高度。固定平臺44的高度要比凸臺46的高度小得多，可以安裝在葉片型凹進部分40中。
而且，排氣孔槽52是在排氣孔48中加工而成。槽52加工成其剖面和深度能保持冷卻氣體經(jīng)排氣孔48離開各個葉片34的流動和速度。這就是說，排氣孔槽52的大小使得冷卻空氣的流動和速度和在原有導向器弧段10中的相同。槽52最好由EDM方法沿各個葉片34的徑向軸線形成。
在完成加工操作之后，內(nèi)環(huán)16和替換鑄件30裝配在一起，形成一個修復的導向器弧段54，如圖8所示(圖8中顯示了以虛線表示的內(nèi)環(huán)，展示了內(nèi)環(huán)16和替換鑄件30的交界面)。如上所述，將固定平臺44裝入相應(yīng)的葉片形凹進部分40中，以及將凸臺46裝入相應(yīng)的接收凹槽42中，就可將內(nèi)環(huán)16和替換鑄件30裝配在一起。沿以下交界面連接，就可把這些零件連接在一起，這些交界面是固定平臺和內(nèi)環(huán)在內(nèi)環(huán)熱側(cè)24上的交界面，凸盤和凸臺的交界面，以及凸臺和內(nèi)環(huán)在內(nèi)環(huán)冷側(cè)22上的交界面。可以用傳統(tǒng)的方法例如釬接或焊接來完成連接，但通常優(yōu)先采用釬接，釬接產(chǎn)生在發(fā)動機工作時零件經(jīng)受的熱梯度。一個優(yōu)選的連接操作是先將每一凸盤38點焊在各個凸臺46上，再在內(nèi)環(huán)熱側(cè)24上涂上釬接粉末，并在固定平臺和內(nèi)環(huán)交界面上涂上焊劑。在冷側(cè)22上，在凸盤和凸臺交界面以及凸盤和內(nèi)環(huán)交界面上涂上釬接合金。然后整個組件放入爐中，內(nèi)環(huán)16朝上，進行釬接。
最后，任何原來使用過的抗腐蝕和耐熱涂層以已知的方式重新涂上。這樣，已修復的導向器弧段54就具有以前使用的部分(對應(yīng)于內(nèi)環(huán)16)和新的部分(對應(yīng)于替換鑄件30)。凸盤38增強了導向器弧段54的結(jié)構(gòu)，還可以提供輔助的阻擋特性。這是說，如果固定平臺和內(nèi)環(huán)的連接失效，那么凸盤38可以防止葉片34從內(nèi)環(huán)16上脫離。這是因為凸盤是懸出的，可以防止凸盤38從內(nèi)環(huán)16中拉出。
在一個優(yōu)選實施例中，替換鑄件30是由與內(nèi)環(huán)16相同材料制成，這樣就得到一個能保持原有導向器弧段10的材料性能的修復的導向器弧段54。然而，在另一個優(yōu)選實施例中，替換鑄件30是由不同的材料制成的，最好是由具有增強材料性能的合金制成。常常出現(xiàn)這樣的情況，在燃氣渦輪發(fā)動機零件例如導向器弧段的使用壽命中，適用于這些零件的改進合金得到發(fā)展。通常來說，發(fā)動機操作者不得不用由改進合金制成的新的零件來替代現(xiàn)有零件，以增強材料性能。然而，通過用改進合金制造替換鑄件30，所修復的導向器弧段54部分上可以實現(xiàn)增強的材料性能。
上文中描述了渦輪導向器弧段的修復方法，以及用于此修復工藝的替換鑄件。雖然描述的是本發(fā)明的幾個具體的實施例，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，很明顯，在不違背權(quán)利要求中所述本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明進行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種用于修復具有至少一個位于外環(huán)和內(nèi)環(huán)(14，16)之間的葉片(12)的渦輪導向器弧段(10)的方法，所述方法包括將所述內(nèi)環(huán)(16)從所述導向器弧段(10)中分解；和在所述內(nèi)環(huán)(16)上連接新的帶有外環(huán)(32)和至少一個葉片(34)的替換鑄件(30)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，將所述內(nèi)環(huán)(16)連接到所述替換鑄件(30)上的步驟包括將凸盤(38)連接到所述內(nèi)環(huán)(16)上；在所述凸盤(38)上加工出凹槽(42)；將所述替換鑄件(30)的所述葉片(34)的一部分插入到所述凹槽(42)中；和將所述替換鑄件(30)的所述葉片(34)連接到所述凸盤(38)和所述內(nèi)環(huán)(16)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于，所述方法還包括在所述內(nèi)環(huán)(16)上加工出凹槽(36)，所述凸盤(38)在所述凹槽(36)處和所述內(nèi)環(huán)(16)相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于，通過釬接將所述凸盤(38)連接在所述內(nèi)環(huán)(16)上，所述替換鑄件(30)的所述葉片(34)連接到所述凸盤(38)和所述內(nèi)環(huán)(16)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，將所述內(nèi)環(huán)(16)從所述導向器弧段(10)中分解的步驟包括在所述內(nèi)環(huán)(16)附近切下所述導向器弧段(10)的所述葉片(12)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述方法還包括修復所述內(nèi)環(huán)(16)上的損傷的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述替換鑄件(30)是由和所述內(nèi)環(huán)(16)相同的材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述替換鑄件(30)是由與制成所述內(nèi)環(huán)(16)的材料相比具有提高的材料性能的材料制成。
9.一種用于修復具有一個或多個位于外環(huán)和內(nèi)環(huán)(14，16)之間的葉片(12)的渦輪導向器弧段(10)的方法，所述方法包括將所述內(nèi)環(huán)(16)從所述導向器弧段(10)中分解下；提供一個帶有外環(huán)(32)和一個或多個葉片(34)的新的替換鑄件(30)，所述替換鑄件(30)的每一葉片(34)具有設(shè)在其一端的固定平臺(44)，以及設(shè)在所述固定平臺(44)上的凸臺(46)；對于所述替換鑄件(30)的每一葉片(34)，將一凸盤(38)連接到所述內(nèi)環(huán)(16)的一側(cè)；對于所述替換鑄件(30)的每一葉片(34)，在所述內(nèi)環(huán)(16)的另一側(cè)加工出一凹進部分(40)；在每一所述凸盤(38)上加工出凹槽(42)；對于所述替換鑄件(30)的每一所述葉片(34)，將所述凸臺(46)插入到所述相應(yīng)凹槽(42)中，將所述固定平臺(44)插入到所述相應(yīng)凹進部分(40)中；對于所述替換鑄件(30)的每一所述葉片(34)，將所述凸臺(46)連接到所述相應(yīng)凸盤(38)上，將所述固定平臺(44)連接到所述內(nèi)環(huán)(16)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，所述方法還包括對于每一所述凸盤(38)，在所述環(huán)(16)上加工出一凹槽(36)，每一所述凸盤(38)在所述相應(yīng)凹槽(36)處和所述內(nèi)環(huán)(16)相連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，通過釬接每一所述凸盤(38)和所述內(nèi)環(huán)(16)相連接，每一所述凸臺(46)和所述相應(yīng)凸盤(38)相連接，每一所述固定平臺(44)和所述內(nèi)環(huán)(16)相連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，所述方法還包括對于所述替換鑄件(30)的每一所述葉片(34)，在插入所述相應(yīng)凹槽(42)和所述相應(yīng)凹進部分(40)中前，分別對所述凸臺(46)和所述固定平臺(44)加工到適當尺寸。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，每一所述凸盤(38)比其相應(yīng)凹進部分(40)寬。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，所述方法還包括在每一所述凸臺(46)上設(shè)置一排氣孔(48)。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，將所述內(nèi)環(huán)(16)從所述導向器弧段(10)中分解下的步驟包括在所述內(nèi)環(huán)(16)附近切下所述導向器弧段(10)的所述葉片(34)。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，所述方法還包括修復所述內(nèi)環(huán)(16)上的損傷的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，所述替換鑄件(30)是由和所述內(nèi)環(huán)(16)相同的材料制成。
18.根據(jù)權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，所述替換鑄件(30)是由與制成所述內(nèi)環(huán)(16)的材料相比具有提高的材料性能的材料制成。
19.根據(jù)權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，所述替換鑄件(30)具有至少兩個所述葉片(34)，所有所述凹槽(42)在平行的軸線上進行加工。
20.根據(jù)權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，所述替換鑄件(30)在每一所述葉片(34)和所述相應(yīng)的固定平臺(44)之間設(shè)有圓角。
21.一種渦輪導向器弧段(10)，包括一內(nèi)環(huán)(16)；和一包括外環(huán)(32)和至少一個位于所述外環(huán)和內(nèi)環(huán)(14，16)之間的葉片(34)的替換鑄件(30)，其特征在于，所述內(nèi)環(huán)(16)具有原來的結(jié)構(gòu)，而所述替換鑄件(30)具有新的結(jié)構(gòu)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述導向器弧段(10)，其特征在于，所述內(nèi)環(huán)(16)和所述替換鑄件(30)由相同的材料制成。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述導向器弧段(10)，其特征在于，所述替換鑄件(30)是由與制成所述內(nèi)環(huán)(16)的材料相比具有提高的材料性能的材料制成。
24.一具有至少一個位于外環(huán)(32)和內(nèi)環(huán)(16)之間的葉片(34)的已修復渦輪導向器弧段(10)，所述導向器弧段(10)通過下列方法進行了修復將所述內(nèi)環(huán)(16)從所述導向器弧段(10)中分解；和在所述內(nèi)環(huán)(16)上連接一個新的具有外環(huán)(32)和至少一個葉片(34)的替換鑄件(30)。
25.一種在修復導向器弧段(10)中使用的替換鑄件(30)，所述替換鑄件(30)包括外環(huán)(32)；至少一個和所述外環(huán)(32)一體形成的葉片(34)，所述葉片(34)具有一個在其一端一體形成的固定平臺(44)，以及一個和所述固定平臺(44)一體形成的的凸臺(46)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述替換鑄件(30)，其特征在于，所述替換鑄件(30)還包括在所述凸臺(46)上形成的排氣孔(48)。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述替換鑄件(30)，其特征在于，所述替換鑄件(30)還包括在所述固定平臺(44)上形成的一個平的基準面(50)。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述替換鑄件(30)，其特征在于，所述替換鑄件(30)還包括在所述葉片(34)和所述固定平臺(44)之間形成的圓角。
全文摘要
一種用于具有至少一個位于外環(huán)和內(nèi)環(huán)(14,16)之間的葉片(12)的渦輪導向器弧段(10)的修復方法,包括:將內(nèi)環(huán)(16)從導向器弧段(10)中分解,在內(nèi)環(huán)(16)上連接新造具有外環(huán)(32)和至少一個葉片(34)的替換鑄件(30)。替換鑄件(30)包括在葉片(34)一端形成的固定平臺(44),以及在固定平臺(44)上形成的凸臺(46)。在內(nèi)環(huán)(16)上連接有凸盤(38),凸盤上開有凹槽(42)。然后將凸臺(46)插入到凹槽(42)中,固定平臺(44)安裝在內(nèi)環(huán)(16)的凹進部分(40)中。通過將凸臺(46)連接到凸盤(38)上以及將固定平臺(44)連接到內(nèi)環(huán)(16)上,就可以完成替換鑄件的連接。
文檔編號B23P6/00GK1354066SQ0113748
公開日2002年6月19日 申請日期2001年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月16日
發(fā)明者小J·W·卡德爾, J·M·卡爾德維爾, K·M·利蘭德, G·H·尼科爾斯 申請人:通用電氣公司