用于具有扭曲的肋的扭曲的燃氣渦輪發動機翼面的鑄造型芯的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于具有扭曲的翼面的燃氣渦輪發動機葉片的鑄造型芯。特別地，發明涉及其中具有扭曲的肋空隙的鑄造型芯。
【背景技術】
[0002]燃氣渦輪發動機葉片具有可以是中空的并且可以包括加強肋的翼面。這些肋可以在結構上從若干力上加強葉片，包括:趨向于使葉片以懸臂的方式圍繞葉片的基部彎折的空氣動力；由中空的翼面內側存在的較高靜壓力引起的趨向于使翼面的蒙皮膨脹的力；和歸因于葉片的旋轉的離心力。除了增加結構強度以外，在某些設計中，這些肋還幫助限定在中空的翼面中存在的冷卻通道。
[0003]用于燃氣渦輪發動機葉片的翼面可以以各種途徑制造。一種常用的途徑是鑄造工藝，歸因于其相對低的成本。在該工藝中，首先利用剛性主模具組制得鑄造型芯。在該工藝中，將模具的第一半部和第二半部組裝到一起并且形成中空的內部空隙。將鑄造型芯材料放入中空的內部空隙中并使其凝固。一旦凝固，就通過沿著直線分離線將第一、第二模具半部彼此拉開而將它們分離。模具半部是剛性的，并且鑄造型芯是剛性的。結果，在使鑄造型芯與模具半部分開時，在它們之間可以沒有干涉。這導致了鑄造型芯中的任何特征都必須被設計成許可分開的鑄造型芯設計。例如，用于隨后形成翼面中的加強肋的鑄造型芯中的空隙被形成為使得它們平行于模具半部被拉開時所沿著的方向。這必然導致隨后形成的肋彼此平行。
[0004]某些翼面設計包括在翼面中從翼面的基部沿徑向向外朝向翼面的頂部的扭曲。對于翼面的任何給定的徑向截面，將翼面的前緣連接至后緣的弦線形成了弦線。弦線的徑向內側的投影與燃氣渦輪發動機的轉子軸的縱向軸線形成角度。當形成的角度從翼面中的一個徑向截面向下一個徑向截面改變時，葉片可以被視為扭曲的。雖然鑄造工藝能夠適應翼面的外表面的扭曲，但是肋必須保持彼此平行并平行于分離線。作為結果，在不同的徑向截面中，肋必須保持彼此平行并且平行于分離線，但是因為翼面是扭曲的，所以肋將改變其相對于翼面的蒙皮的定向。在某些情形中優選的是，肋在各截面中保持處于關于蒙皮的相同的(或相似的)定向，諸如用于最優化的強度，或者當肋限定冷卻通道的一部分時用于最優化的冷卻。在某些情形中優選的是肋不平行。因此，已經開發其他制造技術。
[0005]圖1示出了哈格邁斯特(Hagemeister)的專利號為4，512，069的美國專利中公開的現有技術的翼面。在該扭曲的翼面10中，第一肋12和第二肋14從基部截面16向頂部截面18改變定向。這通過將經過加工的管道(經過拉延的、經過彎邊的等等)鍛造成未扭曲的翼面形狀并接著將其扭曲來實現。該加工、鍛造和扭曲工藝與鑄造顯著不同，并且可能更加昂貴。
[0006]用于形成不平行的肋的技術包括使用兩個模具半部和暫時性鑲塊(fugitiveinsert)。將暫時性鑲塊定位在中空的內部空隙內側、將鑄造材料置于中空的內部空隙中并且一旦鑄造型芯被凝固，就將暫時性材料去除以形成不平行的肋空隙，并且因此隨后形成的肋不平行。
[0007]然而，這些技術會比簡單的鑄造成本高，并因此在現有技術中仍然有用于改進的空間。
【附圖說明】
[0008]考慮附圖在下面的描述中解釋本發明，附圖示出:
[0009]圖1示出借助鍛造工藝制得的具有扭曲的腹板的現有技術葉片。
[0010]圖2示出具有鑄造、單塊且扭曲的翼面的葉片。
[0011]圖3至圖5示出具有平面的(不是扭曲的)腹板的現有技術的扭曲翼面的截面。
[0012]圖6至圖8示出圖2的扭曲的翼面的截面。
[0013]圖9是用于鑄造扭曲的翼面中的扭曲的腹板的鑄造型芯的立體圖。
[0014]圖10是圖9的鑄造型芯的側視圖。
[0015]圖11至圖12示出圖10的鑄造型芯的截面。
【具體實施方式】
[0016]本發明人開發了一種在其中包括至少一個扭曲的肋空隙(“空隙”)的新穎的鑄造型芯。這樣的配置允許針對強度和/或高效的熱交換而被最優化的隨后形成肋的定向。
[0017]圖2示出包括平臺22和翼面24的燃氣渦輪發動機葉片20。翼面24具有前緣26、后緣28、基端30、頂端32、壓力側外表面34和吸入側外表面36。從燃氣渦輪發動機的上游側42流動的燃燒氣體40在遇到葉片20的情況下朝向燃氣渦輪發動機的下游側44流動，并且燃燒氣體40與葉片20的相互作用引起葉片20圍繞燃氣渦輪發動機的轉子軸(未示出)的縱向軸線46旋轉。這里的討論重點放在渦輪葉片上，但是相同概念可以應用于壓縮機葉片、渦輪翼片和壓縮機翼片。
[0018]圖3至圖5示出與圖2的葉片相似的葉片的徑向截面。圖3示出在從基端30到頂端32的跨度的近似10%處的截面。圖4示出在跨度的近似50%處的截面。圖5示出在跨度的近似90%處的截面。在這些圖的每一個中，翼面24都具有:第一肋60，其具有第一縱向軸線62 ;和第二肋64，其具有第二縱向軸線66。第一縱向軸線62和第二縱向軸線66兩者都從壓力側外表面34跨度至吸入側外表面36，并且是各個肋的拉長延伸。一般情況下，縱向軸線將肋平分。第一縱向軸線62的徑向內側投影將與轉子軸的縱向軸線46交叉，或者如圖3至圖5所示，第一縱向軸線62將與轉子軸的縱向軸線46交叉以在各截面中形成第一角度68。相似地，第二縱向軸線66的徑向內側投影將與轉子軸的縱向軸線46交叉，或者如圖3至圖5所示，第二縱向軸線66將與轉子軸的縱向軸線46交叉以在各截面中形成第二角度70。如圖3至圖5所示，第一角度68在各圖中保持相同。相似地，第二角度70在圖3至圖5中保持相同。另外，第一縱向軸線62和第二縱向軸線66彼此平行。
[0019]在各截面中有弦線80，并且弦線80的徑向內側投影將與轉子軸的縱向軸線46交叉，或者如圖3至圖5所示，弦線80將與轉子軸的縱向軸線46交叉以形成弦線角度82。在三個截面中的每一個中，弦線80扭曲，并且作為結果弦線角度82改變。結果，在這些圖中顯而易見的是，雖然翼面24是扭曲的，但第一肋60和第二肋64未扭曲。該缺乏扭曲在結構強度和冷卻方面可能不是最優的。
[0020]在現有技術中，第一縱向軸線62可以與正交于壓力側外表面34且從第一縱向軸線62與壓力側外表面34的交叉點87出發的線86形成第一軸線-壓力側法線角度84。它也可以與正交于吸入側外表面36且從第一縱向軸線62與吸入側外表面36的交叉點89出發的線90形成第一軸線-吸入側法線角度88。
[0021]角度84、88越大，第一肋60抵抗起作用以使翼面24圍繞平臺22以懸臂方式偏轉的空氣動力以及趨向于使吸入側外表面36向外偏轉的膨脹力的效率越差。還有，隨著角度84,88增大，第一肋60的長度92增大。該增大的長度增加重量，并且該增加的重量使旋轉的葉片20上的離心力增大。此外，在第一肋60幫助限定冷卻通道100的示例性實施例中，這些角度84、88創建了冷卻通道100