專利名稱：用于制造渦輪機或者壓縮機部件的方法以及渦輪機或者壓縮機部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造具有至少一個內(nèi)置冷卻通道的渦輪機或者壓縮機 部件特別是葉片的方法。本發(fā)明此外涉及這種渦輪機或者壓縮機部件。
背景技術(shù)：
渦輪機或者壓縮機葉片以及渦輪機或者壓縮機工作輪是一種既承受熱負荷 也承受機械負荷的部件。為降低所使用的材料特別是鉻鋼或者鎳基合金或者類 似材料在渦輪機或者壓縮機工作期間承受的熱負荷，這種部件通常裝有內(nèi)置的
y轉(zhuǎn)卩fflit。在工作期間，ffl31冷卻通道流動大多為氣態(tài)或者蒸汽狀的7ti卩介質(zhì)， 例如7賴卩空氣，其中，對流為主的7賴卩通過從限制相應(yīng)的冷卻通道的壁區(qū)域向 流經(jīng)的冷卻介質(zhì)的熱傳導(dǎo)進行。為盡可能均勻冷卻例如渦輪葉片這種部件的所 有重要區(qū)域， 一般情況下冷卻通道或者冷卻空氣道蛇曲形地分布在部件內(nèi)部， 特別是渦輪葉片的葉身內(nèi)。由于葉身內(nèi)部狹窄的空間情況，需要部分較小的橫 截面以及較小的曲率半徑。
人們通常使用"開放式的"冷卻方案，其中冷卻介質(zhì)在通流相應(yīng)的冷卻通 道之后，通過從冷卻通道分支出來并通到表面上的排流孔中的排流通道離開所 要冷卻的部件，以便隨后與通流渦輪機或者壓縮機流動通道的熱的工作介質(zhì)或 流動介質(zhì)混合。排流 L特別是以所謂的薄膜式冷卻孔的類型構(gòu)成和設(shè)置，從而 從其流出的冷卻介質(zhì)沿部件的表面流動并且在這過程中形成防止表面材料與熱 的和侵蝕性的工作介質(zhì)直接接觸的冷卻膜。
盡管這種冷卻方案得到完善和不斷細化，但燃氣輪機或者蒸汽輪機的渦輪 葉片的熱負荷仍很可觀。此外，特別是設(shè)置在渦輪軸上以高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的工作葉 片由于出現(xiàn)離心力而承受機械負荷，但由于振動或者沖擊等也承受機械應(yīng)力， 通常導(dǎo)致強負荷。特別是在與轉(zhuǎn)速變化相關(guān)反復(fù)出現(xiàn)負荷交變過程和啟動或者 停止?fàn)顩r的情況下，盡管這種新材料在疲勞強度方面得到優(yōu)化，但在渦輪機或 者壓縮機持續(xù)工作的情況下仍導(dǎo)致材料疲勞現(xiàn)象的出現(xiàn)。這種!tE裂紋等形式的疲勞現(xiàn)象限制了相應(yīng)的部件的〗頓辦賣時間或者使用壽命。
J:^開放式7賴卩的渦輪葉片例如由US 2003/143075 Al所公開。渦輪葉片為 通過吹出產(chǎn)生漩渦的冷卻空氣冷卻其后緣，裝有借助特殊方法制造的特別小的 吹出孔。依據(jù)這種方法，將沿著延伸輪廓化的芯軸裝入后緣內(nèi)所設(shè)置的孔內(nèi)。 隨后ffl31壓縮后緣外壁使后緣的包圍該孔的材料塑性變形，使得設(shè)有渦流器的 輪廓化的吹出孔在取出芯軸后保留。依據(jù)US 2003/143075Al，在此需要注意的 是，渦輪葉片的總變形最小，以便將其材料內(nèi)部的應(yīng)力負荷保持在盡可能小的 程度上。
此外，US 2005/005910Al公開了一種預(yù)應(yīng)力處理法，用于在共軌噴射系統(tǒng) 的管內(nèi)產(chǎn)生壓力內(nèi)應(yīng)力。
因此總而言之，出于工作可靠性的考慮需要比較頻繁地檢修和需要時更換 或者翻新部件，由此帶來不希望的停機時間和高成本。因為這里關(guān)心的渦輪機 或者壓縮機部件的使用壽命一般憑經(jīng)驗很難估計，所以采用保守估計的、也就 是縮短選擇的維修間隔進行按計劃的檢修事后常常證明是不必要的，因為檢修 時的材料疲勞還并沒達到人們所擔(dān)心的那種程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的因此在于，提供一種開頭所述類型的渦輪機或者壓縮機部件 以及一種用于制造這種部件的方法，它們保證至少改進對部件使用壽命的估計 并且此外即使尤其在持續(xù)交變的熱負荷和機械負荷下，也盡可能保證提高工作 可靠性和使用壽命。 .
在方法方面，該目的依據(jù)本發(fā)明由此得以實現(xiàn)，即給冷卻通道在加壓階段 期間施加內(nèi)壓力，該內(nèi)壓力以這種程度選擇，使得限制冷卻通道的壁區(qū)域至少 部分地塑性變形。
本發(fā)明從這禾中構(gòu)思出發(fā)，即也稱為LCF使用壽命(LCF = Low Cycle Fatigue)
的渦輪機或者壓縮機部件使用壽命在周期性出現(xiàn)的交變負荷下在特定的程度上 由內(nèi)應(yīng)力在部件內(nèi)部的分布確定。在此表明，特別是蛇曲形或者迂回形分布在 例如渦輪葉片內(nèi)部的冷卻通道會產(chǎn)生降低疲勞強度的內(nèi)應(yīng)力分布。t合t合是在迂 回形的回轉(zhuǎn)點附近由于曲率半徑比較小，在渦輪機的與極高的峰值負荷相關(guān)的 工作過程中，會出現(xiàn)在時間和空間平均值上拉應(yīng)力超過壓應(yīng)力的應(yīng)力分布。但 這種拉應(yīng)力一般情況下使LCF纟M或使用壽命下降。因此值得期望的是，在加工渦輪機部件時就己經(jīng)采取與通常隨著冷卻通道的存在出現(xiàn)的拉應(yīng)力反作用的 措施。這些預(yù)防措施應(yīng)至少部分地補償拉力內(nèi)應(yīng)力，或者最好是過補償并將至 少在包圍7賴卩通道柳艮制壁的附近的平均應(yīng)力分布向壓力內(nèi)應(yīng)力的方向推移。
為此目的，按照現(xiàn)在提出的方案對己經(jīng)設(shè)有冷卻通道的、例如通過鑄造方 法制造的葉片主體或者其他渦輪機或者壓縮機部件進行后處理，其中給葉片內(nèi) 部的7賴卩通道或者用于輸送冷卻空氣的其他空腔在加壓階段期間施加內(nèi)壓力， 其明顯高于以后預(yù)計的工作負荷。在相應(yīng)選擇內(nèi)壓力大小的情況下，在這樣處 理的部件中，在鄰接相應(yīng)的空腔的壁區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生在壓力下降后仍舊保持的壓力 內(nèi)應(yīng)力。在壓力負荷超過材料的流變極限或者彈性極限時，通過部分塑化，也 就是保留的部分塑性變形產(chǎn)生壓力內(nèi)應(yīng)力。這樣產(chǎn)生的壓力內(nèi)應(yīng)力與已經(jīng)存在 (加工條件造成)的或者在渦輪機或者壓縮機部件工作時出現(xiàn)的拉應(yīng)力反作用， 由此提高部件特別是在周期性負荷下的疲勞強度并因此提高所期望的使用壽 命。
該方法本身在完全另一方面即在處理槍膛或者輸送壓力的汽缸套時作為所 謂的"預(yù)應(yīng)力處理"公知；在具有集成的或者內(nèi)嵌的冷卻通道的渦輪機或者壓 縮機部件上的應(yīng)用迄今為止則尚未有人考慮。正如出乎意料地表明的那樣，預(yù)
應(yīng)力處理特別是在內(nèi)部7賴啲渦輪工作葉片中明顯提高了 LCF使用壽命以及抗
振動斷裂的能力。此外，減少了例如由于凸緣、橫向鉆孔或者加工誤差產(chǎn)生的 峰值應(yīng)力降低強度的作用。最后，ffiil預(yù)應(yīng)力處理產(chǎn)生的應(yīng)力分布的再分布就 此而言也是具有優(yōu)點的，它使本領(lǐng)域的技術(shù)人員預(yù)言渦輪機部件在常規(guī)工作條 件下的預(yù)期使用壽命變得容易，從而渦輪機可能的維修和檢修間隔特別是可以 根據(jù)需要計劃和確定。
具有優(yōu)點的是，在加壓階段期間，內(nèi)壓力在1000bar-10000bar (lbar=105 Pa=105N/m2)的范圍調(diào)整。因此一方面確保用于使包圍相應(yīng)的冷卻通道的壁區(qū) 部分塑性變形的加壓足夠高。另一方面，渦輪機或者壓縮機部件的由于過壓產(chǎn) 生的石皮裂或者裂紋或者其他損壞得到可靠避免。最有利的預(yù)應(yīng)力處理壓力以及 處理持續(xù)時間主要取決于各自的使用情況，例如所要處理的部件的類型和冷卻 通道的分布以及需要時其他的邊緣條件。
ttil至少限制y賴卩通道的壁區(qū)域直接在加壓階段之前和/或者直接在加壓階 段之后和/或者在加壓階段期間加熱到高于室溫的處理溫度。處理溫度最好在30°C - 100(TC的區(qū)間調(diào)整。溫度處理可以這樣影響彈性-塑性變形所依據(jù)的物理效 應(yīng)，使所產(chǎn)生的壓力內(nèi)應(yīng)力在預(yù)應(yīng)力處理壓力下降以后也達到特別具有優(yōu)點的 穩(wěn)定性。
為加壓最別每氣態(tài)或者液態(tài)介質(zhì)特別是空氣導(dǎo)入部件的y賴嗵道內(nèi)，其中， 所規(guī)定的內(nèi)壓力通皿當(dāng)?shù)囊簤夯蛘邭鈩友b置產(chǎn)生。加壓介質(zhì)依據(jù)目的可以這 樣進行恒溫處理，使其將整個部件或者至少鄰接冷卻通道的區(qū)域進行上述具有 優(yōu)點的加熱。作為替代方案，加壓也可以通過以下方式進行，即將可燃混合氣 體加入冷卻通道內(nèi)并在里面有針對性地進行爆炸。
只要部件具有多個不相互連接的冷卻通道，那么預(yù)應(yīng)力處理法就具有優(yōu)點 地應(yīng)用于每個冷卻通道。作為替代方案，取決于所追求的應(yīng)力分布，依據(jù)目的 也可以僅對單個7^卩通皿行壓力處理。
具有優(yōu)點的是，所要處理的部件在加壓階段期間夾緊或者固定在夾緊裝置 或者這類裝置內(nèi)，以便使其外側(cè)不致扭曲。這一點特別適用于空氣動力學(xué)特性 取決于葉身精確斷面分布的渦輪葉片。例如，這種葉片在加壓階段期間和需要 時在前面或者后面的溫度處理階段期間以夾層的方式固定在兩個與葉身的輪廓
相匹配的耐壓的模殼(Foraischale)之間。
在制造部件(例如渦輪葉片)時，最好在壓力處理階段之后才在部件內(nèi)加 工出從冷卻通道分支出來并通入外側(cè)的排流孔的分通道，該分fflil在以后的工 作中用于外側(cè)的薄膜式冷卻。這樣做的優(yōu)點是，^4卩通道或從其分支出來的分 通道在其末端上在加壓前無需先利用塞堵或者類似部件費力地封閉并隨后再打 開，其中，本來就船佳實現(xiàn)對上述具有優(yōu)點的壓力情況所需的密針性。取而代 之，按照這里所提出的方法，無論如何在通常也是在以后工作中用于導(dǎo)入冷卻 介質(zhì)的入流孔的用于加壓介質(zhì)的入流孔處必須負責(zé)相應(yīng)的密封。在預(yù)應(yīng)力處理 后，然后薄膜式冷卻孔或一般情況下直線穿過葉片壁的比較短的排流通道從外 部加工到葉片內(nèi)，例如通過激光打孔或者通過其他適當(dāng)?shù)姆椒?。在此可能發(fā)生 的內(nèi)應(yīng)力再分布無關(guān)緊要，因為這種再分布僅涉皿接靠近排^il道的周圍并 從數(shù)量級上也可以忽略不計。確切地說，重要的是事先通過對蛇曲形的冷卻空 氣通道的迂回形和轉(zhuǎn)向處的預(yù)應(yīng)力處理提高壓力內(nèi)應(yīng)力。
在渦輪機或者壓縮機部件方面，開頭所述的目的M51—種具有內(nèi)置冷卻通 道的渦輪機或者壓縮機部件得以實現(xiàn)，其中，限制冷卻通道的壁段或者邊緣區(qū)域在部件進行加壓之后的靜止?fàn)顟B(tài)下處于壓應(yīng)力下，使在渦輪機或者壓縮機工 作時的動態(tài)負荷下該區(qū)域內(nèi)部出現(xiàn)的拉應(yīng)力至少部分地、最好完全地通過預(yù)調(diào) 整的壓應(yīng)力分布補償。相應(yīng)的部件在此具有優(yōu)點地按照上述的方法制造，也就 是說，部件在加工期間經(jīng)歷一種隨著冷卻通道的加壓及其壁區(qū)域的部分塑性化 出現(xiàn)的加工硬化過程。
利用本發(fā)明取得的優(yōu)點特別是在于，通過有針對性地向渦輪機或者壓縮機 部件柳艮制冷卻通道的內(nèi)置壁區(qū)施加壓力內(nèi)應(yīng)力，使部件內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力分布持久 地再分布，其在以后的工作中出現(xiàn)的負荷狀態(tài)下對耐用性和疲勞強度產(chǎn)生有利 影響并因此提高部件的使用壽命。


現(xiàn)借助附圖對本發(fā)明的實施例進t雅細說明。其中 圖1示意示出具有內(nèi)置y襯P通道的渦輪葉片；以及
圖2示出了曲線圖，其中給出了機械應(yīng)力在限制按圖1的渦輪葉片冷卻通 道的壁延伸上的典型分布。
具體實施例方式
圖1中作為渦輪機部件舉例示出的工作葉片2具有多個在葉片內(nèi)部引導(dǎo)的 7賴卩通道4，在所屬的渦輪機工作期間，比較冷的冷卻空氣M這些^4卩通道流 動。冷卻空氣通過設(shè)置在葉片根部6內(nèi)的入流孔8進行輸送。在冷卻空氣通流 部分蛇曲形、部分直線分布的7辨口通道4后，其中，M周圍壁區(qū)向流經(jīng)的冷 卻空氣的對流為主的熱傳導(dǎo)進行渦輪葉片2的內(nèi)部7賴卩，冷卻空氣通過從相應(yīng) 的y賴卩通道4分支的排流通道10從設(shè)置在葉片表面的排流孔12排出并與此同 時構(gòu)成使葉片表面不受渦輪機內(nèi)熱工作介質(zhì)影響的冷卻空氣膜。排流孔12例如 也可以作為薄膜式7賴卩 L構(gòu)成。
在以往常見結(jié)構(gòu)的渦輪葉片2中，在環(huán)繞的葉片壁14的面向相應(yīng)的冷卻通 道4的邊緣區(qū)域中在渦輪機工作期間會出現(xiàn)比較高的拉應(yīng)力，其對也稱為LCF 虧M的疲勞強度并因it瀏渦輪葉片2的使用壽命產(chǎn)生不利影響。為避免這類問 題，依據(jù)現(xiàn)在提出的方案，在葉片內(nèi)部雖然已經(jīng)構(gòu)成7賴[3通道4，但尚未構(gòu)成從 其分支的排》HM道10的渦輪葉片2加工階段中，給冷卻通道4 一次性短時間地 施加遠高于以后工作壓力的內(nèi)壓力。在這過程中，在渦輪葉片2的鄰接相應(yīng)的 冷卻通道4的壁區(qū)域上導(dǎo)致超過流變極限并因此導(dǎo)致葉片材料的彈性-塑性變
7形。由于變形的塑性部分，在葉片壁14中在包圍冷卻通道4的內(nèi)表面附近形成 局部的壓力內(nèi)應(yīng)力，其在加壓后持久地保留并由此與由以后的工作負荷中產(chǎn)生 的拉應(yīng)力反作用。塑性變形區(qū)的厚度在很大程度上取決于所使用的預(yù)應(yīng)力處理 壓力和所使用的葉片材料的變形特性。
雖然整體上看，也就是觀察整個渦輪葉片2，壓力內(nèi)應(yīng)力和拉力內(nèi)應(yīng)力處于
平衡狀態(tài)，從而在使用預(yù)應(yīng)力處理時除了在7賴卩通道4的附近形成所希望的壓
應(yīng)力外，也導(dǎo)致葉片壁14外部區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)本身不希望的拉應(yīng)力；但這種拉應(yīng)力
可以分布在較大的空間區(qū)域上并在此僅達到比較小的峰值。因此這種拉應(yīng)力比 在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的渦輪葉片中出現(xiàn)的峰值比較高的拉應(yīng)力明顯更好控制。
圖2再一次示意示出了內(nèi)應(yīng)力再分布的原理。在此，在曲線圖中繪出了內(nèi)
應(yīng)力(T在艦伸t上的空間分布，這種空間分布在使用預(yù)應(yīng)力處理之后產(chǎn)生。在
此，假設(shè)冷卻通道處于負t值的范圍內(nèi)并在t-o處由內(nèi)壁限制。渦輪葉片的外
壁處于t = to處。變量t本身表示葉片壁14例如與葉身16的表面垂直測量的空 間延伸?？拷黷^O附近存在的壓應(yīng)力具有負號，其量在1 = 0處(也就是在內(nèi)壁 上)最大。由于整體的應(yīng)力平衡，更外部存在拉應(yīng)力(ex的正號)，但其分布在 較大的空間范圍上并因此鄉(xiāng)頓值明顯小于壓應(yīng)力。兩個由應(yīng)力分布曲線和t軸線 包圍的面積A和A2大小相同，也就是A^A2。
該實施例中采用例如1000bar —5000bar的比較高的預(yù)應(yīng)力處理壓力，方法 是將渦輪葉片2葉片根部6內(nèi)的入流孔8 Mii耐壓的連接管與這里未示出的儲 壓器或者與其他適用的壓力發(fā)生裝置連接，其中，處于高壓下的加壓介質(zhì)在打 開溢流閥后流入渦輪葉片2的冷卻通道4系統(tǒng)內(nèi)并與此同時使內(nèi)置的壁區(qū)域部 分地塑性變形。作為替代方案，也可以通過在冷卻空氣通道內(nèi)部最好在封閉入 流孔8的情況下一次或者多次爆炸可燃混^t體進行加壓。在完成需要時在提 高渦輪葉片2溫度的情況下進行的加壓后，隨后/A^卜部M葉片壁14加工出排 》 道10并由此完成渦輪葉片2的加工。需要時渦輪葉片2再利用絕熱層(TBC)涂層。
權(quán)利要求
1. 用于制造具有至少一個內(nèi)置冷卻通道(4)的渦輪機或者壓縮機部件特別是葉片(2)的方法，其特征在于，給所述冷卻通道(4)在加壓階段期間施加內(nèi)壓力，選擇該內(nèi)壓力的大小，使限制冷卻通道(4)的壁區(qū)域至少部分地塑性變形。
2. 按權(quán)利要求l所述的方法，其中，加壓階段期間，內(nèi)壓力在500bar-10000 bar，特別是1000 bar - 5000 bar的范圍調(diào)整。
3. 按權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，至少限制7賴卩通道(4)的壁 區(qū)域直接在加壓階段之前和/或者直接在加壓階段之后和/或者在加壓階段期間 加熱到高于室溫的處理^JS。
4. 按權(quán)利要求3所述的方法，其中，處理溫度在3(TC - IOO(TC的區(qū)間 調(diào)整。
5. 按權(quán)利要求l-4之一所述的方法，其中，為加壓將氣態(tài)或者液態(tài)介 質(zhì)導(dǎo)入冷卻M (4)內(nèi)，其中，所期望的內(nèi)壓力fflil外部的壓力發(fā)生裝置產(chǎn)生。
6. 按權(quán)利要求l-4之一所述的方法，其中，將可燃混合氣體導(dǎo)入冷卻 通道(4)內(nèi)并隨后在封閉入流孔和排流孔(8、 12)的情況下使可燃混合氣體 爆炸。
7. 按權(quán)利要求1-6之一所述的方法，其中，在壓力處理階段之后才在 部件內(nèi)加工出從7賴P通道(4)分支出來并通入外偵啲排流孔(12)的排 道 (10)。
8. 渦輪機或者壓縮機部件，特別是渦輪葉片(2)，具有內(nèi)置的冷卻通 道(4)，其中，限制7賴卩通道(4)的壁段或微緣區(qū)職部件內(nèi)部進行的加壓 之后的靜止?fàn)顟B(tài)下處于壓應(yīng)力下，使在渦輪機或者壓縮機工作時的動態(tài)負荷下 在該區(qū)域內(nèi)部出現(xiàn)的拉應(yīng)力至少部分i"Wl預(yù)調(diào)整的壓應(yīng)力分布補償。
9. 熱力流體機械，特別是燃氣輪機或者蒸汽輪機，具有一定數(shù)量的按 權(quán)利要求8所述的部件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有內(nèi)置冷卻通道(4)的渦輪機或者壓縮機部件，特別是渦輪葉片(2)，以及其制造方法，其保證至少改進對部件使用壽命的估計并且此外即使在持續(xù)交變的熱負荷和機械負荷下，也盡可能保證提高工作可靠性和使用壽命。為此依據(jù)本發(fā)明，給部件的冷卻通道(4)在加壓階段期間施加內(nèi)壓力，選擇該內(nèi)壓力的大小，使得限制冷卻通道(4)的壁區(qū)域至少部分地塑性變形。
文檔編號F01D5/28GK101432504SQ200780007887
公開日2009年5月13日 申請日期2007年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月6日
發(fā)明者F·阿馬德, M·丹克特 申請人:西門子公司