叶片根部安装用装置和方法以及装有该装置的涡轮机的制作方法

专利名称：叶片根部安装用装置和方法以及装有该装置的涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种安装方法，用于将固定或移动的涡轮金属叶片根部安装到金属支架的安装孔内；本发明还涉及一种用于这种安装的装置。
背景技术：
一般来讲，风机金属叶片根部(尤其是钛金属)的表面都要进行处理。实际上，叶片根部支撑面和风机转盘安装孔(或槽)侧面之间的接触要承受多种力，这些力会对部件造成损坏，甚至造成相互接触部件提前断裂。
本发明并不限于如下情况，即叶片根部的支架是一个风机转盘，同时也包括其它情况，如可移动叶片在低压压缩机转盘上的安装，甚至在高压压缩机进气口处的安装。
同样，本发明还涉及这种情况，即支架是一种壳体或是一种支撑固定叶片的法兰。
在叶片根部和安装这种根部的孔之间的接触区域，会产生各种类型的应力。
尤其是，会遇到被称之为“微振磨损”的现象，即接触磨损，这是由于一个部件反复地与另一个部件摩擦所致。由于疲劳过程不同，这种合成摩擦力对部件材料造成损坏。在两个钛部件之间相互接触情况下，这种现象尤为明显。
因此，这些区域极有可能造成材料的损坏以及叶片根部支撑面的磨损，因为这些支撑面是和安装孔的孔壁相接触的，严重时可能会导致这些接触区域变形。
此外，由于叶片根部和安装孔接触壁之间的接合处的摩擦系数的缘故，局部应力非常高，这是由金属与金属接触所致。
为了解决这些问题，人们一直在进行偿试，特别试图增加接触表面的抗摩擦性，减少摩擦系数。
为此，人们一般都是采用金属合金的形式在叶片根部上沉积一种表面涂层；这种金属合金能够抗微振磨损，尤其采用等离子体投放的形式；或者使用一种防护元件，这种防护元件是用一个或多个金属箔(或金属片)制成，可以加上涂层，包覆叶片的根部。这些保护元件也可以结合使用润滑涂料。
采用这种解决方案，摩擦系数一般可以降到大于0.2。然而，在使用期间，该摩擦系数一般会上升到大约0.5。如果完全摩损时，摩擦系数甚至会超过这个数值。
例如，US 5 160 243号文件提出在叶片和转盘之间使用一个金属箔，而叶片和转盘都是用钛材料制成的。
这种方法可以改善部件的微振磨损特性。另一方面，不论是在初次安装和进行局部修理时，这些解决方案实施起来都相对比较困难。在这两种情况下，实际上都必须对叶片根部支架的整个支撑表面进行处理，这种处理通常周期长，而且成本高。此外，在要求更换涂层时，必须进行长时间的、复杂的而且非常困难的操作(需要使用酸和/或机械清除器)，方能去除衬底表面上的物质，特别是因为表面状态的改变和/或尺寸的变化可能会对衬底材料造成损坏。

发明内容
本发明的一个目的是提供另一种可将固定或移动的涡轮金属叶片安装到金属支架孔内的方法，目的是提高这两个部件之间的抗接触压力，与此同时，不论是在初次安装还是对叶片根部安装情况进行修复作业时，仍能保持操作过程简单快捷。
按照本发明，这个目的可以通过安装固定或移动涡轮金属叶片根部的方法来实现，其特征在于包括下述步骤a)在叶片根部和安装孔之间布置一个非金属膜，该膜包括聚酰胺材料，涂有或浸透一种聚合物粘合剂；b)必须按此方式使用所述粘合剂将非金属膜(20)粘附到叶片(12)根部(121)和/或安装孔(101)表面上。
在这种情况下，不难看出非金属膜无疑可以取代现有技术中使用的耐磨金属涂层。
事实上，可以肯定的是，非金属膜的选用是从耐磨损性能考虑的，将其布置在两个金属部件之间，例如直接粘附在叶片根部上，因此而与支架安装孔的表面相接触，从而可以使接触部位摩擦系数降低，大大减轻叶片根部安装时的磨损，提高这种结合形式的使用寿命，在设备规定修理前不会影响粘结部件的机械性能。
这种类型的非金属膜已经用于复合材料制成的叶片根部的安装，该膜是从浸透了树脂的抗纤维织物产生的一种类型的膜。
然而，按照本发明，现在提出的这种解决方案是用于金属叶片的根部，特别是钛金属材料的叶片，且取得了完全令人满意的效果。
很清楚，在安装孔和叶片根部之间的安装部位，只有在涡轮的通常称之为冷态的区域使用这种非金属膜。
除此之外，有必要提出注意的是，这种非金属膜的安装非常简单，比使用金属涂层简单得多，例如可以通过等离子体沉积技术来实施。
此外，当需要对叶片根部磨损表面进行修理时，非金属膜的整体或部分清除也非常简单，可以直接借助刮刀剥离。新更换膜的应用和固定也要比金属包覆层简单快捷，不需要使用技术复杂的设备，也不会存在损坏支架的风险。
因而，本发明所述方法可以在初次安装时使用，也可以在对叶片根部和其安装孔之间部位进行修理时使用，只要这种安装最初是按照本发明所述方法进行的或需要对耐磨金属涂层进行修复时。
很方便的是，非金属膜事先可在其表面或整个物质内涂上或浸透粘合剂。
粘合剂最好是可热聚合的，在上述b)步骤过程中，将至少由叶片根部、支架和非金属膜组成的装置放置在压热器内，在预定的最低时间内，升高温度使粘合剂粘合。
根据本发明所述方法的另一个实施例，在上述a)步骤中，叶片的根部包覆一层金属箔，然后将所述耐磨非金属膜布置在所述金属箔和所述安装孔之间。
本发明还涉及一种装置，用于将固定或移动式涡轮金属叶片安装到金属支架的安装孔内，这种装置可靠、简单，安装和维修成本都很低。
本目标的实现这种装置在叶片根部和安装孔之间包括至少一个非金属膜，该膜用聚酰胺制成，涂有或浸透一种聚合物粘合剂。
按照优选实施例，非金属膜被布置成粘合剂粘附在叶片的根部。可替换地，也可以将非金属膜粘附在支架安装孔的表面。
按照优选实施例，非金属膜用纤维玻璃、聚四氟乙烯，特别是Teflon(注册商标)，和/或聚酰胺制成；值得注意的是，它是以纤维的形式，特别是以Kevlar或Nomex(注册商标)的纤维形式。
在聚酰胺膜结构的各种可能不同的解决方案中，非金属膜的有利之处是它包括一种合成纤维材料。实际上，目前有许多种合成纤维都具有高耐磨性和低摩擦系数。
粘合剂是可热聚合的，它可以使这种粘合剂的粘结时刻得到监测，将这个装置置于热压器内，在预定的时间内使热压器置于最低温度。通过非限定性示例，粘合剂是属于树脂型的，且由酚醛树脂或聚氨基甲酸乙酯树脂制成。
本发明所述装置的使用情况包括，将叶片根部直接装入安装孔内；另外一种使用情况是，该装置又使用了至少一个金属箔，该金属箔安装在叶片根部，然后将所述非金属膜放置在金属箔和安装孔之间。
叶片的根部最好是采用钛、铝、钢或它们的合金中的一种合金制成。
同样，叶片支架也最好是采用钛、铝、钢或它们的合金中的一种合金制成。
本发明同样涉及到一种装有依据此时以前给出的任一种用于安装叶片根部的装置的涡轮风机；其特征在于这些叶片是可移动的且支架由转子转盘形成。
本发明还涉及到一种装有依据此时以前给出的任一种用于安装叶片根部的装置的涡轮压缩机；其特征在于这些叶片是可移动的且支架由转子转盘形成。
本发明还涉及到一种装有依据此时以前给出的任一种用于安装叶片根部的装置的涡轮压缩机；其特征在于这些叶片是可移动的且支架由法兰形成。
尤其是，上面所述压缩机是低压型涡轮压缩机，但是，本发明还涉及到高压压缩机进气口处的叶片，而所达到的温度范围不会损害耐磨层中任何组成部分的机械性能，即非金属膜和粘合剂的机械性能。
最后，本发明同样也涉及一种装有依据此时以前给出的任一种用于安装叶片根部的装置的涡轮机。
下面通过阅读实施例的详细描述可以进一步了解本发明及其各项优点，但本发明的实施方式不限于此。


可以结合附图对本发明进行描述。附图如下-图1是叶片根部在转子中的安装情况且叶片受到转子转动的离心力的风机的部分横向剖视图；-图2是依据本发明的又一实施例的类似图1的剖视图。
具体实施例方式
图1介绍了叶片12在风机转盘10或转子上的安装情况，在该图中，叶片的根部121装在转盘10的其中一个安装孔101中。
更确切地讲，每个安装孔101的形状都与叶片12的根部121的形状成近似互补形，从而形成了鸠尾榫结合形式。
安装孔101沿转盘10的四周整个长度径向且等距离分布，开口朝外。
可以看出，这两张图介绍了转盘10的横截面的放大详图，即，截面与风机转动轴线成正交，叶片12的每个根部121都有一个对称的形状，即两个侧壁122轮廓对称，在沿叶片12的根部121的自由端方向上，两个侧壁与叶片12本体彼此分开，一直到底板124与转动轴线和转盘10的外缘近似平行并与相应叶片12的主要正交方向成正交。
安装孔101与侧壁102具有同样的形状，沿转盘10的内部方向，从四周向外倾斜，一直到底板104。
叶片12的根部121和安装孔101的尺寸设计成当转子10静止不动时，叶片根部121固定在安装孔101内，而叶片根部121的底板124应能够接触到安装孔101的根部104。
在发动机或涡轮机工作期间，当转子10开始运转时，由于离心力的作用，转子10围绕中心轴线旋转使得叶片沿径向方向向外运动，参见图1箭头13所示方向。此时，叶片12根部121的侧壁122就抵在安装孔101的侧壁102上，这就确保叶片12被紧紧地固定在安装孔101的内部，即形成了与转盘10的结合。
在转子10旋转速度变化时，叶片根部121的滑动动作以及根部121的接触压力和叶片12和转盘10材料之间的摩擦系数等，在转盘10和叶片12上同时产生剪切力，一个与另一个的径向位移为一到若干个毫米。
从图1中可以看出，特别是在工作时，在叶片根部121的侧壁122和安装孔101的底板102之间，会出现接触区域，称之为支承面，由附图标记14指示，而且该区域实际上要承受力的，另外还有一个区域是不接触的，由附图标记16指示，这部分在转盘10的转子转动期间不会承受任何机械接触应力。
按照本发明，由于叶片12根部121和转子10安装孔101之间的相对运动，在侧壁102和122接触面上则会产生疲劳和摩擦，所造成的影响可以通过使用覆盖了根部121的整个外表面的非金属膜20来减轻。
更确切地说，这种非金属膜20最好是用耐磨织物制成，例如法国圣戈班(SAINT-GOBAIN)的CHEMFAB织物产品系列，该织物产品是基于玻璃纤维和/或芳族聚酰胺纤维，例如注册商标为Nomex或Kevlar(卡夫拉)的那些著名产品。
这种非金属膜20涂有或浸透了一种粘合剂，而后粘附在叶片根部121的外表面上，至少在粘附前应在非金属膜20的表面涂上一层粘合剂。这样的粘合剂最好为树脂型，而且最好是酚树脂或聚氨基甲酸酯树脂。
例如，在钛合金制成的叶片12和钛合金制成的转盘10上已经成功使用了一种非金属膜20，该非金属膜20是用预粘合耐磨织物制成，即杜邦公司(Pont deNemours)的Vespel ASB 0664(Nomex和Teflon纤维组成的织物-注册商标-用酚醛树脂预粘合)和用于粘合剂的Durez公司的Plyophen 23057产品酚树脂。
这种非金属膜20的第一层面涂有一层聚四氟乙烯作润滑剂使用，第二面用作粘合面，它具有非常好的附着和咬合表面。这种膜的厚度不到一毫米。
粘合剂采用普通的方式涂在非金属膜的第二面上；然后，将经过粘合剂预处理的非金属膜的第二面粘附在每个叶片12根部121的侧壁122和底板124上。
叶片12根部121形成的这种装置、树脂和非金属膜20最好在粘合剂粘附期间，即树脂聚合期间，强行压入。所使用的压力在7至14MPa。这样，就可以确保粘合剂在整个表面上的良好粘附和熔剂的顺利排放。
正是在这期间，进行树脂的聚合，在本优选实施例中，聚合温度是170℃，时间为一小时。
可以获得压纹的非金属膜20，金属膜完全附着在叶片12的根部121的整个表面上，确保在安装后会处于区域14中，如图1中所示。
有利地，如实施例所示，在与叶片根部121粘结的对面，非金属膜20最好具有一层聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethyene，PTFE)，从而形成润滑面，极大地降低了与安装孔101的侧壁102表面的摩擦系数，这种摩擦系数可以下降到0.1。
在粘合剂使用之后，清洁叶片的根部121，用玻璃丸喷丸法清除多余的树脂。
按照图1所示和上面实施例所述，很方便地进行了下面的安装试验。试验证明，采用这种安装方法，叶片根部121和安装孔101之间的使用寿命可以大大提高。
事实上，这种摩擦试验的结果说明，无损坏摩擦从使用传统金属包层的1万次增加到使用本实施例非金属膜20后的80万次。
因此，可以看出，除了方便安装和调整等优点外，使用本发明所述非金属耐磨擦膜20带有一层聚四氟乙烯可以相当程度地提高耐磨擦能力。
本发明的其它特性中，其中还具有可避免改变转盘10材料结构特性，例如在金属镀层涂覆期间，尤其是采用等离子体型，或者在去除这种涂层时，有时会以熔化(sweating)的形式发生材料结构改变的情况。
除此之外，使用非金属膜20来防止磨损，可以使叶片的根部121很容易通过非破损性试验。例如，可以采用傅科电流技术，检测微小尺寸(从大约0.1毫米)的缺陷(特别是微观裂缝或者龟裂)。
另外，有了这样的改进之后，就可以不再依赖称之为“底切”的机加工程序，这种加工程序会扩大支撑面14区域、非接触区域16附近的孔穴，而些部位通常是应力焦点。
因此，使用含有增强纤维(芳族聚酰胺纤维型)和含有润滑作用的非金属膜20的经聚四氟乙烯处理后的纤维的技术织物，可以降低区域14的摩擦系数，从而减小了各种力的产生，这就等于改善了机械阻力。
有利地，非金属膜20是一种技术织物，是采用纤维玻璃和/或聚酰胺纤维材料，最好是聚四氟乙烯材料制成的织物。
前面所述的布置形式说明了非金属膜20在每个叶片根部121整个表面上的布置情况。从中可以看出，这种解决方案既简单又快捷，但是，实际上，为了达到本发明的目标，非金属膜20应覆盖接触区域叶片根部121的侧壁122，即支撑面14处更有效。
同样，按照另外一种形式，也可使用这种技术，即将非金属膜20粘附到安装孔101的壁上(图中未示)。
按照另外一种形式(图中未示)，非金属膜20同时可以粘附在叶片12根部121和叶片的侧壁101上。
应该注意的是，本发明所述方法在最初安装期间可以方便使用，但同样，也可用于叶片12根部121和其安装孔101之间安装情况的修复，不论这种安装是按照本发明最初进行的还是原先依靠金属耐磨涂层的情况。
在这后一种情况下，经过预先处理之后，包括喷砂清理和清洁所述涂层，或者在对这种老的金属涂层彻底清除之后，非金属膜20可以作为旧金属涂层的修复手段使用。
同样，如图2所示，按照本发明的另一种实施例，聚合物膜20可以附着粘结在一个金属箔22上，这种金属箔可以是采用镍基或不锈钢的超合金制成。
在该图中，与图1相似的各个部件都采用相同的附图标记。
在这个情况下，为了实施本发明，在金属箔22的内部使用了刚性芯，目的是避免在附着压力下聚合期间可能出现的任何变形。
金属箔22是一个弧形的薄片，带有一个U形横断面。金属箔的两个臂部形成两部分，以便成钝角，面向U形断面的内部。这种形状近似于叶片12根部121的形状，即金属箔的U形部分臂的端部覆盖了叶片根部121和安装孔101之间的接触区域14。
在图2中，非金属膜20覆盖了金属箔22的整个外表面。
还有，通过另外一种形式，可以使非金属膜20只覆盖安装孔101壁的整个表面，或者同时覆盖金属箔22的所有外表面和安装孔101壁的所有表面，或者至少包括覆盖这些表面中的一个、另一个或二者组成的接触区域14。
本安装方式的另外一种形式的实施例非常接近于前面所述与图1相关的实施例，唯一的区别是使用了金属箔22。按照本发明，可以知道非金属膜20可以处于在一个新的金属箔22上，不使用涂层，或者处于已经使用的且带有涂层的金属箔22上(不论是否清除了这种传统的金属涂层)，也可作为修复前用这种非金属膜20包覆的金属箔的部分或全部表面。
因此，可以看出，按照几种不同的应用形式，它们都具有很大的灵活性，这种发明非常容易获得抗摩擦效果，这种效果是极好的，且不会改变叶片装置现有的安装功能，不论是在初期安装还是对以前的安装情况进行修复。
权利要求
1.用于将固定或移动式涡轮机金属叶片(12)根部(121)安装在金属支架安装孔(101)内的装置，其特征在于它在叶片根部(121)和安装孔(101)之间包括至少一个非金属膜(20)，这种非金属膜包括涂有或浸透一种聚合物粘合剂的聚酰胺材料制成。
2.根据上述权利要求所述的装置，其特征在于所述非金属膜(20)进一步包括纤维玻璃和/或聚四氟乙烯。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述非金属膜(20)包括由合成纤维制成的织物。
4.根据上述任意一种权利要求所述的装置，其特征在于所述粘合剂可热聚合。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述粘合剂包括一种酚树脂或聚氨基甲酸乙酯树脂。
6.根据上述任意一种权利要求所述的装置，其特征在于该装置进一步包括至少一个安装在叶片的根部的金属箔(22)，所述非金属膜(20)布置在所述金属箔(22)和所述安装孔(101)之间。
7.根据上述任意一种权利要求所述的装置，其特征在于所述叶片(12)根部(121)由钛、铝或者钢或者它们的合金中的一种合金制成。
8.装有这种装置的涡轮机风机，这些装置用来安装上述任何一种权利要求所述的叶片(12)根部(121)，其特征在于这些叶片(12)是可移动的，且支架是由转子的转盘(10)所形成的。
9.装有如权利要求1至7所述的任意一种用于安装叶片根部的装置的涡轮机压缩机，其特征在于这些叶片(12)是可移动的，且支架由转子的转盘(10)形成。
10.装有如权利要求1至7所述的任意一种用于安装叶片根部的装置的涡轮机压缩机，其特征在于这些叶片是固定的且支架由法兰形成。
11.装有如权利要求1至7所述的任意一种用于安装叶片根部的装置的涡轮机。
12.将固定或移动式涡轮金属叶片(12)根部安装在金属支架(10)安装孔中的安装方法，其特征在于包括下述步骤，a)在叶片根部(121)和安装孔(101)之间使用一种非金属膜(20)，该膜包括聚酰胺材料，涂有或浸透一种聚合物粘合剂；b)必须按此方式使用所述粘合剂将非金属膜(20)粘附到叶片(12)根部(121)和/或安装孔(101)表面上。
13.根据权利要求12所述的安装方法，其特征在于所述粘合剂是可热聚合的，在上述步骤b)过程中，将至少由叶片根部(121)、支架(10)和非金属膜(20)组成的装置放入压热器内，升高温度使粘合剂粘合。
14.根据权利要求12或13所述的安装方法，其特征在于所述非金属膜(20)被布置成将粘合剂附着到叶片根部(121)。
15.根据权利要求12或13所述的安装方法，其特征在于在上述步骤a)中，叶片的根部包覆一层金属箔(22)，所述非金属膜(20)安装在所述金属箔(22)和所述安装孔(121)之间。
16.根据权利要求12到15中任何一种权利所述的安装方法，其特征在于非金属膜(20)又可以用纤维玻璃和/或聚四氟乙烯制成。
17.根据权利要求12至15所述的任意一种安装方法，其特征在于所述非金属膜(20)包括由合成纤维制成的织物。
全文摘要
本发明涉及一种装置，该装置用来将涡轮机的固定或移动金属叶片根部(121)安装在诸如壳体的金属支架(101)、固定法兰或转子转盘(10)的安装孔内。在特征上，这个装置包括在叶片根部(121)和安装孔(101)之间使用的一种非金属膜(20)，该非金属膜(20)涂有或浸透一种粘合剂，其材料是采用了一种玻璃纤维和/或聚酰胺纤维，最好是聚四氟乙烯材料制成的织物。本发明可以应用于风机叶片(121)在转子转盘(10)上的安装，或应用于压缩机，尤其是低压压缩机，的固定和/或活动叶片的安装。
文档编号F01D5/28GK1920259SQ20061011194
公开日2007年2月28日 申请日期2006年8月28日 优先权日2005年8月26日
发明者布鲁诺·戴姆布里恩, 斯坦弗尼·德博尔, 让-诺尔·马伊, 克劳德·芒斯 申请人:斯奈克玛