专利名称：制造涡轮发动机鼓的方法
制造涡轮发动机鼓的方法本发明涉及制造涡轮发动机鼓的方法，以及这样的鼓，其形成低压涡轮的一部分。现有技术中，低压涡轮鼓包括位于公共轴线上的至少两个转子盘，转子盘通过大体上圆柱形或截头圆锥形的壁互相连接，该壁形成和公共轴线共轴的旋转体。每个鼓具有上游凸缘和下游凸缘，分别用于将该鼓固定至上游鼓和下游鼓。每个盘的径向外部边缘具有槽，该槽用于轴向容纳并径向保持转子叶片的根部。在壁的外表面上形成有径向延伸的刮件，这些刮件与可磨材料块摩擦合作，形成迷宫式密封。这些材料块由插入在转子叶片之间的静子叶片的径向内部边缘承载。低压涡轮鼓可以通过利用惯性摩擦焊接将上游盘焊接至承载有壁的下游盘来制成。第一步骤包括在上游盘的外部边缘中形成槽，然后第二步骤包括使承载有壁的上游盘旋转，并对第二盘施加轴向力，使得壁的自由端通过惯性摩擦焊接被焊接至第一盘。在最后一步骤中，通过推削在第二盘的外部边缘中形成槽。为改善涡轮的性能，降低其声音发出，已知可以在连续的两组转子叶片之间建立多级空气动力学耦合，所述连续的两组转子叶片通过一组静子叶片隔开(即公知的“时序”(clocking)技术)。该耦合包括，相对于上游转子上的叶片组，以一定的角度对下游转子上的叶片组进行定位，使得上游叶片的后缘处形成的尾迹以某一指定的公差撞击下游叶片的前缘。因此，迄今为止，就鼓而言，这导致下游盘中的槽以如下方式推削，即，它们在圆周方向上相对于上游盘中的槽偏差一定角度。这种空气动力学耦合在本申请人的在先专利申请FR07/08710中有详细描述。然而，鼓的两个盘的这种以确定的角度进行定位只有在以下情况下才是可行的，即，下游盘的外部边缘的直径远大于上游盘的直径，由此能够在焊接后在其中进行推削。在两个盘具有基本相同直径的配置中，由于推削工具的长度，不可能在焊接第二盘之后在该第二盘中进行推削。在这种情况下，推削操作必须在摩擦焊接之前进行，并且不再可能实现第二盘中的槽相对于第一盘中的槽以一定角度精确定位。此外，在现有技术中，形成旋转体的壁使用和盘相同的材料制成，例如NC19FeNb，这意味着不可能实现精确控制焊接区中的材料的崩塌(即，在温度效应下变型的材料的数量)。这导致两个盘的相对轴向定位的不精确性。本发明的一个具体目的是提供解决至少某些上述问题的方案，该方案简单，有效且便宜。该方法提供制造鼓的方法，能够实现鼓的两个盘以预定角度定位，而不受盘的径向尺寸影响。为此，本发明提供制造涡轮发动机鼓的方法，该鼓包括位于公共轴线上的至少两个转子盘，每个转子盘在其外部边缘中具有用于容纳叶片根部的槽，该方法特征在于其包括以下步骤将两个盘定位在公共轴线上，使它们彼此隔开，并相对彼此位于预定的角位置上；在两个盘之间围绕它们的公共轴线共轴地设置一壁，该壁形成旋转体；
驱动壁绕其轴线旋转 '及将盘相对彼此保持在它们的预定角位置上的同时使盘向壁轴向移动，以使盘同壁的端部接触，由此通过惯性摩擦焊接将盘焊接至壁。与现有技术不同的是，只有构成旋转体的壁被驱动旋转，由此使两个盘能够相对彼此以一定角度非常精确地定位，并能够被保持在该角位置上。由此能够不用考虑盘的径向尺寸，特别是当两个盘具有相似的径向尺寸时，实现鼓的盘之间的空气动力学耦合。有利地，焊接步骤包括第一阶段，其中在焊接区达到其锻造温度所需的时间期间，盘同旋转壁的端部摩擦，以及第二阶段，其中对每个盘施加轴向推力以进行焊接。该两级焊接步骤能够首先通过壁的端部摩擦盘而加热焊接区域，然后通过施加轴向推力将壁固定至盘上。用这种方法，能够获得优于现有技术的对盘的相对轴向定位的控制。根据本发明的另一特征，该方法包括在盘焊接之后对焊接区进行加工，以使焊接区的厚度恢复至预定值。根据本发明的另一特征，该方法在未安装叶片的盘上实施。本发明还提供涡轮发动机鼓，例如低压涡轮鼓，其包括通过形成旋转体的壁彼此连接的并位于公共轴线上的两个转子盘，该鼓特征在于所述壁的端部通过惯性摩擦焊接固定至转子盘，惯性摩擦焊接通过上述方法实现，使得盘相对彼此位于预定位置。有利地，壁由与转子盘的材料不同的材料制成。这是可能的，因为构成旋转体的壁在最开始不固定至两个盘中的任意一个。这样壁就能够用比制造盘所用材料便宜的材料制成，例如镍基合金，相较制造盘所用的合金而言，该镍基合金满足了不那么严格的机械标准。根据本发明的另一特征，盘和壁由镍基金属合金制成。本发明还提供涡轮发动机，例如飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机，该发动机包括至少一个如上描述的鼓。通过阅读借助非限制性实施例并参考附图所进行的以下描述，可以更好地理解本发明的其它细节，优势及特征。
图1和2是两个现有技术低压涡轮鼓的局部截面图；以及图3为本发明的低压涡轮鼓组件的局部截面图。以传统的方式，涡轮发动机从上游到下游包括低压压缩机和高压压缩机，及燃烧室，该燃烧室先将燃烧气体喷射入高压涡轮，接着喷射入低压涡轮。低压涡轮包括多排同可移动转子叶片12交替设置的固定静子叶片10。涡轮转子由多个互相固定的鼓16组成。每个鼓包括位于公共轴线上的两个盘，即上游盘18和下游盘20，每个盘在其外部边缘具有槽22，用于轴向容纳并径向保持转子叶片12，14的根部。盘18，20中的每一个在其径向内部部分包括平衡毂24。两个盘18，20通过形成旋转体的壁26互相连接，该旋转体在其外表面上具有同可磨材料块30合作的刮件28，可磨材料块30由插入在两排由盘18和20承载的可移动叶片12和14之间的一排静止的静子叶片10的径向内端承载。静子叶片10的径向外端由涡轮的外部环形壳(未示出)承载。鼓16包括形成在上游盘18上并向上游延伸的凸缘32，以及形成在下游盘20上并向下游延伸的凸缘34，这些凸缘的作用是分别将鼓16固定至上游鼓和下游鼓。在现有技术中，为制造鼓16，在上游盘18上进行推削操作，以在其外部边缘形成槽22，然后上游盘被保持固定，于此同时，承载有壁26的下游盘20被驱动旋转并轴向移动，使壁26的上游自由端同上游盘接触以通过惯性摩擦提供焊缝36。然后对下游盘20进行推削操作，以在其外部边缘形成槽22。在将下游盘20固定至上游盘18之后，在下游盘20中进行推削操作，由此能够确保上游和下游槽22在预定位置相对彼此以一定角度定位，该预定位置选择为实现上面提到的多级空气动力学耦合。但是，只有在同图1所示类型的鼓16焊接之后才能进行推削，其中上游盘18的直径比下游盘20的直径小得多。在图2所示的具有直径相似的两个盘40和42的情况下，不可能在焊接之后在两个盘中的一个上进行推削，这意味着不可能通过多级空气动力学耦合来优化涡轮的性能并 减少其声音发出。本发明通过使用形成壁来克服该缺点以及上述的缺点，该壁形成独立于盘的旋转体，壁设置为旋转，并且通过轴向移动盘使两个盘同壁的端部接触，以通过惯性摩擦将盘焊接至壁上。图3所简略示出的本发明的方法包括将不具有叶片的两个盘46，48设置在公共轴线上，并以一定距离彼此分开。盘46，48中的每一个在其外部边缘具有槽22，并且盘46，48相对彼此以一定角度定位，使得上游盘46中的槽22在圆周方向上相对于下游盘48中的槽22偏差确定角度，由此优化发动机的性能。在第二步骤中，在两个盘46和48之间在它们的公共轴线上设置一壁50，该壁形成旋转体，并且绕其轴线被旋转驱动。接着两个盘46和48被焊接至壁50的轴向端。该焊接步骤在两个阶段中进行，第一阶段是将盘46和48朝向壁50的端部移动，直到盘同这些端部摩擦。该第一阶段的作用是逐渐增加焊接区的温度直到达到它们的锻造温度。在第二阶段中，对两个盘46和48施加轴向推力(箭头A)，将盘挤压到壁50上，由此通过惯性摩擦进行焊接。通过在两个部分上分离旋转运动和平移运动，S卩，不在轴向移动旋转部分，能够更好地控制焊接区中消耗的材料，由此能够使两个盘46和48相对彼此更好地轴向定位。通过在如上所述的两个不同的阶段中进行焊接步骤，能够得到进一步改善。本发明的方法导致焊缝形成在壁50的焊接端处，并导致壁的厚度增加。壁可以随后进行加工，以将其厚度恢复至预定值。在某些实施方式中，盘46和48由镍基合金制成，已知这些镍基合金具有承受涡轮中的高温的能力。但是，那种类型的材料非常昂贵。本发明的方法能够使用由与涡轮盘46和48的材料不同的材料制成的壁50。因此，壁50可以使用比制造盘46和48的材料更便宜的材料制成。或者，可以使用相同的材料，例如合金NC19FeNb，来制造上游盘，下游盘以及形成旋转体的壁。但是，由于制造壁所用的合金相较制造盘所用的合金而言接受较少的处理操作，例如热处理操作，制造壁所用的合金可以满足不那么苛刻的标准。尽管本发明的方法参照低压涡轮鼓52进行描述，该方法也可以应用于涡轮发动机压缩机，例如高压压缩机，其中转子盘以相似的方式连接在一起。
权利要求
1.用于制造涡轮发动机鼓(52)的方法，该鼓包括位于公共轴线上的至少两个转子盘(46，48)，所述转子盘中的每一个在其外部边缘中具有用于容纳叶片根部的槽(22)，该方法特征在于其包括以下步骤 将所述两个盘(46，48)定位在公共轴线上，使它们彼此隔开，并相对彼此位于预定的角位置上； 在所述两个盘(46，48)之间围绕它们的公共轴线共轴地设置一壁(50)，该壁形成旋转体； 驱动所述壁(50)绕其轴线旋转；及 将所述盘(46，48)相对彼此保持在它们的预定角位置上的同时使所述盘(46，48)向所述壁轴向移动，以使所述盘(46，48)同所述壁(50)的端部接触，由此通过惯性摩擦焊接将所述盘(46,48)焊接至所述壁(50)。
2.如权利要求1所述的方法，特征在于所述焊接步骤包括第一阶段，在该第一阶段中，在焊接区达到其锻造温度所需的时间期间，所述盘(46，48)同所述旋转壁(50)的端部摩擦，以及第二阶段，在该第二阶段中，对所述盘(46，48)中的每一个施加轴向推力以进行焊接。
3.如权利要求1或2所述的方法，特征在于该方法还包括对所述焊接区进行加工使其厚度恢复至预定值的步骤。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，特征在于该方法在未安装叶片的盘(46，48)上实施。
5.涡轮发动机鼓(52)，例如低压涡轮鼓，其包括通过形成旋转体的壁(50)彼此连接的并位于公共轴线上的两个转子盘(46，48)，该鼓特征在于所述壁(50)的端部通过惯性摩擦焊接固定至所述转子盘(46，48 )，所述惯性摩擦焊接通过上述权利要求1至4任意一项所述的方法实现，使得所述盘相对彼此位于预定的角位置。
6.如权利要求5所述的鼓,特征在于所述壁(50)由与所述转子盘(46,48)的材料不同的材料制成。
7.如权利要求5或6所述的鼓，特征在于所述盘(46，48)由镍基合金制成。
8.如权利要求5至7中任意一项所述的鼓，特征在于所述壁(50)由镍基合金制成。
9.涡轮发动机，例如飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机，特征在于该涡轮发动机包括至少一个如权利要求5至8中任意一项所述的鼓。
全文摘要
用于制造涡轮发动机鼓(52)的方法，该鼓包括至少两个转子盘(46，48)，该方法包括将两个盘(46，48)共轴定位，使它们彼此隔开一定距离，并相对彼此位于预定的角位置上；在两个盘(46，48)之间设置一轴对称壁(50)，使该轴对称壁围绕它们的公共轴线旋转，并及使盘(46，48)向轴对称壁(50)轴向移动，以使盘(46，48)同轴对称壁的端部接触，由此通过惯性摩擦焊接将盘(46，48)焊接至轴对称壁(50)。
文档编号F01D5/06GK103025480SQ201180036773
公开日2013年4月3日 申请日期2011年7月20日 优先权日2010年8月6日
发明者奥利维耶·贝尔蒙特, 莱昂内尔·雷内·亨利·韦勒 申请人:斯奈克玛