用于具有扭曲的肋的扭曲的燃气涡轮发动机翼面的铸造型芯的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于具有扭曲的翼面的燃气涡轮发动机叶片的铸造型芯。特别地，发明涉及其中具有扭曲的肋空隙的铸造型芯。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮发动机叶片具有可以是中空的并且可以包括加强肋的翼面。这些肋可以在结构上从若干力上加强叶片，包括:趋向于使叶片以悬臂的方式围绕叶片的基部弯折的空气动力；由中空的翼面内侧存在的较高静压力引起的趋向于使翼面的蒙皮膨胀的力；和归因于叶片的旋转的离心力。除了增加结构强度以外，在某些设计中，这些肋还帮助限定在中空的翼面中存在的冷却通道。
[0003]用于燃气涡轮发动机叶片的翼面可以以各种途径制造。一种常用的途径是铸造工艺，归因于其相对低的成本。在该工艺中，首先利用刚性主模具组制得铸造型芯。在该工艺中，将模具的第一半部和第二半部组装到一起并且形成中空的内部空隙。将铸造型芯材料放入中空的内部空隙中并使其凝固。一旦凝固，就通过沿着直线分离线将第一、第二模具半部彼此拉开而将它们分离。模具半部是刚性的，并且铸造型芯是刚性的。结果，在使铸造型芯与模具半部分开时，在它们之间可以没有干涉。这导致了铸造型芯中的任何特征都必须被设计成许可分开的铸造型芯设计。例如，用于随后形成翼面中的加强肋的铸造型芯中的空隙被形成为使得它们平行于模具半部被拉开时所沿着的方向。这必然导致随后形成的肋彼此平行。
[0004]某些翼面设计包括在翼面中从翼面的基部沿径向向外朝向翼面的顶部的扭曲。对于翼面的任何给定的径向截面，将翼面的前缘连接至后缘的弦线形成了弦线。弦线的径向内侧的投影与燃气涡轮发动机的转子轴的纵向轴线形成角度。当形成的角度从翼面中的一个径向截面向下一个径向截面改变时，叶片可以被视为扭曲的。虽然铸造工艺能够适应翼面的外表面的扭曲，但是肋必须保持彼此平行并平行于分离线。作为结果，在不同的径向截面中，肋必须保持彼此平行并且平行于分离线，但是因为翼面是扭曲的，所以肋将改变其相对于翼面的蒙皮的定向。在某些情形中优选的是，肋在各截面中保持处于关于蒙皮的相同的(或相似的)定向，诸如用于最优化的强度，或者当肋限定冷却通道的一部分时用于最优化的冷却。在某些情形中优选的是肋不平行。因此，已经开发其他制造技术。
[0005]图1示出了哈格迈斯特(Hagemeister)的专利号为4，512，069的美国专利中公开的现有技术的翼面。在该扭曲的翼面10中，第一肋12和第二肋14从基部截面16向顶部截面18改变定向。这通过将经过加工的管道(经过拉延的、经过弯边的等等)锻造成未扭曲的翼面形状并接着将其扭曲来实现。该加工、锻造和扭曲工艺与铸造显著不同，并且可能更加昂贵。
[0006]用于形成不平行的肋的技术包括使用两个模具半部和暂时性镶块(fugitiveinsert)。将暂时性镶块定位在中空的内部空隙内侧、将铸造材料置于中空的内部空隙中并且一旦铸造型芯被凝固，就将暂时性材料去除以形成不平行的肋空隙，并且因此随后形成的肋不平行。
[0007]然而，这些技术会比简单的铸造成本高，并因此在现有技术中仍然有用于改进的空间。
【附图说明】
[0008]考虑附图在下面的描述中解释本发明，附图示出:
[0009]图1示出借助锻造工艺制得的具有扭曲的腹板的现有技术叶片。
[0010]图2示出具有铸造、单块且扭曲的翼面的叶片。
[0011]图3至图5示出具有平面的(不是扭曲的)腹板的现有技术的扭曲翼面的截面。
[0012]图6至图8示出图2的扭曲的翼面的截面。
[0013]图9是用于铸造扭曲的翼面中的扭曲的腹板的铸造型芯的立体图。
[0014]图10是图9的铸造型芯的侧视图。
[0015]图11至图12示出图10的铸造型芯的截面。
【具体实施方式】
[0016]本发明人开发了一种在其中包括至少一个扭曲的肋空隙(“空隙”)的新颖的铸造型芯。这样的配置允许针对强度和/或高效的热交换而被最优化的随后形成肋的定向。
[0017]图2示出包括平台22和翼面24的燃气涡轮发动机叶片20。翼面24具有前缘26、后缘28、基端30、顶端32、压力侧外表面34和吸入侧外表面36。从燃气涡轮发动机的上游侧42流动的燃烧气体40在遇到叶片20的情况下朝向燃气涡轮发动机的下游侧44流动，并且燃烧气体40与叶片20的相互作用引起叶片20围绕燃气涡轮发动机的转子轴(未示出)的纵向轴线46旋转。这里的讨论重点放在涡轮叶片上，但是相同概念可以应用于压缩机叶片、涡轮翼片和压缩机翼片。
[0018]图3至图5示出与图2的叶片相似的叶片的径向截面。图3示出在从基端30到顶端32的跨度的近似10%处的截面。图4示出在跨度的近似50%处的截面。图5示出在跨度的近似90%处的截面。在这些图的每一个中，翼面24都具有:第一肋60，其具有第一纵向轴线62 ;和第二肋64，其具有第二纵向轴线66。第一纵向轴线62和第二纵向轴线66两者都从压力侧外表面34跨度至吸入侧外表面36，并且是各个肋的拉长延伸。一般情况下，纵向轴线将肋平分。第一纵向轴线62的径向内侧投影将与转子轴的纵向轴线46交叉，或者如图3至图5所示，第一纵向轴线62将与转子轴的纵向轴线46交叉以在各截面中形成第一角度68。相似地，第二纵向轴线66的径向内侧投影将与转子轴的纵向轴线46交叉，或者如图3至图5所示，第二纵向轴线66将与转子轴的纵向轴线46交叉以在各截面中形成第二角度70。如图3至图5所示，第一角度68在各图中保持相同。相似地，第二角度70在图3至图5中保持相同。另外，第一纵向轴线62和第二纵向轴线66彼此平行。
[0019]在各截面中有弦线80，并且弦线80的径向内侧投影将与转子轴的纵向轴线46交叉，或者如图3至图5所示，弦线80将与转子轴的纵向轴线46交叉以形成弦线角度82。在三个截面中的每一个中，弦线80扭曲，并且作为结果弦线角度82改变。结果，在这些图中显而易见的是，虽然翼面24是扭曲的，但第一肋60和第二肋64未扭曲。该缺乏扭曲在结构强度和冷却方面可能不是最优的。
[0020]在现有技术中，第一纵向轴线62可以与正交于压力侧外表面34且从第一纵向轴线62与压力侧外表面34的交叉点87出发的线86形成第一轴线-压力侧法线角度84。它也可以与正交于吸入侧外表面36且从第一纵向轴线62与吸入侧外表面36的交叉点89出发的线90形成第一轴线-吸入侧法线角度88。
[0021]角度84、88越大，第一肋60抵抗起作用以使翼面24围绕平台22以悬臂方式偏转的空气动力以及趋向于使吸入侧外表面36向外偏转的膨胀力的效率越差。还有，随着角度84,88增大，第一肋60的长度92增大。该增大的长度增加重量，并且该增加的重量使旋转的叶片20上的离心力增大。此外，在第一肋60帮助限定冷却通道100的示例性实施例中，这些角度84、88创建了冷却通道100