用于涡轮机翼的加强边缘的制造方法 技术领域 本 发 明 涉 及 一 种 加 强 边 缘 的 制 造 方 法， 该加强边缘用于连接至涡轮机翼 (aerofoil) 例如叶片。该加强边缘尤其可以是涡轮机翼的前缘， 但也可以是涡轮机翼的后 缘。
背景技术 例如， 对于某些涡轮机风扇叶片， 特别是由复合材料制成的风扇叶片来说， 希望加 强叶片的前缘， 否则其会受到在叶片运行过程中产生的高机械应力所引起的损伤。
加强这种叶片的边缘的一种方法是提供分立的加强边缘， 然后沿叶片的前缘安装 该加强边缘。该方法允许使用抗应力材料例如钛来形成前缘， 但仍然允许使用较轻的复合 材料来形成叶片的主体。
发明内容
本发明的目的是寻求提供一种改进的方法来制造加强边缘以连接至涡轮机叶片。
根据本发明， 提供了一种制造用于连接至涡轮机翼的加强边缘的方法， 其中加强 边缘包括较厚的头部和一对较薄的相对的尾部， 所述头部具有沿涡轮机叶片的边缘安装的 轮廓， 所述尾部用于分别重叠涡轮机叶片的吸力表面和压力表面， 该方法包括 ：
在流体压力下自相应的预型件压力成型预定的中空工件， 中空工件包括加强边 缘； 以及
自中空工件切出所述加强边缘， 其中
通过将一对较薄的金属片粘合至较厚的内板或粘在一起的内板叠层的相反两面 来产生预型件， 内板或内板叠层具有开口， 开口限定金属片之间的封闭腔以引入所述气体 压力， 加强边缘的每个尾部由相应一个较薄金属片的一部分构成， 加强边缘的头部由沿腔 的一个边缘延伸的内板或内板叠层的一部分构成。
预定的中空工件可以包括另一个加强边缘， 另一个加强边缘包括由金属片的其余 部分构成的一对较薄的尾部和由沿腔的相对边缘延伸的内板或内板叠层的一部分构成的 较厚的头部， 该方法还包括自中空工件切出另一个加强边缘以从单个中空工件获得两个加 强边缘。
所述腔可以填充有紧密配合的插件以阻止所述腔的坍缩或所述腔的所述边缘的 变形。 在本发明的一个实施例中， 通过切除内板或内板叠层的一部分来形成所述开口， 切除 部分用作所述腔内的所述插件。
可以使用激光或射流自中空工件切出所述加强边缘或每个加强边缘， 在切割过程 中所述插件可以保持在中空工件内以防止工件被激光或射流所穿透。
薄金属片至内板或内板叠层的所述粘合可以是扩散粘合。
该方法可以包括在粘合至内板或内板叠层之前， 在金属片中轮廓研磨 (profile grinding) 倒角以在加强边缘的所述尾部中形成相应的倒角。附图说明 作为示例， 在图 1a-1d 中示出了用于 “掠扫 (swept)” 风扇叶片的加强边缘的代表 形式， 其中 ：
图 1a 是沿加强边缘 1 的长度的侧视图 ；
图 1b 是沿图 1a 中的 A-A 线截取的横截面 ；
图 1c 是沿图 1a 中的 B-B 线截取的横截面 ； 以及
图 1d 是沿图 1a 中的 C-C 线截取的横截面。
图 2a 和 2b 分别示出了用于制造图 1a-1d 中的加强边缘的预型件组件的侧视图和 相应的俯视图 ；
图 3 示出了通过粘合图 2a 和 2b 中所示的预型件组件而得到的预型件 ；
图 4 示出了由图 3 中的预型件压力成型的中空工件 ； 以及
图 5 示出了用于制造图 1a-1d 中的加强边缘的替代性预型件。
具体实施方式 参见图 1a， 加强边缘 1 包括较薄的头部 3 和一对相对的、 较薄的尾部 5 和 7。
在图 1a 中的侧视图中， 前缘的形状特征为一系列的掠扫轮廓线 ： 沿头部 3 的前部 延伸的掠扫线 A ； 沿头部 3 的后部延伸的掠扫线 B ； 沿尾部 5 的边缘延伸的掠扫线 C ； 以及沿 尾部 7 的边缘延伸的掠扫线 D。加强边缘 1 的特征还在于沿其长度 ( 相对于指定的中心线 CL 测量 ) 的可变的 “交错角度 (stagger angle)” ， 范围从较小的交错角度 θ( 图 1b) 经过 中间交错角度 α( 图 1c) 至较大的交错角度 β( 图 1d)。
在该实例中， 使用了相对简单的翼， 显示了掠扫特性。 其它实施例可以包含相对其 侧面 (profile) 垂直倾斜或倾斜的翼。同样， 给出的实例是叶片 (blade)， 但在其它实施例 中， 翼可以是固定片， 例如出口导叶 (OGV) 或前架叶。
使用中， 掠扫风扇叶片的前缘在尾部 5 和 7 之间开有狭槽， 风扇叶片的前缘沿头部 3 的后部紧密地配合 ( 由轮廓线 B 表征 )。头部 3 因此沿风扇叶片的前缘延伸以保护风扇 叶片的前缘， 同时尾部 5 和 7 与风扇叶片的压力和吸力表面重叠以减少空气动力损失。
传统上， 通过从原材料机械加工加强边缘， 例如 “接近尺寸 (close-to-size)” 的锻 造来制造用于风扇叶片的分立的加强边缘。但是， 许多加强边缘的复杂形状， 如图 1 所示， 使得精确的机械加工变得困难、 耗时以及成本高。尤其困难的是机械加工加强边缘的较薄 的尾部， 其可具有大约 1mm 的厚度。通过预成型尾部并随后将尾部焊接至机械加工的头部 可以克服机械加工尾部的问题， 但单独形成尾部给制造过程增加了复杂性。还会出现围绕 尾部至机械加工的头部的焊接的质量问题。
最近， 通过从预定的、 中空的金属工件切出加强边缘来对其进行制造， 工件从初始 的金属预型件超塑性地形成。 这种制造方法公开于 US2005278950。 这种类型的方法的问题 是仍然需要大量的机械加工以获得初始预型件， 并且制造预型件所引起的任何质量问题会 贯穿超塑性形成过程并进入最终的加强边缘。超塑性成型过程还比较慢。
现在将参照图 1a-1d 以及其余的附图来描述本发明的实施例。
为了方便起见， 参照图 1a-1d 中所示的加强边缘的具体形式来描述本发明的方
法。 总体上， 该方法包括 ： 制造预型件 ； 自该预型件压力成型预定的中空工件， 该中空 工件预定成包括加强边缘的外形 ； 以及自该中空工件切出加强边缘。 如果需要， 可以对该加 强边缘实施精饰过程以获得成品零件。
在本文中， “压力成型” 意在覆盖在流体压力下至少部分通过膨胀并塑性变形预型 件来成型中空工件的任何方法。流体可以是气体或液体。因此， 术语 “压力成型” 包括但不 限于超塑成型方法， 例如 EP1338353A 中大体所述的一种方法。工件无需完全通过膨胀并塑 性变形预型件来成型 ； 例如， 头部可以通过后续的适应性机械加工步骤来完成。
可以通过使用合适的模腔来执行中空工件的压力成型， 该模腔根据中空工件的预 定形状来构造 ； 而中空工件的预定形状可以由所需加强边缘的外形的计算机模型来确定。 在压力成型中空工件之前， 可以扭曲和 / 或弯曲预型件以使其更好地接近模腔的形状。
为了减少制造预型件本身所需的初始机械加工量， 通过将一对较薄的金属片粘合 至较厚的内板或粘在一起的内板叠层的相反两面来制造预型件。 可以使用扩散粘合过程将 金属片粘合至内板， 其中在扩散粘合过程之前使用合适的中间固定装置来将金属片和内板 初始保持在一起。
内板或内板叠层具有开口， 开口限定金属片之间的封闭腔 ； 然后可以使用该封闭 腔来引入自预型件压力成型中空工件所需的气体压力， 加强边缘的尾部由相应一个较薄金 属片的一部分构成， 而加强边缘的头部由沿腔的一个边缘延伸的内板或内板叠层的一部分 构成。在最终的加强边缘的尾部需要倒角的情况下， 优选在扩散粘合至内板或内板叠层来 形成预型件之前预研磨金属片。
金属片和头部 ( 或内板叠层 ) 可以由相同材料或不同等级的类似材料形成 ； 如果 使用不同的材料， 则需要合适的粘合类型。优选使用 ( 更加昂贵的 ) 耐冲击、 防腐蚀材料来 用于压力表面， 压力表面在使用过程中更可能经受来自小颗粒的冲击， 并使用廉价的材料 来用于吸力表面。
合适的预型件组件 9 示于图 2a 和 2b， 这种情况下包括一对较薄的金属片 11 和 13， 通过传统的固定焊接 (nail weld)16( 仅在图 2a 中高度示意性示出了固定焊接 16) 抵接仅 仅单个较厚的内板 15 的相反两面。
自内板 15 切出开口 17 以在较薄的金属片 11 和 13 之间形成封闭腔 19。参见图 2b， 开口 17 的相反边缘 17a、 17b 成型为匹配加强边缘 1( 图 1) 中的头部 3 的内部轮廓线 B。
内板 15 的切除部分 15a 在预型件组件 9 中作为紧密配合插件来有效填充较薄的 金属片 11 和 13 之间的封闭腔。
为了自预型件组件 9 形成预型件， 使用合适的扩散粘合过程将较薄的金属片 11 和 13 扩散粘合至内板 15( 因此， 在金属片 11 和 13 扩散粘合至内板 15 之前， 固定焊接 16 作为 用于预型件组件 9 的中间固定装置 )。
为了防止金属片 11 和 13 扩散粘合至切除部分 15a， 使用喷涂或浸渍涂覆过程来掩 模去除部分 15a( 在插回切除开口 17 之前 )。
所得的预型件 10 示于图 3。预型件 10 具有与预型件组件 9 相同的总体构造， 其中 切除部分 15a 形成较薄的金属片 11 和 13 之间的封闭腔 9 内的紧密配合插件， 后者通过扩 散粘合过程用内板 15 大大进行了加固。
一个或多个膨胀点 ( 未示出 ) 设在金属片 11 和 13 之一或二者中来将气体注入预 型件 10 内的腔 19 中， 通过在气压下膨胀腔 19 并塑性变形预型件 10， 例如使用合适的模腔， 预型件 10 被压力成型为预定的中空工件。
在预型件 10 的扩散粘合、 扭曲、 弯曲和 / 或压力成型过程中， 插件 15a 用作防止封 闭腔坍缩或变形的加强肋。
从图 4 中可以明显看到插件 15a 作为加强肋的作用， 图 4 示出了自预型件 10 所得 的中空工件 21， 其中插件 15a 保持在腔 19 内部。内部 15 已经被压力成型为一对较厚的成 型边缘部分 300， 沿开口 17 的相反两侧 17a 和 17b 延伸， 金属片 11 和 13 已经被压力成型为 在插件 15a 任一侧上的相对隔开的较薄的面部 500、 700( 为了清楚起见， 面部 500、 700 的厚 度在图 4 中被明显放大 )。
加强边缘 1、 1a 在图 4 中由轮廓线 A、 B、 C 和 D 示出。因此， 在工件 21 左手侧上的 边缘部分 300( 如图 4 中所见 ) 包括加强边缘 1 的头部 3， 面部 500、 700 包括加强边缘 1 的 尾部 5 和 7。第二加强边缘 1a 同样由相对的边缘部分 300 和面部 500、 700 的其余部分限 定在工件 21 的右手侧上 ( 如图 4 中所见 ) ； 因此， 可以自单个中空工件 21 切出两个加强边 缘。 可以使用激光或射流自工件 21 方便地切出加强边缘 1、 1a。在面部 500、 700 的切 割过程中， 可以理解， 插件 15a 另外作为牺牲性障碍来防止相应的激光或射流穿透 ( 即， 在 面部 700、 500 的切割过程中防止激光或射流撞击在相对的面部 500、 700 上 )。
从图 4 中可以理解， 边缘部分 300( 并因此是加强边缘的头部 3) 由初始预型件组 件中的内板 15 构成， 而面部 500、 700( 并因此是加强边缘 1 的尾部 5、 7) 由初始预型件组件 中的金属片 11、 13 构成。因此， 通过使用平行板结构来形成预型件， 就可以简单地通过选择 预型件组件中的片和板的合适厚度来形成具有很大差别的横截面厚度的加强边缘， 从而大 大减少了制造预型件所需的机械加工量。
虽然参照图 1 所示的加强边缘 1 描述了本发明， 但是应当理解， 可以方便地修改本 发明的方法来形成其它的加强边缘轮廓。
用于形成预型件组件的替代片无需是矩形的， 并可以具有任何合适的周边形状。 例如， 图 5 示出了梯形内板 15a。在这种情况下， 预型件仅适于制备单个加强边缘 ( 由轮廓 线 A” 、 B” 和 D” 表示 )。