将叶片摩擦焊接至轴流压缩机的鼓的工艺及相应的装置

摘要

本发明涉及一种将叶片轨道摩擦焊接至轴流压缩机的鼓的工艺和装置。该工艺包括通过分度盘(54)将鼓(14)在托架(44)上夹持住，托架(44)能够枢转并且可竖直移动，从而呈现出平行于叶片(18，20，22)轨道运动平面的外表面的不同区域。叶片通过夹紧装置(68)被夹持在轨道运动装置(62)内。鼓(14)的内表面被芯(52)所承载的支承(51)支撑，芯(52)固定于托架(44)。鼓(14)包括一系列具有叶片形状横截面的凸起(38)。这些凸起(38)形成了用于叶片(18，20，22)的接合面。这些叶片(18，20，22)具有板以确保它们能被夹紧装置(68)令人满意地夹紧。由于所有这些步骤，才能够以比传统线性摩擦低的成本(较低的经常性成本)生产鼓。

说明书

技术领域

本发明涉及一种摩擦焊接工艺以将叶片附接至轴流涡轮机转子，尤其 是焊接至轴流涡轮机的压缩机的鼓。本发明还涉及相应的装置，也就是实 施上述方法的装置。本发明还涉及一种由该工艺或使用该装置得到的轴流 涡轮机。

背景技术

摩擦焊接是一种焊接工艺，其中焊接所必须的机械热量是在所谓的轴 向顶锻压力下通过摩擦零件以使其相互抵靠连接而产生的。

专利US2003/0201305A1公开了一种将叶片附接于转子的摩擦焊接装 置。该文献公开的焊接原理是基于线性摩擦，并且使用了一种最初为线性 焊接所设计的装置，该装置能够传递给工件一个相对于将要焊接的基底的 前后运动。工件的运动，也就是叶片的运动，被引导而沿着大体与叶片横 截面外形一致的曲线路径。曲线路径的目的是避免一部分叶片与转子接触 的面在摩擦过程中被暴露并经受与周围空气的直接接触和无法控制的冷 却。因而这种方案尤其适合高度弯曲的叶片。然而，这种工艺需要重且昂 贵的设备，特别是因为线性摩擦焊接的使用。当然，工件的前后往复运动 是很受限制的，尤其是在移动工件的设备方面。因此，这种方案由于成本 的原因不是很有吸引力，尤其是从固定成本的角度(也被称为非重复性成 本)。

专利EP2281653A1公开了一种将风扇盘内或进气口处风扇内的叶片摩 擦焊接至轴流涡轮机的方法。该专利专注的问题是，当接合面下面的材料 的截面急剧地降低一个角度时，缺乏对于待焊工件接合面末端的顶锻压力 的控制。所述方法值得注意的是，其在接合面下方所提供的截面没有任何 减小的第一接触区域，其随后是材料逐渐变细的第二区域。此处所描述的 与实施例相关的焊接工艺是一种线性摩擦焊接工艺。其建议还可使用轨道 摩擦焊接方法，但没有明确在什么条件下可以使用。同前面的专利一样， 该专利主要专注于必须有昂贵设备的线性摩擦焊接工艺。尽管其提及了其 他摩擦焊接方法，例如旋转、惯性、或轨道摩擦焊接，但它无法确定或详 述一种更经济的方案。

发明内容

本发明的目的是提出一种方案以将叶片附接于轴流涡轮机转子，该方 案比已知的线性摩擦焊接方法更经济。

本发明涉及一种摩擦焊接工艺以将叶片附接于轴流涡轮机转子，包括 以下步骤：(a)定位转子从而得到一个叶片的接合面；(b)启动抵靠用于所述 叶片的接合面的叶片摩擦运动，主要方式是使叶片的平面与所述接合面接 触从而达到焊接温度，转子在叶片的摩擦运动平面内保持静止；(c)固定叶 片并将叶片锻压到转子上；其特征在于步骤(b)中的叶片运动本质上是轨道 运动。

有益地，转子在焊接操作步骤(b)和(c)中保持完全固定，步骤(c)只影响 叶片。

在步骤(b)中叶片被压靠在转子的接合面上。这种压力被保持并且最好 在步骤(c)中被增加。步骤(b)和/或(c)中的压力可以改变。

根据本发明的一有益实施例，转子是压缩机的鼓，最好包括关于转子 轴大体圆形对称的空心体并确定中空的内部空间，在鼓的前端具有第一孔 并在后端具有第二孔。

转子最好包括至少两排叶片，包括至少三排叶片更好。

根据本发明的另一有益实施例，步骤(a)包括为叶片在转子的接合面的 内部定位至少一个支承，从而相对于顶锻压力支撑住所述接合面，顶锻压 力在步骤(c)中被施加在叶片上。支承最好在步骤(b)中也支撑住接合面。

根据本发明的另一有益实施例，在鼓内定位至少一个支承包括在鼓内 插入芯，该芯被设计成作为鼓的相反内表面的支承基座，芯在第一和第二 孔之间延伸最好至少超过鼓长度的一半。

根据本发明的另一有益实施例，步骤(a)包括在托架上通过分度盘定位 转子，从而使转子关于其主轴相对于托架按角度定位。

根据本发明的另一有益实施例，托架被设计成能够绕横轴枢转，该轴 最好同时垂直于转子主轴和步骤(c)中抵靠转子向叶片施加压力的方向。该 轴最好是水平的。

根据本发明的另一有益实施例，托架可沿大体垂直于步骤(c)中抵靠转 子向叶片施加压力的方向平移，且主要是在包含转子主轴的平面内平移。 该方向最好是竖直的。

根据本发明的另一有益实施例，步骤(b)包括通过设有快速固定工具的 夹紧装置夹持叶片。夹紧装置可以采用盒式磁带的形式。该夹紧装置最好 包括至少一个用于夹紧叶片主体的钳夹。该夹紧装置包括可插入叶片的合 适的开口或空腔。

根据本发明的另一有益实施例，转子包括形如叶片外形的凸起，在它 们被焊接之前形成用于叶片的接合面。

根据本发明的另一有益实施例，叶片在将要焊接至转子的部分包括 板，该板具有截面为叶片外形的凸起，用来与用于叶片的接合面接触。

本发明还涉及一种摩擦焊接装置，以将叶片附接于轴流涡轮机转子， 包括：支架；转子支承，被设计成在摩擦焊接操作中保持转子静止；以及 叶片支承，用于保持叶片固定以进行摩擦运动和朝转子方向的锻压运动， 其特征在于叶片支承被设计以将轨道运动传递给叶片。

根据本发明的一有益实施例，转子支承包括相对于大体水平并且垂直 于锻压运动方向的轴枢转地安装的托架，该托架最好包括分度盘，该分读 盘被设计从而使转子关于其转轴按角度定位。

根据本发明的另一有益实施例，托架可以包括用于转子的装配床以及 距离该装配床一定距离的轴承，轴承能够支撑大体垂直于装配床的轴。

根据本发明的另一有益实施例，托架包括芯，该芯被设计成固定至分 度盘并且作为转子内表面支承的支承。

根据本发明的另一有益实施例，叶片支承包括底架以托住用于夹紧叶 片的锥形夹紧装置。

本发明还涉及轴流涡轮机转子，该转子是使用根据本发明的工艺和/或 依照本发明的装置构成的。

有益效果

本发明所提出的方案具有能使轴流涡轮机转子以非常合理的成本被轴 向制成的优点。事实上，线性摩擦焊接被普遍用于大型和紧凑圆盘转子， 这类圆盘转子通常被称为叶盘或整体叶盘，或被用于环形转子，这类环形 转子通常被称为叶片环或叶环，尤其在转子被固定的结构中。然而，这种 工艺需要昂贵的设备，尤其是由于工件前后交互运动的性质。与线性摩擦 焊接相比，由于叶片伸长的形状，轨道摩擦焊接似乎不是常见的附接叶片 的方式。实际上，利用两表面通常处于运动中的轨道摩擦焊接，垂直于叶 片主轴的运动部件能够完全覆盖配合面。发明者发现，将轨道摩擦运动应 用于转子静止的工艺，至少在轨道运动平面方面具有很多优点。这些优点 包括机器运动和相关零部件的简化，以及所带来的设备成本的降低和能耗 的减少。然而，由于同时沿主轴X和Y方向的运动以及叶片之间的间隔， 夹紧叶片的方法需要特别的注意。对于鼓类转子，需要特殊的措施以同时 夹紧并支撑鼓的空心体。为了达到进一步降低制造成本并减少所需机加工 时间的目的，夹紧叶片和定位转子应受到特别的注意。

附图说明

图1是轴向双流涡轮机的截面图，其具有多个转子，这些转子上安装 的叶片可能是使用本发明的工艺所附接的。视图包括涡轮机的低压压缩机 部分的部分截面的放大视图，叶片通过本发明的工艺使用依照本发明的装 置附接于压缩机转子。

图2是依照本发明的轨道摩擦焊接装置的平面图和部分截面图。

图3是图1中压缩机的鼓的一部分的透视图，以及在鼓的相应的凸起 上进行轨道运动的叶片。

图4是图2的装置中的叶片夹紧机构的透视图。叶片被安装并夹紧在 该机构中，该机构本身被固定于随轨道运动而移动的结构上。

图5是带有图4中夹紧机构的鼓的一部分的平面视图。

具体实施方式

图1示出了航空引擎的轴向双流涡轮机2。这种机器从进气口到出口按 顺序依次包括：风扇4、低压压缩机6、高压压缩机8、燃烧室10、高压涡 轮11和低压涡轮12。进气口空气被风扇4压入机器，然后分成通过上述不 同部件的主气流和在这些部件外通过机器的次气流，次气流与主气流在出 口聚合以产生推进推力。

图1放大部分详细示出了低压压缩机6，主要包括转子14和定子32。 转子由空心体16形成，该空心体大体关于其转轴旋转对称，空心体16设 有成排的转子叶片18，20和22。定子32包括分开进气口气流的分离鼻 34、确定主气流并设有成排的定子叶片24，26，28和30的壁36。成排的 定子叶片和转子叶片交替设置从而形成若干压缩级，每一级由转子叶片排 和定子叶片排组成的一对形成。

本领域技术人员公知的动态密封装置安装在转子叶片18，20，22的顶 端和限定主气流流体的壁36之间，以及定子叶片24，26，28，30的顶端 与鼓14的空心体16之间。

鼓14一般由金属材料制成，例如，钛或不锈钢。空心体16大体具有 尖拱的形状，确定了中空的内部空间。其可以通过机加工粗锻空心体而制 成。该粗锻空心体具有的外形和厚度接近图1中示出的加工完成的空心体 16的最大外形和厚度，以便使与该操作相关的被去除材料的量和机加工时 间都最小化，

叶片，特别是转子叶片，被单独加工后附接于鼓14的空心体16。实际 上，当然可以直接从最终形成鼓14的粗模机加工转子叶片，然而，主要由 于经济原因，最好将它们单独加工后再附接于鼓的空心体。这尤其适合于 具有大直径的鼓，因为此时叶片的数量急剧上升且从锻件机加工它们需要 非常大量的时间，且不提粗糙空心体所需要的原材料的成本。

实际上，转子叶片18，20和22是通过如图2所示的轨道摩擦焊接工 艺附接于鼓14的空心体16的。

图2示出了轨道摩擦焊接装置40，该装置用于如图1所示的鼓16那样 的轴流压缩机的鼓。装置40包括支架42，以支撑上述鼓的托架44。还包 括能够做轨道摩擦运动的叶片支承，主要包括夹紧叶片的夹紧装置68、用 于所述夹紧装置68的底架66、与底架66刚性连接的板64，以及轨道运动 单元62。使用推杆70该组件能够通过在导轨上滑动而相对于支架水平平 移。

托架44包括用于鼓14的装配床56，该鼓用其后孔(沿涡轮机内气流的 方向)在装配床56上定位，以便使鼓14的转轴大体竖直。分度盘54位于 托架44的装配床56和鼓14的后边缘之间，从而允许后者对每一排中不同 的叶片进行精确的角度定位。某些形式的夹紧(没有示出)可以设置在分度盘 和鼓14的后端边缘之间。

托架还包括在装配床的正上方并距装配床一定距离的装配臂46。装配 臂46支撑轴承48以夹持住穿过鼓14的前部开口的轴50。该轴与芯52相 连，该芯位于由鼓14形成的中空空间内。芯52承载支承51，这些支承位 于叶片将要连接的区域内。可以夹紧到支承51上的定位装置53被设计成 安装于芯52和所述支承51之间。这些装置53和支承51可以采用不同的 形式。实际上，例如，支承51可以是弓形的并且定位和夹紧装置可以是偏 心的。

支承51用来在摩擦焊接过程中支撑鼓14的空心体16，特别是在轨道 摩擦运动加热后叶片承受抵靠鼓的顶锻压力的时候。

如图1和图2所示，鼓14的空心体16还包括用于转子叶片的接合面 38。在图1和图2的示例中，这些面具有特殊几何形状以优化转子的刚度 和质量。鼓包括三个以类似方式构成的这样的面。接合面是环形的，主要 包括在空心体内部大体垂直于转轴呈肋形的两部分和支撑叶片排的中间部 分。它的截面形如希腊字母pi(π)。因此，中间部分高于周围的壁。升高的 方向大体垂直于转轴并指向空心体的外部，该升高使中间部分的外表面与 周围限定流体流的内壳处在相同的高度(详见图1)。实际上，由于唇式密封 的高度和壳必要的厚度，壳的内表面与空心体之间有一定的距离。限定流 体流的环形区域的中间部分的内表面和壳的内表面大体偏移并对齐，以确 保气流被扰乱得尽可能小。

用于叶片的接合面的中间区域通常具有大体直的或稍微弯曲的截面， 从而与转子的流体流的大体形状保持一致。中间部分大体为环形，上面一 体地形成有若干凸起或短突38，并形成了叶片根部的部分。中间部分是用 于叶片排的大体为环形的平台。因此，环形叶片接合面在空心体内形成环 形腔，并朝空心体转轴的方向开口。穿过旋转轴的平面内的环形面的截面 大体呈U形，其开口指向转轴。这些外形尤其适合定位支承51。

托架44关于轴枢转地安装，该轴大体水平并基本垂直于叶片及锻压叶 片至鼓的方向。该轴最好被调整以便穿过鼓。然而，需要注意的是，它可 以与鼓之间有一定距离。枢转托架能够改变鼓的方向从而得到叶片接合 面，这个接合面大体在叶片轨道运动的平面内。为此，托架相对于导向装 置58枢转安装，导向装置58能够在支架42内相对于竖直导向装置60竖 直运动，并且使用诸如电机驱动的蜗杆之类的控制方式70。竖直方向运动 和托架44的枢转相结合能够使鼓定位以焊接不同级的叶片。

芯52的轴50通过轴承48而旋转连接，分度盘54和该连接意味着鼓 14可以被容易地定位以将叶片排的每一个叶片附接，而不必松开鼓然后进 行精确而费时的调整。

叶片的轨道运动在板64处通过偏心机构生成，该偏心机构由轨道运动 单元62内的电机驱动。调节这些偏心机构之间的相移能够改变传递给叶片 的运动。这种产生轨道运动的方式对本领域技术人员来说是公知的。

图3示出了叶片18，20或22和鼓16之间轨道摩擦焊接的原理。叶片 18，20或22包括板23，该板位于叶片用于焊接至鼓的一侧的端部附近。 板23主要是用于夹紧和定位叶片的工具，特别是在平行于轨道运动的平面 内。最好在板23下面设置凸起37，也就是在板将焊接至鼓的一侧。凸起 37的截面大体具有叶片的形状。这种凸起具有前表面，该表面与接合面的 对应凸起38的前表面产生接触。叶片和板23的凸起37的前表面沿着小半 径的大体轨道路径运动，从而使所述表面与上面提到的对应面基本保持接 触。叶片的总体方向保持不变。这样的运动伴随着接触面之间的压力从而 通过一致的切向速度产生整个交界面区域的均匀加热。这样的加热生成锻 压或焊接区域19。一旦达到理想温度，运动便在基准位置停止并将顶锻压 力施加到叶片上，朝鼓的方向锻压叶片以形成焊接。

焊接后，接着必须通过机加工去除被挤到外面的交界面材料，通常称 为去毛刺，还须通过机加工去除板。这种加工最好是自适应的，因为它适 合形成于焊接附近区域的叶片表面，从而避免与机加工相关的任何回弹。

应当注意的是，平台下面的凸起37的存在是可视后续机加工操作而选 择的。

还应当注意的是，鼓上凸起38的存在也是可选择的。不管怎样，其利 于后续的机加工操作。

图4详细示出了叶片夹紧装置68和用于所述装置的底架66。夹紧装置 68通常被设计以配合叶片之间的空间，该装置主要包括两个部件681和 682。部件681是该装置的主体，第二个部件682是夹具或钳夹，其被设计 以在压力下抵靠该装置主体而夹住叶片板23。例如，夹紧方式可以是螺纹 方式，如在装置前面附近横向设置的螺栓74。其它此类夹紧方式，如热缩 紧，也是可以考虑的。夹具被设计用于确保叶片的精确定位，特别是在将 被焊接至鼓的末端，主要是在轨道运动的平面内。叶片在叶片轴向或主方 向上的定位可以通过夹紧来设置，通过外套所形成的肩和/或支承来实现， 该肩和/或支承位于叶片的末端、夹紧装置的底部。夹紧装置68的第一部件 681和第二部件682中的每一个都可以有锥度，该锥度至少与叶片外表面部 分匹配。夹紧装置68包括快速固定至底架66的工具。这类工具包括至少 两个大体平行于叶片主方向而延伸的短突72，该短突用来进入底架66上相 应的孔76。每个短突都包括其自由端的肩以便最好能与位于底架66上的快 速夹紧工具(未示出)连接。这些工具可以采用不同形式，并且对于本领域技 术人员来说是公知的。

应当注意的是夹紧装置的实现和安装可以采用多种形式。