專利名稱：旋轉(zhuǎn)組裝部件及制造這種部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械裝置，特別涉及用于制造轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械裝置的 部件的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
至少某些已知的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械裝置，例如但不限于，蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和 /或燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)，包括各種轉(zhuǎn)子組件，例如風(fēng)扇組件、壓縮機(jī)和/ 或渦輪機(jī)，其中每一個(gè)都包括轉(zhuǎn)子組件。至少某些已知轉(zhuǎn)子組件包括部 件，例如但不限于，盤、軸、線軸(spool)、裝有葉片的盤("葉片盤")、
密封裝置和/或集成有葉片的環(huán)("葉片環(huán)")。取決于在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng) 機(jī)內(nèi)的軸向位置，這些部件將經(jīng)受不同的溫度。
例如，在運(yùn)行過(guò)程中，至少某些已知燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)將經(jīng)受沿發(fā) 動(dòng)機(jī)的中心縱向軸線延伸的軸向溫度梯度(或變化)。通常，燃?xì)鉁u輪 發(fā)動(dòng)才幾的部件朝向發(fā)動(dòng)才幾的前部暴露于較^氐的運(yùn)^f于溫度，而朝向發(fā)動(dòng)枳J 的后部暴露于較高的運(yùn)行溫度。因此，已知的轉(zhuǎn)子組件和/或轉(zhuǎn)子部件一 般都由能夠承受在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的預(yù)定的位置處的預(yù)期的最大溫度的材料 制造。
為了適應(yīng)不同的溫度，已經(jīng)采用具有不同材料特性的不同合金來(lái)鍛 造不同的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，使得部件能夠承受不同的預(yù)期的最大徑向和/或軸 向溫度。更具體地，已知的轉(zhuǎn)子組件和/或轉(zhuǎn)動(dòng)部件每一個(gè)基本上都由能 夠承受整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)組件和/或轉(zhuǎn)動(dòng)部件的預(yù)期的最大溫度的單一合金鍛造 而成。然而，在單一鍛造過(guò)程中鍛造既具有高保載時(shí)間疲勞強(qiáng)度材料特 性又具有最佳抗蠕變材料特性的發(fā)動(dòng)機(jī)部件是不可能的。更具體地，雖 然可對(duì)合金進(jìn)行不同地加工處理以生成不同的材料特性，4旦是已知的鍛 造方法通常不能實(shí)現(xiàn)將不同地加工處理的合金混合以組合在單 一鍛造 過(guò)程中。
例如，鍛造單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)部件以增大保載時(shí)間疲勞強(qiáng)度通常會(huì)對(duì)部件 的抗蠕變能力產(chǎn)生不利影響。降低部件的抗蠕變特性將導(dǎo)致部件增大的 塑性變形，其引起發(fā)動(dòng)機(jī)部件在高溫下摩擦和/或磨損其它發(fā)動(dòng)機(jī)部件。
相反，鍛造單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)部件以易于增大部件的抗蠕變能力將對(duì)部件的保 載時(shí)間疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。由于降低的保載時(shí)間疲勞強(qiáng)度，在較低 溫度下發(fā)動(dòng)機(jī)部件將經(jīng)受增大的疲勞斷裂。因此，已知的鍛造方法僅提 供了有限或者不能最好地平衡部件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，提供了一種用于制造渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子組件的方法。該方法包 括由第 一材料鍛造轉(zhuǎn)子部件的第 一部分，采用第 一過(guò)程加工處理該第一 材料，且由與第一材料相同的第二材料鍛造轉(zhuǎn)子部件的第二部分。該第 二部分與第一部分分開(kāi)鍛造。該方法還包括采用第二過(guò)程加工處理第二 材料并且在第一軸向位置處將該第二部分連接到該第一部分上。
另一方面，提供了一種用于渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子組件。該轉(zhuǎn)子組件包括由 第 一材料鍛造的轉(zhuǎn)子部件的第 一部分。該第 一材料利用第 一 過(guò)程進(jìn)行加 工處理。轉(zhuǎn)子組件還包括采用與第 一材料相同的第二材料分開(kāi)鍛造的轉(zhuǎn) 子部件的第二部分。該第二部分采用第二過(guò)程進(jìn)行加工處理并在第一軸 向位置處連接到第一部分上。
再一方面，提供了一種包括縱向軸線的轉(zhuǎn)子機(jī)械裝置。該轉(zhuǎn)子機(jī)械 裝置包括由第 一材料鍛造的盤的第 一部分。采用第 一過(guò)程對(duì)第 一材料進(jìn) 行加工處理。轉(zhuǎn)子機(jī)械裝置還包括采用與第 一材料相同的第二材料分開(kāi) 鍛造的盤的第二部分。第二材料采用第二過(guò)程進(jìn)行加工處理并在第一軸 向位置處連接到第一部分上。


圖1是示例性燃?xì)鉁u輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成的示意圖2是可用于圖1中所示的燃?xì)鉁u輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成的示例性已知
的單個(gè)盤形段的局部側(cè)S見(jiàn)圖；以及
圖3是可用于圖1中的燃?xì)鉁u輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的示例性單個(gè)盤形段的
局部側(cè)—見(jiàn)圖。
具體實(shí)施例方式
此處所描述的示例性方法和設(shè)備通過(guò)在相應(yīng)的部件的軸向溫度變 化率(或軸向溫度梯度)的基礎(chǔ)上制造和裝配部件部分，使得各轉(zhuǎn)子部
件的疲勞4呆載時(shí)間(in dwell time fatigue)和蠕變易于減小，,人而克月良 已知裝配方法和轉(zhuǎn)子部件的缺點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)理解的是，"軸向"以及"軸向 地"在整個(gè)申請(qǐng)文本中通篇使用，指示的是基本上平行于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械裝置 (rotary machine )的中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的方向和取向。還應(yīng)當(dāng)理解的是，"軸 向圓周邊緣"在整個(gè)申請(qǐng)文本中通篇使用，指示的是基本垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī) 械裝置的中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線取向的邊緣。還應(yīng)當(dāng)理解的是，術(shù)語(yǔ)"徑向"和 "徑向地"在整個(gè)申請(qǐng)文本中通篇使用，指示的是基本垂直于中心轉(zhuǎn)動(dòng) 軸線的方向和取向。還要理解的是，"徑向圓周平面"在整個(gè)申請(qǐng)文本 中通篇使用，指示的是基本垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械裝置的中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線取向的 平面。而且，需要理解的是，"前方"在整個(gè)申請(qǐng)文本中通篇使用，指 示的是位于上游并且朝著燃?xì)鉁u輪機(jī)的入口側(cè)的方向和位置，而"后 方"在整個(gè)申請(qǐng)文本中通篇使用，指示的是位于下游并且朝著燃?xì)鉁u 輪機(jī)的排氣側(cè)的方向和位置。
圖1是示例性的具有中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線12的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成10的 示意圖。在該實(shí)施例中，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成(或組件)10包括一空氣 入口側(cè)14和一排氣側(cè)16。渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成10還包括一芯部(或中 心)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)18，該芯部燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)18包括一高壓壓縮機(jī) 20、 一燃燒室22、和一高壓渦輪機(jī)24。此外，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成10 包括軸向設(shè)置在芯部燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)18下游的 一低壓渦輪機(jī)26和軸向 設(shè)置在芯部燃?xì)鉁u4侖發(fā)動(dòng)機(jī)18上游的一風(fēng)扇組件28。風(fēng)扇組件28包括 從轉(zhuǎn)子轂32徑向向外延伸的一排風(fēng)扇葉片(或風(fēng)扇葉片陣列)30。而 且，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成10包括設(shè)置在風(fēng)扇組件28和低壓渦輪機(jī)26 之間的一第一轉(zhuǎn)軸34以及設(shè)置在高壓壓縮機(jī)20和高壓渦輪機(jī)24之間 的一第二轉(zhuǎn)軸36，使得風(fēng)扇組件28、高壓壓縮機(jī)20、高壓渦輪機(jī)24和 低壓渦4侖機(jī)26連續(xù)(或串聯(lián))的流體相通并且相對(duì)于風(fēng)扇發(fā)動(dòng)才幾總成 10的中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線12同軸對(duì)齊。
在操作過(guò)程中，空氣通過(guò)入口側(cè)14進(jìn)入并流過(guò)風(fēng)扇組件28到達(dá)高 壓壓縮機(jī)20。經(jīng)壓縮的空氣被傳送到燃燒室12。來(lái)自燃燒室12的氣流 在通過(guò)排氣側(cè)16排出渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成10之前驅(qū)動(dòng)高壓渦輪機(jī)24 和低壓渴輪機(jī)26。
高壓壓縮機(jī)20、燃燒室22、高壓渦輪機(jī)24和低壓渦輪機(jī)26每一 個(gè)都包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)子組件。取決于它們?cè)跍u輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成10內(nèi)的相對(duì)軸向位置，轉(zhuǎn)動(dòng)組件或者轉(zhuǎn)子組件通常要經(jīng)受不同的溫度。例
如，在該實(shí)施例中，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成10通常朝著前方風(fēng)扇組件28 具有較低運(yùn)行溫度，而朝著后方高壓壓縮機(jī)20具有較高的運(yùn)行溫度。 因此，高壓壓縮機(jī)20內(nèi)的轉(zhuǎn)子部件通常與風(fēng)扇組件28的轉(zhuǎn)子部件的制 造材料相比由能夠承受較高溫度的材料制造。
圖2是示例性已知的單個(gè)盤形段100的局部側(cè)視圖，該盤形段100 可用于燃?xì)鉁u輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成，例如渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成10 (如圖1 中所示)。在該實(shí)施例中，盤形段IOO是包括幾個(gè)部件區(qū)域的一整體的 發(fā)動(dòng)機(jī)部件。例如，盤形段100包括一徑向內(nèi)側(cè)的轂112、 一從轂112 徑向向外延伸的腹板114和一從腹板114徑向向外延伸的凸緣116。盤 形段100還包括一第一臂118和一相對(duì)的第二臂120，它們每個(gè)都從凸 緣116軸向延伸。第一臂118包括密封齒122和第一端124。第二臂120 包括密封齒126和第二端128。
在該示例性實(shí)施例中，盤形段IOO可聯(lián)接多個(gè)相似的盤形段(未示 出)，這些盤形段沿著總成(或組件)的中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線在不同軸向位置 轉(zhuǎn)動(dòng)地聯(lián)接。然而，取決于相對(duì)于中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線12的軸向位置，盤形 段100經(jīng)受不同的溫度。因此，盤形段IOO制造成在沿著中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線 12的不同軸向位置包括有不同的材料特性。例如，位于朝著渦輪風(fēng)扇發(fā) 動(dòng)機(jī)總成10的前部分的盤形段100通常比位于朝著渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總 成10的后部分的相同的盤形段100溫度較低。因此，盤形段100通常 由比制造下游的各部件所使用的材料承受較低溫度的材料制造。
在該示例性實(shí)施例中，取決于相對(duì)于中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線12的軸向和/或 徑向位置，盤形段IOO內(nèi)的不同區(qū)域同樣承受不同的溫度。例如，與第 二端128相比，轂112和腹板114通常承受較低的溫度和較高的應(yīng)力。 因此，與第二端128相比，穀112和腹板114通常承受更長(zhǎng)的疲勞保載 時(shí)間("保載疲勞")。因此對(duì)于轂112和腹板114需要具有較高的保 載疲勞強(qiáng)度的制造材料。相反，與轂112和腹板114相比，第二端128 通常暴露于并承受較高的溫度。因此，與穀112和腹板114相比，第二 端128通常承受較大的蠕變("蠕動(dòng)，，)。因此，第二端128希望具有 較高的抗蠕變特性的制造材料。
如上所述，對(duì)相同的合金可進(jìn)行不同地加工處理以產(chǎn)生不同的材料 特性。然而，已知的鍛造方法通常不能實(shí)現(xiàn)不同的加工處理順序，或者不能實(shí)現(xiàn)在一個(gè)單獨(dú)鍛造過(guò)程中使合金進(jìn)行混合。因此，至少某些已知 鍛造方法采用試圖使單獨(dú)鍛造的發(fā)動(dòng)機(jī)部件的單一材料性質(zhì)最優(yōu)化的 力口工處理。
兩個(gè)已知類型的加工處理包括粗粒加工處理和細(xì)粒加工處理。在鈦 合金中，粗粒加工處理被稱為"加工處理，而細(xì)粒加工處理被稱為《// 力口
工處理。貝它y 加工處理包括在P -轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)("-transus )之上對(duì) 鈦合金進(jìn)行鍛造和/或熱處理。更為具體地，"加工處理在發(fā)動(dòng)機(jī)部件的 鍛造過(guò)程中完成，或者可選擇的是，該部件可經(jīng)受貝它方案的熱處理。 因此，p加工處理在大大降低高溫疲勞強(qiáng)度的同時(shí)使抗蠕變特性最優(yōu) 化。然而，/ 熱加工處理導(dǎo)致整個(gè)部件具有相對(duì)較大的前期貝它粒狀結(jié) 構(gòu)。雖然通?？谷渥兲匦缘玫郊訌?qiáng)，但是經(jīng)貝它熱處理的部件內(nèi)的性能 例如，但不限于此的延展性和疲勞強(qiáng)度將降低。因此，可能要求較大的 橫截面區(qū)域來(lái)承載相同的運(yùn)行載荷。結(jié)果，與用對(duì)于保載疲勞強(qiáng)度經(jīng)過(guò) 優(yōu)化后的材料所制造的部件相比，經(jīng)貝它熱處理的部件通常更重并且制 造成本更高。
鈦合金的細(xì)粒加工處理(《// 加工處理)包括在"-轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)之 下對(duì)鈦合金進(jìn)行鍛造和熱處理。合金例如，但不限于此，鎳(Ni)基合 金可經(jīng)過(guò)細(xì)粒處理，以增大疲勞強(qiáng)度。然而，Ni基部件要大大重于其它 在中間溫度狀態(tài)進(jìn)行抗蠕變特性加工處理的合金。雖然Ni基部件通常 用在與其它發(fā)動(dòng)機(jī)部分相比承受較高溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)的各部分中，但是由 于不能在部件內(nèi)最好的實(shí)現(xiàn)特性平衡，就要求在承受較低溫度的前方發(fā) 動(dòng)機(jī)部分采用Ni合金。這種Ni基部件增大了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體重量。而且， Ni基部件不能焊接到鈦部件上。因此，通常使用緊固件例如螺栓來(lái)聯(lián)接 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的各部件。然而，這種螺栓連接的接合也增大了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體 重量。
可選擇的是，與上述已知的加工處理相比，可以對(duì)其它合金進(jìn)行加 工處理以便于增大保載疲勞強(qiáng)度，同時(shí)減小發(fā)動(dòng)機(jī)的整體重量。更具體 地，這種部件可以由與Ni基合金相比重量較輕的材料制造，和/或在發(fā) 動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，可以允許這種部件蠕變。然而，蠕變通常減少了部件 的壽命并提高了對(duì)部件的監(jiān)控要求。結(jié)果，這種合金通常增大了發(fā)動(dòng)機(jī) 的整體維護(hù)費(fèi)用。
已經(jīng)嘗試了 一些其它通過(guò)加工處理單一合金從而獲得材料特性的
組合來(lái)生產(chǎn)發(fā)動(dòng)^U部件的加工處理方法。例如， 一些已知的改進(jìn)的鍛造 /熱處理方法可以生產(chǎn)在孔內(nèi)具有《// 結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)保載疲勞強(qiáng)度以及在 凸緣內(nèi)具有抗蠕變結(jié)構(gòu)的盤。與凸緣中的粗粒、抗蠕變微結(jié)構(gòu)相比，Nl 基超合金已采用相似方法，已知為雙熱處理，來(lái)實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)的細(xì)粒、抗疲 勞結(jié)構(gòu)。另一種已知的方法包括/ 加工處理整個(gè)盤，且隨之在"-轉(zhuǎn)變 溫度點(diǎn)之下鍛造盤的孔部，以將孔部轉(zhuǎn)換為《// 結(jié)構(gòu)。然而，這種方法 通常要求極為精密的過(guò)程控制，并且非常昂貴，常?？蓪?dǎo)致產(chǎn)生并非最 佳的結(jié)構(gòu)特性，例如但不限于，在盤的凸緣上具有低延展性和低疲勞強(qiáng) 度的^退火結(jié)構(gòu)。
另 一 種加工方法通過(guò)在使引起發(fā)動(dòng)機(jī)部件的應(yīng)力水平降低的嘗試 中增大部件的尺寸從而增大發(fā)動(dòng)機(jī)部件的整體重量。然而，這種方法也 增大了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體重量，并且減小了相鄰盤之間的距離。結(jié)果，接近 某些發(fā)動(dòng)機(jī)部件變得更加困難，和/或需要重新設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)，整體制造和 維護(hù)的費(fèi)用可能增加，和/或發(fā)動(dòng)機(jī)功率和效率可能降低。
在該示例性實(shí)施例中，盤形段100需要具有高的強(qiáng)度-重量比、防 腐蝕性以及抗蠕變性。例如，盤形^殳100可由單一合金4艮造，例如但不 限于鈥合金Ti6242。例如，在低于1000°F的運(yùn)行溫度下，鈦(Ti)基 合金是用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件的優(yōu)選材料，這是因?yàn)檫@種合金要比Ni基合金 強(qiáng)且輕。更具體地，至少某些已知的轉(zhuǎn)子盤使用名義上包含重量百分比 為6%鋁、2%錫、4%鋯、2%鉬以及0.1%硅的Ti6242。盤形段100由 單一 的高溫Ti基合金成份鍛造而成，其能夠承受整個(gè)盤形段100可能承 受的最大軸向運(yùn)行溫度。換句話說(shuō)，在單個(gè)鍛造過(guò)程中，轂112、腹板 114和第二端由相同材料制造，該材料經(jīng)受加工處理以承受預(yù)期的整個(gè) 盤形段100可能承受的最大軸向運(yùn)行溫度，例如最佳的抗蠕變性。因此， 不將盤形段100鍛造為既具有高保載疲勞強(qiáng)度又具有最佳的抗蠕變性 能。
圖3是可用于燃?xì)鉁u輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成，例如圖1所示的渦輪風(fēng)扇 發(fā)動(dòng)機(jī)總成10,的單個(gè)盤形段200的局部側(cè)視圖。在該示例性實(shí)施例 中，盤形^殳200包括至少兩個(gè)單獨(dú)加工處理的盤形部分210和230，它 們每一個(gè)都分開(kāi)進(jìn)行鍛造，隨后被連接在一起，以形成一個(gè)具有最佳蠕 變特性和最佳保載疲勞特性的鈦合金部件。盤形部分210包括一徑向向 內(nèi)的轂212、 一從轂212徑向向外延伸的腹板214以及一從腹^反214徑 向向外延伸的凸緣216。盤形部分210還包括一個(gè)包括密封齒220和第 一端222的第一臂218和一個(gè)從凸緣216延伸的相對(duì)軸向-圓周邊緣 224。盤形部分230包括一個(gè)帶有密封齒234和軸向-圓周邊緣236的 第二臂232和一個(gè)設(shè)置在密封齒234相對(duì)于軸向-圓周邊緣236的相對(duì) 側(cè)的第二端238。如下文所詳細(xì)描述的，第一和第二部分210和230可 焊接在一起形成盤形段200?？蛇x擇的是，包括臂218和232、密封齒 220和224、以及臂端222和238的整個(gè)凸緣216可在軸向-圓周平面 內(nèi)焊接到腹板214上。
在該示例性實(shí)施例中，盤形段200可連接(或聯(lián)接)到多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)在 沿中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線12(如圖1所示)的不同軸向位置連接的相似盤段上(圖 中未示)。因此，取決于沿中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線12的軸向位置，盤形段200 經(jīng)受不同的溫度。例如，朝向渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成10的前部設(shè)置的盤 形段200要大大低于朝向輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成10的后部設(shè)置的相同盤形 #殳200的溫度。
在該示例性實(shí)施例中，取決于沿中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的軸向和/或徑向位 置，盤形段200上的各部分也要經(jīng)受不同的溫度。例如，穀212和腹板 214通常經(jīng)受比第二臂232低的溫度。因此與第二端238相比，穀212 和腹板214通常經(jīng)受較大的保載疲勞應(yīng)力。相反，第二端238通常暴露 于并經(jīng)受比轂212和腹板214 4交高的溫度。因此，第二端238通常經(jīng)受 比轂212和腹板214更大的蠕變。
如上所述，相同的合金可以經(jīng)受不同方式的加工處理以產(chǎn)生不同的 材料特性。然而，已知的鍛造方法通常不能實(shí)現(xiàn)在單一鍛造過(guò)程中使按 不同方式加工處理的合金進(jìn)行混合。因此，在該示例性實(shí)施例中，盤形 段200的第 一和第二部分210和230分別進(jìn)行加工鍛造，以便于單個(gè)發(fā) 動(dòng)機(jī)部件的保載疲勞強(qiáng)度和抗蠕變特性均實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。更具體地，在該 示例性實(shí)施例中，考慮到單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)部件內(nèi)可能出現(xiàn)的溫度梯度，第一 和第二部分210和230可分別加工處理、分別4艮造、并進(jìn)4于相互連4妄， 以易于使材料特性最優(yōu)化。
例如，在該示例性實(shí)施例中，軸向向前的第一部分210通常暴露于 比后面的第二部分230較低的運(yùn)行溫度。因此，為了便于承受疲勞應(yīng)力， 第一部分210用與第二部分230相比可承受較低溫度并具有較高保載疲 勞強(qiáng)度的材料制造。例如，第一部分210可在低于"-轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)的選
定溫度由Ti6242或類似的合金制造并鍛造。更具體地，第一部分210 由直徑為八英寸或者小于八英寸的坯件在低于P -轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)的溫度下 鍛造，并且利用冷卻方法，例如但不限于，風(fēng)扇空氣冷卻和/或用水和/ 或油淬火來(lái)快速冷卻。在經(jīng)由淬火快速冷卻后，取決于部件的尺寸以及 希望的冷卻速度，可以得到球化處理的主alpha ( spheroidized primary alpha )的體積分?jǐn)?shù)(volume fraction )大致在15 %和35 %之間的微結(jié)構(gòu)。 結(jié)果，第一部分210被加工處理成有利于在盤段200的各部分中獲得與 第二部分230相比要求有較高保載疲勞強(qiáng)度的最佳保載能力的材料特 性。
在該示例性實(shí)施例中，第二部分230通常暴露于比第一部分210較 高的運(yùn)行溫度。因此，與第一部分210相比，第二部分230由能夠承受 較高溫度并具有較高抗蠕變能力以利于減小蠕變的材料制造。例如，第 二部分230可在高于P -轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)的選定溫度下由Ti6242或相似合金 制作并鍛造例如環(huán)形滾壓?？蛇x擇的是，第二部分可在高于或低于A -轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)的溫度鍛造，且在高于"-轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)的溫度進(jìn)行熱處理， 產(chǎn)生具有最大抗蠕變特性的結(jié)構(gòu)。在該例子中，雖然貝它熱處理結(jié)構(gòu)具 有最大的抗蠕變特性，但是這種結(jié)構(gòu)將大大降低疲勞和耐延展性。這種 合金包括但不限于包含名義上6%鋁、4%錫、4%鋯、0.75%鈮、0.5% 鉬、0.4 %硅和0.06%碳的Ti834。這種合金還可包括Ti829、 Ti685或者 可選擇的抗蠕變鈦合金。結(jié)果，將第二部分230加工成有利于在盤段200 的各部分獲得與第 一部分210相比要求有較高抗蠕變特性的最佳抗蠕變 能力的材料特性。
第一部分210和第二部分230可通過(guò)各種已知的冶金技術(shù)相互耦合 (或連接)，這類冶金技術(shù)沿著基本垂直于中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線12的徑向-圓周平面連接第一部分210和第二部分230。例如，第一軸向-圓周邊 緣224和第二軸向-圓周邊緣236可經(jīng)由徑向焊-接240,例如^f旦不限于， 慣性焊、摩擦焊、線性摩擦焊和/或例如電子束焊接的熔接焊耦合(或連 接或者聯(lián)接)在一起?？蛇x擇的是，包括臂218和232、密封齒220和 224、臂端222和238的整個(gè)凸緣216可一起通過(guò)軸向焊在軸向-圓周 平面內(nèi)連接到腹板214上。凸緣216和腹板214的連接可通過(guò)但不限于 慣性焊、摩擦焊、線性摩擦焊和/或例如電子束焊接的熔接焊來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在制造盤段200的過(guò)程中，焊接和/或發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的溫 度可能在軸向_圓周邊緣224和/或軸向-圓周邊緣236上引發(fā)蠕變。因 此，希望的是將軸向-圓周邊緣224和/或軸向-圓周邊緣236設(shè)置在與 盤的其它區(qū)域相比具有相對(duì)小的應(yīng)力和相對(duì)低的溫度的盤的區(qū)域。例 如，第一部分210可經(jīng)過(guò)a/^加工處理以獲得增大的保載疲勞特性。如 果在制造第一部分210中所使用的《// 加工材料的蠕變能力能夠滿足凸 緣216和第一臂218的蠕變特性要求、但不能滿足第二臂232的要求， 則可將焊縫(或焊接)240設(shè)置在位于凸緣216和第二臂232之間的過(guò) 渡區(qū)域。另外，還應(yīng)當(dāng)考慮，焊縫240的材料特性以及其相關(guān)的熱影響 區(qū)域，以便于減小蠕變，特別是在具有可能傾向于具有減小抗蠕變特性 的細(xì)化微結(jié)構(gòu)的固態(tài)焊接的情況下。
雖然圖示的軸向-圓周邊緣224和/或軸向-圓周邊緣236基本垂直 于中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，但還應(yīng)當(dāng)理解的是，只要這種邊緣224和236形狀基 本互補(bǔ)以利于焊接過(guò)程，軸向-圓周邊l彖224和/或軸向-圓周邊緣236 就可以是任意形狀和取向，例如相對(duì)于中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線12以及相對(duì)于彼 此是傾斜的取向。相似地，對(duì)于焊接設(shè)置在腹板214處的情況，還應(yīng)當(dāng) 理解的是，只要要接合的這種邊緣的形狀形成基本互補(bǔ)以利于焊接過(guò) 程，所要接合的表面可以是任意形狀或取向，例如相對(duì)于中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線 12以及相對(duì)于彼此是傾斜的。隨著焊接之后，在該示例性實(shí)施例中，在 焊接盤段200上實(shí)施應(yīng)力消除熱處理，并且在焊接的盤段200上進(jìn)行酸 刻蝕，以便在應(yīng)力消除熱處理過(guò)程中去除所產(chǎn)生的alpha情況。
在示例性盤段200上，取決于沿中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線12測(cè)量的盤段200 的預(yù)期位置，對(duì)第一和第二部分210和230分別進(jìn)4于加工處理以獲得不 同的保載疲勞和蠕變能力。由于經(jīng)不同的加工處理的第一和第二部分 210和230隨后被焊接在一起，因此可以制造具有增加的抗蠕變特性和 增加的保載抗疲勞特性的輕便發(fā)動(dòng)機(jī)部件。結(jié)果，與已知的經(jīng)單一加工 處理的Ti基合金部件相比，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和效率。而且，與已 知的由Ni基合金制造的部件相比，可以降低盤段200的整體重量、制 造和維護(hù)成本。
以上對(duì)制造和裝配轉(zhuǎn)子部件的示例性實(shí)施例做了詳細(xì)描述。轉(zhuǎn)子部 件不限于用在此處所描述的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成上，轉(zhuǎn)子部件可以與此 處所描述的其它轉(zhuǎn)子組件的部件獨(dú)立且分開(kāi)地使用。而且，本發(fā)明不限 于以上詳細(xì)描述的轉(zhuǎn)子組件和部件的實(shí)施例，而是也可采用落入權(quán)利要
求書的精神和范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子組件和部件的其它變型。
雖然已經(jīng)根據(jù)不同的特定實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做了描述，但是本領(lǐng)域技 術(shù)人員可意識(shí)到在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的各種變化。
附圖標(biāo)記
10 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)總成
12 中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線
14 入口側(cè)
16 排氣側(cè)
18 芯部燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)
20 高壓壓縮枳j
22 燃燒室
24 高壓渦輪才幾
26 ^f氐壓渦輪機(jī)
28 風(fēng)扇組件
30 風(fēng)扇葉片
32 轉(zhuǎn)子穀
34 第一轉(zhuǎn)子軸
36 第二轉(zhuǎn)子軸
100 盤形段
112 穀
114 腹板
116 凸緣
118 第一臂
120 第二臂
122 密封齒
124 第一端
126 密封齒
128 第二端
200 盤形段
210 第一部分
212 敎
214 腹板
216 凸緣
218 第一臂
220 密封齒222 臂端
224 軸向-圓周邊緣
230 第二部分
232 第二臂
234 密封齒
236 軸向-圓周邊緣
238 第二端
240 焊接(或焊縫)
權(quán)利要求
1.一種用于渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子組件，所述轉(zhuǎn)子組件包括由第一材料鍛造的轉(zhuǎn)子部件的第一部分(210)，所述第一材料采用第一過(guò)程進(jìn)行加工處理；和由與所述第一材料相同的第二材料單獨(dú)地鍛造的所述轉(zhuǎn)子部件的第二部分(230)，所述第二部分采用第二過(guò)程進(jìn)行加工處理，其中，所述第二部分在第一軸向位置處連接到所述第一部分上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于，所述第一材料包 括經(jīng)a/p加工處理的第一材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于，所述第二材料包 括經(jīng)/ 加工處理的第一材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于，所述第一材料和 所述第二材料包括鈦基合金。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于，所述第一和第二 部分(210, 230)每個(gè)在基本垂直于所述轉(zhuǎn)子組件的縱向軸線的徑向-圓周平面和基本垂直于所述轉(zhuǎn)子組件的縱向軸線的軸向-圓周平面中 的至少一個(gè)內(nèi)相互連4妄。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于，所述第二部分 (230 )的軸向-圓周邊緣(224, 236 )在所述徑向-圓周平面內(nèi)連4妄到所述第一部分(210)的軸向-圓周邊緣。
7. —種包含有縱向軸線的轉(zhuǎn)子機(jī)械裝置，所述轉(zhuǎn)子機(jī)械裝置包括 由第一材料鍛造的盤的第一部分(210),所述第一材料采用第一過(guò)程進(jìn)4于加工處理；和由與所述第 一材料相同的第二材料單獨(dú)地鍛造的所述盤的第二部 分(230 ),所述第二材料材料采用第二過(guò)程進(jìn)行加工處理，所述第二 部分在第一軸向位置處連接到所述第一部分上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的轉(zhuǎn)子機(jī)械裝置，其特征在于，所述第一材 料包括經(jīng)p加工處理的第 一材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的轉(zhuǎn)子機(jī)械裝置，其特征在于，所述第二材 料包括經(jīng)p加工處理的第一材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的轉(zhuǎn)子機(jī)械裝置，其特征在于，所述第一 材料和所述第二材料包括鈦基合金。
全文摘要
本發(fā)明提出一種用于渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子組件。該轉(zhuǎn)子組件包括由第一材料鍛造的轉(zhuǎn)子部件的第一部分(210)。該第一材料采用第一過(guò)程進(jìn)行加工處理。轉(zhuǎn)子組件還包括采用與第一材料相同的第二材料單獨(dú)地鍛造的轉(zhuǎn)子部件的第二部分(230)。第二部分采用第二過(guò)程進(jìn)行加工處理并在第一軸向位置處連接到第一部分上。還提出一種制造用于渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子組件的方法。
文檔編號(hào)F01D5/02GK101191423SQ20071019615
公開(kāi)日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2007年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
發(fā)明者A·P·伍德費(fèi)爾德, B·F·米克爾, P·維特 申請(qǐng)人:通用電氣公司