Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей. Лопатки газотурбинных двигателей


Охлаждаемая лопатка газотурбинного двигателя

Охлаждаемая лопатка газотурбинного двигателя содержит полости для подвода охлаждающей среды, порошкообразный неметаллический пористый материал и металлический материал. Лопатка выполнена по технологии послойного лазерного спекания в формате 3D порошкообразных материалов, содержащих в каждом слое неметаллический пористый проницаемый материал, армированный металлическим материалом, образующим периодическую структуру кубической формы до получения заданного профиля лопатки. Внешний слой поверхности лопатки, контактирующий с высокотемпературным набегающим потоком продуктов сгорания, выполнен из неметаллического пористого проницаемого материала толщиной не более стороны периодической структуры кубической формы. В качестве неметаллического пористого проницаемого материала используют диоксид циркония. Изобретение позволяет повысить термоциклический ресурс и стойкость к трещинообразованию лопатки путем создания однородной пористости в объеме всей лопатки и обеспечить ее работоспособность при температуре набегающего потока продуктов сгорания до 1800…2000°C. 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Изобретение относится к области энергетического и авиационного машиностроения, в частности к охлаждаемым лопаткам, преимущественно высокотемпературных газовых турбин.

В современных охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин широко используется заградительное воздушное охлаждение, которое осуществляется вдувом относительно холодного воздуха на внешнюю поверхность профиля лопатки через проницаемый (пористый) материал «пористое или эффузивное охлаждение» (Швец И.Т., Дыбан Е.П. «Воздушное охлаждение деталей газовых турбин», АН УССР, Наукова думка, Киев, 1974, стр. 26-27, 95-98). Сущность «пористого охлаждения» заключается в том, струи охладителя на выходе из пор сливаются и образуют пограничный слой, существенно уменьшая тем самым конвективный теплообмен между газом и поверхностью профиля. Поэтому применение даже самых современных жаропрочных сплавов, обеспечивающих высокий уровень эксплуатационных свойств (жаропрочность, пластичность, термостойкость и т.д.) в лопатках газотурбинных двигателей, не обеспечит дальнейшее повышение температуры газа перед турбиной без использования эффективной системы охлаждения.

Широко известны конструкции охлаждаемых лопаток, в которых выполнены полости для подвода охлаждающей среды лопатки, обеспечивая работоспособность лопатки при высоких температурах (100…200°C). Изменения температуры лопатки в различных ее точках имеют циклический характер, связанный с циклической работой газотурбинного двигателя. Существующая большая неравномерность температурного поля как по толщине, где температура составляет 900…1040°C на внешней поверхности и 550…750°C на поверхности внутренней полости, так и по профилю пера лопатки, где температура достигает 1000…1040°C на входной кромке и 850…950°C на середине профиля, приводит к появлению больших циклических знакопеременных напряжений. Возникновение термических напряжений обусловлено неравномерным расширением материала детали при ее неравномерном нагреве, когда более нагретые участки, расширяясь, оказываются стесненными более холодными участками. Уровень напряжений в некоторых частях лопатки, например на кромках, превышает предел упругости. В результате материал лопатки получает значительные знакопеременные деформации, приводящие к быстрому, за 500-5000 циклов, разрушению лопатки. Для получения таких конструкций лопаток обычно используют раздельное изготовление отдельных частей лопаток: литье несущих частей, деформацию волокон, спекание порошкообразных материалов с последующим соединением их сваркой или пайкой, механическое нанесение отверстий.

Известна лопатка, профиль которой выполнен из спеченных порошкообразных композитных материалов, соединенных между собой сваркой или пайкой, с выполненными в ней отверстиями (патент США №4422229 А, МПК F01D 5/18, опубл. 27.12.1983 г.).

Известна охлаждаемая лопатка, состоящая из нескольких слоев пористого материала, соединенных между собой диффузионной сваркой (патент США №4022542 А, МПК F01D 5/18, опубл. 10.05.1977 г.).

Однако наличие сварных соединений сокращает срок службы лопаток, увеличивает трудоемкость их изготовления, а также невозможность получения охлаждающих каналов в объеме тела лопатки только литьем.

Известна охлаждаемая лопатка газовой турбины, изготовленная из плотного материала и содержащая в нем полости для прохода охлаждающей среды, передняя кромка которой выполнена в виде проницаемой оболочки из пористого материала, изготовленного из проволочных переплетений (патент США №4314442 А, МПК F01B 5/18, опубл. 09.02.1982 г.).

Однако малое гидравлическое сопротивление оболочки не обеспечивает ей надежную защиту от высокотемпературных потоков рабочей среды, а возможное проникновение горячего газа во внутреннюю полость в зоне критической точки может привести к сильному разогреву кромки и выходу из строя.

Известна лопатка, содержащая несущий металлический стержень с каналами для подачи воздуха во внутреннюю область пера, вокруг которого крепится слой пористого материала - металлического войлока для охлаждения внешней поверхности конструкции (патент США №4629397 А, МПК F01B 5/18, опубл. 16.12.1986 г.).

Недостатком такой конструкции лопатки является низкая прочность металлического войлока, требующая создания дополнительного слоя вокруг него для защиты от горячей газовой струи.

Известна конструкция охлаждаемой рабочей лопатки турбины, включающая многослойную оболочку, образующую профиль пера, прикрепленную к литому стержню, на поверхности которого изготавливают охлаждающие каналы для снижения температуры основного материала. Оболочка изготовлена из трех или большего числа слоев листового материала малой толщины, причем в них выдавлены углубления с отверстиями, которые после соединения слоев пайкой образуют каналы заданной формы по толщине оболочки, по которым из стержня проходит охлаждающий оболочку воздух, выходящий через большое количество отверстий на поверхности оболочки, образуя защитную пленку (патент США №3606572 А, МПК F01B 5/18, опубл. 20.09.1971 г.).

Однако подобная конструкция лопатки сложна в производстве, поскольку для хорошего охлаждения требуется обеспечить высокую точность изготовления каналов в отдельных слоях и обеспечить точность их сборки и пайки, иначе сечение каналов будет отличаться от расчетного и охлаждение нарушится. Кроме того, выход из строя одного канала вследствие окисления материала или засорения приведет к местному перегреву и разрушению оболочки лопатки.

Известна охлаждаемая лопатка с объемно-сетчатой конструкцией охлаждающих каналов и монокристаллической структурой с полостью и отверстиями для прохода охлаждаемой среды (патент RU №2094170 С1, МПК B22D 27/04, F01D 5/18, опубл. 27.10.1997).

Известна охлаждаемая лопатка, содержащая полости для прохода охлаждаемой среды, соединенные между собой каналами, оси которых проходят через критическую линию передней кромки, закрепленной на лопатке и выполненной в виде проницаемой оболочки из пористого материала, поры которого образованы проволочными переплетениями (патент RU №2186223 С2, МПК F01D 5/18, опубл. 27.07.2002).

Недостатками данных технических решений является то, что существующие лопатки снабжены либо отдельными накладками, либо оболочками из пористых материалов, закрепленных на лопатках, изготовленных из плотного материала. Такие технические решения не обеспечивают получение цельной пористой структуры лопатки, изменяющейся в ее объеме по заранее заданному закону с целью создания равномерного температурного поля и эффективного подвода охлаждающей среды к внешней поверхности ее профиля. Невозможность изготовления лопатки полностью из пористого материала вынуждает применять различные материалы для отдельных частей лопатки, имеющих различные температурные нагрузки. При наличии знакопеременных температурных нагрузок это приводит к трещинообразованию и в итоге снижению ресурса лопатки.

Известна охлаждаемая лопатка турбины, конструкция которой включает теплозащитное керамическое покрытие, нанесенное на наиболее нагретых частях профиля пера, например на входной и выходной кромках (патент США №6106231 А, МПК F01D 5/28, F01D 5/18, опубл. 22.08.2000 г.).

Недостатком конструкции данной лопатки является сохранение циклических температурных перепадов между внешней и внутренней поверхностями лопатки, что ведет к сохранению напряжений по толщине стенки лопатки. Учитывая значительную разницу в коэффициентах линейного расширения материала лопатки и керамического покрытия, неизбежно появление напряжений и в нанесенном покрытии. Низкая стойкость керамики к растягивающим напряжениям неизбежно ведет к быстрому растрескиванию и сколу покрытия с последующим разрушением основного материала.

Известна конструкция лопатки, на поверхности которой нанесено многослойное металлокерамическое теплозащитное покрытие, причем керамический пористый слой на основе ZrO2 нанесен поверх конденсированного металлического подслоя, в котором выполнены малоразмерные каналы шириной 0,01…0,1 мм с образованием каналов над ними. По каналам подают воздух, который через поры выходит на поверхность лопатки, обеспечивая образование защитной воздушной пленки и охлаждение поверхности лопатки (патент США №6551061 B2, МПК F01D 5/18, опубл. 22.04.2003 г.).

Недостатком данной конструкции являются большие гидравлические потери в малоразмерных каналах, ведущие к большой неравномерности давления по их длине, что затрудняет создание сплошной воздушной пленки. Для обеспечения достаточной прочности покрытия оно должно иметь высокую плотность, что ухудшает его воздухопроницаемость, а значит ограничивает толщину. Каналы внутри слоя керамики являются концентраторами напряжений, что может привести к снижению механических свойств покрытия. Это снижает теплозащитные свойства керамического покрытия.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является лопатка, содержащая полости для подвода охлаждающей среды, порошковый неметаллический пористый материал в виде керамического слоя и пористый металлический материал (патент РФ №2267615 С1, МПК F01D 5/18, опубл. 10.01.2006 г.).

Основными недостатками технического решения является то, что известные лопатки снабжены в виде отдельных многослойных накладок или покрытий пера из пористых материалов в виде керамического слоя и металлического слоя, закрепляемых на основе, либо в виде оболочки лопатки, что не обеспечивает возможности их эксплуатации при рабочих температурах ее внешней поверхности 1800…2000°C, а также получения однородной пористости всей поверхности лопатки с возможностью ее изменения по заранее заданному закону. Невозможность изготовления лопаток полностью из пористого материала вынуждает применять различные материалы для отдельных частей лопатки, имеющих различные температурные нагрузки. При наличии знакопеременных температурных нагрузок это приводит к трещинообразованию и в итоге снижению ресурса лопатки.

Технической задачей данного технического решения является повышение термоциклического ресурса и стойкости к трещинообразованию лопатки путем создания однородной пористости в объеме лопатки с возможностью ее изменения по заранее заданному закону и обеспечение работоспособности лопатки при температуре набегающего потока продуктов сгорания до 1800…2000°C.

Для решения поставленной задачи в охлаждаемой лопатке газотурбинного двигателя, содержащей полости для подвода охлаждающей среды, порошкообразный неметаллический пористый материал и металлический материал, согласно изобретению лопатка выполнена по технологии послойного лазерного спекания порошкообразных материалов, содержащих в каждом слое неметаллический пористый проницаемый материал, армированный металлическим материалом, образующим периодическую структуру кубической формы до получения заданного профиля лопатки в формате 3D, при этом внешний слой поверхности лопатки, контактирующий с высокотемпературным набегающим потоком продуктов сгорания, выполнен из неметаллического пористого проницаемого материала толщиной не более стороны периодической структуры кубической формы.

При этом в качестве неметаллического пористого проницаемого материала используют диоксид циркония.

При этом в качестве металлического материала для образования периодической структуры кубической формы используют коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные стали и сплавы.

Изготовление заданного профиля лопатки по технологии послойного лазерного спекания порошковых материалов в формате 3D, содержащих в каждом слое неметаллический пористый проницаемый материал, армированный металлическим материалом, образующим периодическую структуру кубической формы, способствует достижению высоких рабочих температур внешней поверхности лопатки (1800-2000°C), получение однородной пористости всей лопатки с возможностью ее изменения по заранее заданному закону. Выполнение лопатки по технологии послойного лазерного спекания в формате 3D порошковых материалов (неметаллического пористого проницаемого материала и армирующего его металлического материала периодической структуры кубической формы) повышает ее стойкость к трещинообразованию и, соответственно, увеличению термоциклического ресурса за счет создания в лопатке равномерного поля температур. В качестве неметаллического пористого проницаемого высокотемпературного материала с низкой теплопроводностью используют диоксид циркония, а в качестве армирующего металлического материала с высокой плотностью, теплопроводностью и прочностью используют коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы.

Выполнение внешнего слоя поверхности лопатки из пористого проницаемого неметаллического материала, толщиной не более стороны периодической структуры кубической формы, исключает выход армирующего металлического материала, образующего периодическую структуру кубической формы, на внешнюю поверхность лопатки и ее контакт с высокотемпературным набегающим потоком продуктов сгорания, что способствует повышению рабочей температуры высокотемпературного набегающего потока до 1800-2000°C и уменьшению температурных градиентов в теле лопатки.

Предлагаемая конструкция охлаждаемой лопатки газотурбинного двигателя поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 представлена охлаждаемая лопатка газотурбинного двигателя, выполненная полностью по технологии послойного лазерного спекания в формате 3D порошкообразных материалов - неметаллического пористого проницаемого материала, армированного металлическим материалом, образующим периодическую структуру кубической формы, общий вид;

на фиг. 2 - вид А на фиг. 1, показан подвод охлаждающей среды через полости охлаждаемой лопатки, а также подвод высокотемпературного набегающего потока продуктов сгорания к охлаждаемой лопатке, вид сверху;

на фиг. 3 показано расположение охлаждаемых лопаток между верхней и нижней частями элемента соплового лопаточного аппарата;

на фиг. 4 - вид Б на фиг. 2, показан фрагмент лопатки, полностью выполненной по технологии послойного лазерного спекания в формате 3D порошкообразных материалов - неметаллического пористого проницаемого материала, армированного металлическим материалом, образующим периодическую структуру кубической формы, а также внешняя поверхность лопатки, выполненная полностью из неметаллического пористого проницаемого материала, увеличено;

на фиг. 5 - вид C на фиг. 2, представлено поле полной температуры в неметаллическом пористом проницаемом материале и высокотемпературном набегающем потоке продуктов сгорания, без армирующих элементов периодической структуры кубической формы из металлического материала во фрагменте лопатки, принятом для расчета (значения полной температуры показаны в двенадцати градациях серого цвета: светлый тон соответствует полной температуре 500 K, темный тон - 2300 K), увеличено;

на фиг. 6 - то же вид C на фиг. 2, представлено распределение полного давления в неметаллическом пористом проницаемом материале и высокотемпературном набегающем потоке продуктов сгорания, без армирующих элементов периодической структуры кубической формы из металлического материала во фрагменте лопатки, принятом для расчета (значения полного давления показаны в шести градациях серого цвета: светлый тон соответствует полному давлению 450 кПа, темный тон - 750 кПа), увеличено;

на фиг. 7 - тот же вид С на фиг. 2, представлено поле полной температуры в неметаллическом пористом проницаемом материале, армированном периодической структурой кубической формы из металлического материала, и высокотемпературном набегающем потоке продуктов сгорания во фрагменте лопатки, принятом для расчета (значения полной температуры показаны в двенадцати градациях серого цвета: светлый тон соответствует полной температуре 500 K, темный тон - 2300 K), увеличено;

на фиг. 8 - тот же вид C на фиг. 2, представлено поле температур в армирующем элементе периодической структуры кубической формы из металлического материала во фрагменте лопатки, принятом для расчета (значения полной температуры показаны в четырех градациях серого цвета: светлый тон соответствует полной температуре 500 K, темный тон - 700 K), увеличено;

на фиг. 9 - то же вид C на фиг. 2, представлено поле полного давления в неметаллическом пористом материале, армированном периодической структурой кубической формы из металлического материала, и высокотемпературном набегающем потоке продуктов сгорания во фрагменте лопатки, принятом для расчета, (значения полного давления показаны в пяти градациях серого цвета: светлый тон соответствует полному давлению 550 кПа, темный тон - 800 кПа), увеличено;

на фиг. 10 представлены зависимости относительной температуры от размера стороны и толщины армирующей металлической структуры кубической формы;

на фиг. 11 представлены зависимости полной температуры внешней поверхности охлаждаемой лопатки и высокотемпературного набегающего потока продуктов сгорания от входа до выхода фрагмента, принятого для расчета для лопатки с армирующими элементами и без них;

на фиг. 12 представлены зависимости полной температуры в подводящем канале и неметаллическом пористом проницаемом материале от входа подводящего канала до места выхода в высокотемпературный набегающий поток продуктов сгорания.

В охлаждаемой лопатке 1 газотурбинного двигателя выполнены полости 2 для подвода охлаждающей среды (фиг. 1, 2). Лопатки 1 располагают между верхней 3 и нижней 4 частями элемента соплового лопаточного аппарата над отверстиями 5 и 6, соответственно, служащими для прохода охлаждающей среды (фиг. 3). Фиксация лопаток 1 относительно верхней 3 и нижней 4 частей элемента соплового лопаточного аппарата осуществляется, например, с помощью штифтов (на чертеже не показаны), расположенных на верхней 3 и нижней 4 частях соплового лопаточного аппарата и входящих в углубления, выполненные в лопатке 1. Лопатка 1 полностью выполнена по технологии послойного лазерного спекания в формате 3D двух порошкообразных материалов, содержащая в каждом слое неметаллический пористый проницаемый материал 7, армированный металлическим материалом 8 с образованием его периодической структуры кубической формы (фиг. 4) до получения заданного профиля лопатки 1. В качестве порошкообразного неметаллического материала 7 используют диоксид циркония (ZrO2) - керамический материал, обладающий высокотемпературными свойствами и низкой теплопроводностью при температуре спекания от 1100 до 2300°С. В результате послойного лазерного спекания в формате 3D двух порошкообразных материалов получается высокотемпературный пористый проницаемый материал и армирующий металлический материал. Высокотемпературный пористый проницаемый неметаллический (керамический) материал 7 служит для подвода охлаждающей среды через его поры к внешней поверхности профиля и телу лопатки 1 при рабочей температуре ее поверхности 1800…2000°C. Армирующая периодическая структура кубической формы из металлического материала 8 служит для создания равномерного температурного поля в теле лопатки (фиг. 4). В качестве металлического материала 8 используют коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные стали и сплавы, типа 12Х18Н9Т, как обладающие высокой плотностью, теплопроводностью и прочностью. Армирующие элементы металлического материала 8 представляют периодическую кубическую структуру со стороной не менее 1,0 мм и квадратным сечением со стороной не менее 0,2 мм (наименьшая толщина слоя, достигнутая для технологии послойного лазерного спекания в формате 3D), что способствует повышению прочностных свойств лопатки 1 и реализации оптимальной пористости высокотемпературного пористого проницаемого неметаллического материала 7 с низкой теплопроводностью. Для изготовления лопатки 1 может быть применена любая известная технология послойного лазерного спекания двух материалов в формате 3D. Внешний слой 9 поверхности лопатки 1, контактирующий с высокотемпературным набегающим потоком 10 продуктов сгорания, выполнен только из неметаллического пористого проницаемого материала (керамического) 7 толщиной не более стороны периодической структуры кубической формы (фиг. 4) для исключения выхода армирующей периодической структуры металлического материала 8 за внешний слой 9 лопатки 1. В этом случае высокотемпературный набегающий поток 10 продуктов сгорания проходит вдоль внешней поверхности лопатки 1 (фиг. 2, 4), не контактируя с армирующей периодической структурой металлического материала 8. Распределение полных температур на поверхностях пористых проницаемых фрагментов, контактирующих с высокотемпературным набегающим потоком 10 продуктов сгорания, показано на фиг. 5, 7, а распределение температуры по поверхности армирующей периодической структуры металлического материала 8 приведено на фиг. 8. Распределение полного давления в неметаллическом пористом проницаемом материале 7 и высокотемпературном набегающем потоке 10 продуктов сгорания показано на фиг. 6, 9. На фиг. 10 показаны зависимости относительной температуры в элементе кубической формы от размера стороны и толщины армирующей металлической структуры кубической формы для пористого проницаемого неметаллического материала, в качестве которого используют диоксид циркония (ZrO2), имеющий теплопроводность 1,5 Вт/м*град при температуре 800 K и для коррозионно-стойкой, жаростойкой жаропрочной стали, типа 12Х18Н9Т, имеющей теплопроводность 21,5 Вт/м*град. Зависимости полной температуры стенки внешней поверхности охлаждаемой лопатки (расстояние от 15 до 33 мм) высокотемпературного набегающего потока продуктов сгорания от входа до выхода фрагмента, принятого для расчета, для лопатки 1 с армирующими элементами и без них показаны на фиг. 11. Зависимости полной температуры в подводящем канале 2 и неметаллическом пористом проницаемом материале 7 от входа подводящего канала до места выхода в высокотемпературный набегающий (в сечении, соответствующем расстоянию 26,5 мм согласно фиг. 11, при этом расстояние от входа подводящего канала до неметаллического пористого материала 7 толщиной 5 мм равно 5 мм) поток продуктов сгорания показаны на фиг. 12.

Охлаждаемая лопатка работает следующим образом.

Охлаждающую среду (воздух) через каналы в нижней 4 части элемента соплового лопаточного аппарата подают во внутренние полости 2 лопатки 1. Затем охлаждаемая среда через поры неметаллического пористого проницаемого материала 7 выходит на ее внешнюю поверхность 9, омываемую высокотемпературным набегающим потоком 10 продуктов сгорания газовой турбины. За счет однородной пористости тела лопатки 1 и наличия армирующей периодической структуры кубической формы из металлического материла с высокой плотностью, теплопроводностью и прочностью обеспечивается интенсивный равномерный теплоотвод по всей внешней ее поверхности, а также в ее теле исключается образование трещин в неметаллическом пористом проницаемом материале 7 с низкой теплопроводностью лопатки 1, что увеличивает ее термоциклический ресурс. Выполнение внешнего слоя 9 поверхности лопатки из пористого проницаемого неметаллического материала 7, толщиной не более стороны периодической структуры кубической формы, исключает выход армирующего металлического материала 8, образующего периодическую структуру кубической формы, на внешнюю поверхность лопатки 1 и ее контакт с высокотемпературным набегающим потоком 10 продуктов сгорания, что способствует повышению рабочей температуры высокотемпературного набегающего потока 10 до 1800-2000°C и уменьшению температурных градиентов во внешнем слое 9 поверхности лопатки 1. Получение равномерного поля температур в теле лопатки 1 из неметаллического пористого проницаемого материала 7 - диоксида циркония ΖrO2, обладающего высокотемпературными свойствами с низкой теплопроводностью, обеспечивается за счет однородной пористости и реализации заданного закона ее распределения в различных элементах объема лопатки 1, а также армирующей периодической структуры кубической формы из металлического материала 8, обладающего высокой плотностью, теплопроводностью и прочностью, в качестве которого используют коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные стали и сплавы (нержавеющую сталь 12Х18Н10Т).

С целью оценки эффективности получения равномерного поля температур за счет применения армирующей периодической структуры кубической формы из металлического материала с высокой плотностью, теплопроводностью и прочностью, размещенной в теле из проницаемого высокотемпературного пористого неметаллического материала с низкой теплопроводностью, представлены зависимости изменения относительной температуры в элементе периодической структуры кубической формы с различными размерами стороны куба и толщины армирующего металлического материала (на фиг. 10). Зависимости на фиг. 10 построены для диоксида циркония и стали 12Х18Н10Т в предположении равенства тепловых потоков перпендикулярно любым граням элементов кубических структур по одним и тем же направлениям:

Δtотн - относительный градиент температуры в элементе кубической формы;

Δtнм - температурный градиент в элементе кубической формы 1, выполненном полностью из неметаллического пористого проницаемого материала 7, град;

Δtм+нм - температурный градиент в элементе кубической формы, выполненном из неметаллического пористого проницаемого материала 7, армированного металлическим материалом 8 периодической структуры кубической формы, град:

λнм - теплопроводность пористого проницаемого неметаллического материала 7, Вт/м*град;

S - размер стороны периодической структуры кубической формы металлического материала 8, м;

λм - теплопроводность металлического материала 8 армирующей периодической структуры кубической формы, Вт/м*град;

δ - толщина металлического материала 8 армирующей периодической структуры кубической формы, м.

Как следует из фиг. 10, наличие армирующей периодической структуры кубической формы приводит к существенному уменьшению относительной температуры в объеме выделенного элемента (снижению температурных градиентов в неметаллическом пористом проницаемом материале 7) в зависимости от размера (уменьшения) стороны и увеличения толщины металлического материала 8 армирующей периодической структуры кубической формы.

На фиг 5-9 и 11-12 представлены результаты сравнительных расчетов, выполненных программой Ansys CFX (версия 14.5) для фрагментов лопатки 1, имеющих пористые вставки с и без армирующей периодической структуры кубической формы. В качестве неметаллического пористого проницаемого материала 7 - высокотемпературного керамического материала с низкой теплопроводностью - использован диоксид циркония (ΖrO2), имеющий температуру плавления 2700°C. В качестве металлического материала 8, обладающего высокой плотностью, теплопроводностью и прочностью, использована сталь типа 12Х18Н9Т. Температура высокотемпературного набегающего потока 10 продуктов сгорания, в качестве которого был взят воздух, в этих двух случаях, принята равной 2000°C при скорости на входе в фрагменте 300 м/с (типичной величине в сопловом аппарате турбины). Объемная пористость неметаллического пористого проницаемого материала (керамического) 7 задана равной 0,2 (оптимальная величина, полученная в работе (П.Э. Калмыков, Б.Е. Байгалиев, А.Г. Тумаков. Охлаждение лопатки газотурбинного двигателя, изготовленной из материала «металлорезина». Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении: Труды VIII школы-семинара молодых ученых и специалистов академика В.Е. Алемасова. - Казань: Издательство Казанского государственного энергетического университета, 2012. стр. 380-385) и получена из сферических частиц ZrO2 диаметром 0,2 мм. Армирующие элементы металлического материала 10 представляют периодическую кубическую структуру со стороной 1,0 мм и квадратным сечением со стороной 0,2 мм. С целью исключения непосредственного контакта армирующей периодической структуры кубической формы из металлического материала 8 с высокой плотностью, теплопроводностью и прочностью с набегающим высокотемпературным потоком 10 внешний слой 9 поверхности лопатки 1 выполнен из неметаллического пористого проницаемого материала 7 толщиной не более стороны периодической структуры кубической формы (фиг. 4).

В качестве охлаждающей среды был принят воздух с плотностью расхода равной 4,23 кг/с*м2 (типичная величина для пористого охлаждения) и температурой на входе 300°C. Для определения потерь давления при ламинарном и турбулентном режимах течения охлаждающей среды в порах согласно Ansys CFX [ANSYS CFX-Solver Theory Guide. Basic Solver Capability Theory. Flow in Porous Media. Turbulence and Wall Function Theory. Darcy Model, Equation 244] используется следующая зависимость закона Дарси:

p - давление охлаждающего воздуха, Па;

xi - расстояние по координатному направлению (x, y, z), м;

µ - динамическая вязкость охлаждающей среды, Па*с;

Ui - скорость фильтрации по координатным направлениям (x, y, z), м/с;

Kperm=1α - проницаемость, м, где

α - вязкостный коэффициент неметаллического пористого проницаемого материала, 1/м;

Kloss=β - экспериментальный коэффициент потерь, 1/м, где

β - инерционный коэффициент неметаллического пористого проницаемого материала, 1/м;

ρ - плотность воздуха, кг/м3.

Для вычисления коэффициентов α и β использовались зависимости, предложенные в справочнике («Пористые проницаемые материалы», под редакцией Белова С.В. М, Металлургия, 1987, стр. 37):

γ - объемная пористость;

dч - диаметр порошковых материалов из сферических частиц, м.

Из представленных на фиг. 5, 7, 8 распределений полных температур на поверхностях пористых проницаемых фрагментов, контактирующих с высокотемпературным набегающим потоком 10 продуктов сгорания, максимальное значение составляет 1740-1790 K. Применение армирующих элементов из металлического материала 8 обеспечивает более равномерное поле температур, т.е. уменьшается толщина материала, в котором температурные градиенты значительны и для рассчитанного случая она составляет величину порядка 1,0 мм при перепаде температур от 600 до 1800 K (фиг. 11). При этом следует отметить, что максимальная температура армирующих элементов не превышает 650 K (фиг. 8).

Таким образом, предложенная конструкция охлаждаемой лопатки позволяет реализовать рабочую полную температуру внешней поверхности лопатки не менее 1800 К при полной температуре высокотемпературного набегающего потока продуктов сгорания 2300 K и максимальной температуре армирующих элементов из материала (стали) с высокой плотностью, теплопроводностью и прочностью не более 650 K. Кроме того, вследствие повышения стойкости к разрушению при циклических температурных нагружениях за счет обеспечения равномерного поля температур в теле лопатки (перепад температур имеет место в толщине порядка 1,0 мм) повышается термоциклический ресурс лопатки.

1. Охлаждаемая лопатка газотурбинного двигателя, содержащая полости для подвода охлаждающей среды, порошкообразный неметаллический пористый материал и металлический материал, отличающаяся тем, что лопатка выполнена по технологии послойного лазерного спекания в формате 3D порошкообразных материалов, содержащих в каждом слое неметаллический пористый проницаемый материал, армированный металлическим материалом, образующим периодическую структуру кубической формы до получения заданного профиля лопатки, при этом внешний слой поверхности лопатки, контактирующий с высокотемпературным набегающим потоком продуктов сгорания, выполнен из неметаллического пористого проницаемого материала толщиной не более стороны периодической структуры кубической формы.

2. Охлаждаемая лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве неметаллического пористого проницаемого материала используют диоксид циркония.

3. Охлаждаемая лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве металлического материала для образования периодической структуры кубической формы используют коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные стали и сплавы.

www.findpatent.ru

Лопатка газотурбинного двигателя, лопатка турбины турбореактивного двигателя, турбины и газотурбинный двигатель

Лопатка газотурбинного двигателя имеет в свободном конце концевую перегородку, из которой выступает реборда. Реборда содержит первый участок, начинающийся в области задней кромки лопатки и продолжающийся вдоль верхней поверхности лопатки вплоть до зоны сопряжения, а также второй участок, имеющий замкнутый контур и сопряженный с первым участком на уровне указанной зоны сопряжения. Второй участок является продолжением первого участка, располагается вдоль верхней поверхности лопатки, а затем вдоль ребра атаки лопатки и соединяется с зоной сопряжения. Изобретение направлено на улучшение производительности турбомашины. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение касается лопатки газотурбинного двигателя, в свободном конце которой имеется концевая перегородка, из которой выступает реборда. Речь может идти, например, о лопатке ротора турбины или компрессора турбореактивного двигателя.

На фиг.1 и 2 представлен свободный конец лопатки 1 ротора турбины известного типа. Эта лопатка имеет на своем свободном конце 3 углубление или емкость 2, ограниченную концевой перегородкой лопатки 8 и ребордой 9, имеющей замкнутый контур и выступающей по всей периферии этой перегородки. Эта реборда располагается вдоль верхней поверхности 4 лопатки, ребра атаки 6, нижней поверхности 5 лопатки и задней кромки 7 лопатки.

Когда лопатки 1 смонтированы внутри турбореактивного двигателя, они окружены кольцом 30, представленным на фиг.2. При этом реборда 9 предохраняет от трения с кольцом 30 концевую перегородку лопатки 8. Кроме того, указанная реборда позволяет оптимизировать зазор J между свободным концом 3 лопатки и кольцом 30, таким образом, чтобы ограничить возможность прохождения газа в этом месте.

Аэродинамическая концепция лопатки турбины обуславливает необходимость того, чтобы расстояние между ребром атаки лопатки и ее задней кромкой было бы по величине большим со стороны верхней поверхности лопатки, нежели с ее нижней поверхности.

Ввиду того, что газы, проходящие со стороны верхней поверхности лопатки, вынуждены проходить большее расстояние по сравнению с газами, проходящими со стороны нижней поверхности лопатки, газы приобретают и сравнительно большую по величине скорость. По этой причине газы оказывают на верхнюю поверхность лопатки меньшее давление по сравнению с тем давлением, которое оказывают газы на нижнюю поверхность лопатки.

Указанный градиент давления объясняет и факт просачивания некоторого объема газа F в зазор J между ребордой 9 и кольцом 30, причем эти газы перемещаются в направлении от нижней поверхности лопатки к верхней поверхности лопатки. Это явление вредно сказывается на производительности турбины, так как газы F не участвуют во вращении ротора.

Задачей настоящего изобретения является ограничение объема газов F, проходящих в направлении от нижней поверхности лопатки к верхней поверхности лопатки, для улучшения производительности турбомашины.

Для решения этой задачи предложена лопатка турбомашины, в свободном конце которой предусмотрена концевая перегородка, из которой выступает реборда, отличающаяся тем, что указанная реборда содержит первый участок, начинающийся в области задней кромки лопатки и продолжающийся вдоль верхней поверхности лопатки вплоть до зоны сопряжения, а также второй участок, имеющий замкнутый контур и сопряженный с первым участком на уровне указанной зоны сопряжения, при этом второй участок является продолжением первого участка и располагается вдоль верхней поверхности лопатки, а затем вдоль ребра атаки лопатки, и затем соединяется с зоной сопряжения.

Предлагаемое изобретение направлено на увеличение расстояния, которое должны пройти газы, циркулирующие со стороны нижней поверхности лопатки вдоль указанной выше реборды. Эти газы в дальнейшем называются “газами нижней поверхности лопатки”.

Газы нижней поверхности лопатки протекают вдоль части указанного выше второго участка, расположенной между ребром атаки и зоной сопряжения, а также проходят вдоль указанного выше первого участка. Расстояние, которое проходят газы со стороны нижней поверхности лопатки, будет, таким образом, более значительным, по сравнению с расстоянием, которое они проходят в случае лопатки, типа представленной на фиг.1 и 2.

Скорость истечения указанных газов будет, таким образом, более высокой, а статическое давление, оказываемое ими на реборду со стороны нижней поверхности лопатки более низким. Вместе с тем, статическое давление, оказываемое газами верхней поверхности лопатки, окажется таким же, как и в случае лопатки, типа представленной на фиг.1 и 2, так как расстояние, преодолеваемое указанными газами при их прохождении вдоль реборды со стороны верхней поверхности лопатки остается прежним.

Удается достичь, таким образом, снижения величины градиента статического давления, оказываемого газами нижней поверхности лопатки и верхней поверхности лопатки на реборду, что приводит в свою очередь к снижению объема газов, проходящих в зазоре между указанной ребордой и кольцом, ее окружающим.

Предлагаемое изобретение и его преимущества станут более понятными после ознакомления с приведенным ниже описанием, иллюстрируемым фигурами, в числе которых:

Фиг.1 представляет общий вид одного из известных типов лопаток;

Фиг.2 - разрез в плоскости II-II;

Фиг.3 - общий вид, иллюстрирующий первый пример лопатки согласно предлагаемому изобретению;

Фиг.4 - разрез в плоскости IV-IV фиг.3 ; и

Фиг.5 - общий вид, иллюстрирующий второй пример лопатки согласно предлагаемому изобретению.

Примеры лопаток 11, представленные на фиг. с 3 по 5, соответствуют лопаткам ротора турбины высокого давления турбореактивного двигателя. Каждая лопатка 11 имеет ножку 12 и расположенный на противоположном ей конце свободный конец 13. Лопатка 11 выполнена пустотелой, причем материал из нее удален таким образом, чтобы обеспечивалась возможность охлаждения ее внутренней части с помощью холодного воздуха. После монтажа лопатки 11 внутри турбореактивного двигателя она оказывается окруженной кольцом 30, которое можно увидеть на фиг.4.

Лопатка 11 имеет аэродинамический профиль: она имеет закругленное переднее ребро (или ребро атаки 16) и ее толщина уменьшается в направлении заднего ребра (или задней кромки 17). Указанная лопатка имеет также две расположенные друг напротив друга боковые поверхности: верхнюю выпуклую боковую поверхность 14 и нижнюю вогнутую боковую поверхность 15.

Свободный конец 13 лопатки включает в себя концевую перегородку 18 лопатки, которая располагается по всему краю последней и из которой выступает реборда 19. Указанная реборда состоит из двух участков 20 и 21.

Первый участок 20 реборды начинается у задней кромки 17 и проходит вдоль верхней поверхности лопатки 14, доходя до зоны сопряжения 22. Указанная зона сопряжения 22 представляет собой зону реборды 19, расположенную на периферии концевой перегородки лопатки 18, со стороны верхней поверхности лопатки, между ребром атаки 16 и задней кромкой 17.

В состав второго участка 21 реборды входят как минимум три сегмента:

- верхний сегмент 21а, который начинается в зоне сопряжения 22, продлевает собой первый участок 20 и проходит вдоль верхней боковой поверхности 14 лопатки;

- сегмент атаки 21b, который продлевает собой верхний сегмент 21а и проходит вдоль ребра атаки 16 лопатки; и, наконец,

- сегмент сопряжения 21с, который начинается у ребра атаки 16 или нижней вогнутой боковой поверхности 15 лопатки и простирается вплоть до зоны сопряжения 22.

На примере, представленном на фиг.3, второй участок 21 реборды 19 состоит исключительно из трех сегментов 21а, 21b и 21с, причем сегмент сопряжения 21с продлевает собой сегмент атаки 21b.

На примере, представленном на фиг.5, второй участок 21 реборды включает в себя четвертый сегмент, называемый нижним сегментом 21d, который располагается вдоль части нижней боковой поверхности лопатки 15. Указанный нижний сегмент 21d продлевает собой сегмент атаки 21b и в свою очередь сам продлевается сегментом сопряжения 21с.

Первый участок 20 реборды 19, верхний сегмент 21а, сегмент атаки 21b и возможный нижний сегмент 21d располагаются вдоль периферии концевой перегородки 17 лопатки. Ввиду того, что указанная периферия имеет, как правило, криволинейную поверхность, эти части реборды 19 также имеют криволинейную поверхность. Преимуществом рассматриваемого изобретения является то, что с целью придания реборде 19 аэродинамического профиля, сегменту сопряжения 21с также придается криволинейная поверхность.

В примере, представленном на фиг.3, как и в примере, изображенном на фиг.5, второй участок 21 реборды 19 образует замкнутый контур, который формирует совместно с концевой перегородкой 18 лопатки емкость 24, размер которой ограничен по сравнению с емкостями, известными из уровня техники.

Как уже было показано выше, предлагаемое изобретение позволяет увеличить скорость перемещения газов нижней поверхности лопатки вдоль реборды 19 за счет увеличения длины пробега последних. Перед тем как достигнуть задней кромки лопатки, газы нижней поверхности последней циркулируют вдоль части сегмента атаки 21b, вдоль возможного нижнего сегмента 21d, вдоль сегмента сопряжения 21с и вдоль первого участка 20 реборды 19.

Преимуществом рассматриваемого изобретения является то, что для увеличения длины пробега указанных газов нижней поверхности лопатки увеличивают длину первого участка 20 реборды 19. С этой целью расстояние, отделяющее зону сопряжения 22 от грани атаки 16, измеренное вдоль верхней боковой поверхности 14, делают меньшим по сравнению с расстоянием, отделяющим зону 22 от задней кромки 17, также измеренным вдоль верхней боковой поверхности лопатки 14.

В связи с тем, что предлагаемое изобретение направлено на увеличение скорости истечения газов нижней поверхности лопатки вдоль реборды 19, следует обеспечить соответствующее направление этих газов и ограничить возможность возникновения турбулентности в процессе их истечения. С этой целью сегмент сопряжения 21с играет важную роль, так как он обеспечивает направление газов в сторону первого участка 20 реборды 19.

Преимуществом рассматриваемого изобретения является то, что зона стыка между сегментом сопряжения 21с и первым участком 20 реборды имеет, в целях исключения возможности создания турбулентностей в процессе истечения газов нижней поверхности в указанном месте, криволинейную поверхность. Эта зона стыка соответствует той части зоны сопряжения 22, которая повернута в сторону нижней боковой поверхности 15.

Еще одним преимуществом рассматриваемого изобретения является то, что в целях обеспечения наилучшего направления газов и с целью создания для газов нижней поверхности лопатки достаточной длины пробега вдоль реборды 19, сегмент сопряжения 21с и первый участок 20 реборды 19 образуют совместную криволинейную поверхность, выпуклую в направлении верхней боковой поверхности лопатки.

Таким образом, в примере, представленном на фиг.3, замкнутый контур емкости 24, реализованный с помощью второго участка 21 реборды 19, имеет общую форму выпукло-вогнутой лунки, у которой округленный первый край располагается вдоль ребра атаки 16 лопатки, а второй край расположен на уровне зоны сопряжения 22.

1. Лопатка газотурбинного двигателя, в свободном конце (13) которой имеется концевая перегородка (18), из которой выступает реборда (19), отличающаяся тем, что указанная реборда содержит первый участок (20), начинающийся в области задней кромки (17) лопатки и продолжающийся вдоль верхней поверхности (14) лопатки вплоть до зоны сопряжения (22), а также второй участок (21), имеющий замкнутый контур и сопряженный с первым участком (20) на уровне указанной зоны сопряжения (22), при этом второй участок (21) является продолжением первого участка (20), располагается вдоль верхней поверхности (14) лопатки, а затем вдоль ребра атаки (16) лопатки, и соединяется с зоной сопряжения (22).

2. Лопатка по п.1 формулы изобретения, отличающаяся тем, что второй участок (21) реборды включает в себя верхний сегмент (21а), который располагается вдоль верхней боковой поверхности лопатки, сегмент атаки (21b), идущий вдоль ребра атаки (16) лопатки, а также сегмент сопряжения (21 с), проходящий от ребра атаки (16) или нижней боковой поверхности (15) лопатки вплоть до зоны сопряжения (22), расположенной на верхней боковой поверхности (14) лопатки.

3. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что второй участок (21) реборды включает в себя также расположенный между сегментом атаки (21а) и сегментом сопряжения (21с) нижний сегмент (21d), который располагается вдоль части нижней боковой поверхности (15) лопатки.

4. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что расстояние, отделяющее зону сопряжения (22) от ребра атаки (16), измеренное вдоль верхней боковой поверхности (14), меньше расстояния, отделяющего зону (22) от задней кромки (17), также измеренного вдоль верхней боковой поверхности лопатки (14).

5. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что сегмент сопряжения (21 с) имеет криволинейную поверхность.

6. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что зона стыка между сегментом сопряжения (21с) и первым участком (20) реборды (19) имеет криволинейную поверхность.

7. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что сегмент сопряжения (21 с) и первый участок (20) реборды образуют совместно криволинейную поверхность, выпуклую в направлении верхней боковой поверхности (14) лопатки.

8. Лопатка турбины турбореактивного двигателя по любому из пп.1-7.

9. Турбина, содержащая лопатку по любому из пп.1-7.

10. Газотурбинный двигатель, содержащий лопатку по любому из пп.1-7.

www.findpatent.ru

Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей

Изобретение относится к авиационным газотурбинным двигателям (ГТД), в частности к способам изготовления компрессорных лопаток и лопаток направляющих аппаратов. Сущность способа заключается в вальцевании заготовки с односторонней выпуклой поверхностью в продольном направлении и в виде сегмента - в поперечном сечении. Для лопаток с постоянным профилем пера по длине одностороннюю выпуклую поверхность выполняют в виде цилиндрической поверхности, а для лопаток с переменным профилем пера по длине - в виде конической поверхности. Профиль заготовки лопатки каждого из поперечных сечений аппроксимируют дугой окружности, проходящей через три опорные точки, крайние из которых располагают в кромочных областях заготовки, а третью - в промежутке между ними. Радиус упомянутой дуги окружности выбирают из условия обеспечения минимальной разности скоростей течения металла из очага деформации по противоположным сторонам от центра масс поперечного сечения в направлении оси вальцуемой заготовки. Обеспечиваются высокое качество лопаток и надежность процесса вальцевания. 14 ил.

 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к способам изготовления компрессорных лопаток и лопаток направляющих аппаратов авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).

Известен способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей, включающий в себя изготовление заготовки с выпуклой поверхностью спинки в поперечном сечении заготовки, вальцовку, вырубку контура и финишную обработку по которому выпуклую поверхность заготовки в продольном направлении выполняют в виде, как минимум, двух цилиндрических или конических поверхностей, линии, сопряжения которых являются общей образующей этих поверхностей, расположенной в пределах поля допуска по толщине заготовки, а противоположную поверхность заготовки в поперечном ее сечении выполняют вогнутой с радиусом окружности, описывающей прикомлевое сечение заготовки, причем в продольном направлении вогнутую поверхность выполняют в виде цилиндрических или конических поверхностей, линии, сопряжения которых также являются общей образующей этих поверхностей, расположенной в пределах поля допуска по толщине заготовки, при этом для лопаток с постоянным профилем по длине заготовки выпуклую и вогнутую поверхности в продольном направлении выполняют в виде цилиндрических поверхностей, или для лопаток с переменным профилем по длине заготовки выпуклую и вогнутую поверхности в продольном направлении выполняют в виде конических поверхностей, или для лопаток с переменным профилем по длине заготовки выпуклую поверхность в продольном направлении выполняют в виде цилиндрических поверхностей, а вогнутую поверхность заготовки выполняют в виде конической поверхности (Патент РФ №2013179, МПК В21Н 7/16).

Недостатком способа является высокая трудоемкость изготовления заготовки лопатки, вызванная геометрической формой пера описываемого несколькими цилиндрическими, коническими поверхностями и их комбинацией, и требующая при обработке резанием выполнения нескольких операций с привлечением специальных приспособлений, обеспечивающих выполнение на заготовке лопатки заданного профиля.

Известен также способ изготовления лопаток газотурбинного двигателя, по которому заготовку под вальцевание получают с односторонней выпуклой поверхностью в продольном направлении, а в поперечном сечении - в виде сегмента, причем для лопаток с постоянным профилем пера по длине одностороннюю выпуклую поверхность выполняют в виде цилиндрической поверхности, а для лопаток с переменным профилем пера по длине - в виде конической поверхности (А.с. №1517217, МПК В21Н 7/16).

Недостатки известного способа заключаются в следующем. При проектировании заготовки лопатки для вальцевания аппроксимацию выпуклого профиля спинки поперечного сечения пера выполняют дугой окружности, проходящей через три опорные точки. При этом выбор положения промежуточной опорной точки осуществляют в районе максимальной толщины сечения лопатки, например в максимальной по толщине зоне сечения, без учета геометрической формы «выпрямленного» сечения и распределения степеней пластической деформации относительно центра масс сечения при его вальцевании. При существенной разнице суммарных степеней деформаций по ширине сечения справа и слева от его центра масс при вальцевании наблюдается возникновение таких браковочных признаков, как гофрирование кромок вальцуемой лопатки и «серпение» (изгиб в плоскости вальцевания) пера заготовки, вызываемых градиентом скоростей течения металла по ширине сечения. При этом о качестве и пригодности спроектированной заготовки лопатки под вальцевание судят по результатам опытных работ, при необходимости многократно корректируя профиль спроектированной заготовки, в связи с чем известный способ не учитывает особенности профиля изготавливаемой лопатки, а единый подход к проектированию заготовок для разных типов лопаток приводит к повышению трудоемкости отработки и внедрения процесса вальцевания лопаток в производство.

Изобретением решается задача повышения качества лопаток и надежности процесса их вальцевания.

Для этого в способе изготовления лопаток газотурбинного двигателя, включающем вальцевание заготовки с односторонней выпуклой поверхностью в продольном направлении, а в поперечном сечении - в виде сегмента, причем для лопаток с постоянным профилем пера по длине одностороннюю выпуклую поверхность выполняют в виде цилиндрической поверхности, а для лопаток с переменным профилем пера по длине - в виде конической поверхности, профиль заготовки лопатки каждого из поперечных сечений аппроксимируют дугой окружности, проходящей через три опорные точки, крайние из которых располагают в кромочных областях заготовки, а третью - в промежутке между ними, при этом радиус упомянутой дуги окружности выбирают из условия обеспечения минимальной разности скоростей течения металла из очага деформации по противоположным сторонам от центра масс поперечного сечения в направлении оси вальцуемой заготовки.

На чертежах изображено:

Фиг.1 - чертеж беззамковой лопатки авиационного двигателя: фиг.1,а - главный вид; фиг.1,б - вид по стрелке А фиг.1,а;

Фиг.2 - вид лопатки по стрелке А фиг.1,а после раскрутки профиля пера;

Фиг.3 - сечение раскрученной лопатки аэродинамического профиля;

Фиг.4 - сечение раскрученной лопатки, трансформированное из сечения аэродинамического профиля в сечение сегментоидального1 (1 Сегментоидальный профиль: профиль, ограниченный с одной стороны прямой линией, а с противоположной - кривой (или комбинацией кривых) n-го порядка, пересекающихся с прямой линией.) профиля;

Фиг.5 - расчетная схема к анализу сечения пера сегментоидального профиля: фиг.5,а - схема наложения технологического «пропорционального» припуска под вальцевание сечения пера; фиг.5,б - эпюра степеней пластической деформации при вальцевании сечения;

Фиг.6 - схема вальцевания полосовой заготовки;

Фиг.7 - схема распределения скоростей течения металла на выходе из очага пластической деформации при вальцевании полосовой заготовки с равными степенями пластической деформации по ширине заготовки;

Фиг.8 - схема распределения скоростей течения металла на выходе из очага пластической деформации при вальцевании полосовой заготовки с разными степенями пластической деформации по ширине заготовки;

Фиг.9 - расчетная схема трансформирования выпуклой поверхности сегментоидального сечения заготовки в сечение с сегментообразным профилем: фиг.9,а - расчетная схема аппроксимации выпуклой поверхности сечения заготовки дугой окружности; фиг.9,б - эпюра степеней пластической деформации сегментообразного профиля сечения заготовки при вальцевании;

Фиг.10 - элемент Б фиг.9;

Фиг.11 - схема расчета геометрических параметров приспособления для обработки резанием выпуклой поверхности заготовок лопаток с постоянными по их длине сечениями;

Фиг.12 - расчетная схема проектирования приспособления для обработки резанием «спинки» заготовок для вальцевания лопаток с переменными сечениями по длине;

Фиг.13 - схема приспособления для обработки шлифованием заготовок лопаток с переменными по длине сечениями;

Фиг.14 - сечение И-И фиг.13.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Первоначально разрабатывают чертеж, например, беззамковой лопатки без закрутки профиля. Приняв, например, сечение 1 (фиг.1,a) готовой лопатки 2 за базовое сечение, определяют угол закрутки φi (фиг.1,в) каждого i-го сечения 3 (фиг.1,a) расположенных в плоскости, перпендикулярной оси 4 лопатки, относительно базового сечения 1. Затем поворачивают каждое i-е сечение 3 вокруг своего центра масс 5 (фиг.1,в) относительно базового сечения на угол φi его закрутки, при котором хорда 6 (фиг.2) каждого i-го сечения 3 (фиг.1,a) располагается параллельно хорде базового сечения 1 (фиг.2) в одной плоскости, выполняя тем самым раскрутку лопатки и фиксируя новые значения координат ее профиля в заданной системе координат.

Далее выполняют трансформацию каждого i-го сечения профиля лопатки, показанного на фиг.3, в сегментоидальный профиль.

Для этого контур обрабатываемого сечения (фиг.3) описывают, например, несколькими полиномами n-й степени, затем определяют уравнения касательных и нормалей 7, проходящих через точки, например, принадлежащие спинке сечения, определяют точки пересечения нормалей 7 с кривыми, описывающими профиль корыта сечения, определяют половину длин hi отрезков нормалей 7, заключенных между точками, принадлежащими спинке и корыту сечения (фиксируя координаты отмеченных половин нормалей) и через полученные срединные точки нормалей проводят срединную линию 8, фиксируя ее длину. Затем сравнивают длины срединной линии и хорды обрабатываемого сечения, увеличивая, в общем случае, длину хорды до длины срединной линии. На полученном таким образом отрезке откладывают срединные точки выпрямленной линии 8 и проводят через них перпендикуляры 9 (фиг.4), на которых от линии 8 откладывают отрезки величиной hi. Через точки, принадлежащие концам отрезков, проводят кривую, например, в виде полинома или отрезков нескольких полиномов, обеспечивая их сопряжение с радиусами входной и выходной кромок и выпрямленной линией 8. В идеальном случае площадь, очерченная образованным контуром, должна быть равна площади исходного обрабатываемого i-го сечения. Сравнивая указанные площади, принимают решение о качестве выполненной операции по трансформированию аэродинамического профиля сечения пера лопатки в сегментоидальный профиль.

Затем на сегментоидальный профиль каждого i-го сечения накладывают пропорциональный припуск 10 (фиг.5,а), характеризуемый, например, равными степенями логарифмических деформаций (ε) в каждой точке сечения при его вальцевании в соответствии с выражением

,

где hiЗАГ, hiДЕТ - толщины заготовки и лопатки соответственно в сечениях Б-Б, проходящих параллельно оси Y через любую из точек, принадлежащих контуру сегментоидального i-го сечения. При этом величину ε выбирают минимальной из допускаемого интервала степеней деформации материала лопатки при вальцевании. В результате описанной операции создают контур 11 каждого i-го сечения сегментоидальной заготовки.

Очевидно, что при вальцевании такого профиля заготовки эпюра степеней деформаций ε, построенная в ортогональных координатах ε и L, где L - расстояние между крайними точками i-го сечения заготовки с пропорциональным припуском (фиг.5,а), будет ограничена прямой 12 (фиг.5,б).

При изготовлении рассматриваемого сечения заготовки штамповкой примем, что допускаемая величина недоштамповки (иначе: величина допускаемого зазора между верхней и нижней половинами штампа при штамповке) является величиной постоянной и равной верхней границе допускаемого диапазона степеней деформации материала заготовки при вальцовке. В этом случае контур i-го сечения сегментоидальной заготовки будет ограничен кривой 13 (фиг.5,а), а эпюра степеней деформаций (фиг.5,б) - прямой 14.

При вальцевании такой идеальной заготовки вследствие равных степеней пластических деформаций каждого сечения Б-Б (фиг.5,а) обеспечиваются равные скорости течения материала на выходе из очага пластической деформации по всей длине L контура сечения заготовки, предотвращая тем самым образование гофр в кромочных зонах вальцуемой лопатки, а также «серпения» или «саблевидности» вальцуемой заготовки.

(Отмеченное обстоятельство объясняется тем, что при вальцевании заготовки 15 (фиг.6), имеющей сечение, например, в виде прямоугольника, вращающимися цилиндрическими валками 16 и 17 из условия постоянства объема металла, поступающего в очаг деформации 18 и вытекающего из него, следует

или или ,

где V0, V1 - скорости течения металла на входе и выходе из очага пластической деформации соответственно; t0, t1 - толщины полосы перед и после очага пластической деформации соответственно; ε - логарифмическая степень пластической деформации заготовки. При равенстве степеней деформации ε по ширине вальцуемой заготовки, скорости V1 (фиг.7) вытекания металла из очага пластической деформации постоянны, обеспечивая тем самым прямолинейность вальцуемой заготовки на выходе из очага пластической деформации.

При разных степенях пластической деформации по ширине вальцуемой полосы 15 (фиг.8) вследствие переменой толщины полосы перед ее входом в очаг пластической деформации, например h2<h3, скорости выхода металла V1 из очага пластической деформации различны, вызывая, как следствие, искривление вальцуемой полосы. Этот дефект при вальцевании лопаток идентифицируется как «серпение» или «саблевидность»).

На следующем этапе проектирования заготовки выполняют операцию по аппроксимированию контура спинки каждого i-го сечения заготовки дугой окружности. При этом, учитывая, что кромки лопатки являются наиболее нагруженными зонами в процессе ее эксплуатации, а стабильность свойств изготавливаемых холодной вальцовкой лопаток лимитируется величиной допуска на изготовление кромочных областей заготовки, влияющего, в частности, на стабильность запаса пластичности материала в кромочных областях лопатки, в этих кромочных зонах выбирают две опорные точки М и N (фиг.9,а). При выборе положения точек целесообразно поместить их на линиях 19 и 20, являющихся перпендикулярами к прямолинейному корыту заготовки и проходящих через кромочные зоны выпрямленного сечения лопатки 2, например через центры радиусов кромок лопатки (не показано). Таким образом, устанавливают положение опорных точек М и N в направлении оси X.

В направлении оси Y опорные точки М и N располагают на отрезке Δ (показано для левой кромочной области i-го сечения заготовки), ограниченном линиями 11 и 13. Установление ординат точек М и N, а также параметров окружности, описывающей спинку заготовки, выполняют за несколько последовательных приемов. В общем случае их помещают, например, на отрезках 19 и 20. Третья опорная точка Р может находиться, в общем случае, в любой точке области, ограниченной кривыми 11 и 13 и прямыми 19 и 20. Затем через три точки М, Р и N проводят окружность 21, имеющую радиус Ri. При этом возможны три случая прохождения дуги окружности. В первом случае дуга окружности может пересечься с кривой 13 на участке, ограниченном прямыми линиями 19 и 20. Во втором случае дуга окружности может пересечься с кривой 11. Эти случаи положения опорных точек целесообразно исключить. В третьем случае - дуга окружности пройдет через область, ограниченную кривыми 11, 13 и прямыми 19 и 20, не пересекаясь с кривыми 11 и 13. Этот случай подвергается дальнейшему анализу.

При этом, принимая, что спинка заготовки выполнена в виде дуги окружности 21 (фиг.10), проходящей через опорные точки, определяют, например логарифмические степени пластической деформации (ε) в сечениях, перпендикулярных плоскости чертежа и параллельных оси Y в виде

.

Затем строят эпюры деформаций ε=f(L) (фиг.9,б) для левой, относительно оси Y, части сечения пера - эпюра 22 и правой части - эпюра 23. Далее определяют площади эпюр 22 и 23, определяют величину отношения площадей эпюр 22 и 23 в виде коэффициента К. При этом коэффициент К для идеального случая (при пропорциональном распределении припуска под вальцевание пера) имеет фиксированную величину Кидеал для каждого i-го сечения. Очевидно, что при Кидеал реализуется идеальный случай, характеризуемый равенством скоростей течения материала по обе стороны от оси Y сечения.

На следующем этапе, варьируя положением опорных точек М, Р и N (фиг.9,а) по определенной зависимости, например, зафиксировав точку Р и сдвигая точки М и N вдоль прямых 19 и 20 с определенным шагом (или иной зависимости, например, варьируя величиной припуска, условно приходящегося на спинку сечения), проводят через новые положения опорных точек новые окружности 21, определяют логарифмические степени деформации, строят эпюры деформаций для левой и правой частей обрабатываемого сечения и определяют коэффициент К. Затем из множества значений коэффициента К определяют наиболее близкий по величине к коэффициенту Кидеал, принимая параметры окружности 21 для данного случая как итоговые. При этом целесообразно абсциссы координат точки «О» расположить в одной плоскости. Далее точками «а, 6, в, г» обозначают контур принятого сечения заготовки. Характерной особенностью выделенного сечения является обеспечение минимальной разности скоростей течения металла при его вальцевании на выходе из очага пластической деформации.

Указанный алгоритм аппроксимации сечения лопатки дугами окружностей выполняют для каждого из расчетных сечений 3 (фиг.1) лопатки 2. При этом пропорционально степени пластической деформации сечений лопатки, с учетом закона постоянства объема, определяют новые, сближенные друг к другу расстояния между сечениями заготовки вдоль оси вальцевания, проходящей через центры масс 5 сечений лопатки (фиг.9). Характер изменения припуска между сечениями вдоль оси заготовки целесообразно принять линейным.

Таким образом, аппроксимировав сцинки сечений лопатки дугами окружностей, а корыто сечений - прямой линией, с обеспечением минимальной разности скоростей течения металла заготовки из очага пластической деформации вдоль корыта по обе стороны от центра масс сечений лопатки, удается свести к минимуму вероятность возникновения «серпения» или «саблевидности» при вальцевании заготовки.

Реализация способа изготовления лопаток осуществляется с помощью устройства для профилирования спинки заготовки лопатки в виде цилиндрической (для лопаток, имеющих постоянные сечения по длине пера) или конической поверхности (для лопаток, имеющих переменные сечения по длине пера). Для этого, например, в увеличенном масштабе прочерчивают продольное сечение заготовки лопатки плоскостью, перпендикулярной плоской спинке заготовки и проходящей через центры окружностей, образующих профиль спинки, например, наиболее удаленных друг от друга сечений. Центры окружностей промежуточных сечений при этом могут находиться или в данной плоскости или иметь смещения от нее на некоторое расстояние, в общем случае, по обе стороны от плоскости. Во втором случае положение секущей плоскости корректируют, например, минимизируя сумму расстояний центров окружностей от секущей плоскости, нарушая при этом перпендикулярность секущей плоскости по отношению к плоскости, в которой расположено корыто заготовки лопатки. Указанную операцию удобно выполнить, например в системе компьютерного объемного проектирования, например, Unigraphics NX.

Далее для заготовок, выпуклая поверхность которых имеет постоянные вдоль оси лопатки сечения и описывается цилиндрической поверхностью, вычерчивают продольное сечение заготовки 24 (фиг.11), проходящее через центры радиусов Ri. Затем на расстоянии, равном Ri, проводят прямую 25, являющеюся осью вращения проектируемого приспособления для выполнения спинки заготовки 24 в виде цилиндрической поверхности, например шлифованием. В данном случае приспособление для шлифования заготовок представляет собой многогранную призму (не показано). Для заготовок, выпуклая поверхность которых образована переменными по длине лопатки сечениями, аналогично вычерчивают продольное сечение заготовки 26 (фиг.12), проходящее через центры радиусов Ri. Выбирают на образующей «спинки» заготовки точки Е и Ж, лежащие в базовом и наиболее удаленном от базового сечении. Через выбранные точки проводят прямые, перпендикулярные образующей «спинки» заготовки, на которых в сторону корыта из точек Е и Ж откладывают величины радиусов Ri и Rin, аппроксимирующих профиль заготовки в данных сечениях дугами окружностей. Соединив прямой ГД центры радиусов и зная разницу между радиусами и расстояние между их центрами, определяют угол α наклона образующей конической поверхности, по которой необходимо обработать поверхность спинки заготовки. При этом прямая ГД является осью вращения проектируемого приспособления. Приспособление включает в себя корпус 28 (фиг.13) в виде конуса с несколькими плоскими площадками 29 (фиг.14), на которых базируются и закрепляются заготовки 30 (фиг.13, 14). Обработка выпуклой поверхности заготовок лопаток 30 может быть выполнена, например, на универсальном круглошлифовальном станке абразивным кругом 31 (фиг.13) с высокой точностью, характерной для процесса шлифования.

Предлагаемый способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей позволяет повысить надежность процесса вальцевания и качество лопаток газотурбинных двигателей.

Способ изготовления лопаток газотурбинного двигателя, включающий вальцевание заготовки с односторонней выпуклой поверхностью в продольном направлении, а в поперечном сечении - в виде сегмента, причем для лопаток с постоянным профилем пера по длине одностороннюю выпуклую поверхность выполняют в виде цилиндрической поверхности, а для лопаток с переменным профилем пера по длине - в виде конической поверхности, отличающийся тем, что профиль заготовки лопатки каждого из поперечных сечений аппроксимируют дугой окружности, проходящей через три опорные точки, крайние из которых располагают в кромочных областях заготовки, а третью - в промежутке между ними, при этом радиус упомянутой дуги окружности выбирают из условия обеспечения минимальной разности скоростей течения металла из очага деформации по противоположным сторонам от центра масс поперечного сечения в направлении оси вальцуемой заготовки.

www.findpatent.ru

ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ВЫПОЛНЕННАЯ ЛИТЬЕМ, И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, ТУРБИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКУЮ ЛОПАТКУ, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Настоящее изобретение касается металлической лопатки, изготовленной литьем, и способа ее изготовления.

Газотурбинный двигатель, например турбореактивный двигатель, содержит вентилятор, одну или несколько ступеней компрессора, камеру сгорания, одну или несколько ступеней турбины и сопло. Газы приводятся в движение роторами вентилятора, компрессора и турбины, благодаря наличию радиальных лопаток, закрепленных на периферии роторов.

Понятия внутреннего, наружного, радиального, переднего или заднего положения или расположения следует рассматривать по отношению к главной оси газотурбинного двигателя и к направлению потока газов в этом двигателе.

Подвижная лопатка турбины содержит ножку, которой ее крепят к диску ротора, площадку, образующую элемент внутренней стенки, ограничивающей газовоздушный тракт, и перо, которое расположено в основном вдоль радиальной оси и обдувается газами. В зависимости от двигателя и ступени турбины на своем конце, удаленном от ножки, лопатка заканчивается элементом, поперечным к основной (главной) оси пера, называемым пяткой, которая образует элемент наружной стенки, ограничивающей газовоздушный тракт.

На наружной поверхности пятки выполнены одна или несколько радиальных пластинок или гребешков, образующих вместе с находящейся напротив стенкой статора лабиринтную прокладку, обеспечивающую герметичность по отношению к газам; для этого, как правило, упомянутую стенку статора выполняют в виде кольца из истираемого материала, об которое трутся пластинки. Пластинки содержат переднюю сторону и заднюю сторону, расположенные поперечно к газовому потоку.

Лопатка может быть моноблочной, то есть ножка, площадка, перо и пятка выполнены в виде единой детали. Лопатку выполняют способом литья, называемым «литьем по выплавляемым моделям» и хорошо известным специалистам. В этом способе:

- предварительно из воска выполняют модель лопатки;

- модель погружают в огнеупорный керамический шликер, который после обжига образует оболочку;

- воск расплавляют и удаляют, что позволяет получить «оболочковую форму» из огнеупорного материала, внутренний объем которой определяет форму лопатки;

- в оболочковую форму заливают расплавленный металл, при этом несколько оболочковых форм объединяют в блок для одновременного разлива металла;

- оболочковую форму разбивают, что позволяет получить металлическую лопатку.

В точках заливки металла в форму на отливаемой в форме металлической лопатке образуются металлические наросты относительно большой толщины, которые необходимо подвергнуть механической обработке после формования лопатки. Как правило, заливку металла производят на уровне пятки лопатки. Диаметр канала заливки и, следовательно, образующегося впоследствии нароста является значительным, причем заливка происходит вблизи пластинок лабиринтной прокладки, которые имеют небольшую толщину; в результате, если предусмотрена только одна точка заливки, происходит плохое распределение металла в оболочковой форме, и возникают проблемы пористости лопатки, в частности, на уровне ее пластинок.

Эту проблему можно решить, предусмотрев два входа заливки, при этом соответственно уменьшается диаметр каналов заливки. Таким образом, вместо одного канала заливки большого диаметра получают два канала заливки меньшего диаметра, удаленные друг от друга, что обеспечивает лучшее распределение металла и позволяет избежать проблем пористости.

Тем не менее желательно решать указанные проблемы пористости, сохраняя только одну точку заливки.

В этой связи объектом изобретения является лопатка газотурбинного двигателя, выполненная литьем, содержащая перо, на конце которого находится пятка, выполненная в виде единой детали с пером, с которым она соединяется на уровне зоны сопряжения, при этом пятка содержит площадку, на которой выполняют, по меньшей мере, одну уплотнительную пластинку, а в площадке выполняют первую ванночку, отличающаяся тем, что в первой ванночке на уровне зоны сопряжения между пером и пяткой выполняют вторую ванночку.

Наличие одной ванночки в другой ванночке на уровне зоны сопряжения между пером и пяткой позволяет избежать слишком большого утолщения в этой зоне и во время формования лопатки литьем обеспечивает лучшее распределение жидкого металла в форме. Улучшенное распределение жидкого металла в форме позволяет применять способ формования литьем с единственной точкой заливки металла. Преимуществом изготовления лопатки с одной точкой заливки является исключительная простота оболочковой формы и, в случае необходимости, блока оболочковых форм; стоимость изготовления лопаток снижается, тогда как их качество повышается.

Кроме того, оптимизируется количество материала на уровне пятки, что снижает массу и стоимость лопатки.

Кроме того, оптимизируются механические напряжения на пятку и/или на перо, и они лучше поглощаются лопаткой, поскольку достигается лучшее распределение массы.

Предпочтительно, чтобы первая ванночка была ограничена радиальными поверхностями и дном и вторая ванночка была выполнена в дне первой ванночки.

Предпочтительно также, чтобы вторая ванночка была выполнена по главной оси лопатки напротив зоны сопряжения между пяткой и пером.

Целесообразно, чтобы перо лопатки было образовано сплошной стенкой и содержало в зоне сопряжения изогнутые поверхности, вторая ванночка содержала изогнутые радиальные поверхности и поверхность дна и чтобы при этом изогнутые радиальные поверхности второй ванночки были расположены по существу параллельно изогнутым поверхностям пера в зоне сопряжения, что обеспечивает по существу постоянную толщину лопатки в зоне сопряжения.

Объектом изобретения является также турбина, содержащая, по меньшей мере, одну лопатку в соответствии с настоящим изобретением.

Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одну турбину в соответствии с настоящим изобретением.

Объектом изобретения является также способ изготовления лопатки газотурбинного двигателя, содержащий следующие этапы:

- выполняют восковую модель лопатки, содержащую перо, на конце которого выполняют пятку, образующую единую деталь с пером, с которым она соединяется на уровне зоны сопряжения, при этом пятка содержит площадку, на которой выполняют, по меньшей мере, одну уплотнительную пластинку, при этом в площадке выполняют первую ванночку, в первой ванночке на уровне зоны сопряжения между пером и пяткой выполняют вторую ванночку,

- лопатку из воска погружают в огнеупорный шликер,

- выполняют оболочковую форму из огнеупорного материала,

- в оболочковую форму через единственный вход заливки заливают расплавленный металл,

- оболочковую форму разбивают и получают лопатку.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения лопатки в соответствии с настоящим изобретением и способа ее изготовления со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 изображает схематичный вид сбоку лопатки турбины в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 - вид в изометрии спереди наружной стороны пятки лопатки.

Фиг. 3 - вид в разрезе лопатки по плоскости III-III фиг. 1.

Фиг. 4 - вид в изометрии сбоку наружной стороны пятки лопатки.

Как показано на фиг. 1, лопатка 1 в соответствии с настоящим изобретением выполнена в основном по главной оси А, которая является по существу радиальной по отношению к оси В газотурбинного двигателя, содержащего лопатку 1. В данном случае речь идет о лопатке турбины турбореактивного двигателя. Лопатка 1 содержит ножку 2, находящуюся с внутренней стороны, площадку 3, перо 4 и пятку 5, которая расположена с наружной стороны. Пятка 5 сопрягается с пером 4 в зоне 15 сопряжения. Ножка 2 предназначена для установки в гнезде ротора для крепления на этом роторе. Площадка 3 выполнена между ножкой 2 и пером 4 и содержит поверхность, расположенную поперечно по отношению к оси А лопатки 1, образуя элемент стенки, ограничивающей газовоздушный тракт своей внутренней стороной; указанная стенка образована всеми площадками 3 лопаток 1 рассматриваемой ступени турбины, которые примыкают друг к другу. Перо 4 в основном расположено вдоль главной оси А лопатки 1 и имеет аэродинамическую форму, соответствующую ее назначению, как известно специалистам. Пятка 5 содержит площадку 5а, которая выполнена на наружном конце пера 4 по существу поперечно к главной оси А лопатки 1.

Как показано на фиг. 2 и 4, площадка пятки 5 содержит передний край 6 и задний край 7, направленные поперечно по отношению к газовому потоку (поток проходит в основном параллельно оси В турбореактивного двигателя). Эти два поперечных края, передний 6 и задний 7, соединены двумя боковыми краями 8, 9, которые имеют Z-образный профиль: каждый боковой край 8, 9 содержит два продольных участка (8а, 8b, 9а, 9b соответственно), соединенные между собой участком 8', 9' соответственно, который является по существу поперечным или выполнен, по меньшей мере, под углом по отношению к направлению газового потока. Именно вдоль боковых краев 8, 9 пятка 5 входит в контакт с пятками двух смежных лопаток на роторе. В частности, для амортизации вибраций, которым они подвергаются во время работы, лопатки устанавливают на диске в основном с напряжением кручения вокруг их главной оси А. Пятки 5 выполнены таким образом, чтобы лопатки подвергались напряжению кручения при опоре на соседние лопатки вдоль поперечных участков 8', 9' боковых краев 8, 9.

Начиная от наружной поверхности площадки 5а пятки 5 выполнены радиальные пластинки 10, 11 или гребешки 10, 11, в данном случае в количестве двух; можно также предусмотреть только одну пластинку или более двух пластинок. Каждая пластинка 10, 11 выполнена поперечно к оси В газотурбинного двигателя, начиная от наружной поверхности площадки пятки 5, между двумя противоположными продольными участками (8а, 8b, 9a, 9b) боковых краев 8, 9 пятки 5.

Площадка 5а пятки 5 в основном выполнена под радиальным углом α по отношению к оси В газотурбинного двигателя. Действительно, в турбине сечение газовоздушного тракта увеличивается от входа к выходу, чтобы обеспечивать расширение газов; таким образом, площадка 5а пятки 5 удаляется от оси В газотурбинного двигателя от входа к выходу, при этом ее внутренняя поверхность образует наружную границу газовоздушного тракта.

В площадке 5а пятки 5 выполняют (за счет конфигурации литейной формы) первую ванночку 12. Эта первая ванночка 12 является полостью, образованной периферическими поверхностями 13, образующими бортик, которые выполнены начиная от наружной поверхности площадки 5а и соединяются с поверхностью 14, образуя дно 14 ванночки 12. Периферические поверхности 13 расположены по существу радиально и в данном случае являются изогнутыми с внутренней стороны, образуя сопряжение между наружной поверхностью площадки 5а и поверхностью дна 14 ванночки 12. Эти изогнутые радиальные поверхности 15 в основном расположены параллельно боковым краям 8, 9 и поперечным краям 6, 7 площадки 5а пятки 5, следуя их форме, если смотреть сверху (по главной оси А лопатки 1). Некоторые зоны пятки 5 могут не содержать таких радиальных поверхностей 13, и в этом случае поверхность дна 14 ванночки 12 выходит непосредственно на боковой край (см. край 9а на фиг. 2) (следует отметить, что на фиг. 4 эти зоны не находятся в этом же месте).

Ванночка 12 такого типа уже использовалась в известных лопатках. Ее функцией является облегчение пятки 5 при сохранении ее механических свойств: толщина площадки 5а пятки 5 является значительной вблизи боковых краев 8, 9, боковые поверхности которых, находящиеся в контакте со смежными лопатками, подвергаются сильным напряжениям во время вращения лопатки 1, тогда как центральная часть площадки 5а пятки 5, которая подвергается меньшим напряжениям, выполнена с углублением, образующим первую ванночку 12.

Кроме того, пятка содержит ванночку 16 в первой ванночке 12, в дальнейшем называемую второй ванночкой 16. Вторая ванночка 16 выполнена на уровне зоны 15 сопряжения между пяткой 5 и пером 4. В частности, вторая ванночка выполнена по главной оси А лопатки 1 напротив зоны 15 сопряжения между пяткой 5 и пером 4.

Вторая ванночка 16 представляет собой полость, образованную периферическими поверхностями 17, образующими бортик, которые соединяют поверхность дна 14 первой ванночки 12 с поверхностью 18, образующей дно второй ванночки 16 (и находящейся с внутренней стороны по отношению к поверхности дна 14 первой ванночки 12). Периферические поверхности 17 расположены по существу радиально, в данном случае являются изогнутыми с наружной и внутренней сторон, образуя сопряжение между поверхностью дна 14 первой ванночки 14 и поверхностью дна 18 второй ванночки 16. Эти изогнутые радиальные поверхности 17 являются по существу параллельными поверхностями пера 4, следуя их форме, если смотреть сверху (по главной оси А лопатки 1) (см. фиг. 4).

Вторую ванночку 16 выполняют во время формования литьем (иначе говоря, конфигурации оболочковой формы, позволяющая формовать лопатку 1, адаптирована для формования такой ванночки 16). Лопатку выполняют путем литья по выплавляемым восковым моделям, как было указано выше в описании.

Наличие второй ванночки 16 позволяет избежать чрезмерной толщины в зоне 15 сопряжения между пяткой 5 и пером 4. За счет этого во время заливки металла в оболочковую форму металл распределяется более равномерно, что позволяет избежать образования пористости, даже если металл заливают только в одной точке заливки.

Таким образом, лопатку 1 можно выполнить при помощи способа литья по выплавляемым моделям с единственным входом для заливки жидкого металла для каждой оболочковой формы, и такой способ является более простым и дешевым. Если формы объединены в блоки, способ оказывается еще более простым. Кроме того, за счет заливки в оболочковую форму через единственный вход заливки изготовленная лопатка содержит только один остаточный нарост, который удаляют путем механической обработки. Механическая обработка такой детали является более простой.

Кроме того, масса и, следовательно, стоимость лопатки 1 уменьшаются за счет наличия второй ванночки 16, тогда как напряжения на пятку 5, а также напряжения на перо 4 лучше распределяются и, следовательно, лучше воспринимаются лопаткой 1.

В данном случае перо 4 выполнено в виде сплошной стенки, то есть без охлаждения при помощи рубашки или полости, выполненной в толщине ее стенки. Предпочтительно, чтобы периферические поверхности 17 и поверхность дна 18 второй ванночки 16 выполнялись таким образом, чтобы толщина лопатки 1 была по существу постоянной в зоне 15 сопряжения между пяткой 5 и пером 4. Этот отличительный признак хорошо виден на фиг. 3. В частности, если обозначить 15а, 15b изогнутые поверхности пера 4 на уровне зоны 15 сопряжения между пером 4 и пяткой 5, то на фиг. 3 видно, что изогнутые радиальные поверхности 17 второй ванночки 16 выполнены по существу параллельно изогнутым поверхностям 15а, 15b пера 4, напротив которых она находятся. В представленном варианте выполнения радиус изогнутых радиальных поверхностей 17 второй ванночки 16 не идентичен радиусу находящихся напротив изогнутых поверхностей 15а, 15b пера 4, но тем не менее эти поверхности по существу являются параллельными.

Часть второй ванночки 16, находящаяся на фиг. 3 слева, отличается непрерывностью криволинейной формы без какого-либо плоского участка между изогнутой радиальной поверхностью 13 первой ванночки 12, дном 14 первой ванночки 12 и изогнутой радиальной поверхностью 17 второй ванночки 16. Вместе с тем, на части второй ванночки 16, находящейся на фиг. 3 справа, четко просматривается каждый из этих участков. Выполнение между ними разных участков в рассматриваемой зоне (в разрезе) зависит от положения поверхностей пятки 5 по отношению к поверхностям пера 4.

Изобретение описано для подвижной лопатки турбины. Вместе с тем, по сути оно может применяться для любой лопатки, выполняемой путем литья и содержащей перо, на конце которого выполняют пятку в виде единой детали с пером.

edrid.ru

Лопатка турбины газотурбинного двигателя | Банк патентов

Полезная модель относится к двигателестроению и может быть использована в лопатках газотурбинного двигателя (ГТД) для авиационного, судового и наземного (в составе энергоустановки) применения.

Известна конструкция лопатки турбины ГТД, содержащая елочный замок (Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. - М.: Машиностроение, 1981,с.89, рис.3.27).

Недостатком лопатки с таким замком является то, что в ней не предусмотрено выполнение концентратора напряжений. Отсутствие концентратора ведет при внезапном снятии нагрузки к разрушению не только лопаток, но и диска.

Также известна конструкция лопатки ГТД, содержащая елочный замок и, по крайней мере, один концентратор напряжений в виде отверстия на замке, расположенного поперек оси лопатки (Патент GB 1468470 от 30.03.1977).

К недостатком такой конструкции можно отнести то, что на елочный замок при работе действуют напряжения растяжения, увеличение которых приводит к недостаточной усталостной прочности на изгиб. Результатом является преждевременное разрушение лопатки ГТД. Так же данную конструкцию нельзя использовать в охлаждаемых лопатках, так как возникает утечка охлаждающего воздуха.

Технической задачей полезной модели является увеличение усталостной прочности по изгибу лопатки за счет уменьшения напряжений растяжения в ее замке во избежание преждевременного разрушения лопатки.

Дополнительной технической задачей является возможность применения предлагаемого решения к охлаждаемым лопаткам ГТД.

Поставленная задача решается тем, что лопатка турбины ГТД содержит елочный замок, на котором выполнен концентратор напряжения в виде отверстия.

Новым в предлагаемой полезной модели является то, что отверстие расположено вдоль оси лопатки ГТД.

Кроме того, лопатка может содержать канал, который сообщается с отверстием, образуя единый концентратор напряжений.

На предлагаемом чертеже изображен продольный разрез лопатки турбины ГТД.

Лопатка ГТД включает елочный замок 1. Елочный замок 1 содержит концентратор напряжений в виде отверстия 2, выполненного вдоль оси 3 лопатки.

Лопатка турбины ГТД снабжена каналом 4 для охлаждения, который сообщен с отверстием 2.

При работе колеса турбины ГТД, в случае отказа при внезапном снятии нагрузки, частота вращения диска увеличивается под действием увеличивающихся центробежных сил. В свою очередь центробежные силы увеличивают напряжения сжатия и изгиба в елочном замке 1 и в диске (на чертеже не показан), при этом напряжения растяжения снижаются из-за наличия концентратора напряжений в виде отверстия 2, выполненном на елочном замке 1 вдоль оси лопатки. Это ведет к повышению усталостной прочности на изгиб в замке лопатки, что позволяет избежать преждевременного разрушения лопатки.

Лопатка турбины ГТД работает, как охлаждаемая лопатка, когда воздух проходит по каналу 4 для охлаждения, который сообщен с отверстием 2 для охлаждения елочного замка 1 лопатки.

Такое выполнение лопатки турбины ГТД позволяет увеличить усталостную прочность по изгибу лопатки за счет уменьшения напряжений растяжения в ее замке во избежание преждевременного разрушения лопатки, возможно применение к охлаждаемым лопаткам ГТД.

bankpatentov.ru

Способ обработки лопаток газотурбинных двигателей

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано на операциях шлифования и полирования кромок пера лопатки с переменным радиусом скругления. Инструменту сообщают вращение со скоростью, прямо пропорциональной величине радиусов скругления обрабатываемой кромки пера лопатки, и приводят в контакт с кромкой. Осуществляют качание лопатки относительно продольной оси, проходящей через центры радиусов скругления кромки пера, с частотой, которую изменяют обратно пропорционально величине радиусов скругления кромки пера. Инструмент перемещают вдоль кромки пера со скоростью, обратно пропорциональной величине радиусов ее скругления. В результате повышается точность формообразования переменного профиля скругления кромки пера лопатки и обеспечивается минимальный съем материала при обработке, позволяющий скруглить кромку пера радиусом 0,04 мм. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способу обработки лопаток ГТД, позволяющему шлифовать и полировать входную и выходную кромки пера лопаток при переменном радиусе скругления кромки от 0,07 до 0,5 мм. Изобретение может быть использовано в машиностроительной, авиационной, судостроительной, космической и других отраслях промышленности.

Известен способ для обработки кромок пера лопаток газотурбинных двигателей, включающий вращение инструмента со скоростью, прямо пропорциональной величине радиусов скругления кромки пера, перемещение его вдоль кромки пера со скоростью, обратно пропорциональной величине радиусов скругления кромки пера, и качание лопатки относительно продольной оси, проходящей через центры радиусов скругления кромки пера [1].

Данный способ является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату и принят заявителем в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является низкая точность формообразования переменного профиля скругления кромки пера лопатки, а также значительный съем материала при обработке конца пера лопатки, что не позволяет скруглять кромку пера радиусом меньше 0,07 мм.

Техническим результатом данного изобретения является повышение точности формообразования переменного профиля скругления кромки пера лопатки, а также обеспечение минимального съема материала лопатки при ее обработке, позволяющего скруглить кромку пера радиусом 0,04 мм.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки лопаток газотурбинных двигателей, включающем вращение инструмента со скоростью, прямо пропорциональной величине радиусов скругления кромки пера, перемещение его вдоль кромки пера со скоростью, обратно пропорциональной величине радиусов скругления кромки пера, и качание лопатки относительно продольной оси, проходящей через центры радиусов скругления кромки пера, частоту качаний лопатки изменяют обратно пропорционально величине радиусов скругления кромки пера, причем после контакта инструмента с кромкой пера лопатки продольное перемещение включается через определенное время, обеспечивающее скругление кромки в месте контакта.

Сущность данного изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен общий вид лопатки;

фиг.2 - схема процесса обработки пера лопатки.

Способ обработки лопаток газотурбинных двигателей осуществляется следующим образом.

Лопатка 1 своей замковой частью 2 закрепляется на качающемся держателе 3 станка. Обрабатывающий инструмент 4, выполненный в виде шлифовального или полировального кругов, подводится вплотную к обрабатываемой кромке 5 пера 6 лопатки 1.

Обрабатываемая лопатка 1 имеет переменные радиусы R1 и R2 скругления кромки 5 пера 6, равные соответственно от 0,5 до 0,04 мм.

При подведении обрабатывающего инструмента 4 к обрабатываемой кромке 5 в месте R1 включается качание лопатки 1 относительно продольной оси 7, проходящей через центры O1 и O2 радиусов R1 и R2, и происходит обработка кромки 5 пера 6 без продольного перемещении инструмента, которое включается через определенное время, обеспечивающее скругление кромки 5 в месте R1.

При перемещении инструмента 4 от R1 к R2 скорость его вращения (скорость резания) падает, а скорость продольного перемещения (подача) инструмента 4 увеличивается. Частота качания лопатки 1 также увеличивается при перемещении инструмента 4 от R1 к R2.

Использование данного изобретения позволит повысить точность формообразования переменного профиля скругления кромки пера лопатки, а также обеспечит минимальный съем материала лопатки при ее обработке.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки

1. Патент RU №2005045, кл. B24B 19/14, 1993 г. - прототип.

1. Способ обработки кромок пера лопаток газотурбинных двигателей, включающий вращение инструмента со скоростью, прямо пропорциональной величине радиусов скругления обрабатываемой кромки пера лопатки, качание лопатки относительно продольной оси, проходящей через центры радиусов скругления кромки пера, и перемещение инструмента вдоль кромки пера со скоростью, обратно пропорциональной величине радиусов ее скругления, отличающийся тем, что частоту качаний лопатки при перемещении инструмента изменяют обратно пропорционально величине радиусов скругления кромки пера.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемещение вдоль кромки пера инструменту сообщают через определенное время после приведения его в контакт с обрабатываемой кромкой, выбранное из условия обеспечения скругления кромки в месте контакта.

www.findpatent.ru

Рабочая лопатка турбины газотурбинного двигателя

 

Рабочая лопатка турбины газотурбинного двигателя имеет верхнюю полку с зигзагообразными боковыми поверхностями и контактными площадками. Толщина верхней полки во внутреннем радиусе перехода от боковой поверхности к контактной площадке равна 0,3 - 1,5 толщины контактной площадки. Изобретение позволяет повысить надежность лопатки за счет уменьшения напряжения и исключения появления трещин и поломки верхней полки лопатки. 6 ил.

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей, а более конкретно - к рабочим лопаткам турбины.

Известны полочные рабочие лопатки турбины, контактирующие между собой по боковой поверхности верхних полок [1]. Известное устройство уменьшает вибронапряжения в лопатках, однако не является надежным, так как возможен температурный распор по верхним полкам лопаток при их высоких температурах. Наиболее близкой к заявляемой является полочная рабочая лопатка турбины с зигзагообразными боковыми поверхностями полки [2]. Известная полка имеет контактные площадки, по которым при сборке осуществляется натяг за счет разворота пера лопатки, что снижает вибронапряжения в лопатках. Однако недостатком такой конструкции является наличие внутренних радиусов в зигзагообразных поверхностях верхней полки, которые являются концентраторами напряжений и приводят к появлению трещин и поломке верхних полок, что снижает надежность двигателя. Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности лопатки за счет уменьшения напряжений и исключения появления трещин и поломки верхней полки лопатки. Сущность технического решения заключается в том, что в рабочей лопатке турбины ГТД с верхней полкой, имеющей зигзагообразные боковые поверхности и контактные площадки согласно изобретению толщина верхней полки во внутреннем радиусе перехода от боковой поверхности к контактной площадке равна 0,3... 1,5 толщины контактной площадки. Выполнение толщины верхней полки во внутреннем радиусе перехода от боковой поверхности к контактной площадке равной 0,3...1,5 толщины контактной площадки позволяет уменьшить величину напряжений до приемлемой величины, что исключает образование трещин и поломку верхних полок и в целом повышает надежность лопатки. На фиг. 1 изображена полочная рабочая лопатка турбины. На фиг. 2 - вид А на верхнюю полку на фиг. 1. На фиг. 3 - элемент I на фиг. 2 в увеличенном виде. На фиг. 4 - элемент II на фиг. 2 в увеличенном виде. На фиг. 5 - вид Б на фиг. 2. На фиг. 6 - вид В на фиг. 2. Полочная рабочая лопатка 1 состоит из хвостовика 2, охлаждаемого пера 3 и верхней полки 4 с зигзагообразными боковыми поверхностями 5 и 6. На наружной поверхности верхней полки 4, по ее краям, расположены радиальные выступы 7 и 8, на боковых поверхностях которых выполнены контактные площадки 9 и 10, расположенные под углом к боковым поверхностям 11 и 12 полки 4. Между боковой поверхностью 11 и контактной площадкой 9, а также между боковой поверхностью 12 и контактной площадкой 10 образуются внутренние радиусы закругления r и R соответственно, которые являются концентраторами напряжений на длине l1 и l2 соответственно, т.е. на той длине, на которой выполнено закругление. Работает данное устройство следующим образом. При работе двигателя за счет центробежных и газовых сил, действующих на перо, соседние лопатки контактируют между собой по контактным площадкам 9 и 10 с усилием P, демпфируя таким образом колебания лопаток. Однако от действия сил P на контактные площадки часть 13 полки вместе с контактной площадкой 7 стремится оторваться от части полки 14 - с одной стороны, и часть полки 15 вместе с контактной площадкой 8 стремится оторваться от части 16 полки 4. Наличие концентраторов напряжений в виде радиусов перехода r и R может привести к появлению трещин и к поломке лопатки. Поэтому толщина полки h во внутреннем радиусе r или R перехода от боковой поверхности к контактной площадке выполняется равной 0,3. . . 1,5 от толщины H (высоты) контактной площадки полки, при этом, по данным эксперимента, трещины не образуются из-за уменьшения величины напряжений до приемлемой величины. При величине h меньшей, чем 0,3 H возможно образование трещин - по экспериментальным данным. При величине h большей 1,5 H возрастает вес полки, что снижает запасы прочности пера лопатки. Увеличить существенно величину радиусов перехода r и R, чтобы уменьшить концентрацию напряжений, не представляется возможным из-за уменьшения площади контактных площадок, что приводит к их преждевременному износу. Источники информации: 1. С. А. Вьюнов и др. "Конструкция и проектирование авиационных ГТД", Машиностроение, Москва, 1989 г., стр. 147, рис. 4.11. 2. С. А. Вьюнов и др. "Конструкция и проектирование авиационных ГТД", стр. 166, рис. 4.27 - прототип.

Формула изобретения

Рабочая лопатка турбины газотурбинного двигателя с верхней полкой, имеющей зигзагообразные боковые поверхности и контактные площадки, отличающаяся тем, что толщина верхней полки во внутреннем радиусе перехода от боковой поверхности к контактной площадке равна 0,3 - 1,5 толщины контактной площадки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

Похожие патенты:

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, а более конкретно - к рабочим колесам турбомашин газотурбинных двигателей, а также - к установкам для прочностной доводки рабочих колес газотурбинных двигателей

Изобретение относится к области турбостроения и касается облопачивания роторов турбомашин

Изобретение относится к области турбостроения и касается облопчивания рабочих колес турбомашин

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано при проектировании и модернизации ленточных бандажей рабочих лопаток паровых турбин

Изобретение относится к машиностроению и позволяет повысить надежность за счет выполнения демпфирующих элементов рабочего колеса, содержащего диск 1, в пазах которого установлены лопатки 3 на удлиненных ножках с трактовыми полками 4 и демпфирующие элементы, контактирующие с полками 4, в виде разрезной на периферии пластины 5 с разведенными в разные стороны под углом а вдоль оси колеса краями, боковые поверхности которых контактируют с трактовыми полками 4

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано при проектировании или реконструкции облопачивания рабочих колес паровых турбин

Изобретение относится к турбостроению, может быть использовано в малоразмерных турбинах для пневматических турбин различного назначения и позволяет повысить надежность работы турбины на всех режимах при сохранении технологичности конструкции

Изобретение относится к турбостроению, в частности к использованию в высокооборотных турбоагрегатах рабочих колес с бандажным кольцом

Изобретение относится к энергомашиностроению и позволяет повысить экономичность турбомашины, ремонтопригодность и уменьшить трудоемкость при перелопачивании отдельных лопаток

Изобретение относится к самолетостроению, а именно к конструкции турбин ГТД и восстановлению контактных поверхностей бандажных полок рабочих лопаток турбины

Изобретение относится к турбореактивным двигателям, в частности к междулопаточным площадкам для опорных дисков лопаток вентилятора

Изобретение относится к многослойному бандажу лопаток для турбин

Изобретение относится к турбинной лопатке, с расположенным вдоль оси лопатки пером лопатки и с областью платформы, которая расположена на основании пера лопатки и содержит платформу, которая проходит поперек к оси лопатки

Изобретение относится к ротору паровой или газовой турбины с признаками ограничительной части п.1 формулы изобретения

Рабочая лопатка турбины газотурбинного двигателя, рабочие лопатки турбины, поломки турбины

www.findpatent.ru