СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛОЙ ЛОПАТКИ КОМПОНЕНТА СТАТОРА ИЛИ РОТОРА Российский патент 2006 года по МПК B23P15/04 B23K26/30 B23K101/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу изготовления полой лопатки компонента статора или компонента ротора, которая имеет по меньшей мере один несущий элемент жесткости, расположенный между двумя противоположными стенками лопатки и соединенный с ними. Компонент статора или ротора с такими лопатками можно использовать, например, в газовой турбине, в частности в реактивном двигателе.

К реактивным двигателям относятся двигатели различного типа, в которых воздух поступает с низкой скоростью и после нагрева в камере сгорания выходит из двигателя с высокой скоростью. К таким реактивным двигателям относятся, в частности, турбореактивные и турбовентиляторные двигатели.

В реактивных двигателях лопатки имеются и в неподвижных компонентах статора, и во вращающихся компонентах статора. В первом случае лопатки используют в качестве несущих элементов жесткости статора или так называемых стоек. Стойки статора расположены между его наружным и внутренним кольцами и соединяют их между собой. Стойки статора предназначены главным образом для передачи усилий и имеют определенную форму и минимально возможное аэродинамическое сопротивление. В реактивном двигателе стойки статора обычно расположены либо в передней, либо в задней части его несущей конструкции. Лопатки ротора используют в вентиляторах для изменения направления потока газа, например, в реактивных двигателях.

Для снижения веса в двигателях обычно используют полые лопатки. Такие лопатки имеют расположенные между их стенками несущие элементы жесткости, которые увеличивают прочность лопаток и поэтому часто называются усиливающими ребрами.

Уровень техники

В настоящее время несущий элемент жесткости соединяют со стенками лопаток контактной сваркой (сваркой сопротивлением). В этом случае используют несущие вытянутые в длину элементы жесткости с U-образным поперечным сечением, боковые стенки или ножки, которых располагаются параллельно прижатым к ним стенкам лопатки. Промежуточная часть такого U-образного элемента, которая соединяет между собой его боковые стенки, образует расположенный между стенками лопаток распорный элемент. При сварке сопротивлением свариваемые поверхности должны быть плотно прижаты друг к другу, и поэтому сначала до сварки лопатки с U-образным несущим элементом между его боковыми стенками устанавливают специальный распорный элемент, а затем каждую боковую стенку U-образного элемента снаружи прочно приваривают к соответствующей стенке лопатки. После этого распорный элемент извлекают из лопатки. Одним из недостатков такого способа является сравнительно низкая производительность, обусловленная использованием отдельного распорного элемента, который необходимо сначала установить в определенное место, а затем (после сварки) извлечь из лопатки. Такой способ соединения лопатки с несущим элементом жесткости, кроме того, не обеспечивает получение высококачественного сварного соединения. С конструктивной точки зрения такое решение не является оптимальным из-за того, что возникающая в изготовленной таким способом лопатке концентрация напряжений заметно снижает прочность сварного соединения.

К другим известным способам соединения расположенного внутри лопатки несущего элемента жесткости со стенками лопатки относятся электронно-лучевая сварка и дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (сварка ВИА). Недостатком этих способов сварки является, как известно, образование трещин, возникающих в лопатке по истечении определенного времени. Электронно-лучевая сварка, кроме того, является достаточно сложным и дорогим способом сварки. При сварке таким способом сложно обеспечить полное плавление металла в местах сопряжения тонких краев несущего элемента жесткости с тонкими стенками лопатки.

В настоящее время известен и еще один способ изготовления полой лопатки с несущим элементом жесткости, основанный на диффузионной сварке и сверхпластическом изменении формы. При изготовлении полой лопатки с несущим элементом жесткости таким способом используют три пластины, которые соединяют между собой в определенных местах, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Соединение пластин в этих местах происходит в результате диффузии одной пластины в другую при высокой температуре и высоком давлении. После соединения пластин внутри плоской лопатки создают высокое давление, под действием которого она принимает требуемую форму.

Краткое изложение сущности изобретения

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ соединения несущего элемента жесткости и стенки лопатки, который по сравнению с известными способами позволял бы повысить прочность соединения и/или требовал меньших затрат на его осуществление.

Эта задача решается с помощью предлагаемого в изобретении способа, заключающегося в том, что несущий элемент жесткости соединяют по меньшей мере с одной стенкой лопатки снаружи лазерной сваркой таким образом, что соединенные друг с другом несущий элемент жесткости и стенка лопатки образуют соединение Т-образной формы. Соответствующий выбор материалов и режима сварки позволяет получить соединение Т-образной формы со скругленными краями или гладким участком перехода между соединенными сваркой деталями внутри лопатки. Изготовленная предлагаемым в изобретении способом лопатка имеет высокую прочность и большой срок службы. Предлагаемый в изобретении способ можно также использовать для изготовления лопаток с тонкими стенками и небольшим весом. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения несущий элемент жесткости располагается по существу перпендикулярно средней плоскости лопатки. Средняя плоскость лопатки проходит по середине между наружной поверхностью верхней стенки лопатки и наружной поверхностью нижней стенки лопатки. Такое расположение несущего элемента жесткости дополнительно повышает прочность лопатки.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения для изготовления лопатки используют несущий элемент жесткости в форме пластины. Такой выполненный в виде пластины несущий элемент жесткости имеет две параллельные боковые поверхности, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга. Имеющий такую форму несущий элемент жесткости является наиболее простым и дешевым в изготовлении элементом, повышающим прочность и жесткость лопатки.

В упомянутом выше варианте несущий элемент жесткости соединяют одним его краем с одной из стенок лопатки. Край несущего элемента жесткости представляет собой вытянутую поверхность, соединяющую между собой боковые поверхности пластины.

Другие предпочтительные варианты и преимущества изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения и подробно рассмотрены в приведенном ниже описании.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере нескольких предпочтительных вариантов его возможного осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - аксонометрическая проекция лопатки, изготовленной предлагаемым в изобретении способом, и

на фиг.2 - поперечное соединение сварного соединения.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

На фиг.1 в аксонометрической проекции показана полая лопатка 1, изготовленная предлагаемым в изобретении способом. Эта лопатка 1 имеет первую боковую стенку 2 и расположенную напротив нее вторую боковую стенку 3. В поперечном сечении первая боковая стенка 2 имеет выпуклую форму, а вторая боковая стенка 3 - вогнутую форму. Средняя плоскость лопатки показана на чертеже штрихпунктирной линией и обозначена буквой X. Средняя плоскость лопатки проходит в центре лопатки от передней кромки 4 лопатки до ее задней кромки 5. Передняя и задняя кромки лопатки соответствуют направлению скорости потока газа, обтекающего лопатку соответствующего компонента статора или ротора.

Внутри лопатки 1 расположены плоские несущие элементы 6 и 7 жесткости. Плоские несущие элементы 6 и 7 жесткости расположены вертикально внутри лопатки 1 и по существу перпендикулярно ее средней плоскости X. Оба плоских несущих элемента 6 и 7 жесткости вытянуты в длину и проходят через всю лопатку в поперечном направлении, обозначенном на чертеже штрихпунктирной линией Y.

Полую лопатку 1 изготавливают обычным способом. Внутрь лопатки последовательно вставляют (в требуемое положение) плоские несущие элементы 6 и 7 жесткости, которые затем снаружи прочно приваривают к стенкам 2, 3 лопатки лазерной сваркой. Лазерную сварку выполняют таким образом, что соединенные между собой участки несущих элементов 6, 7 жесткости и стенки 2, 3 лопатки образуют соединение 9 Т-образной формы (см. также фиг.2). Иными словами, во время сварки несущие элементы 6, 7 жесткости снаружи закрыты стенками 2, 3 лопатки.

В таком Т-образном соединении 9 часть стенки 3 лопатки образует полку или поперечный элемент Т-образного соединения, который соединен с его вертикальным элементом или стенкой, образованной концом несущего элемента 6 жесткости.

Стенки 2, 3 лопатки и несущие элементы 6, 7 жесткости изготавливают из свариваемых материалов, в частности из нержавеющей стали марки 347 или А286. Лопатку и несущие элементы жесткости можно также изготовить из сплавов на основе никеля, например из сплавов марок INCO600, INCO625, INCO718 и Hastalloy x. Для изготовления лопатки и несущих элементов жесткости можно также использовать и сплавы на основе кобальта, например, марок HAYNES 188 и HAYNES 230. Кроме этих материалов лопатку и несущие элементы жесткости можно изготовить из титановых сплавов, таких как Ti6-4, или из алюминиевых сплавов различного типа. Лопатку и несущие элементы жесткости можно также изготовить и из разных материалов.

При изготовлении лопатки предлагаемым в изобретении способом для лазерной сварки можно использовать различное сварочное оборудование, например, СО₂-лазер, предпочтительно, однако, лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом.

При правильном выборе режима сварки, материалов и размеров стенок лопатки и несущих элементов жесткости лазерная сварка позволяет получить Т-образное соединение со скругленными внутренними углами 8 между пластинами 6, 7 и стенками 2, 3 лопатки. Стенки лопатки и несущий элемент жесткости предпочтительно имеют толщину от 0,5 до 5 мм, в частности от 1 до 2 мм. Стенки лопатки и несущие элементы жесткости предпочтительно соединяют между собой сплошным швом. Скругленная форма углов 8 обеспечивает высокую прочность сварного соединения и большой срок службы лопатки, изготовленной предлагаемым в изобретении способом.

В иллюстрирующем изобретение примере изготовления лопатки предлагаемым в изобретении способом стенки лопатки и несущие элементы жесткости имели толщину 1,23 мм и были изготовлены из титанового сплава Ti6-4, при этом сварку выполняли лазером мощностью 1,3 кВт при скорости сварки, равной 1000 мм/мин, в используемом в качестве защитного и основного газа аргоне.

Вместо аргона или одновременно с аргоном в качестве защитного и основного газа можно использовать гелий и/или кислород и их смеси.

Точное расположение сварного шва обеспечивается применением известных средств, используемых при выполнении сварных соединений для перемещения электрода по заданной траектории.

Настоящее изобретение не ограничено рассмотренным выше вариантом и предполагает возможность внесения в него различных изменений и усовершенствований в объеме приведенной ниже формулы изобретения.

Так, в частности, изобретение не ограничено изготовлением изогнутых лопаток с аэродинамическим профилем и может быть использовано и для изготовления симметричных лопаток с аэродинамическим профилем. У таких лопаток упомянутая выше средняя плоскость Х совпадает с плоскостью симметрии. Плоскость симметрии проходит через лопатку в продольном направлении от передней кромки лопатки к ее задней кромке (в направлении обтекающего лопатку потока газа).

Настоящее изобретение не ограничено изготовлением лопаток для газовой турбины и может быть использовано для изготовления и других лопаток или лопастей, например, крыла самолета. В этом случае упомянутым выше компонентом статора является крыло самолета.

В рассмотренном выше варианте в качестве несущего элемента жесткости использовали сплошную в поперечном направлении лопатки пластину. Вместо одной сплошной пластины в качестве несущего элемента жесткости можно также использовать и несколько отдельных элементов, выполненных в виде стоек, или расположенную между двумя боковыми стенками рамную конструкцию, повышающую жесткость и прочность лопатки (или крыла самолета).

Изобретение относится к способу изготовления полой лопатки компонента статора или компонента ротора. Между двумя противоположными боковыми стенками лопатки устанавливают по меньшей мере один несущий элемент жесткости. Указанный элемент жесткости соединяют по меньшей мере с одной стенкой лопатки снаружи лазерной сваркой. Образованное между стенкой лопатки и элементом жесткости соединение имеет Т-образную форму. Это позволит повысить прочность и жесткость сварного соединения элемента жесткости со стенкой лопатки и, как следствие, прочность и жесткость полой лопатки в целом. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления полой лопатки (1), предназначенной для компонента статора или компонента ротора и имеющей по меньшей мере один несущий элемент (6, 7) жесткости, расположенный между двумя противоположными боковыми стенками (2, 3) лопатки и соединенный с ними, отличающийся тем, что несущий элемент (6, 7) жесткости соединяют по меньшей мере с одной стенкой (2, 3) лопатки снаружи лазерной сваркой таким образом, что соединенные между собой участки несущего элемента жесткости и стенки лопатки образуют соединение (9) Т-образной формы.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что несущий элемент (6, 7) жесткости располагают по существу перпендикулярно средней плоскости (X) лопатки (1).3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что несущий элемент (6, 7) жесткости имеет форму пластины.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что край пластины, образующей несущий элемент (6, 7) жесткости, соединяют со стенкой лопатки.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что сначала изготавливают полую лопатку (1), после чего внутрь лопатки вставляют несущий элемент (6, 7) жесткости, который затем прочно приваривают к стенке лопатки.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в поперечном сечении внешний контур лопатки (1) имеет форму аэродинамического профиля.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что компонент статора или компонент ротора предназначен для газовой турбины.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что компонент статора или компонент ротора предназначен для реактивного двигателя.9. Способ по п.1, отличающийся тем, что компонент статора предназначен для образования по меньшей мере части крыла самолета.