СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОНЕНТА СТАТОРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК F01D9/04 

Настоящее изобретение относится к способу изготовления предназначенного для направления потока газа компонента статора. Такой компонент статора может быть, например, частью газовой турбины или реактивного двигателя.

К реактивным двигателям относятся различные типы двигателей, поступающий в которые со сравнительно небольшой скоростью воздух после нагрева и сжигания вместе с соответствующим топливом выходит в виде продуктов сгорания топлива наружу с существенно большей скоростью. К таким двигателям относятся, в частности, турбореактивные и турбовентиляторные двигатели.

Предлагаемый в изобретении компонент статора с наружным и внутренним кольцами, между которыми расположены стенки каналов для прохода газа, обычно используют для передачи радиальных и осевых усилий. Поэтому стенки каналов выполняют, например, в виде полых лопаток, которые обладают минимальным аэродинамическим сопротивлением. Компонент можно расположить на передней или задней стойках двигателя, а также в расположенном в средней части двигателя корпусе. Образующие каналы для прохода воздуха лопатки придают конструкции необходимую жесткость и поэтому часто называются распорками или стойками. Следует отметить, однако, что конструктивно стойки могут быть выполнены и не только в виде полых лопаток.

В известных конструкциях подобных компонентов статора стенки каналов для прохода воздуха или газа, выполненные в виде полых лопаток, располагают по окружности между наружным и внутренним кольцами на определенном расстоянии друг от друга. Полые лопатки соединяют с кольцами сваркой. При этом каждое кольцо изготавливают с радиальными выступами, поперечное сечение которых соответствует поперечному сечению лопаток. Эти выступы часто называют "основаниями лопаток". Затем каждую лопатку приваривают к выступу стыковой сваркой. Выступы или основания лопаток обычно изготавливают фрезерованием колец. Такой способ изготовления оснований лопаток является достаточно трудоемким и дорогим.

Одной из задач настоящего изобретения является разработка способа изготовления компонента статора с большей, чем у известных компонентов подобного типа прочностью и долговечностью. Кроме того, такой способ должен быть менее трудоемким и более дешевым по сравнению с существующими способами.

Поставленная в изобретении задача решается с помощью способа, в соответствии с которым компонент статора изготавливают по меньшей мере из двух секций кольца, каждая из которых имеет по меньшей мере одну стенку, и собирают секции друг с другом, соединяя при этом между собой две смежные стенки, по одной из каждой секции, в элемент, вытянутый в радиальном направлении компонента и предназначенный для передачи возникающих при работе компонента усилий, а в предпочтительном варианте - и для направления потока газа.

В другом варианте осуществления изобретения собирают указанные секции друг с другом, соединяя при этом между собой две смежные стенки, по одной из каждой секции, в элемент, вытянутый в радиальном направлении компонента и предназначенный для направления потока газа и/или передачи возникающих при работе компонента усилий, причем указанные смежные стенки соединяют между собой накладками, закрывающими зазоры между этими стенками.

При изготовлении компонента статора предлагаемым в изобретении способом элементы, направляющие поток газа и передающие усилия, изготавливают из двух отдельных стенок, по одной из каждой секции. Изготовленные таким образом элементы разделяют в окружном направлении соседние каналы для прохода газа. В компоненте с такими элементами газ проходит только в осевом направлении.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения первую из упомянутых выше секций изготавливают из двух отдельных стенок, расстояние между которыми по окружности определяет границы канала для прохода газа.

В варианте, дополняющем предыдущий вариант, используют третью стенку, расположенную между первой и второй стенками и ограничивающую канал для прохода газа в одном радиальном направлении. Третья стенка, которая служит распоркой и придает конструкции определенную жесткость, должна быть достаточно прочной.

В соответствии со следующим вариантом, дополняющим предыдущий вариант, края третьей стенки приваривают лазерной сваркой к обращенным друг к другу сторонам первой и второй стенок и соединяют примыкающие друг к другу участки стенок Т-образным сварным соединением.

Под термином "край стенки" понимается вытянутая поверхность торца стенки между ее плоскими сторонами. Выбрав соответствующие материалы и режим сварки, можно получить Т-образные соединения со скругленными углами или по меньшей мере со сравнительно плавными и гладкими поверхностями в местах соединения стенок. Тем самым существенно повышается прочность конструкции и, следовательно, ее долговечность. С другой стороны, путем уменьшения толщины стенок можно существенно снизить массу всего компонента статора.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения первую и вторую стенки используют в качестве частей единого элемента по существу U-образной формы.

Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения и его преимущества представлены в зависимых пунктах формулы изобретения и более подробно рассмотрены в последующем описании.

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

на фиг.1-5 - схематичные изображения в аксонометрической проекции, иллюстрирующие отдельные стадии изготовления компонента статора в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;

на фиг.6-11 - схематичные изображения в аксонометрической проекции, иллюстрирующие отдельные стадии изготовления компонента статора в соответствии с вторым вариантом осуществления изобретения;

на фиг.12 - поперечное сечение изготовленного лазерной сваркой соединения деталей предлагаемого в изобретении компонента статора.

На фиг.1 и 2 показаны первая стенка 1 и вторая стенка 2 первой секции 13 (фиг.3) компонента статора, выполненного в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Стенки 1 и 2 имеют по существу одинаковую изогнутую форму и расположены на определенном расстоянии друг от друга с обращенными друг к другу вогнутыми сторонами. Иными словами, показанные на фиг.1 стенки 1 и 2 являются зеркальным отражением друг друга. Очевидно, однако, что стенки могут иметь и другую форму. Расстояние между стенками 1 и 2 определяет размер канала 3 для прохода газа по окружности компонента (см. фиг.2).

Как показано на фиг.2, между первой и второй стенками 1 и 2 расположен первый плоский элемент 4, форма и размер которого соответствуют форме и размеру канала для прохода газа. Плоский элемент 4 в поперечном сечении имеет U-образную форму и может быть изготовлен, например, из согнутой пластины. Сторона 5 плоского элемента 4 образует третью внутреннюю стенку, ограничивающую в радиальном направлении канал 3 для прохода газа. Стороны 6 и 7 плоского элемента 4 имеют размеры и форму, соответствующие расстоянию между первой и второй стенками 1 и 2 и их форме. Плоские стороны 6 и 7 элемента 4 образуют торцы компонента.

Третью стенку 5 соединяют с первой и второй стенками 1 и 2, приваривая лазерной сваркой край третьей стенки 5 к обращенным друг к другу плоским сторонам первой и второй стенок 1 и 2 и соединяя стенки Т-образным сварным соединением 8 (см. фиг.12). Края боковых поверхностей 6 и 7 плоского элемента 4 также приваривают к первой и второй стенкам 1 и 2, предпочтительно лазерной сваркой. Края боковых поверхностей 6 и 7 и третью стенку 5 предпочтительно соединять с первой и второй стенками сплошным сварным швом.

Как показано на фиг.2, между первой и второй стенками 1 и 2 расположен второй плоский элемент 9, размер и форма которого соответствуют расстоянию между стенками и их форме. Плоский элемент 9 имеет прямоугольное поперечное сечение и может быть изготовлен, например, из согнутого пакета сваренных пластин. Сторона 10 плоского элемента 9 образует четвертую стенку, ограничивающую снаружи в радиальном направлении канал 3 для прохода газа. Стороны 11 и 12 второго плоского элемента 9 имеют форму и размеры, соответствующие расстоянию между первой и второй стенками 1 и 2 и их форме. Плоские стороны 11 и 12 элемента 9 образуют торцы компонента.

Четвертую стенку 10 соединяют с первой и второй стенками 1 и 2, приваривая лазерной сваркой край четвертой стенки 10 к обращенным друг к другу плоским сторонам первой и второй стенок 1 и 2 и соединяя стенки Т-образным сварным соединением 8 (см. фиг.12). Края боковых поверхностей 11 и 12 плоского элемента 9 также приваривают к первой и второй стенкам 1 и 2, предпочтительно лазерной сваркой.

Множество одинаковых секций 13, 14, 15, изготовленных описанным выше способом, собирают друг с другом (см. фиг.3). Первую и вторую стенки 1 и 2 первой секции 13 соединяют с соответствующими стенками 16 и 17 смежных секций 14 и 15. Попарно соединенные стенки 1, 16 и 2, 17 образуют элементы 18 и 19, направляющие поток газа и/или передающие при работе радиальные нагрузки. Смежные стенки 1, 16 и 2, 17 соединяют, как показано на фиг.3, накладками 20, 21, 22, 23, которыми закрывают зазоры между стенками.

Изготовленные таким образом стенки 1 и 2 имеют большую протяженность в радиальном направлении. Кроме того, они имеют и достаточно большую длину по оси компонента.

Внутрь пакета собранных секций вставляют кольцо 24 (см. фиг.4), с которым соединяют внутренние края стенок 1 и 2. После этого на наружную поверхность пакета секций надевают кольцо 25, с которым соединяют наружные края стенок 1 и 2. Кольца 24 и 25 изготавливают из плоского листа и закрывают ими всю наружную и внутреннюю цилиндрические поверхности компонента. Края стенок 1 и 2 приваривают к соответствующим кольцам 24 и 25 лазерной сваркой, соединяя их Т-образным сварным соединением 8, показанным на фиг.12. Иными словами, лазерную сварку производят с внутренней поверхности внутреннего кольца в радиальном направлении от оси компонента и со стороны наружной поверхности наружного кольца в радиальном направлении к оси компонента.

Затем в наружном кольце 25 между каждыми двумя секциями, а точнее, между двумя соседними стенками, прорезают отверстия 27. Эти отверстия 27 можно использовать для крепления различных устройств, необходимых для работы компонента, например устройств для подачи и отвода масла и/или воздуха, для прокладки электрических металлических кабелей, по которым передается информация о рабочем давлении и/или температуре. Отверстия 27 можно использовать также для подачи охлаждающей среды. Затем на обеих торцовых сторонах компонента устанавливают кольцевые ребра 28 жесткости, повышающие прочность стенок 1 и 2 (см. фиг.5).

На фиг.5 показан компонент 29 статора, выполненный в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Каналы 3 для прохода газа направлены вдоль оси компонента. Компонент 29 статора можно, например, использовать в качестве несущей конструкции для радиальных/упорных подшипников, установленных внутри компонента, который соединен с соответствующими наружными элементами конструкции.

На фиг.6-11 показан второй вариант осуществления изобретения. В приведенном ниже описании рассмотрены только основные различия между описанным выше первым и вторым вариантами. Первая стенка 101 и вторая стенка 102 образуют детали U-образного по существу единичного элемента 30 (см. фиг.6). Обе стенки 101 и 102 соединяют друг с другом в один и тот же элемент. Каждая стенка 101 и 102 служит частью боковой стороны U-образного элемента 30. Соединенные стенки образуют основание 33 U-образного элемента 30.

Основание 33 U-образного элемента 30 соединяют с кольцевым элементом 31, который является отдельным элементом кольца (см. фиг.7). Кольцевой элемент 31 имеет выступающее ребро 32, параллельное оси компонента. Основание 33 имеет заостренную форму, и его заостренную вершину соединяют с ребром 32, например, сваркой. Иными словами, каждая секция имеет свой отдельный элемент 31 внутреннего кольца.

Затем между первой и второй стенками 101 и 102 так же, как и в описанном выше первом варианте, устанавливают первый и второй плоские элементы 104 и 109, размеры и форма которых соответствуют расстоянию между стенками (см. фиг.8) и их форме. Плоские элементы 104 и 109 имеют стенки, ограничивающие в радиальном направлении канал 103 для прохода газа. На фиг.8 позицией 113 обозначена секция в сборе.

На фиг.9 показано несколько секций, соединенных в кольцо. В таком кольце кольцевой элемент 31 каждой секции соединен с кольцевыми элементами соседних секций. Соединение кольцевых элементов можно выполнить, например, сваркой.

Стенки двух соседних секций соединяют накладками 120 и 122 (см. фиг.10). Соединенные стенки образуют элементы 118 и 119, направляющие поток газа и/или передающие во время работы радиальные нагрузки. Как показано на фиг.10, наружные края стенок закрыты наружным кольцом 34.

В наружном кольце 34 между каждыми двумя секциями, а точнее, между двумя соседними стенками, вырезают отверстия 27 (см. фиг.11).

На фиг.11 показан компонент 129 статора, выполненный в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления изобретения. Каналы 103 для прохода газа в этом компоненте направлены вдоль оси компонента. Компонент 129 статора можно, например, использовать в качестве несущей конструкции для радиальных или упорных подшипников, установленных внутри компонента, который соединен снаружи с соответствующими элементами статора.

На фиг.12 показано описанное выше Т-образное сварное соединение 8. Такое соединение состоит из части одной стенки или кольцевого элемента (верхняя часть буквы Т) и части соединенной с ней второй стенки (вертикальная часть буквы Т).

В плоских элементах 4, 9, 104 и 109 по меньшей мере одна их поверхность является плоской. Поэтому плоский элемент в принципе можно изготовить в виде трубы, профиля и т.д. Иными словами, плоские элементы можно изготовить из диска или вырезать из согнутой пластины необходимой формы или каким-либо иным способом, например резкой из труб или других стандартных профилей необходимого сечения.

В качестве материала для изготовления свариваемых стенок используют различные свариваемые материалы, например нержавеющую сталь марки 347 или А286. Кроме того, можно использовать никелевые сплавы, например INCO600, INCO625, INCO718 и хастеллой х. В качестве материала для изготовления стенок можно также использовать кобальтовые сплавы, например сплав хайнес 188 и хайнес 230. Для этого можно также использовать титановые сплавы, например Ti6-4, Ti6-2-4-2, а также различные марки алюминиевых сплавов. Помимо этого стенки можно изготовить и из комбинации различных материалов.

Для лазерной сварки предпочтительно использовать лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, что, однако, не исключает возможности использования и другого сварочного оборудования, например лазера на диоксиде углерода. При правильном выборе способа и режима сварки, материалов и размеров стенок лазерной сваркой легко можно получить Т-образное соединение со скругленными внутренними углами между стенками (см. фиг.12). Сварку целесообразно выполнять сплошным швом. Скругленная форма сварных соединений существенно повышает прочность компонента и, следовательно, его долговечность. Такое соединение позволяет полностью расплавить металл в зоне сварного шва и получить плавную поверхность перехода в месте стыка деталей.

Закончить сварку в требуемом месте можно любыми известными в технике способами. Сварной шов предпочтительно должен быть сплошным.

Каждая стенка имеет форму пластины. Такая форма предполагает наличие двух параллельных боковых сторон, расположенных сравнительно близко друг к другу. Изготовленная из пластины стенка может быть не только плоской, но и скругленной или изогнутой.

Стенки, которые предназначены главным образом для передачи или восприятия радиальной нагрузки, т.е. играют роль так называемых распорок или стоек, не всегда должны иметь форму аэродинамического профиля и во многих случаях могут быть изготовлены не в виде полых лопаток, а в виде пластин различной формы. Однако возможно и много других конструктивных решений, связанных с формой стенок.

Из вторых стенок, которые предназначены для направления потока газа во время работы компонента, путем их соединения друг с другом изготавливают лопатки с аэродинамическим профилем. Стенки в виде лопаток используют при применении предлагаемого в изобретении компонента в статорах специального назначения.

В приведенном выше описании под кольцевым элементом подразумевалась деталь в виде сплошного кольца, кольцо с расположенными в окружном направлении на расстоянии друг от друга стенками или деталь, образующая кольцевой элемент при соединении с другими такими же деталями. Из множества таких деталей, соединенных в окружном направлении, получают кольцо. Под кольцом в данном случае понимают деталь в виде узкого тонкостенного, предпочтительно круглого цилиндра с прямолинейной образующей.

Если в настоящем описании упоминается стенка, которая проходит в определенном сечении компонента, то под этим подразумевается, что по меньшей мере одна часть этой стенки расположена в этом сечении. При этом обычно понимается, что в данном сечении расположена, по существу, вся стенка. Точнее говоря, такая стенка расположена в плоскости, параллельной данному сечению.

Изготовленный предлагаемым в изобретении способом компонент статора можно использовать в газовой турбине в качестве входного устройства, промежуточного корпуса, корпуса выхлопного или выходного устройства или в качестве одного из элементов этих устройств. Такой компонент статора используют для установки и крепления подшипников, для передачи нагрузки и для образования канала для прохода газов.

Изобретение не ограничено рассмотренными выше в качестве примера вариантами его осуществления, в которые можно вносить различные изменения и модификации, не выходя за объем изобретения, определяемый его формулой.

Так, в частности, второй плоский элемент 9 можно вырезать из стенки трубы в виде детали с прямоугольным поперечным сечением в осевой плоскости.

Хотя предпочтительным представляется вариант соединения радиальной стенки одной секции с радиальной стенкой соседней секции посредством расположенной между ними накладки, в некоторых случаях это соединение может быть достаточно эффективно осуществлено без использования накладки. Стенки можно соединить, например, сжатием материала, сваркой и т.д. Кроме того, накладки можно соединить и другими способами, например заклепками или клеем.

Соединить две образующие канал для потока газа стенки, т.е. радиальную и кольцевую, можно не только лазерной сваркой, но и пайкой или другими способами сварки.

Сами стенки можно изготовить различными способами, например горячей штамповкой с последующей разрезкой на отдельные детали требуемой формы лазером, струей воды и другими способами.

В приведенном выше описании были рассмотрены секции с двумя стенками. Однако изобретение в полной мере относится и к вариантам, в которых каждая секция имеет различное количество стенок. В одном из таких вариантов каждая секция имеет три стенки, образующие два канала для прохода газа. Более того, совершенно не обязательно, чтобы все секции были одинаковыми, т.е. один и тот же компонент статора может состоять из секций с различным количеством стенок.

В некоторых случаях компонент статора может не иметь наружного кольца 25.

Способ изготовления компонента статора, предназначенного для направления потока газа, включает изготовление по меньшей мере двух секций кольца, имеющих по меньшей мере одну стенку, и сборку секций друг с другом. Секции собирают друг с другом путем соединения между собой двух смежных стенок, по одной из каждой секции, в элемент, вытянутый в радиальном направлении компонента и предназначенный для направления потока газа и/или передачи возникающих при работе компонента усилий. В другом варианте способа изготовления компонента смежные стенки соединяют между собой накладками, закрывающими зазоры между этими стенками. Изобретение позволяет снизить стоимость и трудоемкость изготовления компонента статора. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ изготовления компонента статора (29, 129), предназначенного для направления потока газа, отличающийся тем, что компонент изготавливают по меньшей мере из двух секций (13, 14, 15; 113) кольца, каждая из которых имеет по меньшей мере одну стенку (1, 2; 101, 102), и собирают секции друг с другом, соединяя при этом между собой две смежные стенки, по одной из каждой секции, в элемент (18, 19; 118, 119), вытянутый в радиальном направлении компонента и предназначенный для передачи возникающих при работе компонента усилий.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую из секций (13; 113) изготавливают из разделенных между собой первой стенки (1; 101) и второй стенки (2; 102), расстояние между которыми по окружности определяет размеры образуемого ими канала (3; 103) для прохода газа.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что соединенные первая и вторая стенки (1,2; 101,102) имеют протяженность в радиальном направлении.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что между первой и второй стенками устанавливают соединенную с ними третью стенку (5), ограничивающую в одном радиальном направлении канал для прохода газа.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что края третьей стенки (5) приваривают лазерной сваркой к обращенным друг к другу сторонам первой и второй стенок (1, 2) таким образом, что примыкающие друг к другу участки стенок образуют Т-образное сварное соединение (8).

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что третья стенка (5) образована стороной первого плоского элемента (4), который устанавливают между первой и второй стенками, и размеры и форма которого соответствуют расстоянию между стенками и их форме.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что между первой и второй стенками (1, 2) устанавливают соединенную с ними четвертую стенку (10), ограничивающую во втором радиальном направлении канал для прохода газа.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что края четвертой стенки (10) приваривают лазерной сваркой к обращенным друг к другу сторонам первой и второй стенок таким образом, что примыкающие друг к другу участки стенок образуют Т-образное сварное соединение.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что четвертая стенка (10) образована стороной второго плоского элемента (9), который устанавливают между первой и второй стенками, и размеры и форма которого соответствуют расстоянию между стенками и их форме.

10. Способ по п.2, отличающийся тем, что первые и вторые стенки (1,2; 101, 102) соединяют с внутренним и/или наружным кольцом (24, 25; 31, 34).

11. Способ по п.2, отличающийся тем, что первая и вторая стенки (101, 102) являются частями, по существу, одного U-образного элемента (30).

12. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что основание (33) U-образного элемента (30) соединяют с внутренним кольцевым элементом (31).

13. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что боковые стенки U-образного элемента (30) соединяют с наружным кольцом (34).

14. Способ по п.2, отличающийся тем, что все секции компонента выполнены аналогично первой секции.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что компонент статора (29, 129) имеет, по существу, кольцеобразную форму, при этом между внутренним и наружным кольцами в осевом направлении проходят каналы, предназначенные для направления потока газа.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что компонент статора (29, 129) используют в газовой турбине.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что компонент статора (29, 129) используют в реактивном двигателе.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный элемент (18, 19; 118, 119), вытянутый в радиальном направлении компонента, предназначен также для направления потока газа.

19. Способ изготовления компонента статора (29, 129), предназначенного для направления потока газа, отличающийся тем, что компонент изготавливают по меньшей мере из двух секций (13, 14, 15; 113) кольца, каждая из которых имеет по меньшей мере одну стенку (1, 2; 101, 102), и собирают секции друг с другом, соединяя при этом между собой две смежные стенки, по одной из каждой секции, в элемент (18, 19; 118, 119), вытянутый в радиальном направлении компонента и предназначенный для направления потока газа и/или передачи возникающих при работе компонента усилий, причем указанные смежные стенки соединяют между собой накладками, закрывающими зазоры между этими стенками.