СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛОЙ ЛОПАТКИ ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2009 года по МПК B23P15/04 B21K3/04 

Область техники и состояние техники

Настоящее изобретение относится в целом к способам изготовления лопаток для турбомашин, таких как полые лопатки вентилятора или лопатки другого типа ротора и статора турбомашин.

Обычно полая лопатка вентилятора для турбомашины включает основание, имеющее большую толщину и служащее для крепления этой лопатки на диске ротора, причем это основание продолжено в радиальном направлении в сторону от оси вращения тонкой аэродинамической частью, называемой пером лопатки.

Из уровня техники (смотри, например, US 5636440) известен способ изготовления такой полой лопатки, принципиально основанный на технике диффузионной сварки, объединенной с техникой формообразования в условиях сверхпластичности. В этом известном из уровня техники способе две или три детали, составляющие лопатку, сначала моделируют, затем изготовляют отдельно, после чего накладывают одну на другую и собирают при помощи техники диффузионной сварки для получения предварительной нужной формы лопатки.

После этого заранее изготовленной предварительной форме придают аэродинамический профиль, затем эту предварительную форму подвергают операциям наддува газом под давлением и формообразования в условиях сверхпластичности для того, чтобы получить лопатку, имеющую, по существу, свою окончательную форму.

Как это было упомянуто выше, изготовление предварительной формы лопатки нуждается в этапе создания, по меньшей мере, двух наружных деталей. Изготовление наружных деталей осуществляется обычно посредством механической обработки элементов из исходного материала. Вследствие того что каждая из двух наружных механически обработанных деталей должна иметь две радиально противоположные части очень разной толщины (эти две составные части наружной детали называются соответственно часть ножки и часть пера), элементы из исходного материала обязательно должны иметь относительно большие начальные размеры.

Один из вариантов - это использование толстых листов, из которых делают первичные детали, например, механической обработкой. Микроструктура толстых листов, однако, неудовлетворительна.

Другой вариант с целью улучшения микроструктуры лопатки состоит в изготовлении первичных деталей из тонких листов с последующей сваркой двух или трех листов вместе с осуществлением после этого осаживания для формирования элемента ножки. Эта операция, однако, ограничена возможной потерей устойчивости в горячем состоянии, т.к. толщина предварительной формы должна быть больше трети длины, необходимой для образования ножки. Геометрия ножки лопатки не должна в этом случае иметь потребность в значительном объеме материала.

Таким образом, изготовление наружных деталей, предназначенных для образования, по меньшей мере, частично предварительной формы лопатки, получаемой, например, посредством прокатки, приводит к очень высокой стоимости материала и обработки, следовательно, этот способ изготовления полой лопатки не является полностью оптимальным.

Описание изобретения

Настоящее изобретение имеет целью предложить способ изготовления полой лопатки для турбомашины, устраняющий, по меньшей мере, частично неудобства, упомянутые выше.

Точнее, по одному из его аспектов изобретение относится к способу изготовления полой лопатки, при котором этап получения наружных деталей предварительной формы лопатки приводит к существенно меньшим затратам по сравнению со стоимостью аналогичных этапов, известных из уровня техники.

В частности, только одна из первичных наружных деталей имеет сложную форму: элемент ножки предварительной формы, будущая ножка лопатки, сформирована только из этой первой первичной детали, которая содержит, следовательно, на одном из своих концов запас материала, достаточный для формирования всего элемента ножки, т.е. полностью тот элемент, который выступает по отношению к продолжению элемента пера. Следовательно, имеет место частичный перевод материала в другую сторону по отношению оси лопатки. Эту первичную деталь получают преимущественно обработкой давлением (ковкой).

Преимущественно другая первичная наружная деталь может иметь листовую форму, простой элемент, легко обрабатываемый без слишком высокой стоимости. Кроме того, может быть изготовлена механической обработкой третья первичная деталь для того, чтобы образовать в предварительной форме усиливающий элемент или элемент, повышающий жесткость.

Предпочтительно после диффузионной сварки предварительной формы следует формообразование в условиях сверхпластичности с целью изготовления самой лопатки. Формообразованию в условиях сверхпластичности может предшествовать придание предварительной форме аэродинамического профиля и наддув газом под давлением.

Способ согласно изобретению включает предпочтительным образом этап смещения запаса материала, локализованного в первой первичной наружной детали для того, чтобы сформировать симметричный элемент ножки. Этот этап может быть осуществлен посредством обработки давлением (ковки), преимущественно горячей обработки давлением. Смещение может быть осуществлено после диффузионной сварки, например, во время придания предварительной форме аэродинамического профиля.

Краткое описание чертежей

Характеристики и преимущества изобретения будут более понятны из описания, которое следует далее со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, приведенные чисто иллюстративно и ни в коей мере не ограничительно, на которых:

фиг.1 представляет классическую полую лопатку турбомашины;

фиг.2 представляет предварительную форму лопатки в том виде, какую она имеет после диффузионной сварки, или в том, как ее моделируют для определения размеров первичных деталей;

фиг.3 - схематическое изображение в аксонометрии комплекта деталей, составляющих предварительную форму;

фиг.4 - схематическое изображение операции смещения запаса материала;

фиг.5А и 5В - смещение посредством обработки давлением (ковки) способа осуществления изобретения.

Подробное изложение отдельных способов изготовления

На фиг.1 показана полая лопатка 1 типа лопатки ротора вентилятора с большой хордой для турбомашины (не показана). Такая лопатка сложной геометрии, изготовленная, например, из титана или его сплавов, таких как TiAlV (титан-алюминий-ванадий), включает ножку 2, продолженную в радиальном направлении пером 4. Перо 4, предназначенное для его помещения в струю воздушного потока турбомашины, имеет две поверхности, соответственно называемые внутренней поверхностью 6 и спинкой 8 лопатки, соединенные входной кромкой 10 и выходной кромкой 12.

Для изготовления такого сложного профиля для полой лопатки используют преимущественно процесс диффузионной сварки и формообразование в условиях сверхпластичности (SPF/DB от англо-саксонского названия "Super Plastic Forming/Diffusion Bonding").

Каким бы ни был используемый способ, первый этап состоит в моделировании профиля лопатки 1 с целью получения предварительной формы, которую можно изготовить сваркой первичных деталей: стенки внутренней поверхности 6 и спинки 8 лопатки, или их графическое представление размещают на одной плоскости. Эта операция может быть выполнена посредством компьютерного моделирования, осуществляя, например, в обратном порядке операции наддува, скручивания и гибки, что позволяет получить предварительную форму 14 в том виде, как она показана на фиг.2.

Эта предварительная форма включает элемент 16 ножки, который продолжен в радиальном направлении элементом пера. Как можно видеть на этой фиг.2, элемент ножки имеет участок 20 увеличенной средней толщины Е, определяемый сторонами элемента 18 пера и их продолжениями, называемыми также плоскостями АА предварительной формы 14. Следует отметить в справочном порядке, что выступающий участок 20 предназначен в дальнейшем для обеспечения крепления лопатки в диске ротора турбомашины, в частности, благодаря двум наклонным участкам 22а и 22b, выступающим с одной и с другой стороны центрального участка 22с, предусмотренного в продолжение элемента 18 пера.

Элемент 18 пера предварительной формы 14 имеет на конце 24, внутреннем в радиальном направлении, толщину е и на конце 26, наружном в радиальном направлении толщину е', обычно несколько меньшую, чем толщина е. Однако элемент 18 пера предварительной формы 14 имеет, по существу, постоянную толщину, разница между е и е' на фиг.2 преувеличена.

Для изготовления предварительной формы (которая должна для полой лопатки 1 иметь возможность быть “надутой” и не может быть, следовательно, единым блоком) первичные детали должны быть разработаны отдельно, а затем соединены вместе. Возможно задать форму первичным деталям различным способом, наиболее очевидным является продольное сечение по центральной плоскости ВВ, так как предложено в документе US 5636440. Такой выбор имеет основным недостатком то, что, по меньшей мере, две детали сложного профиля должны быть подвергнуты механической обработке, причем каждая из них включает соответственно участок 22а или 22b элемента 16 ножки.

Согласно изобретению только одна первичная деталь может иметь сложный профиль: путем смещения материал, необходимый для формирования элемента 16 ножки, сосредоточен только с одной из сторон плоскости АА предварительной формы 14 продолжения наружной поверхности пера. Можно получить также две первичных наружных детали 28, 30, таких, которые представлены на фиг.3: первая первичная деталь 30 представляет часть пера, по существу, листовой формы с запасом 34 материала на одном из своих концов; вторая первичная наружная деталь 28 имеет, по существу, листовую форму. Любая из двух первичных наружных деталей 28, 30 могут быть использованы в качестве внутренней поверхности 6 или спинки 8 лопатки.

В зависимости от размеров лопатки и, следовательно, возникающих в ней напряжений, может быть предусмотрена третья первичная деталь 36, которая могла бы быть использована для повышения жесткости предварительной формы, будучи установленной между наружными деталями 28, 30. Эта усиливающая деталь 36 также имеет, по существу, листовую форму. Под деталью, по существу, листовой формы понимают деталь малой толщины по сравнению с ее длиной и ее шириной, и толщина которой, по существу, постоянна, преимущественно порядка от 2 до 8 мм, преимущественно 5 мм. Техника изготовления прокаткой особенно применима для этих деталей 28, 36 и совершенно оптимальна с точки зрения стоимости материала и механической обработки в том смысле, что исходный материал, необходимый для их изготовления, может иметь размеры, близкие к окончательным размерам этих деталей.

Первая первичная деталь 30 также может быть изготовлена из листа, имеющего преимущественно заданный градиент толщины, или из кованной (обработанной давлением) детали, или из любого другого исходного материала, имеющего искомые характеристики. Любые известные специалисту способы могут быть использованы для механической обработки самой детали. Во всяком случае с целью оптимизации свойств и микроструктуры лопатки кованный исходный материал, дающий возможность изготовления первичной детали 30 с наилучшей микроструктурой, будет предпочтительным.

После изготовления первичные детали 28, 30 собирают вместе в заготовку 38 и соединяют при необходимости вместе с усиливающей первичной деталью 36, предназначенной для придания жесткости полой структуре. Преимущественно детали соединяют посредством диффузионной сварки.

После сварки запас 34 материала расположен только с одной стороны заготовки 38, в остальном, как правило, плоской. Затем осуществляют частичный перенос запаса 34 на другую сторону второй наружной первичной детали 28 таким образом, чтобы распределить массу ножки 2 лопатки 1 (соответственно элемент 16 ножки предварительной формы 14) с одной и с другой стороны пера 4 (соответственно элемента 18 пера). На фиг.4 показан перенос избытка материала 40 с одной стороны плоскости АА заготовки 38 на другую сторону для формирования выступа 42 из смещенного материала, который будет составлять единое целое элемента 16 ножки предварительной формы 14 и лопатки 1.

По предпочтительному способу изготовления “смещение” осуществляют преимущественно на прессе в горячем состоянии, например при температуре от 850° до 950°С, и это, в частности, осуществляют всеми известными видами обработки давлением типа “прессование”.

Один пример схематически показан на фиг.5. Заготовка 38 после сварки первичных деталей 28, 30 (смотри фиг.3), асимметричная, но имеющая плоскость 44 соединения, помещена в пресс с двумя матрицами 46, 46', преимущественно нагретыми. Матрицы 46, 46' имеют каждая углубления 48, 48' в форме “турецкой шапки”, которые облегчают позиционирование заготовки 38, преимущественно также нагретой. Предпочтительно закрытые матрицы 46 выбраны для того, чтобы благоприятствовать мягкому волокнообразованию материала, В конце процесса материал 40 первоначально выше верхнего углубления 48 заполняет нижнее углубление 48'. В отличие от схемы фиг.4 и как показано на фиг.5В, видно, что плоскость 44 соединения также смещена.

Одновременно со смещением или вслед за ним предварительной форме 14 преимущественно придают аэродинамический профиль.

После этого предварительная форма, которой в случае необходимости придали аэродинамическую форму, подвергается механической обработке для получения лопатки 1. Преимущественным образом этот этап осуществляют наддувом газом под давлением и формообразованием в условиях сверхпластичности согласно известным условиям техники SPF/DB.

Благодаря способу согласно изобретению возможно, следовательно, изготавливать лопатку и предварительную форму лопатки из простых элементов типа листов, в том что касается, по меньшей мере, одной из двух наружных деталей и при необходимости центральной детали, и только из одного сложного исходного материала, содержащего запас материала для ножки лопатки; следует отметить, что изготовление сложных деталей такого типа составляет более 40% стоимости лопатки. Следовательно, стоимость изготовления значительно снижается, т.к. только одна деталь порождает потери материала и деликатную механическую обработку.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении лопаток для турбомашин. Изготавливают по меньшей мере две первичные наружные детали, которые сваривают между собой диффузионной сваркой. В результате получают предварительную форму лопатки, которая имеет элемент пера, ограниченный плоскостями, и элемент ножки. Первая первичная деталь содержит участок пера и запас материала, выступающий по отношению к плоскости предварительной формы на одном из ее концов. Запас материала предназначен для образования из него элемента ножки предварительной формы. В результате обеспечивается снижение стоимости изготовления полой лопатки. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ изготовления полой лопатки (1) для турбомашины, содержащей ножку (2) и перо (4), включающий этап изготовления по меньшей мере двух первичных наружных деталей (28, 30), этап их диффузионной сварки для создания предварительной формы (14) лопатки, которая имеет элемент (18) пера, определенный плоскостями (АА, А'А') предварительной формы, и элемент (16) ножки, отличающийся тем, что этап изготовления по меньшей мере двух первичных наружных деталей включает изготовление первой первичной детали (30), которая содержит участок (32) пера и запас (34) материала, выступающий по отношению к плоскости (АА) предварительной формы на одном из ее концов с возможностью образования упомянутым запасом (34) материала элемента (16) ножки предварительной формы (14).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что он включает этап смещения запаса (34) материала после диффузионной сварки двух первичных наружных деталей (28, 30) для формирования элемента (16) ножки предварительной формы (14).

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что этап смещения запаса материала для формирования элемента ножки осуществляют обработкой давлением путем ковки.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что этап смещения запаса материала для формирования элемента ножки осуществляют горячей обработкой давлением путем ковки при температуре от 850 до 950°С.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап изготовления обеих наружных деталей включает изготовление другой первичной наружной детали (28), по существу, листовой формы.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что он включает изготовление третьей первичной усиливающей детали (36), при этом предварительную форму (14) образуют двумя наружными первичными деталями (28, 30), окружающими третью первичную усиливающую деталь (36).

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что изготовление первой первичной детали (30) включает обработку давлением исходного материала путем ковки.

8. Способ изготовления полой лопатки (1) для турбомашины, содержащей ножку (2) и перо (4), отличающийся тем, что он включает обработку давлением путем ковки исходного материала для изготовления первой первичной наружной детали (30), содержащей участок (32) пера и запас (34) материала, выступающий по отношению к плоскости (АА) предварительной формы на одном из ее концов, изготовление второй первичной наружной детали (28), по существу, листовой формы, этап диффузионной сварки двух первичных наружных деталей для создания предварительной формы (14) лопатки, которая имеет элемент (18) пера и запас материала, выступающий по отношению к одной из ее плоскостей (АА), и смещение запаса (34) материала относительно плоскости (АА) для формирования элемента (16) ножки предварительной формы (14).

9. Способ по любому из пп.1-6, 8, отличающийся тем, что после этапа диффузионной сварки двух первичных наружных деталей (28, 30) осуществляют наддув газом под давлением и формообразование в условиях сверхпластичности из предварительной формы (14) лопатки.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что перед наддувом предварительной форме (14) придают аэродинамический профиль.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что смещение запаса (34) материала осуществляют в процессе придания предварительной форме (14) аэродинамического профиля.