РЕБРО АТАКИ ДЕТАЛИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ СВЕРХУПРУГОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2013 года по МПК F01D5/28 F01D5/18 

Изобретение относится к детали газотурбинного двигателя, содержащей основную часть и ребро атаки.

В нижеследующем описании термины «передний» и «задний» определены относительно направления нормальной циркуляции воздуха вдоль детали. Термины «длина» и «высота» определяют соответственно наибольший размер и наименьший размер детали перпендикулярно направлению циркуляции воздуха.

Под ребром атаки детали понимают часть детали, которая при нормальном функционировании подвергается воздействию потока воздуха и непосредственно встречается с этим потоком. Ребро атаки является, таким образом, частью, расположенной на самом входе детали. В газотурбинном двигателе лопатки представляют собой пример деталей, которые подвержены воздействию потока воздуха.

Поток воздуха, который циркулирует вокруг неподвижных или подвижных деталей газотурбинного двигателя, может нести с собой посторонние тела (мелкий гравий, льдинки, ...), которые с большой скоростью сталкиваются с этими деталями и наносят им повреждения. В частности, именно ребро атаки таких деталей подвергается столкновениям и, вследствие этого, деформируется нежелательным образом. Такое повреждение является особенно вредным, когда речь идет о лопатках турбины, в частности, OGV (выходные направляющие лопатки) и IGV (входные направляющие лопатки), которые участвуют в создании тяги, развиваемой газотурбинным двигателем. Действительно, столкновение с посторонними телами может нарушить структурную целостность лопатки (возникновение внутренних или внешних трещин, а также расслаивание в случае изготовления деталей из композитных материалов), что вызывает разрушение деталей и крупные неисправности расположенных далее деталей газотурбинного двигателя. С другой стороны, такое столкновение практически систематически деформирует ребро атаки лопатки, что изменяет ее идеальный аэродинамический профиль и нарушает течение потока воздуха вокруг этой лопатки, что ухудшает рабочие характеристики газотурбинного двигателя.

Таким образом, необходимо защитить ребро атаки детали газотурбинного двигателя от воздействия столкновений этой детали с посторонними телами. Эта защита в настоящее время осуществляется путем наложения на ребро атаки этой детали металлического слоя из стали или титанового сплава, который повторяет профиль ребра атаки и находится в контакте с этим ребром атаки. Функцией этого слоя является возможно наиболее полное поглощение энергии столкновения с посторонним телом для ограничения повреждений детали. Однако, несмотря ни на что, деталь получает повреждения вследствие повторяющихся столкновений, и поверхность слоя постоянно деформируется, что наносит вред аэродинамическому профилю детали. Впрочем, часто для деформации слоя достаточно одного единственного энергичного столкновения, которое превышает предел упругости (то есть является причиной деформаций, превышающих максимальную упругую деформацию материала, деформирующегося, впрочем, в пластичной области необратимо).

Настоящее изобретение направлено на устранение этих недостатков или, по меньшей мере, на их уменьшение.

В изобретении предлагается деталь, которая может принять свою первоначальную форму после столкновения с посторонним телом и механические характеристики которой не искажаются вследствие этого столкновения.

Эта цель достигается тем, что ребро атаки детали образовано, по меньшей мере, на части длины детали, листом материала, который закреплен на основной части и простирается от внутренней поверхности к внешней поверхности основной части, образуя пространство между этим листом и входным краем основной части, при этом материал при воздействии ниже максимальной деформации (ε2) способен деформироваться сверхупругим реверсивным образом при столкновении с посторонним телом без повреждения основной части.

Благодаря такой конструкции ребро атаки детали под действием столкновения с посторонним телом деформируется, но без повреждения основной части детали, которая является его структурной частью. Более того, благодаря сверхупругим свойствам материала, образующего ребро атаки, ребро атаки способно, по существу, восстанавливать свою первоначальную форму после столкновения, даже после столкновения с большой энергией.

Например, сверхупругим материалом является сплав с памятью формы в аустенитной фазе.

Предпочтительно, материал способен при деформации, превышающей максимальную деформацию (ε2), восстанавливать свою форму, которую он имел перед деформацией, путем нагрева выше переходной температуры (Tt).

Благодаря такой конструкции ребро атаки, даже сильно деформированное (то есть выше деформации ε2) вследствие столкновения, способно при нагреве материала, образующего ребро атаки, выше переходной температуры, по существу, восстанавливать свою первоначальную форму, которое оно имело до столкновения.

Изобретение относится также к способу изготовления детали газотурбинного двигателя, содержащей основную часть с ребром атаки.

В соответствии с изобретением способ включает: притупление ребра атаки основной части; крепление на основной части листа материала, который простирается от внутренней поверхности к внешней поверхности основной части, по меньшей мере на части ее длины, таким образом, что лист восстанавливает профиль ребра атаки перед притуплением ребра атаки, причем этот материал способен при деформации ниже максимальной (ε2) реверсивно сверхупруго деформироваться при столкновении с посторонним телом без повреждения основной части.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг.1 изображает аксонометрию сечения лопатки газотурбинного двигателя в соответствии с известным уровнем техники,

- фиг.2 изображает вид в поперечном разрезе лопатки газотурбинного двигателя по изобретению,

- фиг.3 изображает вид в поперечном разрезе другого варианта осуществления лопатки газотурбинного двигателя по изобретению,

- фиг.4 изображает пример кривой напряжения деформации сплава с памятью формы.

Нижеследующее описание касается случая, когда деталью, имеющей ребро атаки, является лопатка. Например, эта лопатка является OGV (выходной направляющей лопаткой) или IGV (входной направляющей лопаткой). Однако изобретение применимо к любой детали газотурбинного двигателя, имеющей ребро атаки и подвергающейся воздействию воздушного потока, такой как, например, входной кронштейн картера.

Фиг.1 изображает сечение лопатки 10 газотурбинного двигателя. Эта лопатка 10 содержит входную кромку 20, внутреннюю поверхность 30, внешнюю поверхность 50 и заднюю кромку 40. Входная кромка 20 является частью лопатки, которая первой встречает поток воздуха при нормальном функционировании газотурбинного двигателя и которая образует, в данном случае, ребро атаки лопатки 10. На фиг.1-3 этот поток протекает справа налево по стрелке. Внутренняя поверхность 30 является вогнутой поверхностью лопатки 10, а именно поверхностью, вдоль которой поток воздуха, циркулирующий вдоль лопатки 10, вызывает повышение давления. Внешняя поверхность 50 является выпуклой поверхностью лопатки 10, а именно поверхностью, вдоль которой поток воздуха вызывает разрежение. Таким образом, лопатка 10 имеет, по существу, форму искривленной пластины, толщина которой увеличивается от задней кромки 40 к ее передней кромке 20.

Фиг.2 изображает лопатку 10 по изобретению. Эта лопатка 10 содержит, с одной стороны, основную часть 15, имеющую переднюю кромку 20, внутреннюю поверхность 30, внешнюю поверхность 50 и заднюю кромку 40, и, с другой стороны, лист 60. Основная часть 15 идентична лопатке по фиг.1. Передняя кромка 20 основной части 15 покрыта листом 60. Лист 60 вытянут в длину в направлении D, в котором вытянута передняя кромка 20 основной части 15. Лист в ширину размещен в плоскости, перпендикулярной направлению D (это направление D перпендикулярно плоскости фиг.2). Таким образом, в этой плоскости лист размещен от первого края 61 до второго края 62, при этом каждый из этих краев размещен в направлении D. Первый край 61 закреплен по всей своей длине (то есть в направлении D) на внешней поверхности 50 вблизи передней кромки 20, и второй край 62 закреплен по всей своей длине на внутренней поверхности 30 вблизи передней кромки 20. Таким образом, лист 60 по существу имеет U-образную форму в плоскости, перпендикулярной направлению D.

Важно, что эти крепления не вызывают нарушений, обусловленных поверхностью детали, для того чтобы не искажать поток воздуха вдоль внутренней поверхности 30 и внешней поверхности 50. Таким образом, эти крепления могут осуществляться, например, склеиванием, пайкой, сваркой или клепкой.

Передняя кромка 20 основной части закрыта по всей своей длине (в направлении D) листом 60. Альтернативно, лист 60 может закрывать переднюю кромку 20 только на части ее длины.

Материал, из которого изготовлен лист 60, является сверхупругим материалом, то есть материалом, который способен восстанавливать свою первоначальную форму, когда напряжение, которому он был подвергнут, убрано (реверсивная деформация), и это справедливо для деформаций, значительно превышающих деформацию, соответствующую обычному пределу упругости сплавов. Таким образом, для обычного сплава предел упругости, то есть напряжение, до которого деформация является обратимо упругой (классическая упругость), составляет порядка 0,1%. Для сверхупругого материала он составляет порядка нескольких процентов.

Например, сверхупругий материал листа 60 является сплавом с памятью формы. В сплавах с памятью формы сверхупругость вызвана обратимой трансформацией из аустенитной фазы (гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка) в мартенситную фазу (тетрагональная кристаллическая решетка) при постоянной, по существу, температуре. Сплавы с памятью формы являются, например, сплавами медь-никель (Cu-Ni), медь-цинк-никель (Cu-Zn-Ni) или никель-титан (Ni-Ti, Nitinol®), обычно сплавляемые с другими элементами (железо, ниобий).

Фиг.4 дает пример кривой напряжения деформации (или σ (е)) сплава с памятью формы. Видно, что эта кривая имеет три области: при деформации е, меньшей минимальной деформации е1 (область I), материал является линейно упругим (классическая упругость); при деформации е, составляющей от е1 до максимальной деформации е2, превышающей минимальную деформацию е1 (область II), материал является сверхупругим (он сильно деформируется при мало повышающемся напряжении); при деформации е, превышающей максимальную деформацию е2 (область III), деформация не является обратимой. Область II является диапазоном сверхупругих деформаций. Максимальная деформация е2 может, например, изменяться от 3% до 10%.

Перед приложением напряжения σ (то есть перед столкновением) сплав с памятью формы, из которого выполнен лист 60, является аустенитным. Энергия столкновения с посторонним телом вызывает металлургический переход этого сплава в мартенситную фазу и приводит к обратимой сверхупругой деформации листа 60 (то есть деформация находится в диапазоне деформаций [е1; е2]). После столкновения сплав возвращается в первоначальную форму (как перед столкновением).

Для аккомодации листа 60 в результате столкновения существуют пространства 70 между листом 60 и передней кромкой 20 основной части 15, как изображено на фиг.2. Пространство 70 является полой полостью. Таким образом, полость 70 имеет размер, достаточный для того, чтобы лист 60 мог деформироваться без касания передней кромки 20 основной части 15, или, если он ее коснется, он не причинил бы вредных последствий механической целостности основной части 15.

Расстояние отдачи листа 60 зависит от энергии и формы бомбардирующих частиц при столкновении, толщины листа и размера детали. Расстояние отдачи составляет, например, от 0,1 мм до 2 мм (миллиметров). Лист имеет толщину, например, составляющую от 0,1 до 0,5 мм.

Чтобы выполнить полость 70, передняя кромка 20 основной части 15 может быть притуплена для образования передней поверхности 25, которая, по существу, является плоской. Такой вариант осуществления изображен на фиг.3. Лист 60 может также быть закреплен на основной части 15 таким образом, что он восстанавливает профиль передней кромки 20 (ребра атаки) основной части 15 перед притуплением этой передней кромки 20. Таким образом, получают деталь 10, ребро атаки которого образовано листом 60 из сверхупругого материала, при этом форма и объем детали 10 являются, по существу, идентичными первоначальным форме и объему основной части 15 перед притуплением ее передней кромки 20. Таким образом, аэродинамические характеристики детали 10 сохранены.

Альтернативно, пространство 70 может быть заполнено заполняющим материалом, жесткость которого, по существу, меньше жесткости Е0 материала основной части 15. Этот заполняющий материал (например, твердая пена) позволяет осуществить более легкое крепление листа 60 на основной части 15 и обеспечить механическую опору этому листу 60.

Предпочтительно, жесткость Е материала листа 60 в случае, когда этот материал подвергается деформации е, меньшей минимальной деформации е1 (область I), составляет величину порядка жесткости Е0 материала основной части 15. Следовательно, деформация е листа 60 останется в области I упругости (деформации, меньшие минимальной деформации е1) до более высокого напряжения σ в виде, равном напряжению σ1 = Е·е1. Таким образом, лопатка 10 будет противодействовать столкновениям с посторонними телами, имеющими более значительную энергию (то есть до столкновений, которые вызывают в листе 60 напряжения σ, меньшие σ1), практически не деформируясь, и материал листа 60 перейдет в сверхупругую область II (область деформаций, превышающих минимальную деформацию е1, и меньших максимальной деформации е2) только при значительной энергии столкновений. Таким образом, лист 60 будет сохранять длительное время свою способность к сверхупругой деформации. Действительно, известно, что сплавы с памятью формы стареют при превышении заданного количества циклов сверхупругих деформаций, это старение происходит вследствие ухудшения способности таких сплавов к восстановлению их первоначальной формы после деформации.

Температуры аустенитно-мартенситного перехода сплава с памятью формы, из которого выполнен лист 60, должны быть ниже рабочего диапазона температур детали 10, в которой лист 60 образует ребро атаки. Действительно, в противном случае, эффект сверхупругости (который вызван только приложением механического напряжения) искажается, и лист 60 не восстанавливает своей первоначальной формы, которую он имел перед столкновением. В этом температурном рабочем диапазоне лист 60 находится, таким образом, в аустенитной фазе. В газотурбинном двигателе этот диапазон температур составляет, обычно, от -50°С до 130°С для деталей, называемых, обычно, «холодными», в частности, на входе камеры сгорания.

Возможно, что некоторые столкновения с высокой энергией (значительные масса или скорость постороннего тела) вызывают в некоторых зонах листа 60 деформации е3, превышающие максимальную деформацию е2 (область III). В этих зонах материал испытывает частично необратимую деформацию, при этом необратимая деформация соответствует |е3-е2|. В случае сплавов с памятью формы энергия столкновения в этих зонах заставляет перейти материал из аустенитной фазы в мартенситную фазу и, таким образом, после столкновения материал находится в мартенситной фазе. Эта остаточная необратимая деформация может стать обратимой, если деформированные зоны нагреть выше переходной температуры Tt, которая является верхней границей температурного диапазона перехода из мартенсита в аустенит для сплава с памятью формы. Переходная температура Tt является характеристикой, присущей сплавам с памятью формы.

В общем, ребро атаки может быть выполнено из любого сверхупругого материала, который под воздействием деформаций, превышающих максимальную деформацию е2, способен принять свою первоначальную форму (которую он имел перед деформацией) при нагреве выше переходной температуры Tt.

Деталь (10) газотурбинного двигателя и способ ее изготовления. Предпочтительно деталь (10) является лопаткой. Деталь (10) содержит основную часть (15) и ребро атаки. Ребро атаки, по меньшей мере на части длины упомянутой детали, образовано листом (60) материала, предпочтительно сплавом с памятью формы. Лист (60) закреплен на основной части (15) и простирается от внутренней поверхности (30) к внешней поверхности (50) основной части (15) с образованием пространства (70) между листом и передней кромкой (20) основной части (15). Этот материал способен при деформации, меньшей максимальной деформации (ε2), реверсивно сверхупруго деформироваться при столкновении с посторонним телом без повреждения основной части (15). Способ изготовления детали (10) включает в себя: притупление ребра атаки основной части (15); крепление на основной части (15) листа (60) материала таким образом, что лист (60) восстанавливает профиль ребра атаки упомянутой основной части перед притуплением этого ребра атаки. Достигается деформация ребра атаки детали под действием столкновения с посторонним телом без повреждения основной части детали и восстановление первоначальной формы после столкновения с большой энергией. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Деталь (10) газотурбинного двигателя, содержащая основную часть (15) и ребро атаки, отличающаяся тем, что упомянутое ребро атаки образовано, по меньшей мере, на части длины упомянутой детали листом (60) из материала, который закреплен на упомянутой основной части (15) и который простирается от внутренней поверхности (30) до внешней поверхности (50) упомянутой основной части, образуя пространство (70) между упомянутым листом и передней кромкой (20) упомянутой основной части (15), при этом упомянутый материал способен ниже максимальной деформации (ε2) сверхупруго реверсивно деформироваться при столкновении с посторонним телом без нанесения ущерба упомянутой основной части (15).

2. Деталь (10) газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый материал является сплавом с памятью формы в аустенитной фазе.

3. Деталь (10) газотурбинного двигателя по п.1 или 2, отличающаяся тем, что жесткость упомянутого материала является величиной порядка величины жесткости материала упомянутой основной части (15), когда упомянутый материал подвергается деформации, меньшей минимальной деформации (ε1), при этом эта минимальная деформация (ε1) меньше максимальной деформации (ε2).

4. Деталь (10) газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый материал способен при деформации выше упомянутой максимальной деформации (ε2) восстанавливать свою форму, которую он имел перед деформацией, посредством нагрева выше переходной температуры (Tt).

5. Деталь (10) газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое пространство (70) образует полую полость.

6. Деталь (10) газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что передняя кромка (20) упомянутой основной части (15) является, по существу, плоской передней поверхностью (25).

7. Деталь (10) газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый лист (60) закрывает переднюю кромку (20) основной части (15) по всей ее длине.

8. Деталь (10) газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая деталь (10) является лопаткой.

9. Газотурбинный двигатель, содержащий деталь по одному из пп.1-8.

10. Способ изготовления детали (10) газотурбинного двигателя, содержащей основную часть (15) с ребром атаки, отличающийся тем, что он включает в себя: притупление ребра атаки основной части (15); крепление на основной части (15) листа (60) материала, который простирается от внутренней поверхности (30) к внешней поверхности (50) основной части (15), по меньшей мере, на части длины упомянутой основной части таким образом, что лист (60) восстанавливает профиль ребра атаки упомянутой основной части перед притуплением этого ребра атаки, при этом упомянутый материал способен при деформации ниже максимальной деформации (ε2) реверсивно сверхупруго деформироваться при столкновении с посторонним телом без повреждения основной части (15).