СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2019 года по МПК B23P15/00 B23K15/04 B23K31/02 

Изобретение относится к области изготовления роторов турбомашин с применением электронно-лучевой сварки, например, ротора компрессора высокого давления газотурбинного двигателя, детали которого изготовлены из никелевого жаропрочного сплава.

Тенденция развития ГТД предполагает не только повышение их качества и надежности, но и снижение веса деталей и узлов, а также и роторных компрессоров высокого давления, за счет внедрения неразъемных соединений путем замены болтовых и винтовых соединений сварными.

Известен способ изготовления ротора турбомашины при котором кольцевые его заготовки соединяют электродуговой сваркой, (заявка ЕР 2725214 за 2014, B23K 15/00).

В этом способе предлагается для повышения надежности свариваемых кольцевых заготовок вводить между ними разнородные материалы. Однако это может привести к снижению качества сварки основных узлов ротора, поскольку различные стали и титановые сплавы не желательно применять в конструкциях роторной турбины ввиду низких характеристик прочности и жаропрочности при ее рабочих температурах 650-700°С.

Известен способ изготовления ротора турбомашины, принятый за прототип, включающий изготовление вала ротора со стыковочной поверхностью и замковым элементом для соединения и кольцевых деталей ротора с плоскими торцевыми стыковочными поверхностями и замковыми элементами для их соединения, при этом все упомянутые замковые элементы выполнены с возможностью предотвращения попадания расплава внутрь ротора при сварочном соединении кольцевых деталей и вала, размещение упомянутых вала и деталей соосно друг другу, сборку с совмещением упомянутых стыковочных поверхностей и соединение посредством электронно-лучевой сварки по упомянутым поверхностям, проведение зачистки сварных швов с удалением замковых элементов и окончательную термическую обработку собранного ротора, (RU 2571673, 2014, B23K 15/00).

Недостатком известного из указанного прототипа способа изготовления ротора является отсутствие в нем технологических средств, позволяющих осуществлять достаточно простой процесс изготовления ротора с невысокой трудоемкостью, но обеспечивающий при этом высокое качество и точность его изготовления.

Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением является упрощение технологического процесса изготовления ротора со снижением его трудоемкости и с обеспечением при этом высокого качества и точности его изготовления.

Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении надежности и увеличения ресурса работы турбомашины

Указанная техническая проблема решается тем, что в способе изготовления ротора турбомашины, включающем изготовление вала ротора со стыковочной поверхностью и замковым элементом для соединения и кольцевых деталей ротора с плоскими торцевыми стыковочными поверхностями и замковыми элементами для их соединения, при этом все упомянутые замковые элементы выполнены с возможностью предотвращения попадания расплава внутрь ротора при сварочном соединении кольцевых деталей и вала, размещение упомянутых вала и деталей соосно друг другу, сборку с совмещением упомянутых стыковочных поверхностей и соединение посредством электронно-лучевой сварки по упомянутым поверхностям, проведение зачистки сварных швов с удалением замковых элементов и окончательную термическую обработку собранного ротора, стыковочные поверхности вала ротора и смежной с ним кольцевой детали со стороны вала выполняют в виде цилиндрических поверхностей, соосных продольной оси ротора, причем для сборки и соединения упомянутых вала и деталей используют осевой фиксатор, состоящий из штанги с прижимными дисками, на торцевой плоскости одного из которых, располагаемого со стороны вала ротора, выполнен кольцевой выступ с диаметром, соответствующим осевому отверстию упомянутого вала, и центрирующими элементами в виде сменных центровочных втулок, выполненных с диаметром, соответствующим осевым отверстиям кольцевых деталей, при этом сначала на кольцевом выступе упомянутого прижимного диска, размещенного на штанге осевого фиксатора, устанавливают вал ротора, а на соответствующей сменной центровочной втулке, размещенной на упомянутой штанге, устанавливают смежную с валом кольцевую деталь и фиксируют упомянутые вал и кольцевую деталь посредством прижимных дисков, причем перед сваркой осевой фиксатор с закрепленными на нем упомянутыми валом и деталью устанавливают таким образом, чтобы продольная ось его штанги была параллельна электронному лучу сварочной установки, который направляют на стыковочные поверхности, а после удаления замкового элемента и зачистки сварного шва между упомянутыми валом и деталью к ней последовательно пристыковывают остальные кольцевые детали ротора, которые устанавливают на соответствующей сменной центровочной втулке, размещенной на упомянутой штанге, при этом перед сваркой их фиксируют посредством прижимных дисков и устанавливают осевой фиксатор с закрепленными на нем деталями в заданное положение относительно электронного луча сварочной установки.

Способ поясняется фигурами, на которых показано:

на фиг. 1 - ротор турбомашины в сборе на осевом фиксаторе,

на фиг. 2 - вид А на фиг. 1, где на кольцевой детали и валу ротора турбомашины, состоящего из вала и кольцевых деталей изображены сопрягаемые цилиндрические поверхности с замковыми элементами для их соединения, выполненными с возможностью предотвращения попадания расплава внутрь ротора при сварочном соединении кольцевых деталей,

на фиг. 3 - вид Б на фиг. 1, где на кольцевых деталях ротора изображены торцевые стыковочные плоскости с замковыми элементами под сварку,

На фиг. 4 - изображена цилиндрическая форма сопрягаемых поверхностей кольцевой детали с валом ротора.

Способ изготовления ротора турбомашины заключается в следующем.

Изготавливают вал 1 и кольцевые детали 2, 14, 15 ротора, например из жаропрочного никелевого сплава, причем, кольцевые детали 14, 15 и 2 со стороны детали 14 выполняют с плоскими торцевыми стыковочными поверхностями 6,18 и замковыми элементами 19 под сварку. Вал 1 и кольцевую деталь 2 со стороны вала 1 выполняют со стыковочными поверхностями в виде цилиндрических поверхностей 3 и 4, соосных продольной оси ротора, и замковым элементом 5.

Для сборки деталей ротора используют осевой фиксатор, состоящий из штанги 7, прижимных дисков 8 и 9, (последний выполнен с кольцевым выступом 10 на торцевой плоскости, располагаемой со стороны вала ротора с диаметром, соответствующим осевому отверстию 11 упомянутого вала 1 ротора), и сменные центровочные втулки 12, одна из которых выполнена под осевые отверстия 13 кольцевых деталей 14, 15 ротора, а другая - под осевое отверстие 16 кольцевой детали 2 ротора. На штанге 7 устанавливают вал 1 и кольцевую деталь 2 так, чтобы их оси совместились с осью 17 штанги 7. Для этого на штангу 7 нанизывают сменную центровочную втулку 12, выполненную с диаметром, соответствующим осевым отверстиям 16 кольцевых деталей 2, закрепляют ее на прижимном диске 8 и вводят в отверстие 16 кольцевой детали 2. Затем стыковочные цилиндрические поверхности 3,4 вала 1 и кольцевой детали 2 ротора совмещают, фиксируют соединяемые элементы в таком положении на штанге 7 посредством прижимных дисков 8 и 9. Далее, например, с помощью манипулятора (условно не показан), осевой фиксатор с закрепленными деталями располагают таким образом, чтобы ось 17 штанги 7 была параллельна электронному лучу сварочной установки, который направляют на стыковочные цилиндрические поверхности 3, 4. После чего осевой фиксатор вращают и состыкованные детали 1, 2 сваривают электронно-лучевой сваркой в узел. В процессе сварки замковый элемент 5 предотвращает попадание расплава внутрь ротора. После электронно-лучевой сварки осевой фиксатор разбирают - снимают со штанги 7 прижимной диск 8 и втулку 12. Со сваренных в единый узел деталей удаляют замковый элемент 5 и зачищают сварной шов узла. Затем на штангу 7 осевого фиксатора к собранному узлу нанизывают втулку 12, выполненную под осевые отверстия 13 кольцевых деталей 14, 15 ротора, на которой размещают кольцевые детали 14, 15 и фиксируют их посредством прижимных дисков 8 и 9. Осевой фиксатор вновь устанавливают на манипулятор, который размещает торцевые стыковочные поверхности свариваемых кольцевых деталей 14, 15 в соответствие с положением оси электронного луча сварочной установки, и осуществляют окончательную электронно-лучевую сварку деталей, образующих ротор. Далее, после разборки осевого фиксатора зачищают сварные швы ротора и удаляют замковые элементы 19. После окончания механической обработки сварных швов выполняют окончательную термическую обработку сварной конструкции ротора, например путем закалки на воздухе с температурой, на 40-60°С, превышающей температуру полного растворения упрочняющей фазы Y' или путем закалки и старения с выдержкой при температуре на 120-320°С ниже полного растворения Y'.

Использование изобретения позволяет упростить технологический процесс изготовления ротора и обеспечить при этом высокое качество и точность его изготовления, что повышает надежность и увеличивает ресурс работы турбомашины в целом.

Изобретение относится к области изготовления роторов турбомашин с применением электронно-лучевой сварки. Способ включает изготовление вала ротора со стыковочной поверхностью и замковым элементом для соединения и кольцевых деталей ротора с плоскими торцевыми стыковочными поверхностями и замковыми элементами для их соединения, размещение упомянутых вала и деталей соосно друг другу, сборку с совмещением упомянутых стыковочных поверхностей и соединение посредством электронно-лучевой сварки по упомянутым поверхностям, проведение зачистки сварных швов с удалением замковых элементов и окончательную термическую обработку собранного ротора. При этом для сборки и соединения упомянутых вала и деталей используют осевой фиксатор, состоящий из штанги с прижимными дисками и центрирующими элементами в виде сменных центровочных втулок. Использование изобретения позволяет упростить технологический процесс изготовления ротора и обеспечить при этом высокое качество и точность его изготовления, что повышает надежность и увеличивает ресурс работы турбомашины в целом. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления ротора турбомашины, состоящего из вала и кольцевых деталей, включающий изготовление вала ротора со стыковочной поверхностью и замковым элементом для соединения и кольцевых деталей ротора с плоскими торцевыми стыковочными поверхностями и замковыми элементами для их соединения, при этом все упомянутые замковые элементы выполнены с возможностью предотвращения попадания расплава внутрь ротора при сварочном соединении кольцевых деталей и вала, размещение упомянутых вала и деталей соосно друг другу, сборку с совмещением упомянутых стыковочных поверхностей и соединение посредством электронно-лучевой сварки по упомянутым поверхностям, проведение зачистки сварных швов с удалением замковых элементов и окончательную термическую обработку собранного ротора, отличающийся тем, что стыковочные поверхности вала ротора и смежной с ним кольцевой детали со стороны вала выполняют в виде цилиндрических поверхностей, соосных продольной оси ротора, причем для сборки и соединения упомянутых вала и деталей используют осевой фиксатор, состоящий из штанги с прижимными дисками, на торцевой плоскости одного из которых, располагаемого со стороны вала ротора, выполнен кольцевой выступ с диаметром, соответствующим осевому отверстию упомянутого вала, и центрирующими элементами в виде сменных центровочных втулок, выполненных с диаметром, соответствующим осевым отверстиям кольцевых деталей, при этом сначала на кольцевом выступе упомянутого прижимного диска, размещенного на штанге осевого фиксатора, устанавливают вал ротора, а на соответствующей сменной центровочной втулке, размещенной на упомянутой штанге, устанавливают смежную с валом кольцевую деталь и фиксируют упомянутые вал и кольцевую деталь посредством прижимных дисков, причем перед сваркой осевой фиксатор с закрепленными на нем упомянутыми валом и деталью устанавливают таким образом, чтобы продольная ось его штанги была параллельна электронному лучу сварочной установки, который направляют на стыковочные цилиндрические поверхности, а после удаления замкового элемента и зачистки сварного шва между упомянутыми валом и деталью к ней последовательно пристыковывают остальные кольцевые детали ротора, которые устанавливают на соответствующей сменной центровочной втулке, размещенной на упомянутой штанге, при этом перед сваркой их фиксируют посредством прижимных дисков и устанавливают осевой фиксатор с закрепленными на нем деталями в заданное положение относительно электронного луча сварочной установки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ротор выполняют из никелевого жаропрочного сплава.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ротор является ротором компрессора высокого давления.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для установки осевого фиксатора в заданное положение относительно электронного луча сварочной установки используют манипулятор.