СТЕРЖЕНЬ ДЛЯ ЛИТЬЯ ЛОПАТКИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2020 года по МПК B22C9/10 

Область техники, которой относится изобретение

Изобретение относится к изготовлению лопатки авиационного двигателя типа газотурбинного двигателя, такого как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель.

Уровень техники

В таком двигателе типа турбореактивного двигателя, обозначенном позицией 1 на фиг. 1, воздух поступает в воздухозаборник 2 и проходит через вентилятор, содержащий ряд вращающихся лопаток 3, после чего делится на центральный поток первого контура и на поток второго контура, окружающий поток первого контура.

Поток первого контура сжимается компрессорами низкого давления 4 и высокого давления 6, после чего заходит в камеру 7 сгорания и затем расширяется, проходя через турбины 8, после которых выходит наружу, создавая тягу. Поток второго контура напрямую нагнетается вентилятором, создавая дополнительную тягу.

Каждая турбина 8 содержит ряд лопаток, ориентированных в радиальном направлении и равномерно распределенных вокруг вращающегося вала АХ, при этом весь двигатель окружен наружным корпусом 9.

Охлаждение лопаток происходит за счет принудительной циркуляции воздуха в каждой лопатке, отбираемого на входе камеры сгорания и поступающего в ножку лопатки, причем этот воздух удаляется через отверстия, проходящие через стенки этих лопаток.

Такая лопатка, обозначенная позицией 11 на фиг. 2, содержит ножку Р, которой она закреплена на вращающемся элементе, и перо 12, установленное на этой ножке Р, при этом на уровне соединения ножки и пера находится полка 13.

Перо 12 имеет форму левой закрутки вокруг оси EV, называемой осью размаха и перпендикулярной к оси АХ. Перо содержит основание, которым оно соединено с полкой 13 и которое продолжено в радиальном направлении до вершины S, являющейся свободным концом этого пера. Двумя главными стенками пера являются её стенка 14 корытца и её не показанная на фиг. 2 стенка спинки, отстоящие друг от друга в их обтекаемой части и соединяющиеся друг с другом на уровне задней кромки 15.

Вершина S лопатки 11 содержит замыкающую стенку, перпендикулярную к направлению EV, которая соединяет стенки корытца и спинки. Эта замыкающая стенка, не видимая на фиг. 2, углублена в сторону оси АХ относительно свободных краев стенок корытца и спинки. Вместе с этими краями она ограничивает полый участок, открытый в направлении, противоположном оси АХ, и называемый ванночкой, которая показана пунктирной линией, имеет обозначение В и находится в периферийной части лопатки, то есть на уровне ее вершины.

Возрастающие требования повышения характеристик заставляют оптимизировать охлаждение лопатки, которое обеспечивают за счет циркуляции воздуха во внутренних полостях и каналах этой лопатки. Эта оптимизация приводит к увеличению числа полостей и внутренних каналов, что влечет за собой выполнение перемежающихся геометрических форм, которые могут быть довольно сложными.

Чтобы избежать ухудшения охлаждения, каждую внутреннюю полость соединяют с наружным пространством по меньшей мере через одно очистное отверстие, позволяющее удалять возможно присутствующую пыль, чтобы она не мешала циркуляции воздуха.

Изобретение призвано предложить способ изготовления, позволяющий добиться большого разнообразия форм внутренних полостей и одновременно обеспечивать удаление из них пыли.

Раскрытие сущности изобретения

В связи с вышеизложенным объектом изобретения является стержень для литья лопатки газотурбинного двигателя, при этом лопатка содержит перо, проходящее в направлении размаха и заканчивающееся вершиной, при этом стержень содержит первый элемент стержня для ограничения первой внутренней полости лопатки и второй элемент стержня, по меньшей мере один участок которого ограничивает вторую внутреннюю полость лопатки, причем эти элементы стержня жестко соединены друг с другом, при этом вторая полость находится между первой полостью и вершиной лопатки вдоль направления размаха, при этом:

- участок второго элемента стержня, который ограничивает вторую полость, содержит сквозное отверстие, ориентированное в направлении размаха и выходящее напротив концевой поверхности первого элемента стержня, ограничивая в отлитой лопатке наружную поверхность канала удаления пыли из первой полости, при этом канал проходит насквозь через вторую полость, выходя в вершине лопатки;

- глиноземный пруток диаметром, меньшим диаметра сквозного отверстия, расположенный внутри сквозного отверстия, будучи закрепленным в концевой поверхности первого элемента стержня, для ограничения внутренней поверхности канала удаления пыли;

- средства центровки, расположенные между прутком и сквозным отверстием для центровки этого прутка относительно отверстия, причем эти средства центровки выполнены из материала, который должен раствориться до литья лопатки вокруг указанного стержня.

При таком выполнении положение и ориентация прутка и сквозного отверстия напрямую связаны друг с другом таким образом, что отверстие и пруток обязательно имеют оптимальную коаксиальность. При этом канал удаления пыли, ограниченный этим отверстием и этим прутком, обязательно имеет достаточную и равномерную толщину. Это расположение позволяет получить канал удаления пыли, проходящий через полость, для удаления пыли из другой полости или канала, перекрываемого полостью, через которую проходит этот канал.

Объектом изобретения является также вышеупомянутый стержень, в котором средства центровки выполнены в виде оболочки, окружающей пруток по меньшей мере на части длины этого прутка.

Объектом изобретения является также вышеупомянутый стержень, в котором оболочка выполнена из материала типа органического полимера.

Объектом изобретения является также вышеупомянутый стержень, в котором сквозное отверстие находится в центральной области участка второго элемента стержня, который ограничивает вторую полость, будучи удаленным от каждой боковой поверхности этого элемента стержня, образуя в конечной лопатке препятствие, делящее на два боковых потока воздух, циркулирующий во второй полости.

Объектом изобретения является также вышеупомянутый стержень, содержащий сквозное отверстие, которое проходит вдоль боковой поверхности участка второго элемента стержня, ограничивая вторую полость, будучи открытым на этой боковой поверхности и образуя в конечной лопатке канал, проходящий внутри вдоль боковой стенки лопатки.

Объектом изобретения является также вышеупомянутый стержень, в котором первый элемент стержня выполнен с возможностью ограничивать канал охлаждения задней кромки лопатки, и в котором второй элемент стержня выполнен с возможностью ограничивать полость под ванночкой лопатки.

Объектом изобретения является также способ изготовления вышеупомянутого стержня, содержащий этап позиционирования прутка с его оболочкой в устройстве литья под давлением элементов стержня и этап литья под давлением элементов стержня в устройстве литья, когда в этом устройстве установлен пруток.

Объектом изобретения является также лопатка газотурбинного двигателя, полученная при помощи вышеупомянутого стержня.

Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий вышеупомянутую лопатку.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 (уже описана) показан двухконтурный турбореактивный двигатель, вид в разрезе по продольной плоскости сечения;

на фиг. 2 (уже описана) показана лопатка турбореактивного двигателя, общий вид;

на фиг. 3 схематично показана часть заявленного стержня с его глиноземным прутком и с его центровочной оболочкой;

на фиг. 4 показан заявленный стержень с его глиноземным прутком и с его центровочной оболочкой, вид в перспективе;

на фиг. 5 показан заявленный стержень с его глиноземным прутком после удаления его центровочной оболочки, другой вид в перспективе;

на фиг. 6 показан вид в сечении по плоскости, поперечной к направлению размаха лопатки, полученной при помощи заявленного стержня;

на фиг. 7 показан вариант заявленного стержня с его глиноземным прутком после удаления его центровочной оболочки, вид в перспективе;

на фиг. 8 показан вид в сечении по плоскости, поперечной к направлению размаха лопатки, полученной при помощи варианта заявленного стержня.

Осуществление изобретения

Основная идея изобретения состоит в том, чтобы выполнить полость под ванночкой, расположенную между дном ванночки и концом канала охлаждения задней кромки лопатки, которая получает питание через канал и через которую проходит канал удаления пыли из канала охлаждения задней кромки.

Канал удаления пыли проходит через полость под ванночкой, выходя в дно ванночки, для удаления пыли из канала охлаждения задней кромки.

Эта полость под ванночкой эффективно охлаждает вершину лопатки, образованную дном ванночки, одновременно обеспечивая, благодаря проходящему через нее каналу, независимое удаление пыли из канала охлаждения задней кромки, конец которого она перекрывает.

Как показано на фиг. 3 и 4, заявленный стержень 16 для изготовления лопатки, содержащей полость под ванночкой, перекрывающую конец канала охлаждения ее задней кромки, содержит выходной элемент 17 стержня и входной элемент 18 стержня. Выходной элемент 17 стержня ограничивает канал охлаждения, а входной элемент 18 стержня ограничивает полость под ванночкой.

Понятно, что термины «входной» и «выходной» следует рассматривать относительно направления прохождения потока текучей среды в турбореактивном двигателе, в частности, вокруг литой лопатки во время работы.

Выходной элемент 17 стержня имеет общую удлиненную форму и проходит в направлении размаха EV пера этой лопатки от ее основания до области вблизи ее вершины.

Входной элемент 18 содержит верхний участок 19, расположенный между концом выходного элемента 17 стержня и местом 21 не показанной ванночки, которая находится в вершине лопатки. Этот элемент 18 ограничивает полость под ванночкой и участок 22 питания этой полости под ванночкой, причем этот участок 22 питания проходит в направлении размаха EV перпендикулярно к верхнему участку 19.

Как показано на фиг. 3 и 4, участок 22 питания находится на входе выходного элемента 17 относительно направления потока текучей среды, при этом полость под ванночкой получает питание охлаждающим воздухом через специальный канал, ограниченный этим участком 22. По сути дела, полость под ванночкой получает свежий воздух для эффективного охлаждения дна ванночки, то есть вершины лопатки.

Участок 19 входного элемента стержня, отстоящий от свободного конца выходного элемента 17 стержня вдоль оси размаха EV, содержит противоположные верхнюю поверхность 23 и нижнюю поверхность 24 вдоль направления размаха и с ориентацией, по существу нормальной к этой оси.

После изготовления лопатки посредством литья поверхность 24 соответствует нижней стороне дна ванночки, находящейся в месте 21, а поверхность 23 соответствует стороне, находящейся напротив стороны, ограничивающей свободный конец выходного элемента 17 стержня.

Через участок 19 входного элемента 18 стержня проходит сквозное отверстие 26, показанное на фиг. 5, ориентация которого по существу соответствует ориентации направления размаха EV, чтобы устанавливать сообщение между верхней поверхностью 23 и нижней поверхностью 24 этого участка 19.

В литой лопатке отверстие 26 ограничивает наружную цилиндрическую поверхность трубчатого канала, обеспечивающего прямое сообщение между выходным каналом, ограниченным элементом 17 стержня, и дном ванночки, то есть вершиной лопатки.

Внутренняя цилиндрическая поверхность этого канала ограничена глиноземным прутком 27, который установлен в стержне и, в частности, закреплен или заделан в верхней поверхности 28 элемента 17. Эта верхняя поверхность 28 является концевой стороной элемента 17: она находится напротив нижней поверхности 24 участка 19.

Таким образом, после формования лопатки канал удаления пыли из выходного канала лопатки имеет общую трубчатую форму, ограниченную двумя цилиндрическими и коаксиальными поверхностями, наружной и внутренней.

Согласно изобретению, коаксиальность наружной и внутренней цилиндрических поверхностей, которая обеспечивает достаточную толщину канала в любых точках, улучшена за счет прямой центровки глиноземного прутка 27 в отверстии 26, благодаря трубчатой оболочке 29, выполненной на прутке 27. Внутренний диаметр этой оболочки 29 соответствует наружному диаметру прутка, а наружный диаметр этой оболочки соответствует внутреннему диаметру отверстия 26.

Во время изготовления стержня 16 пруток 27 вместе с оболочкой 29 располагают и удерживают в положении в устройстве литья под давлением стержня 16. При этом пруток 27 удерживают, например, его концом, противоположным концу этого прутка 27, заходящему в верхнюю поверхность 28 элемента 17 стержня.

После этого начинают литье под давлением элементов 17 и 18 стержня 16 и формируют эти элементы, одновременно заделывая пруток 27 в верхней поверхности элемента 17 и формируя отверстие 26 в участке 19 вокруг оболочки 29.

В этих условиях пруток 27 оказывается идеально центрованным относительно отверстия 26, поскольку оно было выполнено вокруг оболочки 29. Таким образом, в случае существенного смещения прутка относительно его идеального положения, когда его устанавливают на место перед литьем под давлением, это смещение не сказывается на его центровке относительно окружающего его отверстия 26. Следовательно, погрешность в позиционировании прутка не может привести к локальному уменьшению толщины канала, что позволяет избежать выбраковки лопатки по этой причине.

Центровочная оболочка 29 изготовлена из материала, который может быть разрушен перед использованием стержня для литья лопатки. Это разрушение можно произвести, например, при помощи процесса химического разрушения или травления, или при помощи процесса термического разрушения, например, расплавления.

Иначе говоря, центровочную оболочку 29, которую используют для центровки прутка 27 в отверстии 26 при изготовлении стержня, удаляют перед непосредственным применением этого стержня для формования лопатки.

В состав материала, образующего оболочку 29, в основном входит органический полимер. Эту оболочку 29 можно выполнить на прутке при помощи аддитивного процесса, путем литья под давлением, посредством механической обработки блока или любым другим соответствующим способом.

Кроме того, в описанном выше примере участок 19 стержня выполняют посредством литья под давлением вокруг оболочки 29 в ходе операции литья под давлением, во время которой формируют также элемент 17 стержня. Однако возможны также и другие варианты осуществления изобретения.

В частности, стержень 16 можно изготовить вместе с его участком 19 в ходе предварительной операции с выполнением в нем отверстия 26. После этого пруток 27 с его оболочкой 29 вставляют в отверстие 26, выполненное в участке 19. Затем эти компоненты помещают в устройство литья под давлением первого элемента 17 стержня, в который заделывают конец прутка 27.

Чтобы избежать чрезмерного нарушения центровки прутка 27 в ходе операций, осуществляемых после удаления оболочки 29, таких как операции удаления связующего или спекания, в ходе которых может произойти смещение образующих стержень компонентов, можно предусмотреть различные меры.

Оболочку 29 можно предусмотреть с достаточной толщиной, чтобы возможные смещения не могли привести к чрезмерному уменьшению толщины канала. Можно также использовать компоненты стержня, которые позволяют уменьшить эти смещения: например, использование термореактивных полимеров в керамическом составе стержня позволяет устранить такие смещения. Кроме того, преимуществом указанного термореактивного полимера с керамикой является стабильность в ходе удаления оболочки, например, во время ее нагрева.

После удаления оболочки 29 пространство, ограниченное отверстием 26 и прутком 27, позволяет во время операции формования литьем лопатки ограничить напрямую любой трубчатый канал удаления пыли, проходящий через полость под ванночкой.

В полученной таким образом литой лопатке, которая показана на фиг. 6 и обозначена позицией 31, канал удаления пыли, имеющий обозначение 32, проходит насквозь через полость под ванночкой, обозначенную позицией 33 и ограниченную участком 19 элемента 18 стержня.

При этом, как в примере, показанном на фиг. 6, этот канал 32 может быть центрован в полости 33 под ванночкой, дополнительно образуя в этой полости центральное препятствие, которое делит воздушный поток на две половины, каждая из которых проходит вдоль боковых поверхностей этой полости 33. Это повышает эффективность охлаждения.

Следует отметить, что на изображении в разрезе на фиг. 6, канал, находящийся снизу полости под ванночкой и ограниченный элементом 17 стержня, не виден, учитывая ориентацию этого изображения. Кроме того, это изображение отображает лопатку, форма которой по существу отличается от лопатки, выполненной с применением стержня, показанного на фиг. 4 или 5. Так, на этой фигуре показана лопатка, дополнительно содержащая другой канал 34 питания входной рампы 36, предназначенной для охлаждения передней кромки этой лопатки.

Кроме того, сквозное отверстие 26, которое расположено в центральной части полости под ванночкой в варианте осуществления, представленном на фиг. 4-6, может быть смещено в боковом направлении, как показано в варианте на фиг. 7 и 8.

В этом случае отверстие 26 проходит от верхней поверхности 23 до нижней поверхности 24 участка 19 элемента 18 стержня, но вдоль боковой поверхности 37 этого стержня, которая ограничивает в данном случае внутреннюю поверхность стенки корытца лопатки.

Как показано на фиг. 7, отверстие 26 может одновременно проходить от поверхности 23 к поверхности 24, в которые оно выходит, будучи одновременно открытым по всей своей высоте на боковую поверхность 37, при этом отверстие 26 имеет форму выемки, образованной в поверхности 37 участка 19 и проходящей параллельно направлению EV.

В этих условиях канал удаления пыли, ограниченный этим отверстием 26, проходит насквозь через вторую полость и выходит в вершине лопатки, проходя вдоль стенки корытца, как показано на фиг. 8, где этот боковой канал обозначен позицией 32.

Аналогично вдоль противоположной стороны участка 19, то есть стороны, ограничивающей внутреннюю поверхность стенки корытца, можно выполнить другое отверстие 38 для ограничения другого канала такого же типа, но который проходит вдоль стенки спинки, как схематично показано на фиг. 8, где этот другой канал обозначен позицией 38.

Изобретение относится к области литейного производства. Лопатка содержит перо с вершиной, две внутренние полости и канал (32) для удаления пыли из первой полости, проходящий сквозь вторую полость к вершине. Полости и канал формируют стержнем (16), содержащим жестко соединенные элементы (17, 18). По меньшей мере один участок (19) элемента (18) ограничивает вторую полость лопатки, расположенную между первой полостью и вершиной лопатки вдоль направления размаха (EV). Участок (19) содержит сквозное отверстие (26), ориентированное в направлении размаха (EV), выходящее напротив концевой поверхности (28) первого элемента (17), формирующее в лопатке наружную поверхность канала (32). Внутри отверстия (26) размещен глиноземный пруток (27) для формирования внутренней поверхности канала (32, 38) лопатки, диаметр которого меньше диаметра отверстия (26). Пруток (27) закреплен в концевой поверхности (28) элемента (17). Между прутком (27) и отверстием (26) расположены средства (29) центровки, выполненные из материала, обеспечивающего их растворение до осуществления литья лопатки. Обеспечивается эффективное охлаждение вершины лопатки и независимое удаление пыли из канала охлаждения. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Стержень (16) для литья лопатки газотурбинного двигателя, выполненной с пером, проходящим в направлении размаха (EV) и заканчивающимся вершиной, двумя внутренними полостями и каналом для удаления пыли, содержащий первый элемент (17) стержня для ограничения первой внутренней полости лопатки и второй элемент (18) стержня, по меньшей мере один участок (19) которого ограничивает вторую внутреннюю полость лопатки, расположенную между первой полостью и вершиной лопатки вдоль направления размаха (EV), причем упомянутые элементы (17, 18) стержня жестко соединены друг с другом, причем

- участок (19) второго элемента (18) стержня содержит сквозное отверстие (26), ориентированное в направлении размаха (EV), выходящее напротив концевой поверхности (28) первого элемента (17) стержня, формирующее в отливаемой лопатке наружную поверхность канала (32) для удаления пыли из первой полости лопатки, проходящего насквозь через вторую внутреннюю полость (33) лопатки и выходящего в вершине лопатки;

- сквозное отверстие (26) выполнено с возможностью размещения внутри него глиноземного прутка (27) для формирования внутренней поверхности канала (32, 38) отливаемой лопатки, диаметр которого меньше диаметра сквозного отверстия (26), закрепленного в концевой поверхности (28) первого элемента (17) стержня;

- стержень снабжен средствами (29) центровки упомянутого прутка (27) относительно отверстия (26), расположенными между прутком (27) и сквозным отверстием (26), выполненными из материала, обеспечивающего их растворение до осуществления литья лопатки вокруг указанного стержня (16).

2. Стержень (16) по п. 1, в котором средства (29) центровки прутка выполнены в виде оболочки, окружающей пруток (27) по меньшей мере на части его длины.

3. Стержень (16) по п. 2, в котором оболочка (29) выполнена из материала типа органического полимера.

4. Стержень (16) по одному из пп. 1-3, в котором сквозное отверстие (26) выполнено в центральной области участка (19) второго элемента (18) стержня на удалении от каждой боковой поверхности второго элемента (18) стержня, с возможностью образования в отливаемой лопатке препятствия для разделения воздуха, циркулирующего во второй внутренней полости отлитой лопатки на два боковых потока.

5. Стержень (16) по одному из пп. 1-4, в котором сквозное отверстие (26) выполнено проходящим вдоль боковой поверхности (37) участка (19) второго элемента (18) стержня, ограничивая вторую полость, будучи открытым в этой боковой поверхности (37), с возможностью образования в отливаемой лопатке канала, проходящего внутри лопатки вдоль ее боковой стенки.

6. Стержень (16) по одному из пп. 1-5, в котором первый элемент (17) стержня выполнен с возможностью формирования канала охлаждения задней кромки отливаемой лопатки, причем второй элемент (18) стержня выполнен с возможностью формирования полости под ванночкой отливаемой лопатки.

7. Способ изготовления стержня (16) по п. 2, включающий этап позиционирования прутка (27) с его оболочкой (29) в устройстве литья под давлением элементов (17, 18) стержня и этап литья под давлением элементов (17, 18) стержня в упомянутом устройстве литья с установленным в нем прутком (27).

8. Лопатка газотурбинного двигателя, содержащая перо, проходящее в направлении размаха и заканчивающееся вершиной, две внутренние полости и канал для удаления пыли из первой полости, выполненный проходящим насквозь через вторую полость и выходящим к вершине лопатки, в которой упомянутые полости и канал сформированы стержнем по одному из пп. 1-6.

9. Газотурбинный двигатель, содержащий лопатку по п. 8.