Способ изготовления лопаток газотурбинного двигателя. Лопатка турбины газотурбинного двигателя

Изобретение относится к литейному производству. Лопатку газотурбинного двигателя выполняют литьем по выплавляемым моделям. Лопатка содержит перо 4, на конце которого находится пятка 5, выполненная в виде единой детали с пером. Пятка содержит площадку 5а, в которой выполнены первая ванночка 12 с радиальными поверхностями 13 и дном 14. Ванночка 12 уменьшает толщину пятки. В первой ванночке на уровне зоны сопряжения 15 между пером и пяткой выполнена вторая ванночка 16, что позволяет осуществлять заливку металла в оболочковую форму только в одной точке. За счет равномерного распределения металла предотвращается образование пористости в лопате. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Рисунки к патенту РФ 2477196

Настоящее изобретение касается металлической лопатки, изготовленной литьем, и способа ее изготовления.

Газотурбинный двигатель, например турбореактивный двигатель, содержит вентилятор, одну или несколько ступеней компрессора, камеру сгорания, одну или несколько ступеней турбины и сопло. Газы приводятся в движение роторами вентилятора, компрессора и турбины, благодаря наличию радиальных лопаток, закрепленных на периферии роторов.

Понятия внутреннего, наружного, радиального, переднего или заднего положения или расположения следует рассматривать по отношению к главной оси газотурбинного двигателя и к направлению потока газов в этом двигателе.

Подвижная лопатка турбины содержит ножку, которой ее крепят к диску ротора, площадку, образующую элемент внутренней стенки, ограничивающей газовоздушный тракт, и перо, которое расположено в основном вдоль радиальной оси и обдувается газами. В зависимости от двигателя и ступени турбины на своем конце, удаленном от ножки, лопатка заканчивается элементом, поперечным к основной (главной) оси пера, называемым пяткой, которая образует элемент наружной стенки, ограничивающей газовоздушный тракт.

На наружной поверхности пятки выполнены одна или несколько радиальных пластинок или гребешков, образующих вместе с находящейся напротив стенкой статора лабиринтную прокладку, обеспечивающую герметичность по отношению к газам; для этого, как правило, упомянутую стенку статора выполняют в виде кольца из истираемого материала, об которое трутся пластинки. Пластинки содержат переднюю сторону и заднюю сторону, расположенные поперечно к газовому потоку.

Лопатка может быть моноблочной, то есть ножка, площадка, перо и пятка выполнены в виде единой детали. Лопатку выполняют способом литья, называемым «литьем по выплавляемым моделям» и хорошо известным специалистам. В этом способе:

Предварительно из воска выполняют модель лопатки;

Модель погружают в огнеупорный керамический шликер, который после обжига образует оболочку;

Воск расплавляют и удаляют, что позволяет получить «оболочковую форму» из огнеупорного материала, внутренний объем которой определяет форму лопатки;

В оболочковую форму заливают расплавленный металл, при этом несколько оболочковых форм объединяют в блок для одновременного разлива металла;

Оболочковую форму разбивают, что позволяет получить металлическую лопатку.

В точках заливки металла в форму на отливаемой в форме металлической лопатке образуются металлические наросты относительно большой толщины, которые необходимо подвергнуть механической обработке после формования лопатки. Как правило, заливку металла производят на уровне пятки лопатки. Диаметр канала заливки и, следовательно, образующегося впоследствии нароста является значительным, причем заливка происходит вблизи пластинок лабиринтной прокладки, которые имеют небольшую толщину; в результате, если предусмотрена только одна точка заливки, происходит плохое распределение металла в оболочковой форме, и возникают проблемы пористости лопатки, в частности, на уровне ее пластинок.

Эту проблему можно решить, предусмотрев два входа заливки, при этом соответственно уменьшается диаметр каналов заливки. Таким образом, вместо одного канала заливки большого диаметра получают два канала заливки меньшего диаметра, удаленные друг от друга, что обеспечивает лучшее распределение металла и позволяет избежать проблем пористости.

Тем не менее желательно решать указанные проблемы пористости, сохраняя только одну точку заливки.

В этой связи объектом изобретения является лопатка газотурбинного двигателя, выполненная литьем, содержащая перо, на конце которого находится пятка, выполненная в виде единой детали с пером, с которым она соединяется на уровне зоны сопряжения, при этом пятка содержит площадку, на которой выполняют, по меньшей мере, одну уплотнительную пластинку, а в площадке выполняют первую ванночку, отличающаяся тем, что в первой ванночке на уровне зоны сопряжения между пером и пяткой выполняют вторую ванночку.

Наличие одной ванночки в другой ванночке на уровне зоны сопряжения между пером и пяткой позволяет избежать слишком большого утолщения в этой зоне и во время формования лопатки литьем обеспечивает лучшее распределение жидкого металла в форме. Улучшенное распределение жидкого металла в форме позволяет применять способ формования литьем с единственной точкой заливки металла. Преимуществом изготовления лопатки с одной точкой заливки является исключительная простота оболочковой формы и, в случае необходимости, блока оболочковых форм; стоимость изготовления лопаток снижается, тогда как их качество повышается.

Кроме того, оптимизируется количество материала на уровне пятки, что снижает массу и стоимость лопатки.

Кроме того, оптимизируются механические напряжения на пятку и/или на перо, и они лучше поглощаются лопаткой, поскольку достигается лучшее распределение массы.

Предпочтительно, чтобы первая ванночка была ограничена радиальными поверхностями и дном и вторая ванночка была выполнена в дне первой ванночки.

Предпочтительно также, чтобы вторая ванночка была выполнена по главной оси лопатки напротив зоны сопряжения между пяткой и пером.

Целесообразно, чтобы перо лопатки было образовано сплошной стенкой и содержало в зоне сопряжения изогнутые поверхности, вторая ванночка содержала изогнутые радиальные поверхности и поверхность дна и чтобы при этом изогнутые радиальные поверхности второй ванночки были расположены по существу параллельно изогнутым поверхностям пера в зоне сопряжения, что обеспечивает по существу постоянную толщину лопатки в зоне сопряжения.

Объектом изобретения является также турбина, содержащая, по меньшей мере, одну лопатку в соответствии с настоящим изобретением.

Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одну турбину в соответствии с настоящим изобретением.

Объектом изобретения является также способ изготовления лопатки газотурбинного двигателя, содержащий следующие этапы:

Выполняют восковую модель лопатки, содержащую перо, на конце которого выполняют пятку, образующую единую деталь с пером, с которым она соединяется на уровне зоны сопряжения, при этом пятка содержит площадку, на которой выполняют, по меньшей мере, одну уплотнительную пластинку, при этом в площадке выполняют первую ванночку, в первой ванночке на уровне зоны сопряжения между пером и пяткой выполняют вторую ванночку,

Лопатку из воска погружают в огнеупорный шликер,

Выполняют оболочковую форму из огнеупорного материала,

В оболочковую форму через единственный вход заливки заливают расплавленный металл,

Оболочковую форму разбивают и получают лопатку.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения лопатки в соответствии с настоящим изобретением и способа ее изготовления со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 изображает схематичный вид сбоку лопатки турбины в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 - вид в изометрии спереди наружной стороны пятки лопатки.

Фиг. 3 - вид в разрезе лопатки по плоскости III-III фиг. 1.

Фиг. 4 - вид в изометрии сбоку наружной стороны пятки лопатки.

Как показано на фиг. 1, лопатка 1 в соответствии с настоящим изобретением выполнена в основном по главной оси А, которая является по существу радиальной по отношению к оси В газотурбинного двигателя, содержащего лопатку 1. В данном случае речь идет о лопатке турбины турбореактивного двигателя. Лопатка 1 содержит ножку 2, находящуюся с внутренней стороны, площадку 3, перо 4 и пятку 5, которая расположена с наружной стороны. Пятка 5 сопрягается с пером 4 в зоне 15 сопряжения. Ножка 2 предназначена для установки в гнезде ротора для крепления на этом роторе. Площадка 3 выполнена между ножкой 2 и пером 4 и содержит поверхность, расположенную поперечно по отношению к оси А лопатки 1, образуя элемент стенки, ограничивающей газовоздушный тракт своей внутренней стороной; указанная стенка образована всеми площадками 3 лопаток 1 рассматриваемой ступени турбины, которые примыкают друг к другу. Перо 4 в основном расположено вдоль главной оси А лопатки 1 и имеет аэродинамическую форму, соответствующую ее назначению, как известно специалистам. Пятка 5 содержит площадку 5а, которая выполнена на наружном конце пера 4 по существу поперечно к главной оси А лопатки 1.

Как показано на фиг. 2 и 4, площадка пятки 5 содержит передний край 6 и задний край 7, направленные поперечно по отношению к газовому потоку (поток проходит в основном параллельно оси В турбореактивного двигателя). Эти два поперечных края, передний 6 и задний 7, соединены двумя боковыми краями 8, 9, которые имеют Z-образный профиль: каждый боковой край 8, 9 содержит два продольных участка (8а, 8b, 9а, 9b соответственно), соединенные между собой участком 8", 9" соответственно, который является по существу поперечным или выполнен, по меньшей мере, под углом по отношению к направлению газового потока. Именно вдоль боковых краев 8, 9 пятка 5 входит в контакт с пятками двух смежных лопаток на роторе. В частности, для амортизации вибраций, которым они подвергаются во время работы, лопатки устанавливают на диске в основном с напряжением кручения вокруг их главной оси А. Пятки 5 выполнены таким образом, чтобы лопатки подвергались напряжению кручения при опоре на соседние лопатки вдоль поперечных участков 8", 9" боковых краев 8, 9.

Начиная от наружной поверхности площадки 5а пятки 5 выполнены радиальные пластинки 10, 11 или гребешки 10, 11, в данном случае в количестве двух; можно также предусмотреть только одну пластинку или более двух пластинок. Каждая пластинка 10, 11 выполнена поперечно к оси В газотурбинного двигателя, начиная от наружной поверхности площадки пятки 5, между двумя противоположными продольными участками (8а, 8b, 9a, 9b) боковых краев 8, 9 пятки 5.

Площадка 5а пятки 5 в основном выполнена под радиальным углом по отношению к оси В газотурбинного двигателя. Действительно, в турбине сечение газовоздушного тракта увеличивается от входа к выходу, чтобы обеспечивать расширение газов; таким образом, площадка 5а пятки 5 удаляется от оси В газотурбинного двигателя от входа к выходу, при этом ее внутренняя поверхность образует наружную границу газовоздушного тракта.

В площадке 5а пятки 5 выполняют (за счет конфигурации литейной формы) первую ванночку 12. Эта первая ванночка 12 является полостью, образованной периферическими поверхностями 13, образующими бортик, которые выполнены начиная от наружной поверхности площадки 5а и соединяются с поверхностью 14, образуя дно 14 ванночки 12. Периферические поверхности 13 расположены по существу радиально и в данном случае являются изогнутыми с внутренней стороны, образуя сопряжение между наружной поверхностью площадки 5а и поверхностью дна 14 ванночки 12. Эти изогнутые радиальные поверхности 15 в основном расположены параллельно боковым краям 8, 9 и поперечным краям 6, 7 площадки 5а пятки 5, следуя их форме, если смотреть сверху (по главной оси А лопатки 1). Некоторые зоны пятки 5 могут не содержать таких радиальных поверхностей 13, и в этом случае поверхность дна 14 ванночки 12 выходит непосредственно на боковой край (см. край 9а на фиг. 2) (следует отметить, что на фиг. 4 эти зоны не находятся в этом же месте).

Ванночка 12 такого типа уже использовалась в известных лопатках. Ее функцией является облегчение пятки 5 при сохранении ее механических свойств: толщина площадки 5а пятки 5 является значительной вблизи боковых краев 8, 9, боковые поверхности которых, находящиеся в контакте со смежными лопатками, подвергаются сильным напряжениям во время вращения лопатки 1, тогда как центральная часть площадки 5а пятки 5, которая подвергается меньшим напряжениям, выполнена с углублением, образующим первую ванночку 12.

Кроме того, пятка содержит ванночку 16 в первой ванночке 12, в дальнейшем называемую второй ванночкой 16. Вторая ванночка 16 выполнена на уровне зоны 15 сопряжения между пяткой 5 и пером 4. В частности, вторая ванночка выполнена по главной оси А лопатки 1 напротив зоны 15 сопряжения между пяткой 5 и пером 4.

Вторая ванночка 16 представляет собой полость, образованную периферическими поверхностями 17, образующими бортик, которые соединяют поверхность дна 14 первой ванночки 12 с поверхностью 18, образующей дно второй ванночки 16 (и находящейся с внутренней стороны по отношению к поверхности дна 14 первой ванночки 12). Периферические поверхности 17 расположены по существу радиально, в данном случае являются изогнутыми с наружной и внутренней сторон, образуя сопряжение между поверхностью дна 14 первой ванночки 14 и поверхностью дна 18 второй ванночки 16. Эти изогнутые радиальные поверхности 17 являются по существу параллельными поверхностями пера 4, следуя их форме, если смотреть сверху (по главной оси А лопатки 1) (см. фиг. 4).

Вторую ванночку 16 выполняют во время формования литьем (иначе говоря, конфигурации оболочковой формы, позволяющая формовать лопатку 1, адаптирована для формования такой ванночки 16). Лопатку выполняют путем литья по выплавляемым восковым моделям, как было указано выше в описании.

Наличие второй ванночки 16 позволяет избежать чрезмерной толщины в зоне 15 сопряжения между пяткой 5 и пером 4. За счет этого во время заливки металла в оболочковую форму металл распределяется более равномерно, что позволяет избежать образования пористости, даже если металл заливают только в одной точке заливки.

Таким образом, лопатку 1 можно выполнить при помощи способа литья по выплавляемым моделям с единственным входом для заливки жидкого металла для каждой оболочковой формы, и такой способ является более простым и дешевым. Если формы объединены в блоки, способ оказывается еще более простым. Кроме того, за счет заливки в оболочковую форму через единственный вход заливки изготовленная лопатка содержит только один остаточный нарост, который удаляют путем механической обработки. Механическая обработка такой детали является более простой.

Кроме того, масса и, следовательно, стоимость лопатки 1 уменьшаются за счет наличия второй ванночки 16, тогда как напряжения на пятку 5, а также напряжения на перо 4 лучше распределяются и, следовательно, лучше воспринимаются лопаткой 1.

В данном случае перо 4 выполнено в виде сплошной стенки, то есть без охлаждения при помощи рубашки или полости, выполненной в толщине ее стенки. Предпочтительно, чтобы периферические поверхности 17 и поверхность дна 18 второй ванночки 16 выполнялись таким образом, чтобы толщина лопатки 1 была по существу постоянной в зоне 15 сопряжения между пяткой 5 и пером 4. Этот отличительный признак хорошо виден на фиг. 3. В частности, если обозначить 15а, 15b изогнутые поверхности пера 4 на уровне зоны 15 сопряжения между пером 4 и пяткой 5, то на фиг. 3 видно, что изогнутые радиальные поверхности 17 второй ванночки 16 выполнены по существу параллельно изогнутым поверхностям 15а, 15b пера 4, напротив которых она находятся. В представленном варианте выполнения радиус изогнутых радиальных поверхностей 17 второй ванночки 16 не идентичен радиусу находящихся напротив изогнутых поверхностей 15а, 15b пера 4, но тем не менее эти поверхности по существу являются параллельными.

Часть второй ванночки 16, находящаяся на фиг. 3 слева, отличается непрерывностью криволинейной формы без какого-либо плоского участка между изогнутой радиальной поверхностью 13 первой ванночки 12, дном 14 первой ванночки 12 и изогнутой радиальной поверхностью 17 второй ванночки 16. Вместе с тем, на части второй ванночки 16, находящейся на фиг. 3 справа, четко просматривается каждый из этих участков. Выполнение между ними разных участков в рассматриваемой зоне (в разрезе) зависит от положения поверхностей пятки 5 по отношению к поверхностям пера 4.

Изобретение описано для подвижной лопатки турбины. Вместе с тем, по сути оно может применяться для любой лопатки, выполняемой путем литья и содержащей перо, на конце которого выполняют пятку в виде единой детали с пером.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Лопатка газотурбинного двигателя, выполненная литьем, содержащая перо, на конце которого находится пятка, выполненная в виде единой детали с пером, с которым она соединяется на уровне зоны сопряжения, при этом пятка содержит площадку, на которой выполнена, по меньшей мере, одна уплотнительная пластинка, и в площадке выполнена первая ванночка, отличающаяся тем, что в первой ванночке на уровне зоны сопряжения между пером и пяткой выполнена вторая ванночка.

2. Лопатка по п.1, в которой первая ванночка ограничена радиальными поверхностями и дном, и вторая ванночка выполнена в дне первой ванночки.

3. Лопатка по п.1, в которой вторая ванночка выполнена по главной оси (А) лопатки напротив зоны сопряжения между пяткой и пером.

4. Лопатка по п.3, в которой перо образовано сплошной стенкой и содержит в зоне сопряжения изогнутые поверхности, и вторая ванночка содержит изогнутые радиальные поверхности и поверхность дна, при этом изогнутые радиальные поверхности второй ванночки расположены, по существу, параллельно изогнутым поверхностям пера в зоне сопряжения, что обеспечивает, по существу, постоянную толщину лопатки в зоне сопряжения.

5. Турбина, содержащая, по меньшей мере, одну лопатку по п.1.

6. Газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одну турбину по п.5.

Полезная модель относится к области двигателестроения и может быть использована в лопатках газотурбинного двигателя (ГТД) для авиационного, судового и наземного (в составе энергоустановки) применения. В полезной модели решается задача увеличение усталостной прочности по изгибу лопатки за счет уменьшения напряжений растяжения в ее замке во избежание преждевременного разрушения лопатки. Дополнительной задачей является возможность применения предлагаемого решения к охлаждаемым лопаткам ГТД. Поставленная задача решается тем, что лопатка турбины ГТД содержит елочный замок, на котором выполнен концентратор напряжения в виде отверстия. Новым в предлагаемой полезной модели является то, что отверстие расположено вдоль оси лопатки ГТД. Лопатка может содержать канал, который сообщается с отверстием, образуя единый концентратор напряжений. Такое выполнение елочного замка лопатки турбины ГТД увеличивает усталостную прочность по изгибу лопатки за счет уменьшения напряжений растяжения в ее замке, что позволяет избежать преждевременного разрушения лопатки.

Полезная модель относится к двигателестроению и может быть использована в лопатках газотурбинного двигателя (ГТД) для авиационного, судового и наземного (в составе энергоустановки) применения.

Известна конструкция лопатки турбины ГТД, содержащая елочный замок (Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. - М.: Машиностроение, 1981,с.89, рис.3.27).

Недостатком лопатки с таким замком является то, что в ней не предусмотрено выполнение концентратора напряжений. Отсутствие концентратора ведет при внезапном снятии нагрузки к разрушению не только лопаток, но и диска.

Также известна конструкция лопатки ГТД, содержащая елочный замок и, по крайней мере, один концентратор напряжений в виде отверстия на замке, расположенного поперек оси лопатки (Патент GB 1468470 от 30.03.1977).

К недостатком такой конструкции можно отнести то, что на елочный замок при работе действуют напряжения растяжения, увеличение которых приводит к недостаточной усталостной прочности на изгиб. Результатом является преждевременное разрушение лопатки ГТД. Так же данную конструкцию нельзя использовать в охлаждаемых лопатках, так как возникает утечка охлаждающего воздуха.

Технической задачей полезной модели является увеличение усталостной прочности по изгибу лопатки за счет уменьшения напряжений растяжения в ее замке во избежание преждевременного разрушения лопатки.

Дополнительной технической задачей является возможность применения предлагаемого решения к охлаждаемым лопаткам ГТД.

Поставленная задача решается тем, что лопатка турбины ГТД содержит елочный замок, на котором выполнен концентратор напряжения в виде отверстия.

Новым в предлагаемой полезной модели является то, что отверстие расположено вдоль оси лопатки ГТД.

Кроме того, лопатка может содержать канал, который сообщается с отверстием, образуя единый концентратор напряжений.

На предлагаемом чертеже изображен продольный разрез лопатки турбины ГТД.

Лопатка ГТД включает елочный замок 1. Елочный замок 1 содержит концентратор напряжений в виде отверстия 2, выполненного вдоль оси 3 лопатки.

Лопатка турбины ГТД снабжена каналом 4 для охлаждения, который сообщен с отверстием 2.

При работе колеса турбины ГТД, в случае отказа при внезапном снятии нагрузки, частота вращения диска увеличивается под действием увеличивающихся центробежных сил. В свою очередь центробежные силы увеличивают напряжения сжатия и изгиба в елочном замке 1 и в диске (на чертеже не показан), при этом напряжения растяжения снижаются из-за наличия концентратора напряжений в виде отверстия 2, выполненном на елочном замке 1 вдоль оси лопатки. Это ведет к повышению усталостной прочности на изгиб в замке лопатки, что позволяет избежать преждевременного разрушения лопатки.

Лопатка турбины ГТД работает, как охлаждаемая лопатка, когда воздух проходит по каналу 4 для охлаждения, который сообщен с отверстием 2 для охлаждения елочного замка 1 лопатки.

Такое выполнение лопатки турбины ГТД позволяет увеличить усталостную прочность по изгибу лопатки за счет уменьшения напряжений растяжения в ее замке во избежание преждевременного разрушения лопатки, возможно применение к охлаждаемым лопаткам ГТД.

Формула полезной модели

1. Лопатка турбины газотурбинного двигателя, содержащая елочный замок, на котором выполнен, по крайней мере, один концентратор напряжения в виде отверстия отличающаяся тем, что отверстие выполнено вдоль оси лопатки.

2. Лопатка турбины газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что лопатка содержит, по крайней мере, один канал для охлаждения, который сообщен с отверстием.

В работе рассмотрены способы изготовления компрессорных лопаток высокого давления газотурбинных двигателей. Первым способом является обработка профиля пера лопатки фрезерованием на координатных станках с числовым управлением с последующей ручной доработкой. Вторым способом является электрохимическая обработка, при которой исключены механические и ручные операции обработки пера лопаток. Изучены проблемы изготовления лопаток компрессора способом фрезерования. Представлены актуальные задачи, решение которых позволит повысить точность, качество и исключить ручные шлифовальные и полировальные работы. Приведены преимущества электрохимической обработки. Представлены и проанализированы затраты и трудоемкость на подготовку производства, затраты и трудоемкость на изготовление лопаток. Также в работе представлены результаты измерений компрессорных лопаток. Лучшие результаты по точности и стабильности геометрии профиля пера были получены в результате электрохимической обработки.

электрохимическая обработка

фрезерование

сравнительный анализ

газотурбинный двигатель

1. Галиев В.Э., Фаткуллина Д.З. Перспективный технологический процесс изготовления прецизионных компрессорных лопаток [Текст] / В.Э. Галиев, Д.З. Фаткуллина // Вестник УГАТУ. – 2014. – № 3. – С. 9–105.

2. Нехорошеев М.В. Использование объемного и плоского моделирования двухэлектродной электрохимической ячейки в программе ANSYS [Текст] / М.В. Нехорошеев, Н.Д. Проничев, Г.В. Смирнов // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. – 2012. – № 3–3. – С. 98–102.

3. Лунев А.Н. Оптимизация параметров фрезерования лопаток ГТД на станках с ЧПУ [Текст] / А.Н. Лунев, Л.Т. Моисеева, М.В. Соломина // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. – 2007. – № 2. – С. 52–55.

4. Нехорошеев М.В. Автоматизация проектирования технологии электрохимической обработки пера лопаток ГТД на основе компьютерного моделирования процесса формообразования [Текст] / М.В. Нехорошеев., Н.Д. Проничев., Г.В. Смирнов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2013. – Т. 15, № 4–6. – С. 897–900.

5. Павлинич С.П. Перспективы применения импульсной электрохимической обработки в производстве деталей газотурбинных двигателей [Текст] / С.П. Павлинич // Вестник УГАТУ. – 2008. – № 2. – С. 105–115.

6. Производство газотурбинных двигателей [Текст]: справочное пособие / А.М. Абрамов, И.Л. Зеликов, М.Ф. Идзон и др. – М.: Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 1996. – 472 с.

7. Разработка стратегии создания инновационных технологических процессов [Текст]: Учебное пособие / Н.Д. Проничев, А.П. Шулепов, Л.А. Чемпинский, А.В. Мещеряков. – Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет, 2011. – 166 с.

8. Технология производства авиационных газотурбинных двигателей [Текст]: Учебное пособие для вузов / Ю.С. Елисеев, А.Г. Бойцов, В.В. Крымов, Л.А. Хворостухин. – М.: Машиностроение, 2003. – 512 с.

9. Толкачев А.В. Повышение производительности вибрационного полирования лопаток компрессора ГТД абразивными гранулами: дисс... канд. тех. наук. – Рыбинск, 2015. – 136 с.

10. Туранов А.В. К методике расчета режимов фрезерования поверхностей лопаток ГТД на станках с ЧПУ [Текст]/А.В. Туранов, Л.Т. Моисеева, А.Н. Лунев // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. – 2005. – № 2. – С. 60–64.

Лопатки компрессора являются ответственными и массовыми деталями газотурбинного двигателя. От правильно выбранной технологии изготовления лопаток будет зависеть ресурс и конечная стоимость двигателя.

Обеспечение заданного ресурса работы лопаток во многом зависит от ряда технологических факторов. Состояние поверхностного слоя лопаток, наличие следов предыдущей обработки (шероховатость поверхности), являющихся концентраторами напряжения, оказывают существенное влияние на длительную и усталостную прочность лопаток при эксплуатации .

Поэтому изготовление лопаток, даже в мелкосерийном производстве, требует применения современных технологических процессов, высокопроизводительного оборудования и автоматизации процесса изготовления и контроля.

Одной из широко применяемых технологий изготовления лопаток компрессора газотурбинного двигателя является фрезерование на координатных станках с последующей ручной доработкой в частности финишных операций . Однако данная технология имеет ряд недостатков:

Низкая точность и производительность;

Необходимость применения ручных операций;

Высокая квалификация рабочего на окончательных ручных операциях по доводке профиля пера лопаток;

Вредные условия для рабочих при выполнении ручных шлифовально-полировальных работ;

Высокая стоимость и быстрый износ режущего инструмента;

Требуется 100 % контроль.

Актуальными задачами изготовления лопаток компрессора газотурбинного двигателя являются:

Автоматизация финишных операций обработки профиля пера. Исключение ручных операций позволит повысить качество и стабильность технологического процесса изготовления лопаток газотурбинного двигателя;

Использование физико-химических способов обработки позволит исключить использование дорогостоящих режущих инструментов и повысить производительность обработки;

Автоматизация контроля лопаток газотурбинных двигателей.

Одним из наиболее эффективных и перспективных направлений изготовления лопаток является электрохимическая обработка. Преимуществами электрохимической обработки являются :

Сокращение сроков изготовления лопаток и возможность эффективной обработки труднообрабатываемых материалов;

Качество поверхности после электрохимической обработки требует минимальной последующей финишной обработки;

Высокая стойкость инструмента;

Кроме этого, отмечается, что лопатки после ЭХО имеют повышенную газодинамическую устойчивость, пониженный разброс частот собственных колебаний, повышенную усталостную прочность за счет уменьшения остаточных напряжений .

Известно, что зарубежные производители ГТД (такие как General Electric Company, MTU Aero Engines GmbH, Volvo Aero Corporation и др.) успешно применяют ЭХО как в качестве операции предварительного формообразования межлопаточного канала моноколес с использованием непрофилированных электродов, так и для размерной обработки пера лопаток профильными электродами инструментами .

В этой области начата работа и достигнуты значительные успехи в НИИД (г. Москва), казанской (КАИ, КГТУ), самарской (САИ) и уфимской (НИИ ПТиТ ЭХО при УГАТУ) школах электрохимической обработки и др. .

Для анализа было выбрано два способа изготовления лопаток компрессора высокого давления газотурбинного двигателя.

Первый способ. Изготовление лопаток на координатно-фрезерных станках, рис. 1. В качестве исходной заготовки используется фрезерованный параллелепипед, изготовленный с точностью 0,1 мм. Формирование замка типа «ласточкин хвост» производится на горизонтально протяжном станке. Далее производится комплексное фрезерование всех элементов проточной части лопатки на координатных станках с числовым управлением с припуском под чистовую обработку. В процессе комплексного фрезерования заготовка базируется за хвостовик типа «ласточкин хвост». Конечным этапом изготовления лопаток является ручная обработка или обработка бесконечной лентой .

Второй способ. Изготовление лопаток на электрохимических станках, рис. 2. В качестве исходной заготовки используется шлифованный параллелепипед, изготовленный с точностью 0,02 мм. В процессе электрохимической обработки происходит формирование трактовых поверхностей с припуском под чистовую обработку. Далее производится формирование хвостовика типа «ласточкин хвост» на горизонтально протяжном станке. Окончательная операция осуществляется на виброшлифовальном станке .

Проанализируем оба способа изготовления компрессорных лопаток. Наиболее полную картину можно получить, сопоставляя затраты и трудоемкость на подготовку производства, затраты и трудоемкость на изготовления детали, а также точность и стабильность изготовления лопаток. Для анализа были изготовлены две партии лопаток вышеупомянутыми способами.

Рис. 1. Основные этапы изготовления лопаток компрессора

Рис. 2. Основные этапы изготовления лопаток компрессора

Таблица 1

Основные затраты на подготовку производства

Рис. 3. Стоимость изготовления средств технологического оснащения

Рис. 4. Трудоемкость изготовления средств технологического оснащения

В процессе проектирования технологического процесса существенными факторами являются время и затраты на подготовку производства (табл. 1). В табл. 1 были занесены основные затраты на изготовление оснастки для фрезерования (первый способ) и электрохимической обработки (второй способ) режущих инструментов и электродов инструментов. При рассмотрении табл. 1 становится очевидным, что затраты на материалы и трудоемкость на подготовку производства для электрохимической обработки выше, чем для фрезерования.

Суммарная трудоемкость и стоимость изготовления средств технологического оснащения представлены на рис. 3 и 4.

Трудоемкость и стоимость основных операций изготовления лопаток представлены в табл. 2. Высокие требования по точности изготовления заготовки под электрохимическую обработку ведут к применению дополнительной операции «плоскошлифовальная». Время затраченное на обработку комплекса поверхностей лопаток компрессора электрохимических способом ниже, чем при фрезеровании. Также из табл. 2 видно, что по технологии «фрезерование» требуется применение ручных доводочных работ, что повышает себестоимость готовой продукции.

Суммарная трудоемкость и стоимость изготовления одной лопатки представлены на рис. 4 и 5.

Таблица 2

Трудоемкость и стоимость основных операций изготовления лопатки

Рис. 5. Суммарная трудоемкость изготовления одной детали

Рис. 6. Суммарная стоимость изготовления одной детали

На рис. 7 приведен сравнительный анализ затрат на изготовление одной детали. При расчете затрат учитывались затраты на изготовление средств технологического оснащения с последующей их переточкой и ремонтом. Как видно из рисунка, повышение программы выпуска деталей снижает стоимость одной детали. Однако существенные затраты приходятся на лопатки изготовленные по технологии «фрезерование». Данное явление объясняется быстрым износом режущего инструмента.

Практическое отсутствие износа электродов в процессе электрохимической обработки снижает стоимость изготовления лопаток.

Точность изготовления лопаток и стабильность технологических процессов рис. 1 и 2, сведены на рис. 8.

Измерения готовых лопаток проводились на контрольно измерительной машине. Измерения проводились по входным и выходным кромкам в четырех сечениях. Из рисунка следует, что наибольшая точность и повторяемость получения геометрических размеров кромок лопаток достигается методом электрохимической обработки. Существенное повышение стабильности и точности изготовления лопаток методом электрохимической обработки объясняется исключением ручных операций.

В совокупности, рассматривая полученные данные, можно сделать следующие выводы.

Применение в процессе электрохимической обработки более сложной оснастки существенно повышает затраты и время на подготовку производства. Таким образом, фрезерование является более гибким и быстро переналаживаемым способом обработки. Затраты и трудоемкость на подготовку производства обработки фрезерованием ниже чем электрохимической обработки (рис. 1 и 2).

Стоимость изготовления лопаток по технологии «фрезерование» выше, чем при электрохимической обработке. Повышение стоимости связано с тем, что после операции фрезерования требуется применять ручные операции.

Рис. 7. Сравнительный график затрат на изготовление одной детали в зависимости от количества выпущенных лопаток

Рис. 8. Точность изготовления кромок

Затраты на изготовление лопаток по технологии «фрезерование» выше, чем при электрохимической обработке (рис. 7). Существенные затраты составляет покупка дорогого режущего инструмента.

Точность и стабильность электрохимической обработки значительно выше.

Библиографическая ссылка

Производство лопаток ГТД занимает особое место в авиадвигателестроении, что обусловливается рядом факторов, главными из которых являются:

сложная геометрическая форма пера и хвостовика лопаток;

высокая точность изготовления;

применение дорогостоящих и дефицитных материалов для изготовления лопаток;

массовость производства лопаток;

оснащенность технологического процесса производства лопаток дорогостоящим специализированным оборудованием;

общая трудоемкость изготовления.

Лопатки компрессора и турбины являются самыми массовыми деталями газотурбинных двигателей. Их число в одном моторокомплекте доходит до 3000, а трудоемкость изготовления составляет 25...35 % от общей трудоемкости двигателя.

Перо лопатки имеет протяженную сложную пространственную форму

Длина рабочей части пера составляет от 30- 500мм с переменным профилем в поперечных сечениях вдоль оси. Эти сечения строго ориентированы относительно базовой расчетной плоскости и профиля замковой части. В поперечных сечениях заданы расчетные значения точек, определяющих профиль спинки и корыта лопатки в координатной системе. Значения этих координат задаются табличным способом. Поперечные сечения повернуты относительно друг друга и создают закрутку пера лопатки.

Точность профиля пера лопатки в координатной системе определяется допустимым отклонением от заданных номинальных значений каждой точки профиля пера. В примере это составляет 0,5 мм, угловая погрешность при этом по закрутке пера не должна превышать значения 20 ’ .

Толщина пера имеет малые значения, на входе и выходе воздушного потока в компрессор она для различных сечений изменяется от 1,45мм до 2,5мм. При этом допуск на толщину колеблется от 0,2 до 0,1мм. Высокие требования предъявляются также для формирования радиуса перехода на входе и выходе пера лопатки. Радиус при этом изменяется от 0,5мм до 0,8мм.

Шероховатость профиля пера лопатки должна быть не ниже 0,32мкм.

В средней части пера лопатки расположены опорные бандажные полки сложной профильной конструкции. Эти полки играют роль вспомогательных конструкторских поверхностей лопаток, и на их опорные поверхности наносятся твердосплавные покрытия карбида вольфрама и карбида титана. Средние бандажные полки, соединяясь между собой, создают единое опорное кольцо в первом колесе ротора компрессора.

В нижней части лопатки расположена замковая полка, которая имеет сложную пространственную форму с изменяемыми параметрами сечений. Нижние полки лопаток создают замкнутый контур в колесе компрессора и обеспечивают плавность подачи воздуха в компрессор. Изменение зазора между этим полками выполняется в пределах 0,1…0,2мм. Верхняя часть пера лопатки имеет фасонную поверхность, образующая которой точно расположена относительно профиля замка и входной кромки пера лопатки. От точности выполнения этого профиля зависит зазор между вершинами лопаток и корпусом колеса статора компрессора.

Рабочий профиль пера лопатки бандажных полок, и замка подвергается упрочняющим методам обработки с целью создания на образующих поверхностях сжимающих напряжений. Высокие требования предъявляются также к состоянию поверхностей лопаток, на которых не допускаются трещины, прижоги и другие дефекты производства.

Материал лопатки относится ко второй группе контроля, которая предусматривает тщательную проверку качества каждой лопатки. Для партии лопаток готовится также специальный образец, который подвергается лабораторному анализу. Требования, предъявляемые к качеству лопаток компрессора, весьма высокие.

Способы получения исходных заготовок для таких деталей и использование традиционных и специальных методов при дальнейшей обработки определяют выходные качественные и экономические показатели производства. Исходные заготовки лопаток компрессора получают методом штамповки. При этом могут быть получены заготовки повышенной точности, с малыми припусками на механическую обработку. Ниже рассмотрен технологический процесс изготовления лопаток компрессора, исходная заготовка которая получена методом горячей штамповки обычной точности. При создании такой заготовки определены пути, уменьшающие трудоемкость изготовления и выполнения перечисленных показателей качество лопаток компрессора.

При разработке технологического процесса ставились следующие задачи:

Создание исходной заготовки методом горячей штамповки с минимальным припуском по перу лопатки.

Создание технологических прибылей для ориентирования и надежного закрепления заготовки в технологической системе.

Разработки технологической оснастки и применение метода ориентирования исходной заготовки в технологической системе относительно профиля пера лопатки с целью распределения (оптимизации) припуска на различных этапах механической обработки.

Использование станка с ЧПУ для обработки сложных контуров на фрезерных операциях.

Использования отделочных методов обработки шлифованием и полированием с гарантированием качественных показателей поверхностей.

Создание системы контроля качества исполнения операций на основных этапах производства.

Маршрутная технология изготовления лопаток. Штамповка и все связанные сней операции выполняются по технологии горячей штамповки обычной точности. Обработка ведется на кривошипно-шатунных прессах в соответствии с техническими требованиями. Штамповочные уклоны составляют 7…10°. Радиусы перехода поверхностей штамповки выполняются в пределах R=4мм. Допуски на горизонтальные и вертикальные размеры в соответствии с IT-15. Допустимое смещение по линии разъема штампов не более 2мм. Перо исходной заготовки подвергается профилированной обкатке. Следы от облоя по всему контуру заготовки не должны превышать 1мм.

Лопатки компрессора являются одним из самых ответственных и массовых изделий двигателя и имея ресурс работы от нескольких часов до несколько десятков тысяч часов, испытывают широкий спектр воздействий от динамических и статических напряжений, высокотемпературного газового потока, содержащего абразивные частицы, а также окислительные продукты окружающей среды и сгорания топлива. При этом необходимо отметить, что в зависимости от географического места эксплуатации и режима работы двигателя температура по его тракту колеблется от –50…-40 С° до

700…800 С° в компрессоре. В качестве конструкционных материалов для лопаток компрессора современных газотурбинных двигателей применяют титановые сплавы (ВТ22, ВТ3-1, ВТ6,ВТ8,ВТ33), жаропрочные стали (ЭН961 Ш, ЭП517Ш), а для лопаток турбины литейные сплавы на никелевой основе (ЖС6У, ЖС32).

Опыт эксплуатации и ремонта двигателей для военных самолетов показывает, что обеспечение назначенного ресурса 500-1500 часов во многом зависит от уровня повреждаемости рабочих лопаток компрессора и турбины. При этом она в большинстве случаев связана с появлением забоин, трещин усталости и термоусталости, питтинговый и газовой коррозии, эрозионным износом.

Падение предела выносливости для лопаток 4 ступени на базе 20*10 6 циклов составляет 30% (с 480Мпа для лопаток без дефектов, до 340Мпа для ремонтных лопаток), максимумы напряжений на отремонтированных лопатках 4 ступени хотя и уменьшаются, но все таки значительно превышают напряжение на кромках лопаток без забоин. Забоины на лопатках ротора компрессора ведут к значительной потере усталостной прочности новых лопаток. Значительное число лопаток отбраковывается и безвозвратно теряется, так как они имеют забоины, выходящие за предел допуска на ремонт. Конструкции, изготовленные из титана при относительно малой массе, обладают высокой стойкости против коррозии, хорошими механическими свойствами и красивым внешним видом.

Лопатки газотурбинных двигателей (ГТД) являются наиболее массовыми деталями в производстве данных силовых установок.

Общее количество лопаток в роторе и статоре ГТД в зависимости от его конструкции может достигать нескольких тысяч штук при номенклатуре в два-три десятка наименований, при этом по типоразмерам они могут составлять от нескольких десятков миллиметров до одного – полутора метров. Лопатки турбин наиболее сложны в изготовлении и наиболее ответственны в эксплуатации. Трудоёмкость изготовления данных деталей в общих трудозатратах по производству ГТД составляет не менее 70 – 80 %.

Совершенствование технологических процессов изготовления лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) должно решать прежде всего задачу повышения экономических показателей процесса, а именно: увеличения коэффициента использования материала; снижения трудоемкости изготовления; сокращения технологического цикла изготовления деталей и затрат на технологическую подготовку производства.

Основой решения этой задачи является разработка групповых технологий изготовления главных деталей ГТД, определяющих его себестоимость. К таким деталям, в первую очередь, относятся лопатки турбины и компрессора, открытые и полузакрытые крыльчатки. Выбор той или иной технологии их изготовления зависит от конструктивных особенностей деталей. Однако для одной и той же конструкции лопатки могут быть использованы различные технологические процессы, выбор наиболее оптимального из которых определен экономической целесообразностью его использования в рамках той или иной программы выпуска, т.е. при изготовлении одной и той же детали на разных стадиях развития производства – от единичного к серийному – используются различные технологии, при этом переход от одной технологии к другой может быть существенно сокращен при соблюдении некоторых общих принципов.

Эти принципы должны отвечать условиям автоматизированного производства, где достижение требуемой геометрической точности и качества поверхностного слоя гарантировано соблюдением той или иной групповой технологии, реализуемой на многоцелевых станках, и использованием специальных процессов.

Одним из выдающихся советских ученых и конструкторов был Михаил Миль . Этот уникальный человек работал главным конструктором по вертолётостроению. Используя его выдающиеся знания были созданы вертолёты Ми-1, Ми-2, Ми-4, Ми-6, Ми-8, Ми-10, Ми-12, Ми-24 и др.

Групповая технология опирается на типовые конструкции деталей. Классификация последних на различные типы осуществляется с учетом сходства их конструктивных признаков и функционального назначения. Это позволяет при обработке деталей той или иной группы применять сходные технологии. Базой формирования групп сходных деталей является множество разнообразных деталей, используемых в газотурбинных двигателях (ГТД).

На основе единообразных признаков сходства и различия деталей можно сформировать следующие группы с характерными признаками: рабочие лопатки турбины; сопловые лопатки; компрессорные лопатки; кольца; диски; валы; дефлекторы; опоры и т.д. Так, приведена группа деталей – компрессорные лопатки ГТД, которые должны изготовляться в рамках одной типовой технологии.

Использование групповой технологии в качестве одного из этапов производства требует ее обязательного кодирования, основанного на системе классификации деталей. Эта система строится по принципу распределения деталей по группам конструктором изделия. Геометрическое сходство деталей играет при этом решающее значение. Это сходство определяет другую общность – сходство способов обработки, т.е. одинаковую последовательность выполнения операций, методов обработки резанием и, соответственно, одинаковое технологическое оборудование для их изготовления.

Следующим этапом классификации является использование кодов (номеров) операций групповой технологии. Код операции должен предполагать конкретную технологическую операцию, определяющую тот или иной этап групповой технологии.

Например, операция 005 – изготовление технологических баз для механической обработки от литейных баз; операция 095 – обработка поверхностей, сопрягаемых с другой деталью от технологической базы, и т.д. Таким образом, при составлении новой технологии для изготовления детали, входящей в ту или иную группу, номер (код) операции используется для интеграции данной детали в технологические мощности, задействованные для этой операции.

Однако существующие производства уже включают в себя большое число технологий, созданных в предыдущий период, которые также должны быть объединены в рамках групповой технологии, сохранив при этом имеющуюся у них систему классификации деталей, технологических процессов, оснастки и т.д.

Кроме того, в пределах одной группы могут встречаться детали с конструктивными отличиями, влекущими за собой введение в технологию дополнительных операций. Эти операции кардинально не изменяют групповую технологию, осуществляются в ее рамках. Однако они существенно изменяют технологию конкретной детали, входящей в данную группу. Вследствие этих конструктивных отличий для выполнения того или иного этапа групповой технологии для конкретной детали может быть использовано различное число технологических операций и, соответственно, приспособлений, режущего и измерительного инструмента и т.д.

Таким образом, технологическая система групповых технологий призвана с одной стороны обобщить опыт предшествующих этапов развития предприятия, с другой создать упорядоченную систему технологической подготовки производства для последующего развития предприятия.