Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей

Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, в частности к способам изготовления лопаток авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) из материалов, способных деформироваться в холодном или горячем состоянии.

Известен способ изготовления лопаток газотурбинного двигателя, включающий изготовление заготовки с черновым и чистовым припусками, у которой каждое сечение пера, перпендикулярное оси лопатки, разворачивают в своей плоскости относительно базового сечения на угол, при котором хорда сечения параллельна хорде базового сечения. Расстояние между аналогичными точками корректируемого и базового сечений сокращают относительно этого расстояния у готовой лопатки, затем снимают черновой припуск и производят вальцевание пера лопатки, одновременно осуществляя его закрутку (Леонов Б.Н., Новиков А.С., Богомолов Е.Н. и др. Технологическое обеспечение проектирования и производства газотурбинных двигателей. Рыбинск - 2000 г., с.234-239).

В данном способе расстояние между аналогичными точками корректируемого и базового сечений уменьшают из-за того, что при вальцевании происходит деформация сечений пера лопатки по толщине, перо заготовки лопатки удлиняется, а его входная и выходная кромки в направлении оси лопатки, в общем случае, испытывают деформации растяжения. Для уменьшения растягивающих деформаций кромок ужесточают допуск на толщину кромок заготовок лопаток, что повышает трудоемкость их изготовления. В отдельных случаях при изготовлении заготовок лопаток штамповкой при сравнительно тонких кромках лопатки необходимый припуск, обеспечивающий допустимую величину растягивающих напряжений по кромкам, трудно выполним вследствие упругих деформаций как штамповой оснастки, так и оборудования. В этом случае величина деформации растяжения кромок значительно больше деформации растяжения самого пера заготовки лопатки, причем, чем больше угол закрутки сечений пера, тем больше деформация. В зоне кромок закручиваемых сечений пера заготовки лопатки растягивающие напряжения способны вызвать дефекты в виде макро- и микротрещин, снижающих эксплуатационную надежность лопаток. Устранение этого нежелательного явления традиционными способами (термообработкой, тщательным соблюдением температурного интервала в процессе закрутки сечений пера при горячем вальцевании, повышением на исходной заготовке класса чистоты поверхностей кромок пера перед его закруткой вальцеванием и т.п.) повышает трудоемкость изготовления лопаток.

Кроме того, применение холодной вальцовки пера требует использования (или создания) уникального по силовым параметрам вальцовочного оборудования, а привлечение процесса горячего вальцевания проблематично вследствие возникающих трудностей, вызванных габаритами лопаток, по обеспечению оптимального температурного поля как по сечениям пера, так и по его длине.

Известен также способ изготовления лопаток ГТД (Патент РФ №2257277, МПК В21Н 7/16, заявл. 31.05.04 г., опубл. 27.07.05 г.), включающий получение заготовки с припуском, у которой каждое сечение пера, перпендикулярное оси лопатки, развернуто в своей плоскости относительно базового сечения на угол, при котором хорда сечения параллельна хорде базового сечения. Расстояние между аналогичными точками корректируемого и базового сечений вдоль оси лопатки увеличивают с учетом деформации сжатия пера вдоль его оси при закрутке, например изотермической штамповкой или калибровкой, т.к. в этом случае не происходит деформации сечения пера заготовки лопатки по толщине. Перед закруткой пера удаляют черновой припуск, производят закрутку пера и удаляют чистовой припуск.

Данный способ не требует применения дорогостоящего оборудования для вальцевания, однако увеличение расстояния между аналогичными точками корректируемого и базового сечений на величину, определяемую сокращением этого расстояния при закрутке изотермической штамповкой или калибровкой недостаточно для того, чтобы кромки пера заготовки лопатки не испытывали в процессе закрутки недопустимых (предельных) деформаций растяжения, т.к. при закрутке пера его кромки значительно удлиняются (чем больше угол закрутки пера, тем больше удлинение кромок). Это ведет к появлению дефектов на кромках лопаток и снижает их эксплуатационную надежность.

Из-за вероятности появления дефектов на кромках пера лопаток в процессе его закрутки известные способы не позволяют исключить назначение чернового припуска, что значительно повышает трудоемкость изготовления лопаток.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является исключение или существенное уменьшение деформаций растяжения на кромках пера лопатки при его закрутке, что снижает вероятность появления дефектов и повышает эксплуатационную надежность лопатки.

Дополнительным техническим результатом является возможность изготовления пера лопатки перед закруткой без чернового припуска.

Заявленный технический результат достигается тем, что способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей включает получение по предварительно разработанному чертежу заготовки лопатки с припуском, осуществление закрутки пера заготовки лопатки и удаление припуска. Чертеж заготовки лопатки при этом выполняют путем разворота каждого сечения пера готовой лопатки, перпендикулярного ее оси, в своей плоскости относительно базового сечения из условия обеспечения параллельности хорд разворачиваемого и базового сечений и увеличения расстояния между аналогичными точками каждого разворачиваемого и базового сечений из условия деформации сжатия сечений пера лопатки вдоль его оси при закрутке.

Новым в изобретении является то, что по предварительному разработанному чертежу заготовки лопатки определяют длину кромки пера готовой лопатки и длину кромки пера заготовки лопатки, сравнивают их и определяют степени деформации при удлинении кромки пера заготовки лопатки при закрутке. Затем корректируют чертеж заготовки лопатки путем выполнения кромки пера заготовки лопатки волнообразной на участках со степенью деформации при удлинении кромки пера заготовки лопатки при закрутке, равной или превышающей допустимую для материала лопатки, путем смещения крайних точек кромки пера заготовки лопатки в плоскостях, расположенных параллельно оси лопатки и проходящих через прямые, проведенные через данные точки параллельно оси лопатки.

Для снижения трудоемкости изготовления заготовку перед закруткой получают с чистовым припуском по перу.

При изготовлении лопатки таким способом ее кромки не будут испытывать деформации растяжения, т.к. длина кромок заготовки равна длине кромок готовой лопатки и при закрутке пера только устраняется их волнистость.

На прилагаемых чертежах изображено:

Фиг.1 - готовая лопатка, где: фиг.1а - главный вид; фиг.1б - сечение А-А фиг.1;

Фиг.2 - лопатка после раскрутки пера, где: фиг.2а - главный вид, фиг.2б - сечение А-А фиг.2;

Фиг.3 - заготовка лопатки с раскрученным пером и волнообразной кромкой, где: фиг.3а - главный вид в изометрической проекции; фиг.3б - вид по стрелке А на фиг.3а; фиг.3в - схема к построению волнообразной кромки пера лопатки.

Фиг.4. - заготовка лопатки с припусками по замку и перу, где: фиг.4а - главный вид; фиг.4б - сечение А-А фиг.4а.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Первоначально разрабатывают чертеж заготовки лопатки (без закрутки пера). Приняв прикомлевое сечение 1 пера 2 (фиг.1а) готовой лопатки за базовое сечение, определяют угол закрутки ϕ_i (фиг.1б) каждого i-го сечения 3 (фиг.1а), расположенного в плоскости, перпендикулярной оси 4 лопатки относительно базового сечения 1. Затем поворачивают каждое i-е сечение 3 вокруг оси 4 лопатки или центра масс 5 сечения (фиг.1б) относительно базового сечения на угол ϕ_i его закрутки, при котором хорда 6 (фиг.2) каждого i-го сечения 3 располагается параллельно хорде 7 базового сечения 1, выполняя тем самым раскрутку пера 2 и фиксируя новые значения координат его профиля. Расстояние _к между двумя аналогичными точками 8 (фиг.1б) корректируемого и базового сечений для каждого i-го сечения 3 выполняют больше на величину сокращения этого расстояния при закрутке и определяют по выражению:

(где _i - расстояние между базовым и корректируемым сечениями готовой лопатки (фиг.1а); В - расстояние от точки на корректируемом сечении пера до центра масс этого сечения (фиг.1б); ϕ_i - угол поворота корректируемого сечения пера относительно базового сечения пера лопатки).

При определении расстояния между базовым и корректируемыми сечениями выбирают их характерные точки 8 (фиг.1б), например, принадлежащие к входной или выходной кромкам сечений или к наиболее утолщенной зоне сечения со стороны спинки или корыта или расположенные на некотором расстоянии от оси 4 лопатки или центра масс 5 сечений, пропорциональном длине хорды 7 этих сечений.

Следующим шагом определяют длину кромок пера заготовки и сравнивают с длиной кромок готовой лопатки. В общем случае длина кромок готовой лопатки больше на некоторую величину длины кромок заготовки лопатки. При этом определяют степень деформации удлинения кромок пера заготовки лопатки при его закрутке до чертежных размеров по выражению , где l_л - длина кромки пера готовой лопатки; l_з - длина кромки пера заготовки лопатки, и сравнивают ее с допустимым значением степени деформации для материала лопатки. При степенях деформации удлинения кромок, близких, равных или превышающих предельно допустимые, т.е. «критических», чертеж заготовки лопатки подвергают корректировке. Цель корректировки - выровнять длины кромок заготовки лопатки (по средней линии) и готовой лопатки. Для этого кромку заготовки лопатки 9 (фиг.3), имеющую «критические» степени деформации, выполняют волнообразной. Крайние точки кромки 10 пера 2 заготовки лопатки смещают относительно самих себя в плоскостях, расположенных параллельно оси 4 лопатки и проходящих через прямые 11, проведенные через эти точки параллельно оси 4 лопатки.

На фиг.3а, б позиция 10 показана волнообразная выходная кромка заготовки лопатки, на фиг.3в: 8 - крайняя точка сечения пера с волнообразной кромкой; 12 - след плоскости, проходящей через ось 4 и прямую 11; 13 - точка (или след) пересечения прямой 11 с плоскостью чертежа; 14 - пример следов плоскостей, по которым может быть смещена крайняя точка 8 сечения пера 2 при построении волнообразной кромки пера заготовки лопатки.

Операции построения волнообразной кромки пера выполняют графическим методом или аналитически с использованием, например, персонального компьютера.

Затем накладывают чистовой 15 и черновой 16 припуски на дальнейшую обработку по замку 17 (фиг.4а) и чистовой припуск 18 по перу 2 заготовки лопатки (фиг.4б) и при необходимости проектируют технологические базы 19 и 20, например, в виде бобышек (фиг.4а). При этом припуск 18 по перу 2 (фиг.4а,б) накладывают эквидистантно раскрученной поверхности пера 2 заготовки лопатки.

Далее выполняют изотермическую штамповку заготовки лопатки с обеспечением расчетных припусков по замку 17 и перу 2 и выполнением кромки 10 (или кромок) пера 2 заготовки лопатки волнообразной. После выполнения операции удаления облоя, например обсечкой, на заготовке лопатки обрабатывают технологические базы 19 и 20 и удаляют черновой припуск 16 с замка 17.

На следующем этапе выполняю закрутку сечений пера 2 заготовки лопатки до чертежных размеров. В зависимости от механических свойств материала лопатки закрутку сечений пера 2 выполняют в холодном или горячем состоянии. При этом выбор метода закрутки сечений пера и фиксирования его закрученного состояния определяется как геометрическими характеристиками лопатки, так и механическими свойствами ее материала и может производиться, например, изотермической штамповкой или калибровкой. В процессе закрутки волнообразные кромки пера заготовки лопатки, удлиняясь, приобретают требуемую, например прямолинейную, форму. При этом растягивающие напряжения по длине кромок близки или равны нулю.

Затем удаляют чистовой припуск 15 на замке лопатки 17, чистовой припуск 18 на пере 2, технологические базы 19 и 20, получая готовую лопатку в соответствии с чертежом.

Предлагаемый способ позволяет снизить трудоемкость изготовления и повысить качество лопаток газотурбинных двигателей, имеющих большие габариты и большой угол закрутки.

1. Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей, включающий получение по предварительно разработанному чертежу заготовки лопатки с припуском, осуществление закрутки пера заготовки лопатки и удаление припуска, при этом упомянутый чертеж заготовки лопатки выполняют путем разворота каждого сечения пера готовой лопатки, перпендикулярного ее оси, в своей плоскости относительно базового сечения из условия обеспечения параллельности хорд разворачиваемого и базового сечений и увеличения расстояния между аналогичными точками каждого разворачиваемого и базового сечений из условия деформации сжатия сечений пера лопатки вдоль его оси при закрутке, отличающийся тем, что по предварительно разработанному чертежу заготовки лопатки определяют длину кромки пера готовой лопатки и длину кромки пера заготовки лопатки, сравнивают их, и определяют степени деформации при удлинении кромки пера заготовки лопатки при закрутке, корректируют чертеж заготовки лопатки путем выполнения кромки пера заготовки лопатки волнообразной на участках со степенью деформации при удлинении кромки пера заготовки лопатки при закрутке, равной или превышающей допустимую для материала лопатки путем смещения крайних точек кромки пера заготовки лопатки в плоскостях, расположенных параллельно оси лопатки, и проходящих через прямые, проведенные через данные точки параллельно оси лопатки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку лопатки выполняют с чистовым припуском по ее перу.