Производство моноколёс и крыльчаток газотурбинных двигателей. Лопатка турбины газотурбинного двигателя

Введение

Производство лопаток газотурбинных двигателей занимает особое место в современном машиностроении. Это обусловлено следующими особенностями изготовления лопаток.
1. Ответственным назначением лопаток в двигателе. Лопатки в решающей степени определяют надёжность и безотказность работы газотурбинных двигателей. Ресурс работы двигателя определяется, как правило, работоспособностью лопаток. В связи с этим, технология изготовления и контроля лопаток должна обеспечивать стабильность качества их изготовления и исключать возможность установки в двигателе лопаток с отклонениями по геометрическим размерам, качеству поверхности, с металлургическими и иными дефектами.
2. Сложностью геометрических форм и требованиями высокой точности изготовления лопаток. Перо лопатки представляет собой лопасть переменного сечения, ограниченную поверхностями сложного очертания и точно ориентированную в пространстве по отношению к замку. Точность изготовления пера находится в пределах 0,05ч0,15 мм. Замковую часть, при помощи которой лопатки крепятся к дискам, изготовляют с точностью 0,01-0,02 мм.
3. Массовостью изготовления лопаток. Современный двигатель с осевым компрессором насчитывает до 2000 лопаток. В связи с этим даже при выпуске опытных образцов двигателей изготовление лопаток носит серийный характер.
4. Применение дорогостоящих и дефицитных материалов для изготовления лопаток. В связи с этим технологический процесс производства лопаток должен гарантировать минимальный процент брака.
5. Плохой обрабатываемостью материалов, применяемых для изготовления лопаток. Лопатки турбины изготовляют из сплавов на никелевой основе, имеющих относительно большую твёрдость при высокой вязкости.
Сочетание указанных факторов и определило специфичность производства лопаток.
Производство лопаток совершенствуется и в настоящее время, главным образом, в направлении механизации и автоматизации. Исключение ручного труда позволяет не только сократить трудоемкость, но и повысить качество изготовления лопаток.
Значительные успехи достигнуты за последнее время в области интенсификации режимов обработки жаропрочных и титановых сталей и сплавов, а также в области изготовления керамических лопаток.

1. Назначение и конструкции сопловых лопаток

Направляющие и рабочие лопатки по своему служебному назначению являются основными деталями паровых и как лопаточных двигателей. В совокупности они образуют проточную часть турбины, в которой происходит преобразование тепловой энергии рабочей среды (пара, газа) в механиче¬скую работу вращающегося ротора. Совокупность направляющих и рабочих лопаток называют лопаточным аппаратом турбины.
Лопаточный аппарат является самой дорогой и наиболее ответственной частью турбины. Экономичность турбины — ее к. п. д.—в первую очередь зависит от качества выполнения лопаточного аппарата. Трудоемкость изготовления лопаток современной мощной паровой турбины достигает 42—45% от общей трудоемкости изготовления всех ее деталей.
Лопатки турбин работают в очень тяжелых условиях. Они подвергаются сильному воздействию центробежной силы, изги¬бающему и пульсирующему воздействию рабочей среды, вызывающему вибрации лопаток, в которых легко могут быть возбуждены резонансные колебания. Все это происходит в первых ступенях турбины при высоких температурах рабочей среды, воздействующей на лопатки как химически, так и механически; в последних ступенях имеет место разъедание (эрозия) входных кромок лопаток частицами воды, содержащейся во влажном паре.
Указанные условия требуют особо тщательного подхода к вопросам конструирования лопаток, выбора материалов для них и организации их производства. Особо тщательно следует выполнять все образующие формы лопаток размеры и соблюдать установленные для их изготовления технические требова¬ния. Отклонения от чертежей могут вызвать в лопатках дополнительные напряжения, не предусмотренные расчетами, что, в свою очередь, может привести к серьезной аварии турбин.
Сопловой аппарат первой ступени омывается газом, температура которого с учетом неравномерности после камеры сгорания может на 100 -120 °С превышать среднемассовую перед турбиной. Поэтому в высокотемпературных газовых турбинах его охлаждают весьма интенсивно. Под среднемассовой температурой перед турбиной следует считать средневзвешенную температуру торможения непосредственно перед рабочими лопатками. Это позволяет более свободно расходовать воздух на охлаждение сопловых лопаток первой ступени, однако при этом должны быть обеспечены малые аэродинамические потери в самом сопловом аппарате и максимально равномерный по температуре, давлению и направлению поток непосредственно перед рабочими лопатками этой ступени.
Сопловые лопатки обычно слабо закручены по радиусу и поэтому применяемые системы охлаждения могут быть реализованы практически при всех законах закрутки ступеней.
Сопловой аппарат первой ступени турбины обычно выполняют разборным с двухопорными соплами, так как он воспринимает наибольший перепад давления, но с необходимой свободой термического расширения (рис. 1, а). Все новые имеют охлаждаемые сопловые лопатки с выпуском воздуха большей частью в выходную кромку. Этот воздух, смешиваясь с основным потоком газа, работает в последующих венцах турбины, поэтому его расход не наносит большого ущерба для экономичности турбины. Полые охлаждаемые сопловые лопатки изготовляют точным литьем (по выплавляемым моделям). Первая ступень турбины агрегата ГТК-16 ТМЗ имеет сварно-паяные лопатки.
Для сопловых аппаратов последующих ступеней в стационарной практике применяют консольно- закрепленные лопатки (рис.1, б). На турбомоторном заводе их объединяют в пакеты (сегменты) по три-четыре штуки, а между пакетами оставляют

Конструкции соловых лопаток

а)

б)

в)

а - двухопорная воздухоохлаждаемая сопловая лопатка; б - консольно закрепленная
направляющая лопатка турбины; в - регулируемый сопловой аппарат со сферическими ограничивающими поверхностями.

Рис. 1

Сечения профильной части охлаждаемых сопловых лопаток

а - конвективного охлаждения с дефлектором; б - конвективно-пленочного охлаждения; в - проникающего охлаждения; г - внутристеночного охлаждения;
1 - дефлектор; 2 - литая лопатка; 3 - пористое покрытие; 4 - теплозащитное покрытие.
Рис. 2

Неразборные сопловые аппараты применяют в виде сварных диафрагм. Для них требуются специальные конструктивные мероприятия по обеспечению термоэластичности и для избежания поводок. Предпочтительны полые и тонкостенные диафрагмы без горизонтального разъема.
Неохлаждаемые сопловые лопатки также желательно выполнять полыми для снижения термических напряжений в выходных кромках при внезапных остановах. Во всех случаях необходимо сводить к минимуму теплоотвод от сопловых лопаток к крепящим их деталям статора.
Сопловые аппараты двух и трехвальных требуют жесткого допуска на площадь выходного сечения первой ступени каждой турбины для обеспечения расчетного распределения теплоперепадов между ними. В рабочем состоянии площадь у турбин высокого и низкого давлений увеличивается на разную величину.
Особого внимания в конструкции требуют регулируемые сопловые аппараты. Для уменьшения радиальных зазоров по концам лопаток примыкающие к поворотным направляющим лопаткам меридиональные поверхности должны быть выполнены по сферам, описанным радиусами из центра, расположенного на пересечении оси цапф лопатки с осью турбины (рис. 1, в). Упрощение конструкции достигается при сравнительно небольшом числе широких лопаток, однако при этом сильнее меняется осевой зазор между соп¬ловыми и рабочими лопатками при их повороте. Необходимый рабочий диапазон изменения площади соплового аппарата составляет ±10%.
Среди различных конструкций охлаждаемых сопловых лопаток более других распространены дефлекторные лопатки (рис.2, а). Наружную силовую оболочку изготовляют обычно точным литьем. Встав¬ной тонкостенный дефлектор позволяет организовать хорошее конвективное охлаждение стенок и струйное охлаждение изнутри входной кромки лопатки. Охладитель покидает лопатку чаще всего через выходную кромку, выполняемую полой, или рядом с ней. В таких лопатках осуществлено движение охладителя поперек оси лопатки. В ранних конструкциях охлаждаемых сопловых аппаратов первой сту¬пени использовали продольное течение охладителя без выпуска воздуха в кромку. Сейчас такие конструкции из-за малого охлаждающего эффекта применяют редко и только для второй или третьей ступени.
Преимущества лопатки со вставным дефлектором при попереч¬ном сечении охладителя:
сближение коэффициентов теплоотдачи воздуха и газа, что дает равномерную температуру по сечению лопатки;
возможность реализации дифференцированного охлаждения участ¬ков лопатки по высоте и по сечению за счет расположения и числа от¬верстий в дефлекторе;
возможность регулирования глубины охлаждения лопатки в про¬цессе доводки или увеличения ресурса;
сравнительная простота интенсификации теплообмена со стороны воздуха за счет различных турбулизаторов.
Дефлектор представляет собой тонкостенную штампованную оболочку из двух частей, соединяемых с помощью точечной или роликовой сварки, иногда пайки. Возможно изготовление дефлектора путем деформации и рассверловки тонкостенной трубки. Перфорация дефлектора в определенных местах позволяет интенсифицировать конвективный теплообмен за счет струйного охлаждения. Концентрацию струйного охлаждения в одном месте называют душевым охлаждением.
Сопловые лопатки с конвективно-пленочным охлаждением применяют для более высоких температур газа (Тг > 1200 - 1250 °С), чем при чисто конвективном. При этом тратится больше охлаждающего воздуха, чем без выдува охлаждающей пленки. Однако для сопловых лопаток первой ступени это не имеет решающего значения. Достоинство конвективно-пленочного охлаждения лопаток (рис.2, б) — возможность дополнительного сниже¬ния температуры металла на 100 °С и более. Другое преимущество — возможность устранения местного перегрева лопатки путем создания перед участком с завышенной температурой дополнительной щели выдува. Однако пленка быстро размывается и щели для выдува нужно повторять. Кроме того, воздействие вдуваемой пленки на пограничный слой вызывает увеличение аэродинамических потерь. При пленочном охлаждении обычно имеет место неравномерность температур по сечению лопатки.
В отечественных приводных сопловые лопатки с конвективно-пленочным охлаждением в конце 80-х годов еще не были распрост¬ранены, однако появляются в новых 90-х годов.
Среди разрабатываемых, но не внедренных в практику систем охлаждения сопловых лопаток, упомянем лопатки с проникающим ох¬лаждением и лопатки с внутристеночным охлаждением.
Проникающее охлаждение, при котором воздух проходит через мелкие отверстия (поры) в стенке лопатки, предназначено для очень вы¬соких температур, например Тг = 1600 °С. Именно при этих условиях можно достигнуть значительного снижения расхода охлаждающего воздуха по сравнению с конвективно-пленочным охлаждением. Проникающее охлаждение теснее других способов охлаждения связано с технологией изготовления стенок лопаток. Как правило, сопловые лопатки с проникающим охлаждением являются гильзовыми, т.е. тонкая обо¬лочка покрывает жесткий сердечник лопатки (рис.2, в). Существенными недостатками являются необходимость тщательной очистки охлаждающего воздуха и опасность заноса пор дисперсными частицами, содержащимися в продуктах сгорания.
Другой перспективный вид гильзовых (оболочковых) лопаток - лопатки с внутристеночным охлаждением. Здесь используют продольное течение охладителя (рис.2, г).

2. Материалы, применяемые для изготовления лопаток

Температура металла сопловых лопаток определяется температурой рабочего тела, омывающего лопатки данной ступе¬ни, и системой охлаждения. Напряжения изгиба, возникающие под действием газового потока, составляют 50-80 МПа, а в пер¬спективных высокотемпературных мощных достигают 130 МПа.
Лопатки подвергаются статическому и динамическому воздействию газового потока. При этом возможны температурные пере¬пады типа тепловых ударов до 400 0С, а в перспективных до 600 -700 0С. Для приводных турбин число пусков на ресурс достигает 200, для пиковых - 5000. Лопатки подвергаются также эрозионному и коррозионному воздействию потока продуктов сгорания при скорости его до 700 м/с. Запыленность потока твердыми частицами размером до 100 мкм может достигать концентрации 0,3 мг/м3. При неблаго¬приятных атмосферных условиях эти величины могут кратковре¬менно повышаться соответственно до 250 мкм и 2,5 мг/м3. При наличии воздухоочистных устройств запыленность воздушного по¬тока не должна превышать установленных норм.
Анализ условий, в которых работают лопатки, и изучение типичных аварий лопаточных аппаратов обусловили следующие требования к материалу сопловых лопаток турбин:
А) высокая жаропрочность, т.е. сохранение высоких показателей прочности при высокой рабочей температуре;
Б) высокая пластичность, необходимая для равномерного распределения напряжений по всей площади поперечного сечения лопатки; хорошая сопротивляемость местным напряжениям;
В) высокая усталостная прочность (выносливость);
Г) высокий декремент затухания;
Д) стабильность структуры, обеспечивающая неизменность механических свойств во время эксплуатации турбин;
Е) высокая сопротивляемость окислению и окалинообразованию при высоких температурах;
Ж) благоприятные технологические свойства, позволяющие применять более рациональные методы обработки лопаток (в первую очередь - резанием) и обеспечивающих точное выполнение размера профиля и высокую чистоту обработки. Металл для лопаток должен хорошо коваться, штамповаться, расклёпываться без появления трещин, хорошо гнуться и вальцеваться в холодном состоянии. В случае сварных конструкций от металла лопаток требуется хорошая свариваемость.
З) Высокая сопротивляемость эрозии.
В качестве материала сопловых лопаток первых ступеней используют литейные или деформируемые сплавы на никелевой ос¬нове. При температуре газов до 700 °С ранее применяли аустенитные стали. Для лопаток последних ступеней при температуре газов менее 580 °С возможно также использование легированных хроми¬стых сталей. Для лопаток, работающих при температурах свыше 650 до 8000 С, используются жаропрочные металлические сплавы на никелевой основе. Среди них ЖС6К, ЭИ929ВД, ЭИ893,Н70ВМЮТ, ХН80ТБЮ и др.
При температуре газов 800°С и выше, а при наличии в топливном газе серы и при 720°С необходимо нанесение защитных покрытий на сопловые и рабочие лопатки, имеющие содержание хрома в сплаве менее 20%, путем хромоалитирования, хромосилицирования или хромоалюмосилицирования и т. п. Толщина защитного покрытия-30 - 60 мкм, Применяют также эмалевые покрытия, а для охлаждаемых лопаток—теплозащитные покрытия.

3. Вид заготовки

Для изготовления лопаток применяются следующие виды заготовок: полосовая сталь, листовая сталь, поковки, штамповки, горячекатаные профильные полосы (так называемый светлокатаный профиль) и точное литье по выплавляемым моделям. Наиболее распространенными заготовками для лопаток являются светлокатаный профиль и штамповки.
Вид заготовки оказывает большое влияние на последующий технологический процесс обработки, поэтому при выборе рациональных заготовок следует учитывать все конкретные условия производства и, в частности, форму лопаток, их количество и сроки выполнения заказов.
Основным методом изготовления лопаток соплового аппарата является прецизионное литье по выплавляемым моделям преимущественно из литейных сплавов ЛК4, ЖС6, ЖС6-К и др.
Применение точного литья по выплавляемым моделям позво¬ляет получать заготовки с минимальным припуском по перу. Механическая обработка заготовок таких лопаток заключается главным образом в обработке замков лопаток.
Литье по выплавляемым моделям имеет следующие преимущества по сравнению с другими методами получения заготовок лопаток соплового аппарата;
1) возможность получения заготовок сложной формы, с чистотой поверхности 5— б и точностью в пределах 4-го класса;
2) возможность получения пустотелых лопаток с толщиной стенок до 0,5 мм.
К недостаткам данного метода относятся:
1) необходимость применения для отливки дорогостоящих сплавов и вспомогательных материалов;
2) длительность производственного цикла.
В некоторых двигателях лопатки соплового аппарата начали изготавливать из листового жаропрочного материала методом хо¬лодной штамповки с последующей электросваркой выходной кромки.

4.Основные требования к механической обработке лопаток

Хорошее качество лопаток, как и всех прочих деталей турбины, зависит от правильного выполнения установленных в чертежах конструктивных размеров и чистоты обработки поверхностей. Каждые части лопатки (хвост, рабочая часть и головка) имеют различное назначение. Хвост служит для надежного закрепления лопатки в корпусе турбины. Рабочая часть предназначена для восприятия давления пара, а головка для крепления бандажа. Если у хвоста лопатки в соответствии с его служебным назначением большое значение имеет степень точности, с которой выполнены все посадочные размеры хвоста, то для рабочей части, размеры которой не являются посадочными, большое значение имеет степень чистоты обработки. Хорошо отполированная поверхность рабочей части содействует уменьшению потерь пара на трение о поверхность лопатки, увеличивая в то же самое время антикоррозийную стойкость лопатки.
Все размеры лопаток, по требованиям к их точности, можно разбить на три группы.
Первая: размеры, от которых зависит характер соединения лопаток с другими деталями турбины, т.е. посадочные детали. К ним относятся в первую очередь размеры хвостов и шипов под насадку бандажных лент. Диаметр шипа (при круглом шипе) и ширина, и толщина шипа (при прямоугольном шипе) выполняются по ходовым посадкам 4-го класса.
Вторая: размеры, не являющиеся посадочными, но требующие повышенной точности. К ним относятся размеры сечений рабочих частей; размеры, определяющие установку лопаток и расположение отверстий под скрепляющую проволоку и т.п. Выполняются эти размеры или по третьему и четвёртому классам точности, или по свободным нестандартным допускам в пределах от 0,1 мм до 0,5 мм, в зависимости от размеров лопатки.
Третья: свободные размеры, к которым обычно относятся размеры галтелей, фасок и других менее ответственных элементов лопаток. Точность свободных размеров или совсем не нормируется или ограничивается допусками 7-го класса точности. Однако даже и в том случае, когда на свободные размеры не установлено никаких допусков, они выполняются обычно по допускам, установленным на свободные размеры специальными технологическими инструкциями, выпускаемыми на данном предприятии.
Чистота обработки посадочных поверхностей выдерживается в пределах 6-го класса, рабочих профилей и галтелей у рабочих частей - 8-9-го класса.
Наиболее ответственными являются посадочные размеры хвостовых соединений. Эти размеры, а также и чистота обработки должны быть обеспечены соответствующей точностью станочной обработки и качеством режущего инструмента. Чертёж типовой лопатки соплового аппарата приведён на рис. 3.

Чертёж типовой лопатки соплового аппарата

а)

б)

а - беззамковой конструкции, б-с замком.

Рис. 3

Точность изготовления основных поверхностей лопаток характеризуется следующими данными:
допуск на толщину профиля пера ………………… +0,5 - 0,2;
допуск на толщину кромок ………………………. ±0.2;
непрямолинейность профиля..……………………. 0,8 мм;
непрямолинейность выходной кромки……………. 0,8 мм;
допуск на толщину стенки пустотелых лопаток.....±0,3мм;
чистота поверхности замка ………………………... 4— 5.

5. Типовой процесс механической обработки

Технологический процесс обработки любой новой лопатки может быть легко и быстро разработан технологом при наличии классификатора и типовых технологических операциях.
Сплавы, из которых изготовлены лопатки, плохо обрабатываются резанием (особенно металлическим инструментом). В связи с этим операции по обработке этих лопаток выполняют, как правило, шлифованием.
Для заготовок лопаток соплового аппарата, изготовленных точной отливкой с припуском по перу под шлифование основным видом механической обработки является шлифование замков.
Отделку пера лопаток производят обычно вручную на полировальных бабках. Первоначальную зачистку пера производят абразивными кругами зернистостью 46—60. Маршрутный технологический процесс механической обработки лопаток соплового аппарата (с замками) состоит из следующих операций:

№ опера-ции	Наименование операции	Оборудование

	Контроль заготовки
	Шлифование базовых плоскостей	Плоскошлифовальный станок МСЗ
	Слесарная зачистка выходной кромки заподлицо с основной поверхностью
	Притирка боковых плоскостей замка со стороны корыта	Притирочный станок
	Шлифование плоскостей замка	Плоскошлифовальный станок МСЗ
	Шлифование литника	Плоскошлифовальный станок МСЗ
	Шлифование двух плоскостей замка со стороны спинки	Плоскошлифовальный МСЗ
	Электроэрозионная обработка отверстий в замке	Специальная установка
	Промывка	Моечная машина
	Фрезерование паза на подошве замка	Вертикально-фрезерный станок
	Слесарная (притупление острых кромок после механической обработки)
	Промывка и обдувка	Моечная машина
	Окончательный контроль
	Цветная дефектоскопия	Специальная установка
	Зачистка дефектных участков после цветной дефектоскопии	Полировальная бабка
	Травление
	Контроль после зачистки дефектных мест
	Люминесцентный контроль
	Зачистка дефектов после люминесцентного контроля	Полировальная бабка
	Промывка и протирка	Моечная машина

Маршрутный технологический процесс механической обработки лопаток соплового аппарата беззамковой конструкции состоит из следующих операций:

№ операции	Наименование операции	Оборудование
	Заготовка — точное литье без припуска на механическую обработку по перу
	Шлифование торца пера	Плоскошлифовальный станок МСЗ
	Фрезерование радиуса со стороны вход ной кромки	Горизонтально-фрезерный станок
	Фрезерование радиуса со стороны вход ной кромки	Горизонтально-фрезерный станок
	Слесарная зачистка заусенцев после фрезерования и притупления острых кромок	Полировальная бабка
	Промывка и обдувка	Моечная машина
	Окончательный контроль
	Цветная дефектоскопия	Специальная установка
	Зачистка дефектов после цветной дефектоскопии	Полировальная бабка
	Травление
	Контроль после зачистки
	Люминесцентный контроль	Специальная установка
	Зачистка заусенцев после люминесцентного контроля	Полировальная бабка
	Промывка и протирка	Моечная машина

Далее перо полируют фетровыми кругами с наклеенным абразивом. Полирование осуществляют в три перехода. Зернистость абразива, применяемого при такой обработке, составляет соответственно 60, 180 и 220.

6. Вид станков

В связи с большой трудоемкостью операций ручной подгонки профиля на отдельных заводах были предприняты попытки механизировать эти операции.
На рис. 4 показан модернизированный станок ПСЛ для полирования спинки лопаток соплового аппарата. На этом станке можно обрабатывать несколько деталей одновременно.
Станки МШ-81 и МШ-82 Московского завода шлифовальных станков (рис. 5) предназначены для обработки беззамковых сопловых лопаток, спинка и корыто которых имеют постоянный профиль во всех сечениях. Перо обрабатывают профильным кругом, который правится специальной профильной шарошкой. На рис. 6 показано специальное устройство, примененное на круглошлифовальных станках, для шлифования спинки лопаток соплового аппарата.
Устройство состоит из механизма синхронного вращения шпинделя шлифовального круга и шпинделя передней балки, механизма для правки шлифовального круга и механизма для привода копира.
Шпиндель 3 передней бабки получает вращение от шпинделя шлифовальной головки через систему зубчатых колес для обеспечения синхронности вращения круга и изделия.
От шпинделя изделия вращения с передаточным отношением 2:1 передается объемному копиру 2, который служит для правки шлифовального круга. Круг 9 правится с помощью специального механизма. На валу 10 механизма для правки круга жестко сидит рычаг, несущий профилирующий инструмент 8. На другом конце вала 10 смонтирован ролик 11, связанный с роликом 6, упирающимся в объемный копир 12. Механизм для правки перемещается вдоль оси вращения шлифовального круга. Для предварительного шлифования объемного копира используется эталонная лопатка 6, в которую упирается диск 7, заменяющий шлифовальный круг.
При вращении эталонной лопатки 6 диск 7 получает горизонтальное перемещение, которое через рычаг вала 10 механизма для правки передается механизму шлифовального круга, шлифующему профиль объемного копира.
После шлифования объемного копира вместо шлифовального круга устанавливают ролик 11, диаметр которого равен диаметру круга. Вместо сектора—диска устанавливают алмаз 8, который профилирует шлифовальный круг. После правки шлифовального круга обрабатывают спинку лопатки, установленной вместо эталонной лопатки.
Лопатки соплового аппарата ряда газотурбинных двигателей изготавливают методом точного литья по выплавляемым моделям с припуском по перу под шлифование.
В этом случае технологический процесс обработки лопаток включает в себя (дополнительно к указанным операциям) также и операции по шлифованию профиля пера, выполняемые на стан¬ках ХШ-185В, ХШ-186 и на модернизированных универсально-шлифовальных станках.
Значительное распространение в высокотемпературных газотурбинных двигателях получили лопатки соплового аппарата пустотелой конструкции. Такие лопатки также изготавливают методом точного литья, с керамическими или иными стержнями, образующими внутреннюю полость.
Замки лопаток соплового аппарата обрабатывают на плоскошлифовальных станках. Обрабатываемую лопатку устанавливают в специальную кассету. Базами при этом служат поверхность корыта и кромка пера. Зажим осуществляют по поверхности спинки. Требуемое расположение плоскостей замков достигается поворотом кассеты и установкой ее соответствующими поверхностями рис. 7.
Обработка баз лопаток соплового аппарата может быть произведена на плоскошлифовальном полуавтомате модели БС-200. Станок работает по полуавтоматическому циклу и обеспечивает равномерное распределение припуска между спинкой и корытом. На станке имеется электронное устройство для равномерного распределения припуска по профилю пера, а также приспособле¬ние для безалмазной правки круга. Детали крепятся в специальном приспособлении с быстродействующим зажимом.

7. Закрепление заготовок

В процессе обработки заготовка (деталь) соответственно сориентирована, должна быть неподвижной. Это достигается ее закреплением в приспособлении или на станке.
В отличие от базирования заготовки, когда на нее накладывается различное число связей и она лишается трех, четырех, пяти и шести степеней свободы, во всех случаях закрепления заготовка должна быть лишена шести степеней свободы.
С этой целью применяют разнообразные зажимные устройства (механические, гидравлические, пневматические, магнитные, вакуумные и др.), основанные на использовании сил трения.
Зажимные устройства в приспособлениях должны создать постоян¬ство контакта баз с опорными точками (обеспечивать правильное базирование) и неподвижность заготовки в процессе ее обработки (закрепление заготовки).
Следует отметить, что чем меньше число баз и опорных точек, используемых при базировании заготовок, тем проще, производительнее и дешевле получается конструкция приспособлений. Поэтому при базировании обрабатываемых заготовок необходимо стремиться использовать наименьшее число баз с наименьшим числом опорных точек, при котором может быть обеспечено выполнение заданных чертежом размеров и формы детали.

Полирование спинки пера лопаток соплового аппарата
на модернизированном станке ПСЛ

Общий вид и рабочая зона плоскошлифовального станка
моделей МШ-81 и МШ-82

Рис. 5

Шлифование спинки лопатки соплового аппарата
на модернизированном копировально-шлифовальном станке

1—упоры, 2—копир, 3—шпиндель, 4— оправа для закрепления эталонной лопатки, 5—лопатка, 6—эталонная лопатка, 7—диск, 8—алмаз, 9—шлифовальный круг, 10—валы механизма правки, 11—ролик, 12—диск копира.
Рис. 6

Шлифование плоскостей замков лопатки соплового аппарата

Рис. 7

8. Технический контроль лопаток

Лопатки проверяют как в процессе механической обработки, так и после ее окончания. Контроль лопаток включает в себя:
выявление внешних и внутренних дефектов материала; проверку шероховатости обрабатываемых поверхностей в соответствии с требованиями чертежа; проверку размеров, формы профилей пера (спин¬ки, корыта) и замков и их взаимного расположения; определение массы и частоты собственных колебаний лопаток; выборочные испытания рабочих лопаток турбины и компрессора на усталость. В пустотелых охлаждаемых рабочих лопатках ТНД проверяют расход воды через внутреннюю полость (испытания лопаток на пролив).
Контроль внешних и внутренних дефектов материала лопаток позволяет выявить трещины и волосови¬ны на поверхности, раковины, пористость, расслоения, инородные включения и флокены в материале. Для этой цели применяют трав¬ление, цветную дефектоскопию, люминесцентный, магнитный и ультразвуковой методы контроля.
Магнитопорошковый метод основан на притяжении частиц порошка железа к магнитным полюсам, образующимся у намагниченной детали в местах нарушения сплошности. Магнитопорошковым методом выявляются трещины с шириной раскрытия 0,001 мм и более, глубиной 0,01 мм и более. Относительная простота и довольно высокая надежность этого метода способствовали его широкому внедрению.
Цветной и люминесцентный методы контроля (капиллярные методы дефектоскопии) применяются для выявления дефектов, выходящих на "поверхность детали. Метод цветной дефектоскопии основан на способности специальной красной краски проникать в глубь поверхностных дефектов и белой краски впитывать в себя красную краску из дефекта. Метод обнаруживает трещины шириной от 0,01 мм, по глубине от 0,05 мм и по протяженности от 0,3 мм.
Люминесцентный метод (ЛЮМ-А) основан на способности некоторых жидкостей светиться при облучении ультрафиолетовым светом. Люминесцентный метод ЛЮМ-А надежно выявляет выходящие на поверхность трещины, поры, рыхлоты, окисные пленки, засоры и т.д. Он обнаруживает трещины шириной от 0,01 мм, по глубине от 0,05 мм и по протяженности от 0,2 мм. Чувствительность метода ЛЮМ-А несколько выше метода цветной дефектоскопии. Внутренние дефекты материала лопаток проверяются рентгеновским и ультразвуковым методами.
Рентгеновский метод обнаружения дефектов основан на ослаблении рентгеновского излуче¬ния материалом детали, при котором теневое изображение просвечи¬ваемой детали регистрируется на рентгенографической пленке. Достоинством метода является высокая чувствительность к выявле¬нию в материале детали внутренних пор, раковин, инородных включений и др.
Для просвечивания литых лопаток турбины используются передвижные кабельные рентгеновские аппараты типа РУП-100-10, РУП-150-10-1 и др.
Ультразвуковой метод контроля с использованием поверхностных волн позволяет выявлять поверхностные трещины и металлургические дефекты материала. Данный метод применяется обычно для выявления трещин входной и выходной кромок, реже — на поверхности спинки и корыта, возникающих при изготовлении и эксплуа¬тации лопатки.Метод основан на прозвучивании контролируемого материала кратковременными импульсами ультразвуковых колебаний, распространяющихся по поверхности лопатки, и улавливании их отражений (эхо-сигналов) от дефектов.
Контроль геометрических размеров, формы профилей пера и замка и их взаимного расположения. Операции этого вида технического контроля лопаток наиболее трудоемкие. Приборы, применяемые на этих операциях, можно разделить на две основные группы: бесконтактные — оптико-проекционные и контактные — механические, оптико-механические, пневматические и пневмогидравлические.
Перо лопатки проверяют в расчетных поперечных сечениях бесконтактными и контактными методами. Одним из бесконтактных методов контроля является проверка профиля на проекторах, используемая в единичном производстве. У нас они не нашли применения.
При малом масштабе производства профиль пера лопаток иногда проверяют шаблонами. Отклонение профиля спинки и корыта от шаблона определяют визуально на просвет или с помощью щупа. Контроль пера шаблонами малопроизводителен, субъективен и требует громоздкого шаблонно-измерительного хозяйства.
В серийном производстве использовались механические приборы с индикаторами часового типа, настраиваемые по эталонной лопатке. Они просты и удобны в работе, но малопроизводительны.
Многомерные приборы и измерительные машины производительны. Их можно быстро переналаживать на контроль других лопаток по эталонной лопатке. Базой для крепления лопатки является замок или центровые углубления, два из которых имеются на боковых поверхностях замка и одно — у конца пера. К числу таких приборов относятся универсальные многомерные оптико-механические приборы типа ПОМКЛ для одновременного контроля профиля пера, сме¬щения пера с оси замка, угла закрутки и толщины пера в поперечных сечениях лопатки компрессора.
Основные геометрические параметры замков лопаток турбины и компрессора обычно проверяются механическими приборами с индикаторными часами, настраиваемыми по эталону.
Расход воды через внутреннюю полость пера охлаждаемых лопаток ТНД проверяют на специальной установке. Лопатка устанавливается в приспособление и проливается водой при избыточном давлении в 4±0,05 кгс/см2 (0,3±0,005 МПа) и температуре 20±5 "С в течение 20 с. Проверяют пропускную способность внутреннего канала у всего I комплекта лопаток данной ступени. Сравнивают среднее значение расхода с результатом пролива каждой лопатки в комплекте. Различие по расходу воды у рабочих лопаток в комплекте (разнорасходность) должна составлять не более 13... 15 % от среднего расхода воды в комплекте лопаток
Частоты собственных колебаний рабочих лопаток турбины и компрессора проверяют на электродинамических вибростендах.
Рабочие лопатки турбины и компрессора взвешивают на весах типа ВТК-500 с точностью 0,1 г.

9. Реальное выполнение технологического процесса на УТМЗ

Рассмотрим реальный технологический процесс на примере направляющей лопатки первой ступени ГТН-6У. Вид заготовки - точное литье по выплавляемым моделям, материал заготовки - сплав ХН648МКЮТ - УСЗМИ - ЗУ.
Реальное выполнение технологического процесса на заводе для направляющих лопаток
6-11 ступени турбины ГТ-6-750 представлено в табл. 3.
Таблица 3

№ опе-рации	Наименование и содержание операции	Оборудование

	Входной контроль
	Фрезерно-центровочная. Подрезать торцы и центрировать с 2х сторон.	центр. фрезерное МР-71
	Горизонтально-фрезерная. Фрезеровать плоскости хвоста со стороны внутреннего и наружного профиля в центрах.	Горизонтально-фрезерное 6М82Г
	Шлифовальная. Шлифовать плоскость хвоста со стороны наружного профиля в центрах.	Плоскошлифовальное 3Б-722
	Шлифовальная. Шлифовать плоскость хвоста со стороны внутреннего профиля	Плоскошлифовальное 3Б-722
	Горизонтально-фрезерная. Фрезеровать плоскость хвоста под углом со стороны газовыпуска предварительно за 2 прохода.	Горизонтально-фрезерное 6М83Г
	Вертикально-фрезерное. Фрезеровать плоскость хвоста под углом со стороны газовыпуска чисто.	Вертикально-фрезерное 6М13П
	Горизонтально-фрезерная. Фрезеровать плоскость хвоста со стороны входа предварительно под углом.	Горизонтально-фрезерное 6М82Г
	Вертикально-фрезерная. Фрезеровать плоскость хвоста со стороны входа чисто под углом	Вертикально-фрезерое 6М13П
	Токарная. Точить хвостовик под резьбу.	Токарное П.У. 16К20Ф3
	Вертикально-фрезерная. Фрезеровать бока впуска и выпуска на длине рабочей части.	Вертикально-фрезерое ФК-300
	Горизонтально-фрезерная. Фрезеровать галтель со стороны газовпуска чисто.	Горизонтально-фрезерное 6М83Г
	Горизонтально-фрезерная. Фрезеровать галтель со стороны газовыпуска чисто.	Горизонтально-фрезерное 6М83Г
	Вертикально-фрезерная. Фрезеровать галтель Внутреннего и наружного профиля под углом 1050’ за 11 строк (кроме 11 ступени) заподлицо с основным профилем.	Вертикально-фрезерое 4ФСЛ-4А
	Вертикально-фрезерная. Фрезеровать галтель внутреннего и наружного профиля по прямой за 11 строк заподлицо с основным профилем.	Вертикально-фрезерое 4ФСЛ-4А
	Шлифовальная. Шлифовать внутренний и наружный профили одновременно в центрах за 400 строчек	Шлифовальное ЛШ-1А
	Контрольная. Контроль операции 16.
	Слесарная. Запилить радиусы на заплечиках со стороны внутреннего и наружного профиля входа и выхода по шаблонам; снять фаску 1х450
	Шлифовальная. Шлифовать галтель внутреннего и наружного профиля заподлицо с основным профилем; шлифовать входную кромку.	Полировальное
	Слесарная. Опилить кромку выхода.
	Окончательный контроль.
	Отрезная. Отрезать базу со стороны торца рабочей части.	Абразивно-отрезное
	Шлифовальная. Полировать наружный и внутренний профиль, входную кромку и галтели.	Полировальное ДШ-96
	Слесарная. Полировать выходную кромку вручную.
	Слесарная. Маркировать обозначение лопатки.
	Контрольная. Проверить наличие трещин.
	Промывка
	Окончательный контроль	Контрольная плита
	Виброиспытание

10. Предложения по совершенствования технологического процесса

Расширение серийного производства паровых и , вызванное задачами развития энергетики и газовой промышленности страны, содействовало ускоренному техническому прогрессу в турбиностроении.
Особо значительные успехи в этом направлении достигнуты в производстве турбинных лопаток. На всех стадиях технологического процесса, начиная с подготовки основных базовых поверхностей, применяются специальные станки и станки с ЧПУ. Как наиболее важное мероприятие по повышению производительности труда и повышению качества стало внедрение многошпиндельных станков для кругового фрезерования поперечными строчкам внутреннего и наружного профилей рабочих частей длинных лопаток.
Перевод обработки определенной номенклатуры лопаток на станки с программным управлением позволил объединить несколько опера¬ций в одну и тем самым сократить цикл заготовления лопаток, освободить рабочего от выполнения тяжелых ручных работ, повысить точность обработки по размерам а шероховатости за счет исключения переустановок и работы на расчетных режимах резания.
Среди перспективных работ, требуемых научного обоснования и выполнения, следует назвать следующие:
- совершенствование производства штампованных заготовок в точки зрения сокращения припусков на механическую обработку;
- механизация шлифовальных работ по доводке профилей рабо¬чих частей длинных лопаток;
- проведение научно-исследовательских работ по определению научно обоснованных параметров допустимых отклонении от проектных размеров профильных частей соответственно длины и ширины рабочих и направляющих лопаток.
Значительный технический прогресс в турбиностроении будет достигнут путем организации централизованного проектирования а изготовления лопаток на одном специализированном заводе при широкой типизации лопаток и, таким образом, перевода их механической обработки в поточных и автоматически действующих линиях, подготовка к которым практически уже осуществляется в настоящее время на заводе турбинных лопаток (ЛЗТД).
Важным фактором технического прогресса в данном мероприятии явится приближение процесса конструирования лопаток к их производству. ГТУ -УПИ 2002г.

Прежде чем задать вопрос прочитайте:

Наверное, всем известно, что как китайцы не стараются, скопировать современные реактивные двигатели они не могут. Все. что могли - скопировали и получили свою СУшку, а вот двигатель все равно приходится покупать в РФ. Вот только что прочитал статью на ВиМе:http://www.warandpeace.ru/ru/news/view/74298/ "Китаю до сих пор не удается скопироватьсовременный реактивный двигатель". Причем, я понимаю, что там имеют место ультрасовеременные технологии, наработки, математика и прочее, прочее, прочее... Но для того, чтобы понимать более детально в чем тут собственно дело рекомендую прочитать следующую статью.

ДВИГАТЕЛИ И МАТЕРИАЛЫ

Мощность любого теплового двигателя определяет температура рабочего тела - в случае реактивного двигателя это температура газа, вытекающего из камер сгорания. Чем выше температура газа, тем мощнее двигатель, тем больше его тяга, тем выше экономичность и лучше весовые характеристики. В газотурбин ном двигателе имеется воздушный компрессор. Его приводит во вращение газовая турбина, сидящая с ним на одном валу. Компрессор сжимает атмосферный воздух до 6-7 атмосфер и направляет его в камеры сгорания, куда впрыскивается топливо - керосин. Поток вытекающего из камер раскаленного газа - продуктов сгорания керосина - вращает турбину и, вылетая через сопло, создает реактивную тягу, движет самолет. Высокие температуры, возникающие в камерах сгорания, потребовали создания новых технологий и применения новых материалов для конструирования одного из наиболее ответственных элементов двигателя - статорных и роторных лопаток газовой турбины. Они должны в течение многих часов, не теряя механической прочности, выдерживать огромную температуру, при которой многие стали и сплавы уже плавятся. В первую очередь это относится к лопаткам турбины - они воспринимают поток раскаленных газов, нагретых до температур выше 1600 К. Теоретически температура газа перед турбиной может достигать 2200 К (1927 о C). В момент зарождения реактивной авиации - сразу после войны - материалов, из которых можно было изготовить лопатки, способные длительно выдерживать высокие механические нагрузки, в нашей стране не существовало.
Вскоре после окончания Великой Отечественной войны работу по созданию сплавов для изготовле ния турбинных лопаток начала специальная лаборатория в ВИАМе. Ее возглавил Сергей Тимофеевич Кишкин.

В АНГЛИЮ ЗА МЕТАЛЛОМ

Первую отечественную конструкцию турбореактивного двигателя еще до войны создал в Ленинграде конструктор авиационных двигателей Архип Михайлович Люлька. В конце 1930-х годов он был репрессиро ван, но, вероятно, предвидя арест, чертежи двигателя успел закопать во дворе института. Во время войны руководство страны узнало, что немцы уже создали реактивную авиацию (первым самолетом с турбореак тивным двигателем был немецкий "хейнкель" He-178, сконструированный в 1939 году в качестве летающей лаборатории; первым серийным боевым самолетом стал двухмоторный "мессершмит" Me-262. Тогда Сталин вызвал Л. П. Берия, который курировал новые военные разработки, и потребовал найти тех, кто у нас в стране занимается реактивными двигателями. А. М. Люльку быстро освободили и дали ему в Москве на улице Галушкина помещение под первое конструкторское бюро реактивных двигателей. Свои чертежи Архип Михайлович нашел и выкопал, но двигатель по его проекту сразу не получился. Тогда просто взяли купленный у англичан турбореактивный двигатель и повторили его один к одному. Но дело уперлось в материалы, которые отсутствовали в Советском Союзе, однако имелись в Англии, и состав их, конечно, был засекречен. И все-таки расшифровать его удалось.
Приехав в Англию для ознакомления с производством двигателей, С. Т. Кишкин всюду появлялся в ботинках на толстой микропористой подошве. И, посетив с экскурсией завод, где обрабатывали турбинные лопатки, он возле станка, как бы невзначай, наступил на стружку, упавшую с детали. Кусочек металла врезался в мягкую резину, застрял в ней, а потом был вынут и уже в Москве подвергнут тщательному анализу. Результаты анализа английского металла и большие собственные исследования, проведенные в ВИАМе, позволили создать первые жаропрочные никелевые сплавы для турбинных лопаток и, самое главное, разработать основы теории их строения и получения.

Было установлено, что основным носителем жаропрочности таких сплавов служат субмикроскопичес кие частицы интерметаллической фазы на основе соединения Ni 3 Al. Лопатки из первых жаропрочных никелевых сплавов могли длительно работать, если температура газа перед турбиной не превышала 900-1000 К.

ЛИТЬЕ ВМЕСТО ШТАМПОВКИ

Лопатки первых двигателей штамповали из сплава, отлитого в пруток, до формы, отдаленно напоминающей готовое изделие, а затем долго и тщательно обрабатывали на станках. Но здесь возникла неожиданная сложность: чтобы повысить рабочую температуру материала, в него добавили легирующие элементы - вольфрам, молибден, ниобий. Но они сделали сплав настолько твердым, что штамповать его стало невозможно - формовке методами горячей деформации он не поддавался.
Тогда Кишкин предложил лопатки отливать. Конструкторы-мотористы возмутились: во-первых, после литья лопатку все равно придется обрабатывать на станках, а главное - как можно литую лопатку ставить в двигатель? Металл штампованных лопаток очень плотен, прочность его высока, а литой металл остается более рыхлым и заведомо менее прочным, чем отштампованный. Но Кишкин сумел убедить скептиков, и в ВИАМе создали специальные литейные жаропрочные сплавы и технологию литья лопаток. Были проведены испытания, после чего практически все авиационные турбореактивные двигатели стали выпускать с литыми турбинными лопатками.
Первые лопатки были сплошными и долго выдерживать высокую температуру не могли. Требовалось создать систему их охлаждения. Для этого решили делать в лопатках продольные каналы для подачи охлаждающего воздуха от компрессора. Идея эта была не ахти: чем больше воздуха из компрессора уйдет на охлаждение, тем меньше его пойдет в камеры сгорания. Но деваться было некуда - ресурс турбины необходимо увеличить во что бы то ни стало.

Стали конструировать лопатки с несколькими сквозными охлаждающими каналами, расположенны ми вдоль оси лопатки. Однако скоро выяснилось, что такая конструкция малоэффективна: воздух сквозь канал протекает слишком быстро, площадь охлаждаемой поверхности мала, тепло отводится недостаточно. Пытались изменить конфигурацию внутренней полости лопатки, вставив туда дефлектор, который отклоняет и задерживает поток воздуха, или сделать каналы более сложной формы. В какой-то момент специалистами по авиационным двигателям овладела заманчивая идея - создать целиком керамическую лопатку: керамика выдерживает очень высокую температуру, и охлаждать ее не нужно. С тех пор прошло почти пятьдесят лет, но пока никто в мире двигателя с керамическими лопатками так и не сделал, хотя попытки продолжаются.

КАК ДЕЛАЮТ ЛИТУЮ ЛОПАТКУ

Технология изготовления турбинных лопаток называется литьем по выплавляемым моделям. Сначала делают восковую модель будущей лопатки, отливая ее в пресс-форме, в которую предварительно вкладывают кварцевые цилиндрики на место будущих каналов охлаждения (потом стали использовать другие материалы). Модель покрывают жидкой керамической массой. После ее высыхания воск вытапливают горячей водой, а керамическую массу обжигают. Получается форма, выдерживающая температуру расплавленного металла от 1450 до 1500 о С в зависимости от марки сплава. В форму заливают металл, который застывает в виде готовой лопатки, но с кварцевыми стержнями вместо каналов внутри. Стержни удаляют, растворяя в плавиковой кислоте. Эту операцию проводит в герметически закрытом помещении работник в скафандре со шлангом для подачи воздуха. Технология неудобная, опасная и вредная.
Чтобы исключить эту операцию, в ВИАМе начали делать стержни из оксида алюминия с добавкой 10-15% оксида кремния, который растворяется в щелочи. Материал лопаток со щелочью не реагирует, а остатки оксида алюминия удаляют сильной струей воды.
В повседневной жизни мы привыкли считать литые изделия очень грубыми и шероховатыми. Но нам удалось подобрать такие керамические составы, что форма из них получается совершенно гладкой и отливка механической обработки почти не требуется. Это намного упрощает работу: лопатки имеют очень сложную форму, и обрабатывать их нелегко.
Новые материалы потребовали новых технологий. Какими бы удобными ни были добавки оксида кремния в материал стержней, от него пришлось отказаться. Температура плавления оксида алюминия Al 2 O 3 - 2050 о С, а оксида кремния SiO 2 - только около 1700 о С, и новые жаропрочные сплавы разрушали стержни уже в процессе заливки.
Чтобы форма из оксида алюминия сохраняла прочность, ее обжигают при температуре более высокой, чем температура жидкого металла, который в нее заливают. Кроме того, внутренняя геометрия формы при заливке не должна меняться: стенки лопаток очень тонкие, и размеры должны точно соответствовать расчетным. Поэтому допустимая величина усадки формы не должна превышать 1%.

ПОЧЕМУ ОТКАЗАЛИСЬ ОТ ШТАМПОВАННЫХ ЛОПАТОК

Как уже говорилось, после штамповки лопатку приходилось обрабатывать на станках. При этом 90% металла уходило в стружку. Была поставлена задача: создать такую технологию точного литья, чтобы сразу получался заданный профиль лопатки, а готовое изделие оставалось бы только отполировать и нанести на него теплозащитное покрытие. Не менее важна и конструкция, которая образуется в теле лопатки и выполняет задачу ее охлаждения.
Таким образом, весьма важно сделать лопатку, которая эффективно охлаждается, не снижая температуру рабочего газа, и обладает высокой длительной прочностью. Эту задачу удалось решить, скомпоновав каналы в теле лопатки и выходные отверстия из нее так, чтобы вокруг лопатки возникала тонкая воздушная пленка. При этом разом убивают двух зайцев: раскаленные газы с материалом лопатки не соприкасаются, а следовательно, и не нагревают ее и сами не охлаждаются.
Здесь возникает некоторая аналогия с тепловой защитой космической ракеты. Когда ракета на большой скорости входит в плотные слои атмосферы, начинает испаряться и сгорать так называемое жертвенное покрытие, закрывающее головную часть. Оно берет на себя основной тепловой поток, а продукты его сгорания образуют своего рода защитную подушку. В конструкции турбинной лопатки заложен такой же принцип, только вместо жертвенного покрытия используется воздух. Правда, лопатки нужно защищать еще и от эрозии и от коррозии.

Порядок изготовления лопатки таков. Сначала создается никелевый сплав с заданными параметрами по механической прочности и жаропрочности, для чего в никель вводятся легирующие добавки: 6% алюминия, 6-10% вольфрама, тантала, рения и немного рутения. Они позволяют добиться максимальных высокотемпературных характеристик для литых сплавов на основе никеля (есть соблазн еще повысить их, используя больше рения, но он безумно дорог). Перспективным направлением считается использование силицида ниобия, но это - дело далекого будущего.
Но вот сплав залит в форму при температуре 1450 о С и вместе с ней охлаждается. Остывающий металл кристаллизуется, образуя отдельные равноосные, то есть примерно одинакового размера по всем направлениям, зерна. Сами же зерна могут получаться и крупными и мелкими. Сцепляются они ненадежно, и работающие лопатки разрушались по границам зерен и разлетались вдребезги. Ни одна лопатка не могла проработать дольше 50 часов. Тогда мы предложили ввести в материал формы для литья модификатор - кристаллики алюмината кобальта. Они служат центрами, зародышами кристаллизации, ускоряющими процесс образования зерен. Зерна получаются однородными и мелкими. Новые лопатки стали работать по 500 часов. Эта технология, которую разработал Е. Н. Каблов, работает до сих пор, и работает хорошо. А мы в ВИАМе нарабатываем алюминат кобальта тоннами и поставляем его на заводы.
Мощность реактивных двигателей росла, температура и давление газовой струи повышались. И стало ясно, что многозеренная структура металла лопатки в новых условиях работать не сможет. Нужны были другие идеи. Они нашлись, были доведены до стадии технологической разработки и стали называться направленной кристаллизацией. Это значит, что металл, застывая, образовыва ет не равноосные зерна, а длинные столбчатые кристаллы, вытянутые строго вдоль оси лопатки. Лопатка с такой структурой станет очень хорошо сопротивляться излому. Сразу вспоминается старая притча про веник, который переломить не удается, хотя все его прутики по отдельности ломаются без труда.

КАК ПРОИЗВОДЯТ НАПРАВЛЕННУЮ КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ

Чтобы кристаллы, образующие лопатку, росли должным образом, форму с расплавленным металлом медленно вынимают из зоны нагрева. При этом форма с жидким металлом стоит на массивном медном диске, охлаждаемом водой. Рост кристаллов начинается снизу и идет вверх со скоростью, практически равной скорости выхода формы из нагревателя. Создавая технологию направленной кристаллизации, пришлось измерить и рассчитать множество параметров - скорость кристаллизации, температуру нагревателя, градиент температуры между нагревателем и холодильником и др. Требовалось подобрать такую скорость движения формы, чтобы столбчатые кристаллы прорастали на всю длину лопатки. При соблюдении всех этих условий вырастают 5-7 длинных столбчатых кристаллов на каждый квадратный сантиметр сечения лопатки. Эта технология позволила создать новое поколение авиационных двигателей. Но мы пошли еще дальше.
Изучив рентгенографическими методами выращенные столбчатые кристаллы, мы поняли, что всю лопатку целиком можно сделать из одного кристалла, который не будет иметь межзёренных границ - наиболее слабых элементов структуры, по которым начинается разрушение. Для этого сделали затравку, которая позволяла только одному кристаллу расти в заданном направлении (кристаллографическая формула такой затравки 0-0-1; это означает, что в направлении оси Z кристалл растет, а в направлении X-Y - нет). Затравку поставили в нижнюю часть формы и залили металл, интенсивно охлаждая его снизу. Вырастающий монокристалл приобретал форму лопатки.
Американские инженеры применяли для охлаждения медный водоохлаждаемый кристаллизатор. А мы после нескольких экспериментов заменили его ванной с расплавленным оловом при температуре 600-700 К. Это позволило точнее подбирать необходимый градиент температуры и получать изделия высокого качества. В ВИАМе построили установки с ваннами для выращивания монокристалличес ких лопаток - очень совершенные машины с компьютерным управлением.
В 1990-х годах, когда распался СССР, на территории Восточной Германии остались советские самолеты, в основном истребители МиГ. У них в двигателях стояли лопатки нашего производства. Металл лопаток исследовали американцы, после чего довольно скоро их специалисты приехали в ВИАМ и попросили показать, кто и как его создал. Оказалось, что им была поставлена задача сделать монокристаллические лопатки метровой длины, которую они решить не могли. Мы же сконструировали установку для высокоградиентного литья крупногабаритных лопаток для энергетических турбин и попытались предложить свою технологию Газпрому и РАО "ЕЭС России", но они интереса не проявили. Тем не менее у нас уже практически готова промышленная установка для литья метровых лопаток, и мы постараемся убедить руководство этих компаний в необходимости ее внедрения.

Кстати, турбины для энергетики - это еще одна интересная задача, которую решал ВИАМ. Самолетные двигатели, выработавшие ресурс, стали использовать на компрессорных станциях газопроводов и в электростанциях, питающих насосы нефтепроводов. Сейчас стала актуальной задача создать для этих нужд специальные двигатели, которые работали бы при гораздо меньших температурах и давлении рабочего газа, но гораздо дольше. Если ресурс авиационного двигателя порядка 500 часов, то турбины на нефтегазопроводе должны работать 20-50 тыс. часов. Одним из первых ими начало заниматься самарское конструкторское бюро под руководством Николая Дмитриевича Кузнецова.

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ

Монокристаллическая лопатка вырастает не сплошной - внутри у нее имеется полость сложной формы для охлаждения. Совместно с ЦИАМом мы разработали конфигурацию полости, которая обеспечивает коэффициент эффективности охлаждения (отношение температур металла лопатки и рабочего газа), равный 0,8, почти в полтора раза выше, чем у серийных изделий.

Вот эти лопатки мы и предлагаем для двигателей нового поколения. Сейчас температура газа перед турбиной едва дотягивает до 1950 К, а в новых двигателях она дойдет до 2000-2200 К. Для них мы уже разработали высокожаропрочные сплавы, содержащие до пятнадцати элементов таблицы Менделеева, в том числе рений и рутений, и теплозащитные покрытия, в которые входят никель, хром, алюминий и иттрий, а в перспективе - керамические из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.

В сплавах первого поколения присутствовало небольшое количество углерода в виде карбидов титана или тантала. Карбиды располагаются по границам кристаллов и понижают прочность сплава. От карбида мы избавились и заменили рением, повысив его концентрацию от 3% в первых образцах до 12% в последних. Запасов рения у нас в стране мало; есть месторождения в Казахстане, но после развала Советского Союза его полностью скупили американцы; остается остров Итуруп, на который претендуют японцы. Зато рутения у нас много, и в новых сплавах мы успешно заменили им рений.
Уникальность ВИАМа заключается в том, что мы умеем разрабатывать и сплавы, и технологию их получения, и методику отливки готового изделия. Во все лопатки вложен огромный труд и знания всех работников ВИАМа.

Кандидат технических наук И. ДЕМОНИС, заместитель генерального директора ВИАМа

Кандидат технических наук И. ДЕМОНИС, заместитель генерального директора ВИАМа.

Реактивная авиация, которая начала создаваться с 1940-х годов, потребовала разработки нового типа двигателя. Получившие наиболее широкое применение газотурбинные реактивные двигатели произвели революцию в авиационной технике.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Лопатки газовой турбины реактивного двигателя работают в очень тяжелых условиях: их обтекает поток раскаленных газов из камер сгорания.

Охлаждающий воздух, поданный со стороны оси турбины в каналы лопатки, выходит из ее торца.

Стержни-закладки, которые помещают в форму для отливки лопатки газовой турбины. После охлаждения заготовки стержни растворяют и в готовой лопатке остаются каналы для пропускания охлаждающего воздуха.

Воздух, выходящий из отверстий в боковой части лопаток, создает тонкую воздушную пленку, которая изолирует лопатку от горячих газов (слева). Каналы, ведущие к отверстиям, имеют довольно сложную геометрию (справа).

Металл отлитой лопатки застывает в виде кристаллов разного размера, сцепленных недостаточно надежно (слева). После введения в металл модификатора кристаллы стали мелкими и однородными, прочность изделия повысилась (справа).

Так производят направленную кристаллизацию материала лопатки.

Усовершенствовав технологию направленной кристаллизации, удалось вырастить лопатку в виде единого монокристалла.

В монокристаллических лопатках создается охлаждающая полость сложной формы. Новейшие разработки ее конфигурации позволили в полтора раза повысить эффективность охлаждения лопаток.

ДВИГАТЕЛИ И МАТЕРИАЛЫ

Вскоре после окончания Великой Отечественной войны работу по созданию сплавов для изготовле ния турбинных лопаток начала специальная лаборатория в ВИАМе. Ее возглавил Сергей Тимофеевич Кишкин.

В АНГЛИЮ ЗА МЕТАЛЛОМ

Приехав в Англию для ознакомления с производством двигателей, С. Т. Кишкин всюду появлялся в ботинках на толстой микропористой подошве. И, посетив с экскурсией завод, где обрабатывали турбинные лопатки, он возле станка, как бы невзначай, наступил на стружку, упавшую с детали. Кусочек металла врезался в мягкую резину, застрял в ней, а потом был вынут и уже в Москве подвергнут тщательному анализу. Результаты анализа английского металла и большие собственные исследования, проведенные в ВИАМе, позволили создать первые жаропрочные никелевые сплавы для турбинных лопаток и, самое главное, разработать основы теории их строения и получения.

ЛИТЬЕ ВМЕСТО ШТАМПОВКИ

Тогда Кишкин предложил лопатки отливать. Конструкторы-мотористы возмутились: во-первых, после литья лопатку все равно придется обрабатывать на станках, а главное - как можно литую лопатку ставить в двигатель? Металл штампованных лопаток очень плотен, прочность его высока, а литой металл остается более рыхлым и заведомо менее прочным, чем отштампованный. Но Кишкин сумел убедить скептиков, и в ВИАМе создали специальные литейные жаропрочные сплавы и технологию литья лопаток. Были проведены испытания, после чего практически все авиационные турбореактивные двигатели стали выпускать с литыми турбинными лопатками.

Первые лопатки были сплошными и долго выдерживать высокую температуру не могли. Требовалось создать систему их охлаждения. Для этого решили делать в лопатках продольные каналы для подачи охлаждающего воздуха от компрессора. Идея эта была не ахти: чем больше воздуха из компрессора уйдет на охлаждение, тем меньше его пойдет в камеры сгорания. Но деваться было некуда - ресурс турбины необходимо увеличить во что бы то ни стало.

КАК ДЕЛАЮТ ЛИТУЮ ЛОПАТКУ

Чтобы исключить эту операцию, в ВИАМе начали делать стержни из оксида алюминия с добавкой 10-15% оксида кремния, который растворяется в щелочи. Материал лопаток со щелочью не реагирует, а остатки оксида алюминия удаляют сильной струей воды. Наша лаборатория занималась изготовлением стержней, а сам я начал изучать технологию литья, материалы для керамических форм, сплавы и защитные покрытия готовых изделий и теперь возглавляю это направление исследований.

В повседневной жизни мы привыкли считать литые изделия очень грубыми и шероховатыми. Но нам удалось подобрать такие керамические составы, что форма из них получается совершенно гладкой и отливка механической обработки почти не требуется. Это намного упрощает работу: лопатки имеют очень сложную форму, и обрабатывать их нелегко.

Новые материалы потребовали новых технологий. Какими бы удобными ни были добавки оксида кремния в материал стержней, от него пришлось отказаться. Температура плавления оксида алюминия Al 2 O 3 - 2050 о С, а оксида кремния SiO 2 - только около 1700 о С, и новые жаропрочные сплавы разрушали стержни уже в процессе заливки.

Чтобы форма из оксида алюминия сохраняла прочность, ее обжигают при температуре более высокой, чем температура жидкого металла, который в нее заливают. Кроме того, внутренняя геометрия формы при заливке не должна меняться: стенки лопаток очень тонкие, и размеры должны точно соответствовать расчетным. Поэтому допустимая величина усадки формы не должна превышать 1%.

ПОЧЕМУ ОТКАЗАЛИСЬ ОТ ШТАМПОВАННЫХ ЛОПАТОК

Таким образом, весьма важно сделать лопатку, которая эффективно охлаждается, не снижая температуру рабочего газа, и обладает высокой длительной прочностью. Эту задачу удалось решить, скомпоновав каналы в теле лопатки и выходные отверстия из нее так, чтобы вокруг лопатки возникала тонкая воздушная пленка. При этом разом убивают двух зайцев: раскаленные газы с материалом лопатки не соприкасаются, а следовательно, и не нагревают ее и сами не охлаждаются.

Здесь возникает некоторая аналогия с тепловой защитой космической ракеты. Когда ракета на большой скорости входит в плотные слои атмосферы, начинает испаряться и сгорать так называемое жертвенное покрытие, закрывающее головную часть. Оно берет на себя основной тепловой поток, а продукты его сгорания образуют своего рода защитную подушку. В конструкции турбинной лопатки заложен такой же принцип, только вместо жертвенного покрытия используется воздух. Правда, лопатки нужно защищать еще и от эрозии и от коррозии. Но об этом подробнее см. стр. 54.

Но вот сплав залит в форму при температуре 1450 о С и вместе с ней охлаждается. Остывающий металл кристаллизуется, образуя отдельные равноосные, то есть примерно одинакового размера по всем направлениям, зерна. Сами же зерна могут получаться и крупными и мелкими. Сцепляются они ненадежно, и работающие лопатки разрушались по границам зерен и разлетались вдребезги. Ни одна лопатка не могла проработать дольше 50 часов. Тогда мы предложили ввести в материал формы для литья модификатор - кристаллики алюмината кобальта. Они служат центрами, зародышами кристаллизации, ускоряющими процесс образования зерен. Зерна получаются однородными и мелкими. Новые лопатки стали работать по 500 часов. Эта технология, которую разработал Е. Н. Каблов, работает до сих пор, и работает хорошо. А мы в ВИАМе нарабатываем алюминат кобальта тоннами и поставляем его на заводы.

Мощность реактивных двигателей росла, температура и давление газовой струи повышались. И стало ясно, что многозеренная структура металла лопатки в новых условиях работать не сможет. Нужны были другие идеи. Они нашлись, были доведены до стадии технологической разработки и стали называться направленной кристаллизацией. Это значит, что металл, застывая, образовыва ет не равноосные зерна, а длинные столбчатые кристаллы, вытянутые строго вдоль оси лопатки. Лопатка с такой структурой станет очень хорошо сопротивляться излому. Сразу вспоминается старая притча про веник, который переломить не удается, хотя все его прутики по отдельности ломаются без труда.

КАК ПРОИЗВОДЯТ НАПРАВЛЕННУЮ КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ

Изучив рентгенографическими методами выращенные столбчатые кристаллы, мы поняли, что всю лопатку целиком можно сделать из одного кристалла, который не будет иметь межзёренных границ - наиболее слабых элементов структуры, по которым начинается разрушение. Для этого сделали затравку, которая позволяла только одному кристаллу расти в заданном направлении (кристаллографическая формула такой затравки 0-0-1; это означает, что в направлении оси Z кристалл растет, а в направлении X -Y - нет). Затравку поставили в нижнюю часть формы и залили металл, интенсивно охлаждая его снизу. Вырастающий монокристалл приобретал форму лопатки. Кстати, первая публикация об этой технологии появилась в журнале "Наука и жизнь" еще в 1971 году, в № 1.

Американские инженеры применяли для охлаждения медный водоохлаждаемый кристаллизатор. А мы после нескольких экспериментов заменили его ванной с расплавленным оловом при температуре 600-700 К. Это позволило точнее подбирать необходимый градиент температуры и получать изделия высокого качества. В ВИАМе построили установки с ваннами для выращивания монокристалличес ких лопаток - очень совершенные машины с компьютерным управлением.

В 1990-х годах, когда распался СССР, на территории Восточной Германии остались советские самолеты, в основном истребители МиГ. У них в двигателях стояли лопатки нашего производства. Металл лопаток исследовали американцы, после чего довольно скоро их специалисты приехали в ВИАМ и попросили показать, кто и как его создал. Оказалось, что им была поставлена задача сделать монокристаллические лопатки метровой длины, которую они решить не могли. Мы же сконструировали установку для высокоградиентного литья крупногабаритных лопаток для энергетических турбин и попытались предложить свою технологию Газпрому и РАО "ЕЭС России", но они интереса не проявили. Тем не менее у нас уже практически готова промышленная установка для литья метровых лопаток, и мы постараемся убедить руководство этих компаний в необходимости ее внедрения.

Кстати, турбины для энергетики - это еще одна интересная задача, которую решал ВИАМ. Самолетные двигатели, выработавшие ресурс, стали использовать на компрессорных станциях газопроводов и в электростанциях, питающих насосы нефтепроводов (см. "Наука и жизнь" № ). Сейчас стала актуальной задача создать для этих нужд специальные двигатели, которые работали бы при гораздо меньших температурах и давлении рабочего газа, но гораздо дольше. Если ресурс авиационного двигателя порядка 500 часов, то турбины на нефтегазопроводе должны работать 20-50 тыс. часов. Одним из первых ими начало заниматься самарское конструкторское бюро под руководством Николая Дмитриевича Казнецова.

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ

Уникальность ВИАМа заключается в том, что мы умеем разрабатывать и сплавы, и технологию их получения, и методику отливки готового изделия. Во все лопатки вложен огромный труд и знания всех работников ВИАМа.

См. в номере на ту же тему

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.