Диск осевой турбомашины

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к осевым турбомашинам, в частности к конструкциям дисков для высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей.
Известен диск осевой турбомашины (US 3982852, 1976), выполненный в качестве единой детали, содержащий ступицу и полотно, причем в зоне ступицы выполнена полость. Недостатком известного технического решения является наличие в конструкции диска большого количества концентраторов напряжения, что ограничивает его срок службы.
Известен диск осевой турбомашины (US 9114488, 2015), изготовленный методом горячего изостатического прессования (ГИП), содержащий полотно, включающее две стенки, образующие открытую полость. Недостатком указанного технического решения является то, что диск имеет открытую полость с узким входом, ограничивающим доступ к формообразующему массивному сплошному элементу оснастки, помещаемому внутрь диска. При изготовлении диска методом ГИП удалить этот элемент практически невозможно.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является диск турбомашины (US 2014169971, 2014), выполненный в качестве единой детали методом трехмерной печати, содержащий ступицу и полотно, включающее две стенки, образующие полость. Недостатком известного технического решения является то, что при изготовлении диска методом трехмерной печати образующиеся поверхности его деталей имеют повышенную шероховатость, что может привести к концентрации напряжений в деталях и как следствие к образованию трещин. Детали, изготовленные методом трехмерной печати, подвергают механической обработке, в частности для уменьшения шероховатости поверхностей. Однако механическая обработка закрытой полости в изготовленном методом трехмерной печати целом диске невозможна.
Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, заключается в изготовлении прочного полого диска турбомашины методом трехмерной печати.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящей полезной модели, заключается в обеспечении требуемой шероховатости поверхности полости диска турбомашины.
Технический результат достигается за счет того, что диск турбомашины, выполненный в качестве единой детали методом трехмерной печати, содержит ступицу и полотно, включающее две стенки, образующие полость, кольцевой элемент, состоящий по меньшей мере из двух частей, и обод из материала, идентичного материалу полотна, при этом на торцевой поверхности стенок полотна выполнены углубления, а кольцевой элемент снабжен ответными выступами, посредством которых последний зафиксирован в углублениях стенок полотна, а обод сформирован поверх кольцевого элемента.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как:
- выполнение методом трехмерной печати ступицы и полотна, включающего две стенки, образующие полость, и кольцевого элемента, состоящего по меньшей мере из двух частей, а на торцевой поверхности стенок полотна - углублений, снабжение кольцевого элемента ответными выступами, посредством которых последний зафиксирован в углублениях стенок полотна, позволяет механически обработать до требуемой шероховатости внутренние поверхности стенок полотна, кольцевого элемента и ступицы;
- выполнение диска в качестве единой детали, содержащего обод из материала, идентичного материалу полотна, и сформированного поверх кольцевого элемента, позволяет образовать закрытую полость диска из обработанных поверхностей стенок полотна, кольцевого элемента и ступицы, что обеспечивает уменьшение поверхностных напряжений в закрытой полости и увеличение прочности диска.
Настоящая полезная модель поясняется следующим подробным описанием конструкции диска осевой турбомашины со ссылкой на фигуры 1-4, где
на фиг. 1 приведена общая схема диска осевой турбомашины;
на фиг. 2 представлена схема соединений элементов диска (вид А на фиг. 1);
на фиг. 3 представлена схема выполнения кольцевого элемента;
на фиг. 4 представлена модель диска.
Диск 1 осевой турбомашины, показанный на фиг. 1, выполнен в качестве единой детали методом трехмерной печати и содержит обод 2, ступицу 3, полотно 4 и кольцевой элемент 5. Полотно 4 включает две стенки, образующие полость 6.
Схема соединений обода, полотна и кольцевого элемента диска представлена на фиг. 2. На торцевой поверхности стенок полотна 4 согласно настоящей полезной модели выполнены углубления 7, кольцевой элемент 5 снабжен ответными выступами 8, посредством которых последний зафиксирован в углублениях 7 стенок полотна 4, а обод 2 сформирован поверх кольцевого элемента 5. Такое выполнение стенок полотна 4 и кольцевого элемента 5 позволяет получить закрытую полость 6, образованную внутренними поверхностями стенок полотна 4, кольцевого элемента 5 и ступицы 3.
Кольцевой элемент 5, представленный на фиг. 3, состоит по меньшей мере из двух частей 9, 10, в частном случае идентичных друг другу, что необходимо для его соединения с полотном 4.
Обод 2 выполнен из материала, идентичного материалу полотна 4. В частном случае, в качестве материала обода 2, ступицы 3 и полотна 4 может быть использован жаропрочный порошковый никелевый сплав ЭИ698П или любой другой известный порошковый сплав, пригодный для трехмерной печати.
В ступице 3 выполнено центральное отверстие 11 для вала турбины (см. фиг. 1).
Диск 1 осевой турбомашины может быть изготовлен следующим образом.
На первом этапе посредством трехмерной печати на вращающейся цилиндрической подложке последовательно выполняют ступицу 3 и полотно 4, параллельно с этим отдельно изготавливают кольцевой элемент 5. В качестве метода трехмерной печати может быть использована известная из уровня техники технология печати металлических изделий, например, технология прямой лазерной наплавки металла DMT (Direct Metal Tooling). При этом в качестве установки для трехмерной печати может быть использована система лазерной наплавки МХ-450(600) (INSSTEK, INC.), а в качестве цилиндрической подложки - оснастка системы в виде вала или трубы.
На втором этапе внутренние поверхности ступицы 3, полотна 4 и кольцевого элемента 5 механически обрабатывают, например, на станке с числовым программным управлением, до достижения требуемой шероховатости их поверхностей. Данный этап может содержать несколько операций, необходимых для получения требуемой шероховатости поверхности, в частности шлифование и полирование.
На третьем этапе осуществляется сборка частей 9, 10 кольцевого элемента 5 и ступицы 3 с полотном 4, для чего части 9, 10 кольцевого элемента фиксируют в углублениях 7 стенок полотна 4, например посредством соединения с натягом. Далее методом трехмерной печати формируют обод 2 по окружности внешней поверхности кольцевого элемента 5 и торцевой поверхности стенок полотна 4.
На четвертом этапе удаляют цилиндрическую подложку посредством механической обработки. В частном случае, после удаления цилиндрической подложки, наружные поверхности диска 1 подвергают механической обработке с целью придания им окончательной формы и требуемой шероховатости.
В качестве примера, был изготовлен диск турбины высокого давления диаметром примерно 230 мм, толщиной по ступице примерно 70 мм (см. фиг. 4) с внутренней полостью и с шероховатостью Ra поверхности до обработки более 10 мкм. В качестве метода механической обработки диска было использовано механическое и электрохимическое полирование. После обработки шероховатость Ra внешних и внутренних поверхностей диска составила 1,6 мкм, что подтверждает возможность достижения заявленного технического результата - обеспечение требуемой шероховатости поверхности полости диска турбомашины.
В качестве дополнительного технического результата в случае применения изготовленного диска в конструкции турбины газотурбинного двигателя достигается повышение полезной нагрузки двигателя, поскольку наличие полости обеспечивает уменьшение массы диска.