СПОСОБ СБОРКИ ЦЕЛЬНЫХ ОБЛОПАЧЕННЫХ ДИСКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТАКИХ ДИСКОВ
METHOD OF ASSEMBLING INTEGRAL BLADED DISKS AND DEVICE TO DAMPEN BLADES OF ABOVE DISKS

Настоящее изобретение относится к способу сборки цельных облопаченных дисков и к устройству для демпфирования колебаний лопаток дисков в процессе их сборки.
Известны два типа облопаченных дисков, а именно один, в котором лопатки входят в зацепление в периферийные канавки в дисках, и другой, в котором диски выполнены за одно целое с лопатками, которые механически обработаны у периферии дисков (при этом диски данного типа называются цельными облопаченными дисками).
Цельные облопаченные диски чаще всего используют в компрессорах высокого давления и низкого давления турбореактивных двигателей для снижения массы.
Различные ступени дисков могут быть собраны вместе в аксиальном направлении посредством скрепления болтами, сварки электронным лучом или, в частности, когда диски изготовлены из никелевого сплава, посредством сварки трением инерционного типа или приводного типа.
Сварка трением состоит в плотном поджиме диска, вращение которого предотвращается, к другому диску, который вращается вокруг своей оси, и поступательное перемещение которого предотвращено. Трение между контактирующими поверхностями дисков приводит к выделению большого количества тепла, которое вызывает повышение температуры этих поверхностей, находящихся в контакте, и обеспечивает возможность соединения их вместе посредством сварки, как это описано, например, в публикации US 4033501.
Тем не менее, эта технология сборки приводит к высоким уровням вибрации и может вызвать резонансные колебания лопаток цельных облопаченных дисков, что может привести к их разрушению из-за растрескивания, обусловленного усталостью при вибрации.
В результате сварка трением используется, таким образом, только в случае дисков, имеющих лопатки, которые механически присоединены к ним впоследствии, то есть дисков, которые имеют периферийные канавки, предназначенные для приема и удерживания хвостовиков лопаток.
Одно решение может заключаться в сборке вместе цельных облопаченных дисков посредством сварки трением до механической обработки лопаток с тем, чтобы обеспечить для них возможность лучше выдерживать вибрацию, и последующей механической обработке лопаток после операции сварки дисков вместе. Однако данное решение будет очень дорогим и рискованным, в частности, из-за трудностей, связанных с использованием специального оборудования и оснастки для механической обработки лопаток между дисками, которые были собраны вместе.
Конкретной задачей изобретения является решение вышеуказанных проблем простым, эффективным и недорогим способом.
С этой целью согласно изобретению разработан способ сборки вместе цельных облопаченных дисков, включающий в себя установку средств для демпфирования колебаний как на лопатки дисков, так и между ними, и последующую сварку дисков вместе посредством сварки трением.
Изобретение обеспечивает возможность сборки вместе цельных облопаченных дисков посредством сварки трением за счет наличия демпфирующих средств, которые установлены на лопатках и между лопатками, в результате чего предотвращается вход их в резонанс при сварке трением.
Способ согласно изобретению также включает в себя установку дополнительных средств для демпфирования колебаний между демпфирующими средствами, установленными на лопатках дисков, и частью сварочной машины, которая обращена к демпфирующим средствам, установленным на лопатках.
Это позволяет также обеспечить максимальное демпфирование колебаний в узле, образованном лопатками и их демпфирующими средствами, в частности, для лопаток большого размера.
Предпочтительно эти дополнительные демпфирующие средства образованы блоками из эластомера, зажатыми между указанной частью сварочной машины и демпфирующими средствами, установленными на лопатках.
Способ согласно изобретению, в частности, предназначен для сборки вместе цельных облопаченных дисков, лопатки которых уже были механически обработаны, но тем не менее, он также может быть применен для сборки вместе дисков, имеющих лопатки, которые были механически обработаны только частично или которые еще не были механически обработаны.
В соответствии с изобретением также создано демпфирующее устройство для демпфирования колебаний лопаток цельного облопаченного диска, выполненное с возможностью установки его на лопатках диска для демпфирования колебаний указанных лопаток при соединении диска с другим диском посредством сварки трением и содержащее закрывающие и заполняющие средства для закрытия лопаток и заполнения зазоров между лопатками, причем указанные средства изготовлены из упруго деформируемого материала, и удерживающие и зажимные средства для удерживания и зажима закрывающих и заполняющих средств, установленных на лопатках.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения закрывающие и заполняющие средства содержат кольцевые накладки, предназначенные для введения их в контакт с соответствующими выпуклыми и вогнутыми поверхностями лопаток. Тем поверхностям кольцевых накладок, которые предназначены для введения в контакт с лопатками, предпочтительно придана форма, дополняющая форму лопаток. При этом, например, закрывающие средства могут содержать первую кольцевую накладку, предназначенную для поджима к расположенным спереди по потоку поверхностям лопаток и дисков, и вторую кольцевую накладку, предназначенную для поджима к расположенным сзади по потоку поверхностям лопаток и дисков, при этом обращенные друг к другу поверхности двух накладок имеют формы, которые являются дополняющими по отношению к формам лопаток и по существу дополняющими друг друга. Накладки предпочтительно изготавливают в пресс-формах, изготовленных посредством стереолитографии, исходя из цифровых файлов, задающих в цифровом виде формы лопаток.
Предпочтительно каждая кольцевая накладка образована из множества элементов, предназначенных для размещения торец к торцу впритык по окружности.
Это облегчает установку кольцевых накладок на лопатках или на удерживающих и зажимных средствах накладок. Накладки изготовлены из соответствующего эластомера, такого как силикон или полиуретан.
Средства для удерживания и зажима накладок содержат два кольца из жесткого материала, каждое из которых имеет радиальную кольцевую поверхность, предназначенную для поджима и обеспечения опоры для кольцевой накладки, и периферийную кромку, имеющую средства для аксиального поджатия накладок к лопаткам диска. Средства аксиального поджатия представляют собой, например, болты или винты.
Преимущество данного устройства состоит в том, что оно является простым в изготовлении и в установке по месту, и в том, что оно содержит малое количество деталей.
Предпочтительно устройство также содержит средства для центрирования и установки накладок в заданное положение на кольцах, например штыри, выступающие из накладок и входящие в соответствующие полости или отверстия колец.
Предпочтительно накладки имеют радиально внутренние кольцевые кромки, предназначенные для сдавливания и поджима их кольцами к периферийному кольцу диска, на котором образованы лопатки. Каждое кольцо предпочтительно образовано из двух полукруглых элементов, которые собраны вместе с возможностью разъединения и отделения, например, посредством скрепления их болтами.
Регулировочные прокладки могут быть размещены между кольцами для задания степени, до которой накладки зажимаются кольцами. В варианте осуществления существует возможность использования гаечного ключа с ограничением по крутящему моменту для получения такого же результата.
В целом, устройство согласно изобретению обеспечивает следующие преимущества:
- оно защищает лопатки от любого риска повреждения при сварке трением;
- оно может быть многократно использовано свободно, при этом накладки или элементы накладок можно легко заменить в случае их износа;
- его легко и просто выполнить;
- его легко разбирать;
- оно занимает мало места в аксиальном направлении и оно не мешает сварке дисков трением; и
- его можно с одинаковым успехом использовать на диске, который является "стационарным", и на диске, который "движется" при сварке трением.
Другие преимущества и отличительные признаки изобретения станут очевидными при прочтении нижеприведенного описания неограничивающего примера воплощения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематический осевой вид половины двух цельных облопаченных дисков, установленных на машине для сварки трением;
фиг.2 - схематический вид в перспективе с пространственным разнесением деталей диска и соответствующих демпфирующих средств;
фиг.3 - выполненный в большем масштабе местный осевой разрез, показывающий диск и его демпфирующие средства;
фиг.4 - вид в плане, выполненный с местным разрезом по линии IV-IV с фиг.3; и
фиг.5 - вид, соответствующий фиг.3 и показывающий дополнительные демпфирующие средства.
На фиг.1 показано схематическое изображение основных элементов машины для сварки трением двух цельных облопаченных дисков 2, 4 на общей оси.
Каждый цельный облопаченный диск 2, 4 имеет отверстие 6 и несет лопатки 8 на своей наружной периферии, причем указанные лопатки выполнены за одно целое с дисками 2, 4 и механически обработаны на периферии диска. Лопатки 8 выступают обычным образом наклонно относительно оси дисков 2, 4 на цилиндрическом кольце 10, прикрепленном посредством узкого кольцевого основания 12 к наружной периферии дисков 2, 4. Каждая лопатка 8 имеет вогнутую внутреннюю поверхность 14 и выпуклую наружную поверхность 16.
Вблизи его наружной периферии каждый диск 2, 4 также имеет цилиндрический выступ 18, который предназначен для использования в целях присоединения его посредством сварки трением к цилиндрическому выступу 18 другого цельного облопаченного диска, при этом выступ 18 расположен на той стороне дисков 2, 4, где должна быть выполнена сварка.
Для сварки трением первый диск 2 зажимают в губках 24 сварочной машины, и он опирается в аксиальном направлении на упоры сварочной машины, причем указанный диск 2 установлен с возможностью вращения вокруг оси дисков 2, 4, и предотвращается его поступательное перемещение в аксиальном направлении.
Другой диск 4 зажат в губках 20 и опирается в аксиальном направлении на упоры 22 сварочной машины, при этом предотвращается возможность вращения данного диска 4, но обеспечивается возможность его поступательного перемещения к диску 2, который может вращаться, до тех пор, пока обращенные друг к другу поверхности вышеупомянутых выступов 18 не станут тереться друг о друга с тем, чтобы обеспечить их приваривание друг к другу.
Сварка трением может представлять собой сварку инерционного типа или приводного типа в зависимости от того, обеспечивается ли вращение диска 2 во время сварки трением за счет его собственной инерции, или с помощью приводного средства.
Сварка трением вызывает интенсивную вибрацию лопаток 8 цельных облопаченных дисков 2, 4. Цель изобретения состоит в обеспечении того, что лопатки 8 не будут повреждаться за счет установки соответствующих демпфирующих средств 25 на лопатках дисков 2, 4.
В варианте осуществления, показанном на фиг.2-4, эти демпфирующие средства 25 включают в себя кольцевые накладки 26, 28, закрывающие лопатки 8 и заполняющие зазоры между лопатками 8.
Первая кольцевая накладка 26, показанная частично, предназначена для введения ее в контакт без зазора с вогнутыми поверхностями 14 лопаток 8, и вторая кольцевая накладка 28, показанная частично, предназначена для введения ее в контакт без зазора с выпуклыми поверхностями 16 лопаток 8. Поверхности накладок 26, 28, которые входят в контакт с лопатками 8, имеют форму, которая является по существу дополняющей соответственно по отношению к вогнутым и выпуклым поверхностям 14 и 16, как будет описано более подробно ниже со ссылкой на фиг.4.
Накладки 26 и 28 образованы из множества элементов, предназначенных для размещения по существу торец к торцу впритык по окружности. Они изготовлены из упруго деформируемого материала, такого как силикон или полиуретан, и они служат для демпфирования колебаний лопаток 8 во время сварки трением.
Накладки 26, 28 удерживаются и поджаты к лопаткам 8 двумя кольцами 30, 32, которые установлены с обеих сторон диска 4 и каждое из которых имеет радиальную кольцевую поверхность 34, предназначенную для плотного прилегания к вышеуказанным накладкам 26, 28 и обеспечения для них опоры.
Предпочтительно каждое из колец 30, 32 образовано двумя полукруглыми элементами, которые собраны вместе с помощью соответствующих средств, например посредством скрепления болтами. Кольца 30 и 32 имеют полости или отверстия 36 в по существу средних частях их радиальных поверхностей 34, предназначенные для приема штырей 38, выступающих из тех поверхностей накладок 26, 28, которые обращены в сторону от лопаток 8 диска 4.
Штыри 38 и соответствующие полости 36 служат для центрирования и установки накладок 26, 28 или элементов накладок в заданном положении на кольцах 30, 32. Штыри 38 имеют длину в аксиальном направлении, которая превышает толщину колец 30, 32 в зоне их радиальных поверхностей 34, и несут направленные наружу кольцевые кромки 40 на своих свободных концах, которые выступают из поверхностей соответствующих колец 30, 32, которые обращены в сторону от лопаток, в результате чего обеспечивается возможность удерживания накладок 26, 28 или элементов накладок у колец 30, 32 при установке демпфирующих средств 25 на лопатки 8.
Каждое кольцо 30, 32 также имеет цилиндрическую кромку 42, обращенную к другому кольцу 32, 30 и находящуюся у его радиально наружной периферии, расположенной вокруг лопаток 8, ив этих кромках 42 имеются отверстия 44, предназначенные для пропускания средств, служащих для зажима накладок 26, 28 в аксиальном направлении у лопаток 8 диска, например винтов или болтов.
Степень, с которой накладки 26, 28 зажимаются кольцами 30, 32, необходимо оптимизировать, чтобы обеспечить хорошее демпфирование колебаний лопаток 8. Для этой цели существует возможность размещения регулировочных прокладок заданной толщины между обращенными друг к другу сторонами кромок 42 колец 30, 32 или же использования гаечного ключа с ограничением по крутящему моменту при затягивании вышеупомянутых средств для зажима накладок 26, 28.
Кольца 30, 32 также имеют соответствующие кольцевые канавки 46 на радиально внутренних участках их радиальных поверхностей 34, предназначенные для приема радиально внутренних краев 48, выступающих из накладок 26, 28, причем края 48 накладок предназначены для сдавливания и поджима к вышеупомянутому периферийному кольцу 10 диска 4 кольцами 30, 32 и соответствующими зажимными средствами.
Фиг.4 представляет собой вид в плане, выполненный с местным разрезом по линии IV-IV с фиг.3, и показывает форму поверхностей накладок 26, 28, которые входят в контакт с лопатками 8. Накладки 26, 28 или элементы накладок предпочтительно могут быть изготовлены в пресс-формах, которые изготовлены посредством стереолитографии на основе цифровых файлов, задающих в цифровом виде формы лопаток 8.
Накладка 26, предназначенная для контактирования с вогнутыми поверхностями 14 лопаток 8, имеет пилообразные участки 50, которые распределены с равными интервалами в угловом направлении и каждый из которых имеет выпуклую поверхность 58, предназначенную для поджима к вогнутой поверхности 14 лопатки 8, и радиальную поверхность 54, которая проходит между двумя лопатками 8. Расстояние между двумя следующими друг за другом участками 50 по существу равно расстоянию между двумя следующими друг за другом лопатками 8.
Накладка 28, предназначенная для контактирования с выпуклыми поверхностями 16 лопаток 8, имеет пилообразные участки 56, которые распределены с равными интервалами в угловом направлении и каждый из которых имеет вогнутую поверхность 52, предназначенную для поджима к выпуклой поверхности 16 лопатки 8, и радиальную поверхность 60, предназначенную для поджима к вышеупомянутой радиальной поверхности 54 участка 50 указанной другой накладки 26.
Участки 50, 56 накладок 26, 28 сцепляются друг с другом и входят в контакт с лопатками 8 по существу без зазора, за исключением зон у концов пилообразных элементов, образованных участками 50, 56, так что накладки 26, 28 могут быть зажаты относительно лопаток 8 без сжатия образующего их материала, противодействующего такому зажиму.
На фиг.5 показаны дополнительные демпфирующие средства 62, расположенные между кольцом 32 диска 4 и радиальной поверхностью губки 20 сварочной машины. Демпфирующие средства также могут быть размещены между кольцом 32 диска 2 и соответствующей радиальной поверхностью губки 24 сварочной машины.
Эти дополнительные демпфирующие средства 62 используются, в частности, с лопатками большого размера, у которых амплитуда колебаний больше на их наружных концах, чем в случае с лопатками малого размера.
Эти средства 62 содержат эластомерные блоки, которые могут иметь различную твердость и которые устанавливают с обеспечением предварительного напряжения между кольцами 30, 32 и губками 24, 20 сварочной машины. Предпочтительно блоки 64 меньшей твердости расположить у радиально внутренних частей колец, а блоки 66 большей твердости расположить у радиально наружных частей колец. Как правило, эластомеры, используемые для изготовления накладок 26, 28 и блоков 64, 66, имеют твердость, находящуюся, например, в диапазоне от 40 до 50 единиц по шкале А Шора.