ОХЛАЖДАЕМЫЕ ЛОПАТКИ ГАЗОВЫХ ТУРБИН, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТКИ
GAS TURBINE COOLED VANES, METHOD OF PRODUCING VANES

Настоящее изобретение касается охлаждения лопаток в газотурбинном двигателе, в частности сопловых лопаток турбины.
Раскаленные газы, поступающие из камеры сгорания, проходят через сопловые лопатки турбины в газотурбинных двигателях. Лопатки обеспечены средством для охлаждения своих стенок потоком воздуха, например, втягиваемого компрессором, таким образом, чтобы они могли выдерживать жесткие эксплуатационные условия, которым они подвергаются. В общем такой прием известен как средство принудительной конвекции или воздействия охлаждением.
Изобретение относится к фиксированным полым сопловым лопаткам, изготавливаемым посредством отливки из суперсплава. Согласно этому способу металл заливают в пресс-форму вокруг стержня, который, после его удаления, обеспечивает полость. В эту полость вводят вкладыш или рукав, чтобы образовать протекание охлаждающей текучей среды.
Сопловые лопатки турбин такого рода уже были предложены, в частности они были описаны в патентах US 6109867, ЕР 9734733, US 4288201 и ЕР 1164250.
Сопловая лопатка, которую сейчас используют в некоторых двигателях для летательных аппаратов, например, типа CFM 56, показана на фиг.1. Здесь имеется сопловая лопатка 1 ступени низкого давления со своими двумя площадками, одна из которых является внешней площадкой 1Е, другая - внутренней площадкой 1I, определяющими границы кольцевого канала, в котором проходит газ. Этот канал подразделяется лопатками 1 по окружности. Каждая лопатка 1 оборудована в своей центральной полости 1С перфорированным внутренним рукавом 3. В варианте осуществления фиг.1 различают центральную трубку внутри самого рукава и охлаждающую область между рукавом и стенками лопатки.
В рукав подается охлаждающий воздух из трубы 5Е, размещенной на внешней площадке и соединенной с источником холодного воздуха, например, втягиваемого компрессором. Часть впущенного воздуха проходит через отверстия рукава 3 и выбрасывается на внутреннюю стенку лопаток из-за перепада в преобладающем давлении между трубкой, образованной рукавом, и периферийной областью, ограниченной рукавом и внутренней стенкой лопатки. Затем этот воздух нагнетается в газовую струю через калиброванные отверстия, выполненные в задней кромке лопатки. Остаток неиспользованного воздуха в лопатке направляется соединительной трубой 1L, которая расположена под внутренней площадкой 1I, к другим частям механизма, подлежащим охлаждению, таким как диск рабочего колеса турбины или подшипники.
Рукав вставляют в лопатку через отверстие, выполненное во внешней площадке. Он изготовлен за одно целое с лопаткой, обычно пайкой твердым припоем вдоль стенки этого первого отверстия центральной полости, во внешней площадке. Противолежащий участок 3I рукава направлен во второе отверстие лопатки, образуя направляющую 1G на внутренней площадке 1I, чтобы обеспечить возможность относительного смещения между рукавом и лопаткой. Действительно, лопатка является отлитой деталью, а рукав обычно получают с помощью формовки металлического листа. Из-за различия в материалах и в способах изготовления обеих деталей, которые их составляют, а также между рабочими температурами, происходят изменения в удлинении между лопаткой и рукавом. Таким образом, направляющая обеспечивает опору в целом.
Учитывая различие между способами изготовления сопла и рукава, зазор на направляющей является относительно важным. Этот зазор следует исключительно из литейного допуска, значение которого важно, и из производственного допуска при формовке рукава. Этот зазор образует утечку воздуха на выходе рукава, поскольку давление в области воздействия охлаждением отличается от давления в центральном канале на выходе рукава.
Если давление в области воздействия охлаждением меньше, чем давление в центральном канале на выходе рукава, утечка воздуха, показанная стрелкой F, имеет первый недостаток порождения избыточного давления в периферийной области. Это избыточное давление вредно сказывается на качестве внутреннего охлаждения лопатки, и более конкретно, в области задней кромки, которая является самой горячей областью. Кроме того, этот воздух не участвует в охлаждении лопатки, поскольку он переносится непосредственно к выпускным каналам, расположенным на задней кромке. Заявитель поставил задачу уменьшения утечек воздуха в направляющей охлаждаемой лопатки, в частности сопловой лопатки, более конкретно сопловой лопатки ступени низкого давления.
Настоящее изобретение достигает этой цели с помощью охлаждаемой лопатки газотурбинного двигателя, содержащей отлитую деталь и продольный рукав, полученный посредством формовки металлического листа, причем отлитая деталь включает продольный корпус, снабженный продольной полостью с первым и вторым отверстиями на концах, при этом рукав установлен в полости и закреплен пайкой мягким припоем или пайкой твердым припоем к стенке первого отверстия, а концевой участок этого рукава свободно скользит во втором отверстии, образующем направляющую. Лопатка отличается тем, что концевой участок и направляющая находятся в скользящем контакте друг с другом с помощью поверхностей, образованных механической обработкой.
Преимущество изобретения состоит в том, что в случае такого скользящего соединения между рукавом, полученным посредством формовки металлического листа, и отлитым участком, можно задавать низкие производственные допуски, когда детали образованы механической обработкой.
Изобретение применяют к неподвижным сопловым лопаткам и, в частности, к сопловым лопаткам с площадкой на каждом конце лопатки.
Преимущества, достигаемые в случае сопла газотурбинного двигателя, подобного показанному на фиг.1, являются важными. Меньшая утечка означает уменьшение избыточного давления в области воздействия охлаждением. Таким образом, охлаждение лопаток усиливается, и уровень температуры лопаток в области задней кромки понижается. Поэтому риск повреждения лопаток из-за образования трещин под действием тепловых нагрузок снижается. Это приводит к увеличению срока службы сопла, в частности сопла ступени низкого давления, или к равным срокам службы, уменьшению требуемой скорости вентиляционного потока, а следовательно, улучшению функционирования или повышению эффективности. В частности, операции по техническому обслуживанию и ремонту благоприятно уменьшаются.
Согласно другой особенности упомянутый концевой участок рукава изготовлен за одно целое с уплотняющим вкладышем.
Введение вкладыша между рукавом и стенкой отверстия имеет преимущество исключения операций механической обработки на концевом участке рукава. Зазор можно также отрегулировать с большей точностью.
Согласно конкретному варианту осуществления изобретения уплотняющий вкладыш содержит компонент, образующий соединение с соединительной трубой.
Изобретение также касается способа изготовления лопатки, содержащего следующие этапы:
изготовления корпуса лопатки посредством литья с первым отверстием на одном конце и вторым отверстием на другом конце, причем второе отверстие содержит стенку с чрезмерной толщиной для повторной механической обработки,
формирования рукава с концевым участком,
механической обработки чрезмерной толщины стенки второго отверстия корпуса лопатки так, чтобы концевой участок скользил в направляющей с заданным зазором, учитывая допуска механической обработки второго отверстия,
установки рукава в корпусе лопатки и припаивания твердым припоем или мягким припоем рукава к стенке первого отверстия.
Согласно еще одной особенности изобретения уплотняющий вкладыш помещают между концевым участком рукава и вторым отверстием корпуса лопатки. В частности, рукав помещают на его место в корпус лопатки, а затем между концевым участком и вторым отверстием помещают уплотняющий вкладыш. Стенку уплотняющего вкладыша, входящую в соприкосновение со стенкой отверстия, формируют с помощью механической обработки.
Согласно другой особенности уплотняющий вкладыш припаивают мягким припоем или твердым припоем к концевому участку рукава.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из описания, приведенного ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, которые изображают два не ограничивающих изобретения варианта его осуществления.
Фиг.1 изображает вид в изометрии сопловой лопатки турбины согласно известному уровню техники.
Фиг.2 - вид в разрезе сопловой лопатки согласно изобретению.
Фиг.3 - разрез по линии III-III на фиг.2.
Фиг.4 и 5 - схематические изображения лопатки во время ее изготовления.
Фиг.6 - другой вариант осуществления изобретения.
Как видно на фиг.1, сборка согласно известному уровню техники содержит продольный корпус 1 лопатки, внешнюю 1Е и внутреннюю 1I площадки, которые образуют отдельную отлитую деталь. Видно, что соединительная труба 1L, в которую открывается полость лопатки, изготовлена за одно целое с отлитой деталью и, в частности, с внутренней площадкой 1I. Поэтому направляющая 1G согласно этому расположению компонентов лопатки находится вне досягаемости через внутреннюю площадку. Ее можно сформировать только посредством процесса литья. Сам рукав 2 получают из сформованного соответствующим образом металлического листа. Производственные допуски приводят к возникновению довольно значительного зазора между концевым участком 3I рукава 3 и направляющей 1G, образованной вторым концом внутренней полости лопатки. Чтобы найти от этого средство, согласно изобретению направляющая должна быть изготовлена посредством механической обработки.
На фиг.2 изображен участок фиксированной сопловой лопатки, расположенный около ее внутренней площадки. Он включает средство соединения между концевым участком рукава и направляющей согласно изобретению. Рукав 30 вставляют внутрь центральной полости 10С лопатки 10. Концевой участок 30I рукава размещен в образующее направляющую отверстие 10G лопатки, выполненное на внутренней площадке 10I. Согласно этому предпочтительному варианту осуществления изобретения уплотняющий вкладыш 30S расположен между концевым участком 30I рукава 30 и направляющей 10G. Как видно на фиг.3, уплотняющий вкладыш имеет по существу трапециевидную форму. Его выполняют так, чтобы он плотно входил в направляющую 10G с заданным зазором по ее периферии. Этот зазор учитывает расширение деталей во время различных рабочих стадий. Вкладыш продавливают, чтобы вставить концевой участок, к которому его припаивают твердым припоем или мягким припоем. Охлаждающий воздух проходит в рукав из первого отверстия. Часть этого воздуха проходит через стенку рукава сквозь калиброванные проходы, чтобы охлаждать с помощью соударения внутреннюю стенку лопатки. Остальная часть этого воздушного потока выпускается концевым участком рукава в другие области механизма, подлежащие охлаждению. Средство для направления этого воздуха не показано.
Монтаж рукава выполняют следующим образом. Рукав вводят через первое отверстие лопатки, выполненное на внешней площадке, невидимое на фиг.2. Рукав проталкивают в полость лопатки до тех пор, пока участок 30I рукава не станет вровень с внутренним отверстием, образующим направляющую 10G. Видно, что лицевая поверхность площадки 10I напротив струи газа свободна для доступа. Вкладыш вводят через эту сторону, это вызывает его скольжение относительно концевого участка 30I, и он поддерживается в положении, показанном на фиг.2. Операция завершается припаиванием вкладыша к рукаву мягким припоем или твердым припоем. Одновременно предпочтительно выполняют припаивание твердым припоем рукава на его другом конце к стенкам первого отверстия на внешней площадке.
Чтобы можно было собрать рукав с этим уплотняющим вкладышем в направляющей, детали изготавливают следующим образом.
Во время этапа отливки, где металл заливают в пресс-форму, имеющую углубленную форму детали, используют стержень, который соответствует полости корпуса лопатки. Этот стержень 100 схематично показан на фиг.4. Он имеет выступающий участок 100G относительно корпуса 100С, соответствующего полости лопатки. Расплавленный металл заливают вокруг стержня и между другими стенками пресс-формы, не показанными. Размеры выступающего участка 100G устанавливают так, чтобы деталь после удаления из пресс-формы имела так называемую чрезмерную толщину механической обработки, которую затем удаляют посредством операции механической обработки. Тот же участок лопатки после литья показан на фиг.5. Стержень удален. Поэтому отверстие 10G после литья имеет установленный размер Lu. На следующем этапе с помощью механической обработки продолжают удаление некоторого количества материала по периферии отверстия посредством подходящего инструмента, пока не будет получен требуемый размер L. Толщину материала, удаленную механической обработкой, определяют как повторную механическую обработку. С существующими средствами механической обработки производственный допуск может достигать ±0,025 мм. Он может быть меньше, чем разброс размеров после литья или во время формовки.
Кроме того, рукав изготавливают с помощью формования металлического листа при прессовании, а вкладыш делают с нишей для приема конца рукава.
Можно определить, что при изготовлении деталей таким способом утечки охлаждающего воздуха существенно снижены.
Таким образом, с механической обработкой образующего направляющую отверстия можно получить разброс размеров, уменьшенный до ±0,025 мм вместо ±0,075 мм после отливки. Что касается вкладыша, то поскольку после размещения рукав заполняют, припаивая твердым припоем или мягким припоем, на этом уровне не происходит никакой утечки. После того, как его боковая поверхность подвергнута механической обработке, производственный допуск также имеет порядок ±0,025 мм. Этот допуск меньше, чем допуск для конца рукава, образованного формовкой. Разброс размеров в последнем случае обычно составляет ±0,1 мм.
Таким образом, лучше контролируются зазор в направляющей области и получающиеся утечки. Например, для лопатки согласно известному уровню техники, типа показанной на фиг.1, со значением X номинального зазора, это значение в действительности составляет X±0,175 мм. Интенсивность утечки составляет Y. С техническим решением согласно изобретению было определено, что зазор X может быть уменьшен на 15%, причем производственный допуск составляет ±0,05 мм. В результате происходит 80%-ное уменьшение интенсивности утечки Y. Было рассчитано, что благодаря этому 80%-ному уменьшению интенсивности утечки температура задней кромки лопатки уменьшается на 25°С. Поэтому срок службы лопатки увеличивается.
На фиг.6 показан второй вариант осуществления уплотняющего вкладыша. Вкладыш 30'S состоит из первого участка 30'S1, образующего уплотняющий компонент между концевым участком 30I рукава и образующим направляющую отверстием 10G лопатки. Он содержит второй участок 30'S2, удлиняющий прежний. Этот участок имеет назначение подсоединения канала рукава к соединительной трубе TL для направления охлаждающего воздуха к другим участкам двигателя, которые находятся во внутреннем пространстве, ограниченном внутренними площадками. Этот компонент, в частности, имеет круглое сечение.
Это решение представляет особый интерес, если требуется преобразовать фиксированные (неподвижные) лопатки согласно известному уровню техники типа показанной на фиг.1, и переоснастить их в соответствии с решением по изобретению. Для преобразования и после отделения рукава от отлитой детали начинают с удаления с помощью механической обработки части внутренней площадки фиксированных (неподвижных) лопаток, которые включают соединительную трубу. Когда соединительная труба удалена, внутреннюю площадку подвергают механической обработке у направляющей. Формируют отверстие для получения калиброванной ниши для вкладыша, который был подготовлен в другом месте.
Подготовленную таким образом литейную деталь можно повторно собрать с рукавом, который сдвигают в полость лопатки от первого отверстия во внешней площадке, которая была очищена. Когда рукав находится на месте в нише направляющей, вкладыш вводят в концевой участок через второе отверстие и осуществляют пайку твердым припоем или мягким припоем согласно требуемой технологии вкладыша на концевом участке.
Предыдущее описание обоих вариантов осуществления изобретения не ограничивает изобретение размещением уплотняющего вкладыша между концевым участком и образующим направляющую отверстием. Изобретение также охватывает вариант его осуществления, в котором концевой участок выполняют так, чтобы его можно было подвергнуть механической обработке и он мог находиться в скользящем контакте со стенкой направляющей, подвергнутой механической обработке.