Полый диск ротора турбины и способ его изготовления
HOLLOW DISK OF TURBINE ROTOR AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к конструкциям полых дисков роторов турбин и способам их изготовления, и может найти применение при изготовлении высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей.
Уменьшение массы диска ротора турбины при сохранении его прочностных характеристик является одной из основных задач проектирования при создании газотурбинных двигателей, в частности для летательных аппаратов. Уменьшение массы диска приводит к снижению центробежных нагрузок на вал ротора, уменьшению инерционности и к облегчению запуска двигателя. При изготовлении полых дисков ротора турбины методами трехмерной печати образующиеся поверхности имеют повышенную шероховатость, что не соответствует требованиям, предъявляемым к дискам ротора турбины газотурбинного двигателя, и может привести к концентрации напряжений и как следствие к образованию трещин. Диски, изготовленные методами трехмерной печати, подвергают механической обработке для обеспечения требуемой шероховатости поверхности дисков. При этом механическая обработка закрытой полости сложной формы в изготовленном методами трехмерной печати диске крайне затруднена или невозможна.
Известен полый диск осевой турбомашины (US 3982852, 1976), выполненный в качестве единой детали, содержащий ступицу и полотно, причем в зоне ступицы выполнена полость.
Из того же источника известен способ изготовления полого диска осевой турбомашины, в котором диск выполняют в виде единой детали, содержащей ступицу и полотно, причем в зоне ступицы выполняют полость, в которой устанавливают решетчатые кольцевые элементы.
Общим существенным недостатком известного технического решения в части диска и способа его изготовления является наличие большого количества концентраторов напряжения, ограничивающих срок службы диска.
Известен полый диск ротора турбины, представляющий собой единую деталь, изготовленную методом горячего изостатического прессования (ГИП), содержащую ступицу, полотно, включающее две стенки, образующие полость (US 9114488, 2015).
Из того же источника известен способ изготовления полого диска ротора турбины, представляющего собой единую деталь, изготовленную методом ГИП, заключающегося в одновременном формировании ступицы и полотна, включающего две стенки, образующие открытую полость.
Общим существенным недостатком известного технического решения в части диска и способа его изготовления 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 по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является полый диск ротора турбины, представляющий собой единую деталь, выполненную методом трехмерной печати, содержащий ступицу, полотно, включающее две стенки, образующие полость, и обод (US 2014169971, 2014). В известном техническом решении полость диска содержит множество поперечных слоев, образующих дополнительные перегородки.
Из того же источника известен способ изготовления диска ротора турбины, в котором диск выполняют в виде единой детали методом трехмерной печати, для чего формируют ступицу, полотно, включающее две стенки, образующие полость, и обод.
Общим существенным недостатком известного технического решения в части диска и способа его изготовления 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. Наличие в известном техническом решении дополнительных перегородок делает механическую обработку закрытой полости в изготовленном методом трехмерной печати целом диске невозможной.
Таким образом, общим существенным недостатком известных технических решений является сложность осуществления процесса механической обработки закрытой полости диска, что не позволяет обеспечить требуемую шероховатость поверхности полости диска ротора турбины.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в изготовлении прочного полого диска ротора турбины методом трехмерной печати.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в упрощении процесса обработки полости диска ротора турбины до требуемой шероховатости ее поверхности.
Технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением в части диска, достигается за счет того, что полый диск ротора турбины, представляющий собой единую деталь, выполненную методом трехмерной печати, содержащий ступицу, полотно, включающее две стенки, образующие полость, и обод, содержит два дисковых элемента, вставленные один в другой и зафиксированные относительно друг друга, и две накладки, расположенные соосно напротив друг друга на внешних боковых поверхностях соответствующих дисковых элементов, на обращенных друг к другу внутренних боковых поверхностях дисковых элементов выполнены кольцевые углубления, причем кольцевое углубление первого дискового элемента выполнено ступенчатым, больший диаметр которого соответствует внешнему диаметру второго дискового элемента, а полость диска образована кольцевым углублением меньшего диаметра первого дискового элемента и соответствующим кольцевым углублением второго дискового элемента, а ступица и обод выполнены на внешних боковых поверхностях накладок.
Технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением в части способа, достигается за счет того, что способ изготовления полого диска ротора турбины, характеризуется тем, диск выполняют в виде единой детали методом трехмерной печати, для чего формируют ступицу, полотно, включающее две стенки, образующие полость, и обод, в горизонтальном положении раздельно формируют два дисковых элемента с кольцевыми углублениями, механически обрабатывают кольцевые углубления до обеспечения требуемой шероховатости поверхности, соединяют дисковые элементы путем размещения второго дискового элемента в первом дисковом элементе и фиксируют их относительно друг друга за счет соединения с натягом, а затем в горизонтальном положении формируют на внешней поверхности второго дискового элемента первую накладку со ступицей и ободом, переворачивают дисковые элементы на 180° и формируют на внешней поверхности первого дискового элемента вторую накладку со ступицей и ободом, соосную первой накладке, причем при формировании второй накладки используют оснастку, в которой предварительно размещают дисковые элементы с первой накладкой, при этом профиль оснастки соответствует профилю первой накладки.
Существенность отличительных признаков полого диска ротора турбины и способа его изготовления подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, действий и операций, описывающая изобретение, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата - изготовление прочного полого диска ротора турбины методом трехмерной печати при упрощении процесса обработки его полости и обеспечении требуемой шероховатости ее поверхности.
Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием конструкции полого диска ротора турбины и способа его изготовления со ссылкой на иллюстрации, где
- на фиг. 1 представлена схема соединений элементов полого диска;
- на фиг. 2 представлена схема формирования накладки второго дискового элемента;
- на фиг. 3 представлена схема формирования накладки первого дискового элемента.
На фиг. 1-3 приняты следующие обозначения:
1 - ступица;
2 - стенки полотна;
3 - полость диска;
4 - обод;
5 - первый ступенчатый дисковый элемент;
6 - второй дисковый элемент;
7 - накладка дискового элемента 5;
8 - накладка дискового элемента 6;
9 - кольцевое углубление дискового элемента 5;
10 - кольцевое углубление дискового элемента 6;
11 - рабочая поверхность;
12 - радиальные упоры;
13 - оснастка.
Полый диск ротора турбины выполнен следующим образом.
Диск представляет собой единую деталь, выполненную методом трехмерной печати, содержащий ступицу 1, полотно, включающее две стенки 2, образующие полость 3, и обод 4 (см. фиг. 1-3). Диск содержит два дисковых элемента 5 и 6, вставленные один в другой и зафиксированные относительно друг друга, и две накладки 7 и 8, расположенные соосно напротив друг друга на внешних боковых поверхностях соответствующих дисковых элементов 5 и 6. На обращенных друг к другу внутренних боковых поверхностях дисковых элементов 5 и 6 выполнены соответствующие кольцевые углубления 9 и 10. Кольцевое углубление 9 первого дискового элемента 5 выполнено ступенчатым, больший диаметр которого соответствует внешнему диаметру второго дискового элемента 6, а полость 3 диска образована кольцевым углублением 9 меньшего диаметра первого дискового элемента 5 и соответствующим кольцевым углублением 10 второго дискового элемента 6. Ступица 1 и обод 4 выполнены на внешних боковых поверхностях накладок 7 и 8.
Способ изготовления полого диска ротора турбины реализуется следующим образом.
Диск выполняют в виде единой детали методом трехмерной печати, для чего формируют ступицу 1, полотно, включающее две стенки 2, образующие полость 3, и обод 4. В горизонтальном положении на плоской рабочей поверхности 11 методом трехмерной печати раздельно формируют два дисковых элемента 5 и 6 с кольцевыми углублениями 9 и 10. Далее механически обрабатывают кольцевые углубления 9 и 10 до обеспечения требуемой шероховатости поверхности. Дисковые элементы 5 и 6 соединяют путем размещения второго дискового элемента 6 в первом дисковом элементе 5, фиксируют их относительно друг друга за счет соединения с натягом путем прессовой посадки. Таким образом, углубление 9 дискового элемента 5 и углубление 10 дискового элемента 6 образуют между стенками 2 замкнутую полость 3. Соединенные дисковые элементы 5 и 6 закрепляют в горизонтальном положении на рабочей поверхности 11 при помощи радиальных упоров 12 и формируют на внешней поверхности второго дискового элемента 6 первую накладку 8 со ступицей 1 и ободом 4 (см. фиг. 2). Далее переворачивают дисковые элементы 5 и 6 с накладкой 8 на 180° и формируют на внешней поверхности первого дискового элемента 5 вторую накладку 7 со ступицей 1 и ободом 4, соосную первой накладке 8 (см. фиг. 3). При формировании второй накладки 7 используют оснастку 13, в которой предварительно размещают дисковые элементы 5 и 6 с первой накладкой 8, при этом профиль оснастки 13 соответствует профилю первой накладки 8.
Таким образом, выполнение полого диска ротора турбины, представляющего собой единую деталь, выполненную методом трехмерной печати в виде дисковых элементов, вставленных один в другой и образующих внутреннюю полость, и двух накладок, расположенных на боковых поверхностях дисковых элементов, и способ его изготовления, заключающийся в последовательном раздельном формировании дисковых элементов и накладок в горизонтальном положении с переворотом дисковых элементов с накладкой на 180° при использовании оснастки, профиль которой соответствует профилю накладки, что позволяет изготовить прочный полый диск ротора турбины методом трехмерной печати за счет упрощения процесса обработки его полости до требуемой шероховатости поверхности.