СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ ЛОПАСТИ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ЛОПАСТЬ, ПОЛУЧАЕМАЯ ТАКИМ СПОСОБОМ
METHOD OF MAKING TWO-COMPONENT BLADE FOR GAS TURBINE ENGINE AND BLADE, OBTAINABLE BY SUCH METHOD

Уровень техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к общей области изготовления лопастей для газотурбинных двигателей.
На лопасти газотурбинного двигателя и, в частности, на лопасти турбины высокого давления турбореактивного двигателя воздействует горячий газ, выходящий из камеры сгорания.
Как известно, чтобы повышался коэффициент полезного действия двигателя, температура такого выходящего газа из камеры сгорания должна увеличиваться до температуры, которая может быть значительно выше, чем температура плавления наилучших металлических сплавов, из которых обычно изготавливаются лопасти.
Таким образом, чтобы лопасти из металлических сплавов могли выдерживать очень высокие температуры, как известно, на них наносится керамическое покрытие, которое представляет собой теплозащиту, а также изготавливаются внутренние охлаждающие контуры.
Тем не менее, такие покрытия и такие внутренние охлаждающие контуры становятся все более сложными в изготовлении, и они не всегда позволяют лопастям выдерживать очень высокие температуры газа, выходящего из камеры сгорания. В частности, тенденция заключается в том, что температура такого выходящего газа увеличивается и превышает температуры выходящего газа из существующих в настоящее время камер сгорания, и, таким образом, становиться все более сложным изготовление обеспечивающих теплозащиту покрытий и внутренних охлаждающих контуров.
Предмет и сущность изобретения
Таким образом, существует необходимость создания способа изготовления лопасти, который позволяет ей выдерживать очень высокие температуры без проявления вышеупомянутых недостатков.
В соответствии с настоящим изобретением, эта цель достигается посредством способа изготовления двухкомпонентной лопасти для газотурбинного двигателя, причем данный способ включает последовательные стадии:
получение профиля лопасти, изготовленной из керамического материала и имеющей отверстие, проходящее насквозь через профиль лопасти в направлении ее длины, таким образом, что получается продольный канал, который открывается у первого продольного конца профиля лопасти в верхнюю полость;
расположение и удерживание профиля лопасти в литейной форме таким образом, что получается нижняя полость, которая сообщается с каналом профиля лопасти у второго продольного конца профиля лопасти;
заливка расплавленного металла в профиль лопасти таким образом, что заполняются верхняя и нижняя полости и канал, соединяющий их друг с другом; и
охлаждение металла таким образом, что сжатие металла, охлаждаемого в верхней и нижней полостях, вызывает предварительное напряжение сжатия, которое воздействует на керамический материал профиля лопасти.
Способ изготовления согласно настоящему изобретению отличается тем, что в процессе охлаждение металла, который заливается в полости профиля лопасти, естественное сжатие металла производит силу сжатия, которая воздействует на керамический материал, составляющий профиль лопасти (в продольном направлении профиля лопасти). Таким образом, лопасть, получаемая посредством данного способ изготовления, проявляет предварительное напряжение сжатия в керамическом материале. В процессе эксплуатации сила, которая воздействует на лопасть, представляет собой центробежную силу (в продольном направлении профиля лопасти), и в результате этого создается растягивающая сила, воздействующая компоненты лопасти. Благодаря своему предварительному напряжению сжатия и вследствие разности расширения между керамическим материалом и металлом, которые составляют лопасть, эта лопасть может, таким образом, легко выдерживать растягивающие силы, которые воздействуют на нее. В частности, чтобы устранялось это предварительное напряжение сжатия, оказывается необходимым достижение температур, при которых у металла уже отсутствует какая-либо механическая прочность, и такие температуры никогда не достигаются при практическом применении газотурбинных двигателей.
Кроме того, воздействие сжатия на керамический материал, который составляет профиль лопасти в случае лопасти, получаемой посредством способа изготовления согласно настоящему изобретению, делает возможным выбор керамического материала из широкого разнообразия керамических материалов, в частности, из керамических материалов, которые являются менее дорогостоящими, чем обычно используемые материалы. Кроме того, масса лопасти, получаемой таким способом, составляет менее чем масса лопастей предшествующего уровня техники. Наконец, такая лопасть может быть легко отремонтирована посредством простой замены керамического материала.
Предпочтительно керамический материал, используемый для изготовления профиля лопасти, представляет собой оксид алюминия, а металл, используемый для литья, представляет собой металлический сплав на основе никеля.
Кроме того, предпочтительный способ дополнительно включает изготовление внутреннего охлаждающего контура в лопасти. В таких обстоятельствах в лопасти может быть изготовлен внутренний охлаждающий контур посредством воздействия, перед стадией заливки расплавленного металла, для помещения, по меньшей мере, одного продолговатого сердечника в канал, проходящий насквозь через профиль лопасти в направлении ее длины, и, после стадии заливки расплавленного металла, для извлечения сердечника в целях образования воздушного канала проходящий насквозь через лопасть. Сердечник для изготовления внутреннего охлаждающего контура в лопасти может быть изготовлен из диоксида кремния.
Такой охлаждающий контур легко изготавливается, в частности, по сравнению с известными внутренними охлаждающими контурами лопастей предшествующего уровня техники. Кроме того, данный охлаждающий контур производит незначительное воздействие на эксплуатационные характеристики двигателя.
Настоящее изобретение также предлагает лопасть газотурбинного двигателя, изготавливаемую способом, который определяется выше.
Настоящее изобретение также предлагает газотурбинный двигатель, включающий, по меньшей мере, одну такую лопасть.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения становятся очевидными из следующего описания, представленного со ссылками на сопровождающие чертежи, которые иллюстрируют варианты осуществления, не имеющие ограничительного характера. В числе данных чертежей:
- фиг. 1 представляет схематическое перспективное изображение лопасти, получаемой способом изготовления согласно настоящему изобретению;
- фиг. 2-5 представляют схематические изображения, иллюстрирующие разнообразные стадии способа изготовления лопасти, представленной на фиг. 1; и
- фиг. 6 и 7 представляют изображения продольного сечения лопастей, составляющих разнообразные варианты осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение распространяется на изготовление любой лопасти для использования в газотурбинном двигателе, включая, в частности, лопасти для турбин высокого давления турбореактивного двигателя, такие как лопасть 10, которая проиллюстрирована на фиг. 1.
Известным образом, лопасть 10 имеет продольную ось X X и предназначается для прикрепления к диску ротора турбина высокого давления турбореактивного двигателя посредством вставки хвоста 12, имеющего обычно елочкообразную форму, в щель.
Лопасть 10 проходит в направлении продольной оси X X от основания 14 до вершины 16 и имеет входную кромку 18 и выходную кромку 20. Хвост 12 соединяется с основанием 14 лопасти посредством платформы 22, которая определяет внутреннюю стенку для пропускания потока газообразных продуктов сгорания, проходящего через турбину высокого давления.
Такая лопасть 10 должна выдерживать очень высокие температуры газа, который выходит из камеры сгорания турбореактивного двигателя, расположенной непосредственно выше по потоку относительно турбины высокого давления.
В соответствии с настоящим изобретением, предлагается способ изготовления такой лопасти, которая обеспечивает достижение поставленной задачи.
Для этой цели настоящее изобретению предлагает способ, включающий первоначальное изготовление профиля лопасти из керамического материала. Термин "профиль лопасти" используется для обозначения детали, которая имеет конечную форму лопасти.
Данный профиль лопасти может быть изготовлен с использованием разнообразных известных способов, которые не описываются подробно в настоящем документе, например, способом, включающим введение керамического материала в литейную форму, имеющую соответствующую конфигурацию, или способом изготовления, который называется термином "аддитивный" (т. е. в нем используется трехмерная печать).
Еще одна известная технология, которая может использоваться (и которая предназначается для массового производства лопастей) представляет собой технологию литья по выплавляемым моделям, в которой используется пустотелая форма и имеется возможность изготовления посредством направленного затвердевания. Здесь можно упомянуть европейский патент № 2092999, в котором описывается такой способ.
Когда способ, используемый для изготовления профиля лопасти, включает введение керамического материала в литейную форму, имеющую соответствующую конфигурацию, профиль лопасти затем перфорируется (например, с применением механического инструмента), таким образом, что получается отверстие, проходящее насквозь через профиль лопасти в направлении ее длины, т. е. в направлении продольной оси X X лопасти, которая должна быть изготовлена.
Это сквозное отверстие изготавливается таким образом, что получается верхняя полость 26a у верхнего продольного конца профиля лопасти, и эта верхняя полость открывается в канал 28. Канал 28 имеет диаметр d28, который имеет меньший размер, чем верхняя полость 26a, в которую ведет этот канал.
Как проиллюстрировано на фиг. 3, профиль 24 лопасти располагается и удерживается на месте в литейной форме 30, таким образом, что нижняя полость 26b, которая сообщается с каналом 28 профиля лопасти, располагается у нижнего продольного конца профиля лопасти. Таким же образом, как верхняя полость, нижняя полость 26b имеет прямое сечение, которое имеет больший размер, чем диаметр d28 канала 28.
Естественно, когда способ, используемый для изготовления профиля лопасти, включает другие производственные технологии, в частности, такие как литье по выплавляемым моделям с использованием пустотелой формы, канал и верхняя и нижняя полости профиля лопасти изготавливаются другими способами (как правило, посредством сердечников).
Следующая стадия способа согласно настоящему изобретению представляет собой заливку расплавленного металла в профиль 24 лопасти таким образом, что заполняются обе полости 26a и 26b и канал 28, соединяющий их друг с другом.
Эта операция литья, как правило, осуществляется в литейной печи (не проиллюстрированной на чертежах), в которую помещается литейная форма 30. Расплавленный металл Mf заливается в литейную форму 30 через профиль 24 лопасти из верхней полости 26a таким образом, что он заполняет весь объем нижней полости 26b, канала 28 и верхней полости 26a. В качестве примера, металл, который выбирается для литья, может представлять собой металлический сплав на основе никеля, такой как AM1, который обычно использует производитель (SNECMA) в изготовлении некоторых из своих монокристаллических лопастей для турбин.
Когда завершается заливка расплавленного металла, литейная форма 30 извлекается из литейной печи, и профиль 24 лопасти охлаждается. Вследствие этого охлаждения происходит естественное сжатие металла внутри полостей 26a, 26b, а также внутри соединяющего их канала 28 (данное сжатие представлено стрелками на фиг. 4).
Таким образом, как проиллюстрировано на фиг. 5, получается двухкомпонентная лопасть 10, в которой верхняя полость 26a, заполненная металлом, располагается у вершины 16 лопасти, а нижняя полость 26b определяет, по меньшей мере, часть хвоста 12 лопасти.
Сжатие металла, который охлаждается в полостях и в канале, соединяющем их друг с другом, вызывает предварительное напряжение сжатия, которое воздействует на керамический материал профиля лопасти (данное предварительное напряжение сжатия представлено стрелками Fc).
В процессе эксплуатации на лопасть воздействуют не только высокие температуры, но также центробежная сила (в продольном направлении профиля лопасти, проходящем от хвоста к вершине), причем в результате данной центробежной силы возникает растягивающая сила, воздействующая на профиль лопасти. Благодаря своему предварительному напряжению сжатия, лопасть может, таким образом, легко выдерживать растягивающие силы, которые на нее воздействуют. В частности, различное расширение керамического материала из которого состоит профиль лопасти, и металла, который заливается в полости и соединяющий их канал, в процессе эксплуатации вызывает эффект уменьшения предварительного напряжения сжатия, действующего на керамический профиля лопасти.
Фиг. 6 иллюстрирует лопасть 10', изготавливаемую способом согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Согласно данному варианту осуществления, предусматривается изготовление лопасти, имеющей и внутренний охлаждающий контур. Для этой цели, перед стадией заливки расплавленного металла в профиль лопасти, продолговатый сердечник (не проиллюстрированный на чертеже) вставляется в канал 28, соединяющий друг с другом полости 26a и 26b, причем данный сердечник может быть изготовлен, например, из диоксида кремния, который является подходящим для выколачивания. Таким образом, этот сердечник проходит насквозь через профиль лопасти в направлении ее длины.
После стадии заливки расплавленного металла сердечник извлекается из профиля лопасти посредством выколачивания, и в результате этого получается воздушный канал 30, проходящий насквозь через лопасть 10'. Поток охлаждающего воздуха вводится в воздушный канал 30 от основания хвоста 12 лопасти и выпускается в канал турбины высокого давления у вершины 16 лопасти.
Фиг. 7 иллюстрирует лопасть 10", изготавливаемую способом согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Согласно данному варианту осуществления, лопасть 10" также имеет внутренний охлаждающий контур. Когда способ, используемый для изготовления профиля лопасти, включает введение керамического материала в литейную форму, имеющую соответствующую конфигурацию, данный контур образуется посредством помещения сердечника в форме вкладыша в канал 28 перед стадией заливки расплавленного металла в профиль лопасти или при помещении профиля лопасти в литейную форму. Когда способ, используемый для изготовления профиля лопасти, включает по выплавляемым моделям с использованием пустотелой формы, охлаждающий контур образуется перед стадией введения воска посредством помещения сердечника, у которого конфигурация соответствует внутреннему охлаждающему контуру, в форму для введения воска.
После стадии заливки расплавленного металла имеющий форму вкладыша сердечник извлекается из профиля лопасти, и в результате этого получается воздушный канал 30', который является кольцеобразным в центральной части лопасти 10". Поток охлаждающего воздуха вводится в этот воздушный канал 30' от основания хвоста 12 лопасти и выпускается в канал турбины высокого давления через вершину 16 лопасти.