Охлаждаемая лопатка турбины и способ ее получения

 

Изобретение относится к области литейного производства и предназначено для получения литых охлаждаемых лопаток высокотемпературных газовых турбин методом направленной кристаллизации.

Предлагаемый способ получения охлаждаемой лопатки турбины включает последовательное изготовление основного и дополнительного стержней, модели, формы, расплавление металла, заливку расплава в форму и направленную кристаллизацию отливки с последующим удалением керамики. Для этого основной стержень размещают в промежуточной модельной пресс-форме, наносят слой износостойкой модельной массы и получают промежуточную модель с отверстиями. Затем получают дополнительный стержень во второй стержневой пресс-форме, в матрице которой предусмотрены штыри для образования отверстий. После этого изготавливают окончательную модель в соответствующей пресс-форме.

Полученная данным способом охлаждаемая лопатка турбины содержит пустотелое перо с каналами и полостями. Причем стенка пера состоит из 2-х или нескольких профилей, в каждом из которых выполнены отверстия для прохода охлаждающего воздуха, соединяющиеся с каналами и имеющие несовпадающие оси, расположенные под углом 30-90 к касательным плоскостям профилей. Профили соединены между собой элементами жесткости, например штырьками.

Предлагаемая конструкция охлаждаемой лопатки, полученная данным способом и имеющая проникающее охлаждение внутренних полостей, эффективность которого ≥ 0,6 позволит увеличить температуру газа на входе в турбину до 2200 К, снизить расход охлаждающего воздуха на 15-20% и увеличить ресурс лопаток в двигателе нового поколения в 2-4 раза.

Предлагаемый способ позволит получать цельнолитые монокристальные охлаждаемые лопатки, стенки которых состоят из нескольких профилей без сварных и паяных соединений, а все каналы и отверстия получены в процессе направленной кристаллизации. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области литейного производства и предназначено для получения литых охлаждаемых лопаток высокотемпературных газовых турбин методом направленной кристаллизации.

Известны способы получения охлаждаемых литых лопаток со стержнем сложной конфигурации. Изготавливают такие стержни путем прессования керамической массы в стержневой пресс-форме, где могут использоваться вставки из некерамических материалов. Так в Pat US 4 384 607 для формирования сложной внутренней полости отливки при изготовлении стержня использовали временную вставку из легкоплавкого металла, удаляемую из стержня до изготовления модели. Недостатками аналога является необходимость применения дополнительных материалов и специальных способов их удаления. Описанным способом невозможно получать тонкостенные изделия с дополнительными полостями охлаждения.

Известны лопатки турбины, содержащие пустотелый корпус со щелями в выходной кромке и размещенные в нем один или два дефлектора с отверстиями во входной кромке. Так в Pat US 4 153 386 лопатка содержит полый корпус, внутренняя часть которого делится на два воздушных канала, в каждом из которых установлен дефлектор с отверстиями. Входная и выходная кромки охлаждаются ударом воздушной струи из полостей дефлекторов, которая затем выходит через отверстия, выполненные в стенке корпуса, и аксиально проходит вблизи внешней стенки лопатки.

Известны охлаждаемые лопатки турбины с сильно развитой внутренней поверхностью полости пера благодаря наличию ребер и перегородок с отверстиями, выводящими часть охлаждающего воздуха на наружную поверхность пера лопатки для организации пленочного охлаждения как в Pat.GB 2 189 553.

Все известные решения не позволяют обеспечить максимальную степень охлаждения, так как толщина стенки пера в большинстве конструкций более 1 мм. Уменьшить толщину стенки не удается из-за условий потери жесткости конструкции лопатки.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является способ получения литых изделий по Pat. US 5 295 530.

Для получения лопатки с дополнительными полостями охлаждения изготавливают тонкий основной стержень и наносят слой модельной массы. Отдельно изготавливают тонкий дополнительный стержень и укладывают его на модель, изгибая по форме. Для закрепления дополнительного стержня лазером высверливают отверстия в дополнительном стержне, модели и основном стержне и устанавливают фиксирующие штифты. Для формирования отверстий в дополнительном стержне и модели также высверливают отверстия, в часть которых устанавливают круглые стержни малого диаметра, затем снова наносят слой модельной массы и снова проводят сверления.

Недостатками прототипа является использование операции сверления, которая весьма трудоемка на криволинейной поверхности. Кроме того, основной, дополнительные и круглые стержни выполнены из материалов с различными коэффициентами термического расширения и при такой сборке во время кристаллизации отливки могут давать разную усадку, что ухудшает геометрическую точность изделия.

По конструкции наиболее близким по технической сущности к заявляемому является лопатка по Pat. US 3 388 888. Согласно прототипу охлаждаемая лопатка содержит пустотелое перо с каналами и ребрами, на которые опирается тонкостенный дефлектор, представляющий собой профильную тонкостенную оболочку, выполненную из листового проката, открытую в верхнем сечении, и имеющую щели малого диаметра. В такой конструкции охлаждающий воздух подается в полость лопатки, проникает в щели дефлектора, охлаждает внутренние стенки корпуса лопатки и выбрасывается наружу через щели.

Недостаточная эффективность охлаждения в такой конструкции не позволяет повышать температуру газа в турбине выше 1500^oC, что является ее основным недостатком. Более того, наличие сварного соединения не обеспечивает высокую конструкционную прочность изделия при эксплуатации.

Технической задачей настоящего изобретения является способ получения охлаждаемой лопатки турбины и конструкция охлаждаемой лопатки с повышенной эффективностью охлаждения, что позволит повысить температуру газа в турбине. Это достигается тем, что в стенке пера лопатки формируется дополнительная полость охлаждения, связанная отверстиями с внутренней и наружной поверхностями пера.

Предлагаемый способ получения охлаждаемой лопатки турбины включает последовательное изготовление стержней, основного и дополнительного, модели лопатки, формы, расплавление металла, заливку расплава в форму и направленную кристаллизацию отливки с последующим удалением керамики. Причем в процессе изготовления лопатки основной стержень, предварительно изготовленный, размещают в промежуточной модельной пресс-форме, где наносят слой износостойкой модельной массы, получают промежуточную модель с отверстиями, затем для получения дополнительного стержня модель с основным стержнем размещают в другой стержневой пресс-форме, в матрице которой предусмотрены штыри для образования отверстий в дополнительном стержне, а для образования выступов выемки. Запрессовывают дополнительный стержень, а после этого изготавливают окончательную модель в соответствующей пресс-форме.

Полученная данным способом охлаждаемая лопатка турбины содержит пустотелое перо с каналами и полостями. Причем стенка пера состоит из 2-х или нескольких профилей, в каждом из которых выполнены отверстия для прохода охлаждающего воздуха, соединяющиеся с каналами и имеющие несовпадающие оси, расположенные под углом 30-90^o к касательным плоскостям профилей. Профили соединены между собой элементами жесткости, например штырьками.

На фиг. 1 изображена Промежуточная модельная пресс-форма с основным стержнем в поперечном сечении; на фиг.2 Вторая стержневая пресс-форма в поперечном сечении; на фиг.3 Окончательная модельная пресс-форма в поперечном сечении; на фиг.4 поперечное сечение пера предлагаемой охлаждаемой лопатки турбины.

Для получения охлаждаемой лопатки предлагается способ литья по выплавляемым моделям методом высокоскоростной направленной кристаллизации, позволяющий сформировать все каналы, отверстия и элементы жесткости в процессе направленной кристаллизации без операций сверления и сварки.

Для осуществления способа изготавливают основной керамический стержень, формирующий основную охлаждающую полость в лопатке, прессованием керамической массы в стержневой пресс-форме. Затем его помещают в промежуточную модельную пресс-форму, получают промежуточную модель из износостойкой модельной массы, формирующую внутреннюю стенку профиля.

На фиг.1 схематично представлено расположение основного стержням в промежуточной модельной пресс-форме (2), в матрице которой имеются штыри (3) для формирования отверстий в промежуточной модели. Затем стержень с промежуточной моделью переносят во вторую стержневую пресс-форму.

На фиг. 2 схематично представлена вторая стержневая пресс-форма после запрессовки дополнительного стержня. Основной стержень (1) с промежуточной моделью (4) располагается во второй стержневой пресс-форме (5), в матрице которой имеются выемки для выступов (6) и штыри (7) для образования отверстий в дополнительном стержне 8. При этом температура запрессовки керамической массы должна быть ниже температуры размягчения модельного состава во избежание потери геометрии. Керамическая масса заполняет выемки, образуя выступы (6) и отверстия (9) в промежуточной модели (4). Сцепляется с керамикой основного стержня, образуя неразъемное керамическое соединение. После отверждения стержень извлекают и удаляют модельный промежуточный состав, например растворяя в воде. "Сырой" керамический стержень прокаливают при режимах, обеспечивающих требуемую прочность. Полученный сложный стержень, состоящий из основной несущей части и дополнительной тонкой части со штырьками и отверстиями вокруг основного, выполнен из стержневой керамики одного состава с одинаковыми коэффициентами термического расширения, что обеспечивает геометрическую точность внутренних полостей отливок.

Прокаленный стержень помещают в окончательную модельную пресс-форму (10) (фиг.3), где получают модель формирующую внешний профиль лопатки (11). Модельный состав окончательной модели может быть тот же, что для изготовления промежуточной модели. По окончательной модели изготавливают керамическую оболочковую форму. При этом выступы на дополнительном стержне зацепляются с формой в процессе ее изготовления, обеспечивая фиксацию стержня в форме и образуя выпускные отверстия в литом изделии после удаления керамики. После удаления модели, например в воде, форму со сложным стержнем прокаливают, а затем помещают в вакуумную установку, где ее нагревают до T > T_L сплава, производят заливку расплава в форму и направленную кристаллизацию изделия. Из готовой отливки удаляют керамику, например в растворе бифторида калия.

В зависимости от конструкции лопатки, требующей понизить прочность стержня, возможен также 2-й вариант способа получения лопатки без промежуточной высокотемпературной прокалки сложного стержня. Для этого "сырой" сложный стержень с промежуточной моделью помещают в окончательную модельную пресс-форму и получают окончательную модель лопатки при температуре прессования модельной массы ниже температуры размягчения стержневого состава. По полученной модели изготавливают оболочковую форму, как в 1-ом варианте, и удаляют модель в пароавтоклаве или воде. Затем проводят одновременную прокалку формы со сложным стержнем при режимах, обеспечивающих требуемую прочность стержня и необходимую податливость керамической оболочки.

Применение одновременной прокалки формы со сложным стержнем исключает трудоемкую операцию контроля геометрии стержня. Тонкий дополнительный стержень оказывается сцепленным с керамикой формы с одной стороны и с основным стержнем с другой в местах расположения выступов, что обеспечивает геометрическую точность в литом изделии.

На фиг. 4 представлено поперечное сечение пера предлагаемой охлаждаемой лопатки турбины, полученной одним из вариантов данного способа.

12 внешний профиль пера лопатки, 13 внутренний профиль пера лопатки, 14 элементы жесткости, 15 основная охлаждающая полость, 16 дополнительная полость в стенке пера, 17 выпускные отверстия внешнего профиля, 18 отверстия внутреннего профиля
Перо лопатки, состоящее из 2-х раздельных профилей (12) и (13), соединенных между собой элементами жесткости в виде штырьков (14), содержит основную охлаждающую полость (15) и дополнительную (16) между профилями, т.е. в самой стенке пера. Профили содержат отверстия (17) и (18), расположенные несоосно.

Охлаждение в такой лопатке осуществляется следующим способом. Охлаждающий воздушный поток проходит по внутренней полости пера с большой скоростью, ударяется о поверхность внутреннего профиля (13) пера, проходит через отверстия в нем (18) и поступает в полость между профилями (16); огибает элементы жесткости (14), охлаждая их и стенку лопатки изнутри, а далее через множество мелких выпускных отверстий во внешнем профиле с малой скоростью проникает на поверхность лопатки. Таким образом в лопатке охлаждение внутреннего профиля пера осуществляется ударным способом, эффективность которого тем выше, чем больше скорость воздушного потока, А внешнего - проникающим способом охлаждения, эффективность которого тем выше, чем тоньше охлаждаемая стенка и меньше диаметр выпускных отверстий.

Для обеспечения равномерного охлаждения стенок пера отверстия на профилях расположены на несовпадающих осях. Если отверстия внутреннего профиля выполнены перпендикулярно к касательным плоскостям профиля, то выпускные отверстия на внешнем профиле могут располагаться как перпендикулярно к касательным плоскостям профиля так и под углом 30-90^o к последним. Для образования воздушной пленки на поверхности лопатки, препятствующей перегреванию и проникновению горячих газов в полость пера лопатки, выпускные отверстия располагаются под углом 30-90^o к касательным плоскостям профиля, в зависимости от конструкции лопатки.

Предлагаемая охлаждаемая лопатка представляет собой цельнолитое изделие без сварных или паяных соединений, все отверстия, каналы и элементы жесткости получены в процессе литья.

Примеры получения охлаждаемой лопатки
Пример 1. Изготавливали основной стержень прессованием керамической массы на основе Al₂O₃. Стержень размещали в промежуточной модельной пресс-форме в матрице которой имелись штыри и наносили слой модельной массы на основе карбамида при T=120+10^oC. Полученную модель с отверстиями и с основным стержнем помещали во вторую стержневую пресс-форму, в матрице которой также имелись штыри и выемки. При этом штыри и выемки были несоосны с отверстиями промежуточной модели. Запрессовывали дополнительный стержень из той же керамической массы, что и основной при T_прес.=80+10^oC. После отверждения стержень извлекали из пресс-формы и удаляли модельный состав в воде. Сложный керамический стержень прокаливали при T= 1300+50^oC в газовых печах в течение 10 часов и проводили контроль геометрии. Для получения окончательной модели прокаленный стержень помещали в модельную пресс-форму, в матрице которой штыри располагались под углом 30 к касательной профиля, и наносили модельный состав на основе карбамида. Затем изготавливали оболочковую керамическую форму методом послойного нанесения керамической суспензии на основе Al₂O₃ и связующего. Удаляли модельный состав в горячей воде, а затем прокаливали оболочку при T=1100 + 50^oC. Заливку формы и кристаллизацию производили в установке для направленной кристаллизации УВПК-8П. Предварительно нагретую форму до T=1500+10^oC, в которую была установлена монокристальная затравка, заливали жаропрочным сплавом при T= 1560+20^oC и производили направленную кристаллизацию погружением в расплав жидкометаллического охладителя со скоростью кристаллизации 5-6 мм/мин. После обрезки литников из отливки удаляли керамику в расплаве бифторида калия, а затем контролировали наличие остатков керамики во внутренних полостях рентгеновским просвечиванием.

Готовая отливка лопатки представляет собой цельнолитое изделие с монокристальной структурой, перо которой состоит из двух профилей, соединенных элементами жесткости, при этом в каждом из профилей имеются отверстия расположенные на несоосных осях, полученные в процессе литья.2 Пример 2. Основной стержень, промежуточную модель, дополнительный стержень изготавливали в той же оснастке и последовательности как в примере 1. Затем "сырой" сложный стержень с промежуточной моделью помещали в окончательную модельную пресс-форму, в матрице которой штыри были расположены под углом 60 к касательной профиля, без предварительной прокалки и без контроля геометрии стержня и наносили слой модельной массы на основе карбамида. Получали окончательную модель. По ней изготавливали керамическую оболочковую форму, проконтролировав, чтобы торцы выступов стержня были очищены от модельного состава. Промежуточную и окончательную модели удаляли растворением в воде. После чего керамическую оболочковую форму со сложным стержнем прокаливали одновременно в газовой печи по режиму: T=1200+50^oC 10 часов.

В процессе прокалки тонкий дополнительный стержень прочно фиксируется во многих точках формой с одной стороны и основным несущим стержнем с другой, что гарантирует геометрическую точность внутренних полостей отливки. Далее монокристальную отливку лопатки получали как в примере 1.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать цельнолитые монокристальные охлаждаемые лопатки, стенки которых состоят из нескольких профилей без сварных и паяных соединений, а все каналы, отверстия и элементы жесткости получены в процессе направленной кристаллизации без операции сверления, что упрощает процесс изготовления, делает конструкцию более надежной в эксплуатации и существенно снижает себестоимость изделия. Предлагаемая конструкция охлаждаемой лопатки, полученная данным способом, имеющая проникающее охлаждение внутренних полостей, эффективность которого > 0,6, позволит увеличить температуру газа на входе в турбину до 2200 К, снизить расход охлаждающего воздуха на 15-20% и увеличить ресурс лопаток в двигателе нового поколения в 2-4 раза.

Формула изобретения

1. Охлаждаемая лопатка турбины, содержащая пустотелое перо, стенка которого выполнена из двух или нескольких слоев, имеющих охлаждающие каналы, расположенные в смежных слоях со смешением осей, отличающаяся тем, что слои стенки пера выполнены с перемычками, образующими охлаждающие полости, которые сообщены с упомянутыми охлаждающими каналами.

2. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что охлаждающие каналы, расположенные со смещением осей, выполнены под углом 30 90^o к касательным плоскостям профиля пера.

3. Способ получения охлаждаемой лопатки турбины, включающий последовательное изготовление основного и дополнительного керамических стержней, изготовление модели с использованием основного и дополнительного стержней, керамической формы, расплавление сплава, заливку его в керамическую форму, направленную кристаллизацию залитого сплава и последующее удаление керамики, отличающийся тем, что дополнительный стержень изготавливают в два этапа, на первом из которых основной керамический стержень помещают в промежуточную модельную пресс-форму, наносят на него слой износостойкой модельной массы и получают промежуточную модель с отверстиями, а на втором этапе промежуточную модель переносят в стержневую пресс-форму, имеющую выемки и штыри для образования соответственно наружных выступов и отверстий в дополнительном стержне, при этом формирование дополнительного стержня ведут запрессовкой материала с обеспечением соединения его с материалом основного стержня.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4