Деталь газотурбинного двигателя с кольцевым гребешком, способ изготовления кольцевого гребешка и газотурбинный двигатель

Авторы патента:


Деталь газотурбинного двигателя с кольцевым гребешком, способ изготовления кольцевого гребешка и газотурбинный двигатель
Деталь газотурбинного двигателя с кольцевым гребешком, способ изготовления кольцевого гребешка и газотурбинный двигатель
Деталь газотурбинного двигателя с кольцевым гребешком, способ изготовления кольцевого гребешка и газотурбинный двигатель
Деталь газотурбинного двигателя с кольцевым гребешком, способ изготовления кольцевого гребешка и газотурбинный двигатель
Деталь газотурбинного двигателя с кольцевым гребешком, способ изготовления кольцевого гребешка и газотурбинный двигатель

 


Владельцы патента RU 2451187:

СНЕКМА (FR)

Деталь газотурбинного двигателя, вращающаяся вокруг продольной оси, содержит кольцевой гребешок лабиринтного уплотнения, включающий покрытие из абразивного материала. Гребешок в радиальном направлении имеет высоту, изменяющуюся вдоль его окружности, образуя несколько выступающих частей, высота каждой из которых постепенно увеличивается от промежутка к кромке и постепенно уменьшается от кромки к следующему промежутку. Другое изобретение относится к газотурбинному двигателю, содержащему указанную выше деталь. При изготовлении кольцевого гребешка направляют оптическую головку и сопло в одну точку поверхности вершины основания гребешка. Активируют лазерный источник и источник порошкообразного материала, создавая ванну расплава, в которую напыляют порошкообразный материал, получая локализованное утолщение. Направляют оптическую головку и сопло последовательно на соседние точки поверхности вершины основания, смежной с локализованным утолщением до завершения нанесения слоя материала для рассматриваемого углового сектора. Гребешок содержит несколько угловых секторов, каждый из которых содержит выступающую часть. Формируют каждую выступающую часть гребешка путем последовательного нанесения все более узких слоев в продольном направлении на поверхности вершины основания, при этом каждый слой получают как указано выше. Изобретения позволяют повысить надежность кольцевого гребешка лабиринтного уплотнения, а также упростить способ его изготовления. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Настоящее изобретение касается детали газотурбинного двигателя, содержащей, по меньшей мере, один кольцевой гребешок, предназначенный для лабиринтного уплотнения, а также способа изготовления кольцевого гребешка указанной детали и газотурбинного двигателя.

Лабиринтное уплотнение, называемое также лабиринтной прокладкой, содержит вращающуюся часть с ребрами (или гребешками) со статическим отверстием, покрытым мягким истирающимся материалом, или сотовую конструкцию, выдерживающую высокие температуры. При запуске двигателя гребешки прокладки слегка трутся о прокладку, вгрызаясь в нее, что приводит к образованию минимального зазора. Этот зазор меняется во время различных циклов полета в зависимости от расширения деталей и естественной мягкости подвижных частей.

Лабиринтные гребешки обеспечивают аэродинамическое уплотнение между воздушными камерами, испытывающими разное давление. Как правило, их располагают на роторной части напротив статорных частей. Они в основном выполнены в виде сплошных или сегментированных «пластин» кольцевой формы, которые могут быть направлены радиально внутрь или наружу.

В частности, когда гребешки имеют сплошную форму, они могут входить в контакт со статором в некоторых рабочих конфигурациях. Чтобы избежать их разрушения в этих ситуациях, на статорах выполняют покрытия, образующие поверхность раздела и называемые «истирающимися покрытиями». В этом случае обычные циклы проникновения ребер в истирающиеся покрытия представляют собой радиальное разрезание, связанное с осевым перемещением («проходом»).

Обычные истирающиеся материалы в действительности могут оказаться относительно абразивными, в частности, по отношению к некоторым сплошным гребешкам, особенно если эти гребешки выполнены из сплава на основе титана, а также из стали или из сплава на основе никеля. Это, в частности, относится к истирающимся деталям, выполненным в виде сот из жаростойкого материала.

Чтобы избежать повреждения и даже разрушения гребешков, на них обычно путем термического напыления (при помощи плазменной горелки, кислородной высокоскоростной горелки HVOF и т.д.) наносят абразивное покрытие типа глинозема/двуоксида титана или карбида, например, на подложку из алюминиево-никелевого сплава для обеспечения его сцепления.

Нанесение покрытия путем термического напыления требует соблюдения относительных углов напыления между осью горелки и поверхностями предназначенных для нанесения покрытия деталей таким образом, чтобы попадание напыляемых частиц на обрабатываемую поверхность происходило под углом, максимально близким к прямому, чтобы получить приемлемое качество и сцепление покрытия. Эта технология требует также соблюдения минимального расстояния между напылительным инструментом и поверхностью: действительно, горячая центральная зона ядра пламени горелки имеет температуру в несколько тысяч градусов Цельсия, поэтому его необходимо удерживать на достаточном удалении от детали; кроме того, напыляемым частицам необходимо придавать достаточное ускорение, чтобы они сцеплялись с защищаемыми поверхностями.

Кроме того, транспортирующие или плазмообразующие газы, используемые для напыления, должны легко удаляться, не «сдувая» при этом напыляемый порошок при возникновении завихрений.

Как правило, гребешки направлены почти под прямым углом к цилиндрическим поверхностям роторов и часто находятся по соседству с корпусами дисков или лабиринтов, на дне полостей или вблизи других ребер, если они расположены в ряд.

В этих ситуациях часто встречаются случаи геометрической конструкции, которая приводит к неконтролируемому или даже почти невозможному нанесению покрытия путем термического напыления.

В результате этого абразивное покрытие наносится в основном только на конец (кромку) гребешка, а стенки в конечном счете оказываются плохо защищенными, что приводит к быстрому износу гребешка. Такое решение раскрыто, например, в US 3537713.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение этого недостатка путем предложения решения, позволяющего отказаться от нанесения покрытия путем термического напыления и тем не менее позволяющего изготавливать гребешки, которые не повреждаются при контакте с венцом из истирающегося материала.

Задачей настоящего изобретения является создание способа, обеспечивающего простое изготовление гребешка, не прибегая к нанесению покрытия путем термического напыления.

Поставленная задача изобретения решена путем создания термомеханической детали газотурбинного двигателя, вращающейся вокруг продольной оси, содержащей, по меньшей мере, один кольцевой гребешок, предназначенный для лабиринтного уплотнения, при этом гребешок содержит покрытие из абразивного материала, согласно изобретению, гребешок в радиальном направлении имеет высоту, изменяющуюся вдоль его окружности, с образованием нескольких частей, выступающих в радиальном направлении.

Таким образом, в данном случае гребешок не образует сплошную пластину, имеющую постоянную высоту, а содержит различные выступающие части, то есть поперечный профиль гребешка имеет не круглый внешний контур, поэтому кроме своей функции уплотнения, он также имеет аспект «режущего инструмента». Таким образом, в случае необходимости, можно обойтись без нанесения абразивного покрытия.

Таким образом, предлагается заменить сплошную пластину постоянного сечения, содержащую сплошное защитное покрытие, нанесенное путем термического напыления, гребешком, образованным сплошной или прерывистой пластиной, содержащей абразивные или режущие элементы, образованные различными выступающими частями, распределенными по различным угловым секторам.

Предпочтительно, чтобы гребешок образовал кольцо с сечением прерывистой формы, содержащее вдоль своей окружности несколько выступающих частей (18; 18'), между которыми имеется промежуток (19; 19') или разрыв в высоте.

Таким образом, непосредственно в объеме гребешка выполняют пилообразные зубья, которые могут легче проникать в истирающийся материал, чем гребешок, выполненный в виде сплошной пластины.

Поставленная задача, согласно изобретению, решена путем создания способа изготовления кольцевого гребешка, предназначенного для лабиринтного уплотнения, на термомеханической детали газотурбинного двигателя, вращающейся вокруг продольной оси.

Предложенный способ изготовления кольцевого гребешка на термомеханической подложке, в частности, для лабиринтного уплотнения, характеризуется тем, что содержит следующие этапы:

а) используют подложку, являющуюся телом вращения вокруг продольной оси и содержащую основание кольцевого гребешка;

б) используют, по меньшей мере, один источник порошкообразного материала и напылительное сопло, соединенное с упомянутым источником и выполненное с возможностью перемещения по отношению к подложке;

в) используют лазерный источник, соединенный с оптической головкой, выполненной с возможностью перемещения по отношению к подложке для фокусировки лазерного пучка на точке поверхности подложки;

г) оптическую головку и сопло регулируют по одной и той же точке поверхности вершины основания гребешка;

д) активируют лазерный источник и источник порошкообразного материала, при этом создают ванну расплава, локализованную на уровне упомянутой точки, в которую напыляют порошкообразный материал, в результате получая локализованное утолщение;

е) оптическую головку и сопло регулируют по другой точке поверхности вершины основания, смежной с упомянутым локализованным утолщением, и возвращаются на этап д), пока нанесение слоя материала не будет завершено для рассматриваемого углового сектора, ограничивающего выступающую часть между двумя промежутками;

ж) каждую выступающую часть гребешка формируют путем последовательного нанесения все более узких слоев в продольном направлении на поверхность вершины основания, при этом каждый слой получают в результате выполнения этапов г) - е).

Из вышеизложенного следует, что согласно изобретению предлагается заменить нанесение абразивного покрытия на предварительно подвергнутую механической обработке поверхность гребешка путем термического напыления полным формированием этого гребешка или, по меньшей мере, формированием части высоты кромки этого гребешка посредством лазерного напыления.

Кроме того, различные выступающие части распределяют по разным угловым секторам, благодаря чему получают поперечный профиль этого гребешка с некруглым внешним контуром, так что кроме свой уплотнительной функции, гребешок имеет также функцию «режущего инструмента».

Лазерное напыление формируют путем создания на детали очень локализованной ванны расплава воздействием лазерного пучка, который можно регулировать очень точно, а затем напыления в этот расплав порошка (металлического и/или керамического), который может быть абразивным. Таким образом, в отличие от термического напыления нет необходимости нагревать порошок, и его траекторию можно не связывать с траекторией лазерного пучка.

Лазерный пучок проходит от источника до мишени по оптическому пути. Оптический путь формируют либо в виде последовательности зеркал, принимающих пучок и отражающих его в другом направлении, и оптических линз, которые заставляют пучок сходиться или расходиться или поддерживают его параллельность, либо в виде оптического волокна.

В обоих случаях оптический путь заканчивается системой линз, называемой «оптической головкой», которая сводит пучок в более или менее удаленной точке. Зоны детали, малодоступные для устройства с горелкой для термического напыления, можно обрабатывать согласно изобретению при помощи устройства лазерного напыления, при условии отсутствия препятствия между оптической головкой и точкой фокусирования лазерного пучка на детали. В случае термического напыления необходимо, чтобы порошок поступал на обрабатываемую поверхность согласно заданному направлению попадания. Дело обстоит совсем по-другому в способе в соответствии с настоящим изобретением, поскольку лазерное напыление требует только создания ванны расплава, а порошок может направляться по самым разным траекториям относительно обрабатываемой поверхности.

Металлический порошок подается устройством дозировки порошка. Он поступает в трубку, конец которой содержит сопло, направляющее порошок на ванну расплава, создаваемую лазерным пучком. Эта трубка может быть гибкой и может направляться жестким кронштейном-держателем или роботом, или любым другим устройством позиционирования, или она может быть жесткой и направленной в сторону обрабатываемой зоны детали.

Можно указать и другие отличия между способами термического напыления и лазерного напыления.

В случае термического напыления сопло подачи горячих газов должно находиться близко от обрабатываемой поверхности, тогда как в случае лазерного напыления оптическая головка может находиться относительно далеко от этой поверхности. В способе термического напыления порошок необходимо нагревать, чтобы он имел общую с горячими газами траекторию, в чем нет необходимости в способе лазерного напыления, в котором траекторию порошка можно не связывать с траекторией лазерного пучка.

Кроме того, в способе термического напыления осуществляют непрерывное нанесение покрытия, тогда как в способе лазерного напыления, учитывая гибкость управления лазерным пучком, напыление можно осуществлять непрерывно или циклично путем простой остановки лазерного пучка.

Кроме того, понятно, что в соответствии с настоящим изобретением можно отказаться от необходимости механической обработки кромки гребешка, которая является очень деликатным местом. Благодаря способу в соответствии с настоящим изобретением, формируют одновременно, слой за слоем, кромку гребешка, а также ее покрытие из другого достаточно абразивного материала.

В этой связи следует отметить, что этот способ позволяет осуществлять формирование гребешка по всей его высоте (в этом случае основание кольцевого гребешка представляет собой просто кольцевой участок наружной поверхности подложки, например, ротора) или формирование гребешка только на части его высоты, образующей его конец или кромку (в этом случае основание кольцевого гребешка имеет кольцевой объем, расположенный на некоторой высоте и полученный в результате предварительной механической обработки).

На этапе д) активацию лазерного источника и источника порошкообразного материала осуществляют последовательно или почти одновременно, чтобы получить локализованную ванну расплава в месте, на которое направляется лазерный пучок, когда порошок, подаваемый в это же место, достигает этой поверхности.

Предпочтительно формировать каждую выступающую часть гребешка, слой за слоем, выполняя в первую очередь новый слой на всей поверхности вершины рассматриваемого углового сектора гребешка перед тем, как продолжить формирование радиально дальше наружу.

Тем не менее, можно предусмотреть и другие методы формирования каждой выступающей части гребешка, среди которых можно указать формирование, слой за слоем, углового сектора, затем формирование другого углового сектора и так далее вплоть до полного формирования всей выступающей части, или при помощи нескольких оптических головок и нескольких сопел - одновременное формирование нескольких угловых секторов гребешка и/или выступающей части гребешка.

Предпочтительно на этапе ж) для каждой выступающей части слои выполняют постепенно уменьшающимися в окружном направлении.

Таким образом, каждая выступающая часть имеет окружной размер, все более уменьшающийся в радиальном направлении наружу, в результате чего получают форму кромки.

Предпочтительно на этапе ж). слои остаются сконцентрированными вокруг угловой зоны, отстоящей от двух промежутков, смежных с выступающей частью, и предназначенной для формирования кромки выступающей части, при этом кромка отстоит от двух окружных концов каждой выступающей части.

В альтернативном варианте во время этапа ж) слоями покрывают один окружной торец выступающей части. В этом случае кромка находится над одним из двух окружных торцов каждой выступающей части, что придает формируемой части форму зуба пилы.

Предпочтительно на этапе е) проходят поверхность вершины основания гребешка в продольном направлении, прежде чем поменять угловой сектор.

В этом случае для каждой выступающей части каждый слой формируют линия за линией, перемещая вдоль этой линии точку установки оптической головки и сопла (или перемещая подложку по отношению к устройству лазерного напыления) параллельно продольному направлению, параллельному оси вращения, прежде чем произвести угловое смещение и начать новую линию, вплоть до завершения выполнения слоя.

Разумеется, можно выбрать и другие траектории перемещения для формирования каждого слоя, например, осуществляя один за другим выполнение неполных кольцевых швов (или угловых участков кольцевых швов), которые будут слегка смещены в продольном направлении относительно друг друга.

Согласно другому предпочтительному варианту во время этапа е) лазерный источник и источник порошкообразного материала остаются активированными.

Таким образом, можно осуществлять непрерывное формирование гребешка путем выполнения последовательных островков материала, либо для полного формирования гребешка, либо циклами, каждый из которых соответствует изготовлению части (например, одного полного слоя гребешка или выступающей части, образующей зуб). Альтернативно или в комбинации с этими различными возможностями можно также, в частности, в наиболее сложно доступных и/или самых тонких зонах на уровне размеров, осуществлять точечное нанесение материала, отключая лазерный источник и источник порошкообразного материала во время этапа е).

Предпочтительно упомянутая подложка является термомеханической деталью газотурбинного двигателя, вращающейся вокруг продольной оси (Х-Х'), в частности, ротором газотурбинного двигателя.

Кроме того, на этапе е) рассматриваемый угловой сектор предпочтительно ограничивает выступающую часть между двумя промежутками. В этом случае каждый рассматриваемый угловой сектор ограничивает отдельную выступающую часть по всей высоте гребешка.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает осевой разрез ротора турбореактивного двигателя с расположением фланца и лабиринтного уплотнения перед главными форсунками, согласно изобретению;

Фиг.2 и 3 - частичный осевой разрез вращающейся термомеханической детали, показывающий изменение поперечного сечения и профиля гребешка во время осуществления способа, согласно изобретению;

Фиг.4 - поперечный разрез вращающейся термомеханической детали, где показана боковая сторона гребешка после его изготовления, согласно изобретению;

Фиг.5 - поперечный разрез варианта выполнения термомеханической детали, согласно изобретению.

Поскольку настоящее изобретение касается уплотнительных гребешков вращающейся термомеханической детали турбореактивного двигателя, в частности, ротора, то далее в описании указывается возможный, но не ограничительный вариант применения этой формы гребешка в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.1 представлен вариант, когда гребешки используют в лабиринтных уплотнениях и устанавливают их напротив элементов из истирающегося материала. Речь идет о вентиляционном контуре турбины высокого давления, находящейся за камерой 106 сгорания.

В частности, на фиг.1 показана турбина 108 с ротором, вращающимся вокруг оси Х-Х'.

Ротор турбины 108 содержит диск 40 турбины, снабженный лопатками 42, и фланец 44, установленный перед диском 40. Диск 40 и фланец 44 содержат, каждый, передний поводок 40а для диска 40 и 44а для фланца 44 и предназначенный для их крепления на заднем конце 46 заднего конуса 48 компрессора высокого давления, приводимого во вращение ротором турбины 108.

Эта конструкция контура охлаждения содержит три последовательных разгрузочных лабиринта.

Первый разгрузочный лабиринт 60 выполнен на входе камеры 52, отделяющей фланец 44 от дна камеры, и на выходе камеры 54, отделяющей задний конус 48 компрессора высокого давления от внутреннего картера 50 камеры 106 сгорания. Первый разгрузочный лабиринт 60 содержит гребешки 48а, выполненные на заднем конусе 48, и венец 50а из истирающегося материала, установленный на конце фланца, неподвижно соединенного с внутренним картером 50.

Второй разгрузочный лабиринт 62 находится под форсунками 64 на выходе камеры 52. Второй разгрузочный лабиринт 62 образован гребешками 44b фланца 44 и венцом 64а из истирающегося материала, установленным на форсунках 64.

Третий разгрузочный лабиринт 66 находится над форсунками 64 и содержит три последовательных гребешка 44с, выполненных на изогнутом участке 44d фланца 44, и уплотнительный венец 68а из истирающегося материала, установленный на внутреннем картере 68.

Согласно изобретению все гребешки или части различных гребешков 48а, 44b и 44с не содержат покрытия, нанесенного путем термического напыления, а сформированы путем лазерного напыления и имеют форму с толщиной, изменяющейся вдоль их окружности, а не форму кольца постоянной толщины.

На фиг.1 показан вариант использования настоящего изобретения в турбине высокого давления. Необходимо понимать, что настоящее изобретение может применяться в других зонах газотурбинного двигателя, в частности, в компрессоре высокого давления, в компрессоре низкого давления или в турбине низкого давления.

На фиг.1 гребешки расположены на подвижном роторе и направлены радиально наружу. Однако настоящее изобретение может вполне применяться и для гребешков, направленных радиально в сторону оси вращения.

Далее в качестве примера следует описание варианта выполнения настоящего изобретения со ссылками на фиг.2-4.

На фиг.4 показана ось Х-Х', вокруг которой в радиальном направлении выполнен гребешок 10, содержащий окружной внутренний контур 10а с осью Х-Х' и окружной внешний контур 10b, вписанный в окружность с осью Х-Х', показанную пунктирной линией. Можно считать, что окружность 10с образует внешний контур кольцевого гребешка, известного из предшествующего уровня техники, то есть имеющего постоянную высоту вдоль своей окружности.

В данном случае, внешний контур 10b имеет форму шести по существу кривых линий 17а, каждая из которых находится на угловом расстоянии 60° и расстояние которой относительно оси Х-Х' постепенно меняется в одном направлении, увеличиваясь по часовой стрелке на фиг.4. Эти шесть кривых линий 17а, продолжающие основание 12, ограничивают вместе с шестью радиальными линиями 17b зубья 18 между промежутками 19, образующими разрыв высоты гребешка 10.

Таким образом, каждая выступающая часть образована зубом 18, который имеет высоту, постепенно изменяющуюся в одном направлении, начиная от одного промежутка 19 до следующего промежутка 19.

Следует отметить, что линии 17b не обязательно параллельны радиусу, а, как правило, соединяют вершину 18а зуба (конец кривой линии 17а) с основанием 12 или с другим концом следующей кривой линии 17а.

Чтобы понять, какую точно форму имеет внешний контур 10b, обратимся к фиг.2 и 3, иллюстрирующим способ изготовления гребешка 10.

В продольном сечении относительно оси Х-Х' внешний профиль гребешка 10 по существу имеет (фиг.3) форму перевернутого V или перевернутого U с ветвями U, имеющими наклон в направлении вершины гребешка, ограниченной внешним контуром 10b.

Таким образом, эта конструкция соответствует такой же форме сечения, как и известный гребешок, то есть с профилем по существу в виде перевернутого U или V. Однако, в данном случае в отличие от известного гребешка гребешок 10 (фиг.4) не является строго кольцевым, то есть с высотой, постоянной по всей его окружности.

Кроме того, как уже было указано ранее, согласно известной технологии гребешок выполняют путем механической обработки непосредственно в подложке для придания ему вышеуказанной формы, затем на этот гребешок наносят покрытие путем термического напыления для повышения сопротивления истиранию.

Согласно настоящему изобретению, наоборот, подложку 20 подвергают механической обработке только для выполнения основания 12, выступающего над верхней поверхностью подложки 20 не более, чем на несколько миллиметров, чтобы начать затем формирование гребешка 10.

После этого для изготовления остальной части гребешка 10, например, его конца или кромки 14, образующей зубья 18 в варианте, показанном на фиг.4, используют оборудование (показано не полностью), позволяющее осуществлять лазерное напыление.

Оборудование содержит следующие компоненты:

систему для захвата подложки 20 и ее перемещения, в частности, при помощи вращения или поступательного движения;

лазерный источник (СО2 или YAG) 30 с системой передачи лазерного пучка 32 путем отражения на зеркалах или при помощи оптического волокна до оптической головки 34;

оптическую головку 34, которая имеет фокусное расстояние, соответствующее расстоянию между ней и предназначенной для нанесения покрытия поверхностью, при этом оптическая головка 34 неподвижно соединена с устройством позиционирования, которое таким образом располагает оптическую головку, чтобы фокус пучка мог сканировать все точки поперечного сечения обрабатываемой поверхности или формируемого объема;

по меньшей мере, один источник 35 первого порошкообразного материала, содержащий питатель и дозатор порошка, а также трубку 36 подачи этого порошка к соплу 38.

В описываемом варианте используют также источник 45 второго порошкообразного материала, соединенный с соплом 38 при помощи соответствующей трубки 46.

Таким образом, предпочтительно применяют первый источник 35 первого порошкообразного материала и второй источник 45 второго порошкообразного материала, при этом первый источник и второй источник соединены с напылительным соплом 38.

В примере, схематично показанном на фиг.2 и 3, оптическая головка 34 и сопло 38 образуют один узел, то есть оптическая головка 34 и напылительное сопло 38 неподвижно соединены друг с другом в одном напылительном узле, положение которого регулируют по отношению к подложке 20.

Однако сопло 38 может быть также расположено отдельно сбоку от лазерного пучка и установлено на устройстве позиционирования, которое заставляет его следовать движениям фокальной точки лазерного пучка.

Формирование кромки 14 (фиг.2) гребешка 10 осуществляют для каждого зуба 18, образующего выступающую часть, слой за слоем вплоть до формирования свободного конца кромки 14, то есть вершины 18а этого зуба, ограничивающей внешний контур 10b.

Формирование гребешка на основании 12 осуществляют либо зуб за зубом, а для каждого зуба - слой за слоем, либо можно формировать одновременно все зубья, выполняя данный слой на всех зубьях 18, а затем переходить к нанесению следующего верхнего слоя материала.

Предпочтительно высота каждого зуба 18, то есть радиальное расстояние между вершиной 18а и основанием 12, находится в пределах от 1 мм до 12 мм.

Для каждого слоя предпочтительно в первую очередь путем плавления второго порошкообразного материала 45 формируют два угловых шва 13а. Каждый угловой шов 13а геометрически образован пересечением между кольцевым швом и угловым сектором. Каждый угловой шов 13а выполняют вдоль двух продольных боковин вершины основания 12 (или ранее сформированного слоя). Затем путем добавления первого порошкообразного материала 35 в локализованную ванну расплава, созданную лазерным пучком, заполняют пространство в виде лотка между этими двумя угловыми швами, что позволяет сформировать зону 15а, которая в конечном счете образует сердцевину 15.

Таким образом, слой за слоем, угловые швы 13а образуют покрытие 13, а зоны 15а образуют сердцевину 15 гребешка 10.

Предпочтительно первый порошкообразный материал 35 выбирают идентичным материалу, образующему подложку, при этом второй порошкообразный материал 45 является более твердым, чем первый материал.

Таким образом, получают покрытие 13, более твердое, чем сердцевина 15.

Предпочтительно во время этапа ж) каждый слой рассматриваемого углового сектора формируют следующим образом:

на поверхности основания 12 гребешка 10 формируют, по меньшей мере, две пары угловых швов 13а из второго порошкообразного материала 45 за счет того, что на предыдущем этапе оптическую головку 34 и сопло 38 слегка смещают в угловом направлении на окружности относительно ранее сформированного локализованного утолщения,

затем зону 15а, расположенную между двумя угловыми швами 13а, заполняют первым порошкообразным материалом 35.

Таким образом, каждый угловой шов 13а выполняют непрерывным лазерным напылением, вращая подложку 20 вокруг продольной оси Х-Х', не перемещая при этом подложку 20 в продольном направлении.

Заполнение лотка между двумя угловыми швами 13а первым порошкообразным материалом 35 можно осуществлять разными способами, например,

либо путем углового смещения с постепенным формированием углового шва, параллельного швам 13а, выполненным из второго материала 45, а затем путем продольного смещения при каждом новом обороте для формирования нового углового шва,

либо путем продольного смещения (стрелка 16 на фиг.2) для заполнения зоны 15а по продольной линии между двумя угловыми швами 13а и путем углового смещения перед формированием новой продольной линии в обратном направлении для заполнения пространства между двумя угловыми швами 13а, формируя последовательные угловые сектора.

На фиг.2 показано завершение формирования нескольких слоев для выполнения части кромки 14 гребешка 10, тогда как на фиг.3 показан последний этап выполнения, во время которого формируют достаточно узкий конечный слой, чтобы соединить между собой два угловых шва 13а.

Таким образом, кольцевой гребешок 10 (фиг.3) образован основанием 12, над которым находится кромка 14, содержащая для каждого зуба 18 сердцевину 15, выполненную из того же материала, что и подложка 20, и покрытие 13, полностью закрывающее сердцевину 15 и выполненное из материала, отличающегося от материала сердцевины 15.

Следует отметить, что настоящее изобретение охватывает также случай, когда в подложке 20 не выполняют основания 12 путем механической обработки, и гребешок 10 выполняют формированием по всей его высоте, как было описано выше, при этом основание 12 в этом случае (на чертеже не показано) сводится к кольцевому участку наружной поверхности подложки 20.

Точно также при помощи того же оборудования можно осуществить формирование кромки 14 гребешка 10, постепенно меняя состав материала, начиная от наружной поверхности, образующей покрытие 13, к сердцевине 13 гребешка 10, путем постепенного изменения пропорции между первым и вторым порошкообразными материалами 35 и 45.

Для этого одновременно активируют первый источник и второй источник 35, 45 порошкообразных материалов, чтобы сопло распыляло смесь двух порошкообразных материалов, следя при этом за пропорциями, чтобы покрытие 13 содержало больше второго порошкообразного материала 45, и чтобы покрытие 13 было более твердым, чем сердцевина 15.

В этом случае (не показан) кольцевой гребешок 10 образован основанием 12, над которым находится кромка 14, состав материала которой постепенно меняется от сердцевины 15 к поверхности 13.

Кроме того, способ в соответствии с настоящим изобретением охватывает также случай, в котором используют только один источник порошкообразного материала для выполнения всей кромки 14 гребешка 10.

Способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет исключить сложную механическую обработку и в случае, когда используют два разных материала для выполнения сердцевины и поверхности, обеспечить нанесение покрытия путем термического напыления, которое невозможно выполнить правильно в некоторых геометрических конфигурациях.

Среди материалов, которые можно применять для сердцевины 15, предпочтительно используют металлический порошок того же состава, что и подложка 20, т.е. титановый сплав или сплав на основе никеля, а для покрытия 13 предпочтительно используют твердые и абразивные материалы. В частности, для покрытия 13 выбирают металлы, обладающие стойкостью к горячему окислению, такие как сплав типа MСrAlY, при этом М является металлом, выбираемым из группы, состоящей из никеля, кобальта, железа или смеси этих металлов, или сплав на основе кобальта, хрома и вольфрама, такой как Stellite (зарегистрированный товарный знак). Кроме того, можно использовать керамические материалы, такие как двуоксид титана (TiO2), глинозем (AlO2), двуоксид циркония (ZrO2) или смесь, полученную на основе одного из этих материалов.

Кроме того, на чертежах представлен кольцевой гребешок, имеющий радиальное направление наружу, однако настоящее изобретение можно также применять для кольцевого гребешка, имеющего радиальное направление внутрь.

В варианте, показанном на фиг.5, гребешок 10' выполнен в радиальном направлении между внутренним окружным контуром 10а и внешним окружным контуром 10b', содержащим окружные угловые участки 10с, чередующиеся с зубьями 18' (в данном случае в количестве трех), выступающими над линией окружности окружных угловых участков 10с на уровне среза 19', за счет чего образуется разрыв в высоте гребешка 10.

Зубья 18' образуют пик между двумя срезами 19', начиная от которых зуб 18' становится все выше в окружном направлении, достигая своей вершины 18а'.

В варианте, показанном на фиг.5, способ изготовления соответствует описанному выше в том, что касается зубьев 18', за исключением формы в окружном направлении.

Что же касается окружных участков 10с, выполненных между зубьями 18', лазерное нанесение осуществляют только с использованием первого материала 35, при этом форма в осевом сечении является одинаковой для радиально внутренней зоны, и только последние слои имеют другую форму.

Предпочтительно высота каждого зуба 18', то есть радиальное расстояние между вершиной 18а' и основанием 12, находится в пределах от 1 мм до 12 мм, а кромка 18а' зуба 18' выступает максимально на 0,2 мм над окружностью, описанной вокруг окружных угловых участков 10с.

Во втором варианте выполнения каждая выступающая часть образована зубом 18, высота которого постепенно увеличивается от промежутка 19' до кромки 18а' и постепенно уменьшается от этой кромки до следующего промежутка 19'.

В указанных двух вариантах выполнения гребешок образует прерывистое кольцо, содержащее вдоль своей окружности несколько выступающих частей (18; 18'), между которыми остается промежуток (19; 19') или разрыв в высоте.

Кроме того, в обоих вариантах выполнения предпочтительно предусматривают, чтобы гребешок 10 или 10' содержал, по меньшей мере, три выступающих части или зуба 18, 18'.

1. Деталь газотурбинного двигателя, вращающаяся вокруг продольной оси, содержащая, по меньшей мере, один кольцевой гребешок (10; 10'), предназначенный для лабиринтного уплотнения и содержащий покрытие из абразивного материала, отличающаяся тем, что гребешок (10; 10') в радиальном направлении имеет высоту, изменяющуюся вдоль его окружности, образуя несколько выступающих частей (18; 18'), высота каждой из которых постепенно увеличивается от промежутка (19') к кромке и постепенно уменьшается от кромки к следующему промежутку (19').

2. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что гребешок (10; 10') содержит, по меньшей мере, три выступающие части (18; 18').

3. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что образует ротор газотурбинного двигателя.

4. Газотурбинный двигатель, содержащий деталь с термомеханической обработкой по любому из пп.1-3.

5. Способ изготовления кольцевого гребешка (10) на подложке (20) детали газотурбинного двигателя, в частности, для лабиринтного уплотнения, характеризующийся тем, что:
а) используют подложку, являющуюся телом вращения вокруг продольной оси и содержащую основание (12) кольцевого гребешка (10; 10),
б) используют, по меньшей мере, один источник (35) порошкообразного материала и напылительное сопло (38), соединенное с источником и выполненное с возможностью перемещения по отношению к подложке (20),
в) используют лазерный источник (30), соединенный с оптической головкой (34), выполненной с возможностью перемещения по отношению к подложке (20) для фокусировки лазерного пучка на точке поверхности подложки (20),
г) направляют оптическую головку (34) и сопло (38) в одну точку поверхности вершины основания (12) гребешка (10; 10'),
д) активируют лазерный источник и источник порошкообразного материала, при этом создают ванну расплава, локализованную на уровне упомянутой точки, в которую напыляют порошкообразный материал, в результате получая локализованное утолщение,
е) затем направляют оптическую головку (34) и сопло (38) последовательно на соседние точки поверхности вершины основания (12), смежной с упомянутым локализованным утолщением, и продолжают этап д) вплоть до завершения нанесения слоя материала для рассматриваемого углового сектора, при этом гребешок (10; 10') содержит несколько угловых секторов, каждый из которых содержит выступающую часть,
ж) формируют каждую выступающую часть гребешка (10; 10') путем последовательного нанесения все более узких слоев в продольном направлении на поверхности вершины основания, при этом каждый слой получают в результате выполнения этапов г)-е).

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что на этапе ж) слои выполняют уменьшающимися в окружном направлении.

7. Способ по любому из пп.5 или 6, отличающийся тем, что на этапе ж) слои выполняют так, что они остаются сконцентрированными вокруг угловой зоны, отстоящей от двух промежутков (19; 19'), смежных с выступающей частью (18; 18'), и предназначенной для формирования кромки выступающей части.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что на этапе ж) все слои выполняют так, что они покрывают один окружной конец выступающей части (18; 18') без перекрытия другого окружного торца выступающей части (18; 18').

9. Способ по любому из пп.5 или 6, отличающийся тем, что на этапе е) слой наносят в продольном направлении гребешка (10; 10').

10. Способ по любому из пп.5 или 6, отличающийся тем, что на этапе б) используют первый источник (35) первого порошкообразного материала и второй источник (45) второго порошкообразного материала, которые соединяют с напылительным соплом (38).

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что первый материал (35) идентичен материалу подложки (20), а второй материал (45) является более твердым, чем первый материал (35).

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что на этапе ж) каждый слой формируют следующим образом:
ж1) на поверхности основания (12) гребешка (10; 10') формируют, по меньшей мере, две пары угловых швов (13а) из второго порошкообразного материала (45) за счет того, что на предыдущем этапе е) оптическую головку (34) и сопло (38) смещают в угловом направлении на окружности относительно ранее сформированного локализованного утолщения, и ж2) зону (15а), расположенную между двумя угловыми швами (13а), заполняют первым порошкообразным материалом (35).

13. Способ по п.10, отличающийся тем, что на этапе д) активируют одновременно первый источник (35) и второй источник (45) порошкообразных материалов таким образом, чтобы через сопло (38) напылять смесь порошкообразных материалов.

14. Способ по любому из пп.5 или 6, отличающийся тем, что оптическую головку (34) и напылительное сопло (38) жестко соединяют друг с другом с образованием одного напылительного узла, положение которого регулируют относительно подложки (20).

15. Способ по любому из пп.5 или 6, отличающийся тем, что подложка (20) представляет собой деталь газотурбинного двигателя, вращающуюся вокруг продольной оси (Х-Х').

16. Способ по любому из пп.5 или 6, отличающийся тем, что на этапе е) угловой сектор ограничивает выступающую часть (18; 18') между двумя промежутками (19; 19').



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для уплотнения турбины от утечки рабочей жидкости. .

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в конструкциях газотурбинных двигателей для уплотнения кольцевых щелей между статором и ротором.

Изобретение относится к области турбо- и двигателестроения и может быть использовано в конструкциях газотурбинных двигателей и паровых турбин для уплотнения радиальных зазоров.

Изобретение относится к области турбо- и двигателестроения и может быть использовано в конструкциях газотурбинных двигателей и паровых турбин для уплотнения радиальных зазоров между вращающимися и неподвижными узлами.

Изобретение относится к лабиринтным уплотнениям турбокомпрессора наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в частности к способам их очистки при техническом обслуживании и восстановительном ремонте.

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, преимущественно дизельных, применительно к форсункам с непосредственным впрыскиванием топлива. .

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнениям зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнениям зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям авиационного и наземного применения. .

Изобретение относится к области турбостроения. .

Изобретение относится к двухступенчатым турбинам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения. .

Изобретение относится к лабиринтным уплотнениям для газотурбинных двигателей. .

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано в процессе создания, модернизации и ремонте конструкции уплотнений турбомашин. .

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к турбостроению. .
Наверх