RU182168U1

RU182168U1 - Axial Turbomachine Disc

Info

Publication number: RU182168U1
Application number: RU2018109331U
Authority: RU
Inventors: Любовь Александровна Магеррамова
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2018-08-06

Abstract

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к осевым турбомашинам, в частности к конструкциям дисков для высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей. Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, заключается в изготовлении прочного полого диска турбомашины методом трехмерной печати. Технический результат, достигаемый при реализации настоящей полезной модели - обеспечение требуемой шероховатости поверхности полости диска турбомашины. Технический результат достигается за счет того, что диск турбомашины, выполненный в качестве единой детали методом трехмерной печати, содержит ступицу и полотно, включающее две стенки, образующие полость, кольцевой элемент, состоящий по меньшей мере из двух частей, и обод из материала, идентичного материалу полотна, при этом на торцевой поверхности стенок полотна выполнены углубления, а кольцевой элемент снабжен ответными выступами, посредством которых последний зафиксирован в углублениях стенок полотна, а обод сформирован поверх кольцевого элемента. 4 ил.

The utility model relates to the field of engine building, namely to axial turbomachines, in particular to disk designs for high-temperature turbines of gas turbine engines. The technical problem that the utility model addresses is the manufacture of a durable hollow disk of a turbomachine using three-dimensional printing. The technical result achieved by the implementation of this utility model is the provision of the required surface roughness of the cavity of a turbomachine disk. The technical result is achieved due to the fact that the disk of the turbomachine, made as a single part by the method of three-dimensional printing, contains a hub and a web comprising two walls forming a cavity, an annular element consisting of at least two parts, and a rim of a material identical to the material the web, while on the end surface of the walls of the web recesses are made, and the annular element is provided with mating protrusions, by means of which the latter is fixed in the recesses of the web walls, and the rim is formed over the rings th element. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к осевым турбомашинам, в частности к конструкциям дисков для высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей.The utility model relates to the field of engine building, namely to axial turbomachines, in particular to disk designs for high-temperature turbines of gas turbine engines.

Известен диск осевой турбомашины (US 3982852, 1976), выполненный в качестве единой детали, содержащий ступицу и полотно, причем в зоне ступицы выполнена полость. Недостатком известного технического решения является наличие в конструкции диска большого количества концентраторов напряжения, что ограничивает его срок службы.Known disk axial turbomachine (US 3982852, 1976), made as a single part, containing the hub and the canvas, and in the hub zone a cavity is made. A disadvantage of the known technical solution is the presence in the disk design of a large number of voltage concentrators, which limits its service life.

Известен диск осевой турбомашины (US 9114488, 2015), изготовленный методом горячего изостатического прессования (ГИП), содержащий полотно, включающее две стенки, образующие открытую полость. Недостатком указанного технического решения 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.Known disk axial turbomachine (US 9114488, 2015), made by the method of hot isostatic pressing (GUI), containing a canvas that includes two walls forming an open cavity. The disadvantage of this technical solution is that the disk has an open cavity with a narrow entrance, restricting access to the massive forming solid element of the snap, placed inside the disk. When manufacturing a disk using the GUI method, it is almost impossible to remove this element.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является диск турбомашины (US 2014169971, 2014), выполненный в качестве единой детали методом трехмерной печати, содержащий ступицу и полотно, включающее две стенки, образующие полость. Недостатком известного технического решения 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. Детали, изготовленные методом трехмерной печати, подвергают механической обработке, в частности для уменьшения шероховатости поверхностей. Однако механическая обработка закрытой полости в изготовленном методом трехмерной печати целом диске невозможна.The closest analogue to the claimed technical solution is a turbomachine disk (US 2014169971, 2014), made as a single part by the method of three-dimensional printing, containing a hub and a sheet including two walls forming a cavity. A disadvantage of the known technical solution is that in the manufacture of a disk by three-dimensional printing, the formed surfaces of its parts have an increased roughness, which can lead to a concentration of stresses in the parts and, as a result, to cracking. Parts manufactured by three-dimensional printing are machined, in particular to reduce surface roughness. However, the mechanical treatment of a closed cavity in a whole disk made by three-dimensional printing is not possible.

Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, заключается в изготовлении прочного полого диска турбомашины методом трехмерной печати.The technical problem that the utility model addresses is the manufacture of a durable hollow disk of a turbomachine using three-dimensional printing.

Технический результат, достигаемый при реализации настоящей полезной модели, заключается в обеспечении требуемой шероховатости поверхности полости диска турбомашины.The technical result achieved by the implementation of this utility model is to provide the required surface roughness of the cavity of the turbomachine disk.

Технический результат достигается за счет того, что диск турбомашины, выполненный в качестве единой детали методом трехмерной печати, содержит ступицу и полотно, включающее две стенки, образующие полость, кольцевой элемент, состоящий по меньшей мере из двух частей, и обод из материала, идентичного материалу полотна, при этом на торцевой поверхности стенок полотна выполнены углубления, а кольцевой элемент снабжен ответными выступами, посредством которых последний зафиксирован в углублениях стенок полотна, а обод сформирован поверх кольцевого элемента.The technical result is achieved due to the fact that the disk of the turbomachine, made as a single part by three-dimensional printing, contains a hub and a web including two walls forming a cavity, an annular element consisting of at least two parts, and a rim of a material identical to the material the web, while on the end surface of the walls of the web recesses are made, and the annular element is provided with mating protrusions, by means of which the latter is fixed in the recesses of the web walls, and the rim is formed over the rings th element.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как:These essential features provide a solution to the technical problem posed with the achievement of the claimed technical result, since:

- выполнение методом трехмерной печати ступицы и полотна, включающего две стенки, образующие полость, и кольцевого элемента, состоящего по меньшей мере из двух частей, а на торцевой поверхности стенок полотна - углублений, снабжение кольцевого элемента ответными выступами, посредством которых последний зафиксирован в углублениях стенок полотна, позволяет механически обработать до требуемой шероховатости внутренние поверхности стенок полотна, кольцевого элемента и ступицы;- performing by the method of three-dimensional printing a hub and a web including two walls forming a cavity and an annular element consisting of at least two parts, and on the end surface of the web walls - recesses, supplying the annular element with mating protrusions, by means of which the latter is fixed in the recesses of the walls web, allows you to mechanically process to the required roughness the inner surface of the walls of the web, the annular element and the hub;

- выполнение диска в качестве единой детали, содержащего обод из материала, идентичного материалу полотна, и сформированного поверх кольцевого элемента, позволяет образовать закрытую полость диска из обработанных поверхностей стенок полотна, кольцевого элемента и ступицы, что обеспечивает уменьшение поверхностных напряжений в закрытой полости и увеличение прочности диска.- the implementation of the disk as a single part containing the rim of a material identical to the material of the canvas and formed over the annular element, allows you to form a closed cavity of the disk from the processed surfaces of the walls of the canvas, the annular element and the hub, which reduces surface stresses in the closed cavity and increase strength drive.

Настоящая полезная модель поясняется следующим подробным описанием конструкции диска осевой турбомашины со ссылкой на фигуры 1-4, гдеThe present utility model is illustrated by the following detailed description of the design of an axial turbomachine disk with reference to FIGS. 1-4, where

на фиг. 1 приведена общая схема диска осевой турбомашины;in FIG. 1 shows a general diagram of an axial turbomachine disk;

на фиг. 2 представлена схема соединений элементов диска (вид А на фиг. 1);in FIG. 2 shows a connection diagram of disk elements (view A in FIG. 1);

на фиг. 3 представлена схема выполнения кольцевого элемента;in FIG. 3 shows a diagram of an annular element;

на фиг. 4 представлена модель диска.in FIG. 4 shows a disk model.

Диск 1 осевой турбомашины, показанный на фиг. 1, выполнен в качестве единой детали методом трехмерной печати и содержит обод 2, ступицу 3, полотно 4 и кольцевой элемент 5. Полотно 4 включает две стенки, образующие полость 6.The axial turbomachine disk 1 shown in FIG. 1, is made as a single part by the method of three-dimensional printing and contains a rim 2, a hub 3, a web 4 and an annular element 5. The web 4 includes two walls forming a cavity 6.

Схема соединений обода, полотна и кольцевого элемента диска представлена на фиг. 2. На торцевой поверхности стенок полотна 4 согласно настоящей полезной модели выполнены углубления 7, кольцевой элемент 5 снабжен ответными выступами 8, посредством которых последний зафиксирован в углублениях 7 стенок полотна 4, а обод 2 сформирован поверх кольцевого элемента 5. Такое выполнение стенок полотна 4 и кольцевого элемента 5 позволяет получить закрытую полость 6, образованную внутренними поверхностями стенок полотна 4, кольцевого элемента 5 и ступицы 3.The connection diagram of the rim, web and annular disk element is shown in FIG. 2. On the end surface of the walls of the web 4 according to the present utility model, recesses 7 are made, the annular element 5 is provided with mating protrusions 8, by means of which the latter is fixed in the recesses 7 of the walls of the web 4, and the rim 2 is formed over the annular element 5. This embodiment of the walls of the web 4 and the annular element 5 allows you to get a closed cavity 6 formed by the inner surfaces of the walls of the canvas 4, the annular element 5 and the hub 3.

Кольцевой элемент 5, представленный на фиг. 3, состоит по меньшей мере из двух частей 9, 10, в частном случае идентичных друг другу, что необходимо для его соединения с полотном 4.The annular element 5 shown in FIG. 3, consists of at least two parts 9, 10, in the particular case identical to each other, which is necessary for its connection with the canvas 4.

Обод 2 выполнен из материала, идентичного материалу полотна 4. В частном случае, в качестве материала обода 2, ступицы 3 и полотна 4 может быть использован жаропрочный порошковый никелевый сплав ЭИ698П или любой другой известный порошковый сплав, пригодный для трехмерной печати.The rim 2 is made of a material identical to the material of the web 4. In the particular case, the material of the rim 2, the hub 3 and the web 4 can be used heat-resistant powder nickel alloy EI698P or any other known powder alloy suitable for three-dimensional printing.

В ступице 3 выполнено центральное отверстие 11 для вала турбины (см. фиг. 1).In the hub 3, a central hole 11 is made for the turbine shaft (see Fig. 1).

Диск 1 осевой турбомашины может быть изготовлен следующим образом.The disk 1 of the axial turbomachine can be made as follows.

На первом этапе посредством трехмерной печати на вращающейся цилиндрической подложке последовательно выполняют ступицу 3 и полотно 4, параллельно с этим отдельно изготавливают кольцевой элемент 5. В качестве метода трехмерной печати может быть использована известная из уровня техники технология печати металлических изделий, например, технология прямой лазерной наплавки металла DMT (Direct Metal Tooling). При этом в качестве установки для трехмерной печати может быть использована система лазерной наплавки МХ-450(600) (INSSTEK, INC.), а в качестве цилиндрической подложки - оснастка системы в виде вала или трубы.At the first stage, by three-dimensional printing on a rotating cylindrical substrate, a hub 3 and a web 4 are sequentially made, in parallel with this, an annular element 5 is separately manufactured. As a method of three-dimensional printing, the printing technology of metal products known from the prior art, for example, direct laser surfacing technology, can be used metal DMT (Direct Metal Tooling). In this case, the MX-450 (600) laser cladding system (INSSTEK, INC.) Can be used as an installation for three-dimensional printing, and the system can be used as a cylindrical substrate in the form of a shaft or pipe.

На втором этапе внутренние поверхности ступицы 3, полотна 4 и кольцевого элемента 5 механически обрабатывают, например, на станке с числовым программным управлением, до достижения требуемой шероховатости их поверхностей. Данный этап может содержать несколько операций, необходимых для получения требуемой шероховатости поверхности, в частности шлифование и полирование.At the second stage, the inner surfaces of the hub 3, the web 4 and the annular element 5 are machined, for example, on a machine with numerical control, until the required roughness of their surfaces is achieved. This stage may contain several operations necessary to obtain the required surface roughness, in particular grinding and polishing.

На третьем этапе осуществляется сборка частей 9, 10 кольцевого элемента 5 и ступицы 3 с полотном 4, для чего части 9, 10 кольцевого элемента фиксируют в углублениях 7 стенок полотна 4, например посредством соединения с натягом. Далее методом трехмерной печати формируют обод 2 по окружности внешней поверхности кольцевого элемента 5 и торцевой поверхности стенок полотна 4.At the third stage, the parts 9, 10 of the annular element 5 and the hub 3 are assembled with the web 4, for which the parts 9, 10 of the annular element are fixed in the recesses 7 of the walls of the web 4, for example by connecting with an interference fit. Next, the method of three-dimensional printing form the rim 2 around the circumference of the outer surface of the annular element 5 and the end surface of the walls of the canvas 4.

На четвертом этапе удаляют цилиндрическую подложку посредством механической обработки. В частном случае, после удаления цилиндрической подложки, наружные поверхности диска 1 подвергают механической обработке с целью придания им окончательной формы и требуемой шероховатости.In a fourth step, the cylindrical substrate is removed by machining. In the particular case, after removing the cylindrical substrate, the outer surfaces of the disk 1 are subjected to mechanical processing in order to give them the final shape and the required roughness.

В качестве примера, был изготовлен диск турбины высокого давления диаметром примерно 230 мм, толщиной по ступице примерно 70 мм (см. фиг. 4) с внутренней полостью и с шероховатостью Ra поверхности до обработки более 10 мкм. В качестве метода механической обработки диска было использовано механическое и электрохимическое полирование. После обработки шероховатость Ra внешних и внутренних поверхностей диска составила 1,6 мкм, что подтверждает возможность достижения заявленного технического результата - обеспечение требуемой шероховатости поверхности полости диска турбомашины.As an example, a high-pressure turbine disk with a diameter of about 230 mm, a hub thickness of about 70 mm (see FIG. 4) with an internal cavity and a surface roughness Ra before processing of more than 10 μm was manufactured. As a method of machining a disk, mechanical and electrochemical polishing was used. After processing, the roughness Ra of the external and internal surfaces of the disk was 1.6 μm, which confirms the possibility of achieving the claimed technical result - providing the required surface roughness of the cavity of the disk of the turbomachine.

В качестве дополнительного технического результата в случае применения изготовленного диска в конструкции турбины газотурбинного двигателя достигается повышение полезной нагрузки двигателя, поскольку наличие полости обеспечивает уменьшение массы диска.As an additional technical result in the case of using the manufactured disk in the design of a turbine of a gas turbine engine, an increase in the engine payload is achieved, since the presence of a cavity provides a decrease in the mass of the disk.

Claims

A turbomachine disk, made as a single part by three-dimensional printing, containing a hub and a web including two walls forming a cavity, characterized in that the disk contains an annular element consisting of at least two parts, and a rim of a material identical to the material of the web, at the same time, recesses are made on the end surface of the web walls, and the annular element is provided with mating protrusions, by means of which the latter is fixed in the grooves of the web walls, and the rim is formed over the annular element .