Патент на изобретение №2276635

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОТОРОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам изготовления роторов, а именно к креплению лопаток к дискам рабочих колес роторов. Диск (1) рабочего колеса устанавливают на ось (4) приспособления (3) и фиксируют в строго заданном положении относительно неподвижных упоров (5) с помощью фиксатора (6). Лопатки (2) размещают радиально по окружности диска (1) относительно неподвижных упоров (5) и фиксируют посредством подвижных упоров (7). В промежутках между лопатками в месте стыка торцов (8) лопаток (2) и торцевых участков (9) диска (1) устанавливают технологические вставки (10) из того же материала, что и свариваемые элементы, с образованием непрерывной металлической основы для ведения процесса сварки. Сварку осуществляют последовательно всех лопаток по круговой траектории, совпадающей со свариваемыми стыками лопаток и диска с проплавлением свариваемых деталей на полное сечение в нижнем положении. По окончании сварки технологические вставки удаляют. Это позволит упростить технологию и снизить трудоемкость изготовления ротора при сохранении прочности сварного соединения и точности геометрических размеров ротора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способам изготовления роторов конструкции «блиск», а именно крепления лопаток к дискам рабочих колес роторов, и может быть использовано в турбостроении, а также в машиностроении, авиастроении, судостроении и других областях промышленности.

Известны различные способы изготовления роторов, при которых крепление лопаток к дискам рабочих колес осуществляется с помощью замковых соединений, соединений типа “ласточкин хвост”, на заклепках и т.п. Наиболее эффективными из них являются способы крепления без замкового соединения, например, пайкой или сваркой, получившие название – конструкции «блиск» и позволяющие уменьшить массу рабочего колеса, а ресурс работы увеличить. Однако крепление лопаток к дискам колес сваркой связано рядом сложностей из-за переменного сечения лопаток, небольшой протяженности сварного шва, значительного количества лопаток, стесненных условий для проведения сварки. Это требует применения дополнительных технических решений, значительно усложняющих технологию сварки: необходимость применения сложного специального сварочного оборудования, выполнения дополнительных операций по установке и удалению выводных планок в начале и конце каждого сварного шва, механической обработки и полировки галтельных частей дисков и рабочих поверхностей лопаток в местах сварки.

Известен способ изготовления ротора конструкции «блиск», включающий установку лопаток замковой частью в паз диска с регламентированным сборочным зазором и соединение диска с лопатками путем высокотемпературной пайки (патент RU №2196672 С1, кл. В 23 Р 15/02, кл. В 23 К 1/02, опубл. 20.01.2003 г.).

Однако наличие замкового соединения приводит к возникновению неточностей геометрических размеров сопрягаемых деталей в связи с отклонениями, возникающими при их изготовлении. Выполнение замковой части на каждой лопатке, пазов на диске, а также обеспечения регламентированного сборочного зазора не более 0,06 мм повышает трудоемкость и сложность изготовления рабочего колеса, в результате чего производительность изготовления ротора в целом снижается. Наличие замкового соединения существенно повышает металлоемкость и массу рабочего колеса ротора из-за необходимости использования дополнительного объема металла для его изготовления и обеспечения прочности паяного соединения. Прочностные характеристики паяных соединений ниже сварных соединений и эксплуатируются такие соединения при пониженных температурах из-за того, что температура плавления припоя всегда ниже температуры плавления сварных соединений, что не позволяет использовать их для изготовления высокотемпературного турбинного колеса, что снижает параметры и режимы их эксплуатации.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления роторов, при котором соединение лопаток с диском осуществляют дуговой сваркой, причем лопатки и диск рабочего колеса предварительно перед сваркой фиксируют в зажимном приспособлении (патент RU №1533138 А1, кл. В 23 К 9/16, опубл. 27.02.1995 г.).

Недостатком известного способа является низкая производительность изготовления ротора, заключающаяся в сложности его изготовления за счет необходимости применения дополнительных операций перед сваркой лопаток с диском. Наличие дополнительных операций по изготовлению роторов связано с предварительным размещением комплекта лопаток в зажимном приспособлении для проточки кольцевой разделки под наплавку на комлях лопаток, наплавкой слоя металла на всей поверхности торцовой части комлей лопаток с обязательным утолщением слоя металла в средней части комлей и последующей механической обработкой после освобождения лопаток из зажимного приспособления, что повышает трудоемкость изготовления ротора, в результате чего производительность изготовления ротора снижается. Наличие дополнительных операций приводит к появлению неточностей геометрических размеров сопрягаемых деталей и возникновению погрешности при изготовлении ротора в целом. Кроме того, наличие комлевых частей лопаток и соответствующих ответных частей на диске, а также наплавок на торцах комлей увеличивают металлоемкость и массу рабочего колеса ротора.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа, обеспечивающего повышение производительности изготовления ротора типа «блиск» за счет упрощения технологии и снижения трудоемкости его изготовления, снижение металлоемкости ротора при сохранении прочности сварного соединения и точности его геометрических размеров.

Для решения поставленной задачи предложен способ изготовления роторов, при котором соединение лопаток с диском рабочего колеса осуществляют сваркой, согласно изобретению предварительно лопатки с диском фиксируют посредством технологических вставок из материала свариваемых деталей, установленных в межлопаточном пространстве в местах приварки лопаток с диском с образованием сплошной металлической основы для непрерывного ведения процесса сварки, при этом сварку осуществляют последовательно всех лопаток по круговой траектории, совпадающей со свариваемыми стыками лопатки и диска с проплавлением свариваемых деталей на полное сечение в нижнем положении, с последующим удалением технологических вставок. Кроме того, нижнюю часть технологических вставок утолщают для вывода корневой части шва из зоны соединения диска с лопаткой, а соединение лопаток с диском осуществляют электронно-лучевым методом.

Размещение технологических вставок из материала свариваемых деталей, установленных в межлопаточном пространстве в местах приварки лопаток с диском, позволяет создать сплошную металлическую основу для непрерывного ведения процесса сварки без изменения параметров сварки при переходе от одного соединения к другому (лопатка 2 – диск 1), что обеспечивает получение сварного шва идентичного состава и прочность сварного соединения. Кроме того, технологические вставки обеспечивают надежную фиксацию лопаток в заданном положении относительно диска в процессе сварки, а также обеспечивает удержание расплавляемого при сварке металла диска и лопаток от вытекания, что позволяет сохранить неизменными параметры лопаток и диска в процессе сварки и обеспечить точность геометрических размеров соединения.

Осуществление сварки последовательно всех лопаток по круговой траектории, совпадающей со свариваемыми стыками лопаток и диска, позволяет повысить производительности изготовления ротора типа «блиск» за счет упрощения технологии и снижения трудоемкости его изготовления.

Выполнение нижней части технологических вставок утолщенной обеспечивает вывод корневой части шва из зоны соединения лопатки с диском, в которой наиболее вероятно образование дефектов, что повышает качество сварного соединения и прочность конструкции ротора.

Соединение лопаток с диском электронно-лучевым методом обеспечивает приварку последовательно всех лопаток к диску за один оборот диска с проплавлением свариваемых деталей на полное сечение, что значительно снижает трудоемкость изготовления ротора и повышает производительность процесса сварки. Проплавление посредством электронно-лучевой сварки достаточно стабильное по глубине и прочность сварного соединения не уступает прочности основного материала диска и лопаток.

На фиг.1 приведена схема сборки диска рабочего колеса с лопатками;

на фиг.2 – разрез А-А на фиг.1, показано расположение лопатки и диска в сборочном приспособлении и сварной шов в технологической вставке;

на фиг.3 – части диска с лопаткой и выполненный шов в утолщенной технологической вставке.

Сборка диска 1 (фиг.1) с лопатками 2 производится в приспособлении 3 (фиг.2), обеспечивающем точное позиционирование и удержание в заданном положении элементов соединения. Диск 1 и лопатки 2 выполнены с минимальными припусками под сборку и сварку. Диск 1 рабочего колеса устанавливают на ось 4 приспособления 3 и фиксируют в строго заданном положении относительно неподвижных упоров 5 с помощью фиксатора 6. Лопатки 2 размещают радиально по окружности диска 1 относительно неподвижных упоров 5 и фиксируют их посредством подвижных упоров 7 таким образом, что торцы 8 лопаток 2 совмещаются с ответными (сопрягаемыми) участками 9 диска 1. В промежутках между лопатками в месте стыка торцов 8 лопаток 2 и торцевых участков 9 диска 1 устанавливают технологические вставки 10 из того же материала, что и свариваемые элементы. Вставки 10 служат для фиксации лопаток относительно диска и создания непрерывного и замкнутого объема металла, позволяющего обеспечить сварку всех стыков непрерывно за одну установку при повороте диска 1 на один оборот. Для обеспечения вывода корневой части шва 11 (фиг.3) технологическая вставка 10 утолщается (12). Сварку лопаток 2 с диском 1 осуществляют электронно-лучевым способом на полное сечение в нижнем положении в месте стыка торцов 8 лопаток 2 и торцевых участков 9 диска 1 непрерывно и последовательно всех лопаток 2 по окружности диска 1 по направлению, совпадающему с осью сварного шва 11, указанному стрелкой «Б» (фиг.1). В процессе сварки происходит сваривание лопаток 2 с диском 1 и технологическими вставками 10 по траектории движения электронного луча. После сварки диск 1 с приваренными к нему лопатками 2 и технологическими вставками 10 вынимают из приспособления 3, производят неразрушающий контроль (визуальный, радиографический) и удаляют технологические вставки 10. После этого производят окончательную механическую обработку и зачистку сварных соединений.

Для практического осуществления изобретения в производственных условиях была произведена сварка лопаток с диском колеса ротора, изготовленных из титанового сплава ВТ-6. Для этого диск 1 с предварительно обработанными торцевыми участками 9 установили в приспособление 3 на ось 4 и зафиксировали фиксатором 6, выполненным в виде шпоночного соединения. В промежутках между торцовыми участками диска 1 установили технологические вставки из того же материала (титановый сплав ВТ-6). Затем каждую лопатку 2 с подготовленной контактной поверхностью под сборку и сварку без разделки установили к неподвижному упору 5 приспособления 3, и состыковали их торцы 8 с торцевыми участками 9 диска 1 с зазором между ними 0^+0,1 мм, и зафиксировали лопатки 2 неподвижно с помощью подвижных упоров 7. Затем приспособление 3 с собранным изделием горизонтально установили на стол вращателя установки для электронно-лучевой сварки в вакуумную камеру. Элекронно-лучевую пушку расположили над местом стыка 8 лопаток 2 с диском 1. После откачки и наведения луча на стык приспособление 3 вместе с (изделием) диском в сборе проворачивали на некоторый угол. Сварку начинали на технологической вставке 10. Стол вращателя начал вращаться со скоростью сварки вместе с приспособлением и изделием. Режимы сварки выбрали следующие: ток – 180 мА, ускоряющее напряжение – 55 кВ, скорость сварки – 12 м/час, вакуум в зоне сварки 10^-4 мм рт. ст. Энергия электронного луча производила поочередное сваривание лопаток 2 с диском 1 и расплавление технологических вставок 10 по мере вращения приспособления 3. После окончания сварки диск с приваренными к нему лопатками извлекли из приспособления. Места сварки зачистили. Качество сварных соединений проверили визуальным, измерительным и радиографическим контролем. После этого срезали технологические вставки 10. Отклонений от требуемых параметров не обнаружено.

Таким образом, предлагаемая технология изготовления ротора обеспечивает создание надежного неразъемного соединения лопаток с диском, что позволяет реализовать основные преимущества конструкции роторов «блиск», а именно возможность снижения массогабаритных характеристик ротора и обеспечить экономию дорогостоящего металла.

Формула изобретения

1. Способ изготовления роторов, при котором соединение лопаток с диском рабочего колеса осуществляют сваркой, отличающийся тем, что предварительно лопатки с диском фиксируют посредством технологических вставок, выполненных из материала свариваемых деталей, установленных в межлопаточном пространстве в местах приварки лопаток с диском с образованием непрерывной металлической основы для ведения процесса сварки, при этом сварку осуществляют последовательно всех лопаток по круговой траектории, совпадающей со свариваемыми стыками лопаток и диска с проплавлением свариваемых деталей на полное сечение в нижнем положении, с последующим удалением технологических вставок.

2. Способ изготовления роторов по п.1, отличающийся тем, что нижнюю часть технологических вставок утолщают для вывода корневой части шва из зоны соединения лопаток с диском.

3. Способ изготовления роторов по п.1, отличающийся тем, что соединение лопаток с диском осуществляют электронно-лучевым методом.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 26.11.2009

Извещение опубликовано: 10.09.2010 БИ: 25/2010

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 27.09.2010

Извещение опубликовано: 27.09.2010 БИ: 27/2010