RU2596895C1

RU2596895C1 - Drum of turbine machine rotor

Info

Publication number: RU2596895C1
Application number: RU2015120914/06A
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Букреев; Василий Юрьевич Критский; Галина Михайловна Люлька
Original assignee: Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО"
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2016-09-10

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to turbine machine rotors, used in aviation. Drum of turbine machine rotor comprises housing in form of hollow cylindrical body of rotation around longitudinal axis, and made therein one or more rim with means for attachment of blade tails, located on outer surface in equal intervals in transverse direction, housing has metal matrix composite with crosswise arrangement of reinforcing fibres, means for attachment of blade tails are made in form of root element for welding in form of blade profile, and metal matrix composite is formed over entire outer surface in layer with thickness not exceeding height of root element. Metal matrix composite is formed from one part of wound fibres of SiC, at least at one angle, and other part of "felted" fibres of SiC, enclosed into matrix of titanium alloy with their subsequent fusion.

EFFECT: invention provides decreased weight, higher reliability, more strong drum rim part, as well as better manufacture process.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к роторам турбомашин, используемых в авиации, в частности к конструкции барабана, образующего ротор компрессора осевого типа, в котором используется один барабан для установки нескольких венцов лопаток различных ступеней.The invention relates to rotors of turbomachines used in aviation, in particular to the design of a drum forming an axial-type compressor rotor, in which one drum is used to install several crowns of blades of various stages.

Наиболее близким по конструкции и достигаемому результату является барабан ротора турбомашины, содержащий корпус в форме полого цилиндрического тела вращения вокруг продольной оси и выполненный в нем один и более венец со средствами для крепления хвостовиков лопаток, расположенных по наружной поверхности через равные промежутки в поперечном направлении.The closest in design and the achieved result is a turbomachine rotor drum containing a body in the form of a hollow cylindrical body of revolution around the longitudinal axis and one or more crowns made in it with means for attaching the shanks of the blades located on the outer surface at equal intervals in the transverse direction.

/RU №2314437, МПК F04D 29/28. Опубликовано: 10.01.2008// RU No. 2314437, IPC F04D 29/28. Published: January 10, 2008 /

Недостатком конструкции, барабана является большой вес материала барабана, высокая стоимость изготовления конструкции из-за наличия большого количества операций при обработке лопаток в составе ротора, недостаточную технологичность конструкции, обусловленную необходимостью изготовления каждого рабочего колеса из цельной металлической заготовки с крайне низким коэффициентом использования материала, наличие большого количества разнообразных операций по обработке лопаток в составе рабочего колеса, недостаточную ремонтопригодность конструкции, обусловленную невозможностью замены лопаток в рабочем колесе при их повреждении.The disadvantage of the design of the drum is the large weight of the material of the drum, the high cost of manufacturing the structure due to the large number of operations when processing the blades in the rotor, the lack of manufacturability of the design, due to the need to manufacture each impeller from a solid metal billet with an extremely low utilization of the material, the availability a large number of various operations for the processing of blades in the composition of the impeller, insufficient maintainability design due to the inability to replace the blades in the impeller when they are damaged.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании барабана, позволяющего устранить описанные выше недостатки.The problem to which the present invention is directed, is to create a drum that eliminates the above disadvantages.

Ожидаемый технический результат - снижение массы, повышение технологичности изготовления конструкции, повышение надежности, повышение прочности ободной части барабана, повышение ремонтопригодности.The expected technical result is a decrease in mass, an increase in the manufacturability of the structure, an increase in reliability, an increase in the strength of the rim of the drum, and an increase in maintainability.

Ожидаемый технический результат достигается тем, что в известном барабане ротора турбомашины, содержащем корпус в форме полого цилиндрического тела вращения вокруг продольной оси и выполненный в нем один и более венец со средствами для крепления хвостовиков лопаток, расположенных по наружной поверхности через равные промежутки в поперечном направлении, по предложению корпус содержит металломатричный композит с перекрестной укладкой армирующих волокон, средства для крепления хвостовиков лопатки выполнены в виде корневого элемента под сварку по форме профиля лопатки, а металломатричный композит сформирован по всей наружной поверхности тела вращения слоем толщиной, не превышающей высоту корневого элемента. Металломатричный композит может быть сформирован из одной части намотанных, по меньшей мере, под одним углом и другой части, из «свалянных» волокон из SiC, заключенных в матрицу из титанового сплава с их последующим сплавлением.The expected technical result is achieved in that in a known rotor drum of a turbomachine, comprising a body in the form of a hollow cylindrical body of revolution around the longitudinal axis and one or more crowns made therein with means for attaching the shanks of the blades located on the outer surface at regular intervals in the transverse direction, on the proposal, the casing contains a metal matrix composite with cross-laying of reinforcing fibers, the means for attaching the shanks of the blade are made in the form of a root element Welding is carried out according to the shape of the blade profile, and a metal-matrix composite is formed along the entire outer surface of the body of revolution with a layer not thicker than the height of the root element. The metal-matrix composite can be formed from one part wound at least at one angle and another part, from “knitted” SiC fibers, enclosed in a matrix of titanium alloy with their subsequent fusion.

Согласно изобретению барабан в качестве композитного материала содержит металломатричный композит с перекрестной укладкой армирующих волокон. В сущности, настоящее изобретение предлагает использование композитного материала, содержащего волокна и матрицу, для изготовления элемента жесткости, способного выдерживать механические и термические напряжения, воспринимающего нагрузки от центробежных сил, действующих на барабан, а также нагрузки, создаваемые воздействием центробежных сил на лопатки. Используемые волокна предпочтительно являются длинными наматываемыми волокнами, которые придают композитному элементу высокую механическую прочность, в особенности жесткость. Предпочтительно использование карбидкремниевых волокон. Однако возможно также использование волокон из других материалов, таких как бор, в виде карбида бора или карбонитрида бора, карбида титана, карбонитрида титана и оксида алюминия. Данные материалы значительно более легкие, что приводит к существенному снижению массы конструкции.According to the invention, the drum as a composite material contains a metal matrix composite with cross-laying of reinforcing fibers. In fact, the present invention proposes the use of a composite material containing fibers and a matrix for the manufacture of a stiffener capable of withstanding mechanical and thermal stresses, absorbing loads from centrifugal forces acting on the drum, as well as loads created by the action of centrifugal forces on the blades. The fibers used are preferably long wound fibers which give the composite element high mechanical strength, in particular rigidity. The use of silicon carbide fibers is preferred. However, it is also possible to use fibers from other materials, such as boron, in the form of boron carbide or boron carbonitride, titanium carbide, titanium carbonitride and alumina. These materials are much lighter, which leads to a significant reduction in the mass of the structure.

Другой особенностью изобретения является то, что средства для крепления хвостовика лопатки на барабане выполнены в виде корневого элемента под сварку по форме профиля лопатки, что позволяет уменьшить необходимые размеры ступиц «дисков» (вплоть до вырождения ступиц), что обусловлено меньшей нагрузкой на барабан от центробежных сил за счет снижения массы и повышения прочности его ободной части.Another feature of the invention is that the means for fastening the shank of the blade on the drum are made in the form of a root element for welding according to the shape of the profile of the blade, which allows to reduce the necessary dimensions of the hubs of the “disks” (up to degeneration of the hubs), which is due to the lower load on the drum from centrifugal forces by reducing weight and increasing the strength of its rim.

Металломатричный композит формируют по всей наружной поверхности тела вращения слоем толщиной, не превышающей высоту корневого элемента, что обеспечивает прочностные свойства барабана. При этом толщина слоя покрытия не должна превышать высоту корневого элемента, что обеспечивает повышение технологичности конструкции, минимизирует размеры заготовок рабочих лопаток и существенно снижает объем механической обработки и открывает возможность замены отдельных лопаток.A metal-matrix composite is formed over the entire outer surface of the body of revolution with a layer of thickness not exceeding the height of the root element, which ensures the strength properties of the drum. At the same time, the thickness of the coating layer should not exceed the height of the root element, which ensures an increase in the manufacturability of the structure, minimizes the dimensions of the workpiece blade and significantly reduces the amount of machining and opens up the possibility of replacing individual blades.

Металломатричный композит с перекрестной укладкой армирующих волокон, может изготавливаться по различным технологиям. Например: методом послойной намотки волокон и засыпкой порошкообразным сплавом после каждого намотки каждого слоя и последующего сплавления сплава с образованием металлокомпозита. В качестве сплава могут использоваться сплавы на основе титана, никеля, алюминия.A metal matrix composite with cross-laying of reinforcing fibers can be manufactured using various technologies. For example: by the method of layer-by-layer winding of fibers and filling with a powdery alloy after each winding of each layer and subsequent alloy fusion with the formation of a metal composite. Alloys based on titanium, nickel, and aluminum can be used as an alloy.

Предпочтительно металломатричный композит на корпусе может быть сформирован из одной части намотанных, по меньшей мере, под одним углом и другой части из «свалянных» волокон из SiC, заключенных в матрицу из титанового сплава с их последующим сплавлением. Выполнение в металломатричном композите слоя из «свалянных» волокон позволяет исключить возникновение в композите направленных очагов деформации. Изобретение поясняется чертежами.Preferably, the metal-matrix composite on the housing can be formed from one part of at least one angle wound and another part of “fused” SiC fibers enclosed in a matrix of titanium alloy with their subsequent fusion. The implementation of a layer of “felted” fibers in a metal matrix composite allows one to exclude the occurrence of directed deformation centers in the composite. The invention is illustrated by drawings.

Фиг. 1 - барабан ротора турбомашины;FIG. 1 - a drum of a rotor of a turbomachine;

Фиг. 2 - узлы А и Б барабана.FIG. 2 - nodes A and B of the drum.

Барабан ротора турбомашины представляет собой корпус 1, сваренный из моноколес до стадии приварки лопаток к сформированному на диске корневому элементу лопатки 2. Для обеспечения прочности конструкции периферийная часть барабана формируется из металломатричного композита 3 с перекрестной укладкой армирующих волокон 4, еще до приварки лопаток. Со стороны проточной части поверхность далее не обрабатывается, лопатки привариваются к выступающим над слоем металломатричного композита корневым элементам.The drum of the turbomachine rotor is a casing 1, welded from monowheels to the stage of welding the blades to the root element of the blade 2 formed on the disk. To ensure the structural strength, the peripheral part of the drum is formed of a metal matrix composite 3 with cross-laying of reinforcing fibers 4, even before welding of the blades. From the side of the flow part, the surface is not further processed, the blades are welded to the root elements protruding above the layer of the metal matrix composite.

При работе корпус 1 барабана и металломатричный композит 3 с перекрестной укладкой армирующих волокон подвергается воздействию центробежной силы вследствие его вращения. Ориентированная наружу результирующая радиальная центробежная сила, которая складывается из центробежных усилий, создаваемых в корпусе 1 и в композите 3, компенсируется за счет их механических характеристик.During operation, the drum casing 1 and the metal matrix composite 3 with the cross-laying of reinforcing fibers are exposed to centrifugal force due to its rotation. The outwardly oriented resulting radial centrifugal force, which is the sum of the centrifugal forces created in the housing 1 and in the composite 3, is compensated by their mechanical characteristics.

Применение изобретения позволяет существенно снизить массу конструкции за счет применения легкого и прочного металломатричного композитного материала, дополнительно уменьшить массу конструкции уменьшением необходимого размера ступиц «дисков» (вплоть до вырождения ступиц), обусловленного меньшей нагрузкой на барабан от центробежных сил за счет снижения массы и повышения прочности его ободной части, повышение технологичности конструкции, что обеспечивается возможностью полной автоматизации изготовления барабана ротора и минимизации размеров заготовок рабочих лопаток и существенного снижения объемов механической обработки лопаток из-за отсутствия замковой части, повышение надежности конструкции, что обеспечивается более высокими прочностными свойствами металломатричного композитного материала по сравнению с однородным металлом и повышение ремонтопригодности конструкции, что обеспечивается возможностью замены отдельных лопаток срезкой их по месту приварки и последующей приваркой новой лопатки без разборки ротора.The use of the invention allows to significantly reduce the mass of the structure due to the use of lightweight and durable metal-matrix composite material, to further reduce the mass of the structure by reducing the required size of the hubs of the “disks” (up to degeneration of the hubs), due to the lower load on the drum from centrifugal forces due to lower weight and increased strength its rim, increasing the manufacturability of the design, which is ensured by the possibility of fully automated manufacturing of the rotor drum and minimizing and the size of the workpiece blanks of the blades and a significant reduction in the volume of machining of the blades due to the lack of a locking part, increasing the reliability of the structure, which is ensured by higher strength properties of the metal matrix composite material compared to homogeneous metal, and increasing the maintainability of the structure, which makes it possible to replace individual blades by cutting them at the place of welding and subsequent welding of a new blade without disassembling the rotor.

Claims

1. The rotor drum of a turbomachine, comprising a housing in the form of a hollow cylindrical body of revolution around the longitudinal axis and one or more crowns made therein with means for fastening the shanks of the blades located on the outer surface at regular intervals in the transverse direction, characterized in that the housing contains a metal matrix composite with cross-laying of reinforcing fibers, means for fastening the shanks of the blades are made in the form of a root element for welding according to the shape of the profile of the scapula, and a metal matrix ozit formed across the entire outer surface of the body of rotation a thickness not exceeding the height of the root element.

2. The drum according to claim 1, characterized in that the metal-matrix composite is formed from one part wound at least at one angle and the other part from “knitted” SiC fibers enclosed in a matrix of titanium alloy with their subsequent fusion.