RU2682065C1

RU2682065C1 - Gas turbine engine rotor sections manufacturing method

Info

Publication number: RU2682065C1
Application number: RU2018117512A
Authority: RU
Inventors: Валерий Александрович Гейкин; Наталия Ивановна Шаронова; Алексей Юрьевич Потапов; Евгений Валерьевич Родин; Максим Григорьевич Яковлев; Александр Иванович Никитин
Original assignee: Акционерное общество "Объединенная двигателестроительная корпорация" (АО "ОДК")
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2019-03-14

Abstract

FIELD: engines and pumps.SUBSTANCE: invention relates to the field of the gas turbine engines (GTE) rotors manufacturing. Method comprises the rotor stages annular blanks with the end joining surfaces preliminary manufacturing, the annular blanks coaxial placement relative to each other. On the annular blanks the end joining surfaces are made in the form of end protrusions with locks, by means of which the said blanks are connected to each other before welding. Welding is carried out, for example, using the electron beam welding. After the annular blanks welding, the locks are removed and on the annular blanks projections the blades are made by the high-speed milling.EFFECT: use of the invention allows to exclude the rotor blades warping possibility during welding and heat treatment, to ensure the rotor manufacturing high quality and accuracy, which increases the GTE operation reliability and service life.7 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области изготовления роторов ГТД с применением электронно-лучевой сварки и высокоскоростного фрезерования лопаток, например, ротора компрессора высокого давления (КВД) или ротора компрессора низкого давления (КНД) газотурбинного двигателя (ГТД), детали которых изготовлены из жаропрочного титанового сплава.The invention relates to the manufacture of gas turbine rotors using electron beam welding and high-speed milling of blades, for example, a high pressure compressor rotor (HPC) or a low pressure compressor rotor (KND) of a gas turbine engine (GTE), the details of which are made of heat-resistant titanium alloy.

Тенденция развития ГТД предполагает не только повышение их качества и надежности, но и улучшение массовых и габаритных характеристик деталей, узлов и модулей. В компрессорах высокого и низкого давления, а именно в их роторах это достигается за счет применения моноколес, внедрения неразъемных соединений взамен болтовых и винтовых.The development trend of gas turbine engines involves not only improving their quality and reliability, but also improving the mass and overall characteristics of parts, assemblies and modules. In high and low pressure compressors, namely in their rotors, this is achieved through the use of monowheels, the introduction of one-piece connections instead of bolted and screw ones.

Известен способ изготовления ротора газотурбинного двигателя, при котором вначале изготавливают кольцевые заготовки с торцевыми стыковочными элементами, соединяют их соосно, зачищают места соединения, после чего кольцевые заготовки облопачивают, (RU 2560887, 2013, В23Р 15/00). Логика способа заключается в том, что условия работы лопаток и дисковой части рабочих колес турбин существенно различаются. К материалу профильной части лопатки предъявляют, прежде всего, требования по высокому сопротивлению многоцикловой усталости и ползучести. Для ступичной части диска основным является сопротивление малоцикловой усталости, а для ободной части - малоцикловой усталости и ползучести. Однако характеристики лопаточного сплава не являются оптимальными для температурных условий замкового соединения и тем более диска. Поэтому специалисты считают, что, например, цельнолитые конструкции в большинстве случаев непригодны из-за упомянутых выше различий к требованиям материалов лопаток и диска.A known method of manufacturing a rotor of a gas turbine engine, in which first produce ring billets with end mating elements, connect them coaxially, clean the joints, after which the ring billet is blotted, (RU 2560887, 2013, B23P 15/00). The logic of the method lies in the fact that the operating conditions of the blades and the disk part of the turbine impellers differ significantly. The material of the profile part of the blade impose, first of all, the requirements for high resistance to high cycle fatigue and creep. For the hub part of the disk, the main is the resistance to low cycle fatigue, and for the rim part to the low cycle fatigue and creep. However, the characteristics of the blade alloy are not optimal for the temperature conditions of the castle joints and especially the disk. Therefore, experts believe that, for example, solid cast structures in most cases are unsuitable due to the above differences in the requirements of the materials of the blades and disk.

Однако рабочие колеса с разъемными соединениями диска и лопаток часто не позволяют разместить необходимое по газодинамической эффективности количество лопаток из-за ограничения, которым является прочность замкового соединения. Такая конструкция рабочего колеса из-за особенностей конфигурации имеет много мест концентрации напряжений, что ограничивает ресурс, приводит к утяжелению диска.However, impellers with detachable joints of the disk and blades often do not allow to place the number of blades necessary for gas-dynamic efficiency due to the limitation, which is the strength of the locking joint. This design of the impeller due to the configuration features has many places of stress concentration, which limits the resource, leads to a heavier disk.

Известен способ изготовления ротора газотурбинного двигателя, (заявка ЕР 2725214 за 2014, В23К 15/00), включающий предварительное изготовление кольцевых заготовок ступеней ротора с торцевыми стыковочными поверхностями, соосное размещение относительно друг друга упомянутых кольцевых заготовок, их сварку между собой по окружности торцевых стыковочных плоскостей с последующей зачисткой зон сварки и облопачиванием ротора. Способ взят за прототип.A known method of manufacturing a rotor of a gas turbine engine, (application EP 2725214 for 2014, V23K 15/00), including the preliminary production of annular blanks of the steps of the rotor with end mating surfaces, coaxial placement of the said annular blanks relative to each other, their welding between each other around the circumference of the end mating planes with subsequent cleaning of the welding zones and blading of the rotor. The method is taken as a prototype.

В этом способе предлагается для повышения надежности свариваемых кольцевых заготовок вводить между ними разнородные материалы.In this method, it is proposed to introduce dissimilar materials between them to increase the reliability of the welded annular blanks.

Облопачивание кольцевых заготовок ротора в известном способе осуществляется также закреплением готовых лопаток в предварительно выполненных пазах кольцевых заготовок. Это приводит к увеличению массы ротора, как за счет увеличения массы опорной части лопаток, так и использования крепежных элементов, а также к невозможности применения широкохордных лопаток с увеличенной закруткой профиля пера. Кроме того, такое размещение лопаток на кольцевых заготовках приводит к необходимости тщательной балансировки ротора, (Стат. момент, распределение по массе.)Turning around the annular rotor blanks in the known method is also carried out by fixing the finished blades in the previously made grooves of the annular blanks. This leads to an increase in the mass of the rotor, both due to an increase in the mass of the supporting part of the blades, and the use of fasteners, as well as the impossibility of using wide-chord blades with an increased twist of the profile of the pen. In addition, this placement of the blades on the annular blanks leads to the need for careful balancing of the rotor, (Stat. Moment, mass distribution.)

Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является упрощение технологического процесса изготовления ротора ГТД с двумя и более ступенями рабочих колес, со снижением трудоемкости его изготовления и обеспечением при этом высокого качества и точности его изготовления.The technical problem solved by the present invention is to simplify the manufacturing process of a gas turbine rotor with two or more steps of the impellers, reducing the complexity of its manufacture and ensuring high quality and accuracy of its manufacture.

Достигаемый при этом технический результат заключается в снижении массы ротора, уменьшении количества деталей, повышении качества сборки, надежности эксплуатации и увеличения ресурса работы турбомашины.The technical result achieved in this case is to reduce the mass of the rotor, reduce the number of parts, improve the build quality, reliability of operation and increase the life of the turbomachine.

Указанная техническая проблема решается тем, что в способе изготовления секции ротора газотурбинного двигателя, включающем предварительное изготовление кольцевых заготовок ступеней ротора с торцевыми стыковочными поверхностями, соосное размещение относительно друг друга упомянутых кольцевых заготовок, их сварку между собой по окружности торцевых стыковочных поверхностей в секцию с последующим механическим удалением замков зон сварки и облопачиванием соединенных кольцевых заготовок с получением секции ротора, кольцевые заготовки ступеней ротора изготавливают с выступами для последующего образования лопаток, а торцевые стыковочные поверхности на кольцевых заготовках выполняют в виде торцевых выступов с замками, посредством которых соединяют упомянутые заготовки между собой перед сваркой, а после сварки замки удаляют, при этом облопачивание ротора осуществляют посредством высокоскоростного фрезерования упомянутых выступов кольцевых заготовок с образованием лопаток. При этом в секцию соединяют не менее двух кольцевых заготовок, а их фрезерование осуществляют поочередно. Для соединения кольцевых заготовок между собой используют электронно-лучевую сварку, после которой производят радиографический контроль и термообработку соединенных кольцевых заготовок.This technical problem is solved in that in a method for manufacturing a rotor section of a gas turbine engine, comprising pre-manufacturing annular billet of rotor steps with end mating surfaces, coaxially arranging said annular billets relative to each other, welding them together around the circumference of the end mating surfaces into a section with subsequent mechanical removing the locks of the welding zones and blading the connected annular blanks to obtain the rotor section, annular blanks the rotor steps are made with protrusions for the subsequent formation of blades, and the end mating surfaces on the annular blanks are made in the form of end protrusions with locks, by means of which these blanks are joined together before welding, and after welding, the locks are removed, while the rotor is blotted by high-speed milling of the mentioned protrusions of the annular blanks with the formation of blades. At the same time, at least two annular blanks are connected to the section, and their milling is carried out alternately. To connect the ring blanks with each other, electron beam welding is used, after which radiographic control and heat treatment of the connected ring blanks are performed.

Способ поясняется фигурами, на которых показано в разрезе:The method is illustrated by figures, which are shown in section:

фиг. 1 - кольцевые заготовки первой и второй ступеней ротора перед сваркой.FIG. 1 - ring blanks of the first and second stages of the rotor before welding.

фиг. 2 - кольцевые заготовки после сварки и термообработки.FIG. 2 - ring blanks after welding and heat treatment.

фиг. 3 - готовая секция ротора после фрезеровки лопаток.FIG. 3 - finished section of the rotor after milling the blades.

Для примера рассматриваем изготовление двухступеневой секции многосекционного ротора. Изготовляют кольцевые заготовки 1 первой ступени ротора и кольцевые заготовки 2 второй ступени ротора с выступами 3, 4 под фрезеровку лопаток, например, из жаропрочного титанового сплава. Кольцевые заготовки 1, 2 ротора выполняют с торцевыми стыковочными поверхностями 5, 6 и замками 7, 8. Далее кольцевые заготовки перед сваркой соосно размещают относительно друг друга в количестве не менее двух, стыкуют по торцевым поверхностям 5, 6, а затем производят электронно-лучевую сварку (ЭЛС) в месте соединения замков 7, 8, получив заготовку 9 для двухступенчатой секции ротора.For example, we consider the manufacture of a two-stage section of a multi-section rotor. Ring blanks 1 of the first stage of the rotor and ring blanks 2 of the second stage of the rotor with protrusions 3, 4 are made for milling of blades, for example, of heat-resistant titanium alloy. The annular rotor blanks 1, 2 are made with end mating surfaces 5, 6 and locks 7, 8. Next, the annular blanks are coaxially placed at least two relative to each other before welding, joined along the end surfaces 5, 6, and then the electron beam is produced welding (ELS) at the junction of the locks 7, 8, receiving a workpiece 9 for a two-stage section of the rotor.

После чего замки удаляют, а зону сварки зачищают. Заготовку 9 термообрабатывают, а зону сварки подвергают радиографическому рентгеноконтролю. Для проведения операций чернового и чистового высокоскоростного фрезерования лопаток на выступах 3, 4 заготовку 9 секции ротора устанавливают на 5-ти координатном обрабатывающем центре. За одну установку заготовки 9 секции ротора на обрабатывающем центре вначале фрезеруют лопатки 10 первой ступени ротора, а затем лопатки 11 второй ступени ротора ГТД. После окончания операций высокоскоростного фрезерования лопаток 10, 11 при необходимости могут осуществляться операции полирования и упрочнения лопаток на готовой секции 12 ротора.After that, the locks are removed, and the welding zone is cleaned. The blank 9 is heat treated, and the welding zone is subjected to radiographic X-ray inspection. For roughing and finishing high-speed milling of blades on the protrusions 3, 4, the workpiece 9 of the rotor section is installed on a 5-coordinate machining center. For one installation of the workpiece 9 of the rotor section on the machining center, first the blades 10 of the first stage of the rotor are milled, and then the blades 11 of the second stage of the GTE rotor. After the high-speed milling of the blades 10, 11 is completed, polishing and hardening of the blades on the finished section 12 of the rotor can be carried out if necessary.

Использование изобретения позволяет исключить возможность коробления лопаток ротора при сварке и термообработке, обеспечить при этом высокое качество и точность изготовления ротора, а также упростить технологический процесс его изготовления, что повышает надежность эксплуатации и способствует увеличению ресурса работы ГТД в целом.The use of the invention eliminates the possibility of warping of the rotor blades during welding and heat treatment, while ensuring high quality and precision manufacturing of the rotor, as well as simplifying the manufacturing process of the rotor, which increases the reliability of operation and helps to increase the life of the gas turbine engine as a whole.

Claims

1. A method of manufacturing a rotor section of a gas turbine engine, comprising pre-manufacturing the annular blanks of the rotor steps with end mating surfaces, coaxially arranging said annular blanks relative to each other, welding them together around the circumference of the end mating surfaces into a section, followed by blading the connected annular blanks to obtain a section rotor, characterized in that the annular blanks of the stages of the rotor are made with protrusions for subsequent formation I of the blades, and the end mating surfaces on the annular blanks are made in the form of end protrusions with locks, by means of which the mentioned blanks are connected to each other before welding, and after welding, the locks are removed, while the rotor is bladed by high-speed milling of the said protrusions of the annular blanks with the formation of blades.

2. The method according to p. 1, characterized in that the high-speed milling interconnected in the section of the ring blanks is carried out alternately.

3. The method according to p. 1, characterized in that at least two ring blanks are connected to the section.

4. The method according to p. 1, characterized in that for connecting the ring blanks with each other using electron beam welding.

5. The method according to p. 1, characterized in that produce radiographic x-ray inspection of the welded joint.

6. The method according to p. 1, characterized in that the high-speed milling of the blades is carried out on a 5-axis machining center by means of roughing and finishing milling.

7. The method according to p. 6, characterized in that before the operations of roughing and finishing high-speed milling of the blades conduct heat treatment of interconnected annular blanks.