RS60944B1 - Postupak proizvodnje šuplje lopatice ventilatora - Google Patents

Description

Opis

[0001] Ovaj pronalazak odnosi se na tehniku oblikovanja metala, a, određenije, na postupke proizvodnje šuplje lopatice ventilatora za pogonski motor gasnu turbinu (GTE) primenom difuznog zavarivanja i superplastičnog oblikovanja.

[0002] Ovaj postupak može da se primeni u proizvodnji avionskih motora radi proizvodnje lopatice ventilatora sa širokom tetivom, za koju je od suštinskog značaja smanjene mase, a što se postiže proizvodnjom šuplje lopatice.

[0003] Lopatica ima složen oblik aeroprofila uopšteno opisan u [1] koji opisuje strukturne karakteristike koje definišu osnovne tehničke karakteristike lopatice, zajedničke za lopatice i ventilatora i kompresora.

[0004] Oblik aeroprofila poprečnog preseka lopatice formira se linijama ekspanzije i pritiska koje obuhvataju središnju liniju oblika aeroprofila lopatice, savijenim od strukturnog ulaznog ugla oblika aeroprofila lopatice do izlaznog strukturnog ugla oblika aeroprofila lopatice. Lopatica ima ulaznu ivicu i izlaznu ivicu u podužnom pravcu prema mestu uglova dizajna. Lopatica takođe ima perifernu ivicu. Maksimalno savijanje središnje linije oblika aeroprofila lopatice odabrano je tako da obezbeđuje glatko povećanje gradijenta pritiska na površini lopatice.

[0005] U skladu sa oblikom savijene središnje linije aeroprofila lopatice, linija ekspanzije jedne lopatice i linija pritiska susedne lopatice formiraju konfiguraciju putanje toka kanala lopatice, koja obezbeđuje glatko usporavanje supersonične struje u sistemu slabih kosih udara i formiranje pratećeg udarnog talasa u izlaznom delu kanala lopatice. Ovo dovodi do manjeg gubitka pritiska pri usporavanju supersonične struje, i do povećanja efikasnosti i tolerancije gubitka brzine ventilatora ili kompresora.

[0006] Linija ekspanzije i linija pritiska leže na površinama koje se respektivno odnose na usisnu stranu i potisnu stranu lopatice.

[0007] Lopatica ima donji deo kojim je ona pričvršćena za glavčinu, i aeroprofil.

[0008] Postupci za proizvodnju lopatica kompresora i ventilatora imaju razlike. Kao što je prethodno navedeno, od ključnog značaja je da se lopatica aksijalno protočnog ventilatora, koja ima veće ukupne dimenzije od lopatice kompresora, utoliko više lopatica sa širokom tetivom, izrađuje šuplja. Uobičajeno, koristi se izraz "šuplja lopatica", iako je samo aeroprofil lopatice šupalj. Aeroprofil sastoji se od oplata, od kojih jedna obrazuje usisnu stranu a druga potisnu stranu lopatice, i jezgra u obliku rebara za ukrućenje. Oplate i jezgro izrađeni su od legure titana.

[0009] Parametri rebara za ukrućenje, uključujući njihov ugao nagiba i rastojanje između njih, određeni su pomoću relativnog položaja spojeva difuznog zavarivanja između oplata i jezgra, i oblasti gde nedostaju spojevi između njih. Radi ovoga, obrazac mreže je dizajniran (unapred određen), prema kom se granični materijal nanosi na dodirne površine predformi da bi se sprečilo spajanje predformi pri difuznom zavarivanju, i definišući time oblasti koje treba da se spoje.

[0010] U postupku superplastičnog oblikovanja, formiraju se šupljina između predformi oplata i krajnji spoljašnji oblik dizajna usisne strane i potisne strane lopatice. U isto vreme, u postupku formiranja predforme jezgra oblasti, koje nisu podvrgnute spajanju sa predformama oplata, nakon što su istegnute formiraju rebra za ukrućenje, to jest unutrašnju strukturu lopatice. Najčešća unutrašnja struktura se formira iskošenjem rebara okvira [2, 3, 4] sa trouglastom rešetkom u poprečnom preseku lopatice. Ova struktura se formira prema obracu mreže u obliku naizmeničnih traka smeštenih na dodirnim površinama predformi oplata i jezgra. Opisana struktura lopatice može bolje da podnese sudar sa raznim objektima, uključujući ptice, zahvaljujući opružnoj sposobnosti kosih rebara za ukrućenje, i time da apsorbuje i rasipa energiju udara. Pored toga, ova struktura najbolje doprinosi prigušenju vibracija koje se neizbežno javljaju pri radu ventilatora.

[0011] Postupci proizvodnje šuplje lopatice zasnovani su, kako je prethodno navedeno, na upotrebi dve osnovne faze: difuzno zavarivanje i superplastično oblikovanje [2, 3, 4]. sva tri postupka u osnovi su slični. Razlike između njih biće navedene njihovim detaljnijim opisom u nastavku.

[0012] Najpoznatiji postupak proizvodnje šuplje lopatice ventilatora opisan je u opisu patenta [2].

Postupak obuhvata faze nanošenja graničnog materijala da bi se sprečilo spajanje predformi na površinama predformi oplata i/ili predforme jezgra, koje ne treba da se spoje u difuznom zavarivanju, u skladu sa unapred određenim obrascem mreže.

[0013] Granični materijal nedostaje na celom obodu lopatice kako bi se obezbedilo spajanje predformi u donjem delu, i ulaznim, izlaznim i perifernim ivicama lopatice.

[0014] Predforme oplata i jezgra sklapaju se u gomilu, koja se zaptiva duž ivica, sa izuzetkom na mestu za montiranje najmanje jedne cevi. Na mestu za montiranje cevi, predforme oplata izvedene su sa žlebom, a predforma jezgra je izvedena sa prorezom. Zatim, cev se montira, kroz čije se šupljine u gomili sekvencijalno prazni i puni inertim gasom da bi se uklonio kiseonik. Zagrevanjem gomile, vezivo graničnog materijala se uklanja (isparava) iz šupljina gomile uz kontinuiranu njegovu evakuaciju. Zatim, gomila se potpuno zaptiva. Difuzno zavarivanje predformi izvodi se na unapred određenoj temperaturi i pritisku da bi se proizvela predforma jednodelne strukture.

[0015] Pre faze superplastičnog oblikovanja, šupljine predforme jednodelne strukture se ponovo sekvencijalno prazne i pune inertnim gasom da bi se uklonio kiseonik.

[0016] Da bi se izvelo superplastično oblikovanje, predforma jednodelne strukture smeštena je u namenski kalup između njegovih polovina za oblikovanje i zagrejana zajedno sa kalupom, a radni fluid se dovodi u šupljine između predforme jezgra i predformi oplata da bi se oblikovala rebra za ukrućenje i krajnji oblik aeroprofila lopatice u superplastičnom režimu. Radni fluid je obično argon.

[0017] Druga cev koristi se za dovođenje argona, koja može da se montira na istom mestu kao prethodna cev. Ova cev ima manji poprečni presek jer argon treba da se dovodi prilično polako kroz nju da bi se osigurala brzina deformacije predformi, koja odgovara superplastičnim uslovima.

[0018] Da bi se distribuirao argon duž naizmeničnih traka na svakoj strani jezgra u fazi superplastičnog oblikovanja i u drugim fazama kao što je uklanjanje kiseonika iz šupljina gomile i onda predforma jednodelne strukture, zona kolektora je izvedena, sa kojom se cev povezuje. Opis postupka [2] ne pominje na kojoj je strani predforme jednodelne strukture smeštena zona kolektora i montirane cevi, respektivno. Ova informacija takođe nedostaje u crtežima koji objašnjavaju postupak, budući da je gomila predformi prikazana bez donjeg dela [2, Fig.5]. Prema tome, lokacija zone kolektora nije suštinska za implementiranje postupka [2]. Može da se smesti ili na strani donjog dela, ili na strani periferne ivice lopatice.

[0019] U zoni kolektora, predforma jezgra ne bi trebalo da se spoji ni sa jednom od predforma oplata tako da su dve šupljine formirane kao pregrada; zbog toga se granični materijal takođe nanosi u zonu kolektora na dodirnim površinama predformi da bi se sprečilo spajanje predformi pri difuznom zavarivanju.

[0020] Proizvodnja lopatice takođe obuhvata fazu davanja oblika aeroprofila lopatici, koja obuhvata savijanje predforme jednodelne strukture da bi se formirala potisna strana i usisna strana lopatice, i uvrtanje aeroprofila lopatice. Ova faza izvodi se pre superplastičnog oblikovanja predformi.

[0021] Proizvodnja lopatice obuhvata fazu raskidanja lepljive veze koja se javlja između predformi i graničnog materijala u fazi difuznog zavarivanja pri suštinski visokom pritisku. Faza raskidanja lepljive veze može da se izvede posle faze davanja oblika aeroprofila predformi jednodelne strukture kao u postupku [2] ili neposredno posle faze difuznog zavarivanja [3]. Ovo je glavna razlika postupka [3] od postupka [2].

[0022] Pored toga, opis postupka [3] navodi da se zona kolektora formira na strani donjeg dela lopatice.

[0023] U proračunima čvrstoće i u proizvodnji i testiranju prototipova lopatica, otkriveno je da su različite cevi potrebne za izvođenje faza postupka, i zona kolektora, respektivno, poželjno smešteni na strani periferne ivice lopatice. Ovo pomaže u očuvanju čvrstoće korena aeroprofila, što je važno u pogledu radnih karakteristika lopatice i ventilatora kao celine. Izvođenje zone kolektora na strani donjeg dela lopatice mogu se pripisati nedostacima postupka [3].

[0024] Zajednički nedostatak postupaka [2, 3] je da čak posle raskidanja lepljive veze, predforme još uvek čvrsto prijanjaju jedna na drugu u početnom trenutku superplastičnog oblikovanja. Ova situacija može da se definiše drugim rečima kao međusobno "lepljenje" predformi. "Lepljenje" ima određeni problem; određenije, ono ometa prodiranje dovoljne količine argona između predformi jezgra i oplata. Taj problem pre svega se tiče zone kolektora.

[0025] Kao rezultat ometanog prodiranja gasa između predformi jezgra i oplata, predforma jezgra može da bude pogrešno poravnata u zoni kolektora, kao što je navedeno u opisu konvencionalnog postupka proizvodnje šuplje lopatice ventilatora [4]. Pogrešno poravnanje predforme jezgra može da pogorša uslove za oblikovanje rebara za ukrućenje i dovodi do defekata u proizvodnji lopatice.

[0026] Trenutno, učinjeni su pokušaji da se obezbede tehnička rešenja koja omogućavaju međusobno "odlepljivanje" predformi u oblastima smeštenim u zoni kolektora predforme jednodelne strukture u početnom trenutku superplastičnog oblikovanja, određenije, ovo se izvodi u prethodno pomenutom postupku proizvodnje šuplje lopatice ventilatora [4].

[0027] Postupak [4], kao i postupci [2, 3], obuhvata kao glavne faze: difuzno zavarivanje predformi usisne strane, potisne strane i predforme (membrane) jezgra smeštene između njih, i superplastično oblikovanje predformi. Postupak obuhvata nanošenje graničnog materijala na dodirne površine predformi oplata i jezgra da bi se sprečilo spajanje predformi. Granični materijal nanosi se u unapred određenom obrascu mreže. Obrazac je formiran naizmeničnim trakama, čiji raspored definiše konfiguraciju rebara za ukrućenje.

[0028] Da bi se formirala zona kolektora, granični materijal nanosi se duž periferne ivice da bi se obezbedila već pomenuta prednost očuvanja čvrstoće korenskog dela aeroprofila. U postupku [4] u regionu neposredno uz perifernu ivicu, difuzno spajanje jedne od predformi oplata i predforme jezgra obezbeđeno je u obliku trake koja se pruža duž cele tetive ili najmanje duž dela tetive lopatice. Kao rezultat, u zoni kolektora predforme jednodelne strukture, veličina difuzionog spoja u pravcu raspona lopatice između predforme potisne strane i predforme jezgra je veća od veličine difuznog spoja između predforme usisne strane i predforme jezgra. Ili obrnuto, veličina difuznog spoja u pravcu raspona lopatice između predforme usisne strane i predforme jezgra je veća od veličine difuznog spoja između predforme potisne strane i predforme jezgra.

[0029] Zahvaljujući trakastom spoju [4, Fig.4A] predformi jezgra i usisne strane, po dovođenju argona predforma jezgra podiže se zajedno sa predformom usisne strane iznad predforme potisne strane, čime se obezbeđuje protok gasa između predformi jezgra i potisne strane u zoni kolektora lopatice.

[0030] U nekom drugom načinu ostvarivanja, zahvaljujući trakastom spoju predformi jezgra i potisne strane, po dovođenju argona predforma jezgra odvaja se od predforme usisne strane, čime se obezbeđuje protok gasa između predformi jezgra i usisne strane u zoni kolektora lopatice.

[0031] Pretpostavlja se da ovaj postupak proširuje sposobnosti postupka opisanog u istom dokumentu [4], u kom su izvedeni pokušaji da se koristi obrazac koji omogućava formiranje spojeva između predforme jezgra i jedne od predformi oplata u zoni kolektora u obliku npr. tačaka koje bi olakšale "odlepljivanje" predforme jezgra od druge predforme oplate. Međutim, tačke nisu mogle da izvedu tu funkciju, jer je gas proticao oko tačaka i nastavio da se akumulira na kraju predforme jednodelne strukture što dovodi do pogrešnog poravnanja predforme jezgra [4].

[0032] Opis postupka ne precizira širinu trake, dok na vrlo maloj širini postupak međusobnog "odlepljivanja" predformi neće napredovati. Ova činjenica je potvrđena eksperimentima i opisom postupka [4], gde se obezbeđuje "odlepljivanje" preporučeno je da se koristi obrazac u obliku tačaka. Tako, predforma jezgra je spojena sa jednom predformom oplate trakom i sa drugom predformom oplate tačkama [4, Fig.4a, 4b].

[0033] Glavni nedostatak postupka [4] je zbog prisustva spojeva izrađenih difuznim zavarivanjem u obliku malih tačaka i uske trake. Kao što je poznato iz brojnih referenci, određenije iz opisa postupka proizvodnje proizvoda difuznim zavarivanjem i superplastičnim oblikovanjem [5], u difuznom zavarivanju defekti neizbežno nastaju u obliku klastera mikropora, kao i u obliku ureza na krajevima oblasti spoja. Klasteri mikropora uopšteno se takođe javljaju na krajevima oblasti spoja. Ako je cela oblast spoja srazmerna veličini regiona, u kojoj su gore pomenuti defekti koncentrovani, spoj postaje veoma slab.

[0034] Pored roga, prisustvo trake dovodi do savijanja predforme jezgra u zoni kolektora i pojave izazivača naprezanja na mestu savijanja. Prisustvo tačaka dovodi do neravnomernog istanjivanja već tanke predforme jezgra.

[0035] U upotrebi, pod dejstvom raznih spoljašnjih faktora i zbog konzolnog pričvršćenja lopatice za glavčinu i značajne veličine raspona lopatice, periferna oblast lopatice podvrgnuta je najvećoj elastičnoj deformaciji koja u principu može da prekine spojeve izvedene difuznim zavarivanjem, naročito ako su ovi spojevi slabi.

[0036] Sa obzirom na činjenicu da je periferna oblast lopatice najmanje opterećen deo lopatice, može se pretpostaviti da prekid spojeva između jezgra i oplata, a čak razdvajanje jezgra od oplata u zoni kolektora, neće da pogorša osnovne radne karakteristike lopatice. Ali deo jezgra, koji je odvojen od spoja sa oplatama i savijen, doprineće dodatnoj vibraciji u strukturi, a ovo može konačno da prekine spojeve na mestima rebara za ukrućenje.

[0037] Zbog ovoga, prisustvo bilo kakvih izazivača naprezanja u perifernoj oblasti lopatice, pored neizbežnih izazivača naprezanja koji se javljaju tokom formiranja rebara za ukrućenje, je veoma nepoželjno. Kao rezultat, nepoželjno je prisustvo dodatnih spojeva predformi jezgra i oplata u perifernoj oblasti lopatice.

[0038] Drugi nedostatak opisanih faza postupka [4] je da one dodaju složenost već komplikovanoj fazi nanošenja graničnog materijala na površinu predformi, što sprečava spajanje predformi pri difuznom zavarivanju.

[0039] Tako, primenom postupka [4], "lepljenje" između predformi u početnom trenutku superplastičnog oblikovanja ne može da se prevaziđe bez pogoršanja kvaliteta lopatice i povećanja složenosti njene proizvodnje.

[0040] Najrelevantnije stanje tehnike je postupak proizvodnje šuplje lopatice ventilatora, opisan u patentu [2]. Taj postupak je veoma blizak postupku za koji je tražena zaštita patentom u tehničkom smislu budući da opis postupka otkriva karakteristike - faze i postupke, na osnovu kojih postaje moguće postići željeni tehnički efekat u postupku ovog pronalaska.

[0041] Cilj ovog pronalaska je da eliminiše rizik od defekata u proizvodnji lopatice bez narušavanja tehničkih karakteristika lopatice i bez povećanja složenosti njene proizvodnje.

[0042] Tehnički efekat ovog pronalaska je obezbeđen zahvaljujući činjenici da se pri superplastičnom oblikovanju radni fluid dovodi u šupljine između predformi oplata i jezgra kroz cev montiranu tako da se prirodni faktori koji nastaju u fazama koje prethode superplastičnom oblikovanju mogu koristiti za međusobno "odlepljivanje" predformi oplata i jezgra.

[0043] U postupku proizvodnje šuplje lopatice ventilatora za pogonski motor gasnu turbinu primenom difuznog zavarivanja i superplastičnog oblikovanja, pri čemu se pomenuta lopatica sastoji od oplata od legure titana i jezgra u obliku rebara za ukrućenje, faze su: sastavljanje predformi oplata i jezgra u gomilu; preliminarno nanošenje graničnog materijala u unapred određenom obrascu mreže na oblasti gde površine predformi oplata i jezgra dolaze u kontakt, ali ne treba da se spoje pri difuznom zavarivanju, uključujući zonu kolektora; takođe snabdevanje predformi oplate žlebom i predforme jezgra prorezom radi montiranja najmanje jedne cevi; zaptivanje gomile duž ivica osim na mestu gde će najmanje jedna cev da se montira; montiranje cevi i njeno povezivanje sa zonom kolektora; uklanjanje kiseonika kao i veziva graničnog materijala iz šupljina gomile; potpuno zaptivanje gomile; zagrevanje gomile, i difuzno zavarivanje predformi u unapred određenim oblastima, takođe duž ulazne ivice, izlazne ivice i periferne ivice, da bi se proizvela predforma jednodelne strukture; davanje oblika aeroprofila predformi jednodelne strukture; izvođenje superplastičnog oblikovanja dovođenjem radnog fluida u šupljine između predformi oplata i jezgra pomoću najmanje jedne cevi.

[0044] Postupak se razlikuje od postupka iz stanja tehnike činjenicom da je zona kolektora smeštena na strani gomile, koja odgovara perifernoj ivici lopatice; i, za montiranje jedne ili više cevi za dovođenje radnog fluida pri superplastičnom oblikovanju, žleb u predformama oplata i prorez u predformi jezgra izvedeni su na rastojanju od spoljne granice ulazne ivice ili izlazne ivice manjem od L/3, gde L predstavlja dužinu tetive lopatice duž periferne ivice.

[0045] Tehnički efekat ovog pronalaska takođe je postignut u sledećim slučajevima:

- kada se koristi jedna pojedinačna cev za dovođenje radnog fluida pri superplastičnom oblikovanju, žleb i prorez za montiranje te cevi izvedeni su na rastojanju od spoljne granice ulazne ili izlazne ivice jednakom L/6, gde L predstavlja dužinu tetive lopatice duž periferne ivice;

- kada se koriste dve cevi za dovođenje radnog fluida pri superplastičnom oblikovanju, žleb i prorez za montiranje jedne od cevi izvedeni su na rastojanju od spoljne granice ulazne ivice jednakom L/6, gde L predstavlja dužinu tetive lopatice duž periferne ivice, dok su za montiranje druge cevi, žleb i prorez izvedeni na istom rastojanju od spoljne granice izlazne ivice.

[0046] Objašnjenje suštine ovog pronalaska.

[0047] Kada se cev montira kao što je opisano gore, deluje nekoliko prirodnih faktora, određenije dva, koji omogućavaju odvajanje ("odlepljivanje") predforme jezgra od predformi oplata u zoni kolektora u početnom trenutku superplastičnog oblikovanja. Ovi faktori biće razmatrani u nastavku.

[0048] Kao što je opisano u opisu najrelevantnijeg stanja tehnike, čestice graničnog materijala posle uklanjanja veziva, prema tome imaju tendenciju da se razdvoje, tako da gomilom predformi mora da se rukuje sa velikom pažnjom pre difuznog zavarivanja. Štaviše, u postupku [2] raskidanje lepljive veze između predformi i graničnog materijala postiže se posle davanja oblika aeroprofila predformi jednodelne strukture, čime je sačuvan integritet predforme jednodelne strukture tokom ove faze, koji će se izgubiti posle raskidanja lepljive veze između predformi zbog disperzije čestica graničnog materijala.

[0049] Na taj način, posle raskidanja lepljivih veza, granični materijal u obliku individualnih čestica nije još ravnomerno distribuiran između površina predformi oplata i jezgra. Ako se razmatraju prostori između daljih rebara za ukrućenje, zbog zaptivenosti postupak disperzije čestica graničnog materijala nije tu tako jako izražen kao u zoni kolektora. U zoni kolektora skoro sve slobodne čestice graničnog materijala padaju sa srednjeg, najkonveksnijeg dela predforme jednodelne strukture ka ulaznoj ili izlaznoj ivici.

[0050] U blizini ovih ivica, čestice graničnog materijala obezbeđuju izraženo ne-zaptiveno međusobno prijanjanje predformi oplata i jezgra, drugim rečima nedostatak "lepljenja", a što je dovoljno za prolaz argona između njih kroz čestice graničnog materijala.

[0051] Najintezivnija dezintegracija čestica primećena je samo na strani periferne ivice. Ovo je zbog prisustva šire tetive lopatice na periferiji u odnosu na tetivu lopatice na korenu aeroprofila, i takođe zbog slobodnije lokacije periferne ivice u prostoru u odnosu na koren aeroprofila pored čvrstog donjeg dela. Zbog ovoga, karakteristika da se cev ili cevi za dovođenje radnog fluida pri superplastičnom oblikovanju montiraju na strani periferne ivice je značajna, jer zajedno sa drugim osobenim karakteristikama utiče na sposobnost da se obezbedi novi tehnnički efekat. Kao što je navedeno gore, poznati efekat ostaje u očuvanju čvrstoće aeroprofila u korenskom delu.

[0052] U nastavku je razmatrano kako drugi faktor, koji se javlja u fazi davanja oblika aeroprofila predformi jednodelne strukture, utiče na postupak međusobnog "odlepljivanja" predformi oplata i jezgra.

[0053] Posle difuznog zavarivanja, predforma jednodelne strukture formira ploču koju čini veći broj slojeva limenih predformi, koji nisu spojeni u određenim oblastima uključujući zonu kolektora. Prema tome, u formiranju oblika potisne strane i usisne strane savijanjem, neki slojevi svake predforme oplate doživeće u ovim oblastima pritisni napon, dok će ostali doživeti istežući napon. Slojevi predforme potisne strane, koji su najbliži predformi jezgra, doživeće istežući napon, dok će slojevi predforme usisne strane doživeti pritisni napon. Kao rezultat toga, dosta fleksibilnija predforma jezgra biće stegnuta između relativno krutih predformi oplata. Pritisak stezanja zavisiće od veličine savijanja predforme jednodelne strukture i, prema tome, biće najmanji u oblastima najbližim ulaznoj i izlaznoj ivici, a najveći u središnjem delu. Zbog relativno kratkog vremena faza savijanja i uvrtanja, razmatrana naprezanja podvrgnuta su zanemarljivom opuštanju i ostaju u telu predformi. U toku superplastičnog oblikovanja, visoka temperatura i deformacija dovode do potpunog uklanjanja zaostalih naprezanja. Ali u početnom trenutku oblikovanja efekat zaostalih naprezanja mora da se prevaziđe. Prema tome, biće mnogo lakše da se odvoje predforma jezgra i predforme oplata, započinjanjem postupka od najmanje konveksne, skoro ravne, oblasti predforme jednodelne strukture. Ovaj faktor, kao primaran, takođe doprinosi postizanju tehničkog efekta ovog pronalaska.

[0054] Konačno, razmatranje prirode deformacije predformi jezgra i oplata u postupku superplastičnog oblikovanja, uključujući zonu kolektora.

[0055] Kao što je već navedeno, potisna strana predformi ostaje skoro ne-deformisana u svim oblastima. Predforma usisne strane podvrgnuta je u svim oblastima dovoljno intenzivnoj deformaciji poput one koja se javlja u oblikovanju sferične školjke. Predforma jezgra doživljava savijanje i zatezanje tokom oblikovanja rebara za ukrućenje u glavnim sekcijama, koji se javljaju pod uticajem njenih spojeva sa predformama oplata u unapred određenom obrascu. Predforma usisne strane, dok se podiže, kao da vuče predformu jezgra, dok predforma potisne strane ostaje na svom mestu. Istezanje predforme jezgra u glavnim sekcijama predforme jednodelne strukture je skoro jednoosno.

[0056] Proces istezanja predforme jezgra u zoni kolektora, koji prethodi i dalje prati oblikovanje rebara za ukrućenje, takođe je pod uticajem mesta gde su spojevi predforme jezgra sa predformama oplata u unapred određenom obrascu. Ali deformacija predforme jezgra u zoni kolektora je nešto drugačija od njene deformacije tokom oblikovanja rebara za ukrućenje u glavnim sekcijama predforme jednodelne strukture jer je proces deformacije predforme jezgra u zoni kolektora i dalje pod uticajem spajanja predforme jezgra sa obe predforme oplata na perifernoj ivici. Kao rezultati, istezanje predforme jezgra u zoni kolektora javlja se u nekoliko osa različito usmerenih u prostoru. U ovom slučaju, deformacija predforme jezgra takođe je iza deformacije predforme usisne strane, ali ispred stvarne nulte deformacije predforme potisne strane. Ova činjenica u svim poznatim postupcima dovodi do razdvajanja predformi i formiranja dve šupljine u zoni kolektora. Međutim, pri "lepljenju" predformi, postupak razdvajanja biće praćen pogrešnim poravnanjem predforme jezgra. U prisustvu faktora koji obezbeđuju povoljni početak postupka razdvajanja predformi kao u postupku ovog pronalaska ili kao u postupku [4], razdvajanje će se javiti bez pogrešnog poravnanja predforme jezgra.

[0057] Patentni zahtevi definišu najjednostavniji odnos za određivanje lokacije najmanje jedne cevi kroz koju se dovodi argon pri superplastičnom oblikovanju. Cev ili cevi montiraju se na rastojanju od spoljne granice ulazne ili izlazne ivice manjem od L/3, gde L predstavlja dužinu tetive lopatice duž periferne ivice.

[0058] Ako je dimenzija prekoračena, cev će biti montirana u središnji konveksni deo predforme jednodelne strukture, sa kog su praktično sve čestice graničnog materijala već pale bliže unutrašnjoj granici ulazne i izlazne ivice, to jest, uglovima zone kolektora. Na istom mestu, predforma jezgra je čvrsto stegnuta pre formiranja između predformi oplata. Kao rezultat oba gore opisana faktora za "odlepljivanje" predformi oplata i jezgra ne mogu da se koriste.

[0059] U ovom postupku, kao u najrelevantnijem, višestruke cevi mogu da se koriste za postizanje raznih faza [2].

[0060] Kada se više, posebno dve, cevi koriste za dovođenje radnog fluida pri superplastičnom oblikovanju, sve cevi se montiraju na rastojanju manjem od L/3, gde L predstavlja dužinu tetive lopatice duž periferne ivice.

[0061] Kada se najmanje jedna cev za dovođenje radnog fluida pri superplastičnom oblikovanju montira u središnjem delu predforme jednodelne strukture, pogrešno poravnanje predforme jezgra postaje moguće. Cevi koje će se koristiti u drugim fazama postupka, određenije, u uklanjanju kiseonika iz šupljina predforme jednodelne strukture mogu da se montiraju u središnjem delu.

[0062] Žleb i prorez za montiranje jedne cevi radi dovođenja radnog fluida pri superplastičnom oblikovanju najpoželjnije su izvedeni na rastojanju od spoljne granice ulazne ili izlazne ivice jednakom L/6, gde L predstavlja dužinu tetive lopatice duž periferne ivice, tj. bliže ivicama. Tamo se nalazi najveći broj palih čestica graničnog materijala, a savijanje predformi oplata ima najmanji uticaj.

[0063] Kada se koriste dve cevi za dovođenje radnog fluida pri superplastičnom oblikovanju, preporučeno je da se izvedu žleb i prorez za montiranje jedne od cevi na rastojanju od spoljne granice ulazne ivice jednakom L/6, gde L predstavlja dužinu tetive lopatice duž periferne ivice. Preporučeno je da se druga cev montira na istom rastojanju od spoljne granice izlazne ivice. Ova strategija omogućava da se izbegne izvođenje nekoliko proreza i žlebova na prilično malom segmentu dužine tetive lopatice.

[0064] Postupak ovog pronalaska za proizvodnju šuplje lopatice ventilatora ilustrovan je na crtežima:

Fig.1 je šematski izgled gomile predformi u postupku sklapanja pre faze difuznog zavarivanja; Fig.2 je poprečni presek aeroprofila lopatice u zoni kolektora pre faze superplastičnog oblikovanja;

Fig.3 je poprečni presek gotove lopatice;

Fig.4 je fotografija gotove lopatice.

1

[0065] Gomila (Fig.1) uključuje predforme 1, 2 oplata i predformu 3 jezgra. Površine predforme jezgra i površine predformi oplata, koje dolaze u kontakt sa predformom jezgra, su ravne.

[0066] Spoljašnja površina predformi 1, 2 oplata obuhvata ispuste 4, 5 za donji deo lopatice. Pored toga, spoljašnja površina predformi oplata na strani periferne ivice obuhvata tehnološke ispuste 6, 7.

Tehnološki ispusti 6, 7 dizajnirani su da drže predformu jednodelne strukture koja se dobija difuznim zavarivanjem u fazi davanja oblika aeroprofila predformi jednodelne strukture. Predforme oplata i jezgra imaju otvore 8 za postavljanje osovinica (nisu prikazani na Fig.1), koje su potrebne da bi se sklopila gomila. Na strani periferne ivice, predforme oplata imaju žlebove 9, 10. Predforma jezgra ima na istom mestu prorez 11 koji odgovara žlebovima. Žlebovi i prorez koriste se za montiranje cevi 12 za dovođenje argona prvo u šupljine gomile, a zatim u šupljine predforme jednodelne strukture u toku različitih faza povezanih sa uklanjanjem kiseonika iz šupljina gomile i predforme jednodelne strukture. Ista cev može da se koristi da se ubacuje argon u šupljine predforme jednodelne strukture u fazi raskidanja lepljive veze između predformi i graničnog materijala. Cev za dovođenje argona pri superplastičnom oblikovanju nije prikazana na Fig.1, ali se montira na istom mestu kao cev 12, nakon njenog uklanjanja, prema tome, cev 12 se montira strogo na rastojanju izabranom u skladu sa preporukama postupka, za koji je tražena zaštita patentom, od spoljne granice ulazne ili izlazne ivice. Oblasti 13 na površini predforme 3 jezgra i odgovarajuće oblasti (nisu prikazane na Fig.1) na predformi 1 oplate, i oblasti 14 na površini predforme 2 oplata i odgovarajuće oblasti na površini (nije prikazano na Fig.1) predforme 3 jezgra spojiće se difuznim zavarivanjem. Sve tri predforme takođe se spajaju po obimu, uključujući ispuste 4, 5, 6, 7 i ivice 15, 16, 17, 18. Širina spojene zone po obimu lopatice izračunava se tako da posle uklanjanja tehnoloških ispusta 6, 7 i dodatne mašinske obrade, gotova lopatica ima unapred određenu širinu donjeg dela, ulaznih, izlaznih i perifernih ivica. Oblast 19 na predformi 3 jezgra, koja je u kontaktu sa odgovarajućom oblasti predforme 1 oplate (nije prikazano), i oblast 20 na predformi 2 oplate, koja je u kontaktu sa odgovarajućom oblasti predforme 3 jezgra (nije prikazano), neće se povezati u difuznom zavarivanju i namenjene su za formiranje zone 21 kolektora.

[0067] Fig.2 prikazuje poprečni presek aeroprofila lopatice u zoni kolektora pre početka faze superplastičnog oblikovanja; pozivne oznake 22, 23, 24, 25 prikazuju mesta konglomeracije čestica graničnog materijala.

[0068] Fig.3 prikazuje poprečni presek gotovog aeroprofila lopatice nakon mašinske obrade.

[0069] Fig.4 prikazuje fotografiju gotove lopatice, gde je demonstrirano u kojoj meri je tetiva periferne ivice lopatice veća od tetive korena aeroprofila lopatice.

[0070] Postupak se postiže kao što sledi:

Primarne predforme oplata su ravne ploče ili limovi sa dovoljnom debljinom da se formira donji deo. Primarna predforma jezgra je tanak lim.

Primarne predforme oplata i jezgra podvrgnute su mašinskoj obradi da bi se obezbedio unapred određeni oblik lopatice u meridijanskoj ravni [1] i debljina oplata u oblasti aeroprofila, i ispusti 4, 5 za donji deo lopatice i tehnološki ispusti 6, 7, respektivno. Površine predformi oplata i jezgra pripremljene su za difuzno zavarivanje brušenjem i poliranjem. Neposredno pre zavarivanja površine predformi koje se spajaju se hemijski čiste.

[0071] Granični materijal nanosi se sitoštampom na oblasti dodirnih ravnih površina predformi 1, 2 oplata i predforme 3 jezgra, koje ne treba da se spoje, da bi se sprečilo spajanje oblasti u postupku difuznog zavarivanja. Granični materijal takođe se nanosi na oblasti dodirnih površina predformi 1, 2 oplata i predforme 3 jezgra da bi se formirala zona 21 kolektora duž periferne ivice. Granični materijal može da uključuje prah itrijuma distribuiran u vezivo, i rastvarač. Predforme 1, 2, 3 se sklapaju u gomilu i međusobno osiguravaju pomoću osovinica montiranih u otvorima 8. Zatim, cev 12 se pričvršćuje za zonu kolektora. Cev 12 se montira na strani periferne ivice tako da su oblasti svih predformi, koje ne treba da se spoje, međusobno povezane. Cev se montira na rastojanju od spoljne granične ivice ulazne ili izlazne ivice ne većem od L/3, gde L predstavlja dužinu tetive lopatice duž periferne ivice.

[0072] Kako je prethodno navedeno, veći broj cevi može da se montira, po potrebi, tako da će svaka cev povezati oblasti, koje se ne spajaju, na susednim površinama predformi svake od oplata i jezgra. U ovom slučaju, bez obzira na ukupan broj cevi, cevi koje se koriste za dovođenje radnog fluida u superplastičnom oblikovanju montiraju se na kraju predforme jednodelne strukture na strani periferne ivice na rastojanju od spoljne granične ivice ulazne ili izlazne ivice ne većem od L/3, gde L predstavlja dužinu tetive lopatice duž periferne ivice.

[0073] Cev 12 montira se tako da izviruje izvan konture gomile, jer će neka cev dalje da se poveže sa krajem cevi koji izviruje (nije prikazano na Fig.1) da bi se cev 12 povezivala naizmenično na vakuumsku pumpu i sistem za dovođenje inertnog gasa. Sve tri predforme 1, 2, 3 međusobno su spojene po obimu argonskim lučnim zavarivanjem. Cev 12 je takođe osigurana argonskim lučnim zavarivanjem. Dobijena sklopljena jedinica hermetički se zaptiva, osim na ulazu cevi 12.

[0074] Šupljine u gomili se prazne. Zatim se inertni gas kao što je argon ubacuje u šupline gomile. Nakon ubacivanja argona, šupljine gomile se prazne, i argon se ponovo ubacuje u šupljine gomile. Argon se ubacuje u šupljine gomile pod pritiskom koji dostiže nivo atmosferskog pritiska. Preporučeno je da se prati nivo kiseonika u argonu uklonjenom u postupku pražnjenja. Višestruko uzastopno pražnjenje i ubacivanje argona treba da se izvede sve do potpunog uklanjanja kiseonika iz šupljina gomile.

[0075] Dalje, gomila je instalirana u peći gde je zagrejana do temperature od 250-350°C da bi isparilo vezivo iz graničnog materijala uz kontinuirano pražnjenje šupljina gomile. Gomila se uklanja iz peći i hladi uz kontinuirano pražnjenje. Prisustvo ostataka veziva se detektuje praćenjem njihovog nivoa u gasu uklonjenom tokom pražnjenja. Zatim se cev 12 zaptiva, a gomila se prenosi u vruće izostatičko presovanje. Predforme se podvrgavaju difuznom zavarivanju.

[0076] Dalje, predforma jednodelne strukture se savija i njen aeroprofil se uvrće namenskim uređajem kao što je onaj opisan u patentu [6]. Savijanje i uvrtanje izvode se vrućom deformacijom. U završnoj fazi uvrtanja, oblik savijene predforme jednodelne strukture podešava se u skladu sa unapred određenim oblikom kalupa korišćenim za superplastično oblikovanje. Može da se koristi kalup namenjen za superplastično oblikovanje. Podeljene polovine kalupa dolaze u kontakt sa predformom jednodelne strukture na delu ivica, koji će potom biti uklonjen. Faza davanja oblika aeroprofila predformi jednodelne strukture poželjno se postiže u sredini inertog gasa da bi se sprečila brza oksidacija spoljašnjih površina strukture.

[0077] U sledećoj fazi, argon se ubacuje u šupljine predforme jednodelne strukture pod pritiskom koji dostiže nivo atmosferskog pritiska na sobnoj temperaturi da bi se raskinula lepljiva veza između predformi i graničnog materijala. Nakon otpuštanja pritiska, šupljine predforme jednodelne strukture prazne se i zaptivaju.

[0078] Da bi se postiglo superplastično oblikovanje, predforma jednodelne strukture se postavlja između odgovarajućih oblikovanih podeljenih polovina kalupa. Struktura se zagreva i podvrgava superplastičnom deformisanju. Faza se takođe poželjno izvodi u sredini inertnog gasa da bi se sprečila brza oksidacija spoljašnje površine predforme jednodelne strukture. Deformacija se izvodi pritiskom radnog fluida dovedenog u šupljine u predformi jednodelne strukture tako da se obezbedi brzina superplastičnog deformisanja. Radni fluid je obično argon.

[0079] Usled deformisanja predforme oplata uzimaju oblik radne šupljine kalupa, a predforma jezgra formira kosa rebra za ukrućenje.

[0080] Nakon faze superplastičnog oblikovanja polugotova lopatica podvrgava se mehaničkoj obradi da bi se uklonio višak materijala ivica i ispusti na strani periferne ivice; ivice aeroprofila lopatice i donji deo lopatice na kraju su formirani. Dalje, sve cevi se razmontiraju, a preostali otvori se zatvaraju.

[0081] Fig.3 prikazuje poprečni presek aeroprofila lopatice nakon mašinske obrade.

[0082] Šuplja lopatica ventilatora izrađena je od legure titana. Najčešća legura titana korišćena za proizvodnju takvih proizvoda u Rusiji i inostranstvu je VT6 legura (Ti-6A1-4V). Međutim, ovo ne isključuje upotrebu drugih legura titana za proizvodnju lopatice.

[0083] Prema postupku ovog pronalaska, proizvodena je šuplja lopatica ventilatora sa složenim oblikom aeroprofila, a čija je konstrukcija u skladu sa opisom datim u [1]. Lopatica je izrađena od BT6 legure.

[0084] Primarne predforme oplata bile su ploče sa prosečnom veličinom zrna od 6 µm. Primarna predforma jezgra bila je lim debljine 1 mm i prosečne veličine zrna od 2 µm. Površine predformi oplata i jezgra bile su ravne po celoj oblasti.

[0085] Sa obzirom na prosečnu veličinu zrna u predformama oplata i jezgra, sledeći uslovi difuznog zavarivanja su odabrani:

temperatura zavarivanja 920°C;

1

izostatički pritisak primenjen na gomilu predformi 3 MPa;

vreme zavarivanja oko dva sata, sa izuzetkom vremena zagrevanja gomile za zavarivanje.

[0086] Faza davanja oblika aeroprofila predformi jednodelne strukture izvedena je na temperaturi od 800°C. Trajanje faze, sa izuzetkom vremena zagrevanja predforme jednodelne strukture, bilo je oko 30 min.

[0087] Faza raskidanja lepljive veze između predformi oplata i predforme jezgra i graničnog materijala izvedena je na sobnoj temperaturi, a pritisak argona odabran je prema potrebi za elastičnu deformaciju predformi oplata.

[0088] Superplastično oblikovanje izvedeno je na temperaturi od 920°C; argon je ubacivan pod pritiskom po određenom rasporedu da bi se obezbedila brzina deformacije predforme jezgra u superplastičnom režimu.

[0089] Superplastično oblikovanje trajalo je oko 2-3 sata.

[0090] U svim fazama postupka, povezanim sa dovođenjem argona u šupljine predforme jednodelne strukture, korišćena je cev koja je montirana u mestu odabranom na osnovu relacije date u opisu postupka, posebno, na rastojanju od spoljne granice izlazne ivice jednakom L/3, gde L predstavlja dužinu tetive lopatice duž periferne ivice.

[0091] U superplastičnom oblikovanju, ravnomerni rast predforme usisne strane je kontrolisan, naročito u početnom trenutku superplastičnog oblikovanja.

[0092] Usisna strana rasla je ravnomerno. Gotova lopatica podvrgnuta je ne-destruktivnom testiranju. Nije otkriveno nikakvo pogrešno poravnanje predforme jezgra u zoni kolektora. Oba ova faktora potvrdila su odsustvo "lepljenja" predformi jezgra i oplata u zoni kolektora u početnom trenutku superplastičnog oblikovanja.

[0093] Fig.4 prikazuje fotografiju gotove lopatice posle mašinske obrade.

[0094] Tehničko rešenje ovog pronalaska namenjeno je da se koristi u proizvodnji šuplje lopatice ventilatora na industrijskom nivou proizvodnje.

[0095] Navedene reference:

1. Patent RU 2354854, IPC F04D 29/32, F04D 29/38, 2009.

2. Evropski Patent EP 0568201 B1, IPC B21D 53/78, B21D 26/02, B21D 11/14.

3. Patent RU 2477191, IPC B21D 53/78, B21D 26/02, B23K 20/18, B23K 101/02, 2013.

4. Evropska prijava EP 2223767 A1, IPC B23K 20/02, B21D 53/78, F01D 5/14, B23K 20/18, B23P 15/04, 2010.

Claims (3)

1. 5. Patent RU 2291019, IPC B21D 53/78, B21D 26/02, 2007.

   6. Patent GB 2073631, B21D 11/14, 1980

   [0096] Dalje stanje tehnike može se naći u EP 1188497 A2 koji opisuje postupak za proizvodnju nekog proizvoda, na primer, lopatice ventilatora, difuznim spajanjem.

   Patentni zahtevi

   1. Postupak proizvodnje šuplje lopatice ventilatora za pogonski motor gasnu turbinu korišćenjem difuznog zavarivanja i superplastičnog oblikovanja, pri čemu pomenutu lopaticu čine oplate od legure titana i jezgro u obliku rebara za ukrućenje, pri čemu taj postupak obuhvata:

   sastavljanje predformi oplata (1, 2) i jezgra (3) u gomilu;

   preliminarno nanošenje graničnog materijala u unapred određenom obrascu mreže u oblasti gde površine predformi oplata i jezgra dolaze u kontakt, ali ne treba da se vežu pri difuznom zavarivanju, uključujući zonu kolektora; takođe

   snabdevanje predformi oplata žlebom (9, 10) i predforme jezgra prorezom (11) radi montiranja najmanje jedne cevi;

   zaptivanje gomile duž ivica osim na mestu gde će najmanje jedna cev da se montira; montiranje cevi (12) i njeno povezivanje sa zonom kolektora;

   uklanjanje kiseonika i veziva graničnog materijala iz šupljina gomile;

   potpuno zaptivanje gomile;

   zagrevanje gomile, i difuzno zavarivanje predformi u unapred određenim oblastima (13, 14), takođe duž ulazne ivice, izlazne ivice i periferne ivice, da bi se proizvela predforma jednodelne strukture;

   davanje oblika aeroprofila predformi jednodelne strukture;

   izvođenje superplastičnog oblikovanja dovođenjem radnog fluida u šupljine između predformi oplata i jezgra korišćenjem takođe najmanje jedne cevi,

   pri čemu je pomenuti postupak naznačen time, što

   zona kolektora izvedena je na strani gomile, koja odgovara perifernoj ivici lopatice; i, za montiranje jedne ili više cevi za dovođenje radnog fluida pri superplastičnom oblikovanju, žleb u predformama oplata i prorez u predformi jezgra izvedeni su na rastojanju od spoljne granice ulazne ivice ili izlazne ivice manjem od L/3, gde L predstavlja dužinu tetive lopatice duž periferne ivice.
2. 2. Postupak prema zahtevu 1, naznačen time, što

   kada se koristi jedna pojedinačna cev za dovođenje radnog fluida pri superplastičnom oblikovanju, žleb i prorez za montiranje cevi izvedeni su na rastojanju od spoljne granice ulazne ili izlazne ivice koje je jednako L/6, gde L predstavlja dužinu tetive lopatice duž periferne ivice.
3. 3. Postupak prema zahtevu 1, naznačen time, što

   kada se koriste dve cevi za dovođenje radnog fluida pri superplastičnom oblikovanju, žleb i prorez za montiranje jedne od cevi izvedeni su na rastojanju od spoljne granice ulazne ivice koje je jednako L/6, gde L predstavlja dužinu tetive lopatice duž periferne ivice, dok su žleb i prorez za montiranje druge cevi izvedeni na istom rastojanju od spoljne granice izlazne ivice.

   1