Устройство для отливки элемента газотурбинного двигателя (варианты) и литейный стержень из тугоплавкого металла (варианты)
Изобретение может быть использовано для получения отливок элементов турбинного двигателя. В первом варианте выполнения устройство для отливки содержит фигурный лист из тугоплавкого металла, имеющий несколько средств формирования каналов пленочного охлаждения. Упомянутые средства выполнены путем гибки листа из тугоплавкого металлического материала. Во втором варианте выполнения устройство содержит металлическую стенку, имеющую аэродинамический профиль, и прилегающий к металлической стенке литейный стержень из тугоплавкого металла, имеющий форму, соответствующую форме металлической стенки. Обеспечивается возможность отливки различных элементов газотурбинного двигателя. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к литейному стержню из тугоплавкого металла для использования в устройстве для отливки.
Уровень техники
Литейные стержни из тугоплавкого металла (RMC - refractory metal core) представляют собой литейные стержни на основе металла, обычно состоящие из молибдена с защитным покрытием. Тугоплавкий металл обеспечивает получение большей пластичности, чем обычные керамические материалы сердечников, в то время как покрытие (как правило, керамическое) защищает тугоплавкий металл от окисления на шаге обжига оболочковой литейной формы в процессе литья по выплавляемым моделям и предотвращает расплавление сердечника под действием жидкого металла. RMC имеют существенные преимущества при литьевом формовании компонентов с размерами и конфигурацией, недостижимыми при использовании керамических литейных стержней.
Один из способов использования металлических литейных стержней представлен в опубликованной патентной заявке США № 2003/0075300 под названием "Литейные стержни для применения в точном литье по выплавляемым моделям", авторы Шах и др., которая включена в настоящее описание путем ссылки.
Разработано много конструкций элементов для направления газового потока, в которых используется литейный стержень из тугоплавкого металла в сочетании с керамическим литейным стержнем. Керамический литейный стержень обладает многими преимуществами, которые делают предпочтительным его использование при изготовлении крупных деталей. Тугоплавкий металл обычно присоединялся к керамическому литьевому стержню и благодаря своей повышенной пластичности использовался для выполнения элементов с небольшими размерами и сложной конфигурацией.
Двумя элементами, в которых может не быть крупных охлаждаемых частей, но у которых проявляются преимущества либо улучшенного охлаждения, либо низкой стоимости, потенциально присущие RMC-технологии, являются наружные воздушные уплотнения лопаток (BOAS) и лопатки турбины низкого давления (LPT).
Раскрытие изобретения
Соответственно задачей настоящего изобретения является создание литейного стержня из тугоплавкого металла, который может быть использован при отливке элементов газотурбинного двигателя, например, BOAS, лопаток LPT и лопастей турбины.
Упомянутая задача достигается использованием литейного стержня из тугоплавкого металла в соответствии с настоящим изобретением.
В изобретении представлено устройство для отливки элемента газотурбинного двигателя, предназначенное для формования элементов газотурбинного двигателя. Устройство для отливки содержит имеющий определенную форму (фасонный) лист из тугоплавкого металла с группой средств образования каналов пленочного охлаждения, сформированных из тугоплавкого металлического материала посредством гибки упомянутого листа (т.е. образованные изогнутостями упомянутого листа).
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения упомянутый лист тугоплавкого металла имеет переднюю кромку и группу согнутых частей, прилегающих к упомянутой передней кромке; или упомянутый лист тугоплавкого металла имеет переднюю кромку, заднюю кромку, центральную часть между упомянутыми передней и задней кромками и группу согнутых частей в упомянутой центральной части. Упомянутый лист тугоплавкого металла выполнен из молибдена или молибденового сплава или из материала, выбранного из группы, включающей тантал, ниобий, вольфрам, их сплавы и их смеси.
Настоящее изобретение также направлено на создание устройства для отливки для формования элемента газотурбинного двигателя, которое содержит металлическую стенку, имеющую аэродинамический профиль, и литейный стержень из тугоплавкого металла, имеющий форму, соответствующую форме упомянутой металлической стенки и размещенный смежно (прилегающий к) с ней.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения упомянутая стенка из тугоплавкого металла имеет группу средств охлаждения, сформированных как одно целое с упомянутой стенкой. Устройство дополнительно содержит металлическую структуру внутри упомянутого литейного стержня из тугоплавкого металла. Упомянутый литейный стержень из тугоплавкого металла может быть выполнен из двух заготовок (кусков) листового материала, скрепленных друг с другом в ряде точек, или из цельной поковки тугоплавкого металла. Литейный стержень из тугоплавкого металла выполняют из материала, выбранного из группы, включающей молибден, тантал, ниобий, вольфрам, их сплавы и их смеси.
Кроме того, настоящее изобретение относится к литейному стержню из тугоплавкого металла, предназначенному для использования в устройстве для отливки и имеющему новые конфигурации. Литейный стержень содержит наружную поверхность, сформированную из тугоплавкого металлического материала и образующую внутреннюю полость, которая заполнена инертным материалом, выбранным из группы, включающей сжатый инертный газ, песок и керамический порошок. В одном из предпочтительных вариантов выполнения упомянутая наружная поверхность имеет группу выступов или углублений, например, литейный стержень из тугоплавкого металла содержит баллон или подушку из тугоплавкого металла с выступами или углублениями. Внутренняя полость заполнена инертным газом под давлением, песком или керамическим порошком.
В другом варианте выполнения в изобретении представлен литейный стержень из тугоплавкого металла, предназначенный для использования в устройстве для отливки, который содержит сотовую структуру, выполненную из тугоплавкого листового материала и имеющую ребра и группу впадин, опирающихся изнутри на ребра.
Другие подробности, относящиеся к литейному стержню из тугоплавкого металла, а также связанные с ним другие цели и преимущества изложены в приведенном ниже подробном описании и приложенных чертежах, на которых одни и те же элементы обозначены одинаковыми цифрами.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 схематически представлен литейный стержень из тугоплавкого металла для формования элемента турбинного двигателя, имеющего средства охлаждения;
На Фиг.2 схематически представлен второй вариант выполнения литейного стержня из тугоплавкого металла для формования элемента турбинного двигателя со средствами охлаждения;
На Фиг.3 схематически представлен состоящий из двух частей литейный стержень из тугоплавкого металла для формования элемента турбинного двигателя;
На Фиг.4 схематически представлена сплошная поковка из тугоплавкого металла для формования элемента турбинного двигателя;
На Фиг.5 изображен литейный стержень из тугоплавкого металла, имеющего конфигурацию баллона или подушки; и
На Фиг.6 изображен литейный стержень из тугоплавкого металла, имеющий сотовую структуру.
Осуществление изобретения
Как упоминалось ранее, в настоящем изобретении представлено устройство для отливки (литейное устройство) для формования элементов (компонентов) турбинного двигателя, например, наружных воздушных уплотнений лопаток и лопаток турбины низкого давления. При необходимости устройство для отливки может быть использовано для изготовления элементов газотурбинного двигателя со средствами охлаждения.
На Фиг.1 представлен первый вариант выполнения устройства для отливки. В этом варианте выполнения используется литейный стержень 10 из тугоплавкого металла. Литейный стержень 10 выполнен из металлического листа из тугоплавкого металла, выбранного из группы, состоящей из молибдена, тантала, вольфрама, ниобия, их сплавов и смесей. Одним из материалов, который может быть использован для литейного стержня 10, является сплав молибдена с рением. В предпочтительном варианте выполнения литейный стержень 10 из тугоплавкого металла покрыт керамическим материалом, например покрытием из оксида.
Литейный стержень 10 имеет часть 12 передней кромки, часть 14 задней кромки и центральную часть 16, расположенную между частью 12 передней кромки и частью 14 задней кромки. Литейный стержень 10 может иметь несколько согнутых частей 18 и 20 в области части 12 передней кромки. Согнутые части 18 и 20 используются для формования каналов охлаждения. При необходимости, литейный стержень 10 может также иметь несколько согнутых частей 22 и 24 вдоль центральной части 16 для формования дополнительных каналов пленочного охлаждения. Число согнутых частей и расположение согнутых частей зависит от функции формуемого элемента газотурбинного двигателя и необходимости обеспечения пленочного охлаждения на поверхности элемента.
При необходимости вырезанием частей металлического листа при формовании литейного стержня 10 могут быть получены и другие средства (элементы).
На Фиг.2 представлено устройство для отливки, включающее внешнюю стенку 30, выполненную из металла или сплава металла, например, суперсплава на основе никеля. Для создания средств охлаждения полый литейный стержень 32 формуется из листа тугоплавкого материала и располагается так, что прилегает к внутренней поверхности 34 стенки 30. Лист, из которого формуется литейный стержень 32, может быть выполнен из любого тугоплавкого материала, упомянутого выше. Как показано на Фиг.2, форма полого литейного стержня 32 соответствует форме, определяемой наружной стенкой 30.
Для образования средств охлаждения в полом литейном стержне 32 может быть сделан ряд вырезов 36 для создания каналов охлаждения, необходимых для усиления конвекции. При необходимости полый литейный стержень 32 может иметь на наружной и/или внутренней поверхности керамическое покрытие.
Устройство для отливки может также содержать внутренний металлический элемент 38, форма которого соответствует форме стенки 30 и полого литейного стержня 32. Компонент 38 может быть выполнен из любого подходящего металлического материала, используемого в этой области.
На Фиг.3 показано устройство для отливки, имеющее наружную стенку 30, форма которой соответствует форме поверхности аэродинамической части элемента турбинного двигателя. Как показано на чертеже, используется литейный стержень 32 из тугоплавкого металла, форма которого соответствует форме аэродинамической части. Литейный стержень 32 из тугоплавкого металла может быть выполнен из любого материала из перечисленных выше. Как показано на чертеже, литейный стержень 32 может быть выполнен из двух листов 40 и 42 из материала на тугоплавкой основе, соединенных в двух местах - 44 и 46. Соединение листов 40 и 42 может быть выполнено любым подходящим известным способом, например сваркой, склеиванием или механическим креплением. В устройстве, показанном на Фиг.3, внутренний элемент 38 может быть исключен. При необходимости каждый из листов 40 и 42 может иметь керамическое покрытие на своих внутренней и/или наружной поверхностях.
В варианте выполнения, показанном на Фиг.4, устройство для отливки включает наружную стенку 30 в форме аэродинамической поверхности и литейный стержень 32 из тугоплавкого металла, форма которого соответствует форме наружной стенки. Как и раньше, литейный стержень 32 может быть выполнен из перечисленных выше тугоплавких материалов. В данном варианте выполнения литейный стержень 32 выполнен из сплошной поковки из тугоплавкого металла. При необходимости литейный стержень 32 может иметь керамическое покрытие на наружных поверхностях.
Как показано на Фиг.5, сплошные керамические литейные стержни из керамики в устройствах для литья можно заменить на тонкостенные структуры (конструкции) 50 из тугоплавкого металла в форме баллона или подушки. Структура 50 может быть выполнена из любого описанного выше тугоплавкого металлического материала. Структура 50 может быть отформована либо глубокой вытяжкой, либо вытягиванием стенок газом высокого давления по форме внутренней полости пресс-формы. Форма может поддерживаться либо сжатым газом, либо заполнением инертным материалом, например, сжатым инертным газом, песком или керамическим порошком. Когда, после завершения процесса формования (например, нижней части лопатки), достаточная часть поверхности структуры 50 открывается снаружи, сжатый газ или заполняющий материал может быть удален, оставляя для выщелачивания только тонкую оболочку. При необходимости структура 50 может иметь ряд углублений и/или выступов 52.
Возможно также создать сотовые структуры (конструкции) 60 литейного стержня из тугоплавкого металла путем обертывания тонкой фольгой тугоплавкого металла вокруг сот или вспененного материала, как это показано на Фиг.6, и придания необходимой формы обжимом в пресс-форме с внутренними полостями. Это эквивалентно созданию упаковки из гофрированного картона с использованием листов из тугоплавкого металла. В каждой структуре может быть ряд впадин (углублений) 62, опирающихся внутри на ребра или соты 64. При использовании такого подхода возможно сократить время, требующееся на выщелачивание литейного стержня. Поскольку объем материала литейного стержня меньше объема полости литейного стержня, также возможно использовать окисление материала литейного стержня, несмотря на то что объемное расширение оксида сравнимо с расширением исходного металла.
Очевидно, что здесь представлен согласно настоящему изобретению литейный стержень из тугоплавкого металла, полностью соответствующий заявленным выше целям, средствам и преимуществам. В то время как настоящее изобретение было описано применительно к конкретному варианту его выполнения, для специалиста, ознакомившегося с приведенным описанием, будут очевидны и другие его варианты, модификации и изменения. Соответственно предполагается, что изобретение охватывает все эти варианты, модификации и изменения, попадающие в область притязаний, определяемую приложенной формулой.
1. Устройство для отливки элемента газотурбинного двигателя, отличающееся тем, что оно содержит имеющий определенную форму лист из тугоплавкого металла с группой средств образования каналов пленочного охлаждения, сформированных из тугоплавкого металлического материала посредством гибки упомянутого листа.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый лист тугоплавкого металла имеет переднюю кромку и группу согнутых частей, прилегающих к упомянутой передней кромке.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый лист тугоплавкого металла имеет переднюю кромку, заднюю кромку, центральную часть между упомянутыми передней и задней кромками и группу согнутых частей в упомянутой центральной части.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый лист тугоплавкого металла выполнен из молибдена или молибденового сплава.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый лист тугоплавкого металла выполнен из материала, выбранного из группы, включающей тантал, ниобий, вольфрам, их сплавы и их смеси.
6. Устройство для отливки элемента газотурбинного двигателя, отличающееся тем, что оно содержит металлическую стенку, имеющую аэродинамический профиль, и литейный стержень из тугоплавкого металла, имеющий форму, соответствующую форме упомянутой металлической стенки и размещенный смежно с ней.
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что упомянутая стенка из тугоплавкого металла имеет группу средств охлаждения, сформированных как одно целое с упомянутой стенкой.
8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит металлическую структуру внутри упомянутого литейного стержня из тугоплавкого металла.
9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что упомянутый литейный стержень из тугоплавкого металла выполнен из двух заготовок листового материала, скрепленных друг с другом в ряде точек.
10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что упомянутый литейный стержень из тугоплавкого металла выполнен из цельной поковки тугоплавкого металла.
11. Устройство по п.6, отличающееся тем, что упомянутый литейный стержень из тугоплавкого металла выполнен из материала, выбранного из группы, включающей молибден, тантал, ниобий, вольфрам, их сплавы и их смеси.
12. Литейный стержень из тугоплавкого металла, предназначенный для использования в устройстве для отливки элемента газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что он содержит наружную поверхность, сформированную из тугоплавкого металлического материала и образующую внутреннюю полость, которая заполнена инертным материалом, выбранным из группы, включающей сжатый инертный газ, песок и керамический порошок.
13. Литейный стержень по п.12, отличающийся тем, что упомянутая наружная поверхность имеет группу выступов.
14. Литейный стержень по п.12, отличающийся тем, что упомянутая наружная поверхность имеет группу углублений.
15. Литейный стержень из тугоплавкого металла, предназначенный для использования в устройстве для отливки элемента газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что он содержит сотовую структуру, выполненную из тугоплавкого листового материала и имеющую ребра и группу впадин, опирающихся изнутри на ребра.
