TECHNIKA I EKSPLOATACJA
Płk rez. prof. dr hab. inż. Jan Godzimirski
Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Techniki Lotniczej
Nowe technologie produkcji łopatek
lotniczych silników turbinowych
opatki to bardzo charakterystyczne czę- korozji elektrochemicznej i gazowej wyso-
ŁS
ci lotniczych silników turbinowych. Są kotemperaturowej,
to zarazem najbardziej obciążone elementy sil- zużyciu ciernokorozyjnemu (frettingowi)
nika. Od ich trwałoS
ci zależy resurs silnika. w miejscach połączeń (zamków, półek ban-
We współczesnych silnikach może być od dażowych i antywibracyjnych).
2000 do 3500 łopatek. Zważywszy na tak dużą W jednakowych warunkach obciążenia
liczbę tych częS
ci w porównaniu z liczbą in- trwałoS
ć i niezawodnoS
ć łopatek sprężarki i ło-
nych częS
ci silnika, na niezawodnoS
ć i trwa- patek turbiny zależą od wielu czynników, mię-
łoS
ć silnika w głównej mierze wpływa więc nie- dzy innymi od:
zawodnoS
ć łopatek. Resurs lotniczych silników cech konstrukcyjnych łopatek zapewniają-
turbinowych stosowanych w wojskowych stat- cych wyrównanie występujących naprężeń
kach powietrznych wynosi od 500 do 1000 i brak ich koncentracji,
godzin, a w cywilnych  od 10 000 do 20 000 zastosowanych materiałów i ich stanu po
godzin. Ze względu na to, że w silnikach turbi- ukształtowaniu półfabrykatu,
nowych łopatki montowane są tak licznie, wy- stanu uzyskanej warstwy wierzchniej (chro-
twarza się je w warunkach produkcji wielkose- powatoS
ci, znaku i wartoS
ci naprężeń
ryjnej, nawet wtedy, gdy produkcja silników jest szczątkowych, stopnia umocnienia itp.),
jednostkowa. Koszt i czasochłonnoS
ć wytwa- rodzaju i właS
ciwoS
ci pokrycia.
rzania łopatek stanowią od 20 do 35% kosztu Trzy ostatnie z wymienionych czynników
i czasochłonnoS
ci produkcji silnika. są bezpoS
rednio związane z procesem produk-
Podczas eksploatacji łopatki poddawane są: cyjnym. Łopatki można sklasyfikować, przyj-
rozciąganiu i zginaniu pod wpływem sił od- mując za kryterium:
S
rodkowych, przeznaczenie  wirnikowe (robocze) łopat-
zginaniu i skręcaniu pod wpływem sił ae- ki sprężarki, wirnikowe łopatki turbiny,
rodynamicznych, łopatki kierujące sprężarki, łopatki dyszo-
wpływowi zmiennych naprężeń spowodo- we turbiny,
wanych drganiami, cechy konstrukcyjne  pełne, wydrążone,
wpływowi podwyższonej lub wysokiej tem- wydrążone z deflektorem, z kanałami, spa-
peratury (od 300 do 600 �C w wypadku jane z dwóch połówek, chłodzone trans-
łopatek sprężarek, od 800 do 1200 �C w wy- piracyjnie, polikrystaliczne, monokrysta-
padku łopatek turbin), liczne,
zmęczeniu cieplnemu spowodowanemu metody wykonania  przerabiane plastycz-
gwałtownym zmianom temperatury w sta- nie (kute, walcowane, prasowane), odlewa-
nach przejS
ciowych silnika, ne, spawane, spiekane.
erozji pyłowej, wodnej (deszczowej) i ga- Elementami konstrukcyjnymi łopatek są:
zowej, pióro, zamek, półka zamka oraz ewentualnie
Przegląd Sił Powietrznych 63
Rys. 1. Przykłady łopatek wirnikowych: a) wielokanałowa chłodzona z zamkiem jodełkowym, b) jednokana-
łowa chłodzona, c) z wydłużonym zamkiem i półką bandaża, d) z rurką bandaża, e) z półką antywibracyjną,
f) z zamkiem typu  jaskółczy ogon , 1  pióro, 2  półka, 3  zamek, 4  półka bandaża, 5  występ
labiryntu, 6  labirynt czołowy, 7  wydłużenie zamka, 8  otwór doprowadzenia powietrza, 9  rurka bandaża,
10  półka antywibracyjna
półka bandaża i półka antywibracyjna (rys. 1). ich kąt skręcenia dochodzi do 40�, a gruboS
ć
Wypukła częS
ć pióra nazywana jest grzbietem, krawędzi nie jest większa niż 0,1  0,25 mm.
a wklęsła korytem. Krawędx
pióra od strony W silnikach nowej generacji, w celu podwyż-
wejS
cia gazów nazywana jest krawędzią na- szenia sprawnoS
ci sprężarek i wentylatorów
tarcia, a przeciwległa krawędzią spływu. oraz wyeliminowania półek antywibracyjnych
Łopatki wirnikowe mają bardziej złożony z zachowaniem niezbędnej sztywnoS
ci, stoso-
kształt i narażone są na większe obciążenia wane są łopatki szerokocięciwowe, często
mechaniczne niż łopatki kierujące, dlatego o bardzo złożonej geometrii przekroju (rys. 2).
wymagają stosowania szczególnych techno- Pióra wirnikowych łopatek turbin mają zmien-
logii produkcyjnych, zapewniających wyma- ne przekroje wzdłuż długoS
ci pióra i skręce-
ganą wytrzymałoS
ć i niezawodnoS
ć. Pióra wir- nia dochodzące do 60�. W porównaniu z ło-
nikowych łopatek sprężarek mają zmienne patkami sprężarek przekroje łopatek turbin
przekroje i promienie krzywizn wzdłuż pióra, są grubsze, co umożliwia zastosowanie we-
wnętrznych kanałów do chłodzenia łopatek.
Pióra łopatek są wykonywane z tolerancją
rzędu 0,1 mm, a ich chropowatoS
ć wynosi
Ra = 0,08 - 0,63 mm. Zamki natomiast wyko-
nywane są z tolerancją rzędu 0,01mm, a ich
chropowatoS
ć może wynosić Ra = 1,25 mm.
Wytwarzanie łopatek stanowi szczególny
etap w produkcji lotniczych silników turbino-
wych. Wynika to z:
złożonej i różnorodnej geometrii tych wy-
robów,
wymagań dotyczących dokładnoS
ci wyko-
nania i stanu warstwy wierzchniej,
stosowania drogich i trudno obrabialnych
materiałów,
dużej pracochłonnoS
ci,
koniecznoS
ci stosowania do obróbki i kon-
troli specjalistycznego oprzyrządowania oraz
Rys. 2. Łopatka wentylatora silnika TREND 5000 zatrudniania wykwalifikowanego personelu.
64 Marzec 2006
Wybrane technologie produkcji gotowanie gotowego produktu o wymaga-
wirnikowych łopatek sprężarkowych nych wymiarach geometrycznych,
możliwoS
ć wykonania półfabrykatu z ma-
Wirnikowe łopatki sprężarkowe mogą róż- teriałów stosowanych na łopatki,
nić się wymiarami, kształtem oraz sposobem uzyskanie produktu o optymalnej struktu-
połączenia z tarczą (rys. 3). Przeciętna wyso- rze i właS
ciwoS
ciach fizyczno-mechanicz-
koS
ć typowych łopatek sprężarkowych zawie- nych,
ra się w granicach 60 - 150 mm, ale wysokoS
ć uzyskanie półfabrykatu bez potencjalnych
łopatek wentylatorowych może wynosić do ognisk inicjacji zniszczenia (wad),
1000 mm. JeS
li temperatura pracy łopatek minimalne zużycie materiału,
sprężarkowych nie przekracza 500 �C, są one jak najmniejsze czasochłonnoS
ć i koszty,
wytwarzane ze stopów tytanu, jeS
li zakres tem- uzyskanie prefabrykatu wymagającego je-
peratury pracy wynosi 500  650 �C, łopatki dynie w minimalnym zakresie obróbki me-
wytwarza się ze specjalnych stali żarowytrzy- chanicznej,
małych i żaroodpornych, jeS
li natomiast tem- uzyskanie prefabrykatu wymagającego je-
peratura pracy jest wyższa niż 650 �C  to ze dynie w minimalnym zakresie obróbki ręcz-
stopów żarowytrzymałych i żaroodpornych na nej.
osnowie niklu. Podejmowane są próby  trze- Obecnie najczęS
ciej stosuje się następują-
ba zaznaczyć, że obiecujące  wytwarzania ce metody przygotowania półfabrykatów łopa-
łopatek wentylatorowych z kompozytów me- tek sprężarkowych:
talicznych aluminium-bor, a ostatnich stopni matrycowe prasowanie na gorąco na pra-
sprężarek z intermetali tytan-aluminium. sach S
rubowych lub korbowych,
W procesie wytwarzania łopatek sprężar- izotermiczne prasowanie (matryce podgrza-
kowych bardzo ważne jest przygotowanie ne do temperatury surówki),
półfabrykatu, gdyż od niego w dużym stop- dynamiczne wyciskanie,
niu zależy struktura materiału. Proces przy- walcowanie na gorąco lub izotermiczne.
gotowania półfabrykatu powinien zapewniać: Surówką do wykonania półfabrykatu jest
uzyskanie półfabrykatu z takimi naddatka- walec o okreS
lonych wymiarach i chropowa-
mi technologicznymi, które zapewnią przy- toS
ci Rz d" 40 mm wykonany z walcowanego
Rys. 3. Łopatki sprężarkowe:
1 - 7  grupy wymiarowe
łopatek
Przegląd Sił Powietrznych 65
na gorąco pręta. Na powierzchni surówki nie nieważ czas nagrzewania jest krótki (0,5 -
może być pęknięć, włosowatoS
ci, wgnieceń - 2 min), nie tworzy się zgorzelina ani nie
czy innych wad. Surówka jest również kon- zmieniają się właS
ciwoS
ci chemiczne warstwy
trolowana ultradx
więkami w celu wykrycia wierzchniej. Spęczanie zachodzi w jednej
wad wewnętrznych. operacji niezależnie od wielkoS
ci odkształce-
Kucie matrycowe obejmuje kształtowanie nia, gdyż nie ma ryzyka utraty statecznoS
ci
wstępne, matrycowanie wstępne i matrycowa- (wyboczenia), bo materiał jest nagrzewany
nie ostateczne. Kształtowanie wstępne półfa- i odkształca się stopniowo.
brykatów łopatek polega na spęczeniu mate- Półfabrykaty łopatek można wstępnie przy-
riału pod zamek i ewentualnie półki. Spęcza- gotować, stosując również metodę wzdłuż-
nie można wykonywać, stosując metodę spę- nego walcowania cyklicznego (rys. 5). Pod-
czania na kowarkach poziomych lub metodę grzaną surówkę, w postaci długiego pręta (do
walcowania na gorąco. Znane są i bardziej 1800 mm), zabezpiecza się pokryciem, które
wydajne metody: spęczanie elektrycznoopo- spełnia funkcję smaru, izolacji termicznej i ba-
rowe i walcowanie cykliczne. riery ochronnej przed korozją, nasycaniem ga-
W trakcie elektrospęczania dokonuje się zami oraz wypalaniem dodatków stopowych,
elektrooporowego nagrzewania tylko tej czę- a następnie przepuszcza przez odpowiednie wy-
S
ci surówki, która podlega deformacji (rys. 4), profilowane walce. Podczas jednego obrotu
materiał ulega deformacji w miarę nagrzewa- wałków następuje przewalcowanie i oddziele-
nia. Specjalne urządzenia pracują w cyklu nie od surówki kilku półfabrykatów. PierS
cie-
półautomatycznym  półfabrykat jest moco- nie ograniczające zapobiegają powstawaniu
wany i zdejmowany ręcznie, cykl roboczy zaS
wypływek. Jest to metoda wysoko wydajna,
jest sterowany automatycznie. Parametry elek- opłacalna przy dużej produkcji.
trospęczania dobierane są eksperymentalnie. Wstępnie ukształtowane półfabrykaty łopa-
PrawidłowoS
ć doboru parametrów ocenia się tek poddawane są prasowaniu matrycowemu
na podstawie kształtu i wymiarów oraz struk-  zwykłemu lub izotermicznemu. Matrycowa-
tury materiału spęczanej częS
ci. Spęczać moż- nie izotermiczne jest o wiele korzystniejsze
na końce pręta, a także jego S
rodkową częS
ć w porównaniu z matrycowaniem zwykłym.
(np. pod półkę antywibracyjną). Ta metoda Pozwala uzyskać przy jednym lub niewielkiej
spęczania ma wiele zalet, między innymi tę, liczbie przejS
ć bardzo dokładne półfabrykaty
że nie trzeba ogrzewać surówki w piecu. Po- łopatek różnego kształtu i wymiarów, z pół-
kami antywibracyjnymi włącznie. Podczas
matrycowania izotermicznego półfabrykatów
Rys. 5. Schemat wzdłużnego walcowania cyklicz-
Rys.4. Schemat spęczania elektrooporowego: 1  nego: 1, 2  rolki robocze, 3, 4  elementy ograni-
surówka, 2  zacisk promieniowy, 3  styk oporowy, czające, 5, 6  wejS
ciowa i wyjS
ciowa prowadnica,
P  siła docisku, T  siła tarcia, Q  siła spęczania 7  półfabrykat
66 Marzec 2006
ze stopów tytanu zarówno surówka, jak i ma-
tryce podgrzewane są do temperatury
930ą10 �C. Na koniec półfabrykaty są trawio-
ne w celu usunięcia warstwy wierzchniej
utwardzonej poprzez dyfuzję gazów.
Ciekawą metodą wytwarzania dokładnych
półfabrykatów łopatek sprężarkowych o dłu-
goS
ci do 150 mm ze stopów tytanu lub żaro-
wytrzymałych stali jest dynamiczne wyciska-
nie (rys. 6). Podgrzana surówka wtłaczana jest
do gniazda matrycy z dużą prędkoS
cią  od
35 do 40 m/s. Matryca składa się z dwóch czę-
S
ci, których powierzchnie zewnętrzne po zło-
Rys. 6. Schemat wyciskania dynamicznego (a)
żeniu mają kształt stożka. Dzielona matryca jest
i uzyskany półfabrykat (b): 1, 2  rozkładane czę-
osadzana w sztywnym korpusie. W płaszczyx
-
S
ci matrycy, 3  gniazdo matrycy, 4 - korpus, 5 
nie podziału matrycy wykonane jest gniazdo,
surówka, 6  bijak, 7  docisk matrycy, 8 - cięgno
którego kształt odpowiada kształtowi wytwa-
rzanego półfabrykatu. Surówka, nagrzana do lerowaniu (półfabrykaty precyzyjne). Frezo-
odpowiedniej temperatury, jest odkształcana wanie i szlifowanie piór jest sterowane nume-
w wyniku dynamicznego uderzania w nią bija- rycznie. Do szlifowania wykorzystywane są
ka. Uderzanie z dużą prędkoS
cią wywołuje szlifierki taS
mowe, gdyż szlifowanie na takich
w materiale naprężenia, które umożliwiają od- szlifierkach powoduje powstawanie w war-
kształcenie tego materiału rzędu 90%. Warun- stwie wierzchniej pióra korzystnych naprężeń
ki przemieszczania materiału polepszają się, co S
ciskających. Frezowanie często zastępuje się
umożliwia z kolei zapełnienie trudno dostęp- kształtową obróbką elektrochemiczną, a szli-
nych przestrzeni matrycy podgrzanej do tem- fowanie i polerowanie szlifowaniem elektro-
peratury 300 - 350 �C. Pozwala to na wykona- chemicznym. W produkcji łopatek sprężarko-
nie dokładnych, cienkoS
ciennych półfabryka- wych wykonywanych bez półek stosuje się
tów z naddatkami na piórze rzędu dziesiątych czasami precyzyjne walcowanie na zimno.
częS
ci milimetra na stronę. Do wyjęcia półfa- Końcową operacją obróbki pióra często jest
brykatu służy cięgno, za pomocą którego ma- obróbka wibroS
cierna (odmiana obróbki lux
-
tryca jest rozkładana. Po wyjęciu ukształtowa- nymi kształtkami S
ciernymi). Aby zwiększyć
nego półfabrykatu, przesmarowaniu gniazda trwałoS
ć i niezawodnoS
ć łopatek sprężarko-
i wciągnięciu matrycy w gniazdo korpusu cykl wych, powierzchnie piór umacnia się zgnio-
kształtowania można powtórzyć. tem, na powierzchnie piór nanosi się pokry-
W zależnoS
ci od metody wytwarzania pół- cia ochronne, wprowadza jonowo dodatki sto-
fabrykaty łopatek wykonywane są jako pół- powe, wykonuje srebrzenie roboczych po-
precyzyjne, z naddatkami pióra od 1,5 do wierzchni zamków oraz nanosi pokrycia od-
2,5 mm na stronę, lub precyzyjne, z naddat- porne na S
cieranie na stykające się powierzch-
kami od 0,2 do 0,6 mm. W pierwszej kolejno- nie półek antywibracyjnych.
S
ci obrabiane są zamki łopatek. Obróbkę wy-
konuje się metodami: frezowania, przeciąga- Wybrane technologie produkcji
nia lub toczenia i szlifowania. Obrobiony za- łopatek turbinowych
mek staje się bazą do obróbki pióra. Obróbka
piór, w zależnoS
ci od dokładnoS
ci wykonania Łopatki wirnikowe turbin są najbardziej
półfabrykatów łopatek, polega na frezowaniu, obciążonymi częS
ciami lotniczych silników
szlifowaniu i ewentualnie polerowaniu (pół- turbinowych. Narażone są na duże obciąże-
fabrykaty półprecyzyjne) lub szlifowaniu i po- nia mechaniczne w wysokiej temperaturze
Przegląd Sił Powietrznych 67
nałami wewnętrznymi. Znane są różne meto-
dy chłodzenia łopatek (rys. 8):
wielokanałowe,
deflektorowe,
deflektorowe z perforacją,
wielokanałowe (bezdeflektorowe) z perfo-
racją,
kanałowe z porowatą S
cianką.
Wykonanie chłodzenia wielokanałowego
łopatek wzdłuż ich pióra jest najprostsze tech-
nologicznie, ale nie zapewnia równomierne-
go chłodzenia, zwłaszcza krawędzi natarcia
i krawędzi spływu. Taką metodę chłodzenia
można stosować, gdy temperatura gazów
Rys. 7. Łopatki turbiny: 1 - 4  grupy wymiarowe przed turbiną nie jest wyższa niż 1180 �C. Za-
łopatek
stosowanie deflektorów i otworków wypusz-
czajacych powietrze gwarantuje bardziej rów-
oraz na agresywne oddziaływanie produktów nomierne pole temperatury łopatki i bardziej
spalania. Łopatki turbin mogą znacznie róż- intensywne chłodzenie, ale jest to metoda trud-
nić się kształtem i wymiarami (rys. 7). Więk- na technologicznie. Chłodzenie z zastosowa-
szoS
ć łopatek turbin ma długoS
ć od 60 do niem perforacji powoduje nie tylko odprowa-
250 mm. Cechą charakterystyczną wirniko- dzenie ciepła, ale również powstanie warstew-
wych łopatek turbinowych jest zamek wielo- ki zimniejszego powietrza wokół pióra łopat-
trapezowy (jodełkowy), który za pomocą od 2 ki, a to zabezpiecza łopatkę przed nagrzewa-
do 5 par  zębów przekazuje równomiernie ob- niem. Rozmieszczając otworki w odpowied-
ciążenie na tarczę turbiny. Zamek wykonywa- ni sposób, można planować proces chłodze-
ny jest z dokładnoS
cią większą niż ą0,01 mm. nia. Zapotrzebowanie na powietrze chłodzą-
Materiały stosowane na łopatki turbin ce w tym wypadku jest dwukrotnie większe
muszą spełniać takie podstawowe wymagania,
jak:
wysoka wytrzymałoS
ć i sztywnoS
ć w wy-
sokiej temperaturze,
żarowytrzymałoS
ć (odpornoS
ć na pełzanie,
odpornoS
ć na zmęczenie cieplne),
żaroodpornoS
ć (odpornoS
ć na wysokotem-
peraturową korozję gazową),
odpornoS
ć na erozję,
podatnoS
ć technologiczna.
Te wymagania spełniają do temperatury
około 1100 �C materiały, które obecnie sto-
suje się na łopatki turbin, czyli złożone stopy
na osnowie niklu lub kobaltu z licznymi skład-
nikami i dodatkami stopowymi (Ti, Al, Mo,
W, Nb, Zr, B, V, Y, La, Re Ta i innymi). Ze
względu na koniecznoS
ć zwiększania tempe-
Rys. 8. Chłodzone wirnikowe łopatki turbin: I  wie-
ratury gazów przed turbiną łopatki turbin
lokanałowe (a, b, c), II  deflektorowe (d, e),
współczesnych silników są zazwyczaj łopat-
III - bezdeflektorowe z perforacją (f, g), z porowatą
kami chłodzonymi, a więc wykonanymi z ka- S
cianką (h)
68 Marzec 2006
niż przy chłodzeniu konwencjonalnym (wie- cena jest wysoka. Ponadto odlewanie ze ste-
lokanałowym). rowanym chłodzeniem umożliwia uzyskiwa-
Zastosowanie porowatych S
cianek pióra nie łopatek o ukierunkowanej (kolumnowej)
łopatki, tzw. chłodzenia efuzyjnego, nie tylko krystalizacji oraz łopatek monokrystalitycz-
pozwala efektywnie chłodzić S
ciankę łopatki, nych. Takie struktury materiału są w wysokim
ale powoduje też, że wokół niej wytwarza się stopniu żarowytrzymałe.
bardzo równomierna warstewka ochronna Powszechnie łopatki odlewane są metodą
powietrza. Jako zaletę tej metody wskazuje wytapianych modeli (do form skorupowych).
się małe zapotrzebowanie na powietrze chło- Aby uzyskać wewnętrzne kanały chłodzące,
dzące, od 1,5 do 3 razy mniejsze w porówna- w formach muszą być umieszczone specjalne
niu z metodą chłodzenia klasycznego. Proble- rdzenie ceramiczne (rys. 9). Wykonuje się je
mem jest jednak wytwarzanie materiałów metodą spiekania proszków. Materiał rdzenio-
o porowatoS
ci 50% i porach o S
rednicy od 50 wy powinien dokładnie wypełniać formę do
do 100 mm oraz możliwoS
ć szybkiego zamy- prasowania i dobrze odwzorowywać jej we-
kania porów produktami spalania. Taki spo- wnętrzny profil. Powinien wykazywać niską
sób chłodzenia wymaga również dokładnej fil- adhezję do formy, aby możliwe było wyjęcie
tracji (odpylania) powietrza chłodzącego. sprasowanego rdzenia. Ponadto materiał po-
Łopatki dyszowe turbin często wykonuje się winien charakteryzować się dostateczną wy-
jako chłodzone deflektorowo z perforacją. trzymałoS
cią po sprasowaniu, a odpowiednią
W łopatkach wirnikowych zazwyczaj stosuje po spiekaniu oraz małym skurczem (od 0,3
się chłodzenie wielokanałowe z perforacją. do 0,5%). Zbyt niska wytrzymałoS
ć rdzenia
Liczba wykonywanych otworków o S
rednicy w temperaturze zalewania płynnym stopem
od 0,3 do 0,6 mm wynosi do 100 w piórze grozi wyboczeniem rdzenia, a zbyt wysoka 
jednej łopatki. powstaniem pęknięć. Przyczyną wybrakowa-
Obecnie łopatki turbin wykonuje się głów- nia prawie 50% rdzeni jest wyboczenie, prze-
nie metodą precyzyjnego odlewania próżnio- sunięcie lub popękanie rdzenia w trakcie wy-
wego. Spowodowane jest to wieloma czynni- palania formy lub podczas jej zalewania. Ma-
kami. Stopy żarowytrzymałe stosowane na teriał rdzeniowy powinien być rozpuszczalny
łopatki są materiałami bardzo x
le skrawalny- w roztworach alkalicznych, gdyż rdzenie są
mi, a odlewanie precyzyjne pozwala uzyski- usuwane z odlewów metodą trawienia.
wać pióra łopatek z taką dokładnoS
cią, że nie Odlewanie metodą wytapianych modeli sto-
wymagają one dodatkowych obróbek kształ- sowane jest w przemyS
le, nie tylko lotniczym,
tujących. Odlewanie próżniowe zapobiega od wielu lat. Badania są ukierunkowane na
utlenianiu materiału, w związku z czym nad- modyfikowanie i opracowywanie nowych ma-
datki technologiczne i wybrakowane łopatki teriałów stosowanych w modelach. Obecnie
można ponownie wykorzystywać jako mate- poza materiałami wytapianymi na bazie para-
riał konstrukcyjny, a trzeba zaznaczyć, że jego finy, stearyny, cerezyny i kalafonii stosowane
Rys. 9. Ceramiczny rdzeń
odlewanej łopatki turbiny
Przegląd Sił Powietrznych 69
Rys. 10. Schemat urządzenia
do odlewania łopatek turbin
z ukierunkowaną krystalizacją
(a) oraz wpływ gradientu tem-
peratury na rozmiary ziaren
kolumnowych (b): 1  piec
podgrzewający formę, 2  gór-
na nagrzewnica, 3  dolna na-
grzewnica, 4  ekrany ciepl-
ne, 5  wanna z chłodziwem
w postaci ciekłego metalu, 6 
zarodek krystalizacji (Ni-W),
7  forma ceramiczna
są rozpuszczalne w wodzie saletry, żele i poli- Takie warunki krystalizacji można uzyskać,
mery. Dające wytopić się lub rozpuS
cić mode- zanurzając formę w wannie z niskotopliwym
le odlewanych łopatek formowane są w stalo- metalem (rys. 10). Podwyższenie gradientu
wych rozbieralnych formach, w których wcze- temperatury na froncie krystalizacji powodu-
S
niej umieszcza się ceramiczne rdzenie. Następ- je uzyskanie bardziej zwartej i jednorodnej
nie, czasami w próżni, zalewa się formę mate- w przekroju poprzecznym pióra, cienkoko-
riałem modelowym i przeprowadza prasowa- lumnowej struktury bez powierzchniowych
nie modelu. Uzyskane modele są łączone w blo- defektów. Pióro łopatki powstaje z kilku wy-
ki, na podstawie których wykonuje się cera- dłużonych ziaren bez poprzecznych granic,
miczną formę odlewniczą. Formuje się ją z 7 - wzdłuż których najczęS
ciej dochodzi do znisz-
- 12 kolejno nanoszonych warstw przez powle- czeń łopatki podczas eksploatacji. Odlewy
kanie ceramiczną masą, posypywanie korun- monokrystalityczne w porównaniu z odlewa-
dem i suszenie na powietrzu i w S
rodowisku mi o ukierunkowanej krystalizacji mają lep-
amoniakalnym. Następnie usuwa się z formy sze charakterystyki trwałoS
ciowe. Wynika to
masę rdzeniową przez rozpuszczanie lub wy- głównie z braku faz węglikowych na grani-
tapianie w autoklawach parowych. Potem for- cach ziaren, które są x
ródłem mikropęknięć
ma poddawana jest spiekaniu. przy cyklicznych obciążeniach mechanicz-
Topienia stopu, zalewania formy i krystali- nych i termicznych.
zacji odlewu dokonuje się w próżni. Ostatnio Skrzepnięte bloki łopatek chłodzone są na
szeroko stosowana jest metoda ukierunkowa- powietrzu, a ceramiczne formy  rozbijane
nej krystalizacji łopatek. Ukierunkowana ręcznie. Odlewy łopatek odcina się od syste-
struktura odlewu powstaje w procesie prze- mu zalewowego tarczami S
ciernymi, a następ-
chodzenia formy z płynnym metalem przez nie piaskuje, poleruje i sprawdza ich makro-
front krystalizacji w strefie sztucznie wytwo- strukturę. Ceramiczne rdzenie usuwa się z od-
rzonego gradientu temperatury. Wyróżnia się lewów, wytrawiając je podgrzanym roztwo-
ukierunkowaną krystalizację nisko- i wysoko- rem wodorofluorku potasowego. Odlane pół-
gradientową. W niskogradientowej gradient fabrykaty łopatek są dokładnie kontrolowane
temperatury wynosi około 30 �C/mm, a pręd- pod względem ich geometrii  sprawdzany jest
koS
ć krystalizacji od 0,5 do 5 mm/min. W wy- profil pióra, rozłożenie powierzchni bazowych
sokogradientowej gradient zawarty jest i gruboS
ć S
cianek. CiągłoS
ć materiału odlewu,
w przedziale od 130 do 200 �C/mm, a pręd- rozłożenie kanałów, przegród, żeber i innych
koS
ć krystalizacji wynosi 20 - 200 mm/min. wewnętrznych elementów konstrukcyjnych
70 Marzec 2006
oraz pozostałoS
ć masy rdzeniowej sprawdza gładkoS
ci kanałów wewnętrznych przetłacza
się metodą rentgenowską, zapełniając we- się przez nie specjalne pasty S
cierne  podda-
wnętrzną przestrzeń kontrastującym prosz- je się je tzw. gładzeniu ekstruzyjnemu. Pokry-
kiem metalicznym. Ostatecznej kontroli po- cia ochronne nanosi się na pióra łopatek w celu
wierzchni pióra łopatki dokonuje się po wcze- zwiększenia ich żaroodpornoS
ci, termicznej
S
niejszym polerowaniu taS
mą S
cierną. izolacji i odpornoS
ci na erozję. Na końce łopa-
Metodą precyzyjnego odlewania uzyskuje tek można nanosić pokrycia odporne na S
cie-
się półfabrykaty łopatek bez naddatków na ranie, współpracujące z pokryciami uszczel-
mechaniczną obróbkę pióra i z naddatkami niającymi. Kontrola międzyoperacyjna poza
wynoszącymi od 0,8 do 1,2 mm na stronę zam- badaniem struktury materiału, badaniami de-
ka oraz ewentualnie półek bandażowych. fektoskopowymi, sprawdzaniem kształtu i wy-
Z dalszych licznych operacji wykonywanych miarów łopatek obejmuje również badania
podczas produkcji łopatek należy wymienić oporów przepływu powietrza przez kanały
te, które związane są z: chłodzące oraz mikroskopowe badania jako-
kształtowaniem zamka i półek, S
ci naniesionych pokryć.
wykonaniem otworów perforacyjnych Jak widać, wzrost sprawnoS
ci, trwałoS
ci
w piórze, i niezawodnoS
ci lotniczych silników turbino-
nadaniem odpowiedniej gładkoS
ci kanałom wych zależy nie tylko od postępu w ich kon-
wewnętrznym, struowaniu i diagnozowaniu czy od stosowa-
naniesieniem pokryć ochronnych, nia nowych materiałów konstrukcyjnych, ale
kontrolą procesu produkcyjnego. także od opracowania i wprowadzania nowych
Zamek i pióro łopatek kształtowane są technologii produkcyjnych. Ważną rolę w bu-
głównie metodą szlifowania głębokiego oraz dowie współczesnych lotniczych silników tur-
szlifowania elekrochemicznego. Profile binowych odgrywają pokrycia ochronne.
uszczelnień labiryntowych na półkach banda-
żowych szlifowane są po zamocowaniu kom- Opracowano na postawie:
pletu łopatek w przyrządzie (technologicznej Ju. S. Elisieew, A. G. Bojcow, V. V. Krymow,
tarczy). Otwory perforacyjne w piórach łopa- L. A. Chworostuchin, Technologija proizwodstwa
tek wykonuje się metodami elektroerozyjny- awiacyonnych dwigatielej, Maszynostrojenije,
mi lub metodą laserową. W celu zwiększenia Moskwa 2003.
Blades are specific parts of a turbine engine due to both, their amount (in an engine
there may be between 2000  3500 blades) and influence on reliability and endurance of
the engine. The author points to processes which may affect blades during their explo-
itation and discusses selected production technologies of rotodynamic compressor
blades and turbine blades.
Przegląd Sił Powietrznych 71