Керамические материалы в турбиностроении – это реально?

07.12.2016 В.В. Манческо (г. Харьков, Украина) 254 0 Понравилась новость? 0 Данная статья посвящена изобретению [1], представляющего турбину новой[...]
Читать далее: http://rusila.su/2016/12/07/keramicheskie-materialy-v-turbin...

07.12.2016 В.В. Манческо (г. Харьков, Украина) 254 0 Понравилась новость? 0 Данная статья посвящена изобретению [1], представляющего турбину новой конструктивной схемы, в которой, во-первых, будут отсутствовать силовые диски и, во-вторых, будут созданы объективные условия для эффективного применения конструкционной керамики в качестве материала рабочих лопаток. Многочисленные попытки создать такую турбину, заканчивались безрезультатно. Объективный анализ известных решений показал, что первопричиной неудач явилась современная парадигма конструирования, основанная на определенном числе конструктивных элементов с выбранным функциональным предназначением. Так, современная турбина укрупнено представляет собой два основных конструктивных элемента: статор и ротор. Последний представляет собой агрегат, состоящий из рабочих лопаток, скрепленных жесткой механической связью с силовыми дисками. При вращении силовые диски изнутри удерживают на своей периферии рабочие лопатки на траектории их вращения и передают крутящий момент, возникающий на них от воздействия газового потока, на вал турбины, который затем передается на вал компрессора. Такая конструктивная схема с таким способом крепления обуславливает возникновение растягивающих нагрузок в материале рабочих лопаток при их вращении. Хромоникелевые сплавы, из которых изготовлены рабочие лопатки хорошо сопротивляются таким нагрузкам. Такая же конструктивная схема становится невозможной, если материалом рабочих лопаток будут избраны конструкционные керамики, так как эти материалы не обладают упругостью. Вместе с тем силовой механический контакт между силовыми дисками, выполненными их хромоникелевых сплавов и рабочими лопатками, выполненными из конструкционных керамик, также невозможен в силу низкой трещиностойкости таких керамики в условиях частых термоударов. Все попытки изменить характер нагрузки керамического материала рабочих лопаток и предотвратить силовой механический контакт между ними и силовыми дисками в рамках турбины традиционной конструктивной схемы оказались неудачными по различным причинам. Чаще всего известные решения предусматривали увеличение числа конструктивных элементов, усложнение связей между ними, появление новых сред, что, в конечном итоге, усложняло и утяжеляло конструкцию ротора и приводило к его неработоспособности. Турбина новой конструктивной схемы, в которой станет возможным эффективное применение в качестве материала рабочих лопаток конструкционной керамики, будет представлять собой сочетание трех конструктивных элементов с взаимосвязями, отличающимися от таковых в современных турбинах традиционной конструктивной схемы. Ими будут: статор (силовой корпус) измененной конструкции, керамический роторный агрегат и вал барабанного типа. Механическая связь между силовыми дисками и рабочими лопатками турбины традиционной конструктивной схемы будет заменена газостатической связью между всеми тремя указанными конструктивными элементами. Статор будет изменен за счет размещения в нем нового конструктивного элемента – узла компенсации центробежных нагрузок (УКЦН), а также за счет увеличения толщин силового корпуса, что будет обусловлено необходимостью компенсации дополнительных центробежных нагрузок от вращения керамического роторного агрегата. Последний будет представлять собой наружный и внутренний бандажи, соединенные в монолитный агрегат множеством лопаточных профилей. Вал барабанного типа будет иметь специальные пазы, предназначенные для создания совместно с радиально-осевыми выступами внутреннего бандажа керамического роторного агрегата новых конструктивных элементов, функциональное предназначение которых будет описано ниже. Конструкционные керамики, по своей природе, хорошо сопротивляются нагрузкам сжатия. Если создать для керамических рабочих лопаток опору со стороны статора (силового корпуса) турбины, то при вращении они будут подвержены этим, достаточно благоприятным нагрузкам сжатия. В турбинах современной конструктивной схемы такой опоры нет. В турбине новой конструктивной схемы (см. Рис. 1 «Осевой разрез») такую опору, как новый конструктивный элемент, предлагается создать. Конструктивно она будет представлять собой кольцевую полость, образованную противолежащими цилиндрическими поверхностями силового корпуса турбины (поз. 1) и наружного бандажа (поз. 2) керамического роторного агрегата (поз. 3), ограниченную уплотнениями (поз. 4, 5, 6, 7), которая будет заполнена газообразной средой высокого давления. Данный конструктивный элемент, по своему функциональному предназначению, будет представлять собой газовую опору с центростремительной реакцией, называемую далее узлом компенсации центробежных нагрузок (УКЦН) (поз. 8), которая будет предназначена для компенсации центробежных нагрузок, возникающих во вращающемся керамическом роторном агрегате. Таким образом, силовой корпус турбины новой конструктивной схемы, приняв фактически на себя посредством УКЦН функцию компенсации центробежных нагрузок от вращения керамического роторного агрегата, заменит собой эту функцию, исполняемую в турбине традиционной конструктивной схемы ее силовыми дисками. Силовые диски турбины традиционной конструктивной схемы компенсируют также осевые усилия, возникающие на рабочих лопатках под воздействием газового потока. Эти осевые усилия передаются далее на опорные узлы турбины.