Применение керамики в турбиностроении становится реальностью?
История знает множество попыток применить керамические материалы в турбиностроении, но все они заканчивались безрезультатно. Первопричиной всех неудач являлась современная форма конструирования, основанная на неизменном количестве ключевых конструктивных элементов с определенным функциональным предназначением.
Но тонкость инженерных пытливых умов, бившихся над решением этой, казалось бы, невыполнимой задачи, позволила найти решение, позволяющее применить "запретный" материал в такой отрасли, как турбиностроение.
"Привычная" 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.
В этой схеме возникают растягивающие нагрузки в материале рабочих лопаток при их вращении. Хромоникелевые сплавы, из которых изготовлены рабочие лопатки, прекрасно сопротивляются таким нагрузкам. Чего нельзя сказать о конструкционной керамике. Также невозможен и механический контакт между силовыми дисками, выполненными из конструкционных керамик в силу низкой трещиностойкости материала в условиях частых термоударов.
Любые попытки изменить характер нагрузки 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.
Новая конструктивная схема турбины 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.
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 благоприятным нагрузкам сжатия. В турбинах современной конструктивной схемы такой опоры нет.
Именно такую опору и предлагается создать в новой конструкторской схеме (рис. 1).
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. В турбине новой конструктивной схемы такие осевые усилия предлагается компенсировать при помощи новых конструктивных элементов, исполненных в виде торообразных полостей (рис. 2, поз. 9, 10).
Одна из полостей (поз. 9) образована противолежащими кольцевыми поверхностями на радиально-окружном выступе (поз. 11) наружного бандажа (поз. 2) керамического роторного агрегата (поз. 3) и на силовом корпусе (поз.1), и ограничена уплотнениями (поз. 12, 13, 14, 15), другая из которых (поз. 10) образована противолежащими кольцевыми поверхностями на радиально-окружном выступе (поз. 16) внутреннего бандажа (поз. 17) керамического роторного агрегата (поз. 3) и вала барабанного типа (поз. 18), и ограничена уплотнениями (поз. 19, 20, 21, 22, 23, 24). Данные конструктивные элементы, по своему функциональному предназначению, будут представлять собой газовые опоры с осевой реакцией, которые будут предназначены для компенсации осевых нагрузок, возникающих на лопаточных профилях керамического роторного агрегата под воздействием газового потока. Наличие таких газовых опор на внутреннем и наружном бандажах будет предотвращать механический контакт между керамическим роторным агрегатом и силовым корпусом, а также между керамическим роторным агрегатом и валом барабанного типа. Вместе с тем они будут защищать лопаточные профили, расположенные между наружным и внутренним бандажами, от недопустимых усилий изгиба вдоль лопаточного профиля. Часть осевых усилий будет передаваться газостатическим способом с радиального выступа наружного бандажа керамического роторного агрегата на силовой корпус, а другая часть, через радиальный выступ на внутреннем бандаже керамического роторного агрегата на вал барабанного типа.
В турбине новой конструктивной схемы (см. Рис. 2 «Радиальный разрез») окружные усилия предлагается воспринимать при помощи множества новых конструктивных элементов (поз. 25), конструктивно выполненных в виде коаксиально расположенных полостей, образованных поверхностями на радиально-осевых выступах (поз. 26) внутреннего бандажа (поз. 17) керамического роторного агрегата (поз. 3) и противолежащими поверхностями радиально-осевых пазов (поз. 27), выполненных в вале барабанного типа (поз. 18), ограниченных уплотнениями (поз. 28, 29, 30, 31). Данные конструктивные элементы, по своему функциональному предназначению, будут являться газовыми опорами с окружной реакцией (поз. 25), которые будет передавать окружные усилия, возникающие на лопаточных профилях керамического роторного агрегата под воздействием газового потока, на вал барабанного типа. Наличие таких окружных газовых опор будет предотвращать механический контакт между керамическим роторным агрегатом и валом барабанного типа.
Таким образом, турбина новой конструктивной схемы будет бездисковой, так как все функции силовых дисков турбины традиционной конструктивной схемы в ней будут переданы ее новым конструктивным элементам - газостатическим опорам разной направленности действия, - которые перераспределят их между силовым корпусом и валом барабанного типа.
Подводя итог всему вышесказанному, можно смело констатировать, что в бездисковой турбине новой конструктивной схемы будут созданы объективные условия для эффективного газостатического взаимодействия между тремя ее основными конструктивными элементами.
Вот так невозможное и немыслимое становится реальностью. Помните, как люди наперебой доказывали то, что железный корабль никогда не поплывет? Но он, все же, поплыл. Применение керамических конструкций в турбиностроении тоже до сегодняшний дней находилось, скорее, в области скептицизма, нежели в области оптимизма. Но первые опытные образцы развеют любые сомнения. Все новое, безусловно, обладает определенным потенциалом развития, и лучшие умы продолжают поиски решений, которые будут способны дополнительно усовершенствовать уже известные конструктивные формы и процессы в турбине новой конструктивной схемы.
Но тонкость инженерных пытливых умов, бившихся над решением этой, казалось бы, невыполнимой задачи, позволила найти решение, позволяющее применить "запретный" материал в такой отрасли, как турбиностроение.
"Привычная" 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.
В этой схеме возникают растягивающие нагрузки в материале рабочих лопаток при их вращении. Хромоникелевые сплавы, из которых изготовлены рабочие лопатки, прекрасно сопротивляются таким нагрузкам. Чего нельзя сказать о конструкционной керамике. Также невозможен и механический контакт между силовыми дисками, выполненными из конструкционных керамик в силу низкой трещиностойкости материала в условиях частых термоударов.
Любые попытки изменить характер нагрузки 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.
Новая конструктивная схема турбины 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.
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 благоприятным нагрузкам сжатия. В турбинах современной конструктивной схемы такой опоры нет.
Именно такую опору и предлагается создать в новой конструкторской схеме (рис. 1).
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. В турбине новой конструктивной схемы такие осевые усилия предлагается компенсировать при помощи новых конструктивных элементов, исполненных в виде торообразных полостей (рис. 2, поз. 9, 10).
Одна из полостей (поз. 9) образована противолежащими кольцевыми поверхностями на радиально-окружном выступе (поз. 11) наружного бандажа (поз. 2) керамического роторного агрегата (поз. 3) и на силовом корпусе (поз.1), и ограничена уплотнениями (поз. 12, 13, 14, 15), другая из которых (поз. 10) образована противолежащими кольцевыми поверхностями на радиально-окружном выступе (поз. 16) внутреннего бандажа (поз. 17) керамического роторного агрегата (поз. 3) и вала барабанного типа (поз. 18), и ограничена уплотнениями (поз. 19, 20, 21, 22, 23, 24). Данные конструктивные элементы, по своему функциональному предназначению, будут представлять собой газовые опоры с осевой реакцией, которые будут предназначены для компенсации осевых нагрузок, возникающих на лопаточных профилях керамического роторного агрегата под воздействием газового потока. Наличие таких газовых опор на внутреннем и наружном бандажах будет предотвращать механический контакт между керамическим роторным агрегатом и силовым корпусом, а также между керамическим роторным агрегатом и валом барабанного типа. Вместе с тем они будут защищать лопаточные профили, расположенные между наружным и внутренним бандажами, от недопустимых усилий изгиба вдоль лопаточного профиля. Часть осевых усилий будет передаваться газостатическим способом с радиального выступа наружного бандажа керамического роторного агрегата на силовой корпус, а другая часть, через радиальный выступ на внутреннем бандаже керамического роторного агрегата на вал барабанного типа.
В турбине новой конструктивной схемы (см. Рис. 2 «Радиальный разрез») окружные усилия предлагается воспринимать при помощи множества новых конструктивных элементов (поз. 25), конструктивно выполненных в виде коаксиально расположенных полостей, образованных поверхностями на радиально-осевых выступах (поз. 26) внутреннего бандажа (поз. 17) керамического роторного агрегата (поз. 3) и противолежащими поверхностями радиально-осевых пазов (поз. 27), выполненных в вале барабанного типа (поз. 18), ограниченных уплотнениями (поз. 28, 29, 30, 31). Данные конструктивные элементы, по своему функциональному предназначению, будут являться газовыми опорами с окружной реакцией (поз. 25), которые будет передавать окружные усилия, возникающие на лопаточных профилях керамического роторного агрегата под воздействием газового потока, на вал барабанного типа. Наличие таких окружных газовых опор будет предотвращать механический контакт между керамическим роторным агрегатом и валом барабанного типа.
Таким образом, турбина новой конструктивной схемы будет бездисковой, так как все функции силовых дисков турбины традиционной конструктивной схемы в ней будут переданы ее новым конструктивным элементам - газостатическим опорам разной направленности действия, - которые перераспределят их между силовым корпусом и валом барабанного типа.
Подводя итог всему вышесказанному, можно смело констатировать, что в бездисковой турбине новой конструктивной схемы будут созданы объективные условия для эффективного газостатического взаимодействия между тремя ее основными конструктивными элементами.
Вот так невозможное и немыслимое становится реальностью. Помните, как люди наперебой доказывали то, что железный корабль никогда не поплывет? Но он, все же, поплыл. Применение керамических конструкций в турбиностроении тоже до сегодняшний дней находилось, скорее, в области скептицизма, нежели в области оптимизма. Но первые опытные образцы развеют любые сомнения. Все новое, безусловно, обладает определенным потенциалом развития, и лучшие умы продолжают поиски решений, которые будут способны дополнительно усовершенствовать уже известные конструктивные формы и процессы в турбине новой конструктивной схемы.