Лопатка ротора компресора газотурбінної установки

Реферат: UA 88405 U UA 88405 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до конструктивних елементів вузла компресора газотурбінних двигунів, а саме, до конструкції лопатки ротора компресора газотурбінної установки (ГТУ). Найбільш близькою до запропонованої лопатки є лопатка ротора компресора ГТУ, виготовлена зі сплаву на основі титану, що містить жорстко з'єднані між собою замкову частину (хвостовик та бандажна полиця) і перо, на яке нанесено захисне покриття у два шари: перший шар покриття створений в результаті хімічної реакції титану з азотом, нанесений на основу, другий - зовнішній шар покриття виконано суцільним (див. Пат. України на кор. модель № 3413UA, МПК 7F01D5/14, Опубл. 15.11.2004; бюл. № 11, 2004 p.). Недоліки описаної конструкції лопатки компресора полягають у недостатній ерозійній стійкості її захисного покриття в інтервалі температур 350-700 °C та незахищеності замкової частини лопатки. Хоча відома корисна модель має покращені характеристики з термоциклічної повзучості та тепловідводу, але все одно має високу швидкість зносу пера при впливі абразивного середовище, та схильність хвостовика до фретинг-корозії. Ці недоліки знижують потужні характеристики газотурбінної установки, не виключають вірогідності виникнення помпажу двигуна, показують недостатність надійності конструкції. В основу пропонованої корисної моделі поставлено задачу удосконалення лопатки ротора компресора ГТУ, яка б мала більш кращі фізико-технічні та хімічні характеристики в інтервалі робочих температур 350-700 °C, шляхом нанесення багатофункціонального захисного покриття на всю поверхню лопатки, тобто на перо та замкову частину, що забезпечить повний захист всієї поверхні лопатки від ерозійного зносу та фретинг-корозії при експлуатації у будь-якому кліматі та впливі робочих температур до 700 °C. Поставлена задача вирішується тим, що лопатка ротора компресора ГТУ, виготовлена зі сплаву на основі титану, містить жорстко з'єднані між собою замкову частину та перо, на яке нанесено захисне покриття у два шари, згідно з корисною моделлю, захисне покриття нанесено також і на замкову частину лопатки, перший шар покриття створено з додаванням до титану цирконію, а другий шар створено на основі інтерметалідів (TiZr) в азоті, причому склад другого шару в об'ємному співвідношенні катода, %: титан (Ті) 80 цирконій (Zr) 20. Перший шар покриття створюється в результаті хімічної реакції титану та цирконію з азотом, . -1 в його розрідженому середовищі (р=(1,0-1,3) 10 Па), та одночасного частково дифузійного проникнення хімічного з'єднання в поверхню матеріалу основи. Другий шар покриття виконано . -1 суцільним, причому під час напилення в азоті (р=(1,3-2,0) 10 Па) на ряду з титаном додатково вводиться елемент цирконій, в результаті чого виходить інтерметалідне з'єднання металів титану та цирконію - з азотом. Визначення технологічних режимів нанесення вакуум-плазмового покриття проводилося шляхом комп'ютерної оптимізації критеріальних параметрів, що задавали основні термомеханічні властивості матеріалу покриття. Завдяки конструкції та підібраного хімічного складу покриття, перший шар є дифузійнодискретним. В процесі нанесення першого шару, по-перше, при бомбардуванні поверхні лопатки іонами титану в розрідженому середовищі азоту одночасно здійснюється очищення поверхні від небажаних домішок, що надає кращу когезійну та адгезійну властивості поверхні. По-друге, почергове бомбардування іонами Ті та Zr зміцнює поверхню основи лопатки дифундуючими з'єднаннями (ZrN), (TiN). По-третє, перший шар є перехідним між основним матеріалом та другим шаром захисного покриття, що усуває можливі розходження в теплорозширенні та теплоємності матеріалів. Другий шар покриття має склад (TiZr)N, а також підсилювальні фази на основі тугоплавких з'єднань ZrN, TiZrN, TiN, що призупиняють процес руйнування матеріалу основи, який спричинено хімічними та механічними впливами середовища під час експлуатації двигуна. Склад другого шару в об'ємному співвідношенні катода, %: Zr (цирконій) 20 Ті (титан) 80. Завдяки такому складу властивості другого шару усувають окислення та наводнення основного матеріалу, знижують ізотермічну та термоциклічну повзучість, значно підвищують стійкість матеріалу до ерозійного зносу при температурах, набагато більших за 300 °C, а також надійно захищають замок лопатки від фретинг-корозії. Частково вільні іони цирконію крім азоту можуть з'єднуватись з киснем, що дає ще більш щільну плівку на поверхні основи, тим самим підвищується мікротвердість покриття, а це, в свою чергу, захищає хвостовик лопатки від фретинг-корозії при температурах вищих за 700 °C. Одночасно з високою мікротвердістю (не менше 20 Гпа при 550 °C, та не менше 34 Гпа при 300 °C) цирконій надає деяку пластичність покриттю, запобігає його вигорянню, що проявляється у відсутності кольорів мінливості на 1 UA 88405 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 лопатках після експлуатації при температурах 500-600 °C, а також в опорі термоциклічним та ударним навантаженням. Суть корисної моделі корисної моделі пояснюється ілюстративним матеріалом, де на фіг. 1 зображено лопатка ротора компресора 1-3 ступенів, на фіг. 2 - лопатка ротора компресора 4-12 ступенів, на фіг. 3 - двошарове покриття лопатки ротора компресора. Пропонована лопатка ротора компресора ГТУ виготовлена зі сплаву на основі титану, містить жорстко з'єднані між собою: замкову частину (хвостовик 1 та бандажна полиця 2) і перо 3. На перо 3, хвостовик 1 та бандажну полицю 2 нанесено захисне покриття у два шари: перший шар 5 нанесено на основу 6 лопатки - дискретно-дифузійний, в основі (TiN) та (ZrN), другий шар 4 - зовнішній суцільний, в основі (TiZrN). Під час експлуатації ГТУ в компресорі створюється абразивна водно-повітряна атмосфера високого тиску (більше 4,0 атм). Частинки, що затягуються компресором, мають різний розмір та геометричні форми, під натиском вдаряються в поверхню пера 3 лопатки, тим спричиняють задири, подряпини, борозни, мікротріщини та інші дефекти. В процесі впливу такого середовище дані дефекти, що є концентраторами напружень, сприяють подальшому руйнуванню металу лопатки. При роботі на температурах, більших за 500 °C, міцнісні характеристики сплаву лопатки падають, що призводить до сильного ерозійного зносу пера 3 та зниження потужнісних характеристик ГТУ. Лопатка хвостовиком 1 вставляється у ялинковий паз барабана компресора, але між поверхнею паза та хвостовика 1 залишається невеликий просвіт, при якому хитавиця лопаток досягає 0,2-1,5 мм, що обумовлено умовами посадки. При переході на різні режими роботи двигуна виникає мінімально повторювальне переміщення (зсув) двох поверхонь - поверхні хвостовика 1 та поверхні паза - відносно одна одної. Оскільки цей зсув виникає в умовах впливу корозійно-ерозійного середовища (повітряно-водна з пилом), то внаслідок цього розвиваються осередки фретинг-корозії на поверхні хвостовика 1 лопатки. Занадто сильне руйнування хвостовика 1 може призвести до послаблення посадкових розмірів, згодом до вібрацій лопатки й подальшого пошкодження пера 3 та інших конструктивних елементів компресора ГТУ. За рахунок використання лопатки пропонованої конструкції з вакуумно-плазмовим двошаровим покриттям можливо уникнути вищевказаних експлуатаційних дефектів. При ерозійному впливі на лопатку перший шар 5 покриття працює як армуючий, а також як теплорозвантажувальний елемент конструкції, що не призводить до мікротріщин, сколів та задирів на покритті в цілому. Другий шар 4 покриття в даному випадку працює як суцільна щільна еластична плівка з високою мікротвердістю, завдяки чому має опір ударним навантаження з боку абразивних частинок. Експериментальні дані показують, що при експлуатації лопаток пропонованої конструкції в компресорі на робочих температурах 350450 °C ерозійна стійкість підвищується у 4-6 разів на відміну від основного матеріалу. А при роботі на ще більших температурах (500-600 °C) швидкість ерозії даної лопатки досягає відмітки межі, що в 9-13 разів менше, ніж у основного матеріалу лопатки. За рахунок вмісту цирконію другий шар покриття має покращений опір розвитку фретинг-корозії (корозійна стійкість підвищується в 3-5 разів) на хвостовику 1 лопатки, чим зберігає останній від викришування та руйнування. Результат від використання пропонованої корисної моделі полягає в підвищенні міжремонтного ресурсу компресорного вузла ГТУ у 3-4 рази, а також в покращенні технікоексплуатаційних характеристик ГТУ та підвищенні надійності роботи компресорного вузла та ГТУ в цілому. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 1. Лопатка ротора компресора газотурбінної установки, яка виготовлена зі сплаву на основі титану з захисним покриттям і містить жорстко з'єднані між собою замкову частину та перо, яка відрізняється тим, що два шари вакуумно-плазмового покриття нанесено також на замкову частину лопатки. 2. Лопатка за п. 1, яка відрізняється тим, що перший шар покриття створено з додаванням до титану цирконію, а другий шар другий шар створено на основі інтерметалідів (TiZr) в азоті, причому склад другого шару в об'ємному співвідношенні катода: титан (Ті) - 80 %; цирконій (Zr) 20 %. 2 UA 88405 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3