Прокладка для лопатки турбіни

1. Прокладка (20), призначена для лопатки (14) турбіни, що містить дві боковини (20А), які розташовуватимуться проти опорних поверхонь (16А) хвостовика (16) лопатки, і основу (20В), що сполучає ці боковини між собою, яка відрізняється тим, що має щонайменше на рівні цих боковин (20А) багатошарову структуру, яка складається щонайменше з трьох шарів (31, 32, 33), що скріпляються між собою і розташовуються один на одному у такій послідовності: перший шар (31) першого матеріалу, другий шар (32) другого матеріалу і третій шар (33) третього матеріалу, який може бути однаковим або відрізнятися від першого матеріалу, при цьому дані перший і третій матеріали мають, відповідно, перший і третій модулі Юнга, які мають величину Е і Е° при довільній темпера C2 2 (19) 1 3 тивних і турбогвинтових двигунів, наземних газотурбінних установок і т.д. Зокрема, у двоконтурному двопотоковому турбореактивному двигуні з прокладкою, згідно з винаходом, можуть використовуватися для лопаток нагнітального вентилятора (або "вентилятора"), для рухомих лопаток компресора низького тиску (або "бустера-компресора), компресора високого тиску, турбіни високого тиску або турбіни низького тиску турбореактивного двигуна. У даній заявці осьовий напрям відповідає напряму осі обертання А ротора турбіни, а радіальний напрям є напрямом, перпендикулярним осі А. Крім того, прикметники "внутрішній" і "зовнішній," крім того, що вони мають протилежні по суті значення, використовуються і відносно радіального напряму, при цьому внутрішня частина елемента, а саме внутрішня відносно радіуса, розташовується ближче до осі А, ніж зовнішня, а саме зовнішня відносно радіуса, частина цього ж елемента. У диску ротора (тобто диску, жорстко сполученому з ротором) турбіни є несучий елемент лопаток, при цьому лопатки (регульовані) кріпляться на диску за допомогою систем захоплень, при цьому може йтися про пряме або зігнуте штирове з'єднання, молоткове з'єднання або ялинкове захоплення. Ці системи захоплень можна описати як пристрої, в яких хвостовики лопатки є частинами, що вставляються всередину системи і радіально утримуються в порожнистих частинах системи, які виконані по зовнішньому колу диска і звичайно називаються "виїмками". На початку обертання ротора лопатки піддаються в основному дії відцентрової сили, а також осьових аеродинамічних сил, при цьому хвостовики лопатки під впливом відцентрових сил притискаються впритул до частин диска, які є окантовкою зовнішнього отвору виїмок. Поверхні хвостиків лопатки і диска, які притискаються впритул один до одного, звичайно називаються "опорними поверхнями". На ці опорні поверхні здійснюється тиск, виникаючий в результаті вживання цих сил відносно опорної поверхні. Можна вважати, що даний тиск залежить, за першою приблизною оцінкою, від квадрата швидкості обертання ротора. Зрозуміло, що зміни швидкості обертання ротора під час робочого циклу турбіни - від зупинки до роботи на повну потужність, проходячи при цьому проміжні режими (гальмування, рулювання, політ на крейсерській швидкості, зниження, якщо розглядається варіант авіаційного двигуна), приводять до змін тиску на рівні опорних поверхонь, визначення яким дано раніше. Ці зміни тиску, що призводять до деформації пружності деталей, що знаходяться в контакті, викликають відносне переміщення хвостиків лопатки і диска. Ці відносні переміщення, які називаються також (залежно від їх характеру) ковзанням або розмиканням, призводять, у разі їх повторення, до зносу опорних поверхонь лопаток або диска. Також визнано, що динамічні рухи лопаток в заданому робочому режимі (у відповідь реакція лопаток на навантаження, викликані чергуванням гармонійного або тимчасового режимів) можуть сприяти зносу даних опорних поверхонь. Крім того, ці явища зносу не 96589 4 гативно впливають на експлуатаційний термін турбіни. Можуть бути використані рішення, що називаються "антизнос", тобто такі, що затримують появу зносу на контактних поверхнях, серед яких є рішення, які базуються на розміщенні третього тіла, що називається прокладкою, між хвостовиками лопатки і диском. Ця прокладка дозволяє, зокрема, дублювати контактну поверхню (тобто перейти від однієї контактної поверхні лопатка/диск до двох контактних поверхонь лопатка/прокладка і прокладка/диск) і понизити відносні переміщення між деталями, які знаходяться в контакті, що дозволяє зменшити виникаючий в процесі експлуатації знос. Опис відомого прикладу вживання прокладки вищезазначеного типу приведений в документі FR 2890684. Дана прокладкаповністю виготовлена з металу, при цьому йдеться про складений відповідним чином лист металу. Задачею даного винаходу є запропонувати більш ефективну, ніж вищезгадана, прокладку, яка дозволяє виконати функцію "антизнос", тобто забезпечувати кращий захист опорних поверхонь лопаток і диска. Дана задача вирішується за допомогою прокладки, призначеної для лопатки турбіни, яка містить дві боковини, які розташовуватимуться проти опорних поверхонь хвостовика лопатки, і основу, що сполучає ці боковини між собою, яка відрізняється тим, що вона має щонайменше на рівні цих боковин багатошарову структуру, яка складається з трьох шарів, що скріпляються між собою і розташовуються у такій послідовності: перший шар з першого матеріалу, другий шар з другого матеріалу і третій шар з третього матеріалу, який може бути однаковим або відрізнятися від першого матеріалу, при цьому дані перший і третій матеріали мають, відповідно, перший і третій модуль Юнга, що має величину Е і Е' при довільній температурі, яка знаходиться в діапазоні робочої температури прокладки, а даний другий матеріал має другий модуль Юнга з величиною від Е/20 до Е/5 і від Е'/20 до Е'/5 при даній довільній температурі експлуатації. Слід зазначити, що модуль Юнга матеріалу змінюється залежно від температури даного матеріалу, і, відповідно, величини Е і Е' також залежать від температури. Під температурою експлуатації слід розуміти температури, які випробовує прокладка у нормальних умовах використовування при працюючій турбіні. Згідно з даним винаходом співвідношення між даними першим, другим і третім модулями Юнга, як це було визначено вище, повинне перевірятися для всіх показників температури робочого температурного діапазону прокладки. Наприклад, якщо прокладка входить до складу нагнітального вентилятора або компресора низького тиску авіаційного двоконтурного двопотокового турбореактивного двигуна, то вона експлуатується в режимі робочих температур від 20 до 150 °C. Якщо вона входить до складу компресора високого тиску авіаційного двоконтурного, двопотокового турбореактивного двигуна, то її температура експлуатації складає від 150 °C до 500 °C. 5 Якщо прокладка входить до складу турбіни високого тиску авіаційного двоконтурного турбореактивного двигуна із протіканням первинного і вторинного повітря, то її температура експлуатації складає від 400 °C до 700 °C. Даний винахід стосується затвердження даної багатошарової структури, в якій характеристики (ізотропні і анізотропні) еластичності другого матеріалу вищі за аналогічні характеристики (ізотропні і анізотропні) першого і третього матеріалів в діапазоні бажаних робочих температур. Згідно з одним з варіантів здійснення винаходу, дані перший і третій матеріали представлені сплавами металу або композитними матеріалами на органічній основі (однакової або відмінної), тоді як даний другий матеріал не є металом. Наприклад, і не вичерпним чином, другий матеріал може бути каучуком, силіконом, поліімідом, склом або епоксидною смолою. Багатошарова структура прокладки згідно з винаходом дозволяє: - рівномірно розподілити тиск контакту шляхом розміщення прокладки, завдяки еластичності другого шару; - обмежити відносне переміщення деталей, викликане дією відцентрової сили під час зміни швидкості обертання шляхом "статичної дотичної напруги" другого шару; - пом'якшити можливі динамічні переміщення лопатки шляхом "динамічної дотичної напруги" другого шару. Такі дії можуть, зокрема, перешкодити або обмежити знос на рівні опорних поверхонь і збільшити тим самим термін експлуатації хвостиків лопатки і дисків. Ефективність таких дій підвищується у випадку, якщо другий матеріал має в'язкоеластичні властивості в діапазоні температур експлуатації прокладки, зокрема, для ослаблення можливих динамічних переміщень лопатки. Технічною задачею даного винаходу також є конструкція ротора турбіни, яка містить: диск ротора, по зовнішньому колу якого розташовані виїмки; лопатки, які за допомогою своїх ніжок встановлюються в даних виїмках; прокладку, згідно з винаходом, при цьому кожна боковина кожної прокладки розташовується між опорною поверхнею хвостовика лопатки і відповідною опорною поверхнею диска. Нарешті, технічною задачею запропонованого винаходу є турбіна з такою конструкцією ротора. Суть винаходу і його переваги стане краще зрозумілими після вивчення детального опису, що приводиться нижче, з посиланням на прикладені фігури креслення, на яких: - фіг. 1 - зображує частково (схемний вигляд у розборці) конструкцію ротора турбіни, що містить диск ротора, варіант прокладки згідно з винаходом і хвостовик лопатки; - фіг. 2 - вид радіального розрізу, виконаного в площині ІІ-ІІ, конструкції, представленої на фіг. 1 після її збірки; - фіг. 3 - вигляд у розрізі, виконаному аналогічно представленому на фіг. 2, що зображує інший варіант прокладки згідно з винаходом; 96589 6 - фіг. 4 - вигляд у розрізі, виконаному аналогічно представленому на фіг. 2, що зображує інший варіант прокладки згідно з винаходом, розташованої між двома суміжними виїмками. На фіг. 1 і 2 зображені диск ротора 2 з розташованими по його колу численними жолобками або виїмками 4, які є місцем посадки, призначеним для встановлення хвостовика 16 лопатки 14, при цьому даний хвостовик 16 оточений прокладкою 20. Хвостовик 16 лопатки і диск нагнітального вентилятора 2 виготовлені, наприклад, з титанового сплаву. Слід зазначити, що існують пристосування (не показані), які містять додатково прокладку, яка розташовується між хвостовиком 16 лопатки і дном виїмки 4. Під час початку обертання диска 2 лопатки 14 піддаються дії відцентрової сили, при цьому опорні поверхні 16А хвостиків 16 лопаток притискаються впритул до опорних поверхонь 22А диска 2. Як показано в прикладі, опорні поверхні 16А є бічними сторонами хвостиків 16 лопатки, тоді як опорні поверхні 22А є нижніми поверхнями частин диска, що мають форму губок 22, які окантовують зовнішній отвір виїмок 4. Прокладка 20 містить дві боковини 20А, які розміщуватимуться проти опорних поверхонь 16А хвостовика 16 лопатки, а основа 20В (в даному випадку металевий лист), що розташовується під хвостовиком 16 лопатки, сполучатиме ці боковини між собою. Прокладка 20 є деталлю, що швидко зношується, основним призначенням якої є обмеження зносу хвостовика 16 лопатки і диска нагнітального вентилятора 2. Згідно з прикладом, зображеним на фіг. 2, прокладка 20 на рівні своїх боковин 20А і своєї основи 20В має багатошарову структуру, що складається з трьох шарів 31, 32, 33, щільно прилеглих один до одного. Ці три шари (від хвостовика 16 лопатки до диска 2) розташовуються один на одному в такій послідовності: перший шар 31 першого матеріалу, другий шар 32 другого матеріалу і третій шар 33 третього матеріалу. Згідно з наведеним прикладом, третій матеріал аналогічний першому матеріалу, при цьому вони мають однаковий перший модуль Юнга. Згідно з винаходом перший модуль Юнга має величину Е при довільній температурі Т експлуатації прокладки, а даний другий матеріал має другий модуль Юнга з величиною від Е/20 до Е/5 при даній температурі Т. Слід зазначити, що прокладка 20 повинна мати певну пружність для забезпечення своєї механічної стійкості і виконання функції запобігання зносу. У зв'язку з цим величина Е, переважно, буде більша або дорівнювати 110000 МПа для металевої прокладки (наприклад, 210000 МПа для прокладки, виконаної з надсплаву на базі нікелю, відомого в комерційному продажу під найменуванням "Inconel"), і більше або дорівнювати 70000 МПа для прокладки, при виготовленні якої використовувався композитний матеріал на органічній основі. Безумовно, вибір матеріалів здійснюється залежно від температури, при якій експлуатується прокладка. 7 Якщо конструкція ротора входить до складу нагнітального вентилятора або компресора низького тиску авіаційного двоконтурного турбореактивного двигуна із протіканням первинного і вторинного повітря, то він експлуатується в режимі робочих температур від 20 до 150 °C. В цьому випадку, наприклад, як перший матеріал може бути вибраний надсплав на базі нікелю (Ni) із вмістом більше 15 % ваги заліза (Fe) і хрому (Сr), зокрема надсплав, що продається під найменуванням "Inconel 718", а як другий матеріал - каучук (натуральний або синтетичний). І в цьому ж випадку як перший матеріал може бути вибраний композитний матеріал на базі епоксидної смоли з підсилювальними волокнами, наприклад вуглепластиковими, а як другий матеріал - тільки епоксидна смола (відмінність у модулі Юнга другого і першого матеріалу полягає у відсутності волокон). Якщо конструкція входить до складу компресора високого тиску авіаційного двоконтурного, двопотокового турбореактивного двигуна, то вона експлуатується в режимі робочих температур від 150 °C до 500 °C. В цьому випадку, наприклад, як перший матеріал може бути вибраний надсплав на базі нікелю (Ni) із вмістом більше 15 % ваги заліза (Fe) і хрому (Сr), як, зокрема надсплав, що продається під найменуванням "Inconel 718", а як другий матеріал - силікон або поліімід. Якщо конструкція входить до складу турбіни високого тиску авіаційного двоконтурного, двопотокового турбореактивного двигуна з подвійним потоком, то вона експлуатується в режимі температур від 400 °C до 700 °C. В цьому випадку, наприклад, як перший матеріал може бути вибраний надсплав на базі нікелю (Ni) із вмістом більше 15 % ваги заліза (Fe) і хрому (Сr), як, зокрема надсплав, що продається під найменуванням "Inconel 718", а як другий матеріал - скло, яке в даному діапазоні робочих температур має в'язкоеластичний стан. В цілому слід зазначити, що скріплення цих шарів 31, 32, 33 між собою може бути забезпечене різними способами, у тому числі шляхом: - природної адгезії в процесі полімеризації другого шару 32 (під час його вулканізації, якщо він представлений каучуком); - приклеювання; - часткового приварювання шарів 31 і 33, а потім шліфування; 96589 8 - часткового припаювання шарів 31 і 33, а потім шліфування; - зачеканювання або - поєднання декількох вищезгаданих способів, наприклад, шляхом природної адгезії і зачеканювання. Ці шари повинні утворювати між собою єдине ціле для утворення даної багатошарової структури, при цьому досягнуте скріплення, безумовно, повинно бути достатнім для того, щоб перешкодити розшаруванню структури в процесі експлуатації або виникненню текучості шару 32. На фіг. 3 представлений вид у розрізі, виконаний аналогічно представленому на фіг. 2, який зображує інший варіант прокладки 120 згідно з винаходом. Показані на фіг. 3 елементи або частини елементів, аналогічні зображеним на фіг. 2, позначені такими ж цифрами, але які збільшені на 100. Приклад, зображений на фіг. 3, відрізняється від прикладу, представленого на фіг. 2, тим, що основа 120В прокладки 120 утворена скріпленими між собою першим 131 і другим 133 шарами. Тільки боковини 120А прокладки мають багатошарову структуру, яка складається з першого 131, другого 132 і третього 133 шарів згідно з винаходом. Слід зазначити, що основа 120В прокладки також могла бути б утворена тільки третім шаром 133 або виключно першим шаром 131. Фіг. 4 зображує вид у розрізі, аналогічний представленому на фіг. 2, демонструючий інший приклад прокладки 220 згідно з винаходом. Показані на фіг.4 елементи або частини елементів, аналогічні зображеним на фіг.2, позначені такими ж цифрами, але які збільшені на 200. Приклад, представлений на фіг. 4, відрізняється від прикладу, зображеного на фіг.2, тим, що основа 220В прокладки 220 розташовується по зовнішньому периметру диска 202 ротора між двома суміжними виїмками 204, тоді як кожна боковина 220А прокладки розміщується у виїмці 204 і розташовується між опорною поверхнею 216А хвостовика 216 лопатки і відповідною опорною поверхнею 222А диска 202. Прокладка 220 містить багатошарову структуру, аналогічну структурі прокладки 20, зображеної на фіг. 2, з трьома шарами 231, 232, 233, які скріплюються між собою і розташовуються один на одному. 9 96589 10 11 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 96589 Підписне 12 Тираж 23 прим. 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