СИСТЕМА СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ И КМКМ-КОМПОНЕНТОВ, СИСТЕМА ФИКСАЦИИ ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ И СИСТЕМА ФИКСАЦИИ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ КОМПОНЕНТА
METAL COMPONENTS AND KMCM COMPONENTS CONNECTION SYSTEM, TURBINE SHOVEL FIXATION SYSTEM AND ROTATING COMPONENT FIXATION SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится в общем к энергоустановкам, а более конкретно - к системам соединения металлического компонента и компонентов из композиционного материала с керамической матрицей (КМКМ) в энергоустановках.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Композиционные материалы с керамической матрицей (КМКМ) дают возможность получения высокотемпературных материалов. В области газовых турбин, как, например, описано в US 5405245 и в US 6431781, часто требуется соединить, или ввести в зацепление, КМКМ-компоненты с более низкотемпературными металлическими компонентами газовых турбин. Проблемы, связанные с соединением известных КМКМ на основе карбида кремния с металлическими компонентами, включают износ, окисление (вследствие переноса ионов металлом), концентрацию напряжений (от прижимных нагрузок), переход к изготовлению больших сечений и повреждение волокон при создании отверстий в КМКМ.
Таким образом, на существующем уровне техники желательно иметь систему соединения металлических компонентов с КМКМ-компонентами, систему фиксации турбинных лопаток и систему фиксации вращающихся компонентов, которые не страдают от вышеуказанных недостатков.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить усовершенствованную систему для соединения металлического компонента и композиционного материала с керамической матрицей, которая обеспечивала бы более плотное закрепление КМКМ-компонентов в металлических компонентах, а также более стабильную нагрузку в отверстии под штифт, сделанном в КМКМ, снижала бы вибрацию и уменьшала бы напряжение между компонентами, имеющими различные коэффициенты термического расширения, такими как компоненты из КМКМ и металла.
В соответствии с примером воплощения данного изобретения, предложена система для соединения металлического компонента и композиционного материала с керамической матрицей. Система соединения включает фиксирующий штифт, втулку из пенометалла, первое отверстие, расположенное в металлическом компоненте, и второе отверстие, расположенное в компоненте из композиционного материала с керамической матрицей. Первое отверстие и второе отверстие выполнены с возможностью образовывать сквозное отверстие при соединении металлического компонента и компонента из композиционного материала с керамической матрицей. Фиксирующий штифт и втулка из пенометалла расположены внутри сквозного отверстия для соединения металлического компонента и компонента из композиционного материала с керамической матрицей.
Настоящее изобретение, в частности, применимо в области газовых турбин для соединения сегмента турбинной лопатки газовой турбины, выполненного из композиционного материала с керамической матрицей, с металлическим сегментом держателя. Поэтому, согласно другому примеру воплощения данного изобретения, предложена система для соединения сегмента турбинной лопатки газовой турбины, выполненного из композиционного материала с керамической матрицей, с металлическим сегментом держателя. Система включает усиливающий штифт, втулку из пенометалла, первое отверстие, расположенное в сегменте турбинной лопатки, и второе отверстие, расположенное в сегменте держателя. Первое отверстие и второе отверстие образуют сквозное отверстие для приема втулки из пенометалла и усиливающего штифта при соединении сегмента турбинной лопатки и сегмента держателя. Фиксирующий штифт и втулка из пенометалла расположены внутри сквозного отверстия для соединения сегмента турбинной лопатки и сегмента держателя с формированием системы для фиксации турбинной лопатки.
Преимуществом данного воплощения изобретения является то, что турбинные лопатки из КМКМ значительно плотнее закреплены в металлических держателях, что, таким образом, уменьшает вибрацию в энергоустановке. Другим преимуществом данного воплощения изобретения является то, что оно обеспечивает более равномерные нагрузки в отверстии под штифт в хвостовике турбинной лопатки из КМКМ. Другим преимуществом данного воплощения изобретения является то, что оно позволяет модернизировать существующий парк энергоустановок КМКМ-профилями без необходимости перемещения или переделки металлических держателей в существующей энергоустановке. Другим преимуществом данного воплощения изобретения являются соображения, связанные с низкочастотными усталостными нагрузками в хвостовике турбинной лопатки из КМКМ.
Согласно другому примеру воплощения данного изобретения обеспечена система фиксации вращающегося компонента. Система фиксации вращающегося компонента включает фиксирующий штифт, первое отверстие, расположенное в части вращающегося компонента, второе отверстие, расположенное в сегменте держателя, и втулку. Вращающийся компонент обладает первым коэффициентом термического расширения. Сегмент держателя обладает вторым коэффициентом термического расширения. Втулка обладает третьим коэффициентом термического расширения, при этом третий коэффициент термического расширения является промежуточным между первым коэффициентом термического расширения и вторым коэффициентом термического расширения. Первое отверстие и второе отверстие образуют сквозное отверстие для приема втулки и усиливающего штифта при соединении вращающегося компонента и сегмента держателя. Фиксирующий штифт и втулка размещены внутри сквозного отверстия, для соединения вращающегося компонента и сегмента держателя с образованием системы фиксации вращающегося компонента.
Другие отличительные особенности и преимущества данного изобретения станут ясными из последующего, более подробного, описания предпочтительного примера воплощения, в сочетании с сопровождающими чертежами, которые иллюстрируют, посредством примера, принципы данного изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой схему энергоустановки по данному изобретению.
Фиг. 2 представляет собой систему соединения по данному изобретения, в разобранном виде.
Фиг. 3 представляет собой сечение системы присоединения вращающегося компонента по данному изобретению в сборе.
Фиг. 4 представляет собой вид сбоку частично собранной системы соединения по данному изобретению.
Там, где это возможно, во всех чертежах будут использовать одинаковые численные сноски для обозначения одних и тех же деталей.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложена система для соединения металлического компонента и КМКМ-компонента, которая не страдает от недостатков существующего уровня техники. Существует потребность в системе соединения металлических компонентов и КМКМ-компонентов, которая обеспечивает более стабильную нагрузку в отверстии под штифт, сделанном в КМКМ, снижает вибрацию и уменьшает напряжение между компонентами, имеющими различные коэффициенты термического расширения, такими как компоненты из КМКМ и металла.
Одно из преимуществ примера воплощения данного изобретения включает фиксирующий штифт, который плотно вставляют в соединительную систему. Другим преимуществом примера воплощения данного изобретения является использование фиксирующего штифта, который имеет коэффициент термического расширения, близкий к коэффициенту термического расширения первого компонента, или металлического компонента. Еще одним преимуществом примера воплощения данного изобретения является использование фиксирующего штифта, который имеет коэффициент термического расширения, превышающий коэффициент термического расширения второго компонента, или КМКМ-компонента. Другим преимуществом примера воплощения данного изобретения является использование КМКМ-компонента, имеющего отверстие, которое больше, чем фиксирующий штифт, что допускает несоответствие коэффициентов термического расширения (КТР). Другим преимуществом примера воплощения данного изобретения является использование втулки из высокотемпературного пенометалла, который при работе создает контакт между фиксирующим штифтом, КМКМ-компонентом и металлическим держателем. Еще одним преимуществом примера воплощения данного изобретения является то, что втулка из высокотемпературного пенометалла снижает напряжение в хвостовике турбинной лопатки из КМКМ. Другим преимуществом примера воплощения данного изобретения является то, что турбинные лопатки из КМКМ значительно плотнее закреплены в металлических держателях, что, таким образом, уменьшает вибрацию в энергоустановке. Другим преимуществом примера воплощения данного изобретения является то, что оно обеспечивает более равномерные нагрузки в отверстии под штифт в хвостовике турбинной лопатки из КМКМ. Другим преимуществом примера воплощения данного изобретения является то, что оно позволяет модернизировать существующий парк энергоустановок КМКМ-профилями, без необходимости перемещения или переделки металлических держателей в существующей энергоустановке. Другим преимуществом примера воплощения данного изобретения являются соображения, связанные с низкочастотными усталостными нагрузками в хвостовике КМКМ-лопатки. Другим преимуществом примера воплощения данного изобретения является система соединения двух материалов с различающимися коэффициентами термического расширения.
Энергоустановки 10 включают, не ограничиваясь этим, газовую турбину, паровую турбину и другие турбинные установки. Пример воплощения данного изобретения изображен на Фиг. 1-3, но данное изобретение не ограничено проиллюстрированной структурой.
Фиг. 1 изображает пример энергоустановки 10, в данном примере воплощения - газотурбинного двигателя, имеющего секцию 12 компрессора, секцию 14 камеры сгорания и турбинную секцию 16. В турбинной секции 16 имеются перемежающиеся ряды стационарных аэродинамических профилей 18 (обычно называемых направляющими лопатками) и вращающихся аэродинамических профилей 20 (обычно называемых турбинными лопатками). Каждый ряд турбинных лопаток 20 образован множеством аэродинамических профилей 20, присоединенных к диску 22, обеспеченному на роторе 24. Турбинные лопатки 20 могут радиально расходиться от дисков 22 и заканчиваются в области, известной как вершина 26 лопатки. Каждый ряд направляющих лопаток 18 образован путем присоединения множества лопаток 18 к обойме 28 турбины. Направляющие лопатки могут проходить радиально внутрь, от внутренней периферийной поверхности обоймы 28 турбины. Обойма 28 турбины присоединена к внешней оболочке 32, которая заключает в себе турбинную секцию 16 двигателя. При работе энергоустановки 10 поток газов течет, при высокой температуре и высокой скорости, через ряды направляющих лопаток 18 и турбинных лопаток 20 в турбинной секции 16. Система 100 соединения фиксирует вращающиеся аэродинамические профили 20, или турбинные лопатки, в корпусе 32 энергоустановки 10.
Как показано на Фиг. 2, соединительная система 100 включает фиксирующий штифт 122, втулку 116 из пенометалла, первое отверстие 108, расположенное в металлическом компоненте 112. Соединительная система 100 включает второе отверстие 110, расположенное в КМКМ-компоненте 114. Первое отверстие 108 и второе отверстие 110 выполнены с возможностью образования сквозного отверстия 132 (см. Фиг. 4) при соединении металлического компонента 112 и КМКМ-компонента 114. Фиксирующий штифт 122 и втулка из пенометалла в рабочем состоянии расположены внутри сквозного отверстия 132, для соединения металлического компонента 112 и КМКМ-компонента 114.
Как показано на Фиг. 2, соединительная система 100 представляет собой соединительную систему 101 турбины. Соединительная система 130 турбины включает усиливающий штифт 112, втулку 116 из пенометалла, первое отверстие 108, расположенное в сегменте или хвостовике 104 аэродинамического профиля, и второе отверстие 110, расположенное в сегменте 106 держателя. Втулка из пенометалла включает внутренний диаметр 134 и внешний диаметр 136, определяющие отверстие втулки, для приема усиливающего штифта 112. Первое отверстие 108 в хвостовике 104 аэродинамического профиля и второе отверстие 110 сегмента 106 держателя образуют сквозное отверстие 132 (см. Фиг. 4) для приема втулки 116 из пенометалла и фиксирующего штифта 112 (не показана на Фиг. 3), при соединении хвостовика 104 аэродинамического профиля и сегмента 106 держателя. Фиксирующий штифт 122 и втулка 116 из пенометалла организованы и расположены в сквозном отверстии 122, для соединения хвостовика 104 аэродинамического профиля и сегмента 106 держателя, с получением системы 130 фиксации турбинной лопатки.
В одном из примеров воплощения сегмент аэродинамического профиля или хвостовик 104 представляет собой КМКМ-компонент. В другом примере воплощения аэродинамический профиль 102 сформирован как монолитный КМКМ-компонент, имеющий аэродинамический профиль, основание 118 аэродинамического профиля и хвостовик 104 аэродинамического профиля, сформированные в виде единого КМКМ-компонента.
Обычно понимают, что металлы, как правило, имеют более высокие коэффициенты термического расширения, чем керамика или КМКМ-материалы. В рабочих условиях для того, чтобы удерживать на месте вращающуюся деталь, фиксирующий штифт 122 должен иметь более высокий КТР, чем КМКМ-хвостовик 104 аэродинамического профиля, в котором он находится. В одном из примеров воплощения материал и размер фиксирующего штифта 122 выбирают так, чтобы обеспечить желаемое усилие сдвига для предотвращения деформации ползучести хвостовика 104 аэродинамического профиля.
При конструировании второго отверстия 110 или отверстия под штифт в КМКМ-компоненте 114, в холодном состоянии отверстие должно быть несколько больше, чем внешний диаметр фиксирующего штифта 122, чтобы вместить фиксирующий штифт 122 при его расширении и обеспечить посадку с натягом для втулки 116 из пенометалла, без растрескивания сквозного отверстия 132 в КМКМ-компоненте при нормальных рабочих условиях энергоустановки 10. В одном примере воплощения внутренний диаметр 134 втулки 116 из пенометалла имеет такой размер, чтобы усиливающий штифт 122 мог увеличиваться в размерах или расширяться во втулку 116 из пенометалла, не приводя к деформации втулки. Обычно фиксирующий штифт 122 будет иметь КТР, примерно превышающий КТР КМКМ-компонента, или равный ему. В одном из примеров воплощения фиксирующий штифт 122 выбирают из такого же материала, как и металлический компонент.
Фиг. 3 представляет собой сечение системы 200 фиксации вращающегося компонента. В одном примере воплощения вращающийся компонент представляет собой аэродинамический профиль 20, или лопатку (см. Фиг. 1). Система 200 фиксации вращающегося компонента включает фиксирующий штифт 122, первое отверстие 108 (см. Фиг. 2), расположенное в первом компоненте 112 (см. Фиг. 3), второе отверстие 110 (см. Фиг. 2), расположенное во втором компоненте 114, и втулку 116. Первое и второе отверстия 108 и 110 называют также отверстиями под штифт. Первый компонент 112 обладает первым коэффициентом термического расширения. Второй компонент 114 обладает вторым коэффициентом термического расширения. Втулка 116 имеет третий коэффициент термического расширения, при этом третий коэффициент термического расширения является промежуточным по отношению к первому коэффициенту термического расширения и второму коэффициенту термического расширения. Первое отверстие 108 и второе отверстие 110 формируют сквозное отверстие 132 (см. Фиг. 4), или отверстие под штифт, для приема втулки 116 и фиксирующего штифта 122, при соединении первого компонента 112 и второго компонента 114. Втулка 116 включает отверстие 120 втулки, для приема фиксирующего штифта 122. Фиксирующий штифт 122 и втулка 116 в рабочем состоянии расположены внутри сквозного отверстия 132, чтобы соединить первый компонент 112 и второй компонент 114 с образованием системы 200 фиксации вращающегося компонента. В одном примере воплощения первый коэффициент термического расширения первого компонента 112 приблизительно больше второго коэффициента термического расширения второго компонента 114 или равен ему. В другом примере воплощения третий коэффициент термического расширения втулки 116 меньше второго коэффициента термического расширения второго компонента 114 или примерно равен ему. В другом примере воплощения втулка 116 представляет собой втулку из пенометалла с открытыми или закрытыми порами.
3
4
2
3
2
3
2
В одном примере воплощения системы 200 фиксации вращающегося компонента первый компонент 112 представляет собой металлический компонент, например (не ограничиваясь этим) сегмент 106 держателя (см. Фиг. 3). В одном примере воплощения первый компонент 112 представляет собой металлический компонент и сконструирован из материала, выбранного из (не ограничиваясь этим) титана, никеля, железа, кобальта, хрома, их сплавов или их сочетаний. В одном примере воплощения второй компонент 114 представляет собой КМКМ-компонент, например (не ограничиваясь этим) хвостовик 104 аэродинамического профиля (см. Фиг. 3). В одном примере воплощения КМКМ-компонент выбирают из многочисленных КМКМ-материалов, применяемых в данной области, таких как (но не ограничиваясь этим), SiC/SiC, SiC/Si-SiC, SiC/C, SiC/SiN и материалов на основе оксидов, таких как AlO/AlO-SiO; КМКМ включает материал матрицы, выбранный из SiC, SiN и их сочетаний. В одном примере воплощения втулку из пенометалла выбирают из материала, который примерно является таким же, как материал первого компонента 112 или сегмента 106 держателя. В одном примере воплощения втулка из пенометалла включает материалы, выбранные из (не ограничиваясь этим) титана, никеля, железа, кобальта, хрома, их сплавов и их сочетаний. В одном примере воплощения втулка 116 из пенометалла сконструирована из материала пенометалла, поступающего в продажу под торговой маркой FECRALLOY™ FeCrAlY (от Porvair Fuel Cell Technology, 700 Shepherd Street, Hendersonville, NC), который представляет собой сплав железо-хром-алюминий-иттрий с номинальным составом в % масс, соответственно, 72,8% железа, 22% хрома, 5% алюминия и 0,1% иттрия и 0,1% циркония.
Пенометалл для втулки 116 из пенометалла можно изготовить любым подходящим способом, таким как (но не ограничиваясь этим) химическое осаждение из паровой фазы, литье по выплавляемым моделям и нанесение суспензии. Способ химического осаждения из паровой фазы включает получение газообразного металла и десублимацию газа на полимерный субстрат; нагревание субстрата с испарением полимера, оставляя металлическую реплику субстрата; и затем - снова нагревание, для спекания металлического материала с получением пенометалла. Способ литья по выплавляемым моделям включает использование полимерного субстрата в качестве заготовки (во внутренней полости формы) и заполнение полости формы отливаемым материалом с испарением полимерного субстрата; с последующей заливкой расплавленного металла в полость формы, которую нагревают и поддерживают под давлением. После завершения отливки материал формы удаляют, и точная реплика полимерного субстрата остается в виде пенометалла. Способ нанесения суспензии включает получение краскообразной смеси из мелких металлических порошков и полимерных связующих, и нанесение этой краскообразной смеси на полимерную пену с открытыми порами, применяя такие процессы, как центробежная пропитка, пропитка валиком и пропитка при напылении. Пропитанную полимерную пену с открытыми порами сжимают, чтобы выдавить избыток суспензии, затем сушат и прокаливают, чтобы выжечь полимерную пену, и спекают с получением пенометалла. Жесткий пенометалл, полученный с применением любой из вышеописанных технологий, имеет множество взаимосоединяющихся пустот, имеющих по существу такую же структурную конфигурацию, как полимерная пена, которая явилась исходным материалом. Применяемые металлические частицы включают, не ограничиваясь этим, титан, никель, железо, кобальт, хром, их сплавы и их сочетания.
Пенометалл может иметь низкую плотность, от 5% до 40% от плотности твердого исходного металла, и высокую прочность. Термин «податливый» или «податливость» означает, в тексте данного описания, что материал имеет модуль упругости, который обеспечивает посадку с натягом при сборке и различие термического расширения между фиксирующим штифтом 122 и КМКМ-компонентом или хвостовиком 104 аэродинамического профиля, без переноса усилий, которые приводят к повреждению хвостовика 104 аэродинамического профиля. Структура в виде трехмерной сети, с высокой площадью поверхности по отношению к плотности и высокой температурой плавления (свыше 1000°С), позволяет применять втулку 116 из пенометалла при рабочих температурах энергоустановок. В одном примере воплощения втулка 116 из металлической пены сжимается, для обеспечения хорошей посадки наружной поверхности сквозного отверстия 132 на внешнюю поверхность фиксирующего штифта 122. Кроме того, предел текучести или сжимающее напряжение, при котором материал будет начинать необратимо сжимать пенометалл, может быть различным в зависимости от плотности пены. Например, пенометалл, имеющий относительную плотность порядка 3-4%, будет иметь предел текучести примерно 1 МПа. Материал, имеющий относительную плотность примерно 4,5-6%, будет иметь предел текучести примерно 2 МПа, в то время как материал, имеющий относительную плотность выше чем примерно 6%, будет иметь предел текучести примерно 3 МПа или выше.
В одном из примеров воплощения материал втулки 116 из пенометалла выбирают из пенометалла с закрытыми порами. В этом примере воплощения относительная плотность пены больше, чем у пенометалла с открытыми порами. Кроме того, деформируемость втулки из пенометалла с закрытыми порами отличается от поведения пенометалла с открытыми порами. Подходящим примером втулки 116 из пенометалла с закрытыми порами является (не ограничиваясь этим) пеноникель с закрытыми порами.
В одном примере воплощения толщина втулки 116 из пенометалла является такой, чтобы втулка 116 из пенометалла не деформировалась пластически при вращении и при рабочих условиях. В одном примере воплощения толщина основана на плотности втулки из пенометалла, и втулка 116 из пенометалла имеет относительную плотность примерно от 3% до 50%, или, в альтернативном случае, примерно от 10% до 35%; или, в альтернативном случае, примерно от 20% до 30%.
В то время как данное изобретение было описано со ссылкой на предпочтительный пример воплощения, специалистам должно быть понятно, что можно внести различные изменения, и элементы изобретения можно заменить эквивалентными, не выходя за рамки объема данного изобретения. Кроме того, можно осуществить многие модификации для адаптации конкретной ситуации или материала к концепции данного изобретения, по существу не выходя за рамки его объема. Таким образом, предполагают, что данное изобретение не ограничено конкретным примером воплощения, описанным в качестве наилучшего способа, предполагаемого для осуществления этого изобретения, но данное изобретение будет включать все примеры воплощения, попадающие в объем прилагаемой формулы изобретения.