ТЕРМОУПРОЧНЯЮЩАЯСЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ

Предполагаемая полезная модель относится к области газотурбинной техники и может быть использована в конструкциях авиационных газотурбинных двигателей и наземных энергетических установок.
Рабочие лопатки являются наиболее нагруженными деталями турбомашин (компрессоров и турбин). В процессе работы они подвергаются комбинированному температурно-силовому воздействию. Прочность лопаток лимитируется преимущественно растягивающими напряжениями от центробежных сил и (для лопаток турбин) жаропрочностью конструкционного материала.
Рабочие температуры в современных газовых турбинах таковы, что для сохранения заданного предела прочности традиционных конструкционных материалов (сплавов на основе никеля) требуется охлаждение лопаток. Охлаждение выполняется воздухом, который отбирается от компрессора двигателя, при этом часть энергии рабочего цикла безвозвратно теряется.
Более эффективным и современным способом сохранения прочности рабочих лопаток является использование теплостойких керамических материалов. Лопатки из таких материалов сохраняют прочность при высоких температурах (2000°C и выше) и не требуют охлаждения, однако, в сравнении с металлическими материалами, их прочность невелика. Кроме того, они являются хрупкими, быстро разрушаются при наличии вибраций или ударных воздействиях. При использовании керамических лопаток с металлическим диском возникают сложности в согласовании их тепловых расширений, что также может приводить к разрушению лопаток. Для повышения прочности керамических лопаток применяют сложные композиционные конструкции, состоящие из керамического материала, нанесенного на армирующие металлические стержни. Примеры таких конструкций представлены в патентных документах:
Патент 2282726 Российской Федерации МПК F01 D5/28 Композиционная лопатка турбомашины / Луппов А.А. и др.; заявитель и патентообладатель ФГУП "ЦИАМ имени П.И.Баранова" - №2005101394/06, заявлено 24.01.2005, опубликовано 27.08.2006.
Наиболее близкой к предполагаемой полезной модели является металлокерамическая лопатка газовой турбины. Патент 2433276 Российской Федерации МПК F01D 5/14 заявитель и патентообладатель ООО "Научный центр "Керамические двигатели" имени A.M. Бойко" - №2009143051/06, заявлено 20.11.2009, опубликовано 10.11.2011.
Авторами предложены конструкции рабочих лопаток, состоящие из композиционного материала, воспринимающего основную тепловую нагрузку; и армирующих элементов, представляющих собой металлические стержни и пластины сложной формы, воспринимающие центробежные силы, действующие на лопатку.
К недостаткам можно отнести ограниченные прочностные характеристики существующих материалов лопаток, что препятствует развитию конструкции газотурбинных двигателей, повышению параметров их рабочего процесса и общей эффективности.
Техническим результатом предполагаемой полезной модели является повышение прочности рабочих лопаток турбомашин в условиях температурно-силового воздействия.
Технический результат достигается тем, что термоупрочняющаяся лопатка турбомашины, состоящая из материала с армирующими элементами, причем армирующие элементы выполнены из сплава, обладающего эффектом памяти формы.
Эффект памяти формы заключается в способности некоторых материалов восстанавливающих свою, заранее заложенную при производстве, форму при определенных условиях (к примеру, при определенной температуре). Восстановление формы и деформация таких материалов протекает не по классическим законам физики, а по законам, обусловленным внутренними структурными и фазовыми превращениями. В зависимости от условий производства, при нагреве материала с эффектом памяти формы может происходить не расширение, а сжатие, изгиб или любая иная деформация.
цб
р
с
Предлагаемая конструкция термоупрочняющейся лопатки (фиг.1) состоит из основного конструкционного материала (1) и группы армирующих элементов (2), выполненных из сплава, обладающего эффектом памяти формы. При работе двигателя вращение лопатки приводит к образованию центробежной силы Р, и растягивающих напряжений σ в основном материале. Армирующие элементы, нагреваясь, возвращаются к заданной при производстве форме (сжимаются), приводя к образованию сжимающих напряжений σ, противодействующих эксплуатационной нагрузке, повышая прочность конструкции. Кроме того, сжатие основного материала уменьшает упругие деформации и ползучесть лопатки, повышает ее длительную прочность.
Широкий температурный диапазон восстановления формы (0…800°C) позволяет использовать термоупрочняющиеся лопатки в конструкциях низкотемпературных турбин, а также в компрессорах газотурбинных двигателей.