РОТОР ТУРБОМАШИНЫ, ВЫПОЛНЕННЫЙ ИЗ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
TURBINE MACHINE ROTOR MADE OUT OF DISSIMILAR MATERIALS

Изобретение относится к области турбо-машиностроения и, в частности, может быть реализовано в конструкции роторов многоступенчатых компрессоров и турбин.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является известный ротор турбомашины, содержащий первую и вторую секции рабочих колес, выполненных из несвариваемых между собой материалов, образующих неразъемное соединение через промежуточный элемент. Промежуточный элемент, включающий участки со свариваемостью, соответствующие первому и второму рабочим колесам, приварен одним концом к первому рабочему колесу, а другим концом - ко второму рабочему колесу. Промежуточный элемент является единым двухсплавным и имеет первую область, содержащую материал, однородный с первым материалом, и вторую область, содержащую материал, однородный со вторым материалом, отличный от материала первой области. Промежуточный элемент имеет также сформованную переходную область между первой и второй областью, причем по меньшей мере участок упомянутой области включает комбинацию первого и второго материала /RU 2480316 С2, В23К 31/02, 27.04.2013, - прототип/.
Недостатком прототипа является низкая прочность сварного соединения из-за различных физико-химических свойств соединяемых материалов.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение массы компрессора или турбины, повышение надежности узла.
Технический результат - получение неразъемного соединения элементов ротора, выполненных из разнородных несвариваемых материалов, без снижения прочности соединения относительно прочности материалов, применяемых в секциях ротора, а также упрощение изготовления промежуточного элемента.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в роторе турбомашины, содержащем первое и второе рабочие колеса, выполненные из несвариваемых между собой материалов, образующих неразъемное соединение через промежуточный элемент, включающий участки со свариваемостью, соответствующие первому и второму рабочим колесам, приваренный одним концом к первому рабочему колесу, а другим концом - ко второму рабочему колесу, согласно предложению промежуточный элемент выполнен из двух фланцев, каждый из которых изготовлен из материала, обладающего свариваемостью с материалом прилегающего первого или второго рабочих колес, при этом фланцы промежуточного элемента соединены неразъемным соединением.
Предлагаемое изобретение может быть реализовано для соединения рабочих колес, дисков, секций, состоящих из нескольких дисков, в любых известных конструктивных схемах роторов турбомашин.
Поскольку разные участки ротора подвержены воздействию различных температур при работе турбомашины, выполнение элементов конструкции из различных материалов позволяет получить наиболее высокие удельные характеристики узла. Физико-химические свойства большинства разнородных материалов не позволяют получить качественное неразъемное немеханическое (сварное, паяное, клеевое) соединение, являющееся оптимальным видом соединения секций ротора с точки зрения надежности и массы. Под термином «разнородные материалы» подразумеваются сплавы с различным химическим составом. Применение разъемного механического соединения сопряжено с уменьшением надежности, технологичности сборки и увеличением массы узла.
Предлагаемая конструкция промежуточного элемента позволяет выполнить качественное неразъемное немеханическое соединение элементов ротора с промежуточным элементом. В свою очередь части промежуточного элемента соединяются неразъемным механическим соединением, обеспечивающим требуемые прочностные характеристики в сочетании с минимальной массой, габаритами, простотой изготовления и максимальной надежностью.
Соединяемые элементы ротора могут быть выполнены из следующих сочетаний первого и второго материалов: титан-алюминий; сталь-титан; титан-жаропрочные сплавы на различных основах; металл-различные композиты. Выбор материалов частей промежуточного элемента должен обеспечивать выполнение качественного сварного соединения с соответствующими элементами ротора. Для соединения элементов ротора с частями промежуточного элемента допускается выполнение любого известного типа сварки роторов, обеспечивающего соединение требуемого качества, такого как диффузионная, лучевая, сварка трением. Неразъемное механическое соединение частей промежуточного элемента может представлять собой заклепочное соединение, штифтовое, сварные соединительные элементы, сварка-пайка и т.д.
Конструкция промежуточного элемента должна обеспечивать минимальную массу и габариты, высокую технологичность изготовления, требуемые прочностные характеристики, а также сохранение прочностных характеристик на требуемом уровне в течение всего срока службы изделия. Оптимальная конструкция промежуточного элемента представляется в виде двух кольцевых фланцев с поверхностями для сварки с элементами ротора. Количество неразъемных механических соединений на фланец промежуточного элемента должно составлять минимум два, максимум - исходя из требуемых условий прочности.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется фигурами 1-3.
Фиг. 1 - общий вид ротора;
Фиг. 2 - общий вид промежуточного соединительного элемента;
Фиг. 3 - вариант выполнения промежуточного соединительного элемента.
1 - ротор турбомашины;
2, 3 - первый и второй элементы ротора;
4 - промежуточный элемент;
5, 6 - фланцы;
7 - сварные швы;
8 - заклепка;
9 - втулка;
10 - кольцевой посадочный поясок;
11 - проточки на торцах фланцев;
12 - отверстие во фланцах;
13 - торцевая упорная поверхность втулки;
14 - шайба.
Ротор 1 турбомашины состоит из первого и второго элементов 2, 3, в качестве которых служат рабочие колеса или секции, состоящие из нескольких рабочих колес, выполненные из разнородных материалов, например титанового и никелевого сплавов. Рабочие колеса 2, 3 соединены промежуточным элементом 4, состоящим из двух фланцев 5, 6. Фланец 5 приварен к первому элементу (рабочему колесу) 2, фланец 6 приварен ко второму элементу (рабочему колесу) 3, образуя сварные швы 7. Фланцы 5, 6 выполнены из материалов, обеспечивающих возможность получения сварного соединения с соответствующими рабочими колесами 2, 3 ротора 1, например титанового и никелевого сплавов соответственно. Фланцы 5, 6 соединены между собой неразъемным механическим соединением, например силовыми заклепками 8 или втулками 9.
Сборку элементов ротора 1 в соответствии с предлагаемым изобретением осуществляют следующим образом в три этапа.
На первом этапе собирают промежуточный соединительный элемент 4, выполненный в виде двух фланцев 5, 6, соединенных неразъемным механическим соединением по двум вариантам.
По первому варианту фланцы 5, 6, состоящие из разнородных несвариваемых между собой материалов, например из титанового сплава и жаропрочного сплава на никелевой основе, центрируют по кольцевому посадочному пояску 10 и опрессовывают. Для создания необходимого монтажного натяга на торцевых поверхностях фланцев 5, 6 можно выполнять проточки 11. Во фланцах 5, 6 совместно выполняют отверстия 12. В отверстия 12 устанавливают предварительно разогретые до состояния сверхпластичности силовые заклепки 8, установленные в кондуктор, позволяющий установить все заклепки 8 одновременно по всем отверстиям 12 фланцев 5, 6. Затем торцевые поверхности заклепок 8 деформируют, чем достигают неразъемное соединение элементов ротора 2, 3.
По второму варианту в отверстия 12 фланцев 5, 6 вместо заклепок 8 устанавливают втулки 9 с торцевыми упорными поверхностями 13 с одной стороны. С другой стороны на цилиндрические части втулок 9 устанавливают шайбы 14 с упором в ответную поверхность фланца 6. Шайбы 14 обваривают по периметру стыков с втулками 9 и получают неразъемное соединение элементов ротора 2, 3.
На втором этапе собранный промежуточный элемент 4 последовательно соединяют при помощи сварки со смежными элементами ротора 2, 3.
На третьем этапе собранный ротор 1 устанавливают в турбомашину с выполнением требуемых регулировок.
Применение предлагаемого изобретения позволяет снизить стоимость жизненного цикла изделия за счет повышения уровня его удельных параметров и надежности вследствие усовершенствования конструкции.