УСТРОЙСТВО УДЕРЖАНИЯ ОБОРВАВШИХСЯ ЛОПАТОК И ФРАГМЕНТОВ КОЛЕС ТУРБИН

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в осевых турбомашинах для защиты окружающего пространства и обслуживающего персонала от оборвавшихся лопаток и фрагментов разрушившихся колес турбин.
Известно устройство для удержания оборвавшихся лопаток турбомашины по А.С. №1009142, F02C 7/00; F02D 25/24, опубликованное 20.10.1996, содержащее размещенную на корпусе над рабочим колесом кольцевую камеру с расположенным в ней демпфером, выполненным в виде кольцевых ребер, прикрепленных к стенке камеры. Однако из-за весовых ограничений толщина кольцевой камеры и кольцевых ребер устройства рассчитывается из условия частичного поглощения кинетической энергии оборвавшихся лопаток и фрагментов колес турбины, что снижает надежность при эксплуатации.
Известно также устройство для удержания оборвавшихся лопаток турбомашины, патент Франции №2216174, F02C 7/00, опубликованный 29.09.1978, содержащее цилиндрические защитные оболочки, расположенные концентрично относительно ее корпуса. Однако из-за весовых ограничений толщина оболочек рассчитывается из условия частичного поглощения кинетической энергии оборвавшихся лопаток, что снижает надежность при эксплуатации.
Известно также устройство легкие компоненты: лопасти, лопатки или оболочки газотурбинного двигателя по п. GB №2433556, F04D 29/54, опубликованное 27.06.2007, содержащее панели, лопатки или локализующие корпуса, лопасти вентилятора газотурбинного двигателя содержащие множество эллипсоидных или сфероидных композиционных тел. Композиты могут содержать внешний поверхностный элемент, опоясывающий полые компоненты. Полые компоненты засыпаются без наполнителя или соединены друг с другом матричным материалом, например металлом или смолой, или могут соединяться методом спекания или плавления для оптимизации механических свойств компоненты. Однако недостатком таких устройств является сложность технологий их изготовления. Использование дорогостоящих материалов (производство искусственных металлических, стеклянных или полимерных сфероидных или эллипсоидных полых компонентов) значительно удорожает стоимость устройств. Использование таких дорогостоящих технологий в габаритных узлах газотурбинных двигателей, которые после воздействия разрушающих факторов восстановлению не подлежат, экономически малоцелесообразно. Заполнение полостей сложной формы, имеющих в своем составе перемычки, ребра и другие конструктивные элементы технологически сложно и требует сложной и дорогостоящей оснастки и оборудования.
Известно также устройство со стабилизированной оболочкой, заполненной полыми металлическими сферами по п. US №4925740, B22F 3/00, 15.05.1990 г., содержащее высокопрочную облегченную конструкцию со стабилизированной оболочкой, имеющей разнесенные листы оболочки и множество полых металлических сфер заполняющих пространство между оболочками. Сферы и оболочки связаны друг с другом, образуя единую конструкцию. Сферы имеют внешние диаметры от 0,005 до 0,5 дюйма (0,127 до 12,5 мм.) с высокой толщиной от 0,0005 до 0,005 дюйма (0,0127 до 0, 127 мм). Используются сферы различных размеров: меньшие сферы с более массивной толщиной стенок в области высоких нагрузок, большие сферы с меньшей толщиной стенок в области небольших нагрузок. Сферы снаружи покрыты твердым припоем и соединяются друг с другом и с оболочками путем пайки в печи.
Недостатком такой конструкции является сложная технология изготовления таких устройств, необходимость наличия высокотемпературных печей. Процесс получения полых металлических сфер очень трудоемкий и затратный, требующий специального оборудования и оснастки; процесс покрытия сфер твердым припоем технологически сложный и дорогостоящий. Процесс соединения сфер между собой и с оболочками также не гарантирует всестороннего соединения сфер между собой и с оболочками, что значительно снижает прочностные качества конструкции и надежность ее работы. Кроме того получить и заложить в конструкцию сферы с очень близкими размерами практически тяжело, а это сказывается на направленной прочности конструкции, качестве соединения сфер между собой и оболочками. Это все снижает технологическую и конструкционную привлекательность таких конструкций.
Известно также устройство по п. US №7513734, F01B 25/16, 07.04.2009, имеющее в составе многослойный материал, состоящий из матриц различной конструкции, расположенных в каждом слое по своему порядку. Первый опорный слой состоит из материала, имеющего полимерную основу, металл низкой плотности или металл, содержащий пеноматериал. В разрушаемом опорном материале может содержаться множество полых элементов, вкрапленных в полимерный материал. Полые элементы могут представлять собой сферы из разрушаемого материала, например, стекла или жесткого пластика. В предпочтительном варианте полые элементы заполняют газом, например аргоном. В альтернативном варианте опорный материал может быть представлен вспененным полимерным материалом. Такой материал может иметь множество ячеек. Ячейки могут быть открытыми и закрытыми. Также в состав полимерного материала могут входить материалы смолосодержащего типа. В следующем за опорным слоем, расположен поперек первому опорному слою слой с деформируемыми компонентами, имеющими в составе своей конструкции пружины. Пружины могут быть обычными, спиральными или двухмерными. Витки пружины могут иметь спиралевидную форму в виде одной или множества спиралей, или иметь квадратную форму. При наличии спиральной пружины в составе деформируемого материала, в составе опорного материала должны присутствовать полые элементы, причем располагаться они должны внутри витков спирали. Однако такая конструкция становится опасной при образовании разрушившихся фрагментов по габариту и весу больше, чем лопатки, а в добавок выбивает из конструкции стальные пружины, которые становятся источником новой опасности. Изготовление такой конструкции локализации оборвавшихся фрагментов достаточно представляет собой сложный технологический процесс с большими экономическими затратами. Чем больше внутри таких устройств, сложных самостоятельных элементов (пружин, цилиндрических трубок), тем не надежнее становится процесс заполнения объема опорным материалом; процесс сборки-трубчатые элементы+полые элементы и их расположение в виде шестиугольников - трудоемкий и экономически затратный процесс, не гарантирующий качественной структуры гарантирующей локализацию. Стеклянные полые сферы имеют низкую прочность и при использовании в качестве наполнителя разрушаются при технологической засыпке.
В качестве прототипа взято устройство по п. рф №2350765, F02C 7/05, опубликованное 27.03.2009. Устройство предназначено для удержания оборвавшихся лопаток компрессоров или турбин, крупногабаритных лопаток вентилятора двух контурного двигателя. Устройство состоит из скрепленных между собой через смежные модули двигателя наружного и внутреннего слоистых соосных корпусов вентилятора и полости между ними. Наружный корпус содержит силовой не пробиваемый лопаткой слой, выполненный из высокопрочного полимерного материала. Внутренний корпус содержит пробиваемый лопаткой основной слой из материала с повышенным модулем упругости и динамической жесткости, формирующий наружный контур воздушного тракта вентилятора. На внутренней поверхности основного слоя нанесен слой абразивно изнашиваемого материала. В полости между наружным и внутренним корпусами сформирован дополнительный, контактирующий с оборвавшейся лопаткой слой с заданным регулируемым сопротивлением передвижению этой лопатки в окружном направлении. Для формирования серединного слоя полость между корпусами может быть заполнена пресс материалом на основе эпоксидного связующего с минеральным наполнителем с добавлением стеклянных микросфер; или может быть заполнена пенопластом с заданной пористостью и податливостью; или выполнен из композиционного материала на полимерной основе, армированного жгутами в форме U образных петель из органических волокон или базальтовых волокон заданной длины. В полости между наружным и внутренним корпусами равномерно по окружности размещены радиальные ребра ориентированные вдоль продольной оси вентилятора; дополнительный серединный слой может быть выполнен из пластин органопластика, которые свободно выложены на внешней поверхности основного слоя внутреннего корпуса или слоя композиционного материала, отформованного на поверхности основного слоя внутреннего корпуса.
Однако из-за специфичности конструкции применение данного устройства для защиты от оборвавшихся фрагментов блока турбины, где очень высокие температуры (>1500°С), давление и скорость газового потока, а внутренняя поверхность предлагаемого устройства формирует наружный контур газового тракта блока турбин, применение предложенного устройства становится не эффективным. Кроме того, технология изготовления такого устройства очень сложная из-за большой номенклатуры технологических операций их продолжительности и габаритов устройства. Это значительно сужает сегмент применения данного устройства, исходя из и экономической целесообразности. При такой конструкции устройства приходится менять весь узел газового тракта, весьма не дешевого в изготовлении. Применение эпоксидного связующего для формирования среднего защитного слоя не является оптимальным, т.к. в этом связующем достичь равномерного распределения минерального наполнителя и стеклянных микросфер технологически не просто. Наполнить кольцевое пространство значительных размеров равномерно композитом без вибрационного воздействия практически не возможно, а применение вибрационного воздействия вызывает изменение равноплотности распределения наполнителя, а следовательно и эффективности защитных свойств всего слоя. Стеклянные микросферы имеют низкую прочность и при использовании в качестве наполнителя разрушаются при технологической засыпке.
Задачей полезной модели является надежное обеспечение удержания оборвавшихся лопаток и фрагментов колес турбин от разлета в окружающее пространство. Технический результат, достигнутый при создании предполагаемой полезной модели: повышена надежность защиты окружающего пространства от разлета оборвавшихся лопаток и фрагментов колес турбин, уменьшен вес устройства, сокращены трудозатраты на его изготовление, применены недефицитные широко распространенные материалы.
Для достижения поставленной задачи предложено устройство для удержания оборвавшихся лопаток и фрагментов колес турбин, содержащее размещенные вокруг корпуса над рабочим колесом камеры с расположенными в них демпферными элементами, выполненными в виде полых микросфер. Демпферный элемент представляет собой слои камер, выполненных в виде сот, заполненных металлическими полыми микросферами различного диаметра и прочности. Размер полых микросфер, заполняющих соты камер, может уменьшаться по мере удаления камер от рабочего колеса. Размер полых микросфер, заполняющих соты камер, может увеличиваться по мере удаления камер от рабочего колеса. Полые микросферы могут быть соединены между собой органическим или неорганическим связующим компонентом. Камеры, по мере удаления от рабочего колеса, могут быть заполнены сначала полыми микросферами, соединенными между собой органическим связующим компонентом, а затем полыми микросферами, соединенными между собой неорганическим связующим компонентом. Камеры, заполненные полыми микросферами, соединенные между собой органическим связующим компонентом, и камеры, заполненные полыми микросферами, соединенными между собой неорганическим связующим компонентом, могут быть установлены поочередно. Полые микросферы могут быть заполнены газом под давлением (например, 70% СО2 и 30% N2).
Таким образом, оборвавшаяся лопатка или фрагмент колеса турбины разрушает кожух газотурбинной установки, разрушает внутренний силовой кожух устройства, преодолевает внутренний более рыхлый слой полых микросфер диаметром 200-220 мкм, разрушает их, вытесняя из них газовую фазу, и теряет часть своей кинетической энергии, попадает в более плотный слой композита, состоящий из полых микросфер диаметром 140-150 мкм, имеющих меньшие размеры, но большую прочность, где теряет часть оставшейся кинетической энергии. Окончательно энергию оборвавшаяся лопатка или фрагмент колеса турбины теряют в последнем наиболее плотном слое, состоящем из полых микросфер диаметром 80-ЮОмкм, имеющих наименьшие размеры и наибольшую прочность. При этом энергия оборвавшихся лопаток и фрагментов колес турбин гасится за счет разрушения и смятия материала полых микросфер и связующего вещества, противодействия сжимаемой внутри полых микросфер газовой фазы и вытеснения ее из внутренних полостей разрушенных полых микросфер.
На фиг. представлены общие виды вариантов устройства для удержания оборвавшихся лопаток и фрагментов колес турбин.
Устройство для удержания оборвавшихся лопаток и фрагментов колес турбин содержит плоскую или кольцевую оболочку, состоящую из внутреннего 1 и внешнего 2 силовых корпусов, изготовленных из алюминиевого сплава или стали.
2
2
2
2
2
2
Между внутренним 1 и внешним 2 силовыми корпусами расположены слои камер (соты шестиугольной или прямоугольной формы) с демпферными элементами 3, изготовленными, например, из алюминиевого сплава или мягкой низколегированной стали. Полости между слоями сот заполняются композитом 4, 5, 6, состоящим из полых микросфер и связующего компонента органической или неорганической природы. Композит 4 состоит из полых микросфер диаметром 80-100 мкм и прочностью 270 Кг/см-280Кг/см, а в композитах 5, 6 диаметр полых микросфер увеличивается по мере приближения камер к рабочему колесу соответственно до диаметров 140-150 мкм и прочностью 200 Кг/см-220Кг/см в композите 5 и до диаметров 200-220 мкм и прочностью 150 Кг/см-160 Кг/см в композите 6.
Предлагаемое устройство для удержания оборвавшихся лопаток и фрагментов колес турбин работает следующим образом.
В случае обрыва лопатки рабочего колеса или разрушения рабочего колеса фрагменты пробив корпус турбомашины, попадают в кольцевую или плоскую камеру. Пробивают внутренний силовой слой 1 и проникают в ближайший к внутреннему силовому слою 1 - слой композита 6. При этом разрушаются и деформируются полые микросферы. Из них вытесняется газ, раздвигается связующее вещество. На это расходуется часть энергии летящей лопатки или фрагментов колес турбины. Благодаря такой компоновке оборвавшиеся фрагменты свободно проникают во внутренний, ближайший к диску турбины слой, надежно захватываются им и тем самым исключают возможность их отражения в окружающее пространство.
Оставшаяся часть энергии лопатки или фрагментов колес турбины гасится в последующих слоях 5 и 4. В них срабатывают такие же механизмы, как и в слое 6. При срабатывании устройства для удержания оборвавшихся лопаток и фрагментов колес турбины, оно заменяется новым благодаря низкой себестоимости.
В альтернативном варианте крупные фрагменты диска турбины разрушают кожух газотурбинной установки, проникают во внутренний самый плотный и прочный слой композита из полых микросфер диаметром 80-ЮОмкм, разрушают его и теряют часть своей кинетической энергии. Попадают в менее плотный и прочный слой композита из полых микросфер диаметром 140-150 мкм, где теряют большую часть кинетической энергии. Окончательно фиксируются и теряют всю кинетическую энергию во внешнем рыхлом слое, состоящем из композита с полыми микросферами диаметром 200-220 мкм.
Себестоимость устройства низкая, поэтому ремонт не целесообразен, кроме того, устройство представляет собой автономный узел, не являющийся частью корпуса турбомашины. Низкая себестоимость обеспечивается использованием не дорогих, легких и прочных сортов металлов; полых микросфер из зол уноса тепловых электростанций, так называемых ценосферы. Ценосферы из зол уноса по себестоимости на 50%-200% дешевле стеклянных полых микросфер, по прочности в 3-10 раз больше стеклянных полых микросфер; имеют естественное заполнение газом (70% СО2 и 30% N2), запасы оцениваются в 100 млн. тонн.