Металлокерамический ротор турбины

Полезная модель относится к области производства энергетических установок, а именно, к турбинам, содержащим металлокерамические роторные узлы, изготавливаемые высокотемпературной пайкой.
Известен металлокерамический ротор турбины, содержащий выполненный из металла вал и соединенное с ним рабочее колесо, изготовленное из керамического материала. Соединение вала и рабочего колеса осуществляется высокотемпературной пайкой, которая проводится по соединительным плоским торцевым поверхностям вала и рабочего колеса (см. патент США № 4778345, МПК F16C 3/00, F04D 29/02).
В результате анализа выполнения данного ротора турбины необходимо отметить, что для его сборки и пайки используется специализированная сложная оснастка, что существенно усложняет процесс получения надежных паяных соединений, увеличивает вероятность появления брака и повышает трудоемкость изготовления конструкции. Весьма существенно также и то, что паяное соединение, осуществленное по плоским поверхностям, не отличается высокой прочностью, особенно, при изгибных нагрузках, которым подвержены роторы турбин в процессе эксплуатации.
Известен ротор газовой турбины, содержащий изготовленный из металла вал и соединенное с ним рабочее колесо, выполненное из керамического материала, на одном из торцов которого имеется хвостовик. Вал имеет оконцовку, пристыковываемую к торцу хвостовика при их сборке. При сборке ротора на хвостовик наносят припой, после чего на хвостовик надевают цилиндрическую муфту и далее в ее отверстие вставляют оконцовку вала, до контакта ее торца с торцом хвостовика. На оконцовку вала также нанесен припой. Проводят пайку собранного узла, детали которого в процессе пайки фиксируются припоем (см. патент США № 4659245, МПК F16C 9/00, F16D 1/00) - наиболее близкий аналог.
В сравнении с приведенным выше решением, данная конструкция металлокерамического ротора характеризуется более прочным паяным соединением за счет применения муфты, дополнительно фиксирующей хвостовик рабочего колеса и оконцовку вала. Однако, в данном случае при проведении пайки собранного узла, за счет разных значений термических деформаций хвостовика, вала и муфты, довольно часто нарушаются установленные первоначально междетальные зазоры, в которых размещен припой, что приводит к различным характеристикам прочности по спаянным поверхностям. Весьма также существенно, что при нарушении установленных зазоров, нарушается соосность рабочего колеса и вала, что в процессе эксплуатации создает циклические нагрузки на паяное соединение, постепенно разрушая его и снижая срок эксплуатации конструкции.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение прочности паяного соединения.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в металлокерамическом роторе турбины, состоящем из изготовленного из металла вала и выполненного из керамического материала рабочего колеса, на одном из торцов которого имеется хвостовик, соединенный пайкой с концом вала, новым является то, что конец вала, предназначенный для соединения с хвостовиком, выполнен полым, с раструбом конической формы, на внутренней поверхности раструба выполнены кольцевые канавки, хвостовик рабочего колеса имеет коническую форму, хвостовик рабочего колеса и вал сопряжены по их коническим поверхностям, между которыми имеет возможность размещения припой, при этом высота конуса хвостовика превышает высоту раструба вала.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлен металлокерамический ротор турбины, осевой разрез.
Металлокерамический ротор турбины состоит из собранных друг с другом вала и рабочего колеса.
p
Вал 1 ротора турбины изготовлен из металла, один из его концов (оконцовка вала) выполнен полым и выполнен в виде раструба 2 конической формы, на внутренней поверхности раструба имеются кольцевые канавки 3. Высота раструба составляет H. Количество кольцевых канавок 3 может быть различным и зависит от высоты раструба.
к
Рабочее колесо 5 выполнено из керамического материала, на одном из его торцов имеется хвостовик 4 конической формы, конусность которого соответствует конусности раструба 2 вала 1. Высота хвостовика составляет Н.
к
p
Высота конуса хвостовика превышает высоту раструба вала, то есть, Н>H.
Металлокерамический узел турбины изготавливают следующим образом.
Для пайки осуществляют сборку изделия в стандартном стягивающем приспособлении, для чего помещают на хвостовик 4 припой, надевают на коническую часть хвостовика 4 раструбом 2 вал 1, собранный узел стягивают и помещают в печь, в которой осуществляют пайку соединения.
В процессе пайки, за счет разницы коэффициентов термического расширения металла и керамики, происходит осадка металлической детали (вала) 1 на керамический хвостовик 4, обеспечивая автоматическое центрирование вала 1 и рабочего колеса 5.
Из уровня техники известно, что существующие конструкции металлокерамических узлов турбины выполняются с цилиндрической посадкой вала на хвостовик рабочего колеса. Получение надежных герметичных соединений такой конструкции осложняется тем, что в процессе пайки трудно обеспечить плотное поджатие соединяемых деталей и их относительное центрирование, поэтому необходимо применение специальной сборочно-паяльной оснастки. Использование конического соединения вала с хвостовиком обеспечивает, при их нагреве из-за разницы коэффициентов термического расширения, перемещение по скользящей посадке раструба 2 вала 1 по хвостовику 4 керамического рабочего колеса 5, что способствует их центрированию и получению равномерного паяемого зазора, а также упрощает процесс поджатия деталей. Скользящая посадка позволяет получить минимальные зазоры в месте пайки и снизить вероятность образования дефектов паяного соединения.
Вместе с этим увеличение контактной поверхности соединения за счет применения их посадки по коническим поверхностям приводит к необходимости обеспечения гарантированного заполнения припоем зазора, что обусловлено повышенными требованиями по механической и вибрационной прочности, характерными для узлов турбины. Для решения этой проблемы на внутренней поверхности раструба вала выполняются кольцевые канавки 3 для дополнительного размещения в них припоя. Помимо дополнительной подпитки припоем в процессе пайки, канавки 3 играют роль компенсатора напряжений, возникающих при охлаждении. Все это способствует получению качественного паяного соединения.
р
к
Для обеспечения наиболее высокой механической прочности паяного соединения необходимо, чтобы паяное соединение было образовано по всей поверхности раструба 2. Это достигается тем, что высота Н раструба 2 всегда меньше высоты Н хвостовика 4 рабочего колеса 5.
Пример.
Производили изготовление металлокерамического узла турбины, состоящего из рабочего колеса диаметром 200 мм из керамики ОТМ904 и металлического вала, выполненного из сплава 29НК. Образцы металлического вала и керамического рабочего колеса изготавливались с цилиндрической и конической формой раструба вала и хвостовика рабочего колеса. На внутренней поверхности раструба образцов вала изготавливались две кольцевые канавки для дополнительного размещения припоя.
-2
Сборка образцов осуществлялась в обычной стягивающей оснастке, представляющей собой две пластины, соединенные между собой резьбовыми шпильками. В качестве припоя использовалась проволока ПСр72 диаметром 0,8 мм. Собранные заготовки образцов помещались в вакуумную печь типа СГВ-2 и производился нагрев по режиму пайки (температура пайки 840-845°С, время выдержки 1-1,5 мин, остаточное разряжение в камере 10 Па).
После пайки проводили визуальный осмотр паяного соединения, который показал наличие трещин у двух из трех спаянных образцов с цилиндрической формой соединения. На образцах с конической формой соединения трещины внешним осмотром выявлены не были. Проведенные металлографические исследования образцов показали, что в третьем образце с цилиндрической формой паяного соединения наблюдаются внутренние микротрещины, свидетельствующие о высоких остаточных напряжениях. На образцах с конической формой паяного соединения дефектов типа трещин обнаружено не было.
Таким образом, предлагаемая конструкция металлокерамического узла обеспечивает формирование качественного высокопрочного паяного соединения металлического вала с рабочим колесом, выполненным из керамического материала.