Рабочее колесо осевой газовой турбины для кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя

Предлагаемое изобретение относится к области турбостроения, к конструкциям неразъемных рабочих колес осевых газовых турбин, преимущественно турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей. Рабочее колесо осевой газовой турбины кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя содержит диск, корневую и периферийную части лопаток, входные и выходные кромки лопаток и кольцевой бандаж, расположенный в периферийной части лопаток. Элементы рабочего колеса выполнены из сплава на основе никеля и неразъемно соединены между собой. Диск и корневая часть лопаток изготовлены из высокожаропрочного сплава, содержащего 40-70% никеля. Кольцевой бандаж, периферийная часть, входные и выходные кромки лопаток изготовлены из стойкого к возгоранию в окислительной среде сплава с содержанием никеля 77-90%. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области турбостроения, именно к конструкциям газовых турбин, преимущественно турбонасосных агрегатов (ТНА) кислородно-керосиновых жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Высокие технические характеристики современных ЖРД обеспечиваются благодаря выполнению их по схеме с дожиганием газа после турбины ТНА. Работа турбины ТНА кислородно-керосиновых ЖРД на высокотемпературном окислительном газе (газе с избытком кислорода) требует, с одной стороны, высокожаропрочных конструкционных материалов (КМ), а с другой - создает условия, способствующие возгоранию конструкции при нештатных условиях работы ЖРД. Возгорание КМ в окислительном газе начинается при достижении материалом предплавильных температур, когда происходит разрушение окисной пленки и образование ювенильных поверхностей. При более низких рабочих температурах механизмом зажигания материалов является местный разогрев их поверхностного слоя до температуры самовоспламенения при условии передачи определенного количества тепла от внешнего источника. Инициаторами зажигания турбины являются:

- посторонние частицы металлов (из алюминиевых и титановых сплавов), характеризуемых высоким значением теплоты образования окислов, и органические соединения, самовоспламеняющиеся при рабочих температурах генераторного газа;

- тепло, порожденное трением вращающихся элементов о неподвижные. (Коротеев А.С., Кузьмин Е.П., Лозино-Лозинская И.Г. Работы ИЦ им. М.В.Келдыша в обеспечение создания ракетных и космических комплексов. Космонавтика и ракетостроение. Выпуск №14. ЦНИИМАШ, 1998)

Рабочее колесо турбины и лопаточный сопловой аппарат являются наиболее склонными к возгоранию элементами конструкции ТНА, так как они подвержены прямому воздействию указанных инициаторов зажигания. При воздействии инициаторов зажигания происходит местный разгар рабочего колеса турбины и соплового аппарата в наиболее тонких, быстро прогреваемых элементах, таких как входные и выходные кромки лопаток и кольцевой бандаж рабочего колеса. Местный разгар рабочего колеса турбины приводит к отказам ТНА и всего ЖРД.

Известна турбина, содержащая корпус с сопловым аппаратом и размещенное в корпусе рабочее колесо, выполненное как единое целое из одного никельсодержащего сплава и включающее диск, корневую и периферийную части лопаток, входные и выходные кромки лопаток и кольцевой бандаж, расположенный в периферийной части лопаток (Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. Под общей редакцией Гахуна Г.Г. М.: Машиностроение, 1989, с.219, рис.10.18).

Недостатком известной турбины является низкая стойкость к возгоранию рабочего колеса при эксплуатации на окислительной среде, так как последнее, являясь наиболее нагруженным элементом конструкции, целиком выполнено из материала, выбранного из условий прочности диска и корневой части лопаток.

В качестве прототипа выбрано рабочее колесо осевой газовой турбины, включающее выполненные из сплава на основе никеля и неразъемно соединенные диск, корневую и периферийную части лопаток, входные и выходные кромки лопаток и кольцевой бандаж, расположенный в периферийной части лопаток, причем лопатки и диск изготовлены из сложнолегированных многокомпонентных никелевых сплавов с содержанием никеля 63,2...79,38 мас.% [патент США №4063939, кл. В 22 F 3/12, 1977 г.].

Недостатком прототипа является низкая стойкость к возгоранию рабочего колеса осевой газовой турбины ТНА, работающего на окислительном газе при воздействии посторонних металлических частиц, кратковременном забросе температур газа, или в условиях фрикционного контакта, так как кромки лопаток и кольцевой бандаж выполнены из того же сложнолегированного многокомпонентного никелевого сплава, что и диск и корневая части лопаток, выбранного из условий обеспечения прочности диска и корневой части лопаток.

Следует отметить, что данное техническое противоречие имеет место во всех существующих в настоящее время конструкциях рабочих колес осевых газовых турбин ТНА. При этом современные сложнолегированные многокомпонентные жаропрочные сплавы, используемые для изготовления рабочих колес турбин, содержат обычно менее 70% никеля (Современные металлические материалы для эксплуатации до 3200°С... НИЦ "Надежность машин". М., 1990, с.52-94). Рабочие колеса, выполненные из таких сплавов, имеют высокую прочность, но не обладают достаточной стойкостью к возгоранию в окислительном высокотемпературном газе. Результаты комплексных исследований, выполненных ИЦ им. М.В. Келдыша, представленные в цитируемой выше работе, показывают, что достаточная стойкость к возгоранию достигается при содержании никеля в сплавах около 80% или при замене части никеля медью. Однако при таком содержании никеля сплавы не обладают достаточной жаропрочностью. Вследствие этого при выполнении рабочего колеса из одного материала невозможно получить совокупность служебных свойств, способных обеспечить работоспособность турбины в условиях высоких динамических нагрузок и температур в присутствии окислителя.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанного технического противоречия и обеспечение стойкости к возгоранию высоконагруженного рабочего колеса осевой газовой турбины ТНА, работающего на окислительном газе при воздействии посторонних металлических частиц, кратковременном забросе температур газа или в условиях фрикционного контакта.

Поставленная задача достигается тем, что в неразъемном рабочем колесе, включающем выполненные из сплава на основе никеля и неразъемно соединенные диск, корневую и периферийную части лопаток, входные и выходные кромки лопаток и кольцевой бандаж, расположенный в периферийной части лопаток, согласно изобретению диск и корневая часть лопаток выполнены из сплава с содержанием никеля 40-70 мас.%, а кольцевой бандаж, периферийная часть, входные и выходные кромки лопаток - из сплава с содержанием никеля 77-90 мас.%.

Предлагаемая конструкция комбинированного неразъемного рабочего колеса, выполненного из конструкционных материалов с различными служебными свойствами, обладает высокой стойкостью к возгоранию в высокотемпературном окислительном газе. Для обеспечения конструкционной прочности лопаток объемная доля формирующего входные и выходные кромки лопаток материала, не склонного к возгоранию, уменьшается по высоте лопаток от бандажа до сопряжения кромок лопаток с диском.

Такой же подход может быть использован при создании высоконагруженного лопаточного соплового аппарата, когда нагруженная коллекторная часть изготавливается из высокожаропрочного сплава, а кромки лопаток - из сплава, стойкого к возгоранию.

При изготовлении комбинированного рабочего колеса диск и корневая часть лопаток могут быть выполнены из деформированной или литой заготовки, а периферийная часть, входные и выходные кромки лопаток и кольцевой бандаж сформированы из гранул с использованием формообразующих закладных элементов и неразъемно соединены между собой методом горячего изостатического прессования (ГИП).

В случае малоразмерных рабочих колес кольцевой бандаж с периферийной частью лопаток может быть выполнен из монолитной литой или деформированной заготовки стойкого к возгоранию сплава, а диск и корневая часть лопаток сформированы из гранул высокожаропрочного сплава и неразъемно соединены между собой при проведении ГИП.

Сопоставительный анализ заявляемого рабочего колеса с прототипом и другими решениями в данной области техники показывает, что изложенная в патентной формуле совокупность признаков неизвестна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о ее соответствии критерию изобретения "новизна".

При этом изложенная в формуле совокупность признаков не следует явным образом для специалиста из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения критерию изобретения "изобретательский уровень".

Соответствие предлагаемого решения критерию изобретения "промышленная применимость" видно из приводимого ниже примера выполнения комбинированного рабочего колеса.

Предлагаемое изобретение иллюстрировано чертежом, показывающим общий вид осевой газовой турбины с комбинированным рабочим колесом, выполненным по п.2 патентной формулы, где:

1 - диск;

2 - лопатка;

3 - кольцевой бандаж;

4 - периферийная часть лопатки;

5 - корневая часть лопатки;

6 - входная кромка;

7 - выходная кромка;

8 - сопловой аппарат;

9 - корпус турбины;

10 - зазор уплотнения колеса турбины.

Рабочее колесо осевой газовой турбины состоит из, выполненных за одно целое, диска 1, лопаток 2 и кольцевого бандажа 3. Лопатка 2 включает в себя периферийную часть 4, корневую часть 5, входные и выходные кромки 6 и 7. Кольцевой бандаж 3 расположен в периферийной части 4 лопаток 2. Перед рабочим колесом турбины установлен сопловой аппарат 8. Наружная поверхность кольцевого бандажа 3 и внутренняя поверхность корпуса турбины 9 образуют зазор 10 уплотнения колеса турбины.

Кольцевой бандаж 3, периферийная часть 4 лопаток 2, входные и выходные кромки 6 и 7 лопаток выполнены из материала, отличающегося химическим составом и физико-механическими свойствами от материала корневой части 5 лопаток 2 и диска 1.

Рабочие колеса осевой газовой турбины ТНА заявляемой конструкции проходили огневые испытания в составе ЖРД на окислительном газе при воздействии посторонних металлических частиц, кратковременном забросе температур газа и в условиях фрикционного контакта. Основным критерием работоспособности являлось отсутствие возгораний и разрушения рабочего колеса.

ПРИМЕР 1. Диск 1 с корневой частью 5 лопаток выполнен из никелевого сплава ЭП741НП с содержанием никеля ˜56%. Периферийная часть 4 лопаток 2 с входными и выходными кромками 6 и 7 и кольцевой бандаж 3 выполнены из никелевого сплава ЭИ435 с содержанием никеля ˜77%. Периферийная 4 часть лопатки 2 с входными 6 и выходными 7 кромками и кольцевой бандаж 3 выполнены из гранул и неразъемно соединены с заготовкой диска 1 и корневой частью 5 лопаток 2 методом горячего изостатического прессования. По сечению лопаток 2 доля не склонного к возгоранию сплава ЭИ435, формирующего входные и выходные кромки 6 и 7 уменьшается от бандажа 3 до сопряжения кромок лопаток с диском 1.

При проведении огневых испытаний ЖРД на окислительном газе при воздействии посторонних металлических частиц, кратковременном забросе температур газа и в условиях фрикционного контакта, в осевой газовой турбине, в которой использовалось комбинированное рабочее колесо, выполненное по Примеру 1, возгораний и разрушения колеса не произошло.

ПРИМЕР 2. Диск 1 с корневой частью 5 лопаток выполнен из высоко жаропрочного никелевого сплава с содержанием никеля ˜40%. Периферийная часть 4 лопаток 2 с входными и выходными кромками 6 и 7 и кольцевой бандаж 3 выполнены из никелевого сплава с содержанием никеля ˜60%. Возгораний и разрушения колеса не произошло.

ПРИМЕР 3. Диск 1 с корневой частью 5 лопаток выполнен из высокожаропрочного никелевого сплава с содержанием никеля ˜70%. Периферийная часть 4 лопаток 2 с входными и выходными кромками 6 и 7 и кольцевой бандаж 3 выполнены из никелевого сплава с содержанием никеля ˜90%. Периферийная 4 часть лопатки 2 с входными 6 и выходными 7 кромками и кольцевой бандаж 3 выполнены из гранул и неразъемно соединены с заготовкой диска 1 и корневой частью 5 лопаток 2 методом горячего изостатического прессования. Возгораний и разрушения колеса не произошло.

При изготовлении малоразмерных рабочих колес осевой газовой турбины вследствие технологических ограничений заготовка периферийной части 4 лопаток 2 с входными и выходными 6 и 7 кромками и кольцевым бандажом 3 могут быть выполнены из монолитного кольца, соединяемого с формируемыми из гранул диском 1 и корневой частью 5 лопаток 2 методом горячего изостатического прессования с последующим формообразованием лопаток 2 методом электроэрозионной обработки.

При работе турбины газ после соплового аппарата 8 поступает на лопатки 2. Посторонние частицы, содержащиеся в рабочем газе, соударяются с входными и выходными кромками 6 и 7 лопаток 2, частично сепарируются под действием центробежных сил и попадают в пространство между лопатками 2 на кольцевой бандаж 3 и в зазор 10 уплотнения колеса турбины. Легко воспламеняющиеся в окислительном рабочем газе посторонние частицы при контакте с быстро прогреваемыми входными и выходными кромками 6 и 7 лопаток и кольцевым бандажом 3 повышают их температуру. Так как входные и выходные кромки 6 и 7 лопаток 2 и кольцевой бандаж 3 выполнены из стойкого к возгоранию сплава с высоким содержанием никеля, рабочее колесо осевой газовой турбины сохраняет работоспособное состояние.

Аналогично может выполняться лопаточный сопловый аппарат 8 осевой газовой турбины. В сопловом аппарате коллектор совместно с корневой частью лопаток выполняются из высокопрочного сплава, а кромки лопаток - из сплава стойкого к возгоранию.

Прочностные расчеты газовой турбины перспективного ЖРД показывают, что при изготовлении рабочего колеса полностью из стойкого к возгоранию сплава вследствие недостаточной прочности материала при рабочих оборотах произойдет разрушение колеса: максимальные расчетные эквивалентные напряжения в интервале рабочих температур в 1,35 раза превышают предел прочности сплава ЭИ435 и находятся на уровне предела текучести сплава ЭП741НП.

Комбинированное рабочее колесо осевой газовой турбины кислородно-керосинового ЖРД, выполненного по схеме с дожиганием окислительного газа после турбины, обладает высокой стойкостью к возгоранию в высокотемпературном окислительном газе при наличии в нем посторонних частиц алюминиевых и титановых сплавов, являющихся наиболее активными инициаторами зажигания. При этом обеспечивается высокая надежность рабочего колеса, так как его наиболее нагруженные элементы, не подвергающиеся воздействию источников зажигания, - диск и корневая часть лопаток выполнены из высокопрочного сплава. Предлагаемое рабочее колесо может безопасно эксплуатироваться также и при случайных кратковременных повышениях температуры рабочего газа, например, при запуске и выключении ЖРД. Повышенная стойкость к возгоранию рабочего колеса осевой газовой турбины обеспечивает работоспособность турбины при повышенной температуре рабочего газа, что позволяет создавать ЖРД с высокими техническими характеристиками. Кроме того, обеспечивается повышенное количество включений ЖРД, что удешевляет его эксплуатацию в составе многоразовых космических систем.

1. Рабочее колесо осевой газовой турбины кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя, включающее выполненные из сплава на основе никеля и неразъемно соединенные диск, корневую и периферийную части лопаток, входные и выходные кромки лопаток и кольцевой бандаж, расположенный в периферийной части лопаток, отличающееся тем, что диск и корневая часть лопаток изготовлены из высокожаропрочного сплава, содержащего 40-70% никеля, а кольцевой бандаж, периферийная часть, входные и выходные кромки лопаток - из стойкого к возгоранию в окислительной среде сплава с содержанием никеля 77-90%.

2. Рабочее колесо осевой газовой турбины по п.1, отличающееся тем, что диск и корневая часть лопаток выполнены из деформированной или литой заготовки, а кольцевой бандаж, периферийная часть, входные и выходные кромки лопаток сформированы из гранул и неразъемно соединены между собой методом горячего изостатического прессования.

3. Рабочее колесо осевой газовой турбины по п.1, отличающееся тем, что кольцевой бандаж с периферийной частью лопаток выполнены из деформированной заготовки или отливки, а диск с корневой частью лопаток сформированы из гранул и неразъемно соединены между собой методом горячего изостатического прессования.

4. Рабочее колесо осевой газовой турбины по п.1, отличающееся тем, что по сечению лопаток доля формирующего входные и выходные кромки материала, не склонного к возгоранию, уменьшается от бандажа до сопряжения кромок лопаток с диском.