ТУРБИННАЯ ЛОПАТКА Российский патент 1997 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в конструкциях рабочей и сопловой решеток газотурбинных установок.

Известна турбинная лопатка с металлическими рассекателями потока охлаждающего воздуха, расположенными над порами стенки полого пера (патент США N 5152667, МПК F 01 D 5/18, опубл. 1992 г.).

Известна также турбинная лопатка, содержащая основание и перо, наружная поверхность которого образована вогнутой и выпуклой поверхностями профиля, сопряженными с входной и выходной кромками, и выполнена с керамическим покрытием из напыленного плазменным методом диоксида циркония (патент США N 3758233, МПК F 01 D 5/10, опубл. 1973 г.). Такое покрытие подвержено скалыванию, которое порождает усталостные трещины в металлической подложке. Это ограничивает допустимую толщину покрытия (0,2.0,3 мм) и снижение температуры металла лопатки (100.200 К).

Подобно известной предлагаемая турбинная лопатка содержит основание и перо, наружная поверхность которого образована вогнутой и выпуклой поверхностями профиля, сопряженными с входной и выходной кромками, и выполнена с керамическим покрытием из напыленного плазменным методом диоксида циркония (патент США N 3758233, МПК F 01 D 5/10, опубл. 1973 г.). Такое покрытие подвержено скалыванию, которое порождает усталостные трещины в металлической подложке. Это ограничивает допустимую толщину покрытия (0,2.0,3 мм) и снижение температуры металла лопатки (100.200 К).

Подобно известной предлагаемая турбинная лопатка содержит основание и перо, наружная поверхность которого образована вогнутой и выпуклой поверхностями профиля, сопряженными с входной и выходной кромками, и выполнена с керамическим покрытием.

Новым является то, что покрытие образовано слоем одинаково ориентированных волокон. Волокна покрытия уложены поперек пера. При этом покрытие выполнено в виде обмотки на боковой поверхности пера. Обмотка выполнена прямой или крученой нитью, лентой или жгутом из ориентированных вдоль них волокон.

На торцевой поверхности пера размещено покрытие из волокон, ориентированных от вогнутой к выпуклой поверхности профиля и закрепленных там посредством обмотки волокнами боковой поверхности пера. На торцевой поверхности пера волокна расположены в три ряда петель, концы которых отогнуты на вогнутую и выпуклую боковые поверхности пера. При этом на поверхности пера под покрытием из волокон расположена керамическая подкладка.

Кроме того, на поверхности пера выполнены пазы для охлаждающего газа, перекрытые слоем одинаково ориентированных керамических волокон. Лопатка снабжена полостью, расположенной в теле пера, и отверстиями, соединяющими полость с пазами. Пазы, выполненные на боковой поверхности пера, направлены вдоль пера.

При ориентации волокон поперек пера с огибанием входной кромки волокна направлены вдоль потока газа, оказывают потоку минимальное сопротивление и испытывают минимальную механическую нагрузку. Волокнистая структура покрытия препятствует зарождению и распространению в нем трещин, повышает стойкость покрытия к тепловому удару, улучшает совместимость его с металлической подложкой. Это снимает прочностные ограничения на толщину покрытия и увеличивает срок его службы.

При плотной укладке ориентированных керамических волокон пористость их слоя близка к 30% что вдвое выше, чем у напыленного покрытия из стабилизированного диоксида циркония. Направления пор, однако, существенно различны. Напыленное покрытие имеет столбчатую структуру. Поры в нем направлены по нормали к поверхности металла, что сокращает путь веществам, участвующим в коррозии.

В волокнистом ориентированном покрытии поры направлены вдоль поверхности металла, что делает их эквивалентными закрытым порам. Кроме того, пористость волокнистого ориентированного покрытия может быть значительно уменьшена путем частичного заполнения пор керамическим вяжущим или волокнами меньшего диаметра, чем основные волокна. Ввиду относительной гладкости волокон замена сплошного керамического покрытия волокнистым способствует увеличению прочности антикоррозионного металлического подслоя.

Протяженность ориентированных волокон многократно превосходит толщину покрытия. Благодаря этому слой ориентированных волокон менее чувствителен к локальным нарушениям связи с металлической подложкой, чем слой керамики, полученный плазменным напылением.

Охлаждающий газ, поступающий из полости лопатки и движущийся вдоль пазов, выходит в поры между керамическими волокнами и затем на наружную поверхность волокнистого покрытия, создавая там заградительную пленку. Волокна снижают нормальную к поверхности компоненту скорости охлаждающего газа и уменьшают этим турбулизацию пограничного слоя в местах выхода газа. Распределенный выпуск охлаждающего газа, обеспечиваемый волокнами, благоприятен для работы турбинной решетки в трансзвуковом режиме, так как исключает местные возмущения потока отверстиями перфорации.

Края отверстий перфорации способны порождать скачки уплотнения в потоке газа, а перетекание газа из области повышенного давления за скачком в область пониженного давления перед скачком вызывает утолщение и отрыв пограничного слоя. Перетекание совершается параллельно через пограничный слой и через отверстия перфорации. В случае волокнистого покрытия с достаточно плотной укладкой нитей поры между волокнами участия в перетекании газа под скачком практически не принимают, что благоприятно для безотрывного течения.

На фиг.1 показана турбинная лопатка рабочей решетки в разрезе; на фиг.2
вид А на фиг.1; на фиг.3 разрез Б-Б стенки лопатки на фиг.1 (увеличено и повернуто); на фиг.4 разрез В-В на фиг.3; на фиг.5 разрез Г-Г на фиг.3; на фиг.6 схема пограничного слоя над витками керамической нити; на фиг.7 - расположение элементарных керамических волокон у поверхности нити; в поперечном сечении; на фиг.8 вид Д на фиг.7; на фиг.9 схема стабилизации волокнистого покрытия потоком газа; на фиг.10 схема усиления связи волокна с подложкой за счет статического давления; на фиг.11 вид Е на фиг.10.

Турбинная лопатка включает основание 1 в виде хвостовика с полкой и перо 2, стержень 3 которого установлен на основании. На стержень нанесено керамическое покрытие 4. Профиль пера образован вогнутым корытом 5, выпуклой спинкой 6, входной кромкой 7, выходной кромкой 8. Огневая поверхность 9 покрытия, обращенная в проточную часть турбины и обтекаемая потоком нагретого газа, образована слоем 10 одинаково ориентированных керамических волокон.

Покрытие включает керамические волокна, ориентированные поперек пера и собранные в керамические нити 11, 12, 13. На боковой поверхности 14 пера керамическое покрытие выполнено в форме обмотки 15 с витками 16, 17, 18, 19, ориентированными поперек пера. Обмотка включает два слоя нити внутренний слой 20 и внешний слой 21, выполненные с плотным расположением витков. Нити скреплены между собой и со стержнем пера с помощью вяжущего, выполняющего роль высокотемпературного клея. Крепление нитей произведено по всей их длине. Допустимо крепление нитей в отдельных местах по периметру пера, с частичной или полной пропиткой их вяжущим.

На торцевой поверхности 22 пера керамическое покрытие выполнено в виде ряда 23 плотно уложенных отрезков 24, 25, 26, 27 нити. Каждый отрезок имеет П-образную форму и огибает торцевую поверхность пера. Края 28, 29 отрезка 24 расположены, соответственно, на спинке и корыте, а центральная часть 30 на торцевой поверхности пера. Края отрезка прижаты к стержню пера верхней частью 31 боковой обмотки нити. При этом внутренний слой 20 обмотки доведен до стыка 32 с концами отрезка 24. Наружный слой 21 нити выполнен с перекрытием 33, расположенным над стыком.

Торцевой ряд 23 составлен из петель 34, 35 непрерывной нити, изогнутой в форме змеевика 36 (на фиг.2 показана часть змеевика). Крайние петли 37, 38 торцевого ряда отделены от входной и выходной кромок промежутками 39, 40, которые заполнены слоями 41 керамобетона с волокнистым наполнителем. Такой же по составу слой 42 использован для теплоизоляции основания лопатки.

Лопатка выполнена с полостью 43 для воздушного охлаждения путем создания защитной пелены над поверхностью пера. На боковой поверхности стержня пера выполнены продольные пазы 44, 45, сообщающиеся с полостью. Для этого в стенке 46 стержня выполнены отверстия 47, 48, расположенные на дне пазов с уклоном. Отверстия имеют форму цилиндра или конуса 49, расширяющегося изнутри наружу. При необходимости число отверстий может быть уменьшено до одного.

Снаружи пазы перекрыты витками боковой обмотки, образующими пористый керамический слой 50 для просачивания охлаждения воздуха из пазов на поверхность 51 покрытия. В перемещении воздуха участвуют также внутренние каналы 52 между нитями. Стержень выполнен с антикоррозионным металлическим покрытием 53, поверх которого нанесены плотная пленка 54 оксидной керамики, и нить 55.

Рельеф обмотки 15 состоит из продольных гребней 56 и борозд 57. Турбулентный подслой 58 пограничного слоя газа отделен от поверхности обмотки ламинарным подслоем 59, который на два порядка тоньше турбулентного подслоя.

Нить 55, как и нити 11.13, составлена из элементарных керамических волокон 60, 61, между которыми возможны вакансии 62. Нить закручена под углом α и образованным наружными волокнами и осью 63 нити. Под нити в обмотке на один виток характеризуется углом b. В данных условиях
a = arctg πa/b,
β =arctg a/s,
где а диаметр нити, s периметр профиля в месте витка, b длина нити, приходящаяся на одну крутку.

В зависимости от направления закрутки нити угол γ наклона волокна к потоку газа равен сумме или разности углов a и β и g = α ± β. Это дает возможность компенсировать подъем нити ее закруткой так, чтобы наружные волокна нити были параллельны потоку. Например, при диаметре нити 1 мм и периметре профиля 200 мм угол подъема составляет β = 0,3^°. Для компенсации этого угла необходима закрутка нити с одной круткой на 0,6 м.

Вместо воздушной полости 43 или наряду с ней в лопатке может быть выполнена замкнутая система каналов 64, 65, заполненных жидким теплоносителем 66, например натрием, для выравнивания температуры вдоль пера лопатки.

Керамические волокна закреплены на стержне пера с помощью вяжущего. В потоке газа на волокно действуют дополнительные силы, прижимающие нить к стержню. При отрыве нити 67 от стержня с образованием местного зазора 68 трение потока о нить разворачивает нить к стержню, что эквивалентно действию силы G (фиг.9), на передний фронт петли нити. Действие потока на задний фронт петли ослаблено из-за экранирующего влияния переднего фронта.

Волокно 69, закрепленное на участке 70 с площадью Ω и находящееся в среде со статическим давлением Р, воспринимает силу B=pΩ (фиг.10, 11), препятствующую отрыву волокна.

Стержень пера турбинной лопатки изготавливают заодно с основанием направленной кристаллизацией эвтектического никелевого сплава, включающего Al (более 10% ), V, Cr, Co, Re, Ta, C, W. Приповерхностный слой стержня дополнительно легируют путем диффузии или конденсации. Например, путем плазменного напыления наносят жаростойкий металлический подслой типа NiCrAlY с повышенным содержанием хрома и добавками Si, Zr.

Толщина легированного металлического подслоя 0,1.0,2 мм. Подслой подвергают термообработке и предварительному окислению с образованием на его поверхности защитных пленок окислов, в частности пленки a - Al₂O₃, которая при толщине до 2 мкм в присутствии иттрия и циркония имеет мелкокристаллическую структуру, обеспечивающую адгезию последующего теплозащитного покрытия к стержню лопатки.

Ориентированные волокна керамического покрытия содержат оксид алюминия α-Al₂O₃ в чистом виде или с добавками оксидов кремния, хрома, циркония. Средний диаметр элементарного волокна 10 мкм, диаметр нити 0,5.1 мм, толщина обмотки 1.3 мм. Для закрепления витков керамической нити на стержне и между собой используют керамическое вяжущее в виде коллоидной суспензии оксида, включающей частицы размером менее 0,1 мкм.

Нить протягивают через суспензию, затем через калиброванный скребок для снятия излишка жидкости и крупных частиц, после чего прижимают к поверхности стержня. Стержень с обмоткой сушат, что приводит к отверждению вяжущего в результате соединения коллоидных частиц на молекулярном уровне (холодное спекание). Нагрев лопатки перед выходом на рабочий режим упрочняет связь обмотки со стержнем.

Состав вяжущего и волокон может быть одинаков в данном случае оксид алюминия. Допустимо, однако, использование суспензии других окислов и их соединений оксида кремния, стабилизированного оксида циркония, муллита 3Al₂O₃ • 2SiO₂, циркона ZrO₂ • SiO₂. В качестве вяжущего могут быть использованы также фосфатные связки алюмофосфатная и менее термостойкая силикофосфатная, для схватывания которых необходим прогрев лопатки до 300^o С.

Для длительного использования керамических волокон в теплозащитной обмотке существенны их испаряемость, склонность к спеканию друг с другом и к рекристаллизации. Испаряемость оксида алюминия в форме корунда пренебрежимо мала до температур 1700.1800^o С. Увеличение размера частиц уменьшает их поверхностную энергию и за счет этого повышает требуемую температуру спекания: 1700^o С для дисперсности оксида алюминия 1 мкм, 1900^o С для дисперсности 5 мкм. Поверхностная энергия волокна ниже, чем сферической частиц того же диаметра. Поэтому температура 1800^o С не- достаточна для спекания волокон диаметром 10 мкм и не нарушает волокнистую структуру нити.

Длительная выдержка волокон оксида алюминия при температуре 1800^o С и выше приводит к постепенному укрупнению кристаллических зерен, размер которых может превысить исходный диаметр волокна. Рост зерен может быть заторможен введением в керамику оксида магния в количестве до 1% что не отражается на температуре спекания. В области предельных температур (1800. 1900^o С) влияние рекристаллизации может быть снижено путем увеличения исходного диаметра волокна, например, до 30.50 мкм.

Касательные напряжения на поверхности волокна в потоке газа значительно меньше перепада давления на ступени турбины 0,3.0,5 МПа. Прочность такого порядка волокна имеют при 1900^o С, а при 1600^o С на два порядка выше, что позволяет считать эту температуру допустимой для длительного использования волокон оксида алюминия в турбине.

Волокна защищают металлическую подложку от эрозии частицами пыли, но при этом накапливают повреждения. Целесообразно периодическое обновление волокнистого покрытия.

Вместо корунда для ориентированных волокон покрытия могут быть использованы муллит (до 1500^o С) и ряд других материалов - стабилизированный оксид циркония (до 1800^o С), оксид кремния (до 1500^o С), карбид кремния (до 1400^o С), нитрид кремния (до 1200^o С). В продуктах сгорания многие керамические материалы более уязвимы, чем оксид алюминия. Оксид иттрия, используемый для стабилизации оксида циркония, дает соединения с серой. Оксид кремния образует менее тугоплавкие силикаты с окислами металлов, в частности натрия и кальция. Это же относится к карбиду кремния, защищенным пленкой оксида кремния, причем пленка силиката обладает меньшей вязкостью и менее прочно связана с основой, а также к циркону, теряющему оксид кремния.

Легирование керамики способно замедлить ее разрушение, в частности уменьшить скорость массопереноса в окисной пленке на нитриде и карбиде кремния. Коррозионная стойкость пористых волокон из нитрида и карбида кремния может быть повышена нанесением пиролитических покрытий из тех же материалов. Таким же путем, с использованием инородного волокна в качестве подложки, могут быть получены из газовой фазы плотные керамические волокна различного послойного состава, в том числе с нитридом бора. Очистка топлива или использование инертного газа в качестве рабочего тела газотурбинной установки расширяет выбор материалов для ориентированного волокнистого покрытия турбинной лопатки.

Повышение температуры металла лопатки выше 1000^o С неблагоприятно для защитных пленок оксидов алюминия и кремния, образующихся из легирующих элементов сплава. Оно приводит к непрерывному росту пленки оксида алюминия, которая при толщине более 10 мкм становится хрупкой. Аморфная пленка оксида кремния необратимо кристаллизуется.

Значительная толщина волокнистого керамического покрытия предотвращает перегрев металла лопатки и за счет этого стабилизирует оксидные пленки на металле. В таких условиях на металл может быть нанесена дополнительная пленка из аморфного кварцевого стекла, не подверженного при охлаждении полиморфным превращениям.

Кристаллизация пленки аморфного оксида кремния может быть использована при замене отработанного волокнистого покрытия на новое. Нагрев лопатки до 1100.1200^o С и последующее охлаждение ниже 300^o С сопровождаются кристоболитовым превращением и частичным разрушением керамической прослойки между металлом и волокнистым покрытием.

Во время работы газовой турбины поток нагретого газа набегает на входную кромку 7 пера, обтекает корыто 5, спинку 6 и отрывается от выходной кромки 8. Поток направлен вдоль керамических нитей 9, 10 обмотки 15. Потери кинетической энергии потока газа на трение определяется касательным напряжением на поверхности лопатки. Оно практически не зависит от шероховатости, пока рельеф поверхности погружен в ламинарный подслой, однако возрастает с высотой выступов, если они выходят за пределы ламинарного подслоя.

При плотной укладке витков поверхность обмотки является анизотропной - существенно шероховатой поперек витков и гидравлически гладкой вдоль витков, т. е. в направлении потока газа. В этих условиях ламинарный подслой огибает рельеф анизотропной шероховатой поверхности, несмотря на то, что его толщина меньше высоты выступов (см. фиг.6).

Продольная шероховатость волокна может быть сколь угодно малой. При вытяжке волокон из размягченной заготовки образованию неровностей препятствует поверхностное натяжение. Продольная шероховатость нити может быть снижена путем использования волокон одинакового диаметра, что по крайней мере в перспективе достижимо для любой керамики.

Ламинаризация потока газа в окрестности ориентированного волокнистого покрытия способствует сохранению пелены охлаждающего воздуха, поступающего через поры керамики между волокнами из полости лопатки. Ориентированное поперек пера плотно упакованное керамическое волокнистое покрытие создает систему достаточно тонких и равномерно распределенных пор, размер которых зависит, в частности, от количества вяжущего при укладке нити. Истечение воздуха лимитируется отверстиями в стенке лопатки, диаметр которых, или плотность расположения, на корыте выше, чем на спинке в соответствии с различием статического давления. В пределах спинки количество отверстий может быть уменьшено в зоне косого среза для предотвращения раннего отрыва потока.

Ширина пазов 44 меньше толщины обмотки 15, например 1 мм при толщине обмотки 2 мм. Возможно перекрытие пазов металлической сеткой или керамической тканью в качестве подкладки под обмотку. Вместо нити для обмотки могут быть использована лента из ориентированных вдоль нее керамических волокон или жгут.

Волокнистое покрытие торцевой поверхности 22 пера также может быть использовано для выпуска охлаждающего воздуха в проточную часть турбины, например, через посредство торцевого паза, расположенного под покрытием и направленного от петли 37 к петле 38.

На боковой поверхности пера лопатки поперечная шероховатость обмотки выполняет функцию направляющего аппарата, затормаживая поперечное течение газа в пограничном слое. Это существенно у торца лопатки, через который происходит перетекание газа от корыта к спинке.

Места скрепления волокон керамической нити друг с другом занимают относительно малую долю длины волокна. В пролетах между местами скрепления возможно самостоятельное поперечное смещение волокна. При такой структуре волокнистое покрытие уподобляется вентилю, в котором наружные волокна выполняют функцию клапанов: увеличивают зазоры между волокнами при выпуске воздуха наружу и уменьшают зазоры при создании противодавления. Это, в частности, затрудняет утечку газа из области повышенного давления за скачком уплотнения через поры покрытия и полость лопатки.

Заградительное охлаждение керамического волокнистого покрытия позволяет ограничить температуру огневой поверхности покрытия допустимым интервалом 1400.1600^o С для волокон из оксида алюминия и 1600.1800^o для волокон из оксида циркония. По сравнению с пористой металлической поверхностью, допускающей нагрев до 1000^o С, применение керамического покрытия с ориентированными волокнами дает возможность повысить температуру газа перед турбиной на 400. 800^o С без увеличения расхода воздуха.

Керамическая нить покрытия может быть уложена вместе с вяжущим в канавку, выполненную точным литьем на поверхности стержня пера и многократно огибающую стержень наподобие резьбы. При этом витки керамической обмотки расположены в витках канавки, что фиксирует положение обмотки и укрепляет ее связь со стержнем.

Использование: в энергетике. Сущность изобретения: турбинная лопатка содержит основание и перо, на которое нанесено керамическое покрытие. Обтекаемая поверхность покрытия образована слоем одинаково ориентированных керамических волокон. Указанный слой волокон выполнен в виде обмотки, витки которой огибают боковую поверхность пера. На поверхности пера выполнены пазы для охлаждающего газа, перекрытые слоем одинаково ориентированных керамических волокон. 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Турбинная лопатка, содержащая основание и перо, наружная поверхность которого образована вогнутой и выпуклой поверхностями профиля, сопряженными с входной и выходной кромками, и выполнена с керамическим покрытием, отличающаяся тем, что покрытие образовано слоем одинаково ориентированных волокон. 2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что волокна покрытия уложены поперек пера. 3. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что покрытие выполнено в виде обмотки на боковой поверхности пера. 4. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что обмотка выполнена прямой или крученой нитью, лентой или жгутом из ориентированных вдоль них волокон. 5. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что покрытие с волокнами, ориентированными от вогнутой к выпуклой поверхности профиля, размещено на торцевой поверхности пера и закреплено посредством намотки волокон на боковую поверхность пера. 6. Лопатка по п.5, отличающаяся тем, что на торцевой поверхности пера волокна расположены в виде ряда петель, концы которых отогнуты на вогнутую и выпуклую поверхности пера. 7. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что снабжена керамической подкладкой, расположенной под покрытием из волокон на поверхности пера. 8. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что на поверхности пера выполнены пазы для охлаждающего газа, перекрытые слоем одинаково ориентированных керамических волокон. 9. Лопатка по п.8, отличающаяся тем, что снабжена полостью, расположенной в теле пера, и отверстиями, соединяющими полость с пазами. 10. Лопатка по п.8, отличающаяся тем, что пазы выполнены на боковой поверхности пера и направлены вдоль пера.