ТУРБИННАЯ ЛОПАТКА С ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТОЙ Российский патент 1997 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к энергетическим газотурбинным установкам.

Известна турбинная лопатка с тепловой защитой, включающая металлический стержень с надетой на него керамической гильзой (Патент Англии N 2115882, кл. F 01 D 5/14, 1982). Хрупкость керамической гильзы как отдельной детали препятствует использованию такой лопатки в роторе турбины.

Известна также турбинная лопатка с тепловой защитой, включающая основание и перо, на металлический стержень которого плазменным напылением нанесено керамическое покрытие в виде сплошного слоя, содержащего оксид циркония (Патент США N 3758233, кл. F 01 D 5/10, 1973). Окисление поверхности металлического стержня под покрытием с образование, в частности оксида никеля, приводит к отслаиванию покрытия.

Предлагаемая турбинная лопатка с тепловой защитой также включает основание и перо, на металлический стержень которого нанесено керамическое покрытие. Новым является то, что поверхность стержня секционирована поперечными металлическими ребрами, в зазоры между которыми вложены ориентированные вдоль ребер жгуты или нити из керамических волокон. Жгуты закреплены в зазорах керамобетоном. На полученную таким путем секционированную металлокерамическую поверхность стержня нанесен слой ориентированных керамических волокон.

Ребра выполнены волнообразными и образованы витками непрерывной металлической проволоки, намотанной на стержень пера. В спиральном пазу между витками проволоки размещены витки непрерывного жгута из керамических волокон.

Поперечные металлические ребра обеспечивают безадгезионное сцепление керамического покрытия с металлическим стержнем пера. Они препятствуют и сдвигу, и отрыву покрытия. Волнообразная форма ребер расширяет базу их закрепления на стержне, позволяет уменьшить площадь контакта ребер со стержнем и снизить таким путем концентрацию напряжений в стержне, чему, в частности, служат также продольные ребра на поверхности стержня.

На фиг. 1 показана турбинная лопатка с тепловой изоляцией, вид сбоку на секционированную поверхность стержня пера у основания лопатки; на фиг. 2 изображен ступенчатый разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг.4 узел 1 на фиг. 3 (повернуто и увеличено).

Турбинная лопатка включает основание 1 и перо 2, на металлический стержень 3 которого нанесено керамическое покрытие 4. Поверхность стержня секционирована поперечными металлическими ребрами 5, 6, 7 с образованием зазоров 8, 9, 10 между ними. В зазоры между ребрами вложены ориентированные вдоль ребер жгуты 11, 12, 13, составленные из керамических волокон 14, 15.

Наряду со жгутами в зазоры между ребрами введен керамобетон 16, способствующий заклиниванию жгутов в зазорах. Чередование ребер и жгутов создает секционированную металлокерамическую поверхность 17 стержня пера.

На металлокерамическую поверхность как на грунт нанесен непрерывный слой 18 керамических волокон 19, 20, ориентированных поперек стержня пара, вдоль потока рабочего газа. Металлические ребра выполнены волнообразными с вогнутостями 21 и выпуклостями 22, ориентированными вдоль стержня пера. Ребра имеют вид витков 23, 24 спирали, многократно огибающей стержень пера с образованием спирального паза 25 между витками.

Витки спирали образованы непрерывной металлической проволокой 26, намотанной на стержень пера и скрепленной с ним на всем протяжении. Керамические секции поверхности 17 образованы витками 27, 28 непрерывного жгута 29, вложенного в спиральный паз между витками проволоки. Профиль проволоки имеет углубления 30, 31 для фиксации жгута, который выполнен закрученным.

Под поперечными металлическими ребрами на стержне пера выполнены продольные пазы 32, 33, которые соединены каналами 34, 35 с полостью 36 внутри стержня. Пазы разделены продольными ребрами 37. Места 38 соединения продольных ребер с поперечными совпадают с вогнутостями и выпуклостями поперечных ребер. Соединение ребер выполнено контактной сваркой. Перегибы 39 поперечных ребер расположены над продольными пазами стержня.

Слой 18 ориентированных керамических волокон может быть усилен подкладкой 40 из керамической ткани, уложенной на секционированную металлокерамическую поверхность 17. Основание 1 лопатки теплоизолировано слоем 41 керамобетона. Закрутка жгута выполнена с образованием витков 42 из наружных керамических волокон. Поперечные ребра могут быть выполнены при литье стержня, с профилем в форме опрокинутой трапеции ("ласточкин хвост") и в виде отрезков, разделенных промежутками, что упрощает запрессовку жгутов в трапециевидные пазы между ребрами.

Проволока имеет лыску 43, который она опирается на продольные ребра и скреплена с ними. Ширина лыски меньше диаметра проволоки, что благоприятно для уменьшения концентрации напряжений в продольных ребрах и, кроме того, создает гнезда 44, 45 для сцепления с керамобетоном, затвердевающим в форме зубьев 46, входящих в эти гнезда. Углубления 30, 31 в совокупности с гнездами 44, 45 образуют замок 47, который фиксирует жгут с керамобетоном наподобие того, как елочный замок турбинного диска фиксирует хвостовик лопатки.

Металлические детали турбинной лопатки выполнены из сплавов на никелевой основе с температурой длительного использования 850. 900^oC: основание и стержень пера из литейного сплава (6ЖСК), проволока из деформируемого сплава (ЭП808ВД). Жгуты из оксида алюминия в виде микростеклокристаллических волокон диаметром 10. 20 мкм с температурой длительного использования 1400. 1600^oC. Керамическое вяжущее водная суспензия оксида алюминия со стеклофазой и с содержанием коллоидного компонента 50.100 г/л. Наполнитель керамобетона рубленые волокна из оксида алюминия. Диаметр проволоки и жгутов 0,5.1 мм, толщина наружного слоя ориентированных керамических волокон - 0,5.2 мм.

При работе турбины охлаждающий воздух поступает под давлением из полости 36 по каналам 34 в продольные пазы 33, откуда просачивается на огневую поверхность 48 через поры в жгутах, керамобетоне и наружном слое ориентированных волокон. Вдоль огневой поверхности воздух образует защитную пелену, препятствуя нагреву волокон 19, 20 выше допустимой температуры.

Выходы каналов 34 расположены под перегибами 39 поперечных ребер, что предотвращает прямое попадание струи воздуха на керамический жгут. Воздух, прокачиваемый через волокнистую керамику, вытесняет из ее пор продукты сгорания, не давая им достичь металла лопатки. В этих условиях пористое охлаждение теплозащитного волокнистого покрытия турбинной лопатки является также средством защиты металла лопатки от коррозии.

Образованные проволокой поперечные ребра через керамические жгуты воспринимают центробежную нагрузку, создаваемую керамическим покрытием при вращении рабочей лопатки вместе с ротором турбины. Поперечное ребро работает при этом как консольная балка, закрепленная на стержне пера. Волнообразная форма поперечного ребра увеличивает жесткость такой балки, уменьшает изгибающий момент в ее закреплении и позволяет уменьшить ширину лыски 43, что благоприятно для замкового соединения поперечных ребер с керамическими жгутами.

Теплозащитное покрытие с секционированным металлокерамическим грунтом предназначено в основном для боковой поверхности пера лопатки входной и выходной кромок, спинки и корыта. Однако оно может быть выполнено также и на торцевой поверхности пера рабочей лопатки.

Описанная турбинная лопатка может быть использована также в неподвижном сопловом аппарате турбины, где основным ее преимуществом перед известными конструкциями является возможность совмещения пористого охлаждения керамики с защитой от коррозии металлических деталей.

Использование: в энергетических газотурбинных установках. Сущность изобретения: турбинная лопатка с тепловой защитой содержит основание и перо, на металлический стержень которого нанесено керамическое покрытие. Поверхность стержня секционирована поперечными металлическими ребрами, в зазоры между которыми вложены ориентированные вдоль ребер жгуты из керамических волокон. Поперечные металлические ребра образуют с жгутами замковое соединение. Наряду с жгутами в зазоре между ребрами введен керамобетон с волокнистым наполнителем с образованием секционированной металлокерамической поверхности, на которую нанесен слой ориентированных керамических волокон. Ребра выполнены волнообразными с вогнутостями и выпуклостями, ориентированными вдоль стержня пера. На стержне пера ребра расположены в виде спирали и образованы непрерывной проволокой, профиль которой имеет лыску для установки на стержень пера и углубления для фиксации жгута. Под ребрами в стержне выполнены продольные пазы для пористого охлаждения волокнистого керамического покрытия и защиты металла лопатки от коррозии воздухом, вытесняющим из покрытия продукты сгорания. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Турбинная лопатка с тепловой защитой, содержащая основание и перо, на поверхность которого нанесено керамическое покрытие, отличающаяся тем, что лопатка снабжена жгутами из керамических волокон и металлическими ребрами, размещенными на поверхности пера поперек и разделенными зазорами, а керамическое покрытие образовано жгутами, вложенными в зазоры. 2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что металлические ребра образуют с жгутами замковое соединение. 3. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что снабжена керамобетоном, помещенным вместе с жгутами в зазоры между ребер с образованием секционированной металлокерамической поверхности. 4. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что снабжена слоем ориентированных керамических волокон, размещенным на секционированной металлокерамической поверхности. 5. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что поперечные металлические ребра выполнены волнообразными с выпуклостями и вогнутостями, ориентированными вдоль пера. 6. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что поперечные металлические ребра выполнены по винтовым линиям, многократно огибающим перо лопатки и разделенным зазорами.