СПОСОБ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ Российский патент 1997 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и к их использованию к энергетике.

Известен способ тепловой защиты турбинной лопатки, включающий формирование воздушной пелены, обволакивающей металлическую поверхность пера лопатки (Патент США N 5153667, м.кл. F 01D 5/18, 1992). С ростом температуры рабочего потока газа возрастает и расход охлаждающего воздуха, ограничивающий в данном способе возможности повышения коэффициента полезного действия. Замена крупных отверстий порами повышает эффективность охлаждения, но значительно ограничивает ресурс лопатки из-за коррозии пористого металла.

Известен также способ тепловой защиты турбинной лопатки, включающий нанесение керамического покрытия на поверхность пера лопатки путем плазменного напыления (Патент США N 3758233, м.кл. F 01 D 5/10, 1973). Окисление металла под покрытием снижает адгезию и приводит к отслаиванию покрытия.

Предлагаемый способ тепловой защиты турбинной лопатки включает нанесение керамического покрытия на поверхность пера лопатки. Новым является то, что до нанесения керамического покрытия на поверхности пера располагают одинаково ориентированные металлические ребра с размещенными на них с возможностью перемещения одинаково ориентированными секциями керамических волокон, отделенными друг от друга зазорами, при этом ребра прикреплены к поверхности пера в зоне зазоров между секциями керамических волокон, а покрытие наносят на керамические волокна.

Металлические ребра располагают поперек пера лопатки. В качестве металлических ребер используют проволоку. Подвижные секции керамических волокон выполняют путем намотки волокон на проволоку. Металлические ребра прикрепляют к поверхности пера контактной сваркой.

Сочетание секций керамических волокон с металлическими ребрами обеспечивает безадгезионное соединение керамического покрытия с пером лопатки, стойкое против теплового удара и коррозии. Намотка керамических волокон на металлическую проволоку упрощает технологию нанесения безадгезионного покрытия.

На фиг. 1 показано выполнение тепловой защиты пера турбинной лопатки (участок поперечного сечения пера);на фиг. 2 вид А на фиг. 1 с удаленным керамическим покрытием; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1; фиг. 4 вариант выполнения тепловой защиты пера; фиг. 5 разрез В-В на фиг. 4; фиг. 6, 7 - дополнительные варианты выполнения тепловой защиты пера лопатки; фиг. 8 - разрез Г-Г на фиг. 7.

Турбинная лопатка с тепловой защитой, выполненной предлагаемым способом, включает перо 1, на поверхность которого нанесено керамическое покрытие 3. Покрытие включает слой 4 ориентированных керамических волокон, представляющий собой нетканый материал, внутренняя сторона 5 которого образована волокнами 6, 7, 8 утка 9, ориентированными вдоль пера. Наружная сторона 10 нетканого материала образована волокнами 11, 12 основы 13, ориентированными поперек пера.

Под покрытием 3 расположен слой 14 переплетенных между собой ориентированных керамических волокон 15, 16 и металлических ребер 17, 18. В качестве ребра использована проволока 19.Керамические волокна намотаны на проволоку в виде винтообразной обмотки 20 с витками 1, 22 Обмотка разделена на секции 23, 24. В интервалах между секциями свободные от обмотки участки 25, 26 проволоки приварены к стержню на площадках 27 с образованием вогнутостей 28.

Проволока уложена на металлическую основу 29 с образованием решетки 30 из витков 31, 32, огибающих перо лопатки и разделенных зазорами 33, 34. В зазоры между витками проволоки уложены витки 35, 36 жгута из керамических волокон 37, 38. Жгут закручен и вместе с секциями 23, 24 обмотки 20 образует систему соприкасающихся витков 39, 40 волокон.

Между ребрами уложен керамобетон 41, заполняющий щели 42, 43 до уровня 44, покрывающего обмотки 20. Обмотки, жгуты и керамобетон создают в совокупности пористую керамическую подкладку, на которой с помощью вяжущего закреплено керамические покрытие 3.

В другом примере использования предлагаемого способа (фиг. 4) проволока 45 имеет шестигранный профиль 46. Керамическое волокно 47 намотано на проволоку в виде шестигранных катушек 48, 49. Прямые пролеты 50 проволоки скреплены контактной сваркой с продольными ребрами 51, 52, выполненными на поверхности пера 53, с образованием продольных пазов 54, 55.

В третьем примере (фиг. 6) проволока 56 выполнена с винтовой канавкой 57, в которую уложена керамическая нить 58 в виде обмотки 59. Винтовые выступы 60 приварены к перу 61.

В четвертом примере (фиг. 7) проволока 62 имеет продольную лыску 63 и выполнена в виде зубчатой рейки. Зубья 64, 65 рейки разделены канавками 66, 67, в которые уложена керамическая нить 68 в виде обмотки 69. Зубьями проволока приварена к перу 70.

Металлические детали турбинной лопатки изготавливают из сплавов на никелевой основе. На проволоку наматывают микростеклокристаллические волокна из оксида алюминия диаметром 10.20 мкм в один или несколько слоев. Диаметр проволоки 0,2.2 мм. Секции обмотки фиксируют керамическим вяжущим с коллоидным компонентом в водной среде, который затем подвергают сушке. Проволоку укладывают путем последовательного закрепления межсекционных участков контактной сваркой по всему обводу профиля пера лопатки, в том числе на вогнутом корыте. Затем в зазоры между витками проволоки запрессовывают керамический жгут, пропитанный вяжущим. Щели и неровности заделывают керамобетоном с волокнистым наполнителем, после чего на перо наносят нетканый материал, также пропитанный вяжущим. Лопатку подвергают сушке при 100.140^oC, что сопровождается холодным спеканием обмоток 20 с волокнами керамобетона 41 и нетканого материала покрытия 3. Спекание волокон происходит в отдельных точках, что сохраняет их способность к тепловой деформации без разрушения связей между волокнами. При чередовании теплосмен адгезия волокон к металлу нарушается и все теплозащитное покрытие удерживается на лопатке благодаря безадгезионному зацеплению обмоток 20 за проволоку 19. Проволока воспринимает центробежную нагрузку от жгута. При толщине покрытия 3 в 1.2 мм и конвективном охлаждении пера данный способ обеспечивает возможность повышения температуры газов перед турбиной до 1600 ^oC.

Использование: в газотурбинных двигателях. Сущность изобретения: способ тепловой защиты турбинной лопатки включает нанесение керамического покрытия на металлический стержень пера лопатки. Новым является то, что между керамическим покрытием и металлическим стержнем пера размещают решетку из одинаково ориентированных керамических волокон, зацепленных за одинаково ориентированные металлические ребра с возможностью перемещения керамических волокон относительно металлических ребер в области их контакта, например скольжения. Металлические ребра закрепляют на стержне пера с чередованием мест закрепления и мест зацепления вдоль ребра, а покрытие скрепляют с зацепленными керамическими волокнами. Металлические ребра располагают поперек стержня пера лопатки. В качестве металлического ребра используют проволоку. Подвижное зацепление выполняют путем намотки керамического волокна на проволоку. Намотку выполняют секциями, образующими места подвижного зацепления и расположенными вдоль проволоки с промежутками, которые используют как места закрепления проволоки на стержне пера. Проволоку укладывают на стержень пера путем последовательного закрепления межсекционных промежутков контактной сваркой. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ тепловой защиты турбинной лопатки, включающий нанесение керамического покрытия на поверхность пера лопатки, отличающийся тем, что до нанесения керамического покрытия на поверхности пера располагают одинаково ориентированные металлические ребра с размещенными на них с возможностью перемещения одинаково ориентированными секциями керамических волокон, отделенными друг от друга зазорами, при этом ребра прикреплены к поверхности пера в зоне зазором между секциями керамических волокон, а покрытие наносят на керамические волокна. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлические ребра располагают поперек пера лопатки. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металлических ребер использована проволока. 4. Способ по пп.1,3, отличающийся тем, что подвижные секции керамических волокон образованы путем намотки последних на проволоку. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлические ребра прикрепляют к поверхности пера контактной сваркой.