ЛОПАТКА ТУРБИНЫ Российский патент 2005 года по МПК F01D5/08 

Изобретение относится к устройствам и конструкциям лопаток газотурбинных двигателей и установок.

Изобретение может найти применение в авиационной, судовой, автомобильной промышленности и в энергетике, а также в других отраслях промышленности, где используют газотурбинные двигатели и установки.

Известна лопатка турбины газотурбинного двигателя, описанная в книге (Тамарин Ю.А. "Защитные покрытия для лопаток турбин. США. 2002 г., р.22). Описанное устройство содержит лопатку с керамическим покрытием постоянной толщины.

Недостатком конструкции лопатки турбины является повышенная постоянная толщина керамического покрытия, которая сохраняет или увеличивает неравномерность распределения температуры и термонапряжения в металле лопатки. Кроме того, в керамическом покрытии повышенной массы будут возникать повышенные напряжения от воздействии центробежных сил. Указанные факторы могут привести к появлению дефектов, трещин и выкрашивания керамики в зонах концентрации напряжений и снижению долговечности покрытия и лопатки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является конструкция лопатки турбины с теплозащитным покрытием постоянной толщины, в котором поверхность лопатки защищена от теплового потока керамическим покрытием с постоянной толщиной (патент США № 6106231 "Частичное покрытие аэродинамической поверхности", кл. F 01 D 5/18, опубликованный 22.08.2000 г.). Описанная конструкция лопатки турбины состоит из хвостовика и пера лопатки, входная и выходная кромки которой имеют отверстия для выхода воздуха, при этом на поверхности входной кромки, части выпуклой поверхности, примыкающей к входной кромке, частях вогнутой поверхности, примыкающей к входной кромке, хвостовику и на концевой части пера лопатки выполнено покрытие из теплозащитного материала с постоянной толщиной.

Недостатком прототипа лопатки турбины является повышенная, постоянная толщина керамического покрытия, которая сохраняет или увеличивает неравномерность распределения температуры и термонапряжения в металле лопатки. Кроме того, в керамическом покрытии повышенной массы будут возникать повышенные напряжения от воздействии центробежных сил. Указанные факторы могут привести к снижению прочности покрытия, появлению дефектов, трещин и выкрашивания керамики в зонах концентрации напряжений и снижению долговечности покрытия и лопатки.

Задачей данного изобретения является повышение долговечности лопатки турбины за счет повышения прочности покрытия и снижения термонапряжений в металле лопатки.

Прочность повышается, во первых, за счет переменной толщины покрытия и, во вторых, за счет равномерности распределения температуры в месте соединения покрытия с металлом лопатки благодаря выполнению покрытия максимальной толщины в зонах максимальных температур и минимальной толщины в зонах минимальных температур на поверхности покрытия и снижению тем самым перепада температуры в указанном месте соединения по профилю и высоте лопатки. Кроме того, последнее обстоятельство, позволяет снизить термонапряжения в металле лопатки.

Поставленная задача решается тем, что лопатка турбины, состоящая из хвостовика и пера лопатки, входная и выходная кромки которой имеют отверстия для выхода воздуха, при этом на поверхности входной кромки, части выпуклой поверхности, примыкающей к входной кромке, частях вогнутой поверхности, примыкающей к входной кромке, хвостовику и на концевой части пера лопатки, и на оставшейся части вогнутой поверхности пера лопатки до выходной кромки выполнено покрытие из теплозащитного материала переменной толщины h_ij по профилю и высоте лопатки. Толщина покрытия в каждой точке на указанной поверхности лопатки определяется по формуле

где: h_1,ij - толщина покрытия в i-точке профиля поверхности j-сечения по высоте лопатки,

a₁ - первый эмпирический коэффициент а₁=0.03÷0.05,

b₁ - второй эмпирический коэффициент b₁=0.0008÷0.0012,

Т_ij - температура в i-точке профиля поверхности j-сечения по высоте лопатки без покрытия,

T_m - максимальная температура на поверхности лопатки без покрытия,

Т_{max j} - максимальная температура на поверхности в j-сечении лопатки без покрытия,

T_{min j} - минимальная температура на поверхности в j - сечении лопатки без покрытия.

Кроме того, покрытие переменной толщины h_ij дополнительно выполнено на оставшейся части выпуклой поверхности, примыкающей к входной кромке и части выпуклой поверхности, примыкающей к выходной кромке. Толщина покрытия в каждой точке на указанной поверхности лопатки определяется по формуле

где: h_2,ij - толщина покрытия в i - точке профиля поверхности j-сечения по высоте лопатки,

а₂ - третий эмпирический коэффициент а₂=0.03÷0.05,

b₂ - четвертый эмпирический коэффициент b₂=0.0008÷0.0012,

Тij - температура в i-точке профиля поверхности j-сечения по высоте лопатки без покрытия должна быть более значения (T_{max j}+T_mincj)/2,

T_m - максимальная температура на поверхн ости лопатки без покрытия,

T_{max j} - максимальная температура на поверхности в j-сечении лопатки без покрытия,

T_{minc j} - минимальная температура на выпуклой поверхности в j-сечении лопатки без покрытия.

На фиг.1 показана лопатка турбины со стороны ее вогнутой поверхности, на фиг.2 - лопатка турбины (вид сверху), на фиг.3 - сечение пера лопатки турбины по входной кромке.

Лопатка турбины содержит хвостовик 1 и перо 2, входную 3 и выходную 4 кромки, которые имеют отверстия 5 для выхода воздуха, при этом на поверхности 6 входной кромки 3, части 7 выпуклой поверхности 8, примыкающей к входной кромке 2, частях 9, 10 вогнутой поверхности 11, примыкающей к входной кромке 3, хвостовику 1 и на концевой части 12 пера 2 лопатки, и на оставшейся части 13 вогнутой поверхности 11 пера 2 лопатки выполнено покрытие из теплозащитного материала. Возможно выполнение на оставшейся части 13 вогнутой поверхности 11 пера 2 лопатки до выходной кромки 4 покрытия 14 из теплозащитного материала переменной толщины по профилю и высоте лопатки. Покрытие 14 переменной толщины в каждой точке на указанной выше поверхности лопатки определяется по формуле (1).

Возможно выполнение покрытия 14 переменной толщины в каждой точке на оставшейся части 15 выпуклой поверхности 8, примыкающей к входной 3 кромке и части 16 выпуклой поверхности 8, примыкающей к выходной 4 кромке, по профилю и высоте лопатки определяется по формуле (2).

Лопатка турбины выполнена с покрытием 14 переменной толщины, функционально зависящей от распределения температуры по профилю и высоте лопатки.

Покрытие 14 может быть выполнено из теплозащитного материала, например, из диоксида циркония.

Лопатка турбины работает следующим образом.

Поток горячего газа подается со стороны входной кромки 3 и вогнутой поверхности 11 лопатки, охлаждающий воздух подается к внутренней поверхности лопатки. Охлаждающий воздух проходит через отверстия 5. Горячий газ нагревает поверхность 6 входной кромки 3, часть 7 выпуклой поверхности 8, примыкающей к входной кромке 2, части 9, 10 вогнутой поверхности 11, примыкающей к входной кромке 3, хвостовику 1 и концевую часть 12 пера 2, и на оставшейся части 13 вогнутой поверхности 11 пера 2 лопатки до выходной кромки 4 покрытия 14 по профилю и высоте лопатки. Нагреваются также части 15 и 16 выпуклой поверхности 8, примыкающих к входной 3 и выходной 4 кромке по профилю и высоте лопатки покрытия 14. Переменная толщина покрытия 14 из теплозащитного материала функционально зависит от распределения температуры по профилю и высоте лопатки. В месте соединения покрытия с металлом лопатки повышается равномерность распределения температуры благодаря выполнению покрытия максимальной толщины в зонах максимальных температур и минимальной толщины в зонах минимальных температур на поверхности покрытия и снижению тем самым перепада температуры в указанном месте соединения по профилю и высоте лопатки.

В зависимости от температурных условий лопатка турбины выполняется с покрытием переменной толщины по формулам (1) и (2).

Применение покрытия переменной толщины (и его уменьшения, в том числе, и по массе по сравнению с прототипом) на лопатке турбины позволяет повысить прочность покрытий, равномерность распределения температуры в месте соединений металла лопатки с покрытием по профилю и высоте лопатки, снизить перепады температур, напряжения от воздействия центробежных сил и термонапряжения по толщине теплозащитного покрытия и стенки лопатки и повысить долговечность покрытия и лопатки турбины.

Кроме того, после нанесения покрытия переменной толщины на лопатке турбины с использованием технологического процесса (например, электронно-лучевой технологии), остаточные напряжения в покрытии уменьшаются.

Лопатка турбины газотурбинных двигателей и установок состоит из хвостовика и пера лопатки, входная и выходная кромки которой имеют отверстия для входа и выхода воздуха. На поверхности входной кромки, на части выпуклой поверхности, примыкающей к входной кромке, на частях вогнутой поверхности, примыкающей к входной кромке, хвостовику и на концевой части пера лопатки выполнено покрытие из теплозащитного материала. Покрытие выполнено переменной толщины по профилю и высоте лопатки. Покрытие может быть дополнительно выполнено на оставшейся части вогнутой поверхности пера лопатки до выходной кромки. Толщина покрытия в каждой точке на поверхности лопатки определяется по формуле, защищаемой настоящим изобретением. Изобретение позволяет повысить долговечность лопатки за счет снижения термонапряжений и напряжений от центробежных сил благодаря использованию покрытия переменной толщины. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лопатка турбины, состоящая из хвостовика и пера лопатки, входная и выходная кромки которой имеют отверстия для входа и выхода воздуха, при этом на поверхности входной кромки, на части выпуклой поверхности, примыкающей к входной кромке, на частях вогнутой поверхности, примыкающей к входной кромке, хвостовику и на концевой части пера лопатки выполнено покрытие из теплозащитного материала, отличающаяся тем, что покрытие выполнено переменной толщины по профилю и высоте лопатки.2. Лопатка турбины по п.1, отличающаяся тем, что покрытие дополнительно выполнено на оставшейся части вогнутой поверхности пера лопатки до выходной кромки.3. Лопатка турбины по п.1 или 2, отличающаяся тем, что толщина покрытия в каждой точке на поверхности лопатки определяется по формуле

где h_1,ij - толщина покрытия в i-точке профиля поверхности j-сечения по высоте лопатки;

a₁ - первый эмпирический коэффициент a₁=0.03-0.05;

b₁ - второй эмпирический коэффициент b₁=0.0008-0.0012;

Т_ij - температура в i-точке профиля поверхности j-сечения по высоте лопатки без покрытия;

T_m - максимальная температура на поверхности лопатки без покрытия;

T_maxj - максимальная температура на поверхности в j-сечении лопатки без покрытия;

T_minj - минимальная температура на поверхности в j-сечении лопатки без покрытия.

где h_2,ij - толщина покрытия в i-точке профиля поверхности j-сечения по высоте лопатки,

а₂ - третий эмпирический коэффициент а₂=0.03-0.05,

b₂ - четвертый эмпирический коэффициент b₂=0.0008-0.0012,

Т_ij - температура в i - точке профиля поверхности j-сечения по высоте лопатки без покрытия должна быть более значения (T_maxj+T_mincj]/2,

T_m - максимальная температура на поверхности лопатки без покрытия,

T_maxj - максимальная температура на поверхности в j-сечении лопатки без покрытия,

T_{minc j} - минимальная температура на выпуклой поверхности в j-сечении лопатки без покрытия.