ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА Российский патент 2013 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к охлаждаемым лопаткам, преимущественно высокотемпературных газовых турбин.

В современных охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин широко используется заградительное воздушное охлаждение, которое осуществляется вдувом относительно холодного воздуха на наружную поверхность профиля лопатки через проницаемый (пористый) материал («пористое или эффузионное охлаждение»), (Швец И.Т., Дыбан Е.П. «Воздушное охлаждение деталей газовых турбин», АН УССР, Наукова думка, Киев, 1974, стр.27). Сущность «пористого охлаждения» заключается в том, струи охладителя на выходе из пор сливаются и образуют пограничный слой, существенно уменьшая тем самым конвективный теплообмен между газом и поверхностью профиля.

Известна охлаждаемая лопатка газовой турбины, изготовленная из плотного материала и содержащая в нем полости для прохода охлаждающей среды, передняя кромка которой выполнена в виде проницаемой оболочки из пористого материала, состоящего из проволочных переплетений (патент США №4314442 А, НКИ 60/39.05, МПК³ F01B5/18, приоритет от 11.06.1979, опубл. 09.02.1982).

Известна охлаждаемая лопатка с каналами в виде объемно-сетчатой конструкции и полостью для входа охлаждающей среды (патент RU №2094170 С1, МПК⁶ B22D 27/04, F01D5/18, приоритет от 28.12.1995, опубл. 27.10.1997).

Известна охлаждаемая лопатка, изготовленная из плотного материала в корпусе, которой выполнены соединенные между собой полости для подвода охлаждающей среды, причем их оси проходят через критическую линию передней кромки, выполненной в виде проницаемой оболочки из пористого материала, поры которого образованы проволочными переплетениями (патент RU №2186223 С2, МПК⁷ F01D 5/18, приоритет от 26.07.2000, опубл. 27.07.2002).

Известна охлаждаемая лопатка, в которой контактирующая с высокотемпературным набегающим газовым потоком оболочка изготовлена из пористого материала в виде навитой проволоки или сплетенных сеток (Швец И.Т., Дыбан Е.П. «Воздушное охлаждение деталей газовых турбин», АН УССР, Наукова думка, Киев, 1974, стр.96-97).

Основными недостатками предложенных технических решений, является то, что существующие лопатки снабжены либо отдельными накладками, либо оболочками из пористых материалов, закрепляемыми на основе лопатки, изготовленной из плотного материала, что не обеспечивает получение цельной пористой структуры лопатки, изменяющейся в ее объеме по заранее заданному закону с целью создания равномерного температурного поля и эффективного подвода охлаждающей среды к наружной поверхности ее профиля. Невозможность изготовления лопатки полностью из пористого материала вынуждает применять различные материалы для отдельных частей лопатки, имеющих различные температурные нагрузки. При наличии знакопеременных температурных нагрузок это приводит к трещинообразованию и в итоге снижению ресурса лопатки.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой конструкции лопатки и выбранной в качестве прототипа, является вариант конструкции, когда корпус лопатки, изготавливается из упругопористого нетканого материала металлорезина (Пористые проницаемые материалы: справ изд. / Под ред. Белова С.В. М.: Металлургия 1987, подраздел 5.2, стр.266-273).

Однако отсутствие в теле, изготовленном из нетканого пористого материала «металлорезина», полостей для рациональной раздачи охлаждающей среды через его пористую часть к поверхности, подвергающейся воздействию высокотемпературного набегающего потока, не позволяет более эффективно обеспечить распределение расхода охлаждающей среды, для создания равномерного температурного поля при охлаждении соответствующих частей поверхности, например, сопловой лопатки газовой турбины.

Технической задачей данного изобретения является создание лопатки с увеличенным ресурсом, стойкой к трещинообразованию при циклических тепловых нагрузках, путем создания равномерного температурного поля и эффективного ее охлаждении, вследствие выполнения полостей в пористом материале для рационального подвода охлаждающей среды через ее пористую часть к наружной поверхности профиля.

Для решения поставленной задачи в охлаждаемой лопатке, выполненной из упругопористого нетканого материала металлорезина, дополнительно, в нетканом материале выполнены полости для рационального подвода охлаждающей среды через его поры к внешней поверхности профиля лопатки.

Выполнение в пористом теле лопатки полостей обеспечивает рациональный подвод охлаждающей среды через пористую структуру к внешней поверхности профиля для создания равномерного температурного поля и эффективного ее охлаждения, что исключает трещинообразование лопатки при циклических тепловых нагрузках, в результате чего ресурс лопатки увеличивается.

На фиг.1 представлена охлаждаемая лопатка, общий вид;

на фиг.2 показан вид охлаждаемой лопатки сверху;

на фиг.3 представлены охлаждаемые лопатки из материала «металлорезина» в сборе, расположенные между верхней и нижней частями элемента соплового лопаточного аппарата.

В охлаждаемой лопатке 1 выполнены полости 2 для подвода охлаждающей среды (фиг.1, 2). Лопатка 1 полностью отформована в виде детали требуемого профиля из проницаемого пористого материала, образованного проволочными переплетениями. Пористый материал служит для охлаждения внешней поверхности лопатки 1. Проволочные переплетения пористого материала образованы из упругопористого нетканого материала «металлорезина». Лопатки располагают между верхней 3 и нижней 4 частями элемента соплового лопаточного аппарата над отверстиями 5 и 6, соответственно, служащими для прохода охлаждающей среды (фиг.3). Фиксация лопаток относительно верхней 3 и нижней 4 частей элемента соплового лопаточного аппарата осуществляется, например, с помощью штифтов (на чертеже не показаны). Штифты расположены на верхней 3 и нижней 4 частях соплового лопаточного аппарата и входят в углубления, выполненные в лопатке 1. В качестве исходного элемента для изготовления нетканого материала «металлорезина» может быть взята проволочная спираль, навиваемая вплотную виток к витку. Способ изготовления данной спирали может быть любой известный, например, описанный в а.с. SU №183174, МКИ B21F 21/00, B21F 27/12 А1.

Охлаждение лопатки осуществляется следующим образом.

Охлаждающая среда (воздух) через каналы в нижней 4 части элемента соплового лопаточного аппарата подается во внутренние полости 2 лопатки 1. Затем охлаждающая среда через поры пористого материала, из которого отформована лопатка 1, выходит на ее наружную поверхность, омываемую высокотемпературными продуктами сгорания газовой турбины. Выполнение полостей в пористой лопатке 1 для рациональной подачи охлаждающей среды к наружной поверхности профиля с целью создания равномерного температурного поля обеспечивает интенсивный теплоотвод на всей внешней ее поверхности, а за счет упругих свойств «металлорезины» исключается образование трещин в элементах лопатки 1, что увеличивает ее ресурс.

Получение пористой структуры, реализующей заданные законы ее распределения в различных элементах объема лопатки, достижение необходимых упругих свойства материала «металлорезина» обеспечивается выбором материала проволоки с соответствующими пределом текучести и модуля ее упругости при рабочих температурах, обеспечивается в соответствии с рекомендациями, приведенными в книге (Пористые проницаемые материалы: справ изд. / Под ред. Белова С.В. М.: Металлургия 1987, подраздел 5.2, стр.266-273). В качестве примера упругих свойств материала «металлорезина» в процессе циклической деформации приведены соответствующие характеристики для стали 12Х18Н10Т (см. там же, стр.270-271).

Жесткость «металлорезины» практически не меняется в диапазоне 3-5 млн. циклов в интервале температур от 20 до 350°C уменьшается от начального значения лишь на 10-20%. При предельной для данного материала температуре эксплуатации 700°C упругие свойства данного материала, вычисленные на основании механических свойств стали 12Х18Н10Т, приведенных в «Марочник сталей и сплавов / М.М. Колосков, Е.Т. Долбенко, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2001, стр.529, 579» уменьшатся не более чем на 25% относительно температуры 20°C, т.е. «металлорезина» практически полностью сохранит свои упругие свойства во всем диапазоне температур.

Таким образом, предложенная конструкция охлаждаемой лопатки вследствие выполнения полостей в пористом материале для подвода охлаждающей среды через ее пористую часть к наружной поверхности позволяет увеличить ее ресурс.

Охлаждаемая лопатка выполнена из упругопористого нетканого материала металлорезина. В нетканом материале выполнены полости для подвода охлаждающей среды через его поры к внешней поверхности профиля лопатки. Изобретение позволяет реализовать однородную пористость при различных ее величинах в отдельных элементах лопатки, что обеспечивает интенсивный теплоотвод по всей внешней ее поверхности, омываемой высокотемпературными продуктами сгорания. Вследствие высокой стойкости лопатки к разрушению при циклических нагружениях повышается ресурс лопатки. 3 ил.

Охлаждаемая лопатка, выполненная из упругопористого нетканого материала металлорезина, отличающаяся тем, что в нетканом материале выполнены полости для подвода охлаждающей среды через его поры к внешней поверхности профиля лопатки.