турбинная лопатка
Классы МПК: | F01D5/18 пустотелые лопатки; устройства для подогрева, теплоизоляции или охлаждения лопаток |
Автор(ы): | Гохштейн Яков Петрович, Гохштейн Александр Яковлевич |
Патентообладатель(и): | Гохштейн Яков Петрович, Гохштейн Александр Яковлевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1993-11-19 публикация патента:
10.04.1997 |
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.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11
Формула изобретения
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.Описание изобретения к патенту
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.2вид 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
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076010/945.gif)
a = arctg
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076010/960.gif)
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076023/946.gif)
где а диаметр нити, s периметр профиля в месте витка, b длина нити, приходящаяся на одну крутку. В зависимости от направления закрутки нити угол
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076036/947.gif)
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076023/946.gif)
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076010/945.gif)
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076013/177.gif)
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076023/946.gif)
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076023/946.gif)
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076092/176.gif)
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076059/937.gif)
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076059/937.gif)
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076010/945.gif)
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076001/183.gif)
![турбинная лопатка, патент № 2076928](/images/patents/396/2076001/183.gif)
Класс F01D5/18 пустотелые лопатки; устройства для подогрева, теплоизоляции или охлаждения лопаток