Теплоизолированная турбинная лопатка

 

Использование: в энергетических газотурбинных установках. Сущность изобретения: теплоизолированная турбинная лопатка содержит основание и перо, на металлический стержень которого нанесено керамическое покрытие. На поверхности стержня выполнена решетка из разделенных зазорами одинаково направленных металлических ребер и разделенных зазорами керамических нитей, направленных поперек ребер с подвижным зацеплением за ребра. Керамические нити расположены между поверхностью стержня и металлическими ребрами, а ребра скреплены с поверхностью стержня в зазорах между нитями. Металлические ребра по отношению к стержню пера выполнены поперечными, а керамические нити - продольными. Продольные керамические нити расположены в продольных пазах между продольными металлическими ребрами, на которые опираются поперечные ребра. В поперечных пазах между поперечными ребрами размещены поперечные керамические нити, которые прикреплены к продольным нитям с образованием керамической сетки, скрепленной с наружной частью керамического покрытия слоем ориентированных керамических волокон, включающим подкладку из керамической ткани. Поперечные ребра расположены в виде спирали вокруг стержня пера. Под узлами решетки в стержне выполнены каналы для пористого охлаждения волокнистого керамического покрытия. Возможен вариант лопатки с замковым соединением металлических ребер и керамических нитей. Благодаря вытеснению продуктов сгорания из волокнистого керамического покрытия воздухом оно защищает металл лопатки от коррозии. 22 з.п. ф-лы, 18 ил.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в газотурбинных двигателях.

Известна теплоизолированная турбинная лопатка с заградительным охлаждением путем выпуска воздуха через поры в металлической оболочке пера лопатки (патент США N 3616125, м.кл. B 23 B3/06, 1971 г.). В другой известной теплоизолированной турбинной лопатке с заградительным охлаждением (патент США N 5152667, м.кл. F 01 D5/18, 1992 г.) для выпуска воздуха служат щели, перекрытые металлическими щитками, которые формируют воздушную пелену, обволакивающую металлическую поверхность пера.

Заградительное охлаждение сочетается с внутренним конвективным охлаждением за счет движения воздуха по каналам к поверхности лопатки. Чем меньше поры, тем интенсивнее конвективный теплообмен, выше температура воздуха на выходе из лопатки и меньше требуемый расход воздуха. Однако чем меньше поры, тем больше поверхность металла, подверженная коррозии, и тем интенсивнее разрушение лопатки. Кроме геометрического роста поверхности ускорению коррозии содействует также увеличение положительной кривизны отдельных элементов поверхности, что увеличивает свободную поверхностную энергию и, соответственно, снижает энергию активации реакций, в которых расходуется металл лопатки.

Это, в частности, относится к пористой оболочке, полученной прессованием и спеканием нескольких слоев тонкой металлической сетки. Пористое охлаждение известных лопаток требует очистки топлива до уровня авиационного, однако и это не исключает сульфидной коррозии, так как даже реактивное топливо содержит более 0,1% серы, а натрий может поступать из атмосферы.

Известна также теплоизолированная турбинная лопатка, включающая основание и перо, на металлический стержень которого плазменным напылением нанесено керамическое покрытие, содержащее стабилизированный оксид циркония (патент США N 3758233, М.кл. F 01 D5/10, 1973 г.). Такое покрытие подвержено скалыванию из-за хрупкости керамики и различия в тепловых расширениях керамики и металла, что ограничивает приемлемую толщину покрытия слоем 0,2 мм, недостаточным для эффективной тепловой защиты лопатки.

Кроме того, прочность сцепления напыленного покрытия с лопаткой зависит от состояния поверхности металла под покрытием. Из-за значительной пористости такого покрытия (15.20%) металлическая подложка подвержена коррозии, что сопровождается отслаиванием покрытия как целого. Для замедления этого процесса лопатку предварительно покрывают жаростойким сплавом, содержащим хром, кобальт, алюминий.

Изобретение направлено на преодоление отмеченных недостатков известных турбинных лопаток.

Подобно известной, предлагаемая теплоизолированная турбинная лопатка включает основание и перо, на металлический стержень которого нанесено керамическое покрытие.

Новым является то, что на поверхности стержня пера выполнена решетка из разделенных зазорами одинаково направленных металлических ребер и разделенных зазорами керамических нитей, направленных поперек ребер, причем нити расположены между поверхностью стержня с одной стороны и ребрами с другой стороны, а ребра скреплены с поверхностью стержня в зазорах между нитями.

Ребра по отношению к стержню выполнены поперечными, а нити продольными. Решетка выполнена двухслойной, с внешним слоем, содержащим поперечные металлические ребра, и внутренним слоем, содержащим продольные керамические нити. Продольные керамические нити расположены в продольных пазах между продольными металлическими ребрами, выполненными на поверхности стержня, а поперечные ребра опираются на продольные ребра.

В поперечных пазах, образованных поперечными ребрами, размещены поперечные керамические нити, которые прикреплены к продольным керамическим нитям с образованием керамической сетки. В продольные и поперечные пазы наряду с нитями введен керамобетон с волокнистым наполнителем.

Наружная часть керамического покрытия образована слоем ориентированных керамических волокон, который закреплен на стержне пера через посредство продольных керамических нитей. Непосредственно этот слой скреплен с поперечными керамическими нитями. Слой ориентированных керамических волокон включает керамическую ткань либо керамический нетканый материал, причем в обоих случаях с расположенными поперек друг другу керамическими нитями утка и основы. Слой ориентированных керамических волокон пропитан вяжущим.

Наружная поверхность слоя ориентированных керамических волокон образована керамическими волокнами, ориентированными поперек пера. Поперечные ребра расположены на поверхности стержня в виде витков спирали с образованием между ними спирального паза. Поперечные керамические нити образованы витками непрерывной керамической нити, вложенной в спиральный паз. Поперечные ребра образованы витками металлической проволоки, намотанной на стержень пера и закрепленной на продольных ребрах.

Нити составлены из керамических волокон и выполнены с закруткой волокон. Под узлами решетки в стержне выполнены каналы, соединяющие поверхность стержня с полостью внутри стержня.

Выход канала на поверхность стержня выполнен в форме расширения.

Скользящее зацепление металлических ребер и керамических нитей в поверхностной решетке обеспечивает безадгезионное соединение керамики с металлом, это устраняет одновременно два вида разрушения покрытия: отслаивание из-за коррозии поверхности металла и скалывание из-за различия в тепловых расширениях керамики и металла.

Выполнение покрытия волокнистым повышает его термостойкость и снимает ограничение на толщину теплозащитного слоя. Предлагаемая конструкция позволяет объединить тепловую изоляцию с заградительным охлаждением. Прежде чем попасть в проточную часть турбины, воздух, выпускаемый из отверстий металлического стержня пера, проходит через поры волокнистой керамической оболочки, что препятствует прониканию туда продуктов сгорания. Благодаря этому концентрация продуктов сгорания у пористой поверхности металла, покрытой пористой керамической оболочкой, значительно ниже, чем у открытой пористой поверхности металла. Таким образом, пористое охлаждение тепловой изоляции защищает металл турбинной лопатки от сульфидной коррозии. Кроме того, снижение температуры металлической поверхности, защищенной керамическим волокнистым покрытием, тормозит развитие оксидной коррозии.

Наличие в керамической оболочке мелких пор, распределенных между волокнами, позволяет уменьшить число воздушных каналов в стержне и увеличить их диаметр, что упрощает конструкцию металлического стержня пера. Расширение на выходе канала облегчает растекание воздуха в волокнистом материале. Расположение узла решетки над выходом канала препятствует смещению керамической нити под напором струи воздуха. При фиксированной максимальной температуре керамических волокон их пористое охлаждение волокнистой оболочки позволяет повысить температуру газа перед турбиной по сравнению с неохлаждаемой волокнистой оболочкой.

Прочность керамического покрытия на отрыв не зависит от шага решетки и толщины нити, но определяется их отношением. При одной и той же прочности на отрыв турбинная лопатка может быть выполнена с микрорешеткой либо с микрорешеткой, шаги которой различаются на несколько порядков (например, 0,01.1 мм). Температура решетки металлических ребер и керамической нити - близка к допустимой температуре металла лопатки и тем более допустима для керамики, что позволяет использовать достаточно тонкие волокна без опасности спекания и роста зерен.

Расположение поперечных керамических нитей в пазах между поперечными металлическими ребрами разгружает керамическое покрытие от центробежных сил, действующих на керамическую сетку. Выполнение поперечных ребер в виде витков спирали из проволоки, намотанной на стержень пера, с непрерывной керамической нитью, вложенной в спиральный паз, упрощает изготовление предлагаемой турбинной лопатки.

На фиг. 1 показана теплоизолированная турбинная лопатка; на фиг. 2 - профиль пера лопатки, сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 профиль пера в окрестности выходной кромки, узел 1 на фиг. 2; на фиг. 4 двухслойная металлокерамическая решетка на поверхности стержня пера лопатки; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 аксонометрическая проекция двухслойной металлокерамической решетки по фиг. 4; на фиг. 7 аксонометрическая проекция однослойной металлокерамической решетки; на фиг. 8 однослойная металлокерамическая решетка по фиг. 7 на поверхности стержня пера лопатки; на фиг. 9 вид В на фиг. 8; на фиг. 10 листовое покрытие из ориентированных керамических волокон; на фиг. 11 разрез Г-Г на фиг. 10; на фиг. 12 вид на фиг. 10; на фиг. 13 схема пористого охлаждения теплоизолирующего покрытия из керамических волокон; на фиг. 14 распределение давлений в потоке рабочего газа (P_о), в лопастях лопатки (P_e) и под керамическим покрытием (P_e); на фиг. 15 средства снижения концентрации напряжений в решетке; на фиг.16 вид Е на фиг. 15; на фиг. 17 решетка с замковым соединением волокнистой керамики и металла; на фиг. 18 вид на фиг. 17.

Теплоизолированная турбинная лопатка включает основание 1 и перо 2, профиль которого образован входной кромкой 3, выходной кромкой 4, вогнутым корытом 5 и выпуклой спинкой 6. На металлический стержень 7 пера лопатки нанесено керамическое покрытие 8.

На поверхности стержня пера лопатки выполнена металлокерамическая решетка 9, которая включает одинаково направленные керамические нити 10, 11, разделенные зазорами 12, 13, и одинаково направленные металлические ребра 14, 15, 16, разделенные зазорами 17, 18. Керамические нити ориентированы поперек ребер и расположены на поверхности стержня под ребрами.

С одной стороны нить касается поверхности стержня, а с противоположной стороны металлических ребер, прижимающих нить к стержню. Металлические ребра скреплены с поверхностью металлического стержня в зазорах между керамическими нитями путем контактной сварки. По отношению к стержню указанные ребра выполнены поперечными, а указанные нити продольными.

Продольные керамические нити образуют внутренний слой решетки, а поперечные металлические ребра внешний слой решетки. Продольные керамические нити расположены в продольных пазах 19, 20 между продольными металлическими ребрами 21, 22, 23, выполненными на поверхности стержня. Поперечные металлические ребра 24, 25, 26 опираются на продольные ребра и скреплены с ними в местах 27 контакта. В поперечных пазах 28, 29, образованных поперечными ребрами, размещены поперечные керамические нити 30, 31, 32, которые скреплены вяжущим с продольными керамическими нитями в местах 33 пересечения с образованием керамической сетки 34. Керамическая сетка, закрепленная таким путем на поверхности стержня пера, служит грунтом под наружное теплоизолирующее покрытие.

Продольные и поперечные ребра 21.25 образуют металлическую сетку 35, скрепленную со стержнем пера и переплетенную с керамической сеткой 34. В продольные и поперечные пазы наряду с нитями введена пористая керамическая масса 36 в виде керамобетона с наполнителем из рубленых керамических волокон, которые скреплены между собой керамическим вяжущим. Продольные и поперечные нити состоят из элементарных керамических волокон 37, накрученных на центральные керамические волокна 38 с образованием витков 39.

Наружная часть керамического покрытия образована слоем 40 ориентированных керамических волокон, который расположен на поверхности 41, огибающей поперечные металлические ребра и поперечные керамические нити. Слой 40 керамическим вяжущим скреплен с поперечными керамическими нитями и через посредство продольных керамических нитей фиксирован на стержне пера лопатки.

Слой 40 ориентированных керамических волокон выполнен в виде отделяемого листового материала 42, включающего волокнистую подкладку 43 и ряд 44 параллельных керамических нитей 45, которые выходят на огневую поверхность 46 пера лопатки и направлены поперек пера, вдоль потока рабочего газа.

Подкладка 43 выполнена в виде керамической ткани 47, в которой керамические нити основы 48 переплетены с керамическими нитями утка 49. Слой 40 пропитан керамическим вяжущим, которое создает дополнительные связи между керамическими волокнами этого слоя, усиливает сопротивление наружных волокон отрыву потоком газа и выравнивает огневую поверхность пера.

Поперечные ребра расположены на поверхности стержня в виде спирали 50, многократно огибающей стержень. При этом поперечные ребра выполнены в виде витков 51, 52 непрерывной металлической проволоки 53 прямоугольного сечения 54. Проволока намотана на стержень пера и приварена к продольным ребрам с образованием спирального паза 55. Поперечные керамические нити образованы витками 56, 57 непрерывной керамической нити, вложенной в спиральный паз.

Внутри пера лопатки выполнены полости 58, 59, разделенные перегородками 60. Полости соединены с дном 61 продольных пазов каналами 62, 63, 64, 65, выход которых имеет форму расширения 66.

В другом варианте теплоизолированной турбинной лопатки (фиг. 8, 9) поперечные ребра включают участки в форме дуг 67, 68, которые фиксируют волокна 69, 70 продольных керамических нитей 71, 72 на поверхности 73 стержня пера. Дуги и продольные нити покрыты слоем 74 керамобетона с наполнителем из рубленых керамических волокон. Слой керамобетона армирован непрерывными керамическими волокнами 75, расположенными в промежутках 76 между дугами.

Поверх слоя керамобетона уложен слой 77 ориентированных керамических волокон. Он выполнен в виде нетканого материала, включающего три ряда 78, 79, 80 параллельных керамических нитей, различающихся ориентацией нитей. В крайних рядах нити 81, 82 ориентированы поперек пера лопатки. В среднем ряду нити 83 ориентированы вдоль пера лопатки.

Листовой волокнистый материал 42 может быть выполнен в виде замкнутого рукава, цельного либо с продольным швом 84.

Предпочтительное место расположения шва выходная кромка либо ее окрестность. При необходимости шов может быть разрезан для снятия листового материала и его замены. Основание лопатки включает полку 85 с керамическим покрытием 86, выполненным из керамобетона, и хвостовик (на чертежах не показан). Торец пера лопатки (не показанный на чертежах) может быть теплоизолирован так же, как и боковая сторона пера с помощью металлокерамической решетки типа решетки 9, выполненной на торцевой поверхности.

В решетке 9 с упрощенной геометрией шаг a продольных ребер равен шагу b поперечных ребер. Совпадают между собой и равны c диаметр керамической нити, ширина и высота паза продольного и поперечного. Толщина листового материала h 0,5.5c (фиг. 4, 5). Например, a b 2 мм, c a/2 1 мм, h 1 мм для пера лопатки с хордой 140 мм.

Продольные пазы 19 на поверхности стержня пера могут быть выполнены в литейной форме с продольными ребрами. Каналы 62 на дне пазов могут быть просверлены либо получены закладкой трубок или выгораемых стержней в литейную форму. Для калибровки сечения каналов могут быть применены вставные ниппели.

При изготовлении турбинной лопатки могут быть использованы следующие материалы. Стержень пера и основание литейный сплав на никелевой основе ХН65КМВЮТ (ЖС6К с направленной кристаллизацией, предел прочности 900.970 МПа при 900^oC). Проволока поперечных ребер, закрепляемая на стержне контактной сваркой, деформируемый сплав на никелевой основе ХН65КМВЮБ (предел прочности 600.700 МПа при 900^oC).

Керамические волокна оксид алюминия в виде аморфной матрицы с микрокристаллами (микростеклокристаллические волокна с задержанной перекристаллизацией, температура длительного применения 1400.1600^oC); оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (8% мольных, температура длительного применения 1600.1800^oC).

Керамическое вяжущее как высокотемпературный клей и составляющая керамобетона водная суспензия керамики с содержанием коллоидного компонента 50.100 г/л. При этом может быть использована керамика любого состава, в частности того же, что и волокна, например корундовая керамика со стеклофазой в случае волокон из оксида алюминия. Для волокон и вяжущего может быть использована также керамика других составов: корундомуллитовая, корундоцирконовая (80% корунда, 20% циркона по весу). Применима алюмофосфатная связка коллоидный раствор алюмосфатов, полученный воздействием ортофосфорной кислоты на гидрат окиси алюминия. Аналогична роль ортофосфорной кислоты при временной пропитке ею высушенного керамического вяжущего, что приводит к упрочнению керамики.

Прочность отвержденного керамического вяжущего после сушки (холодное спекание) составляет 1.10 МПа с дальнейшим упрочнением (на 1.2 порядка) при термообработке выше 1000^oC, что осуществимо путем разогрева турбинной лопатки на неподвижном роторе до 1300^oC. Прочность вяжущего можно уменьшить снижением концентрации коллоидного компонента, что сопровождается увеличением пористости слоя отвержденного вяжущего.

При выполнении тепловой изоляции лопатки целесообразно использовать керамическое вяжущее двух сортов сильное и слабое, с пределами прочности σ₀₁≥10 МПА и σ₀₂= 1 МПа, соответственно. Первое для соединения продольных нитей с поперечными в решетке 9, второе для закрепления листового материала 42 на решетке. Это позволяет снять использованный листовой материал путем отрыва его от решетки (фиг. 1) без повреждения керамических нитей решетки, которые допускают многократную смену листового материала.

Первоначальную сборку металлокерамической решетки 9 производят в следующей последовательности. Керамические нити пропитывают умеренным количеством вяжущего для сохранения пор между волокнами. Укладывают продольные нити в продольные пазы стержня пера и фиксируют их в пазах минимальным количеством вяжущего. Вводят в пазы керамобетона с волокнистым наполнителем. На стержень пера наматывают проволоку и закрепляют ее контактной сваркой на продольных ребрах с образованием поперечных ребер в виде витков спирали. Непрерывную керамическую нить смачивают вяжущим и укладывают путем намотки в спиральный паз, прижимают к продольным нитям. Стержень пера с решеткой подвергают сушке при 100.140^oC для отверждения вяжущего и дополнительному нагреву для упрочнения узлов керамической сетки.

Листовой материал в виде рукава пропитывают вяжущим, надевают на стержень пера с решеткой и обжимают. Эта операция может быть осуществлена с помощью сгораемого чехла, в который предварительно введен рукав листового материала.

Безадгезионное соединение керамики с металлом, обеспечиваемое конструкцией предлагаемой турбинной лопатки, снижает требования к жаростойкому покрытию металла стержня, которое может быть получено диффузионным насыщением поверхности алюминием, кремнием и хромом. Покрытие целесообразно наносить отдельно на стержень пера с продольными пазами и на проволоку поперечных ребер до ее соединения со стержнями. Нарастание слоя оксида никеля на поверхности металла и полиморфные превращения оксида алюминия, ведущих к отслаиванию напыленной керамической пленки в известных лопатках, в данной конструкции не ухудшает сцепление керамики с металлом.

Керамическое покрытие перестает быть источником усталостных трещин, проникающих в металлическую подложку. Отпадает необходимость в искусственном увеличении шероховатости металла для лучшего сцепления с напыленным покрытием. За счет мелких трещин и выступов такая шероховатость повышает химическую активность поверхности металла. В описываемой конструкции лопатки решетка с пропорцией a=b=2c (фиг. 4, 5) увеличивает поверхность металла в 4 раза, однако составлена из гладких металлических элементов продольных и поперечных ребер. Это увеличение меньше, чем в случае шероховатости, создаваемой травлением или абразивной обработкой.

В простейшем случае, когда поддува охлаждающего воздуха нет, достаточно плотная керамика, размещенная между металлическими ребрами, гасит конвективный теплообмен. При этом средняя теплопроводность металлокерамической решетки ниже, чем теплопроводность сплошного металлического слоя той же толщины.

В этих условиях основная часть перепада температуры между ядром потока продуктов сгорания и металлом лопатки сосредоточена в листовом волокнистом материале.

Поддув воздуха под листовой материал и выход его через поры в проточную часть турбины увеличивает перепад температуры и его часть, приходящуюся на листовой материал. В заградительной пелене воздух смешивается с продуктами сгорания, концентрация которых на наружной стороне листового материала меньше, чем в ядре потока. Это имеет значение в тех случаях, когда керамика включает компоненты, подверженные коррозии, например, оксид иттрия, взаимодействующий с серой. Оксид алюминия к продукта сгорания инертен.

При истечении охлаждающего воздуха он преодолевает сопротивления каналов 62, решетки 9 и листового материала 42. На фиксированном участке поверхности пера лопатки расход воздуха определяется суммой этих сопротивлений и перепадом давления вдоль них на единице площади. Для защиты лопатки от коррозии целесообразно, чтобы наибольшим в этой сумме было сопротивление листового материала. Это достигается ограничением его пористости, что увеличивает соответствующий перепад давления.

Возможен случай, не имеющий аналога в проникающем охлаждении цельнометаллической лопатки: плотный листовой материал со сколь угодно малой пористостью, находящейся под избыточным давлением воздуха изнутри по сравнению с давлением в потоке продуктов сгорания. В таких условиях расход воздуха и связанные с ним потери располагаемой работы пренебрежимо малы, а подтекание продуктов сгорания под листовой материал практически исключено, что создает надежную защиту металла лопатки от коррозии.

Оптимальным является случай умеренной пористости (1.10% открытых и достаточно мелких пор), когда защита от коррозии сочетается с истечением воздуха, достаточным для охлаждения, причем в зависимости от режима работы турбины скорость истечения может регулироваться давлением в полостях пера лопатки.

Перепад полного давления на ступени составляет 0,3.0,5 МПа. Вдоль спинки и корыта от входной кромки и выходной убывает также и статическое давление рабочего газа на листовой материал извне. Если давление воздуха изнутри постоянно и равно максимальному статическому давлению извне, достигаемому на входной кромке, то у выходной кромки на листовой материал изнутри действует избыточное давление 0,3.0,5 МПа.

Секционирование лопатки перегородками 60 позволяет ступенчато понизить давление воздуха от полости 58 у входной кромки до полости 59 у выходной кромки, что уменьшает изменение избыточного давления вдоль профиля и улучшает равномерность проникающего охлаждения.

Поперечные пазы 28 решетки 9 под листовым материалом 42 дополнительно выравнивают перепад давления. Возможен, например, вариант, когда поперечный паз разделен на отрезки перегородками из керамобетона, а выход канала 62 находится в начале отрезка по потоку рабочего газа так, что воздух движется внутри паза через пористую среду, образованную волокнами нити и керамобетона, с утечкой через пористую среду, образованную листовым материалом.

Тогда избыточное давление под листовым материалом, стремящееся оторвать его от решетки, составляет где Z безразмерное расстояние вдоль паза в единицах глубины C паза, Z_о безразмерная длина отрезка паза, q постоянная составляющая избыточного давления, Ψ постоянный на отрезке градиент статического давления вдоль наружной стороны листового материала, взятый по безразмерной длине, q₀ пористость листового материала, Θ₁ пористость волокнистого материала внутри паза (при одинаковом у обоих материалов распределении пор по радиусам).

Если листовой материал непроницаем, Θ₀= 0, то P_e=q-Ψz и увеличивается вдоль отрезка от q до . Чтобы уменьшить максимальное значение перепада давления до величины где ζ < 1, необходимо установить значения пористостей и толщин в определенном соотношении. При q 0
Θ₁h/Θ₀c = κ², (4)
где κ корень уравнения

Пример: c h 1 мм, Z_о 10, ζ = 0,2 тогда Θ₁/Θ₀= c(ζz_o)²/h = 4.
Движение воздуха при пористом охлаждении волокнистого керамического покрытия показано пунктирными стрелками на примере турбинной лопатки (фиг. 13), в которой полость пера 87 составлена из секций 88, 89, 90, соединенных каналами 91, 92, 93 с началом отрезков 94, 95, 96 поперечного паза 97, заполненного пористым керамическим материалом 98. Сверху паз закрыт листовым керамическим материалом 99 с порами 100, 101. Отрезки поперечного паза могут быть разделены перегородками 102 с пониженной пористостью.

Статические давления заданы как функции расстояния вдоль периметра профиля (фиг. 14): давление P₀ на наружной стороне листового материала, давление P₁ в секциях полости пера. Избыточное давление P_e под листовым материалом различно в случаях: 1) Θ₀= 0(p_e1), 2) Θ₀> 0 с перегородками 102 (P_e2), 3) Θ₀> 0 без перегородок 102 (P_e3).

В условиях работы газовой турбины избыточное давление под листовым материалом 42 составляет 0,01.0,1 МПа, что приводит к напряжению разрыва 0,02. 0,2 МПа, между материалом 42 и нитью,
σ_e= (b/c)p_e. (7)
Отрыву листового материала способствует также центробежная сила, создающая в том же соединении касательное напряжение
τ_e= Пρh(b/c), (8)
где П перегрузка,
ρ удельный вес.

При П 10⁴ (средний диаметр ступени 2 м, число оборотов 50 с^-1), ρ = 3 гс/см³, c h b/2 2 мм; τ_e= 0,4 МПа. Листовой материал может быть выполнен из нержавеющих слоев ткани. С ростом его толщины h возрастает и касательное напряжение τ_e. Близкое к τ_e напряжение испытывают узлы керамической сетки 34 из-за центробежной силы, действующей на продольные нити в продольных пазах. Существующие в лопатке напряжения σ_e и τ_e значительно ниже предела прочности керамического вяжущего (см. выше).

Испытываемая стержнем пера центробежная нагрузка совпадает по направлению с продольными ребрами, которые поэтому не создают существенной концентрации напряжений в металле. Концентрация напряжений, вызываемая поперечными ребрами, может быть уменьшена. Для этого посадочные места 103 на продольных ребрах 104 выполнены в виде выступов 105 с галтелями 106, 107, что позволяет снизить коэффициент концентрации напряжений до 1,5.2 (фиг. 15, 16).

Кроме того, поперечные ребра отделены от объема стержня продольными ребрами, выполняющими роль буфера. Более интенсивное тепловое расширение поперечных ребер, обусловленное их относительной близостью к огневой поверхности лопатки, частично компенсирует вносимое ими местное сопротивление растяжению стержня. Возможен вариант лопатки, в котором поперечные ребра выполнены литьем с помощью вкладышей, закрепляемых в литейной форме.

На металлокерамической решетке 9 могут быть закреплены продольные керамические ребра, улучшающие обтекаемость пера. Выполнение этих ребер из пористого керамобетона и совмещение его термообработки с пуском турбины приводит к согласованию их размеров в нагретом состоянии и к снятию температурных напряжений на границе металла с керамикой во время работы турбины. После первой остановки и охлаждении турбины керамические ребра могут быть установлены заново.

Поперечные ребра 108, 109 (фиг. 15) нагружены меньше, чем стержень пера, их температура может быть повышена за счет канавок 110 с бортами 111 на посадочной стороне ребер, что дополнительно снижает концентрацию напряжений в стержне.

В продольных ребрах 112, отлитых заодно со стержнем 7 пера, могут быть в процессе литья выполнены пазы 113, разделенные зубьями 114 с расширением 115 у вершины зуба. Паз с ближайшими зубьями образует замок 116 типа "ласточкин хвост", в который может быть запрессован жгут 117 из керамических волокон. При таком выполнении лопатки металлокерамическая решетка состоит из продольных металлических ребер и из запрессованных в их пазы поперечных керамических жгутов.

Турбинная лопатка с металлокерамической решеткой допускает различные типы охлаждения, в частности жидкостное с замкнутым спиральным каналом, последовательное соединение витков которого обеспечивает циркуляцию по всей его длине и дает возможность выполнить канал достаточно тонким внутри лопаток малых габаритов.

Стойкость оксидной керамики к нагреву и окислению, как и хрупкость, ограничивающая ее применение, следствие сильной ковалентной связи между атомами окислов, из-за чего модуль упругости керамики на порядок выше, чем у атомов, а одна и та же деформация требует на порядок больших напряжений, ведущих к развитию трещин в допластическом режиме. Поэтому цельнокерамические рабочие лопатки применения не нашли. Безадгезионное нанесение волокнистого керамического покрытия на металл рабочей лопатки позволяет избежать хрупкого разрушения и получить дополнительное средство защиты лопатки от коррозии.

Формула изобретения

1. Теплоизолированная турбинная лопатка, содержащая основание и перо, на поверхность которого нанесено керамическое покрытие, отличающаяся тем, что лопатка снабжена металлическими ребрами, закрепленными на боковой поверхности пера параллельно и разделенными зазорами, и керамическими нитями, размещенными на поверхности пера поперек ребер и разделенными зазорами, при этом ребра и керамические нити образуют решетку.

2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что керамические нити размещены на поверхности пера посредством металлических ребер, которые прикреплены к поверхности пера в зазорах между нитями.

3. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что металлические ребра ориентированы поперек боковой поверхности пера, а керамические нити вдоль.

4. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что решетка выполнена двухслойной с внешним слоем, содержащим поперечно ориентированные металлических ребра, и внутренним слоем, содержащим продольные керамические нити.

5. Лопатка по п.4, отличающаяся тем, что продольные керамические нити размещены в продольных зазорах между продольными металлическими ребрами, закрепленными на поверхности пера, а поперечные ребра расположены на продольных ребрах.

6. Лопатка по п. 5, отличающаяся тем, что в зазорах между поперечными ребрами размещены поперечные керамические нити, которые прикреплены к продольным керамическим нитям с образованием керамической сетки.

7. Лопатка по п.6, отличающаяся тем, что в продольные и поперечные зазоры наряду с нитями введен керамобетон с волокнистым наполнителем.

8. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что снабжена слоем ориентированных керамических волокон, закрепленным на решетке из металлических ребер и керамических нитей, с образованием наружной части керамического покрытия.

9. Лопатка по п. 6, отличающаяся тем, что слой ориентированных керамических волокон скреплен с поперечными керамическими нитями.

10. Лопатка по п.6, отличающаяся тем, что слой ориентированных керамических волокон снабжен керамической тканью.

11. Лопатка по п.8, отличающаяся тем, что слой ориентированных керамических волокон снабжен керамическим нетканым материалом с расположенными поперек друг другу керамическими нитями утка и основы.

12. Лопатка по п.8, отличающаяся тем, что слой ориентированных керамических волокон пропитан вяжущим веществом.

13. Лопатка по п. 8, отличающаяся тем, что наружная поверхность слоя ориентированных керамических волокон образована керамическими волокнами, направленными поперек пера.

14. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что поперечные ребра расположены на поверхности пера в виде витков спирали с образованием между ними спирального зазора.

15. Лопатка по п.14, отличающаяся тем, что поперечные керамические нити расположены на поверхности пера в виде витков спирали.

16. Лопатка по п.14, отличающаяся там, что поперечные ребра образованы витками металлические проволоки, намотанными на перо и закрепленными на продольных ребрах.

17. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что керамические нити составлены из керамических волокон.

18. Лопатка по п.17, отличающаяся тем, что керамические нити выполнены из крученых керамических волокон.

19. Лопатка по п.17. отличающаяся тем, что керамическая нить выполнена в виде жгута.

20. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что на металлическом ребре выполнены поперечные пазы с галтелями.

21. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что решетка выполнена с замковым соединением металлических ребер и керамических нитей.

22. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что перо выполнено полым, а под узлами решетки выполнены каналы, соединяющие поверхность пера с внутренней полостью.

23. Лопатка по п.22, отличающаяся тем, что выходы каналов на поверхность пера выполнены в виде диффузоров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18