Турбинная лопатка

 

Использование: в газотурбинных двигателях, применяемых в энергетике. Сущность изобретения: покрытие, которое нанесено на стержень пера лопатки, снабжено утолщением в форме керамического ребра, ориентированного вдоль пера лопатки. Ребро армировано направленными поперек него керамическими волокнами, которые расположены в виде одного или нескольких слоев, непрерывно огибающих профиль пера. Ребро включает керамический вкладыш, а слой поперечных керамических волокон расположен на поверхности вкладыша. Вкладыш армирован продольными керамическими волокнами. Слой поперечных керамических волокон выполнен в виде обмотки, витки которой одеты на стержень пера. Витки образованы нитью, либо жгутом, либо лентой, которые составлены из керамических волокон. Керамическим ребром могут быть образованы входная и выходная кромки пера, а также участки спинки пера. Ребро может быть выполнено полым. Под ребром поверхность стержня пера выполнена с гофрами, ориентированными поперек ребра. Гофры имеют переменную вдоль гофр глубину, которая достигает максимума под центральной частью профиля керамического ребра. 13 з.п. ф-лы, 19 ил, 1 табл.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, используемым в области энергетики.

Известны турбинные лопатки с износостойким покрытием на входной кромке обтекаемого профиля (Патент США N 3834833, м. кл. F 01 D 5/28, 1974) или на его спинке в области косого среза (Патент США N 4776765, м. кл. F 01 D 5/28, 1988).

Известна также турбинная лопатка, включающая перо, на стержень которого нанесено теплозащитное наружное керамическое покрытие, замкнутое по периметру обтекаемого профиля, вогнутого между входной и выходной кромками (Патент США N 3788233, м. кл. F 01 D 5/10, 1973). Покрытие выполнено плазменным напылением в виде слоя оксидной керамики, толщина которого по периметру профиля постоянна с точностью до случайных неровностей, обусловленных шероховатостью.

Такое однородное покрытие увеличивает радиус кривизны передней и задней кромок профиля на толщину слоя керамики по сравнению с размерами кромок металлической подложки. Увеличение ширины кромок ухудшает обтекаемость профиля, расширяет зону отрыва потока за задней кромкой и за счет этого снижает мощность турбины.

Новым в предлагаемой турбинной лопатке является то, что покрытие снабжено утолщением в форме керамического ребра, ориентированного вдоль пера лопатки. Ребро армировано поперечными по отношению к нему керамическими волокнами, которые расположены в виде одного или нескольких слоев. Один из таких слоев прилегает к поверхности ребра.

Армирующий ребро слой волокон непрерывно огибает боковую поверхность стержня, расположенную по обе стороны от ребра. При этом слой волокон выполнен в виде обмотки, витки которой одеты на стержень пера и закреплены на его поверхности с помощью вяжущего. Витки обмотки образованы нитью либо жгутом, либо лентой, составленными из керамических волокон.

Керамическое ребро в составе теплозащитного покрытия может быть расположено на входной кромке пера, его выходной кромке и спинке. На поверхности стержня под ребром выполнены гофры, ориентированные поперек стержня. Гофры имеют переменную вдоль них глубину, которая достигает максимума под центральной частью профиля ребра.

По сравнению с равномерным теплозащитным покрытием, ухудшающим обтекаемость лопатки, предлагаемое утолщение покрытия в форме керамического ребра позволяет одновременно улучшить и тепловую защиту и обтекаемость профиля. Керамическое ребро не содержит охлаждающих каналов и сформированная им кромка профиля может быть сделана значительно тоньше, чем у цельнометаллической лопатки.

Армирование керамического ребра наружными поперечными волокнами, непрерывно огибающими стержень пара, упрочняет связь ребра со стержнем и позволяет выполнить однородное по всему периметру профиля волокнистое покрытие, ориентированное вдоль потока газа. Различие между температурами стержня и наружных волокон компенсирует разницу в температурных коэффициентах расширения металла и керамики, что предохраняет волокнистые покрытие от разрушения.

На фиг. 1 показана рабочая турбинная лопатка с поперечным разрезом пера; на фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 узел 1 на фиг. 1 с разрезом входной кромки; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 узел II на фиг. 1 с разрезом выходной кромки; на фиг. 6 разрез В-В на фиг. 5; на фиг. 7 показана схема обтекания входной кромки; на фиг. 8 схема обтекания выходной кромки; на фиг. 9 схема сил, действующих на выходную кромку; на фиг. 10 показано распределение кривизны c и приведенной скорости λ вдоль спинок двух турбинных лопаток (индексы a и b) с одинаковыми стержнями (индекс o); на фиг. 11 показаны профили турбинных лопаток, сравниваемых на фиг. 10; на фиг. 12 показано крепление керамического жгута в полке лопатки; на фиг. 13 показан вид Г на фиг. 12; на фиг. 14 вид Д на фиг. 12; на фиг. 15 вариант керамического покрытия лопатки; на фиг. 16 19 показаны варианты профиля лопатки у выходной кромки.

Турбинная лопатка включает основание 1 и перо 2, имеющее входную кромку 3, выходную кромку 4, вогнутое корыто 5 и выпуклую спинку 6. На металлический стержень 7 пера нанесено керамическое покрытие 8, которое снабжено утолщениями в форме керамических ребер 9 и 10, образующих, соответственно, входную и выходную кромки пера.

Каждое из керамических ребер ориентировано вдоль пера лопатки, то есть является протяженным объектом, занимающим по длине преобладающую часть пера. Ребро армировано поперечными волокнами, которые расположены в виде слоя 11, прилегающего у поверхности ребра и огибающего профиль пера лопатки с образованием замкнутого кольца вокруг стержня пера. Вершины ребер расположены на средней поверхности 12 пера лопатки, а края ребер 13, 14, 15, 16 на корыте и спинке пера. Под утолщениями находятся кромки стержня пера передняя кромка 17 и задняя кромка 18, которые по радиусу кривизны превосходят соответствующие им входную и выходную кромки пера 3 и 4 (фиг. 1).

Поверхность стержня пера выполнена с гофрами 19, ориентированными поперек пера и достигающими максимальной глубины на средней поверхности 12 пера. Выступы 20 и впадины 21 гофр имеют синусоидальную форму (фиг. 2).

Ребра составлены из слоев 22, 23, 24, 25, 26 (фиг. 3, 4, входная кромка) и 27, 28, 29, 30, 31 (фиг. 5, 6, выходная кромка). Нить 32 из керамических волокон нанесена на стержень пера в виде обмотки 33, которая включает внешний слой 34 с витками 35, 36 и внутренний слой 37, образующие наружную часть покрытия. Каждый из последующих слоев 38, 39 обмотки разветвляется в области утолщения на два подслоя 40, 41 и 42, 43, которые разделяют слои ребра. Места 44, 45 ветвления обмотки являются краями слоев ребра, которые достигают максимальной толщины в центральных областях 46, 47. Слои 22.31 выполнены из пористого керамобетона с волокнистым наполнителем. Использованы оксидные волокна.

Система охлаждения лопатки включает закрытый и открытый контуры охлаждения. Закрытый контур имеет форму спирального канала 48, который выполнен из титановой трубки 49 и заполнен жидким натрием 50. Спиральный канал составлен из витков, образованных радиальными каналами 51, 52 и перемычками 53, 54, одна из которых расположена в области основания лопатки, другая в области пера. Концы спирального канала замкнуты через стоки 55, 56 и резервуар 57, используемый для заправки контура жидким натрием.

Открытый контур выполнен в виде ряда 58 радиальных каналов, расположенных вдоль спинки 6 и используемых для пропускания охлаждающего пара. Каналы сгруппированы по два. В частности, каналы 59, 60 сообщаются в верхней части пера и образуют петлю, по которой пар из основания лопатки поступает в перо и затем возвращается в основание для дальнейшего использования в паровой турбине. Проходя по каналам открытого контура, пар охлаждает преимущественно ту часть спирального канала, которая обращена к спинке. Из-за этого сторона 61 спирального канала холоднее стороны 62, что приводит к циркуляции жидкого натрия, которая усиливается при вращении ротора турбины. По стороне 61 каждого витка жидкий натрий движется от оси к периферии лопатки, по стороне 62 от периферии к оси. При этом перепады давления, создаваемые в отдельных витках, складываются и перемещают натрий вдоль канала в целом.

Выходная кромка 4 пера, сформированная ребром 10, имеет меньшую толщину, чем входная, и требует дополнительной фиксации. Для этого крайний слой 27 ребра армирован жгутом 63 из нитей 64, а предшествующий слой 28 жгутом 65.

На выходной кромке слои ребра разделены ветвями 66, 67, 68 витков обмотки. Конец 69 жгута 63 загнут на торец 70 пера и закреплен так слоем 71 керамобетона.

Напряженные состояния ребер на входной и выходной кромках зависят от особенностей обтекания лопатки газом в дозвуковом и трансзвуковом режимах. На входную кромку 3 воздействует статическое давление, близкое к перепаду давления на ступени, 0,3.0,5 МРа. При угле атаки, близком к нулю, это давление вызывает в ребре 9 напряжение сжатия и прижимает ребро к передней кромке 17 стержня 7 пера, усиливая таким путем соединение этих двух деталей лопатки.

Выходная кромка 4 находится в более сложных условиях. Хотя давление, воспринимаемое ею меньше, чем на входной кромке, оно существенно различно со стороны спинки и со стороны корыта. Выпуклость спинки содействует ускорению потока и спаду статического давления по сравнению со статическим давлением на вогнутом корыте. Пограничный слой 72 со стороны спинки толще пограничного слоя 73 со стороны корыта (в среднем толщины относятся как кубы скоростей). Толщина пограничного слоя увеличивается с расстоянием вдоль профиля: медленно (в степени 1/2) на входных ламинарных участках 74, 75 и почти линейно (в степени 4/5) на турбулентных участках 76, 77, занимающих преобладающую часть профиля, включающую выходную кромку.

К концу спинки ускорение потока приводит к его перерасширению с последующим замедлением. В дозвуковом режиме и при благоприятной геометрии спинки замедление потока происходит плавно, а отрыв потока наступает лишь за выходной кромкой, где образуется зона 78 отрыва со следом 79 от пограничных слоев и вихревой дорожкой 80 В трансзвуковом режиме поток в межлопаточном канале приобретает сверхзвуковую скорость, а замедление потока после его перерасширения происходит через скачки уплотнения. При огибании потоком выходной кромки, в месте выпуклости обтекаемой поверхности возникают волны 81 разрежения, а в месте вогнутости волны 82 сжатия, которые объединяются в кромочный скачок уплотнения.

Кромочный скачок, образовавшийся со стороны корыта, может падать на спинку соседней лопатки в виде косого скачка с отражением. Самостоятельно перед выходной кромкой на спинке могут образовываться прямой скачок или его разновидность изогнутый скачок 83 со сходящимися к нему волнами сжатия 84, висячим скачком 85 и вихревым слоем 86. Из-за уменьшения скорости газа в пограничном слое скачок уплотнения не может дойти до поверхности лопатки. Через пограничный слой происходит утечка газа из области повышенного давления за скачком в область пониженного давления перед скачком, что приводит к набуханию 87 пограничного слоя с образованием вогнутости 88, поддерживающей волны сжатия.

При достаточно интенсивном скачке возникает область 89 местного отрыва пограничного слоя с последующим его присоединением и утолщением 90. Взаимодействие скачка уплотнения с пограничным слоем размывает скачок давления и создает на поверхности лопатки переходную зону, протяженность которой многократно превосходит толщину пограничного слоя. Это защищает ребро выходной кромки от резких перепадов давления во времени и вдоль профиля.

Каждое из ребер воспринимает поперечную нагрузку от потока газа и продольную нагрузку от центробежной силы. Соответственно этому ребро 9, 10 в общем случае содержит вкладыш 91, 92 с продольными керамическими волокнами и наружный слой 93 с поперечными керамическими волокнами, являющимися частью обмотки 11.

По мере приближения к выходной кромке 4 статические давления на корыте и спинке приближаются к среднему статическому давлению за решеткой. На стенке 34 ребра (корыто) расположена область избыточного давления, а на стенке 95 ребра (спинка) и вершине ребра (выходная кромка) области разрежения относительно среднего статического давления за решеткой. Кроме нормального давления, на стенки 94, 95 ребра действуют касательные напряжения, обусловленные вязким трением потока газа о стенку.

В поперечном сечении ребра равнодействующая Q сил давления, приложенная к некоторой точке внутри ребра, направлена в сторону спинки (фиг. 8, 9). Она уравновешена силой P реакции стержня в точке на границе стержня с ребром и силой F натяжения керамической обмотки в точке на краю ребра. Обмотка работает на растяжение и разгружает от растягивающих напряжений контакт ребра 10 с задней кромкой 18 стержня. Гофры 19 усиливают сцепление ребра со стержнем, препятствуя продольному смещению ребра.

Если ребро не приклеено к стержню, его, при наличии гофр, удерживает от продольного смещения натяжение обмотки с напряжением в волокнах σ₁= ПΩρ₁/2δΘtgα, (1) где П перегрузка (отношение ускорений, центробежного и силы тяжести), Ω площадь поперечного сечения ребра, r₁ средняя плотность ребра, δ толщина слоя обмотки (в точке ), Θ заполнение обмотки волокнами, a максимальный угол отклонения гофра от усредняющей его поверхности.

Если ребро составлено из продольных волокон и удерживается от продольного смещения только ими, то максимальное напряжение в волокнах (у основания лопатки) составляет s₂= Пρ₂L, (2)
где ρ₂ плотность волокна,
L длина ребра, близкая к длине пера лопатки.

Уменьшению напряжения σ₁ содействует уменьшение средней плотности ρ₁ за счет увеличения пористости ребра. Существенно, что расплавленные соли металлов, например сульфаты, конденсирующиеся в порах ребра из продуктов сгорания, сразу же удаляются из пор центробежной силой и поэтому практически не увеличивают средней плотности ребра.

Пример. Первая ступень газовой турбины имеет средний диаметр 2 м; ротор вращается со скоростью 50 с^-1 (П 10⁴); хорда пера лопатки - 150 мм, длина пера 200 мм (L 200 мм), ребро задней кромки имеет профиль в виде трапеции высотой 25 мм с основаниями 10 и 3 мм ( Ω 1,625 см²); угол отклонения гофра a 30^o, средняя плотность ребра r₁ 3 г/см³, плотность волокон (оксид алюминия) ρ₂ 4 г/см³; параметры обмотки δ 1 мм, q 0,7.

При перепаде давления на ступени 0,4 МПа, температуре газа перед рабочей решеткой 1400^oC, относительной скорости газа за рабочей решеткой 600 м/с статическое давление и касательное напряжение на стенке ребра не превосходит, соответственно, 0,1 МПа и 0,01 МПа. При этом, создаваемое потоком газа максимальное напряжение в волокнах обмотки в точке не превосходит σ₀ 1,4 МПа. Напряжения от центробежной силы в двух вариантах нагружения составляют: σ₁ 60 МПа в поперечных волокнах обмотки и σ₂ 79 МПа в продольных волокнах ребра, что в несколько раз меньше предела прочности при 1400^oC для поликристаллических волокон из α Al₂O₃ и для микростеклокристаллических волокон с задержанной перекристаллизацией g - Al₂O₃ (0,3 0,5 ГПа).

Выполнение керамического ребра на спинке пера лопатки позволяет корректировать профиль лопатки при нанесении теплозащитного покрытия (фиг. 10, 11). Решетка 96 составлена из лопаток 97, 98 со спинками 99, 100, корытами 101, 102, входными кромками 103, 104, выходными кромками 105, 106, Обе лопатки имеют одинаковые стержни 107, 108 пера. На стержни нанесены керамические покрытия, включающие утолщения в виде керамических ребер 109, 110 и керамические обмотки 111, 112.

Лопатки различаются положением ребер на спинке, что создает различные распределения кривизны C вдоль спинки (фиг. 10, кривизна спинки в относительных единицах: C_о общего стержня 107, 108, C_a - лопатки 97, C_b лопатки 98; l_a и λ_b- соответствующие приведенные скорости потока вдоль спинок лопаток за пределами пограничного слоя, S расстояние вдоль профиля от задней кромки, S_o значение S на передней кромке, - отнесенные к периметру профиля; качественное сопоставление для приведенной скорости за решеткой λ₂ 1).

Нанесение керамики на металлический стержень пера и ее удаление дают возможность обратимо менять форму лопатки в зависимости от режима работы. В трансзвуковом и сверхзвуковом режимах от формы профиля зависит интенсивность внешнего и внутреннего скачков 113, 114 уплотнения и связанные со скачками волновые потери. Внутренний скачок 114 уплотнения возникает в трансзвуковом режиме на спинке лопатки 97. Он обусловлен расположением керамического ребра во входной части межлопаточного канала, что создает там концентрацию кривизны и перерасширение потока, сопровождающееся спадом скорости. Более равномерное распределение кривизны вдоль спинки лопатки 98 обеспечивает рост скорости потока на всем протяжении межлопаточного канала до участка косого среза, что исключает скачок на спинке внутри канала и связанные со скачком потери.

С переходом к сверхзвуковому режиму интенсивность внешнего скачка 113 у лопатки 98 увеличивается, тогда как у лопатки 97 она уменьшается вместе с интенсивностью внутреннего скачка 114, который смещается к выходной камере. Таким образом, при фиксированном профиле стержня пера сдвиг керамического ребра вдоль спинки обеспечивает возможность рационального перехода от трансзвукового режима к сверхзвуковому.

Каждому режиму работы турбины соответствует оптимальная форма профиля, которую можно получить, по крайней мере в первом приближении, с помощью корпусного керамического покрытия. Изменение керамической облицовки металлического стержня с сохранением его антикоррозионного покрытия проще, чем изготовление серии цельнометаллических лопаток с разной геометрией.

Лопатка с корпусным керамическим покрытием может быть, в частности, использована для экспериментального поиска оптимальной формы профиля путем экстраполяции малых изменений геометрии. При этом испытания могут быть произведены в условиях значительных перегрузок и повышенных температур.

Армирование корпусного керамического покрытия непрерывными волокнами в сочетании с повышенной пористостью керамического материала между волокнами обеспечивает связь такого покрытия с металлической подложкой при значительном различии в тепловом расширении металла и керамики. Волокна скреплены с металлом и между собой в отдельных местах, между которыми возможна их свободная тепловая деформация в поперечном направлении.

Наружный слой 11 покрытия выполнен с плотной упаковкой ориентированных волокон в виде нитей или жгутов, что наряду со связями между волокнами обеспечивает прочность этого слоя в потоке газа.

Для закрепления керамических волокон могут быть использованы алюмофосфатная связка либо коллоидная суспензия керамики, в частности той, из которой выполнены волокна: (оксиды алюминия, циркония и иттрия, кремния, карбид и нитрид кремния), причем наиболее стойким против коррозии в продуктах сгорания является оксид алюминия. Коллоидная суспензия керамики является также вяжущим для керамобетона, наносимого на металл в виде подкладки под слой ориентированных волокон, в частности в виде вкладышей 91, 92. Для обеспечения пористости керамобетона (до 60%) в него вводят выгорающие добавки. Подкладка может быть выполнена также в виде ткани из керамических волокон, пропитанной вяжущим. При этом ними основы и утка такой ткани могут быть ориентированы под углом, например, 45^o, к волокнам наружного слоя 11.

Наряду с применением вяжущих возможно также механическое закрепление волокон на деталях лопатки. Продольные волокна, армирующие керамическое ребро, могут быть зацеплены за основание лопатки. Для этого из волокон путем намотки выполняют кольцевой жгут 115 (фиг. 12 14). Жгут складывают в П-образную фигуру, концы которой образованы одинарными петлями 116, 117, а середина двойной петлей 118, состоящей из ветвей 119, 120. Каждая ветвь имеет перекладку 121 и штанги 122, 123. Одинарные петли одеты на концы штифта 124, в котором для петель выполнены выточки 125. Штифт с петлями вставлен в клиновидное гнездо 126, которое имеет цилиндрическую часть 128, соединяющую щели 129 и 130. Щель 129 соединяет ветви 119, 120 двойной петли.

Пористая матрица из керамобетона содействует снижению температурных напряжений в ребре. Кроме того, жесткость ребра может быть уменьшена путем изгиба формирующих его волокон. В таком ребре между металлическим стержнем 131 пера и внешней керамической обмоткой 132 с витками 133 расположен керамический вкладыш 134, включающий пористую керамическую матрицу 135 и нити 136, 137 из керамических волокон. Нить составлена из чередующихся выпуклых участков 138 и вогнутых участков 139 по отношению к стержню пера. Нити отделены друг от друга, а также от стержня пера и от обмотки слоями 140, 141, 142 пористого керамического материала (фиг. 15).

Двойная петля 118 охватывает вкладыш 143 ребра 144. Вкладыш прижат внешней керамической обмоткой 145 к внутренней керамической обмотке 146, которая закреплена на стержне 147 пера. Вкладыш имеет полость 148 и паз 149, в котором проходит жгут (фиг. 16).

Петля 118 удерживает вкладыш 143 от продольного смещения, а обмотка 145
от поперечного. Благодаря этому допустимо свободное соединение вкладыша 143 со стержнем 147, без их склеивания и с возможностью скольжения вкладыша 143 по внутренней обмотке 146. Подобно люфту при закреплении лопатки в роторе турбины, люфт при закреплении вкладыша на стержне пера лопатки способствует гашению собственных колебаний лопатки.

В другом варианте лопатки вкладыш 150 выполнен в виде оболочки 151 с полостью 152. Оболочка имеет цоколь 153 и купол 154, который армирован продольными волокнами 155. Цоколь опирается на внутреннюю обмотку 156, которая закреплена на стержне 157 пера. Снаружи вкладыш прижат к стержню пера внешней обмоткой 158. Вдоль средней поверхности пера температура увеличивается от охлаждаемого металлического стержня к выходной кромке, расположенной на керамическом ребре. Различие температур металлического стержня и керамического купола, армированного продольными волокнами, способствует выравниванию их удлинений. Цоколь, расположенный в промежуточной зоне температуры, выполнен из пористого керамобетона (фиг. 17).

В третьем варианте турбинной лопатки стержень 159 пера имеет полость 160 со щелью 161, которая выходит на заднюю кромку 162 стержня. Устье 163 щели закрыто крученным жгутом 164 из ориентированных волокон 165. Стержень пера и жгут опоясаны лентой 166 из керамических волокон, ориентированных вдоль ленты. Концы 167, 168 ленты соединены за задней кромкой стержня с образованием выступа 169. Центральная по длине часть ленты непрерывно огибает входную часть профиля пера (фиг. 18)
Щель 161 служит для охлаждения выходной кромки путем выпуска воздуха в проточную часть турбины. Поры между керамическими волокнами жгута 164 равномерно распределяют охлаждающий воздух по ширине выходной кромки и предотвращают отрыв струи воздуха от острых краев стержня на выходе из щели. Жгут создает также закругление выходной кромки и защищает металлический стержень в окрестности щели от перегрева, что существенно при повышенной температуре газа в проточной части турбины.

Следующий вариант лопатки отличается от предыдущего тем, что металлическая стенка 170 щели 171 со стороны корыта 172 укорочена по сравнению с металлической стенкой 173 со стороны спинки 174. Выемка со стороны корыта заполнена вкладышем 175 из пористого керамобетона. Вкладыш фиксирован в поперечном направлении керамической волокнистой лентой 176 с образованием выступа 177 (фиг. 19). При необходимости лента может быть выполнена многослойной, а волокна ее внутреннего слоя могут быть переплетены с металлическими волокнами.

В описываемой турбинной лопатке наружный слой ориентированных керамических волокон отделен от поверхности металлического стержня пористым слоем отвержденного вяжущего либо вкладышем из пористого керамобетона. Температура ориентированных волокон близка к температуре продуктов сгорания и значительно выше температуры охлаждаемого металла. Такое различие температур металла и керамики компенсирует полностью или частично различие их температурных коэффициентов расширения. В данных условиях тепловые удлинения металла и керамики могут быть сделаны одинаковыми или достаточно близкими, чтобы предотвратить разрыв и отслоение волокон.

В таблице сопоставлены коэффициенты линейного расширения α, интервалы D температуры T и относительные тепловые удлинения aDT волокон из оксида алюминия и стержня из никелевого сплава ХН80ТБЮ (вес. 0,08 C; 1,0 Mn; 0,8 Si; 15,0.18,0 Cr; 1,0.1,5 Nb; 1,8.2,3 Ti; 0,5.1,0 Al; 3,0 Fe; остальное Ni ) при нагреве от 20^oC.

При отсутствии повреждений поверхности лопатки профильные потери располагаемой работы обусловлены, в основном, обтеканием выходной части профиля, где происходит отрыв потока с образованием вихрей и возникают скачки уплотнения. Потери возрастают с толщиной выходной кромки, отнесенной к ширине горла межлопаточного канала. Размещение охлаждающих каналов внутри цельнометаллической лопатки приводит к необходимости увеличить относительную толщину выходной кромки до 0,2, что увеличивает профильные потери до 0,05.0,1.

Максимального уровня профильные потери достигают в трансзвуковом режиме, который необходим для реализации высокого теплоперепада в турбине. Выполнение турбинной лопатки с керамическим ребром позволяет уменьшить толщину выходной кромки в отношении

где d диаметр закругления (толщина) выходной кромки керамического ребра,
b диаметр закругления (толщина) задней кромки металлического стержня пера лопатки,
h высота ребра (расстояние от стержня до кромки вдоль средней поверхности пера лопатки),
ϕ угол между поверхностями спинки и корыта перед выходной кромкой (угол заострения выходной кромки).

При h/b 2 углам v 10^o; 15^o; 120^o соответствуют значения d/b 0,65; 0,47; 0,29, являющиеся также приближенной оценкой снижения профильных потерь.

Формула изобретения

1. Лопатка турбины, содержащая перо, выполненная в виде стержня с обтекаемым профилем, образованным входной и выходной кромками, спинкой и корытом, нанесенное на поверхность профиля, замкнутое по его периметру керамическое покрытие, отличающаяся тем, что покрытие выполнено с утолщением в виде продольного керамического ребра.

2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что керамическое ребро выполнено армированным ориентированными поперек него керамическими волокнами.

3. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что армирующие ребра поперечные керамические волокна расположены вдоль слоев.

4. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что слой выполнен из поперечных керамических слоев, непрерывно огибающих профиль пера.

5. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что ребро дополнительно содержит керамический вкладыш, а слой поперечных керамических волокон расположен на поверхности вкладыша.

6. Лопатка по п.5, отличающаяся тем, что керамический вкладыш ребра армирован продольными керамическими волокнами.

7. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что слой поперечных керамических волокон выполнен в виде обмотки с огибающими стержень пера витками.

8. Лопатка по п.7, отличающаяся тем, что витки обмотки выполнены в виде нитки, жгута либо ленты, образованных из керамических волокон.

9. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что керамическое ребро выполнено в зоне входной кромки пера.

10. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что керамическое ребро выполнено в зоне выходной кромки пера.

11. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что керамическое ребро выполнено на участке спинки пера.

12. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что керамическое ребро выполнено полым.

13. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что поверхность стержня пера выполнена с гофрами, расположенными в месте размещения керамического ребра и ориентированными поперек этого ребра.

14. Лопатка по п.13, отличающаяся тем, что гофры выполнены с переменной вдоль них глубиной с максимумом под центральной частью керамического ребра.

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, Рисунок 19, Рисунок 20