Охлаждаемая сопловая металлокерамическая лопатка газовой турбины

 

Использование: энергетическое и транспортное машиностроение. Сущность изобретения: оболочка лопатки выполнена из отдельных полых цилиндрических профильных элементов, обеспечивающих дискретную закрутку профиля оболочки лопатки. Угол поворота элементов относительно друг друга и их толщина связаны с геометрическими характеристиками лопатки. Между элементами имеется по меньшей мере одно разъемное соединение, размещенное в зоне наибольшей радиальной температурной неравномерности газового потока. Во внутренней полости оболочки расположены металлические стяжки с индивидуальными сдвоенными экранами из металлической фольги, каждый из которых выполнен в виде спирали. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к энергетическому и транспортному машиностроению, в частности к охлаждаемым лопаткам высокотемпературных газовых турбин.

Известны охлаждаемые лопатки, содержащие металлический силовой стержень и керамическую оболочку (Великобритания, патент 2129503, кл. F 01 D 9/02, 1978), между оболочкой и стержнем может находится пористый материал, через который прокачивается охладитель (Япония, заявка 59-153902, кл. F 01 D 9/02, 1983), либо между оболочкой и стержнем устанавливается тонкостенный экран, а охлаждающий воздух направляется в зазор между экраном и стержнем (США, патент 4396369, НКИ 415-115, 1983). Оболочка может быть выполнена из отдельных элементов, образующих профиль, и двух крайних, формирующих полки и защищающих металлические части от воздействия высокотемпературного газа (США, патент 2129503).

Число пластин (отдельных элементов), образующих профильную часть лопатки, может быть достаточно велико. Профильные пластины свариваются, спаиваются или спекаются между собой, формируя вафельную структуру пера лопатки (Великобритания, патент 2046369, кл. F 01 D 5/28, 1980). В качестве пластин, создающих вафельную оболочку, могут быть использованы керамические элементы (США, патент 4314794, кл F 01 D 5/18, 1982), устанавливаемые на охлаждаемом воздухом, перфорированном стержне.

В таких конструкциях сравнительно велики расходы охлаждающего воздуха, так как последний охлаждает не только стержень, но и оболочку, увеличивая в последней температурные градиенты и, тем самым, термические напряжения. Нерационально используется хладоресурс воздуха. Его дополнительный подогрев от оболочки или экрана, имеющего высокую температуру, снижает температурный напор и теплоотвод от силового стрежня, а значит, способствует повышению его температурного уровня.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является сопловая лопатка (США, патент 3378228, кл. F 01 D 5/00, 1968), изготовленная из наборных профильных пластин, крайние из которых размещены в гнездах на наружной и внутренней обоймах соплового аппарата. Пластины скреплены пропущенными сквозь них радиальными охлаждаемыми воздухом металлическими стержнями.

В связи с малой толщиной пластин, из которых набрана оболочка лопатки, снижаются возникающие в оболочке на нестационарных режимах работы термические напряжения. Это повышает надежность керамической сопловой лопатки. Кроме того, уменьшение размеров отдельного элемента оболочки и увеличения их числа приводит к принципиальному изменению технологического процесса изготовления и диагностики оболочки лопатки, которое сопровождается резким повышением качества изготовления оболочки, уменьшением вероятности разрушения элемента и оболочки по случайным причинам, ростом ресурса изделия в целом.

При цилиндрическом выполнении оболочки решетка из таких лопаток обладает сравнительно низкими аэродинамическими качествами, так как не обеспечивается безударный вход потока на решетку рабочих лопаток. Отрыв потока и связанное с ним вихревое движение внутри рабочего межлопаточного канала приводят к росту потерь энергии, снижению КПД ступени и турбины в целом (Локай В.И. и др. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов, М. Машиностроение, 1979, с. 77 и 78). Кроме того, в такой лопатке, как и в рассмотренных ранее аналогах, нерационально используется охлаждающий воздух, что вызывает его перерасход.

В монолитной (спеченной или сваренной) конструкции оболочки, находящейся под воздействием неравномерного по высоте лопатки высокотемпературного газового потока, неизбежно возникают значительные термические напряжения, снижающие надежность работы лопатки и соплового аппарата в целом.

Целью предлагаемого изобретения является повышение экономичности и надежности соплового аппарата турбины.

Указанная цель достигается тем, что сопловая металлокерамическая лопатка газовой турбины, содержащая керамические полки и керамическую оболочку, состоящую из отдельных полых цилиндрических профильных элементов, соединенных между собой по торцевым поверхностям диффузионной сваркой и/или продольными охлаждаемыми воздухом металлическими закрепленными гайками с полусферическими опорными поверхностями в наружной и внутренней обоймах соплового аппарата, смежные профильные элементы установлены с односторонним поворотом относительно друг друга на угол, равный γ ≅ δ/r, где γ угол поворота смежных элементов относительно друг друга; d толщина выходной кромки оболочки лопатки; r радиус поворота одного цилиндрического профильного элемента относительно другого; каждый профильный цилиндрический элемент оболочки имеет высоту, равную h = l/(1+Δβ/γ), где h высота профильного цилиндрического элемента оболочки; Δβ угол поворота корневого и периферийного сечений лопатки;
i высота лопатки;
g угол поворота смежных элементов относительно друг друга;
между полыми профильными элементами оболочки имеется по крайней мере одно разъемное соединение, размещенное на расстоянии от корневого сечения, равном 0,5.0,7 высоты лопатки
c = (0,5...0,7)l,
где χ расстояние по высоте лопатки от ее корневого сечения;
i высота лопатки;
продольные металлические стяжки, расположенные во внутренней полости оболочки, составленной из цилиндрических профильных элементов, имеют индивидуальные сдвоенные экраны, соединенные между собой точечной сваркой, каждый из которых изготовлен из жаростойкой металлической фольги, свернутой без нахлеста в виде ленточной спирали, а зазор между стяжкой и внутренним экраном соединен с источником охлаждающей среды.

При таком выполнении сопловой лопатки за счет дискретной закрутки профиля оболочки обеспечивается безударное натекание газового потока на рабочие лопатки турбины.

Рациональный выбор угла поворота смежных элементов относительно друг друга не приводит к росту кромочных потерь. Все это способствует повышению экономичности ступени и турбины в целом.

Однотипность профильных цилиндрических элементов малой высоты позволяет отладить технологию их изготовления и контроля качества изготовления и, тем самым, повысить как их надежность, так и соплового аппарата в целом.

Наличие по крайней мере одного разъемного соединения между профильными элементами оболочки, находящегося в зоне максимальной радиальной температурной неравномерности, позволяет почти вдвое снизить термические напряжения в оболочке лопатки (Накамодо К. и др. Разработка и оценка надежности керамической лопатки статора для промышленной газовой турбины. Четвертый международный симпозиум по керамическим материалам и композитам для энергетики, Швеция, 10 12 июня 1991, с. 985 993).

Наличие индивидуальных экранов защищает металлические стяжки от излучения высокотемпературной оболочки, сдвоенный экран снижает поступающий к стяжке тепловой поток излучения втрое (Исаченко В.П. и др. Теплопередача, М. Энергоиздат, 1981, с. 330) и практически полностью герметизирует кольцевой канал между стяжкой и внутренним экраном, предотвращая утечки воздуха, способствуя повышению эффективности использования его хладоресурса, снижению температуры стяжек, а значит повышению их надежности.

Выполнение экранов в виде плоских ленточных спиралей, соединенных между собой точечной сваркой, обеспечивает эластичность этого узла лопатки, не приводит к возникновению дополнительных термических напряжений в узлах заделки лопаток в обоймах.

Наличие сферических поверхностей в обоймах и гайках уменьшает изгибные напряжения в стяжках от газодинамических сил основного потока и от усилия затяжки.

Таким образом, крепление наборной конструкции оболочки сопловой лопатки с поворотом смежных профильных элементов на малый угол приводит к снижению аэродинамических потерь, росту экономичности турбины и, как сверхэффект, совершенствованию технологии изготовления и диагностики, снижению выхода бракованных изделий, повышению ресурса и надежности оболочки и лопатки в целом.

Применение сдвоенных жаростойких ленточных экранов не только способствует снижению теплопровода к стяжке, но и росту теплоотвода от нее к охлаждающему воздуху, снижению температуры стяжки, повышению ее надежности и, как сверхэффект, повышению эластичности конструкции лопатки.

Наличие разъемного соединения между профильными элементами, размещенного в зоне наибольшей радиальной температурной неравномерности, снижает термические напряжения в оболочке, что повышает ее ресурс, а также ресурс лопатки в целом.

Все это новые свойства предлагаемого технического решения. Поэтому оно соответствует признаку "существенные отличия".

На фиг. 1 и 2 приведены продольный разрез и поперечное сечение сопловой лопатки турбины; на фиг. 3 и 4 схемы размещения профильных элементов по высоте и закрутки оболочки лопатки; на фиг. 5 и 6 конструктивное выполнение экранированных стяжек (продольный разрез и поперечное сечение); на фиг. 7 и 8 узел крепления лопатки в обойме соплового аппарата.

Охлаждаемая сопловая металлокерамическая лопатка газовой турбины, содержащая керамические полки 1 и 2 и керамическую оболочку, состоящую из отдельных полых цилиндрических профильных элементов 3, соединенных между собой диффузионной сваркой 4 и/или продольными охлаждаемыми воздухом металлическими стяжками 5, закрепленными гайками 6 с полусферическими опорными поверхностями 7 в наружной 8 и внутренней 9 обоймах соплового аппарата, имеет смежные профильные цилиндрические элементы оболочки, установленные с односторонним поворотом относительно друг друга на угол, равный
g ≅ δ/r,
где γ угол поворота смежных элементов относительно друг друга;
d толщина выходной кромки оболочки лопатки;
r радиус поворота одного цилиндрического профильного элемента относительно другого;
причем каждый профильный цилиндрический элемент оболочки имеет высоту, равную
h = l/(1+Δβ/γ),
где h высота профильного цилиндрического элемента оболочки;
Δβ угол поворота корневого 10 и периферийного 11 сечений лопатки;
l высота лопатки;
g угол поворота смежных профильных цилиндрических элементов относительно друг друга;
между полыми профильными цилиндрическими элементами оболочки имеется по крайней мере одно разъемное 12 соединение, размещенное на расстоянии от корневого сечения 10, равном 0,5 0,7 высоты лопатки
c = (0,5...0,7)l,
где χ расстояние по высоте лопатки от ее корневого сечения;
l высота лопатки;
а продольные металлические стяжки 5, расположенные во внутренней полости 13 оболочки, составленной из цилиндрических профильных элементов 3, имеют индивидуальные сдвоенные экраны 14 и 15, соединенные между собой точечной сваркой 16, каждый из которых изготовлен из жаростойкой металлической фольги, свернутой без нахлеста в виде ленточной спирали; а зазор 17 между стяжкой 5 и внутренним экраном 15 соединен с источником охлаждающей среды (стрелка 18).

При работе турбины высокотемпературный газовый поток (стрелка 19) омывает внешние поверхности полок 1 и 2 и оболочки, составленной из цилиндрических профильных элементов 3, имеющих одностороннее смещение на угол g относительно друг друга и формирующих дискретную закрутку оболочки, обеспечивающую безудароное натекание газа (стрелка 20) на рабочие лопатки турбинной ступени. Газ нагревает оболочку лопатки до высокой температуры за счет конвекции. Оболочка излучением и теплопроводностью передает теплоту стяжкам 5. Наличие двойного экрана втрое снижает поступающий от оболочки поток теплового излучения, что благоприятно сказывается на тепловом режиме силовых стяжек.

Охлаждающий воздух от источника охлаждающей среды (стрелка 18) поступает в зазор 17 между стяжкой 5 и внутренним экраном 15, двигается вдоль стяжки и через шлицы 21 в месте крепления лопатки к обойме 19 соплового аппарата сбрасывается через осевой зазор между венцов (стрелка 22) в проточную часть турбины.

Таким образом, реализация предполагаемого изобретения позволяет:
1. Снизить газодинамические потери в турбинной ступени и, тем самым, повысить экономичность турбины.

2. Уменьшить размеры керамических деталей лопатки, усовершенствовать технологию их изготовления и диагностики и, в результате, снизить вероятность потери работоспособности лопатки из-за случайных явлений, повысить ее надежность.

3. Обеспечить благоприятный тепловой режим силовых металлических стяжек за счет применения сдвоенного экрана, снижающего второе теплопровод и повышающего теплоотвод от стяжек к потоку охлаждающего воздуха, что приводит к повышению ресурса и надежности стяжек и лопатки.

4. Снизить негативное влияние температурной неравномерности высокотемпературного газового потока на тепловой режим оболочки лопатки за счет применения хотя бы одного разъемного соединения между профильными элементами, составляющими оболочку.

Формула изобретения

1. Охлаждаемая сопловая металлокерамическая лопатка газовой турбины, содержащая керамические полки и керамическую оболочку, состоящую из отдельных полых элементов, соединенных между собой, отличающаяся тем, что смежные профильные элементы оболочки выполнены цилиндрическими, соединенными между собой диффузионной сваркой и/или продольными охлаждаемыми воздухом металлическими стяжками, закрепленными гайками с опорными поверхностями в наружной и внутренней обоймах соплового аппарата, и установлены с односторонним поворотом относительно друг друга на угол, равный
γ ≅ δ/r,
где γ - угол поворота смежных элементов относительно друг друга;
δ - толщина выходной кромки оболочки лопатки;
r радиус поворота одного цилиндрического профильного элемента относительно другого.

2. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что каждый профильный цилиндрический элемент оболочки имеет высоту, равную
h = J/(1+Δβ/γ),
где h высота профильного цилиндрического элемента оболочки;
Δβ - угол поворота корневого и периферийного сечений лопатки;
J высота лопатки;
γ - угол поворота смежных профильных цилиндрических элементов относительно друг друга.

3. Лопатка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что между полыми профильными цилиндрическими элементами оболочки имеется по крайней мере одно разъемное соединение, размещенное на расстоянии от корневого сечения, равном 0,5 0,7 высоты лопатки.

4. Лопатка по пп. 1 3, отличающаяся тем, что продольные металлические стяжки, расположенные во внутренней полости оболочки, снабжены индивидуальными сдвоенными экранами, соединенными между собой точечной сваркой, каждый из которых изготовлен из жаростойкой металлической фольги, свернутой без нахлеста в виде ленточной спирали, а зазор между стяжкой и внутренним экраном соединен с источником охлаждающей среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8