Рабочая лопатка турбомашины

 

Использование: в осевых турбомашинах - газовых турбинах и компрессорах, лопаточной аппарат которых работает при высоких температурах и напряжениях, а также в условиях коррозионно-эрозионного воздействия рабочего тела на рабочую лопатку турбомашины. Сущность изобретения: рабочая лопатка турбомашины содержит замок (1), перо (2), внутреннюю полку (4), периферийную полку (6), короткие супероболочки (3) и (5), преимущественно металлические миниоболочки слои защитных покрытий, скользящие боковые опоры. Под действием центробежных сил собственных масс короткие супероболочки (3) и (5) благодаря их закреплению к промежуточной и периферийной полкам соответственно испытывают существенно меньшие напряжения сжатия, чем длинная моносупероболочка, закрепленная на периферии. Суммарные напряжения растяжения также существенно снижены в периферийной части пера. Пакет миниоболочек, на поверхности которых нанесены защитные покрытия, служит в качестве тепловой защиты пера, обеспечивающей снижение мощности потоков теплоты излучением, теплопроводностью и конвекцией и, следовательно, обеспечивает снижение температур металла пера и материалов преимущественно металлических миниоболочек. Прочность и жесткость коротких супероболочек применительно к их изгибу и устойчивости обеспечивается скользящими боковыми опорами в виде выступов на внутренней поверхности супероболочек. 1 с. и 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к турбиностроению и может быть использовано в осевых турбомашинах - газовых и паровых турбинах и компрессорах, лопаточный аппарат которых работает при высоких температурах и напряжениях, а также в условиях коррозионно-эрозионного воздействия рабочего тела на рабочую лопатку турбомашины.

Известны и широко распространены рабочие лопатки газовых турбин, состоящие из пера, выполненного в виде металлической охлаждаемой оболочки, закрепленной к лопатке в области корневого сечения, центрального стержня, выполненного в виде дефлектора, вставленного внутрь оболочки, полки и замка (Копелев С. З., Слитенко А.Ф. Конструкции и расчет охлаждения ГТД./Под ред. Слитенко А. Ф. - Х. : изд-во "Основа", при Харьк. ун-те, 1994, с. 44-70). Однако, такое техническое решение сопряжено с расходом большого количества охлаждающего воздуха и со снижением КПД газотурбинных двигателей.

Известна рабочая лопатка осевой газовой турбины, состоящая из пера в виде металлического несущего стержня, полки, замка, соединяющего металлический несущий стержень с вращающимся рабочим колесом, и одной-единственной по длине стержня керамической моно-супероболочки, внутри которой проходит несущий стержень, причем на периферии стержня установлена соединенная с ним полка, которая при вращении рабочего колеса выполняет роль шарнирной опоры для прижатой к ней (центробежной силой) керамической моно-супероболочки. (Патент Великобритании N 2123489, НКИ FIV, МКИ, F 01 D 5/28, 1984). Однако и такое техническое решение обладает существенным недостатком: оно не обеспечивает требуемой надежности турбомашины при большой ее мощности (В.Ю.Тихоплав, А.В. Сударев, А.П. Орлов. Выбор структуры высокотемпературной газотурбинной установки с керамическими элементами. Пром. теплотехника. 1990, т.12, N 4, с. 77-89).

Известно, что на ближайшую перспективу серьезно рассчитывать на прогресс в газотурбостроении можно при широком использовании прежде всего жаропрочных металлических сплавов в сочетании, где это только возможно, с применением и конструкционных керамических материалов и композитов (1) (А.В. Сударев. Перспективы создания для стационарной энергетики экологичных керамических газотурбинных двигателей. Известия РАН. Энергетика, 1992, N 1, с. 49-59).

Техническое решение (2) принято за прототип.

Цель изобретения - повышение надежности лопатки путем снижения напряжений.

Указанная цель достигается тем, что во-первых, супероболочка по длине выполнена составной в виде набора коротких супероболочек с локальным закреплением или опиранием на полку по периметру пера каждой короткой супероболочки только в зоне ее периферийного сечения; во-вторых, супероболочка по толщине выполнена составной в виде пакета вставленных одна в другую преимущественно металлических миниоболочек с локальным закреплением или опиранием на полку по периметру пера каждой миниоболочки только в зоне ее периферийного сечения; в-третьих, супероболочка содержит скользящие боковые опоры в виде дискретных выступов на ее внутренней поверхности; в-четвертых, по меньшей мере одна миниоболочка и перо имеют на своих поверхностях защитные покрытия.

Заявителем в открытых и доступных источниках информации не найдены технические решения, существенные признаки которых, применительно к вращающейся рабочей лопатке турбомашины, идентичны и эквивалентны заявленным, поэтому изобретение соответствует критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена рабочая лопатка турбомашины, у которой в качестве примера условно приняты только две короткие супероболочки - корневая 3 и периферийная 5 и только две металлические миниоболочки - внутренняя 7 и наружная 8. В действительности и тех, и других может быть любое другое приемлемое количество.

Рабочая лопатка турбомашины содержит замок 1, перо 2, внутреннюю полку 4, периферийную полку 6, короткие супероболочки 3 и 5, преимущественно металлические миниоболочки 7 и 8, слои защитных покрытий 9, 10 и 11, скользящие боковые опоры 12, 13 и 14.

Рабочая лопатка турбомашины работает следующим образом.

При вращении рабочей лопатки турбомашины в высокотемпературном потоке рабочего тела (пара, газа, воздуха) в конструкции формируется напряженно-деформируемое состояние, определяемое полями аэродинамических и центробежных сил и температурным полем материала деталей. Под действием центробежных сил собственных масс короткие супероболочки 3 и 5, благодаря закреплению по периметру пера каждой из них только в зонах их периферийных сечений, то есть благодаря их закреплению к промежуточной 4 и периферийной 6 полкам соответственно, оказываются сжатыми, причем напряжения сжатия в их корневых сечениях равны нулю, а в периферийных - максимальны.

Центробежные силы собственной массы пера 3 и масс навешенных на перо коротких супероболочек 3, 5 и полок 4, 6 создают в пере напряжения растяжения, возрастающие в направлении от периферии лопатки к ее корню.

Супероболочка служит в качестве тепловой защиты пера, обеспечивающей снижение мощности потоков теплоты от рабочего тела к металлу охлаждаемого пера. Это качество супероболочка приобрела благодаря тому, что она выполнена в виде пакета, состоящего из нескольких экранов - преимущественно металлических миниоболочек 7 и 8, каждый из которых снижает мощность потока теплоты излучением в два раза, а также из нескольких слоев термобарьерного покрытия 9, 10 и 11, каждый из которых снижает мощность потока теплоты теплопроводностью. Воздушные зазоры также снижают мощности потоков теплоты конвекцией и теплопроводностью. В результате протекания физических процессов в турбомашине температура металла пера всегда оказывается существенно ниже температуры металла миниоболочек. Причем указанное соотношение температур поддерживается в допустимых пределах в течение всего времени работы турбомашины самопроизвольно.

Аэородинамические силы от воздействия потока рабочего тела на супероболочку передаются перу через скользящие боковые опоры, размещенные на внутренней поверхности каждой короткой супероболочки. Таким путем обеспечиваются достаточные прочность и жесткость коротких супероболочек применительно к их изгибу и устойчивости.

Известно (П. Б. Михайлов-Михеев. Справочник по металлическим материалам турбино- и моторостроения. -М.-Л.: Машгиз, 1961, с. 25-27, 60-61), что особенностью сжатия как напряженного состояния является невозможность разрушения пластичных металлов, каковыми по существу являются практически все жаропрочные металлические сплавы. По определению пластичность - это способность металлов воспринимать пластическую (остаточную) деформацию не разрушаясь.

Особенность сжатия пластических материалов обусловлена тем, что вследствие увеличения поперечного сечения образца в процессе сжатия, истинные напряжения в процессе сжатия оказываются по величине меньше, а не больше условных напряжений, определенных при неизменной площади поперечного сечения.

Таким образом, сжатая центробежной силой собственных масс супероболочка может работать без разрушения при существенно более высокой температуре жаропрочного металлического сплава, чем растянутое той же центробежной силой перо.

Для обеспечения противостояния фактору ползучести жаропрочных металлических сплавов, из которых преимущественно изготовлены миниоболочки, в заявленном решении снижены напряжения сжатия в супероболочке и температуры ее материалов. Первое достигается благодаря использованию супероболочки, выполненной по длине составной (фиг. 1, а) второе - благодаря использование традиционного охлаждения лопатки, а также благодаря использованию супероболочки, выполненной по толщине составной с применением термобарьерных покрытий (фиг. 1, в).

На фиг. 2 представлены в качестве примера расчетные графики зависимостей от радиуса модуля напряжения, обусловленного центробежными силами собственных масс: сжатия в составной по длине супероболочке (кривые 1), сжатия в монолитной супероболочке (кривая 2), растяжения в пере (кривые 3, 4 и 5). При этом кривая 3 отражает пример, соответствующий фиг. 1, а, кривые 4 и 5 соответствуют перу с навешенной на него монолитной супероболочкой, закрепленной на пере только в сечении 1-1, и перу без оболочки.

Из графиков на фиг. 2 видно, насколько эффективно снижает напряжения сжатия в супероболочке структура рабочей лопатки турбомашины, представленная на фиг. 1, а. Суммарные напряжения растяжения также существенно снижены в периферийной части пера.

Все расстроенные выше факторы приводят к принципиальному повышению надежности рабочей лопатки турбомашины, предложенной заявителем.

Формула изобретения

\ \ \1 1. Рабочая лопатка турбомашины, состоящая из пера, полки, замка и профильной супероболочки, установленной по отношению к перу с зазором, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности лопатки путем снижения напряжений, супероболочка по длине выполнена составной в виде набора коротких супероболочек с локальным закреплением или опиранием на полку по периметру пера каждой короткой супероболочки только в зоне ее периферийного сечения. \ \\2 2. Рабочая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что супероболочка по толщине выполнена составной в виде пакета вставленных одна в другую преимущественно металлических миниоболочек с локальным закреплением или опиранием на полку по периметру пера каждой миниоболочки только в зоне ее периферийного сечения. \\\2 3. Рабочая лопатка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что супероболочка содержит скользящие боковые опоры в виде дискретных выступов на ее внутренней поверхности. \\\2 4. Рабочая лопатка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна миниоболочка и перо имеют на своих поверхностях защитные покрытия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2