Турбинная лопатка для паровой турбины и паровая турбина с такой лопаткой

Авторы патента:


Турбинная лопатка для паровой турбины и паровая турбина с такой лопаткой
Турбинная лопатка для паровой турбины и паровая турбина с такой лопаткой
Турбинная лопатка для паровой турбины и паровая турбина с такой лопаткой
Турбинная лопатка для паровой турбины и паровая турбина с такой лопаткой
Турбинная лопатка для паровой турбины и паровая турбина с такой лопаткой
Турбинная лопатка для паровой турбины и паровая турбина с такой лопаткой
Турбинная лопатка для паровой турбины и паровая турбина с такой лопаткой
Турбинная лопатка для паровой турбины и паровая турбина с такой лопаткой
Турбинная лопатка для паровой турбины и паровая турбина с такой лопаткой
Турбинная лопатка для паровой турбины и паровая турбина с такой лопаткой

 


Владельцы патента RU 2418956:

СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)

Турбинная лопатка для паровой турбины включает участок пера лопатки, содержащий, по меньшей мере, в отдельных областях волокнистый композитный материал, и участок корня лопатки. Области турбинной лопатки, содержащие волокнистый композитный материал, окружены пластичным защитным слоем, препятствующим проникновению влаги в волокнистый композитный материал во время работы турбинной лопатки. Между защитным слоем и волокнистым композиционным материалом расположен электропроводящий слой или водорастворимые химические вещества для обеспечения возможности контроля функции защитного слоя. Другое изобретение группы относится к паровой турбине, содержащей указанную выше турбинную лопатку. Изобретения позволяют повысить надежность паровой турбины. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к турбинной лопатке для паровой турбины с участком пера лопатки, а также с участком корня лопатки, причем участок пера лопатки содержит по меньшей мере в отдельных областях волокнистый композитный материал, при этом участок пера турбины имеет сердцевинный элемент, расположенный посредине пера и полностью окруженный волокнистым композитным материалом. Кроме того, изобретение относится к паровой турбине с такой турбинной лопаткой.

Такие турбинные лопатки, в частности турбинные лопатки такого рода, выполненные в качестве рабочих лопаток, в соответствии с уровнем техники изготавливаются из стали или титана. Турбинные лопатки в общем случае, в частности лопатки конечной ступени, по условиям работы подвержены большим нагрузкам со стороны центробежных сил, поскольку они для получения большого коэффициента полезного действия должны иметь возможно большую плоскость сбегания потока и потому большую длину. Поэтому в обычных случаях применения используются высокопрочные сорта стали. Там, где их из-за больших нагрузок со стороны центробежных сил их больше применять нельзя, используются титановые лопатки, которые благодаря меньшей плотности испытывают также меньшие нагрузки со стороны центробежных сил. Правда, эти лопатки значительно дороже стальных. Однако даже у титановых лопаток сточные плоскости для быстроходных турбин (50 Гц) ограничены величиной 16 м2, что имеет последствия для возможных длин лопаток.

В результате практического ограничения в отношении длины лопатки в соответствии с уровнем техники в ступенях низкого давления паровых турбин количество потоков низкого давления часто увеличивается. Это делается, например, путем перехода с однопоточных ступеней турбины на двухпоточные или за счет применения нескольких парциальных турбин низкого давления. Может быть также уменьшено число оборотов турбоагрегата. В этом случае могут быть применены большие сточные плоскости. Однако все эти мероприятия иногда связаны с существенными расходами.

Задача, положенная в основу изобретения, заключается в том, чтобы предусмотреть паровую турбину с турбинной лопаткой вышеупомянутого типа, обеспечивающей особенно высокий коэффициент полезного действия паровой турбины одновременно с надежной работой в ней.

Из EP А1 426606, US A 3883267, US A 5240377, FR A1 178140 и ЕР A1 593811 известна турбинная лопатка вышеупомянутого типа. Используемый волокнистый композитный материал или соответствующий слой из него вокруг сердцевинного элемента, хотя и является некоторой защитой от коррозии, но только не от проникновения влаги, что может привести к повреждениям, особенно в атмосфере влажного пара. Из ЕР A1 577422 и DE 2450253 A1 известны также меры по защите от коррозии. Из DE 2243132 A1 уже известна лопатка с гальваническим покрытием, целиком состоящая их волокнистого композитного материала. В ЕР-А 1462606 раскрыта турбинная лопатка с признаками отличительной части независимого пункта 1.

Эта задача согласно изобретению решается с помощью турбинной лопатки, содержащей признаки п.1 формулы изобретения. Кроме того, задача согласно изобретению решается с помощью паровой турбины согласно п.14 формулы изобретения. Соответствующие взаимосвязанные зависимые пункты формулы изобретения содержат предпочтительные усовершенствованные варианты осуществления изобретения.

Таким образом, согласно изобретению лопатки из волокнистого композитного материала используются в качестве лопаток низких ступеней давления, т.е. конечных ступеней. По сравнению с относительными прочностями различных материалов четко просматривается преимущество волокнистых композитных материалов для их применения в качестве материала для лопаток конечных ступеней. Так например, прочность, отнесенная к плотности, (Rp0,2/ρ) для высокопрочных сортов улучшаемой стали составляет 115, для титана 221, а для волокнистого материала CFK-HM - 563 м22. Благодаря существенно большей прочности волокнистого композитного материала турбинные лопатки обычных габаритов или могут нагружаться в большей степени, или изготавливаться с большей длиной. Центробежные нагрузки, возникающие при этом, благодаря существенно увеличенному отношению прочности к плотности в этом случае могут быть спокойно восприняты турбинной лопаткой без потерь в эксплуатационной надежности.

Благодаря большой величине соотношения прочность/плотность турбинной лопатки, содержащей волокнистый композитный материал, с помощью расчета участка пера лопатки для ее использования в ступени низкого давления паровой турбины, несмотря на большие нагрузки со стороны центробежных сил, можно предусмотреть значительное увеличение сточной плоскости. Этого можно добиться, в частности, путем особенно большого увеличения длины лопатки. Тем самым может быть существенно увеличен коэффициент полезного действия паровой турбины.

В области промышленных турбин, например, путем допущения большего противодавления конечных ступеней (за счет конденсации воздуха), путем повышения допустимого числа оборотов приводных турбин или увеличения лопаток конечных ступеней для приводов с изменяемым числом оборотов благодаря использованию волокнистого композитного материала турбинную лопатку можно нагружать в большей степени. Отсюда следует также более высокий коэффициент полезного действия паровой турбины.

Как уже говорилось, для области станционных турбин потенциал очень существенного удлинения существующих лопаток конечных ступеней равнозначен существенному увеличению возможных сточных плоскостей. Например, турбоагрегаты, изготавливаемые на сегодняшний день в расчете на половинное число оборотов, с плоскостями стока порядка 20 м2 на поток с помощью турбинных лопаток согласно изобретению могут быть заменены быстроходными турбоагрегатами с той же сточной плоскостью. Благодаря меньшим конструктивным размерам быстроходных турбоагрегатов обеспечивается значительная экономия затрат. Кроме того, в результате применения турбинных лопаток согласно изобретению сокращается количество потоков низкого давления. При многопоточной системе, применяемой на электростанциях, можно, например, сэкономить один из трех агрегатов низкого давления. Аналогичным образом двухпоточные турбины низкого давления могут быть заменены однопоточными, благодаря чему также достигается значительная экономия затрат. Во всяком случае, с помощью решения согласно изобретению при том же сечении сточной плоскости может быть дополнительно достигнуто сокращение конструктивных размеров установки.

Турбинная лопатка согласно изобретению особенно успешно подходит к последней серии рабочих лопаток паровой турбины, в то же время она согласно изобретению может быть использована в лопатках второй и третьей серии от конца. Она может также комбинироваться с лопатками предварительных ступеней из стали или титана. Участок пера турбинной лопатки согласно изобретению, содержащий волокнистый композитный материал в соответствии с изобретением по меньшей мере в отдельных местах, имеет его, предпочтительно, по меньшей мере в области наружных стенок. Предпочтительно, из волокнистого композитного материала может состоять также весь участок пера турбины. Кроме того, участок пера турбины, становящийся в направлении вершины пера все более обтекаемым, насчитывает в своем продольном направлении все меньшее количество волокон.

Вышеупомянутая задача согласно изобретению решается также с помощью турбинной лопатки, в которой участок пера турбины содержит волокнистый композитный материал по меньшей мере в отдельных областях, причем по меньшей мере область, содержащая волокнистый композитный материал, окружена пластичным защитным слоем, препятствующим проникновению влаги в волокнистый композитный материал во время работы турбинной лопатки. Кроме того, решается задача с паровой турбиной, оснащенной такой турбинной лопаткой.

Таким образом, может быть оказано эффективное противодействие поглощению влаги участком пера турбины во время работы паровой турбины. Поглощение влаги является нежелательным процессом, связанным со временем и могущем привести к увеличению веса детали и тем самым к потенциальному дисбалансу ротора. Кроме того, такое поглощение влаги может вызвать деформацию волокнистого композитного материала, а при длительном воздействии даже повреждение матрицы и тем самым отказ детали, содержащей волокнистый композитный материал. Путем создания защитного слоя, препятствующего проникновению влаги, согласно изобретению удается избежать вышеперечисленных последствий, ставящих под угрозу эксплуатационную надежность паровой турбины. Для того чтобы защитный слой мог противостоять возможным деформациям основного материала участка пера турбины без повреждений или утраты функции герметизации, защитный слой согласно изобретению выполняется пластичным. При этом защитный слой в смысле изобретения выполняется настолько пластичным, чтобы он на протяжении своего срока службы, несмотря на происходящие при работе лопатки деформации части участка пера лопатки, содержащей волокнистый композитный материал, не утрачивал своей влагонепроницаемости. Этого можно добиться, в частности, если защитный слой имеет гибкую область применения, превосходящую используемую область расширения основного материала. Наряду с обеспечением большего коэффициента полезного действия за счет применения волокнистого композитного материала согласно изобретению форма выполнения турбинной лопатки в соответствии с изобретением может стать особенно надежной в эксплуатации также благодаря защитному слою, не допускающему проникновения влаги.

Предпочтительно, влагонепроницаемый защитный слой окружает участок пера лопатки полностью. Кроме того, целесообразным может оказаться создание защитного слоя вокруг всей турбинной лопатки, т.е. и вокруг корня лопатки. В предпочтительной форме выполнения согласно изобретению защитный слой должен быть сформирован таким образом, чтобы он надежно сохранялся даже при ударении капель. Кроме того, расчет основного материала участка пера лопатки должен быть таким, чтобы постоянное ударение капель не вызывало усталости, т.е. разрушения, основного материала.

Вышеупомянутая задача решается также согласно изобретению с помощью турбинной лопатки, в которой как участок пера лопатки, так и участок корня лопатки содержат волокнистый композитный материал по меньшей мере в отдельных областях.

Благодаря применению волокнистого композитного материала на участке пера лопатки можно, как уже упоминалось, благодаря незначительной плотности волокнистого композитного материала сконструировать турбинную лопатку с большой плоскостью сбегания потока.

Это повышает коэффициент полезного действия паровой турбины. Кроме того, одновременное применение волокнистого композитного материала на участке корня турбинной лопатки обеспечивает соответствующее надежное закрепление турбинной лопатки на валу ротора паровой турбины. Так, например, в частности, волокна волокнистого композитного материала должны сплошь пронизывать участки пера и корня лопатки, так чтобы между этими участками установилась прочная связь и чтобы отрыву участка пера лопатки во время работы турбинной лопатки даже при возникновении больших усилий можно было эффективно противостоять. Этим обеспечивается эксплуатационная надежность турбинной лопатки в работе.

Для обеспечения запаса прочности деталям, содержащим волокнистый композитный материал, последний содержит, предпочтительно, стекловолокна, искусственные волокна, как, например, арамидные волокна и/или угольные волокна. В частности, в качестве волокнистого композитного материала может применяться материал CFK-HM, армированный волокном.

В одной из последующих предпочтительных форм выполнения волокнистый композитный материал содержит волокна, проходящие в области участка пера лопатки под углом, отклоняющимся от главной оси турбинной лопатки, в частности под углом ±15, ±-30° или ±45° к главной оси. Таким образом достигается высокая прочность участка пера лопатки на скручивание. Слои волокнистого композитного материала могут располагаться зеркально-симметрично относительно средней плоскости пера, что противодействует скручиванию.

В то же время несимметричное расположение приводит к скручиванию. Это может быть, предпочтительно, использовано в одной из альтернативных форм выполнения при необходимости самоустановки. С помощью вида расположения таких волокон или слоев в рамках ограниченной области анизотропия может быть использована для целенаправленного изменения геометрии лопаток в зависимости от рабочих нагрузок. В этой связи может быть предусмотрено такое скручивание, когда при сверхноминальном числе оборотов лопаточная решетка открывается, отбирая тем самым у потока меньше энергии, и таким образом не способствует дальнейшему подъему числа оборотов. Скручивание может быть также использовано для оптимизированной установки профиля потока в зависимости от потока и нагрузки. Так например, лопаточная решетка при уменьшении протока может закрываться, а при увеличении протока соответственно открываться.

Для оптимизации затрат и жесткости лопатки целесообразно, чтобы участок пера лопатки имел установленный посредине пера сердцевинный элемент, полностью окруженный волокнистым композиционным материалом.

Для контроля функции пластичного влагонепроницаемого защитного слоя, окружающего участок с волокнистым композитным материалом, и для исключения отказа со стороны участка пера лопатки целесообразно расположить под защитным слоем электропроводящий слой. Этот электропроводящий слой служит сигнальным механизмом, благодаря чему может быть обнаружено повреждение защитного слоя, после чего могут быть своевременно приняты контрмеры, как, например, замена соответствующей детали или ремонт защитного слоя. Такой электропроводящий слой может быть предусмотрен отдельно или в паре с промежуточным изоляционным слоем.

В последнем случае слоистая структура участка пера лопатки в его поверхностной области складывается из последовательно расположенных волокнистого композитного материала, электропроводящего слоя, в частности слоя металлического покрытия, изоляционного слоя, дополнительного электропроводящего слоя, в частности слоя металлического покрытия, а также защитного слоя. Затем для контроля функции защитного слоя может быть измерено сопротивление изоляции относительно окружающей среды или между обоими электропроводящими слоями. Кроме того, может быть измерена электрическая емкость структуры для контроля функции защитного слоя, содержащей электропроводящий, изоляционный слои, а также дополнительный электропроводящий слой. При наличии только одного проводящего слоя появляется возможность для соответствующего измерения сопротивления изоляции относительно окружающей среды или электрического сопротивления проводящего слоя.

Согласно изобретению альтернативно между защитным слоем и волокнистым композитным материалом расположены водорастворимые химические вещества. Предпочтительно водорастворимые химические вещества обнаруживаются в растворенном виде химическим, оптическим и/или радиологическим путем. Эта мера представляет собой альтернативную возможность контроля функции защитного слоя. Так, например, можно постоянно контролировать конденсат в пароводяном контуре паротурбинной электростанции. Если в нем под защитным слоем обнаружены химические вещества, то это указывает на повреждение защитного слоя.

В одной из последующих предпочтительных форм выполнения предусмотрена передняя кромка турбинной лопатки с усилением кромки для защиты от ударения капель. Такое усиление кромки может создаваться путем наклеек на турбинную лопатку или путем армирования турбинных лопаток. Кроме того, защитный слой можно соответствующим образом сделать толще, наклеить на него или заделать в него дополнительный защитный компонент. Можно также, как у турбины, отформовать с помощью усиления кромки основную деталь самой турбинной лопатки. В порядке альтернативы защиты от ударения капель можно добиться конструированием турбинной лопатки из слоистого пластика, в котором волокна располагаются в поперечном направлении.

Кроме того, целесообразно, чтобы участок корня турбинной лопатки имел контактный элемент для обеспечения контакта с держателем корня лопатки на валу ротора паровой турбины, причем контактный элемент содержал бы волокнистый композитный материал и/или металл. По выбору контактный элемент может состоять из волокнистого композита или из металла. Соответствующие металлы следует подбирать таким образом, чтобы они позволяли иметь надежное и недеформирующееся соединение с валом ротора и препятствовали перегрузке волокнистого композитного материала корня лопатки вокруг контактного элемента. В частности, контактный элемент должен выполняться из металлической гильзы. При наличии вышеописанного пластичного влагонепроницаемого защитного слоя последний на участке корня лопатки, особенно в области контакта, должен усиливаться особо или защищаться с помощью защитных элементов.

В одной из особенно предпочтительных форм изобретения участок корня лопатки содержит отклоняющий элемент, с помощью которого изменяется направление значительного количества волокон пера лопатки, и/или направляющий элемент, с помощью которого предпочтительное направление прохождения волокон в корне лопатки переходит в направление прохождения волокон, соответствующее геометрии участка пера лопатки. Отклоняющий и/или направляющий элемент также могут состоять из волокнистого композитного материала или из металла. В частности, контактный и направляющий элементы или контактный и отклоняющий элементы могут быть образованы одним и тем же элементом.

Участок корня лопатки, предпочтительно, выполняется также в виде вставного корня, вставляемого в держатель корня лопатки на валу ротора турбины в радиальном направлении относительно вала ротора. При этом предпочтительно, чтобы волокна волокнистого композитного материала обволакивались вокруг гильз, служащих контактными элементами. Кроме того, предпочтительно, чтобы закругление пера в области корня у такого вставного корня могло изменяться в зависимости от изменения положения штифта вставного корня, так чтобы отклонения от участка корня лопатки в сторону участка пера, предпочтительно, оказывались незначительными. Таким образом, затраты на направляющие элементы остаются ограниченными.

В одной из предпочтительных форм выполнения пластичный влагонепроницаемый защитный слой окружает также участок корня лопатки. Тем самым эффективно предотвращается проникновение влаги и в волокнистый композитный материал, содержащийся на участке корня лопатки. Благодаря этому может быть увеличен срок службы турбинной лопатки.

В одной из последующих предпочтительных форм выполнения участок корня турбинной лопатки выполнен в виде вдвижного корня лопатки, вдвигаемого в держатель корня лопатки на валу ротора турбины по существу в аксиальном направлении относительно вала ротора. В основном, под аксиальным направлением следует понимать, что направление захода может отклоняться от аксиального направления на угол до ±40°. В частности, участок корня лопатки выполняется закругленным, причем закругление корня лопатки по существу соответствует закруглению участка пера лопатки вблизи корня. Благодаря направляющим и контактным элементам достигается передача усилий на пазы лопатки. Контактные элементы могут также выполнять функцию направляющих элементов. Тем самым минимизируются затраты на направляющие элементы.

В одной из предпочтительных форм выполнения паровой турбины согласно изобретению она имеет устройство для наблюдения за колебательной характеристикой турбинной лопатки. С его помощью можно распознавать изменение собственной частоты турбинной лопатки, которое может зависеть от влагопоглощения волокнистого композитного материала на участке пера лопатки во время работы паровой турбины. Поэтому такое изменение собственной частоты турбинной лопатки должно служить сигналом для проверки функции или в случае необходимости замены вышеупомянутого пластичного влагонепроницаемого защитного слоя с тем, чтобы можно было избежать отказа детали.

В одной из последующих предпочтительных форм выполнения паровая турбина имеет по меньшей мере одну направляющую лопатку с обогревом. Благодаря обогреву влага может испаряться с направляющей лопатки и соответствующее повреждение других турбинных лопаток в результате ударения капель предотвращаться. В порядке альтернативы может быть также предусмотрено устройство для отсасывания влаги по крайней мере с одной направляющей лопатки.

Изготовление лопаток из волокнистого композита осуществляется, предпочтительно, обычными способами, при которых волокна сматываются и пропитываются матричным веществом или наносятся в виде, так называемых, препрегов. После этого они в так называемой матрице доводятся до своей окончательной формы, причем производится отверждение матрицы. Для этого уже в выборочном порядке дополнительно вводятся или устанавливаются контактные, отклоняющие или направляющие элементы. После этого для достижения требуемых размеров, соблюдения допусков и качества поверхности может потребоваться обработка лопаток в определенных местах, например, путем шлифовки. Кроме того, обработке могут быть подвергнуты уже установленные контактные, отклоняющие и направляющие элементы, или эти элементы могут быть установлены по окончании процесса формовки. Кроме того, как уже упоминалось выше, может быть установлена защита кромок, интегрируемая в профиль лопатки в ходе последующей пригоночной операции, например шлифовки. Вслед за этим производится нанесение покрытий, необходимых защитному слою и системе предупреждения. При этом отдельные слои в определенных местах для улучшения защитных функций и функций усиления могут армироваться.

Ниже примеры выполнения турбинной лопатки согласно изобретению более подробно поясняются со ссылкой на приложенные схематические чертежи.

Фиг.1 изображает вид первого примера выполнения турбинной лопатки согласно изобретению,

фиг.2 - сечение по линии II-II на фиг.1,

фиг.2а - первую форму выполнения вырыва Х на фиг.2,

фиг.2b - вторую форму выполнения вырыва Х на фиг.2,

фиг.2с - вырыв Y на фиг.2,

фиг.3а - частично вид второго примера выполнения турбинной лопатки согласно изобретению,

фиг.3 - сечение по линии III-III на фиг.3а,

фиг.4а - вид сечения третьего примера выполнения турбинной лопатки согласно изобретению в направлении участка корня лопатки,

фиг.4b - вид сечения вала ротора паровой турбины на участке канавки на валу с закрепленным в ней участком корня турбинной лопатки на фиг.4а, а также

фиг.4с - вырыв Z на фиг.4b.

На фиг.1 изображен первый пример осуществления турбинной лопатки 10 согласно изобретению, выполненной, в частности, для использования в ступени низкого давления паровой турбины. Турбинная лопатка 10 содержит участок 12 пера лопатки, а также участок 14 ее корня в виде вставного корня. Участок 14 корня лопатки имеет вставные язычки 16 для штифтового соединения. Участок 12 пера лопатки изготовлен из волокнистого композитного материала 18, содержащего стеклянные и/или угольные волокна. Направление 20 основных волокон проходит вдоль главной оси 21 турбинной лопатки 10. В области поблизости от участка 14 корня лопатки участок 12 пера лопатки имеет дополнительный слой 22 волокнистого композита. Дополнительный слой 22 волокнистого композита содержит дополнительные волокна, проходящие под углом, отклоняющимся от главной оси 21 турбинной лопатки 10 и равным, например, ±15°, ±30° или ±45°, и предусмотренные для придания жесткости участку 12 пера лопатки. Может быть предусмотрено несколько таких дополнительных слоев 22 волокнистого композита. При этом такие слои могут быть расположены зеркально-симметрично относительно средней плоскости пера, благодаря чему предупреждается скручивание. Несимметричное расположение дополнительных слоев 22 волокнистого композита приводит к скручиванию. Это обстоятельство может быть использовано в целях самоустановки.

На фиг.2 изображено сечение II-II участка 12 пера лопатки на фиг.1. На нем показан сердцевинный элемент 24, расположенный в области большой толщины для оптимизации веса и жесткости. Он находится в окружении волокнистого композитного материала 18. Турбинная лопатка 10 обтекается турбинным паром 26 согласно фиг.2 слева. Для защиты от ударения капель передняя кромка турбинной лопатки 10, обращенная в сторону натекания турбинного пара 26, имеет усиление 28 кромки. Усиление 28 кромки детально изображено на фиг.2 с. Оно состоит из металла и с помощью клеевого соединения 40 крепится на выступе 42 передней кромки 27 турбинной лопатки 10 из волокнистого композита.

На фиг.2а изображена структура участка поверхности турбинной лопатки 10 в первой форме выполнения на фиг.2. При этом волокнистый композитный материал 18 находится в окружении первого проводящего слоя 36 в виде слоя металлического покрытия, изоляционного слоя 34, второго проводящего слоя 32 в виде слоя металлического покрытия, а также, наконец, защитного слоя 30. Защитный слой 30 для герметизации участка 12 пера лопатки от действия влаги выполнен влагоотталкивающим. Тем самым защитный слой 30 препятствует проникновению влаги в волокнистый композитный материал 18. Кроме того, защитный слой 30 выполнен настолько пластичным, что во время работы турбинной лопатки 10 он компенсирует возможные деформации без утраты своей функции герметизации. Последовательность из проводящего слоя 32, изоляционного слоя 34 и проводящего слоя 36 служит для контроля функции защитного слоя 30. Для этого измеряется сопротивление изоляции проводящих слоев 30, 32 относительно окружающей среды или между слоями, или емкость слоистой структуры с тем, чтобы установить, проникла ли влага через защитный слой 30 вглубь участка 12 пера лопатки.

На фиг.2b изображена структура участка поверхности турбинной лопатки 10 во второй форме выполнения на фиг.2. Здесь волокнистый композитный материал 18 окружен слоем 38 с содержанием индикаторного материала, в свою очередь, окруженным защитным слоем 30. Индикаторный материал 38 содержится в виде водорастворимых веществ, обнаруживаемых химическим, оптическим и/или радиологическим методами. Таким образом, индикаторный материал 38 служит для обнаружения неплотности в защитном слое 30. А именно, при проникновении влаги вглубь участка 12 пера лопатки водорастворимые химические вещества, содержащиеся в индикаторном материале 38, растворяются и могут быть обнаружены в конденсате, образовавшемся из пара, покидающего турбину.

На фиг.3а изображен второй пример выполнения турбинной лопатки 110 согласно изобретению. К лишь частично показанному участку 12 пера лопатки, содержащему волокнистый композитный материал 18, примыкает участок 43 корня лопатки. При этом волокна волокнистого композитного материала, выходя из него, направляются в участок 43 корня лопатки и там обводятся вокруг контактного отклоняющего элемента 46 в виде металлической гильзы, после чего волокно снова возвращается обратно в участок 12 пера лопатки. Тем самым элемент 46 выполняет функцию изменения направления. Одновременно он выполняет также функцию контакта, устанавливая его с канавкой 48 на валу 47 ротора. Кроме того, турбинная лопатка 110 согласно фиг.3а содержит так называемый направляющий элемент 44, с помощью которого предпочтительное направление волокон в хвосте лопатки переходит в направление волокон волокнистого композитного материала 18, соответствующее геометрии участка 12 пера лопатки.

На фиг.3b показано сечение по линии III-III на фиг.3а. Участок 43 корня лопатки выполнен в виде вставного корня со вставными язычками 45 для вставки в соответствующие канавки 48 вала. Затем вставные язычки 45 с помощью расположенных поперек них вставных штифтов крепятся в канавках 48 вала. Каждый из этих вставных язычков 45 имеет один из контактных и отклоняющих элементов.

На фиг.4а показан третий пример выполнения турбинной лопатки 210 согласно изобретению с участком 52 корня лопатки в виде вдвижного корня. Участок 52 корня лопатки, более детально изображенный в сечении на фиг.4b, вставляется в канавку 60 вала ротора, проходящую вдоль его оси. При этом участок 52 корня лопатки имеет закругление, как показано на фиг.4а, и включает отклоняющий элемент 56, вокруг которого обведено значительное количество волокон волокнистого композитного материала. Эти волокна окружены направляющим или контактным элементом 54. Этот элемент вначале выполняет функцию перевода предпочтительного направления волокон на участке 52 корня лопатки в направление волокон, соответствующее геометрии участка 12 пера лопатки. Кроме того, элемент 54 выполняет функцию установления контакта с канавкой 60 вала 58 ротора. Направляющий и контактный элемент 54 полностью окружает волокнистый композитный элемент 18 участка 14 корня лопатки, а также граничит с волокнистым композитным веществом 18 в нижней области участка 12 пера волокнистой лопатки.

Эта область более подробно изображена на фиг.4с. Чтобы во время деформаций участка 12 пера лопатки не вызвать никаких повреждений направляющего и контактного элемента 54 или волокнистого композитного материала 18, между волокнистым композитным материалом 18 и элементом 54 предусмотрен зазор 62.

1. Турбинная лопатка (10, 110, 210) для паровой турбины с участком (12) пера лопатки, а также с участком (14, 43, 52) корня лопатки, причем участок (12) пера лопатки содержит по меньшей мере в отдельных областях волокнистый композитный материал (18), причем по меньшей мере область, содержащая волокнистый композитный материал (18), окружена пластичным защитным слоем (30), препятствующим проникновению влаги в волокнистый композитный материал (18) во время работы турбинной лопатки (10, 110, 210), отличающаяся тем, что между защитным слоем (30) и волокнистым композиционным материалом (18) расположен электропроводящий слой (32, 36) или водорастворимые химические вещества (38) для обеспечения возможности контроля функции защитного слоя (30).

2. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что как участок (12) пера лопатки, так и участок (14, 43, 52) корня лопатки, содержат по меньшей мере в отдельных областях волокнистый композитный материал (18).

3. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что волокнистый композитный материал (18) содержит стекловолокна, искусственные волокна и/или угольные волокна.

4. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что волокнистый композитный материал (18) содержит волокна, проходящие в области пера лопатки (12) под углом, отклоняющимся от главной оси (21) турбинной лопатки (10, 110, 210), в частности под углом ±15°, ±30° или ±45° к главной оси (21).

5. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что участок (12) пера лопатки содержит сердцевинный элемент (24), расположенный посередине пера и полностью окруженный волокнистым композиционным материалом (18).

6. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что участок (12) пера лопатки имеет форму для использования в ступени низкого давления паровой турбины.

7. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что водорастворимые химические вещества (38) обнаруживаются в растворенном виде, в частности, химическим, оптическим и/или радиологическим путем.

8. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что в ней предусмотрена передняя кромка (27) турбинной лопатки (10, 110, 210) с усилением (28) кромки для защиты от ударения капель.

9. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что участок (14) корня лопатки имеет контактный элемент (46, 54) для установления контакта с держателем (48, 60) корня лопатки на валу (47, 58) ротора паровой турбины, причем контактный элемент (46, 54) содержит волокнистый композитный материал (18) и/или металл.

10. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что участок (14, 43, 52) корня лопатки содержит отклоняющий элемент (46, 56), с помощью которого изменяется направление значительного количества волокон участка (12) пера лопатки, и/или направляющий элемент (44, 54), с помощью которого предпочтительное направление прохождения волокна в участке (14, 43, 52) корня лопатки переходит в направление прохождения волокна, соответствующее геометрии участка (12) пера лопатки.

11. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что участок (14, 43, 52) корня лопатки выполнен в виде вставного корня (14, 43), вставляемого в держатель (48) корня лопатки на валу (47) ротора турбины в радиальном направлении относительно вала (47) ротора.

12. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что влагоотталкивающий защитный слой (30) окружает также участок (14, 43, 52) корня лопатки.

13. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что участок (14, 43, 52) корня лопатки выполнен в виде вдвижного корня (52), вдвигаемого в держатель (60) корня лопатки на валу (58) ротора турбины, по существу, в аксиальном направлении относительно вала (58) ротора.

14. Паровая турбина с турбинной лопаткой (10, 110, 210) по одному из предшествующих пунктов.

15. Паровая турбина по п.14, отличающаяся тем, что она содержит устройство для наблюдения за колебательной характеристикой турбинной лопатки (10, 110, 210).

16. Паровая турбина по п.14 или 15, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одну направляющую лопатку с обогревом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к турбинным компонентам и к способам покрытия турбинных компонентов. .

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено для упрочнения деталей машин, работающих в условиях фреттинг-коррозии. .

Изобретение относится к слоистой системе со слоем, содержащим фазу пирохлора. .
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении. .

Изобретение относится к способу формирования покрытия, способу ремонта тела, содержащего дефект, детали газотурбинного двигателя и газотурбинному двигателю. .

Изобретение относится к машиностроению, в частности к защите поверхности при ремонте охлаждаемых и неохлаждаемых лопаток стационарных энергетических установок авиационных газотурбинных двигателей методом горячего изостатического прессования.

Изобретение относится к защитному слою, сплаву, из которого он выполнен, и конструктивному элементу. .
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток компрессора и турбины от солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии.

Изобретение относится к области газотурбостроения, а именно к конструкциям рабочих лопаток осевых вентиляторов и компрессоров турбомашин, в частности газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к детали газотурбинного двигателя, термобарьерному покрытию (варианты) и способу защиты деталей от повреждений, связанных с воздействием песка

Изобретение относится к системе теплоизоляционных слоев

Изобретение относится к производству паровых турбин, в частности к способам создания противоэрозионной защиты входных кромок турбинных лопаток

Изобретение относится к жаростойкому компоненту такому, как, например, лопатка турбины или рабочее колесо нагнетателя, подвергающемуся трению о другой компонент в условиях высокой температуры

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, подходящим для литья конструктивных элементов газовой турбины

Изобретение относится к машинному компоненту с изготовленным из основного материала основным телом, которое снабжено на части своей поверхности бронированием из нанесенного материала с большей по сравнению с основным материалом твердостью

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано в последних ступенях влажно-паровых турбин

Изобретение относится к способу ремонта путем восстановления формы изношенного участка поверхности подвижной лопатки газотурбинного двигателя
Наверх