Металлокерамическая лопатка газовой турбины



Металлокерамическая лопатка газовой турбины
Металлокерамическая лопатка газовой турбины
Металлокерамическая лопатка газовой турбины

 


Владельцы патента RU 2510463:

Коняев Евгений Алексеевич (RU)
Каюмов Виктор Павлович (RU)

Металлокерамическая лопатка газовой турбины содержит профилированную керамическую оболочку и размещенный в ее полости силовой стержень с внутренней и наружной полками. Силовой стержень снабжен упругими штырьками, наклоненными к внутренней полке силового стержня, контактирующими с внутренней поверхностью профилированной керамической оболочки и предназначенными для обеспечения устойчивости профилированной керамической оболочки и демпфирования ее колебаний. Пластинчатая пружина установлена между внутренней полкой силового стержня и нижней опорной полкой профилированной керамической оболочки и предназначена для компенсации температурных расширений профилированной керамической оболочки. С целью повышения надежности наружная полка силового стержня, являющаяся съемной, без зазора сопрягается с верхней опорной полкой профилированной керамической оболочки и крепится на наружном радиусе силового стержня. Техническим результатом является повышение надежности путем снижения динамического дисбаланса рабочего колеса и вибронагруженности двигателя в целом. 3 ил.

 

Изобретение относится к газотурбостроению 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 лопатку турбомашины.

Повышение параметров цикла авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и, прежде всего, повышение температуры газов перед турбиной приводит к возрастанию роли термических и термоциклических напряжений в исчерпании несущей способности деталей горячей части турбины.

Существующие конструкции охлаждаемых рабочих лопаток предусматривают выполнение лопаток пустотелыми с подводом охлаждающего воздуха во внутреннюю полость и со съемом тепла с внутренней поверхности лопатки, интенсивность которого повышается за счет установки турбулизаторов, штырьков, дефлекторов и т.п.

На большинстве эксплуатационных режимов авиадвигателя (запуск, прямая приемистость, максимальный, номинальный, крейсерский) термические напряжения на внутренней поверхности охлаждаемых рабочих лопаток совпадают по знаку с напряжениями растяжения от центробежных сил. Учитывая наличие концентраторов напряжений в виде турбулизаторов, штырьков и прочее, приходим к выводу, что слабым местом конструкции лопаток является именно приповерхностная зона внутренней полости лопаток. Здесь происходит образование трещин в процессе эксплуатационного нагружения.

Контроль внутренней полости лопаток практически невозможен как в процессе эксплуатации, так и при ремонте ГТД. Это затрудняет своевременное выявление растущих трещин, которые обнаруживаются лишь после их выхода на наружную поверхность лопатки.

Таким образом, недостатками существующих конструкций охлаждаемых рабочих лопаток являются:

- разрушения (трещины), образующиеся преимущественно на внутренней поверхности полой лопатки в зоне местных концентраторов напряжений;

- практическая невозможность контроля трещин на внутренней поверхности рабочих лопаток;

- термические напряжения в сочетании с напряжением от центробежных сил, резко увеличивающие скорость роста трещин и снижающие живучесть лопатки.

Указанные недостатки могут быть устранены при выполнении следующих принципов конструктивного оформления рабочих лопаток ГТД:

- разделения тела лопатки на две самостоятельные части: силовую (несущую, в виде силового стержня) и рабочую (газодинамическую):

- экранирование силового стержня от воздействия рабочей среды (высокая температура, коррозия, эрозия) с помощью рабочей части в виде некоторой оболочки;

- крепление оболочки к силовому стержню на его наружном радиусе с целью разгрузки оболочки от напряжений растяжения и обеспечения благоприятного с точки зрения эксплуатационной надежности ее напряженного состояния;

- установка в пространстве между силовым стержнем и оболочкой упругих элементов для передачи рабочих нагрузок и демпфирования колебаний оболочки.

Известна конструкция лопатки осевой турбомашины, которая могла бы быть использована для решения поставленной задачи [патент RU №2416029, F01D 5/14, 2010], состоящая из металлического хвостовика, радиального металлического стержня, бандажной полки, дефлектора, тепловой изоляции, профилированной пустотелой оболочки, состоящей из сегментов (частей), свободно установленных на радиальном металлическом стержне снаружи дефлектора между хвостовиком и бандажной полкой.

Существенными недостатками этой конструкции лопатки являются:

1. Отсутствие уплотнительных элементов между сегментами (частями) профилированной керамической оболочки позволяет газовому потоку проникать во внутреннюю полость лопатки, вызывая ее перегрев с последующим отказом.

2. Условие свободной установки сегментов профилированной керамической оболочки между хвостовиком и бандажной полкой предусматривает наличие между бандажной полкой и наружной по радиусу пограничной поверхностью последнего от хвостовика сегмента некоторого зазора, автоматически выбираемого под действием центробежных сил в процессе работы.

3. Этот зазор на различных лопатках при неработающем двигателе изменяется от 0 (на нижних лопатках) до максимального (на верхних лопатках), что в принципе исключает точную статистическую балансировку диска с лопатками.

4. Конструкцией не предусмотрены элементы демпфирования колебаний оболочки, что особенно важно при выполнении ее из керамики, обладающей пониженной усталостной прочностью по сравнению с жаропрочными сплавами.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является лопатка турбомашины. Лопатка содержит оболочку, силовой стержень с верхней и нижней полками. Силовой стержень снабжен упругими штырьками, наклоненными к его нижней полке и контактирующими с оболочкой. Между опорными полками оболочки и полками силового стержня установлены пластинчатые пружины. Верхняя полка силового стержня является съемной.

Недостаток этой конструкции заключается в пониженной надежности из-за воздействия на пластинчатую пружину между верхней полкой силового стержня и наружной опорной полкой оболочки не только температурных усилий, вызываемых тепловым расширением оболочки, но и наибольших нагрузок от действия ее центробежных сил, приводящих к деформации пластинчатых пружин, а, следовательно, к снижению динамической балансировки рабочего колеса и увеличению вибронагруженности двигателя в целом.

Цель изобретения - повышение надежности путем снижения динамического дисбаланса рабочего колеса и вибронагруженности двигателя в целом.

Поставленная цель достигается тем, что в конструкции лопатки, содержащей профилированную керамическую оболочку и размещенный в ее полости силовой стержень с внутренней и наружной полками, снабженный упругими штырьками, наклоненными к внутренней полке силового стержня, контактирующими с внутренней поверхностью профилированной керамической оболочки и предназначенными для обеспечения устойчивости профилированной керамической оболочки и демпфирования ее колебаний, пластинчатую пружину, установленную между внутренней полкой силового стержня и нижней опорной полкой профилированной керамической оболочки и предназначенную для компенсации температурных расширений профилированной керамической оболочки, наружная полка силового стержня, являющаяся съемной, без зазора сопрягается с верхней опорной полкой профилированной керамической оболочки и крепится на наружном радиусе силового стержня.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция металлокерамической лопатки газовой турбины, на фиг.2 представлен разрез лопатки по А-А (фиг.1), на фиг.3 представлен разрез упругого штырька лопатки (выносной элемент I на фиг.1).

Конструкция металлокерамической лопатки газовой турбины (фиг.1) содержит силовой стержень 1, профилированную керамическую оболочку 2, узел крепления 3 оболочки к силовому стержню на наружном радиусе, съемную наружную полку 4, пластинчатую пружину 5.

Силовой стержень 1 (фиг.1) содержит несъемную внутреннюю полку 6, замковую часть 7 для соединения с диском турбины, канал 8 подачи охлаждающего воздуха в полость между оболочкой и силовым стержнем, упругие штырьки 9, наклоненные к несъемной внутренней полке 6 и контактирующие с внутренней поверхностью профилированной керамической оболочки 2.

Профилированная керамическая оболочка 2 (фиг.1) содержит нижнюю 9 и верхнюю 10 опорные полки.

Металлокерамическая лопатка в составе газотурбинной установки работает следующим образом.

Профилированная керамическая оболочка 2 может быть выполнена из жаропрочной керамики или композитного (углерод-углеродного) материала, имеет профильную часть корыта и спинки (фиг.2). Профилированная керамическая оболочка 2 устанавливается на силовой стержень 1 таким образом, что нижней опорной полкой 9 она опирается через пластинчатую пружину 5 на несъемную внутреннюю полку 6 силового стержня 1. При этом верхняя опорная полка 10 оболочки 2 без зазора сопрягается со съемной наружной полкой 4, имеющей просечку по форме наружного профиля силового стержня, и фиксируется на наружном радиусе силового стержня с помощью узла крепления 3 в виде некоторого разъемного соединения (на чертеже не показано).

Такая установка оболочки обеспечивает исключение радиальных люфтов в сочленении и свободу температурного расширения оболочки только в направлении внутреннего радиуса силового стержня.

В предложенной конструкции центробежная сила масс лопатки воспринимается холодным силовым стержнем, защищенным от газового потока тонкостенной керамической оболочкой. Оболочка, в свою очередь, опирается на силовой стержень в точке ее крепления по наружному его радиусу. При этом центробежные силы масс силового стержня вызывают в оболочке преимущественно напряжения сжатия, легко воспринимаемые керамическим материалом оболочки.

Для восприятия окружных и осевых газовых сил и моментов этих сил, действующих на оболочку, передачи сил и их моментов от оболочки на силовой стержень и демпфирования колебаний оболочки при ее вибрациях силовой стержень содержит упругие опорные штырьки 9, выполненные либо заодно со стержнем, либо приваренные к нему (на чертеже не показано). Штырьки 9 расположены по всей боковой поверхности силового стержня с некоторым шагом h, обеспечивающим исключение потери устойчивости оболочки 2 от действия сжимающей ее центробежной силы.

Для обеспечения определенной силы прижатия (силы трения) штырьков к внутренней поверхности оболочки 2 оси штырьков наклонены к несъемной внутренней полке 6 силового стержня (фиг.3) для того, чтобы сила их прижатия к внутренней поверхности оболочки возрастала при увеличении частоты вращения ротора турбины.

Для снижения температуры силового стержня в полость между оболочкой и силовым стержнем подается охлаждающий воздух на вход канала 8 в замковой части 7 силового стержня.

Таким образом, сопряжение без зазора съемной наружной полки с верхней опорной полкой профилированной керамической оболочки и крепление ее на наружном радиусе силового стержня позволило существенно повысить надежность металлокерамической лопатки путем снижения динамической разбалансировки рабочего колеса и вибронагруженности двигателя в целом.

Металлокерамическая лопатка газовой турбины, содержащая профилированную керамическую оболочку и размещенный в ее полости силовой стержень с внутренней и наружной полками, снабженный упругими штырьками, наклоненными к внутренней полке силового стержня, контактирующими с внутренней поверхностью профилированной керамической оболочки и предназначенными для обеспечения устойчивости профилированной керамической оболочки и демпфирования ее колебаний, пластинчатую пружину, установленную между внутренней полкой силового стержня и нижней опорной полкой профилированной керамической оболочки и предназначенную для компенсации температурных расширений профилированной керамической оболочки, отличающаяся тем, что с целью повышения надежности наружная полка силового стержня, являющаяся съемной, без зазора сопрягается с верхней опорной полкой профилированной керамической оболочки и крепится на наружном радиусе силового стержня.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к детали газотурбинного двигателя, содержащей основную часть и ребро атаки. .

Изобретение относится к нанесению алюминиевого покрытия на металлическую деталь, а именно на полую деталь, содержащую внутреннюю рубашку, а также к рубашке для циркуляции охлаждающего воздуха, алюминированной полой лопатке газотурбинного двигателя и направляющему сопловому аппарату газотурбинного двигателя.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к монокристаллическим суперсплавам на основе никеля. .

Изобретение относится к способу восстановления элементов турбомашины. .

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам формирования теплозащитных покрытий на лопатках турбин, и в особенности газовых турбин авиадвигателей и энергетических установок.

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

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

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.

Монокристаллическая лопатка рабочего колеса турбины изготовлена путем литья с направленной кристаллизацией и содержит перо лопатки, конечный конструктивный элемент пера лопатки и переходную зону.

Лопасть (10) для рабочего лопастного колеса турбомашины содержит аэродинамический профиль и, по меньшей мере, одну полку на одном конце аэродинамического профиля. Лопасть (10) приспособлена для расположения совместно с множеством по существу одинаковых лопастей таким образом, чтобы формировать кольцо.

Изобретение относится к способу изготовления направляющей лопатки, к направляющей лопатке из композиционного материала и к турбомашине, включающей в себя по меньшей мере одну направляющую лопатку.

Лопасть рабочего колеса турбомашины содержит аэродинамический профиль с корытом, спинкой, задней и передней кромками, а также полку, проходящую от одного из концов аэродинамического профиля перпендикулярно его продольному направлению.

Рабочее колесо центробежного компрессора турбомашины имеет по меньшей мере одну лопатку (24), присоединенную к ступице (26) рабочего колеса посредством галтели (27). Лопатка продолжается вдоль хорды, образованной между передней кромкой (28) и задней кромкой лопатки.

Колесо компрессора с облегченными лопатками включает в себя диск и приваренные к нему облегченные лопатки. Облегченная лопатка состоит из двух частей, соединенных между собой сваркой.

Изобретение относится к компрессору, в частности вентилятору турбореактивного двигателя, содержащему ступицу (36) и множество лопаток, каждая из которых жестко закреплена своим основанием (16) на ступице.

Изобретение относится к турбонасосостроению. Турбонасосный агрегат содержит турбинный узел c корпусами подвода и отвода рабочего тела, сопловым аппаратом, одноступенчатой турбиной. Агрегат содержит насосный узел со шнекоцентробежным рабочим колесом. Корпус подвода рабочего тела снабжен коллектором, включающим осесимметричную герметичную кольцевую оболочку. Большая часть оболочки имеет форму типа продольно усеченного фрагмента тора или тороида. Лопатки рабочего колеса турбины выполнены выпукло-вогнутыми по ширине, радиальной высотой 0,05÷0,25 радиуса диска колеса турбины. Толщина лопатки принята переменной в направлении вектора потока рабочего тела с максимумом в средней части хордовой ширины лопатки. Хордовая ширина лопатки в проекции на условную хордовую плоскость, соединяющую заходную и выходную боковые кромки лопатки, не превышает радиальную высоту лопатки. Межлопаточный канал выполнен конфузорно-диффузорным в направлении вектора потока пара с максимальным сужением площади поперечного проходного сечения, определяемой в зоне максимальной толщины лопаток. Общее количество лопаток колеса турбины в 2,6÷34,4 раза превышает количество сопел в сопловом аппарате. Изобретение направлено на повышение ресурса работы агрегата, надежности, эффективности перекачивания, компактности и кпд при одновременном снижении материалоемкости. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх