турбинная лопатка, способ ее изготовления и способ защиты от коррозии
Классы МПК: | F01D5/16 для устранения вибрации лопаток F01D5/26 противовибрационные средства, не ограничивающиеся формой лопаток или соединением лопаток между собой |
Автор(ы): | Гохштейн Яков Петрович, Гохштейн Александр Яковлевич |
Патентообладатель(и): | Гохштейн Яков Петрович, Гохштейн Александр Яковлевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-02-07 публикация патента:
10.05.1997 |
Использование: в энергетических газотурбинных установках. Сущность изобретения: турбинная лопатка включает основание и вогнутое перо, на поверхность которого нанесено керамическое покрытие. Способ изготовления лопатки включает заполнение литейной формы расплавленным металлом. Способ защиты от коррозии включает использование покрытия. Новым является то, что на поверхности стержня выполнены замковые пазы типа "ласточкин хвост", в которых расположены керамические волокна, скрепленные с керамическим покрытием. Керамические волокна собраны в жгуты с винтовой закруткой волокон или нитей из волокон, а в металлических стенах пазов выполнена резьба, включающие винтовые канавки, огибающие паз. Удаленный от основания конец стержня огибают петли керамических жгутов, выполненные в виде витков обмотки, проходящих через каналы в основании. При изготовлении лопатки на внутренней поверхности литейной формы размещают жгуты из керамических волокон и закрепляют их в виде ребер, профиль которых имеет сужение в месте закрепления ребра. Внутреннюю часть формы выполняют в виде слоя волокнистого материала. Используют лист из волокнистого материала, волокнистые ребра закрепляют на верхней стороне листа и заливают их расплавом полимера с полным погружением в него ребер. Для защиты лопатки от коррозии теплозащитное покрытие выполняют из керамических волокон, а через поры между волокнами пропускают воздух из лопатки, вытесняющий продукты сгорания. 3 с. и 23 з.п. ф-лы, 23 ил.
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, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23
Формула изобретения
1. Турбинная лопатка, содержащая основание и вогнутое металлическое перо, на наружную поверхность которого нанесено керамическое покрытие, отличающаяся тем, что лопатка снабжена керамическими волокнами, а на поверхности пера выполнены пазы, в которых размещены керамические волокна, скрепленные с керамическим покрытием, причем стенка паза выполнена с выступом, препятствующим выпаданию волокон. 2. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что стенка паза выполнена с С-образным профилем. 3. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что керамические волокна собраны в жгут или нить, ориентированные вдоль паза. 4. Лопатка по п. 3, отличающаяся тем, что жгут или нить выполнены с закруткой керамических волокон. 5. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что стенка паза выполнена волнообразной в направлении вдоль паза. 6. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что пазы выполнены волнообразными. 7. Лопатка по п. 6, отличающаяся тем, что промежутки поверхности пера между пазами выполнены волнообразными. 8. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что пазы ориентированы вдоль пера. 9. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что на поверхности пера выполнены отверстия для выпуска воздуха. 10. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что керамическое покрытие выполнено из волокон. 11. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что на поверхности пазов выполнена винтовая резьба, а керамические волокна собраны в жгуты с винтовой закруткой волокон. 12. Лопатка по п. 11, отличающаяся тем, что пазы ориентированы вдоль стержня пера. 13. Лопатка по пп. 1 и 3, отличающаяся тем, что на торце пера размещены петли жгутов. 14. Лопатка по пп. 1 и 13, отличающаяся тем, что в основании выполнены каналы, через которые пропущены жгуты, образующие петли. 15. Лопатка по пп. 15, отличающаяся тем, что петли жгутов уложены по винтовой линии. 16. Способ изготовления турбинной лопатки, включающий заполнение литейной формы расплавленным металлом, отличающийся тем, что перед заполнением литейной формы на ее внутренней поверхности размещают керамические волокна или закрученные жгуты из керамических волокон и закрепляют указанные волокна или жгуты в виде ребер, профиль которых сужен в месте закрепления ребра. 17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что внутреннюю поверхность литейной формы покрывают слоем волокнистого материала. 18. Способ по п. 16, отличающийся тем, что керамические волокна или жгуты из керамических волокон перед их размещением на внутренней поверхности литейной формы закрепляют на одной из сторон вспомогательной оболочки из волокнистого керамического материала, затем покрывают эту сторону оболочки слоем легкоплавкого вещества с полным погружением волокон или жгутов в этот слой, закрепляют оболочку указанным слоем на выплавляемой литейной модели, а наружную сторону оболочки фиксируют, после чего литейную модель выплавляют вместе со слоем легкоплавкого вещества и в полученную полость заливают расплавленный металл. 19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что в качестве оболочки используют плоский лист волокнистого керамического материала, а волокна или жгуты закрепляют на верхней стороне листа и заливают их расплавом легкоплавкого вещества. 20. Способ по п. 18, отличающийся тем, что в пазы литейной выплавляемой модели вкладывают жгуты из керамических волокон, покрывают модель слоем волокнистого керамического материала, который скрепляют изнутри и жгутами, а снаружи фиксируют, после чего модель удаляют путем нагрева, а в образующуюся полость заливают расплавленный металл. 21. Способ по пп. 17 и 20, отличающийся тем, что в качестве слоя волокнистого керамического материала используют заготовку керамического волокнистого покрытия пера и оставляют указанный слой волокнистого керамического материала на готовой отливке. 22. Способ защиты турбинной лопатки от коррозии, включающий нанесение керамического покрытия на поверхности пера, отличающийся тем, что покрытие выполняют из керамических волокон с образованием между последними пор, через которые пропускают воздух из лопатки в проточную часть турбины. 23. Способ по п. 22, отличающийся тем, что перед использованием лопатки в турбине перо с волокнистым керамическим покрытием помещают в газообразную среду, содержащую легирующие элементы. 24. Способ по п. 22, отличающийся тем, что волокнистое покрытие выполняют из слоев, различающихся пористостью, причем между металлической поверхностью пера и слоем с меньшей пористостью располагают слой с большей пористостью. 25. Способ по п. 22, отличающийся тем, что наружную поверхность керамического покрытия образуют волокна, ориентированные поперек пера. 26. Способ по п. 22, отличающийся тем, что керамические волокна выполняют из материала на основе оксида алюминия.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к энергетическим газотурбинным установкам. Известна лопасть импеллера, собранная из секций, которые скреплены стальным тросом, натянутым в отверстии внутри лопасти (патент США N 4389162, МПК 6 F 01 D 1/06, 1983). Известна турбинная лопатка, содержащая основание и вогнутое металлическое перо, на наружную поверхность которого нанесено керамическое покрытие, полученное плазменным напылением оксидной керамики [1]Известен способ изготовления турбинной лопатки, включающий заполнение литейной формы расплавленным металлом и направленную кристаллизацию отливки [2]
Известен также способ защиты турбинной лопатки от коррозии, включающий нанесение керамического покрытия на поверхность пера с образованием плотного слоя керамики, жестко скрепленного с поверхностью [1] До нанесения плотного керамического покрытия поверхность пера легируют алюминием и другими элементами, образующими на металле плотную окисную пленку. Это снижает скорость коррозии по массе. Однако полиморфные превращения в этой пленке и образование окисла никеля разрыхляют поверхность, нарушая адгезию керамического покрытия. Предлагаемая турбинная лопатка содержит основание и вогнутое металлическое перо, на наружную поверхность которого нанесено керамическое покрытие. Новым является то, что лопатка снабжена керамическими волокнами, а на поверхности пера выполнены пазы, в которых размещены керамические волокна, скрепленные с керамическим покрытием, причем стенка паза выполнена с выступом, препятствующим выпадению волокон. Стенка паза имеет С-образный профиль. Керамические волокна собраны в жгут или нить, которые ориентированы вдоль паза и выполнены с закруткой керамических волокон. Стенка паза выполнена волнообразной в направлении вдоль паза. Волнообразным выполнен и сам паз. В частности, волнообразными выполнены промежутки поверхности пера между пазами. Пазы ориентированы вдоль пера. На поверхности пера выполнены отверстия для выпуска газообразного хладагента, воздуха или пара. Керамическое покрытие также выполнено из волокон. На поверхности пазов выполнена винтовая резьба, а керамические волокна, расположенные в пазах под керамическим покрытием, собраны в жгуты с винтовой закруткой волокон. Резьба выполнена многоходовой, что увеличивает ее шаг и обеспечивает ориентацию витков резьбы вдоль пера. На торце пера уложены петли жгутов, причем концы петель частично прикрывают боковую поверхность пера. В основании лопатки выполнены каналы, через которые пропущены жгуты, образующие петли, уложенные по винтовой линии. Предлагаемый способ изготовления турбинной лопатки включает заполнение литейной формы расплавленным металлом. Новым является то, что перед заполнением литейной формы на ее внутренней поверхности размещают керамические волокна или закрученные жгуты из керамических волокон и закрепляют указанные волокна или жгуты в виде ребер, профиль которых сужен в месте закрепления ребра. Предварительно внутреннюю поверхность литейной формы покрывают слоем волокнистого материала. Керамические волокна или жгуты из керамических волокон перед их размещением на внутренней поверхности литейной формы закрепляют на одной из сторон вспомогательной оболочки из волокнистого керамического материала, затем покрывают эту сторону оболочки слоем легкоплавкого вещества с полным погружением волокон или жгутов в этот слой, закрепляют оболочку указанным слоем на выплавляемой литейной модели, а наружную сторону оболочки фиксируют жесткой матрицей с противопригарным покрытием, после чего литейную модель выплавляют вместе со слоем легкоплавкого вещества и в полученную полость матрицы заливают расплавленный металл. В качестве оболочки используют плоский лист волокнистого керамического материала, а волокна или жгуты закрепляют на верхней стороне листа и заливают их расплавом легкоплавкого вещества. В другом варианте способа жгуты из керамических волокон вкладывают в пазы литейной выплавляемой модели, покрывают модель слоем волокнистого керамического материала, который скрепляют изнутри с жгутами, а снаружи фиксируют, после чего модель удаляют путем нагрева, а в образующуюся полость заливают расплавленный металл. При этом в качестве слоя волокнистого керамического материала используют заготовку керамического волокнистого покрытия пера и оставляют слой волокнистого керамического материала на готовой отливке. Предлагаемый способ защиты турбинной лопатки от коррозии включает нанесение керамического покрытия на поверхность пера. Новым является то, что покрытие выполняют из керамических волокон, с образованием между последними пор, через которые пропускают газообразный хладагент из лопатки в проточную часть турбины. Перед использованием лопатки в турбине перо с волокнистым керамическим покрытием помещают в газообразную среду, содержащую легирующие элементы. Волокнистое покрытие выполняют из слоев, различающихся пористостью, причем между металлической поверхностью пера и слоем с меньшей пористостью располагают слой с большей пористостью. Наружную поверхность керамического покрытия образуют волокнами, ориентированными поперек пера. Керамические волокна выполняют на основе оксида алюминия. Соединение керамического волокнистого покрытия с керамическими жгутами, фиксированными в пазах пера лопатки, обеспечивает безадгезионное сцепление керамики с металлом. Такое закрепление теплозащитного покрытия не может быть нарушено окислением поверхности металла, а также различием в тепловых деформациях металла и керамики. Это существенно повышает надежность покрытия и создает возможность многократного увеличения его толщины. Включение керамических жгутов в ребра литейной формы обеспечивает автоматическое размещение этих жгутов в пазах турбинной лопатки. Кроме того, жгуты облегчают извлечение керамики из пазов, например, при необходимости дополнительной обработки пазов и установки новых жгутов. При заливке металла на закрученные жгуты винтовой рельеф жгута отпечатывается на стенке паза в виде винтовых канавок. Это создает в пазу резьбу, которая препятствует продольному смещению жгута. Профиль винтовых канавок паза закруглен. Благодаря этому они не вызывают существенной концентрации напряжений при отклонении канавки от оси жгута до 30o. Кручению жгута в пазу препятствует скрепленное с жгутом керамическое покрытие. Предварительное размещение жгутов в виде ребер на листовом керамическом материале облегчает последующую фиксацию жгутов на литейной форме. Дальнейшее упрощение технологии достигнуто благодаря заливке ребер слоем полимера с образованием ровной поверхности. Полученный при этом слоеный листовой материал может быть наклеен на гладкую литейную модель, также выполненную из полимера. Такой путь избавляет от необходимости вытачивать в модели пазы под каждый жгут. Пазы с размещенными в них жгутами наклеиваются на модель вместе со слоем полимера, который становится частью модели и в дальнейшем выплавляется вместе с ней. При этом жгуты остаются все время скрепленными с листовым керамическим материалом, который на готовой отливке турбинной лопатки может быть использован в качестве теплозащитного покрытия. На фиг.1 изображена турбинная лопатка, общий вид с продольным разрезом; на фиг.2 поперечный разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 узел 1 на фиг.2 (увеличено); на фиг.4 вариант узла 1 на фиг.2; на фиг.5 вид Б на фиг.4, волнообразные пазы при удаленном покрытии; на фиг.6 вариант формы пазов; на фиг. 7 участок литейной модели турбинной лопатки; на фиг.8 участок литейной формы с разрезом поперек жгутов; на фиг.9 вид В на фиг.8; на фиг.10 схема электролитического наращивания бортов паза; на фиг.11.18 последовательные стадии изготовления турбинной лопатки; на фиг.11 ориентация жгута относительно листа керамического волокнистого материала; на фиг.12 закрепление жгута на листе в виде ребра; на фиг.13 выравнивание рельефа листа путем заливки ребер слоем полимера; на фиг.14 закрепление листа на модели; на фиг.15 образование шликерной оболочки на модели с листом; на фиг.16 выплавление модели и заливка расплавленного металла в оболочку; на фиг.17 отверждение металла и удаление оболочки; на фиг.18 удаление листового материала для доступа к жгуту; на фиг.19 фреза для получения паза под жгут; на фиг.20 фрезерованный паз в модели; на фиг.21 вид Г на фиг.20; на фиг.22 паз с винтовыми канавками в турбинной лопатке; на фиг.23 вид Д на фиг.22. Турбинная лопатка включает основание 1 и перо 2, на металлический стержень 3 которого нанесено керамическое покрытие 4. Перо имеет входную кромку 5, выходную кромку 6, выпуклую спинку 7, вогнутое корыто 8, корневую часть 9 и свободный конец 10, на котором расположен торец 11 стержня. Основание включает полку 12 и елочный хвостовик 13. В стержне и основании выполнены коллекторы 14, 15 системы воздушного охлаждения, а также коллекторы 16, 17, соединяющие ряд 18 каналов 19, 20, 21 системы жидкостного охлаждения. На поверхности 22 стержня выполнены продольные пазы 23, 24, в которых расположены жгуты 25, 26, 27, 28 из керамических волокон 29, 30. Борта пазов выполнены с выступами 31, 32, препятствующими выпаданию жгутов. Жгуты закручены с образованием витков 33, 34 керамических волокон. Жгуты в пазах уплотнены керамобетоном 35 с волокнистым наполнителем. Теплозащитное керамическое покрытие образовано листами 36, 37 керамической ткани, которые перемежаются с листами 38, 39 нетканого керамического материала. Ткань включает нити основы 40 и утка 41. Нетканый материал содержит нити 42, ориентированные вдоль потока продуктов сгорания и образующие огневую поверхность 43 пера. Керамическое покрытие скреплено с жгутами, расположенными в пазах, керамическим вяжущим, находящимся в горле 44 паза. Паз 45, выполненный на спинке, соединен с соответствующим ему пазом 46, выполненным на корыте, каналом 47, выполненным внутри основания. В пазах 45, 46 расположен непрерывный жгут 48, образующий петлю 49, которая огибает основание лопатки по каналу 47. Аналогично, другим парам пазов, 50 и 51, 52 и 53, соответствуют петли 54, 55. Непрерывный жгут образует обмотку 56 с витками 57, 58, которые огибают торец 11 стержня пера и удерживают скрепленное с витками волокнистое керамическое покрытие 4. В дополнительном варианте турбинной лопатки (фиг.4, 5) пазы 59, 60, 61 выполнены волнистыми с максимальным углом отклонения от среднего направления
![турбинная лопатка, способ ее изготовления и способ защиты от коррозии, патент № 2078945](/images/patents/394/2078008/945.gif)
![турбинная лопатка, способ ее изготовления и способ защиты от коррозии, патент № 2078945](/images/patents/394/2078145/176.gif)
![турбинная лопатка, способ ее изготовления и способ защиты от коррозии, патент № 2078945](/images/patents/394/2078204/937.gif)
D(
![турбинная лопатка, способ ее изготовления и способ защиты от коррозии, патент № 2078945](/images/patents/394/2078358/8706.gif)
![турбинная лопатка, способ ее изготовления и способ защиты от коррозии, патент № 2078945](/images/patents/394/2078358/8706.gif)
![турбинная лопатка, способ ее изготовления и способ защиты от коррозии, патент № 2078945](/images/patents/394/2078034/8773.gif)
![турбинная лопатка, способ ее изготовления и способ защиты от коррозии, патент № 2078945](/images/patents/394/2078034/8773.gif)
где D коэффициент диффузии частиц определенного вещества в воздухе;
c концентрация частиц;
cо значение концентрации на огневой поверхности покрытия;
x координата по толщине покрытия;
a толщина покрытия;
v средняя скорость течения воздуха в порах покрытия. В волокнистом покрытии устанавливается перепад
![турбинная лопатка, способ ее изготовления и способ защиты от коррозии, патент № 2078945](/images/patents/394/2078069/916.gif)
![турбинная лопатка, способ ее изготовления и способ защиты от коррозии, патент № 2078945](/images/patents/394/2078069/916.gif)
c(x) cоexp(-vx/D), (2)
и составляет на поверхности металла
c(a) cоexp(-va/D), (3)
причем внезапное расширение поры вблизи металла, обусловленное безадгезионным характером покрытия, не влияет на концентрацию, так как она непрерывна. Пример. D 3 см2/с (CO2 и CO в воздухе при 1400 К), a 0,2 см. Для уменьшения концентрации в 2,7 раза (e) необходима скорость v 3 см2с-1/0,2 см 15 см/с, а для уменьшения в 100 раз (
![турбинная лопатка, способ ее изготовления и способ защиты от коррозии, патент № 2078945](/images/patents/394/2078023/8776.gif)
![турбинная лопатка, способ ее изготовления и способ защиты от коррозии, патент № 2078945](/images/patents/394/2078213/920.gif)
![турбинная лопатка, способ ее изготовления и способ защиты от коррозии, патент № 2078945](/images/patents/394/2078213/920.gif)
![турбинная лопатка, способ ее изготовления и способ защиты от коррозии, патент № 2078945](/images/patents/394/2078008/183.gif)
Класс F01D5/16 для устранения вибрации лопаток
Класс F01D5/26 противовибрационные средства, не ограничивающиеся формой лопаток или соединением лопаток между собой