Керамічна лопатка турбіни з малими термічними напругами

Изобретение относится к области двигателестроения и может найти применение в конструировании высокотемпературных газовых турбин в авиационной и машиностроительной промышленности. Известна лопатка турбины, например, газовой, содержащая перо лопатки, выполненное из керамического материала, обладающего хорошими жаропрочностью и механической прочностью, внутри пера лопатки имеется полость, боковая стенка которой перегибается назад в зоне передней кромки пера, а в зоне задней кромки между стенками брюшка и спинки оставлена щель. Благодаря этому температура внутри полости практически равна температуре с внешней стороны лопатки [1]. Существенные недостатки известного устройства состоят в том, что: 1) щель между брюшком и спинкой в задней кромке лопатки размыкает ее контур, а как известно из строительной механики, разомкнутый контур лопатки не способен воспринимать касательные напряжения, которые возникают при работе лопатки на скручивание от действия центробежных сил при вращении и газовых сил при ее обтекании; 2) щель в задней кромке лопатки в виду разности давления у носовой части лопатки и хвостовой приводит к увеличению перетекания газа между концевой частью лопатки и бандажом, который полезной работы создавать не будет; 3) при такой конструкции пера лопатки во внутренней полости газообмен будет создаваться только в задней ее части, а в передней части внутренней полости он практически будет отсутствовать, что приведет к высоким значениям температурных напряжений. Задачей изобретения является обеспечение переменности сечения пера лопатки, снижение термических напряжений, устранение вторичных и вихревых течений путем конструирования стенки пера лопатки по высоте равнопрочной и создания во внутренней полости пера лопатки интенсивности циркуляции газа от корня до концевой ее части, обеспечивая тем самым снятие термических напряжений, устранение вторичных и вихревых течений. Задача решается тем, что в керамической лопатке турбины, содержащей перо лопатки, внутри которой имеется полость, открытая в концевой части, согласно изобретению, стенка пера лопатки от корневой части к концевой изготовлена переменным сечением в соотношении 4,2-5,8, а в корневой части пера лопатки в стенке со стороны корыта выполнено не менее двух отверстий диаметром от 1,3 до 3,2 мм. Сущность предлагаемого устройства заключается в следующем. Как отмечается (см. Б.С. Стечкин и др. Теория реактивных двигателей (лопаточные машины). М.: Госиздат оборонной промышленности, 1956, 548с, с, 422), относительная толщина стенок по высоте лопатки уменьшается, так, например, у корня а у концевой части пера лопатки она составляет где hK - толщина стенки лопатки у корня; bk -хорда лопатки у корня; hn -толщины стенки пера лопатки у ее конца; bn - хорда пера лопатки у конца. Величина хорды лопатки по высоте практически остается постоянной, то есть bк @ bn, тогда относительная толщина стенки у корня hk к толщине стенки у конца пера лопатки hn определится соотношением Изготовление стенки пера лопатки от корневой части к концевой переменного сечения позволяет; 1) создать перо лопатки равнопрочной по высоте; 2) изготовление внутренней полости пера лопатки, расширяющейся от корня к концевой части, позволяет значительно упростить процесс изготовления (легко извлекать внутренний стержень из полости пера). Выполнение в корневой части пера лопатки в стенке со стороны корыта не менее двух отверстий диаметром от 1,3 до 3,2 мм позволяет: 1) создать интенсивную циркуляцию газа во внутренней полости пера лопатки от замка до конца лопатки на всех режимах и, особенно, на переходных, что позволяет выравнить температуры с внутренней и внешней поверхностей лопатки и тем самым снять термические напряжения, которые очень опасны для керамических лопаток. Из теории центробежных компрессоров известно, что внутренняя полость рабочей лопатки турбины при вращении работает как центробежный насос с осевым входом (см. К,В. Холщевников. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М.: 1970, 610 с, с. 53-54); 2) давление газа во внутренней полости пера лопатки к периферии будет возрастать за счет действия центробежных сил вращения, а, следовательно, выходящий газ из концевой части пера лопатки будет воздействовать на основной поток, что приведет к уменьшению перетекания рабочего тела через зазор между концом лопатки и бандажом, следовательно, будет создаваться газовая завеса для основного потока. Из теории авиационных двигателей известно, что уменьшение перетекания рабочего тела между концом лопатки и бандажом приводит к увеличению КПД турбины; 3) выполнение в стенке пера рабочей лопатки со стороны корыта не менее двух отверстий позволяет впервые решить одну очень важную задачу - это полностью исключить вторичные течения, которые обычно образуются за счет перетекания газа из области корыта (повышенное давление) в область спинки (пониженное давление) лопатки за счет разности давлений на торцевой стенке в пределах пограничного слоя. Эта разность давлений в пограничном слое устраняется за счет отсоса массы газа через отверстия в корневой части через полость пера к концу лопатки, путем действия центробежных сил вращения, а затем эта масса газа выходит в зазор между концом лопатки и бандажом; 4) диаметр отверстий от 1,3 мм до 3,2 мм в корневой части пера лопатки турбины в стенке со стороны корыта выбирается из условия толщины пограничного слоя dx на торцевой части замка в месте стыка его с пером лопатки. Расчет по определению d x производится по формуле где ν - коэффициент кинематической вязкости газов при данной температуре; Χi - сечение, отстоящее от передней кромки замка лопатки до расчетной точки на корыте; W 1 -относительная скорость в расчетной точке на корыте (см. С.С, Кутателадзе, В.М. Борищанский. Справочник по теплопередаче. Госэнергоиздат, М.; 1955, с. 116). Для современных газовых турбин ГТД длина образующей корыта лежит от Χ 1 = 0,05 м до Х2 = 0,15 м. Расчет произведем для средней арифметической длины образующей корыта, т.е. Хcp = 0-10 м для сечения удаленного от передней кромки замка на Χ 1 = 0,05 м, тогда при Тз* = 1600-1800 К, W 1 = 350 м/с и v = 241*10-6 м2/с получим d x @ 0,37 Как видно из расчета диаметр отверстий в заявке составляет от 1,3 мм до 3,2 мм, что вписывается в толщину пограничного слоя. Для лопаток с меньшей образующей корыта следует выбирать диаметр отверстий ближе к нижнему значению, а для большей образующей корыта ближе к верхнему значению. Итак, из вышеописанного видно, что изготовление пера лопатки переменного сечения позволяет выполнить ее равнопрочной, упростить технологию ее изготовления. Выполнение в корневой части пера лопатки отверстий в стенке со стороны корыта позволяет: 1) практически полностью снять термические напряжения в пере лопатки на стационарных и переходных режимах за счет интенсивной циркуляции массы газа от корневой части через отверстия, внутреннюю полость, к концу пера лопатки, которая и выходит в зазор между концом лопатки и внешним бандажом; 2) уменьшить перетекание основного потока газа через зазор между концом лопатки и внешним бандажом, а также из области корыта в область спинки; 3) исключить полностью вторичные и вихревые течения за счет засасывания пограничного слоя с торцевой стенки замка через отверстия, расположенные со стороны корыта пера лопатки. На фиг. 1 изображен общий вид керамической лопатки турбины; фиг. 2 - вид А-А на фиг. 1. Керамическая лопатка турбины состоит из пера лопатки 1, замка 2, отверстий 3, открытой полости 4 и внутренней полости 5. Стрелками на фиг. 1 и 2 показано движение газа от входа через отверстия 3, расположенных на стыке пера лопатки 1 с замком 2, внутреннюю полость 5 пера лопатки 1 и выходит через открытую полость 4. Устройство работает следующим образом. При движении основного потока газа через проточную часть, которая образована внешним и внутренним бандажами (на фиг. 1 и фиг. 2 не показаны) и далее он попадает во вращающиеся межлопаточные каналы пера лопатки 1 и торцевой стенкой замка 2. Дальнейшая циркуляция газа во внутренней полости 5 пера лопатки 1 с целью выравнивания температур с внешней и внутренней поверхностей осуществляется следующим образом. При вращении лопаток 1 турбины на массу газа, которая находится во внутренней полости 5 пера лопатки 1, действует поле центробежных сил, За счет действия этих сил масса газа из области пограничного слоя на стенке замка 2 засасывается через отверстия 3 и поступает во внутреннюю полость 5 пера лопатки 1 и далее эта масса выходит через открытую полость 4 в зазор между концом пера лопатки 1 и внешним бандажом {на фиг. 1 и фиг. 2 не показан}. Выходящая масса газа из открытой полости 4 воздействует на основной поток и тем самым уменьшает перетекание рабочего тела через зазор между концом пера лопатки 1 и внешним бандажом (на фиг. 1 и фиг. 2 не показаны), а также от корыта к спинке лопатки 1, что приводит к повышению КПД турбины. Засасывание массы газа через отверстия 3 из пограничного слоя с торцевой стенки замка 2 пера лопатки 1 позволяет полностью исключить образование вторичных и вихревых течений в межлопаточном канале лопаток турбины в области стенки замка 2. Преимущества предлагаемого устройства керамической лопатки турбины перед известными состоят в том, что: 1) лопатка становится переменного сечения по высоте; 2) упрощается технология ее изготовления; 3) практически полностью снимаются термические напряжения при работе лопаток турбины на стационарных и переходных режимах, что повышает надежность и долговечность работы; 4) полностью исключаются вторичные и вихревые течения на торцевой стенке замка за счет засасывания пограничного слоя через отверстия 3; 5) уменьшается перетекание основного потока через зазор между концом лопатки и внешним бандажом, а также от корыта к спинке лопатки. Исключение вторичных и вихревых течений, а также уменьшение перетекания основного потока через зазор приводит к повышению КПД турбины.