RU2118462C1

RU2118462C1 - Turbomachine rotating blade

Info

Publication number: RU2118462C1
Application number: RU95112873A
Authority: RU
Inventors: В.Ю. Тихоплав; А.И. Федотов; А.В. Сударев; В.Я. Подгорец; Т.С. Тихоплав; А.С. Молчанов
Original assignee: Акционерное общество "К.Т.С."
Priority date: 1995-07-20
Filing date: 1995-07-20
Publication date: 1998-08-27

Abstract

FIELD: axial-flow turbomachines (gas and steam turbines and compressors) whose blades suffer high temperatures and stresses, as well as corrosion and erosion effect of working media. SUBSTANCE: blade has lock 1, feather 2, inner collar 4, peripheral collar 6, short superenclosures 3 and 5, primarily metal minienclosures , protective coatings, sliding side supports. Short superenclosures 3 and 5 secured to intermediate and peripheral collars, respectively, suffer much lower stresses under action of centrifugal forces of their masses than long monosuperenclosure secured on periphery. Total tensile stresses are also much lower in peripheral part of feather. Stack of minienclosures whose surfaces are covered with protective coatings ensure thermal protection of feather by reducing intensity of heat radiation fluxes, improving heat transfer and convection, thereby reducing temperature of feather metal and of minienclosure materials. Sliding side supports are made in the form of projections on inner surface of superenclosures which increases their bending strength and rigidity. EFFECT: improved strength, temperature conditions, erosion and corrosion protection of blade. 4 cl, 4 dwg

Description

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. The invention relates to turbine engineering and can be used in axial turbomachines - gas and steam turbines and compressors, the blade apparatus of which operates at high temperatures and voltages, as well as under conditions of corrosion and erosion of the working fluid on the working blade of a turbomachine.

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. Known and widespread working blades of gas turbines, consisting of a pen made in the form of a metal cooled shell fixed to the blade in the root section, a central rod made in the form of a deflector inserted inside the shell, shelf and lock (Kopelev S.Z., Slitenko A.F. Designs and calculation of cooling of gas turbine engines. / Ed. By Slitenko A.F. - Kh.: Publishing House "Osnova", at Kharkiv University, 1994, pp. 44-70). However, this technical solution is associated with the consumption of a large amount of cooling air and with a decrease in the efficiency of gas turbine engines.

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). A known blade of an axial gas turbine, consisting of a pen in the form of a metal supporting rod, a shelf, a lock connecting a metal supporting rod with a rotating impeller, and a single ceramic mono-supershell, the only one along the length of the rod, inside which the supporting rod passes, and at the periphery of the rod, a shelf connected to it is installed, which, when the impeller rotates, acts as a hinge support for the ceramic mono-super-shell pressed to it (by centrifugal force). (UK patent N 2123489, NKI FIV, MKI, F 01 D 5/28, 1984). However, this technical solution also has a significant drawback: it does not provide the required reliability of a turbomachine with its high power (V.Yu. Tikhoplav, AV Sudarev, AP Orlov. Choice of the structure of a high-temperature gas-turbine unit with ceramic elements. Industrial heat engineering . 1990, v. 12, No. 4, pp. 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). It is known that in the near future one can seriously rely on progress in gas turbine construction with the wide use of primarily heat-resistant metal alloys in combination, where possible, with the use of structural ceramic materials and composites (1) (A.V. Sudarev. Prospects for creating stationary power engineering of eco-friendly ceramic gas turbine engines. Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Power engineering, 1992, N 1, pp. 49-59).

Техническое решение (2) принято за прототип. Technical solution (2) is taken as a prototype.

Цель изобретения - повышение надежности лопатки путем снижения напряжений. The purpose of the invention is to increase the reliability of the blade by reducing stress.

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. This goal is achieved by the fact that, firstly, the supershell in length is made integral in the form of a set of short supershells with local fixation or resting on the shelf along the perimeter of the pen of each short supershell only in the zone of its peripheral section; secondly, the super-shell in thickness is made composite in the form of a package of predominantly metallic mini-shells inserted one into another with local fastening or resting on a shelf along the perimeter of the pen of each mini-shell only in the area of its peripheral section; thirdly, the supershell contains sliding side supports in the form of discrete protrusions on its inner surface; fourthly, at least one minishell and feather have protective coatings on their surfaces.

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". The applicant has not found technical solutions in open and accessible sources of information, the essential features of which, as applied to a rotating working blade of a turbomachine, are identical and equivalent to those stated, therefore the invention meets the criterion of "significant differences".

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. The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. Figure 1 shows the working blade of a turbomachine, in which only two short supershells — root 3 and peripheral 5 and only two metal mini-shells — inner 7 and outer 8 — are conventionally taken as an example. In reality, there can be any other acceptable amount.

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. The working blade of the turbomachine contains a lock 1, a feather 2, an inner shelf 4, a peripheral shelf 6, short supershells 3 and 5, mainly metal mini-shells 7 and 8, layers of protective coatings 9, 10 and 11, sliding side supports 12, 13 and 14.

Рабочая лопатка турбомашины работает следующим образом. The working blade of a turbomachine works as follows.

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. When the rotor blade of a turbomachine rotates in a high-temperature flow of a working fluid (steam, gas, air), a stress-strain state is formed in the structure, determined by the fields of aerodynamic and centrifugal forces and the temperature field of the material of the parts. Under the action of the centrifugal forces of their own masses, short supershells 3 and 5, due to the fastening along the perimeter of the feather of each of them only in the zones of their peripheral sections, that is, due to their fastening to the intermediate 4 and peripheral 6 shelves, respectively, are compressed, and the compression stresses in their root sections are equal to zero, and in peripheral sections they are maximum.

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. The centrifugal forces of the own mass of pen 3 and the masses of short supershells 3, 5 and shelves 4, 6 hung on the pen create tensile stresses that increase in direction from the periphery of the blade to its root.

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. The supershell serves as a thermal protection of the pen, providing a reduction in the power of heat fluxes from the working fluid to the metal of the cooled pen. The supershell gained this quality due to the fact that it is made in the form of a package consisting of several screens - mainly metal mini-shells 7 and 8, each of which reduces the heat flux by two times, as well as from several layers of the thermal barrier coating 9, 10 and 11 , each of which reduces the power of the heat flux by thermal conductivity. Air gaps also reduce the power of heat fluxes by convection and heat conduction. As a result of physical processes in the turbomachine, the temperature of the pen metal always turns out to be significantly lower than the temperature of the metal of the mini-shells. Moreover, the indicated temperature ratio is maintained within acceptable limits during the entire operation time of the turbomachine spontaneously.

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. The aerodynamic forces from the influence of the flow of the working fluid on the supershell are transmitted to the pen through the sliding side supports located on the inner surface of each short supershell. In this way, sufficient strength and stiffness of the short supershells with respect to their bending and stability are ensured.

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. It is known (P. B. Mikhailov-Mikheev. Handbook of metallic materials of turbine and engine building. -M.-L .: Mashgiz, 1961, p. 25-27, 60-61) that the feature of compression as a stress state is the impossibility of destruction ductile metals, which are essentially all heat-resistant metal alloys. By definition, ductility is the ability of metals to perceive plastic (residual) deformation without collapsing.

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. The peculiarity of compression of plastic materials is due to the fact that, due to an increase in the cross section of the sample during compression, the true stresses during compression turn out to be smaller in magnitude, and not more than the conditional stresses determined for a constant cross sectional area.

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. Thus, a supershell compressed by centrifugal force of its own masses can operate without destruction at a significantly higher temperature of a heat-resistant metal alloy than a feather stretched by the same centrifugal force.

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). To counter the creep factor of heat-resistant metal alloys, of which mini-shells are mainly made, the claimed solution reduced the compressive stress in the super-shell and the temperature of its materials. The first is achieved through the use of a super shell made along the length of the composite (Fig. 1, a) the second - through the use of traditional cooling of the blade, as well as through the use of a super shell made through the thickness of the composite using thermal barrier coatings (Fig. 1, c).

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. In FIG. Figure 2 presents, as an example, the calculated graphs of the dependences on the radius of the stress modulus due to the centrifugal forces of the own masses: compression in the composite over the length of the supershell (curves 1), compression in a monolithic supershell (curve 2), stretching in the pen (curves 3, 4 and 5) . In this case, curve 3 reflects the example corresponding to FIG. 1a, curves 4 and 5 correspond to a pen with a monolithic super-shell hung on it, fixed to the pen only in section 1-1, and to a pen without a shell.

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. From the graphs in FIG. 2 shows how efficiently the compression stress in the supershell reduces the structure of the turbomachine blade shown in FIG. 1 a. Total tensile stresses are also significantly reduced in the peripheral part of the pen.

Все расстроенные выше факторы приводят к принципиальному повышению надежности рабочей лопатки турбомашины, предложенной заявителем. All the factors upset above lead to a fundamental increase in the reliability of the working blades of the turbomachine proposed by the applicant.

Claims

\ \ \ 1 1. The working blade of a turbomachine, consisting of a feather, a shelf, a lock and a profile super shell installed in relation to the pen with a gap, characterized in that, in order to increase the reliability of the blade by reducing stresses, the super shell is made in length in the form of a composite a set of short supershells with local fixation or resting on a shelf around the perimeter of the pen of each short supershell only in the zone of its peripheral section. \ \\ 2 2. The working blade according to claim 1, characterized in that the super-shell in thickness is made integral in the form of a packet of predominantly metallic mini-shells inserted one into another with local fastening or resting on a shelf along the perimeter of the pen of each mini-shell only in the area of its peripheral section . \\\ 2 3. The working blade according to claims 1 and 2, characterized in that the super-shell contains sliding side supports in the form of discrete protrusions on its inner surface. \\\ 2 4. The working blade according to claims 1 and 2, characterized in that at least one minishell and feather have protective coatings on their surfaces.