RU2433276C2

RU2433276C2 - Gas turbine cermet blade

Info

Publication number: RU2433276C2
Application number: RU2009143051/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Владимирович Сударев (RU); Анатолий Владимирович Сударев; Андрей Андреевич Сурьянинов (RU); Андрей Андреевич Сурьянинов; Александр Сергеевич Молчанов (RU); Александр Сергеевич Молчанов; Юлия Владимировна Колачева (RU); Юлия Владимировна Колачева
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-11-10
Also published as: RU2009143051A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: axial-flow turbo machine blade consists of metal structural rod, shaped ceramic shell, deflector and two-layer heat isolator embracing deflector. Structural rod comprises stem made up of lock elements and bush flange, and radial rod with support flange on its edge. Support flange accommodates retainer flange made from refractory metal alloy jointed with support flange inner surface. Heat isolation outer layer fits ceramic shell inner edge, while inner layer adjoins radial rod. Radial lengths of ceramic shell, deflector, and two-layer heat isolation are identical and equal to radial distance from bush flange to support flange. Ceramic shell radial shape represents separate segments with boundary surfaces interconjugated and perpendicular to radial axis of structural rod. Inner surface of first segment, if seen from the bush flange, fits bush flange. Outer radial surface of said rod fits inner surface of support flange.

EFFECT: higher reliability.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к осевым газовым турбинам предельно высокотемпературных газотурбинных установок.The invention relates to power engineering, in particular to axial gas turbines of extremely high temperature gas turbine plants.

Цель изобретения - повышение надежности газотурбинных установок, в том числе при экстремальных температурных параметрах теплового цикла.The purpose of the invention is to increase the reliability of gas turbine plants, including at extreme temperature parameters of the heat cycle.

Известна конструкция лопатки осевой турбомашины, преимущественно газовой турбины (Ceramic Gas Turbine Design and Test Experience / edited by Mark van Roode, Matisson K. Ferber, and David W. Richerson. New York, ASME PRESS, 2002. Progress in Ceramic Gas Turbine Development, Volume 1, Chapter 32, p.700, Fig.32.17), состоящая из металлического несущего стержня с радиальной осью, включающего хвостовик, состоящий из элементов замкового соединения, преимущественно елочного типа, с валом ротора, и втулочной полки, радиального стержня с несущей полкой на периферии радиального стержня, на несущей полке установлена бандажная полка преимущественно из жаропрочного металлического сплава с наружной и внутренней поверхностями, при этом наружная поверхность сопряжена с внутренней поверхностью несущей полки, профилированной керамической оболочки, дефлектора, двухслойной тепловой изоляции, охватывающей дефлектор, при этом наружный слой тепловой изоляции прилегает к внутреннему обводу профилированной керамической оболочки, а внутренний слой прилегает к радиальному стержню, кроме того, радиальная протяженность профилированной керамической оболочки, дефлектора и двухслойной тепловой изоляции равны между собой и радиальному расстоянию от втулочной полки до бандажной полки. Это техническое решение принято за прототип.Known for the design of an axial turbomachine blade, mainly a gas turbine (Ceramic Gas Turbine Design and Test Experience / edited by Mark van Roode, Matisson K. Ferber, and David W. Richerson. New York, ASME PRESS, 2002. Progress in Ceramic Gas Turbine Development, Volume 1, Chapter 32, p.700, Fig.32.17), consisting of a metal bearing rod with a radial axis, including a shank, consisting of locking elements, mainly Christmas-tree type, with a rotor shaft, and a sleeve shelf, a radial shaft with a bearing shelf predominantly a retaining shelf is mounted on the periphery of the radial rod, on the supporting shelf from a heat-resistant metal alloy with outer and inner surfaces, while the outer surface is conjugated to the inner surface of the carrier shelf, profiled ceramic shell, deflector, two-layer thermal insulation covering the deflector, while the outer layer of thermal insulation is adjacent to the inner contour of the profiled ceramic shell, and the inner the layer is adjacent to the radial rod, in addition, the radial length of the profiled ceramic shell, deflector and two-layer heat th isolation are equal to each other and to the radial distance from the sleeve shelf to the retaining shelf. This technical solution is taken as a prototype.

Недостаток этой конструкции заключается в пониженной надежности по отношению к металлическим аналогам.The disadvantage of this design is the reduced reliability in relation to metal counterparts.

Указанный недостаток предлагается устранить тем, что профилированная керамическая оболочка выполнена в радиальном направлении в виде отдельных не скрепленных между собой сегментов с пограничными поверхностями, безуступно сопряженными между собой в плоскостях, перпендикулярных радиальной оси несущего стержня, при этом внутренняя пограничная поверхность первого от втулочной полки сегмента без зазора сопряжена с втулочной полкой, а наружная по радиусу пограничная поверхность последнего от втулочной полки сегмента без зазора сопряжена с внутренней поверхностью бандажной полки. Кроме того, радиальный стержень выполнен профилированным, с распределением площадей в сечениях, перпендикулярных оси стержня, обеспечивающим равную длительную прочность материала стержня на номинальном режиме в условиях нагрузки стержня центробежными силами от всех элементов лопатки и поля температур в материале стержня. При этом распределение по радиусу относительного удлинения сегментов S=L/B, где L - радиальная протяженность сегмента, В - хорда сегмента, обеспечивает равную вероятность разрушения единичных сегментов, а относительное удлинение S любого из сегментов не превышает 1.It is proposed to eliminate this drawback by the fact that the profiled ceramic shell is made in the radial direction in the form of separate segments not bonded to each other with boundary surfaces that are seamlessly mated with each other in planes perpendicular to the radial axis of the bearing rod, while the inner boundary surface of the first segment from the sleeve shelf without the gap is mated to the sleeve shelf, and the outer radially boundary surface of the latter from the sleeve shelf of the segment without the gap mating and the inner surface of shroud flange. In addition, the radial rod is made profiled, with the distribution of areas in sections perpendicular to the axis of the rod, providing equal long-term strength of the rod material in the nominal mode under the conditions of the rod loading by centrifugal forces from all elements of the blade and the temperature field in the rod material. The radius distribution of the relative elongation of the segments S = L / B, where L is the radial extension of the segment, B is the chord of the segment, provides an equal probability of destruction of single segments, and the relative elongation S of any of the segments does not exceed 1.

На чертеже представлена конструкция лопатки осевой турбомашины. Лопатка состоит из металлического профилированного несущего стержня 1 с радиальной осью 2. Несущий стержень 1 прочно соединен с хвостовиком 3 замкового соединения, включающим втулочную полку 4, и с несущей полкой 5 через переходный участок 6 несущего стержня 1. На несущей полке 5 установлена бандажная полка 7 с наружной 8 и внутренней 9 поверхностями.The drawing shows the design of the blades of the axial turbomachine. The blade consists of a metal profiled supporting rod 1 with a radial axis 2. The supporting rod 1 is firmly connected to the shank 3 of the castle connection, including the sleeve shelf 4, and to the supporting shelf 5 through the transition section 6 of the supporting rod 1. A retaining shelf 7 is mounted on the supporting shelf 5 with outer 8 and inner 9 surfaces.

Наружная поверхность 8 сопряжена с внутренней поверхностью несущей полки 5. Лопатка включает также профилированную керамическую оболочку 10, состоящую из сегментов 11, дефлектора 12, двухслойную охватывающую дефлектор 12 тепловую изоляцию 13. Поверхность первого от втулочной полки 4 сегмента 11 без зазора сопряжена с втулочной полкой 4, а наружная по радиусу пограничная поверхность последнего от втулочной полки 4 сегмента без зазора сопряжена с внутренней поверхностью 9 бандажной полки 7.The outer surface 8 is associated with the inner surface of the carrier shelf 5. The blade also includes a profiled ceramic shell 10 consisting of segments 11, a deflector 12, two-layer thermal insulation covering the deflector 12 13. The surface of the first segment from the sleeve shelf 4 of segment 11 is mated to a sleeve shelf 4 and the outer radius radius of the boundary surface of the latter from the sleeve shelf 4 segments without a gap is mated with the inner surface 9 of the retaining shelf 7.

Лопатка в составе газотурбиной установки работает следующим образом. The blade in the gas turbine installation works as follows.

При исполнении лопатки в соответствии с изобретением нагрузка на профилированную сегментированную 11 керамическую оболочку 10 в основном формируется центробежной силой, прижимающей периферийное сечение последнего по радиусу сегмента 11 оболочки 10 к внутренней поверхности бандажной полки 7 и, соответственно, прижимающей последовательно сегменты 11 по поверхностям стыковки их между собой. При строго радиальной ориентации оси 2 металлического несущего стержня формально инициируются строго сжимающие напряжения в материале сегментов 11 оболочки 10. При этом чем ближе сегмент 11 к бандажной полке 7, тем выше напряжения в материале соответствующего сегмента. Кроме того, силовое взаимодействие потока рабочего тела с наружной поверхностью сегментов 11 оболочки 10 инициирует сугубо переменные по секторам 11 распределенные нагрузки на сектора 11, при этом точки приложения равнодействующих векторов распределенных нагрузок по всем сегментам 11 лежат в плоскостях, близких к плоскостям, нормальным к радиальной оси 2, и в общем случае не идентичны по величине и координатам точек приложения.When the blades are made in accordance with the invention, the load on the profiled segmented 11 ceramic shell 10 is mainly formed by centrifugal force, pressing the peripheral section of the latter along the radius of the segment 11 of the shell 10 to the inner surface of the retaining shelf 7 and, accordingly, sequentially pressing the segments 11 along the surfaces of their joint between by myself. With a strictly radial orientation of the axis 2 of the metal supporting rod, strictly compressive stresses are formally initiated in the material of the segments 11 of the sheath 10. Moreover, the closer the segment 11 is to the retaining shelf 7, the higher the stresses in the material of the corresponding segment. In addition, the force interaction of the flow of the working fluid with the outer surface of the segments 11 of the shell 10 initiates purely distributed across sectors 11 distributed loads on sectors 11, while the points of application of the resultant vectors of distributed loads across all segments 11 lie in planes close to planes normal to the radial axis 2, and in the general case are not identical in magnitude and coordinates of application points.

В монооболочке прототипа априори формируется результирующее сложно напряженное поле, содержащее весь возможный спектр знаков напряжений: сжимающих, растягивающих, изгибных, в том числе кручения. Прогноз вероятности превышения допустимых напряжений, в основном растяжения, хотя бы в одной точке оболочки крайне затруднителен, особенно при учете неизбежного силового взаимодействия внутренней поверхности оболочки опосредствованно через слой изоляции 13 с дефлектором 12. Это обстоятельство, в сочетании с крайне негативным влиянием масштабного фактора в керамических технологиях - чем абсолютно больший физический размер изделия, тем большая вероятность различного типа нарушений гомогенности структуры материала изделия приводит к априори негативному существенному ограничению уровня расчетных напряжений в изделии и, как правило, к существенному ограничению уровня кинематических и газодинамических параметров в изделии.In the mono-shell of the prototype, a resultant complex stress field is formed a priori, containing the entire possible spectrum of stress signs: compressive, tensile, bending, including torsion. The forecast of the probability of exceeding permissible stresses, mainly tension, at least at one point of the shell is extremely difficult, especially when taking into account the inevitable force interaction of the inner surface of the shell indirectly through the insulation layer 13 with the deflector 12. This circumstance, combined with the extremely negative influence of the scale factor in ceramic technologies - the absolutely larger physical size of the product, the greater the likelihood of various types of violations of the homogeneity of the structure of the material of the product leads to for a negative significant limitation of the level of design stresses in the product and, as a rule, to a significant limitation of the level of kinematic and gas-dynamic parameters in the product.

Эти негативные тенденции в существенной мере локализуются при сегментном исполнении профилированной керамической оболочки, выполненной в соответствии с предложенным техническим решением, за счет принципиального количественного смягчения влияния обобщенного масштабного фактора для данного керамического изделия, включающего локализацию в пределах сегмента силовой газодинамической составляющей, основной причины формирования сложно напряженного состояния, а также тривиального уменьшения физического размера сегмента керамической оболочки.These negative trends are significantly localized in the segmented execution of a profiled ceramic shell made in accordance with the proposed technical solution, due to the fundamental quantitative mitigation of the influence of the generalized scale factor for this ceramic product, including localization within the segment of the force gas-dynamic component, the main reason for the formation of complex stress state, as well as trivial reduction of the physical size of the ceramic segment shell.

При соответствующих условиях по соотношению действующих на сегменты в радиальном направлении центробежных сил и газодинамических сил в плоскостях нормальных к оси возможен разворот части сегментов относительно друг друга в пределах, определяемых геометрическими и физическими характеристиками наружного по отношению к оси слоя изоляции. Экспериментальные исследования, проведенные на кафедре турбиностроения ЛПИ им. М.И. Калинина (г. Санкт-Петербург), показали практическое отсутствие влияния подобной неравномерности на характеристики турбинной ступени.Under appropriate conditions, according to the ratio of centrifugal forces and gas-dynamic forces acting on segments in the radial direction in the planes normal to the axis, it is possible to turn part of the segments relative to each other within the limits determined by the geometric and physical characteristics of the insulation layer external to the axis. Experimental studies conducted at the Department of Turbine Engineering LPI im. M.I. Kalinina (St. Petersburg), showed the practical absence of the influence of such unevenness on the characteristics of the turbine stage.

Claims

1. The blade of an axial turbomachine, mainly a gas turbine, consisting of a metal supporting rod with a radial axis, including a shank, consisting of locking elements, mainly Christmas-tree type, with the rotor shaft, and a sleeve shelf, a radial rod with a supporting shelf on the periphery of the radial rod, On the supporting shelf, a retaining shelf is installed mainly of heat-resistant metal alloy with outer and inner surfaces, while the outer surface is mated to the inner surface of supporting shelf, profiled ceramic shell, deflector, two-layer thermal insulation covering the deflector, while the outer layer of thermal insulation is adjacent to the inner contour of the profiled ceramic shell, and the inner layer is adjacent to the radial rod, in addition, the radial length of the profiled ceramic shell, deflector and two-layer thermal insulation are equal to each other and to the radial distance from the sleeve shelf to the retaining shelf, characterized in that the profiled ceramic The spider is made in the radial direction in the form of separate segments that are not fastened together, with boundary surfaces that are seamlessly mated with each other in planes perpendicular to the radial axis of the bearing rod, while the inner boundary surface of the first segment from the sleeve shelf is mated to the sleeve shelf without a gap, and the outer radially boundary surface of the latter from the sleeve shelf of the segment without a gap is mated to the inner surface of the retaining shelf.

2. The blade of the axial turbomachine according to claim 1, characterized in that the radial rod is profiled with a distribution of areas in sections perpendicular to the axis of the rod, providing equal long-term strength of the material of the rod in the nominal mode under the conditions of the rod loading by centrifugal forces from all elements of the blade and temperature field in the core material.

3. The blade of the axial turbomachine according to claim 1, characterized in that the radius distribution of the relative elongation of the segments S = L / B, where L is the radial length of the segment, B is the segment chord, provides an equal probability of destruction of individual segments.

4. The blade of the axial turbomachine according to claim 1, characterized in that the relative elongation S of any of the segments is not more than 1.