КОМПОЗИТНАЯ ТУРБИННАЯ ЛОПАТКА ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ
COMPOSITE TURBINE BLADE FOR HIGH-TEMPERATURE APPLICATIONS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к композитной турбинной лопатке для высокотемпературных применений, таких как газовые турбины или газотурбинные двигатели, которые приспособлены для установки и сборки на роторе или диске турбины или двигателя, чтобы образовать разные ступени турбины, в частности в тракте горячего газа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В целях повышения коэффициента полезного действия и эксплуатационных характеристик газотурбинных двигателей, например, существует потребность в турбинах, которые способны работать при более высоких температурах по сравнению с обычными газовыми турбинами. Для удовлетворения данных эксплуатационных требований, ранее предлагалось использовать для изготовления турбинных лопаток так называемые суперсплавы, например, суперсплавы на основе никеля. Однако данные материалы подвержены коррозии и ограничены определенным диапазоном высоких температур. Кроме того, в известном уровне техники, предлагались различные способы охлаждения высокотемпературных турбинных лопаток, например, посредством подачи охлаждающего воздуха. Однако с увеличением температуры возрастает количество необходимого охлаждающего воздуха при снижении общей производительности и коэффициента полезного действия газовых турбин. Для того чтобы дополнительно увеличить температурные свойства турбинных лопаток, изготовленных из суперсплавов, были предложены керамические термозащитные покрытия (thermal barrier coating - TBC). Однако даже при использовании таких турбинных лопаток с керамическим покрытием существуют ограничения по диапазону высокотемпературных применений, притом что их изготовление является довольно сложным.
Кроме того, ранее были предложены турбинной лопатки для высокотемпературных газовых турбин, выполненные из керамических материалов: например, в ЕР 0712382 В1 раскрыто использование эвтектических керамических волокон для изготовления турбинных лопаток, в которых керамические эвтектические волокна используются для изготовления композита с керамической матрицей.
Кроме того, в US 2003/0207155 А1 описаны лопатки высокотемпературной турбины, изготовленные из керамических материалов, в которых предусмотрены охлаждающие каналы для охлаждения турбинных лопаток при работе газового двигателя в высокотемпературных диапазонах.
Однако эти известные турбинной лопатки для высокотемпературных применений имеют недостаток в том, что они требуют либо отдельных охлаждающих средств, таких как охлаждающие каналы, либо не обладают требуемыми механическими свойствами, в частности высокой прочностью, чтобы выдерживать повышенные нагрузки в некоторых частях или участках таких турбинных лопаток. Дополнительной проблемой известных турбинных лопаток, изготовленных из керамических материалов, является то, что они отличаются довольно низкой стойкостью к повреждениям посторонними предметами. Кроме того, вышеописанные эвтектические керамические материалы имеют относительно низкую вязкость разрушения, так что использование таких керамических материалов при изготовлении турбинных лопаток и в частности пера таких лопаток довольно ограничено.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
С учетом данных недостатков, задачей настоящего изобретения является предоставление композитной турбинной лопатки для высокотемпературных применений, которая одновременно сочетает в себе высокую стойкость к повреждениям посторонними предметами с высокой вязкостью разрушения и высокие температурные свойства или диапазон рабочих температур.
Данная задача решается посредством композитной турбинной лопатки с признаками, изложенными в п.1 формулы изобретения. Выгодные предпочтительные варианты осуществления и дополнительные усовершенствования представлены в зависимых пунктах формулы изобретения. Композитная турбинная лопатка в соответствии с настоящим изобретением содержит хвостовик для установки в соответствующем установочном пазу ротора, а также перо, соединенное с указанным хвостовиком, в результате чего предоставляется внутренняя несущая структура, продолжающаяся по меньшей мере на участке указанного хвостовика, а также участке указанного пера, причем указанная лопатка отличается тем, что указанная внутренняя несущая структура выполнена из высокопрочной эвтектической керамики и что указанное перо выполнено из композитного материала с керамической матрицей (ceramic matrix composite - CMC). Указанная внутренняя несущая структура предусмотрена по меньшей мере на некоторых участках хвостовика лопатки, а также пера, соединенного с указанным хвостовиком. Благодаря использованию высокопрочной эвтектической керамики для внутренней несущей структуры, турбинная лопатка обладает требуемыми повышенными механическими свойствами для применения в высокотемпературных диапазонах таких газовых турбин.
Само перо выполнено из другого керамического материала, а именно композитного материала с керамической матрицей или так называемого композитного материала с керамической матрицей (СМС). Данный материал, из которого образуется аэродинамическая форма указанного пера, придает данному участку лопатки высокую стойкость к повреждениям посторонними предметами, а также надлежащую эрозионностойкую структуру. Эрозионная стойкость может быть обеспечена непосредственно СМС материалом или одним или несколькими слоями покрытия, нанесенного на поверхность СМС. Такой СМС материал дополнительно отличается высокой вязкостью разрушения, так что обеспечивается длительный срок службы турбинной лопатки. Поскольку разные элементы или участки турбинной лопатки все выполнены из разных керамических материалов, приспособленных к их соответствующим функциям и положениям, турбинная лопатка специально приспособлена также для высокотемпературных применений, в частности в температурных диапазонах около или выше 1500°С. Благодаря комбинации разных керамических материалов в соответствии с настоящим изобретением с разными элементами или компонентами турбинной лопатки, обеспечиваются требуемые механические свойства и температурные свойства, в разных участках турбинной лопатки: например, корневая часть турбинной лопатки должна выдерживать нагрузку всей лопатки, но обычно подвергается воздействию относительно низких температур при работе газотурбинного двигателя. С другой стороны, данная корневая часть требует при монтаже и демонтаже малых допусков относительно формы. Поэтому хвостовик турбинной лопатки не должен изготавливаться из жаропрочного керамического материала, как например, перо, а может быть выполнен из других керамических материалов и/или сочетания металлических и керамических материалов. Внутренняя несущая структура, которая выполнена из высокопрочной эвтектической керамики, представляет собой внутреннюю часть турбинной лопатки, поэтому она не находится в непосредственном контакте с газами, имеющими высокие температуры, и не подвергается воздействию посторонних предметов или износу, как само перо.
С другой стороны, перо в соответствии с изобретением выполнено из композитного материала с керамической матрицей, который обеспечивает высокие механические свойства, а также стойкость к повышенным температурам до 1500°С или даже 1800°С. Благодаря такому новому исполнению композитной керамической турбинной лопатки, требования к охлаждению значительно уменьшаются. В зависимости от механической нагрузки указанной части и температуры горячего газа, вполне возможно, что такая композитная лопатка не потребует активного охлаждения, например, посредством подачи охлаждающего воздуха. Материалы критических элементов обладают высокой прочностью в высокотемпературных диапазонах. Уменьшение количества охлаждающего воздуха приводит к снижению общей стоимости и повышению эксплуатационных характеристик и коэффициента полезного действия газотурбинного двигателя.
Помимо конкретного приспособления к высокотемпературным применениям, композитная турбинная лопатка настоящего изобретения обладает также преимуществами по весу и эрозионной стойкости. Кроме того, по сравнению с металлическими материалами или металлическими сплавами, использование разных видов керамических материалов в одной и той же турбинной лопатке устраняет проблемы коррозии. При таком композитном исполнении керамической турбинной лопатки настоящего изобретения, сочетание разных керамических (и/или металлических) материалов обеспечивает соответствующие требуемые механические свойства и температурные свойства в разных участках турбинных лопаток, выполняющих разные функции в законченной конструкции лопатки. Основная функция внутренней несущей структуры заключается в том, чтобы выдерживать нагрузки и надежно соединять и фиксировать перо с корневой частью турбинной лопатки. С другой стороны, само перо специально приспособлено к требованиям высоких температур и возможных повреждений посторонними предметами или износа при работе таких газовых турбин или подобных устройств.
2
3
2
2
2
3
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, перо турбинной лопатки выполнено из композитного материала с керамической матрицей (СМС), армированного волокнами. Благодаря использованию СМС материала, армированного волокнами, дополнительно повышается механическая прочность и обеспечивается высокая вязкость разрушения. Волокна для упрочнения композита с керамической матрицей могут представлять собой либо эвтектические керамические волокна либо волокна другого материала, например, на основе оксидного волокна (такого как AlO, муллит, диоксид циркония, стабилизированный иттрием, HfO ZrO или YO). Однако, в соответствии с настоящим изобретением, для упрочнения материала пера предпочтительно использовать керамическое эвтектическое волокно.
В соответствии с другим предпочтительным аспектом изобретения, корневая часть или хвостовик турбинной лопатки выполнен из эвтектического керамического материала с внешним металлическим поверхностным покрытием. Благодаря металлическому покрытию хвостовика, корневая часть может быть образована в пределах малых допусков по требуемой форме для осуществления монтажа и демонтажа турбинной лопатки в соответствующем периферийном установочном пазу газовой турбины. Таким образом, можно создавать хвостовик турбинной лопатки с жесткой финишной обработкой и в то же время способный выдерживать различные виды нагрузки при работе и монтажа и демонтажа лопатки. При этом турбинная лопатка имеет сравнительно малый вес и специально приспособлена для применений в высокотемпературных диапазонах за счет используемого эвтектического керамического материала.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения, керамический матричный композитный материал пера формуют непосредственно на указанной внутренней несущей структуре с получением формы, близкой к заданной форме лопатки. Это значит, что перо формуют или отливают непосредственно на эвтектическом керамическом материале внутренней несущей структуры. Тем самым достигается плотное соединение без необходимости отдельного соединительного средства. Например, после отжига двух элементов и, возможно, дополнительных элементов турбинной лопатки, получается готовая структура композитной турбинной лопатки, которая требует только минимальной механической обработки внешней формы пера. Таким образом, можно также легко достигнуть заданных производственных допусков разных элементов, в частности пера, выполненного из композитного материала с керамической матрицей с и без армирующих волокон.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения, внутренняя несущая структура турбинной лопатки в своем свободном конце, противоположном корневой части лопатки, имеет поперечное сечение по существу анкерной формы. Благодаря такому поперечному сечению анкерной формы в свободном конце внутренней несущей структуры, увеличивается прочность прикрепления к внешнему перу. Например, материал пера можно формовать непосредственно на и вокруг конца анкерной формы внутренней несущей структуры. Кроме того, благодаря данной особенности уменьшается количество необходимого материала и тем самым уменьшается также общий вес турбинной лопатки.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения, хвостовик турбинной лопатки имеет поперечное сечение типа елочка для взаимодействия с соответствующим поперечным сечением указанного установочного паза газотурбинного двигателя. Таким образом, турбинная лопатка может быть установлена непосредственно в соответствующем установочном пазу без необходимости дополнительных фиксирующих средств, таких как зажимы или подобные средства. Благодаря такому соединению с подгонкой формы, дополнительно обеспечивается прочная и долговременная фиксация турбинной лопатки в ее точном заданном положении в газовой турбине.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения, композитная турбинная лопатка содержит средства для соединения указанного пера с указанной внутренней несущей структурой. При использовании дополнительных средств для соединения пера с внутренней несущей структурой, увеличивается фиксирующая сила между этими элементами. Кроме того, в случае высоких нагрузок, действующих на перо при работе газовой турбины, поддерживается узел и точное размещение турбинной лопатки.
В качестве средств для соединения пера с внутренней несущей структурой, турбинная лопатка настоящего изобретения может содержать шликер в соответствующих контактных участках между внешним пером и внутренней несущей структурой, причем указанный шликер спекается при обжиге турбинной лопатки. Таким образом, когда перо и внутренняя несущая структура подвергаются отжигу, автоматически образуется прочное керамическое соединение. Благодаря наличию шликера в соответствующих контактных участках, осуществляется долговечное соединение данных керамических элементов турбинной лопатки.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления в этом отношении, указанные средства для соединения пера с внутренней несущей структурой турбинной лопатки представляют собой элементы формы, такие как отверстия и выступы, выполненные таким образом, чтобы осуществлять механическую блокировку между элементами указанной турбинной лопатки. Например, если внутренняя несущая структура содержит несколько отверстий или выемок, то материал пера, отлитый на внутренней несущей структуре, будет заполнять соответствующие отверстия или выемки. Таким образом создается эффект прочной фиксации, так что разные элементы турбинной лопатки надежно прикрепляются друг к другу. Кроме того, такие элементы формы не требуют дополнительных элементов или деталей для соединения пера с внутренней несущей структурой.
В соответствии с другим альтернативным вариантом осуществления изобретения в этом отношении, указанные средства для соединения пера с внутренней несущей структурой представляют собой комбинации из нескольких отверстий и штифтов. Такие комбинации из нескольких отверстий и штифтов требуют малого пространства в конструкции турбинной лопатки и обеспечивают надежное закрепление. В соответствии с предпочтительным аспектом в этом отношении, указанные штифты могут быть выполнены из плотного керамического материала, так что высокие температуры при работе турбины не будут приводить к опасной деформации между указанными соединительными средствами и другими элементами композитной турбинной лопатки. В альтернативном варианте осуществления, для соединения и прикрепления внешнего пера к внутренней несущей структуре могут быть также использованы керамические вставки. При этом могут быть получены аналогичные полезные эффекты по сравнению с керамическими штифтами, вставленными в отверстия.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения, перо композитной турбинной лопатки имеет полую форму, так что между соответствующими контактными местоположениями с указанной внутренней несущей структурой предусмотрены внутренние полости. Таким образом, ограничивается передача тепла от внешнего пера к внутренней несущей структуре. Кроме того, общий вес турбинной лопатки также уменьшается. И последнее, но не менее важное, необходимое количество материала для образования пера также ограничивается. При этом перо надежно прикреплено к внутренней несущей структуре посредством нескольких контактных участков, в которых материал пера либо непосредственно отлит на внутренней несущей структуре, либо прикреплен к внутренней несущей структуре посредством вышеописанных средств для соединения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Композитная турбинная лопатка в соответствии с настоящим изобретением будет более подробно описана ниже на основе нескольких примеров реализации и со ссылкой на прилагаемые чертежи. В чертежах:
Фиг. 1 представляет собой схематичное поперечное сечение первого примера реализации композитной турбинной лопатки в соответствии с изобретением;
Фиг. 2 представляет собой схематичное поперечное сечение второго примера реализации композитной турбинной лопатки в соответствии с изобретением;
Фиг. 3 представляет собой схематичное поперечное сечение третьего примера реализации композитной турбинной лопатки в соответствии с изобретением;
Фиг. 4 представляет собой схематичное поперечное сечение четвертого примера реализации композитной турбинной лопатки в соответствии с изобретением;
Фиг. 5 представляет собой схематичное поперечное сечение пятого примера реализации композитной турбинной лопатки в соответствии с изобретением;
Фиг. 6 представляет собой схематичное поперечное сечение шестого примера реализации композитной турбинной лопатки в соответствии с изобретением;
Фиг. 7 и 8 представляют собой дополнительные схематичные поперечные сечения примеров реализации композитной турбинной лопатки в соответствии с изобретением.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1-6 показано несколько примеров реализации композитной керамической турбинной лопатки 10 в соответствии с изобретением, которые будут описаны ниже. В соответствии с изобретением описана высокотемпературная композитная турбинная лопатка 10, в которой разные части турбинной лопатки 10 выполнены из разных типов керамических материалов. В зависимости от соответствующих функций, положений и требований разных частей или элементов турбинной лопатки 10, конкретная комбинация керамических материалов и/или металлических материалов или их сплавов используется для обеспечения требуемых и желаемых свойств в разных участках турбинной лопатки, таких как перо 2, хвостовик 1 и внутренняя несущая структура 3. Благодаря такой новой комбинации разных керамических материалов в композитной турбинной лопатке 10 в соответствии с изобретением, создана турбинная лопатка 10, которая приспособлена для использования в высокотемпературных применениях, например при температурах до 1500°С и даже выше, до 1800°С. При этом композитная керамическая турбинная лопатка 10 настоящего изобретения способна выдерживать различные виды нагрузок, возникающих, например, во время монтажа и работы газовой турбины. Перо 2 турбинной лопатки 10 в соответствии с изобретением выполнено из керамического материала с высокой вязкостью разрушения, такого как керамический матричный композитный материал. С другой стороны, внутренняя несущая структура 3 выполнена из высокопрочного керамического материала, т.е. эвтектического керамического материала, примеры которого будут представлены в приведенном ниже описании.
Как показано на Фиг. 1, соответствующей первому примеру реализации турбинной лопатки 10 настоящего изобретения, основными элементами турбинной лопатки 10 являются перо 2 и хвостовик 1, имеющий особую форму поперечного сечения для установки турбинной лопатки 10 в установочном пазу на роторе турбины, как обычно известно в области техники газовых турбин. В данном примере реализации, хвостовик 1 имеет поперечное сечение типа елочка с тремя выступами на каждой стороне лопатки 10. В примере, показанном на Фиг. 1, хвостовик 1 выполнен из материала внутренней несущей структуры 3, который в соответствии с изобретением представляет собой высокопрочный эвтектический керамический материал. Внутренняя несущая структура 3 продолжается от хвостовика 1 вверх к свободному концу турбинной лопатки 10 (верхнему концу на Фиг. 1) с уменьшенным диаметром и концевым участком приблизительно анкерной формы. В данной верхней части внутренней несущей структуры 3, перо 2 образовано непосредственно на и вокруг эвтектического материала внутренней несущей структуры 3. Т-образный участок является так сказать заделанным в материал пера 2. В данном примере реализации, перо 2 имеет приблизительно U-образное поперечное сечение (перевернутое U-образное). Между внутренней несущей структурой 3 и пером 2 остаются незаполненные пространства. Благодаря верхнему концу внутренней несущей структуры 3 с поперечным сечением приблизительно анкерной формы, перо 2 надежно зафиксировано и закреплено на внутренней несущей структуре 3. Для пера 2, которое имеет требуемую аэродинамическую форму и должно быть эрозионностойким, а также быть стойким к повреждениям посторонними предметами, используется другой керамический материал по сравнению с внутренней несущей структурой 3, а именно керамический матричный композитный материал (СМС), в соответствии с настоящим изобретением. Таким образом, материал пера 2 отличается высокой вязкостью разрушения. Указанный керамический матричный композитный материал может содержать армирующие волокна или быть без армирующих волокон.
Поскольку эвтектический керамический материал, используемый для внутренней несущей структуры 3, которая образует также внутреннюю часть хвостовика 1, имеет низкую вязкость разрушения, хвостовик 1 в данном примере реализации (Фиг. 1) может быть снабжен внешним металлическим поверхностным покрытием 4. Внешнее металлическое покрытие 4, например, имеет толщину 0,1-2 мм и наносится на нижнюю часть внутренней несущей структуры 3, выполненной из эвтектического керамического материала. Затем металлическое покрытие 4 может быть подвергнуто механической обработке, чтобы достигнуть требуемых жестких производственных допусков для установки лопатки в соответственно образованном установочном пазу ротора турбины. Благодаря такому металлическому внешнему покрытию 4, получается заданная форма хвостовика 1 в пределах малых допусков, так что возможно точное и надежное прикрепление и монтаж турбинной лопатки 10. Таким образом, хвостовик 1 турбинной лопатки 10 приспособлен выдерживать различные виды нагрузок во время установки и работы газовой турбины, даже, если он, в общем, и целом выполнен практически только из керамических материалов, которые специально приспособлены для высокотемпературных применений. Благодаря данной особой конструкции керамической турбинной лопатки 10, требуемое охлаждение значительно уменьшается или даже становится вообще ненужным. Тем самым повышается общий коэффициент полезного действия турбины и выходная мощность двигателя. Кроме того, турбинная лопатка 10 очень эрозионностойкая и не имеет проблем окисления, которые существуют в турбинных лопатках уровня техники, выполненных из металлических сплавов или даже так называемых суперсплавов. Последние дополнительно требуют большого количества охлаждающего воздуха, что снижает общий коэффициент полезного действия турбины.
Второй пример реализации композитной турбинной лопатки настоящего изобретения показан в схематичном поперечном сечении на Фиг. 2. Единственное отличие по сравнению с вышеприведенным первым примером реализации будет описано ниже. Для других частей применимо вышеприведенное описание первого варианта осуществления. В данном случае внутренняя несущая структура 3 представляет собой продольный прямолинейный элемент с приблизительно I-образным поперечным сечением. Внутренняя несущая структура 3 продолжается от нижнего конца турбинной лопатки 10 до свободного конца на стороне пера 2. Перо 2 имеет такую же форму, как в первом примере реализации, а именно поперечное сечение, имеющее приблизительно перевернутую U-образную форму. Хвостовик 1 выполнен из металлического материала с внутренним центральным отверстием, через которое проходит нижняя часть прямолинейной внутренней несущей структуры 3. Таким образом, в данном примере реализации (Фиг. 2) внешнее металлическое покрытие не предусмотрено, и хвостовик 1 выполнен в виде довольно твердого металлического элемента. Кроме того, в данном случае внутренняя несущая структура 3 выполнена из высокопрочной эвтектической керамики, так что обеспечивается требуемая прочность и жесткость для выдерживания различных видов нагрузки, действующих на турбинную лопатку 10 при работе. С другой стороны, перо 2 выполнено из другого керамического материала, а именно композитного материала с керамической матрицей (СМС). Например, перо 2 образовано непосредственно на свободном конце анкерной формы внутренней несущей структуры 3 после образования хвостовика 1, выполненного из металла или металлического сплава. При таком варианте осуществления, прочность турбинной лопатки 10 дополнительно увеличивается за счет металлического материала, используемого для хвостовика 1 в нижней части турбинной лопатки 10, который обычно не подвергается воздействию повышенных температур, поскольку хвостовик 1 представляет собой более холодный участок турбинной лопатки 10. Вначале из эвтектического керамического материала отливают центральную внутреннюю несущую структуру 3 без хвостовика 1. Затем металл или металлический сплав для хвостовика 1 лопатки отливают непосредственно на внутренней несущей структуре 3 и подвергают механической обработке до конечной заданной формы хвостовика в пределах требуемых малых производственных допусков. После этого на внутреннюю несущую структуру 3 наносят керамический матричный композитный материал (СМС), чтобы образовать перо 2 из материала с высокой вязкостью разрушения. Таким образом, перо 2 обладает высокой стойкостью к эрозии и повреждениям посторонними предметами.
Третий пример реализации турбинной лопатки 10 в соответствии с настоящим изобретением показан на Фиг. 3. В данном примере реализации, закрепление пера 2 на внутренней несущей структуре 3 отличается от вышеописанных вариантов осуществления: в данном случае эвтектический керамический материал составляет большую часть корневой части 1, так что два нижних выступа на соответствующих сторонах хвостовика 1 покрыты металлом или металлическим сплавом. Два верхних выступа поперечного сечения типа елочка хвостовика 1 содержат на внешней поверхности керамический матричный композитный материал (СМС) пера 2, который к тому же в данном случае продолжается в виде общего полого элемента вокруг верхней, имеющей уменьшенный диаметр, части внутренней несущей структуры 3. На стороне свободного конца пера 2 имеется поперечное сечение приблизительно Н-образной формы со сквозным отверстием, через которое проходит верхний конец анкерной формы внутренней несущей структуры 3. Благодаря такой особой форме пера 2, отлитого на верхней части хвостовика 1 и вокруг верхней части внутренней несущей структуры 3, перо 2 прочно зафиксировано на внутренней несущей структуре 3. Таким образом, соединение между СМС материалом пера 2 и внутренней несущей структурой 3 осуществляется за счет наложения или отливки разных типов керамических материалов один на другой. Таким образом, в данном варианте осуществления не требуется никаких отдельных средств для соединения различных элементов композитной турбинной лопатки 10. Это упрощает процесс изготовления.
Другой пример реализации турбинной лопатки 10 в соответствии с настоящим изобретением с другим типом соединения соответствующих элементов показан в схематичном поперечном сечении на Фиг. 4. В верхней части, внутренняя несущая структура 3 не представляет собой прямолинейный ровный участок, а содержит несколько элементов формы, например, в виде отверстий 8 и выступов 9, которые выполняют функцию надежного закрепления материала внешнего пера 2. Для соединения пера 2 с внутренней несущей структурой 3, верхний свободный конец внутренней несущей структуры 3 имеет поперечное сечение по существу анкерной формы, вокруг которого отливают керамический матричный композитный материал пера 2. Кроме того, внутренняя несущая структура 3 содержит два противоположных, вертикально продолжающихся выступа 9, которые заделаны в отверстиях 8 в материале пера 2. Выступы 9 могут иметь разные формы, например прямолинейную форму, показанную в верхней части Фиг. 4, анкерную форму под указанными прямолинейными выступами, которая увеличивает эффект закрепления для соединения пера 2 с внутренней несущей структурой 3. Таким образом, после отжига готовой композитной керамической турбинной лопатки 10 получается своего рода механическая блокировка. Указанные элементы формы (выступы и отверстия) могут быть образованы во время отливки эвтектического керамического материала внутренней несущей структуры и отливки СМС материала внешнего пера 2.
В альтернативном варианте реализации по сравнению с вариантом осуществления, показанным на Фиг. 4, указанные отверстия могут быть предусмотрены в материале внутренней несущей структуры 3, и затем указанные отверстия заполняют СМС материалом внешнего пера 2, тем самым образуя выступы в соответствии с настоящим изобретением. Кроме того, для закрепления внешнего пера 2 могут быть использованы другие типы выступов и/или отверстий. Что касается хвостовика 1, в данном случае также часть СМС материалом пера 2 отливают вокруг корневой части 1 (верхние два выступа), а в нижней части на внешнюю поверхность хвостовика 1 наносят металлическое покрытие 4. Данное металлическое покрытие обеспечивает изготовление в пределах жестких или малых допусков, требующихся для монтажа турбинной лопатки 10 в установочном пазу ротора газовой турбины.
Другая возможность соединения различных элементов композитной керамической турбинной лопатки 10 в соответствии с настоящим изобретением показана в схематичном изображении на Фиг. 5. Данный вариант осуществления, показанный на Фиг. 5, подобен варианту осуществления, описанному выше со ссылкой на Фиг. 1, с указанными ниже отличиями: верхний свободный конец внутренней несущей структуры 3 имеет простое прямолинейное поперечное сечение без конца анкерной формы. Перо 2 имеет поперечное сечение, имеющее приблизительно перевернутую U-образную форму, и прикреплен к внутренней несущей структуре 3, выполненной из эвтектического керамического материала, в нескольких разных контактных участках посредством шликера 5. В случае данного примера реализации, предусмотрено три разных контактных местоположения между пером 2 и внутренней несущей структурой 3: первым контактным местоположением является верхний свободный конец несущей структуры 3, а два других контактных местоположения представляют собой нижние свободные концы ветвей U-образного пера 2 на стороне хвостовика 1.
После образования внутренней несущей структуры 3, выполненной из высокопрочной эвтектической керамики, на указанных контактных местоположениях и, возможно, дополнительные контактные местоположения наносят так называемый шликер. Затем СМС материал внешнего пера 2 формуют в форме, показанной на Фиг. 5, и затем готовую турбинную лопатку отжигают так, что шликер спекается и в конечном итоге образует твердое керамическое соединение. Кроме того, посредством данного типа соединения осуществляется прочное закрепление разных типов керамических материалов. При этом разные части турбинной лопатки, а именно внутренняя несущая структура 3, хвостовик 1 и перо 2, специально приспособлены для их соответствующих функций, положений и требований в высокотемпературных применениях, таких как современные газовые турбины. Кроме того, в данном варианте осуществления, показанном на Фиг. 5, на внешней поверхности хвостовика 1 предусмотрено металлическое покрытие 4. Это повышает вязкость разрушения данного хвостовика 1 и обеспечивает возможность реализации хвостовика 1 в пределах малых производственных допусков, которые требуются для монтажа турбинной лопатки 10.
Другая возможность соединения внешнего пера 2 и внутренней несущей структуры 3 с хвостовиком 1 друг с другом показана в схематичном поперечном сечении на Фиг. 6. В данном случае в качестве средств для соединения используются отдельные соединительные элементы 6, 7 в двух разных примерных видах. Соединительные средства могут быть предусмотрены, например, в виде штифтов 6, которые вставляют в соответствующие отверстия материала внутренней несущей структуры 3 и/или СМС материал внешнего пера 2. Данные штифты могут быть выполнены, например, из керамического материала или любого другого подходящего материала, такого как металл или металлический сплав.
Другой возможностью отдельного соединительного элемента является использование так называемых керамических вставок 7, которые показаны в схематичном изображении на Фиг. 6. В данном случае керамические вставки 6 имеют приблизительно двутавровое поперечное сечение и заделаны в СМС материале пера 2. Посредством этого, штифты 6 и/или керамические вставки 7 обеспечивают прочное прикрепление внешнего пера 2 к внутренней несущей структуре 3, которая содержит такой керамический материал, который придает высокую прочность (т.е. эвтектический керамический материал). Штифты 6 и/или вставки 7 могут быть изготовлены, например, посредством спекания соответствующего керамического материала. Кроме того, вариант осуществления, показанный на Фиг. 6, содержит в корневой части внешнее металлическое покрытие или покрытие из металлического сплава. Такая турбинная лопатка 10 в соответствии с Фиг. 6 может быть изготовлена посредством первичной отливки внутренней несущей структуры 3 с использованием конкретного эвтектического керамического материала так, чтобы образовать отверстия для установки штифтов 6 или вставок 7. Формование или отливка пера 2 приведет к заделыванию штифтов 6 или вставок 7, которые могут быть выполнены из плотного керамического материала (эвтектического или неэвтектического). Таким образом, после отжига готовой композитной турбинной лопатки 10 обеспечивается надежное закрепление пера 2.
Другая возможность соединения СМС структуры пера с несущей структурой показана на Фиг. 7. Она содержит механически закрепленный СМС (перо 2) на несущей структуре 3 после независимого изготовления обеих частей. Могут быть использованы различные варианты закрепления, например, посредством использования U-образных крепежных средств 11, которые могут быть установлены посредством скольжения их по пазам, или контакта и принудительной фиксации СМС пера 2 с хвостовиком 1.
Указанные U-образные крепежные средства 11 могут быть выполнены из металлического или керамического материала, предпочтительно СМС.
Дополнительно или в качестве альтернативы, в верхней части пера 2 для прикрепления пера 2 к несущей структуре 3 может быть использован винт 12.
Дополнительно или в качестве альтернативы, в верхней части пера 2 для пера 2 к несущей структуре 3 может быть использовано средство 13 принудительной фиксации, предпочтительно выполненное из СМС, как показано на Фиг. 8.
Другие возможности должны использовать керамические или металлические винты в зависимости от условия локальной нагрузки. Такие конструкции обеспечивают преимущество, обеспечивая простое удаление керамического пера 2, для замены только СМС пера и повторного использования несущей структуры 3. Это обеспечивает дешевый и эффективный процесс восстановления пера 2.
Во всех вышеописанных примерах реализации (Фиг. 1-7), керамическим матричным композитным материалом (СМС), используемым для внешнего пера 2, может быть любой СМС материал, известный специалисту в данной области техники. Например, СМС материал может быть основан на оксидном волокне, такой как Al
O
, муллит, HfO
, Y
O
или подобный материал. Кроме того, для упрочнения СМС материала пера 2 могут быть использованы керамические эвтектические волокна. Что касается возможных материалов, используемых для внутренней несущей структуры 3, любой эвтектический материал, известный специалисту в данной области техники, может быть использован в качестве законченной структуры без волокон или структуры с армирующими волокнами. Например, керамические эвтектические материалы, которые используются для композитной турбинной лопатки 10 настоящего изобретения для осуществления внутренней несущей структуры 3, могут быть выбраны из перечисленных ниже эвтектических керамических материалов: Al
O
-Y
O
, Cr
O
-SiO
, MgO-Y
O
, CaO-NiO, и CaO-MgO, ZrO
-Al
O
, YAG-ZrO
, YAP-ZrO
, Al
O
-Al
TiO
, MgO-Mg
AlO
, HfO
-Al
O
, Sс
O
-SC
Zr
O
, Sс
O
-HfO
или подобные материалы.
2
3
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
2
3
2
2
3
2
2
2
3
2
5
2
4
2
2
3
2
3
4
3
12
2
3
2
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 - Корневая часть
2 - Перо
3 - Внутренняя несущая структура
4 - Металлическое покрытие
5 - Шликер
6 - Штифт
7 - Вставка
8 - Отверстия
9 - Выступы
10 - Турбинная лопатка
11 - U-образные крепежные средства
12 - Винт
13 - Средство принудительной фиксации