РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ
WORKING BLADE OF TURBOMACHINE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к торцевым уплотнениям рабочих лопаток паровых турбин, газотурбинных двигателей и установок, а также лопаток других роторных машин.
Известно щеточное уплотнение, содержащее закрепленные в корпусе упругие щетинины, контактирующие с поверхностью вращающегося вала (ФРГ. Заявка №3802653, кл. F16J 15/16, 1989 г. - аналог).
Известно щеточное уплотнение зазора между статором и ротором, содержащее установленный в одной из деталей узел, выполненный в виде закрепленных в корпусе пучков проволоки из разных материалов (А.С. СССР №1665136, МПК F16J 15/16, опубл. 23.07.91).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является рабочая лопатка турбомашины, содержащая перо с щеточным уплотнением, размещенным в периферийной зоне пера (А.С. СССР №1799058, МПК F01D 5/18, опубл. 10.07.89).
Однако известные щеточные уплотнения характеризуются невысокой надежностью в эксплуатации, поскольку гибкие элементы, выполненные из отдельных проволочек, не позволяют длительное время сохранять свое первоначальное упорядоченное расположение в уплотнении из-за действия высоких контактных напряжений. Кроме того, получение щеточных уплотнений из отдельных щетинок на торце рабочей лопатки является нетехнологичным.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание лопатки с надежным в эксплуатации торцевым щеточным уплотнением, расположенным в периферийной зоне ее пера.
Технический результат достигается тем, что в рабочей лопатке турбомашины, содержащей перо с щеточным уплотнением, размещенным в периферийной зоне пера, в отличие от прототипа, щеточное уплотнение выполнено из монолитного материала, причем, как вариант, лопатка и щеточное уплотнение могут быть выполнены из одного монолитного материала.
Технический результат достигается также тем, что лопатка снабжена торцевой крышкой, а щеточное уплотнение выполнено на торцевой крышке, причем, как вариант, основа щеточного уплотнения может иметь каналы охлаждения.
10
20
2
Технический результат достигается также тем, что щеточное уплотнение имеет следующие варианты выполнения: слой износостойкого покрытия, содержащего дисульфид молибдена; модифицированный поверхностный слой, полученный имплантацией ионов легирующих элементов при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см, причем в качестве ионов для имплантации используют ионы Cr, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их комбинацию.
Технический результат достигается также тем, что перо лопатки имеет защитное покрытие, причем в качестве материала покрытия используют нитриды Me-N, карбиды Ме-С и карбонитриды Me-NC, где Me - Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание, N - азот, С - углерод.
Технический результат достигается также тем, что в щеточном уплотнении в качестве контактных элементов использованы гибкие щетины, размеры которых составляют: длина щетины от 5 мм до 20 мм, толщина - от 0,1 мм до 1,5 мм, при величинах зазоров между щетинами от 0,5 мкм до 300 мкм; как варианты щетины выполнены: параллельными продольной оси лопатки; щетины выполнены под углом α к продольной оси лопатки, в плоскости движения лопатки при вращении ротора, с наклоном щетины в сторону, противоположную движению лопатки, причем угол α составляет величины от 15° до 89°.
Технический результат достигается также тем, что лопатка является лопаткой газовой или паровой турбины.
Технический результат достигается также тем, что поперечное сечение уплотнения может быть выполнено по следующим вариантам: соответствующим фигуре, описанной вокруг поперечного сечения периферийной зоны пера; равным по форме и площади поперечному сечению периферийной зоны пера; эквидистантным поперечному сечению периферийной зоны пера; большим поперечного сечения периферийной зоны пера, и в том числе иметь форму и площадь, обеспечивающую образование сплошного кольцевого уплотнения при сборке лопаток на диске.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана рабочая турболопатка. На фиг.2 показана турболопатка в условиях эксплуатации.
Рабочая лопатка 1 (газовой или паровой турбины) содержит перо 2 с торцевой частью 3, на которой расположено щеточное уплотнение 4, выполненное монолитно с лопаткой 1. На торце 3 пера лопатки выполнены каналы охлаждения 5. Щеточное уплотнение имеет щетинки 6, выполненные монолитно с лопаткой 1. В зависимости от задач и конкретной конструкции турбомашины, поперечное сечение уплотнения 4 может быть выполнено по следующим вариантам: соответствующим фигуре, описанной вокруг поперечного сечения периферийной зоны пера 2; равным по форме и площади поперечному сечению периферийной зоны пера 2; эквидистантным поперечному сечению периферийной зоны пера 2; большим поперечного сечения периферийной зоны пера 2, и в том числе иметь форму и площадь, обеспечивающую образование сплошного кольцевого уплотнения при сборке лопаток на диске турбомашины.
Гибкость используемых в уплотнении 4 щетинок 6, прижатых своими концами к внутренней поверхности статора 7 (фиг.2), обеспечивает качественное уплотнение зазора. Щетинки 6, выполненные заодно с лопаткой 1, имеют строго регулярное распределение по поверхности торца 3, которое сохраняют в процессе эксплуатации. При работе турбомашины избыточное тепло, выделяющиеся в зоне контакта щетинок 6 и поверхности статора 7, удаляется охлаждающим воздухом по каналам охлаждения 5.
Пример. Для оценки надежности работы предлагаемого щеточного уплотнения были проведены следующие испытания. Были изготовлены образцы с торцевыми уплотнениями по двум вариантам: первый вариант - прототип (А.С. СССР №1799058, МПК F01D 5/18, опубл. 10.07.89) - имел щеточное уплотнение, выполненное из нихромовых щетинок диаметром около 0,1 мм и высотой 6 мм, расположенных под углом 60° к торцевой поверхности пера лопатки. Щетинки были закреплены методом пайки и расположены на торцевой крышке лопатки.
10
20
2
10
20
2
Второй вариант щеточного уплотнения - по предлагаемому техническому решению - имел такие же, как у прототипа геометрические и размерные характеристики, однако щетинки и лопатка были изготовлены из одного монолитного материала методом «ноу-хау». Второй вариант включал в себя также следующие подварианты исполнения: щеточное уплотнение выполнено из монолитного материала (лопатка снабжена торцевой крышкой, а щеточное уплотнение выполнено на торцевой крышке; основа щеточного уплотнения имеет каналы охлаждения) - (А); щеточное уплотнение и лопатка выполнены из одного монолитного материала (основа щеточного уплотнения имеет каналы охлаждения) - (Б); щеточное уплотнение и лопатка выполнены из одного монолитного материала (основа щеточного уплотнения имеет каналы охлаждения; щеточное уплотнение имеет слой износостойкого покрытия, содержащего дисульфид молибдена) - (В); щеточное уплотнение и лопатка выполнены из одного монолитного материала (основа щеточного уплотнения имеет каналы охлаждения; щеточное уплотнение имеет слой износостойкого покрытия, содержащего дисульфид молибдена; щеточное уплотнение имеет модифицированный поверхностный слой, полученный имплантацией ионов легирующих элементов при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см, причем в качестве ионов для имплантации используют ионы Yb) - (Г); щеточное уплотнение и лопатка выполнены из одного монолитного материала (основа щеточного уплотнения имеет каналы охлаждения; щеточное уплотнение имеет слой износостойкого покрытия, содержащего дисульфид молибдена; щеточное уплотнение имеет модифицированный поверхностный слой, полученный имплантацией ионов легирующих элементов при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см, причем в качестве ионов для имплантации используют ионы Yb; перо лопатки имеет защитное покрытие TiAlZrMo) - (Д).
Сравнительные испытания проводились в условиях, имитирующих работу газотурбинного двигателя, при использовании в зоне контакта уплотнения охлаждающего воздуха.
Таблица
Вариант
Величина износа, г
Разброс значений угла наклона щетинок после испытаний, угл. град.
Разрушения уплотнений, %
Качество уплотнения (герметичность), %
Прототип
9…11
55…10
11…13
78
Предлагаемый А
7…8
58…45
6…8
87
Предлагаемый Б
4…7
55…42
6…7
90
Предлагаемый В
3…4
53…39
4…6
90
Предлагаемый Г
2…2,6
59…48
3…5
91
Предлагаемый Д
2…2,4
59…47
3…4
91
10
20
2
10
20
2
Повышение надежности работы предлагаемых лопаток с уплотнениями, которую показали проведенные испытания, указывает на то, что при применении одного из следующих вариантов выполнения лопатки с щеточным уплотнением: щеточное уплотнение выполнено из монолитного материала (лопатка снабжена торцевой крышкой, а щеточное уплотнение выполнено на торцевой крышке; основа щеточного уплотнения имеет каналы охлаждения) - (А); щеточное уплотнение и лопатка выполнены из одного монолитного материала (основа щеточного уплотнения имеет каналы охлаждения) - (Б); щеточное уплотнение и лопатка выполнены из одного монолитного материала (основа щеточного уплотнения имеет каналы охлаждения; щеточное уплотнение имеет слой износостойкого покрытия, содержащего дисульфид молибдена) - (В); щеточное уплотнение и лопатка выполнены из одного монолитного материала (основа щеточного уплотнения имеет каналы охлаждения; щеточное уплотнение имеет слой износостойкого покрытия, содержащего дисульфид молибдена; щеточное уплотнение имеет модифицированный поверхностный слой, полученный имплантацией ионов легирующих элементов при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см, причем в качестве ионов для имплантации используют ионы Yb) - (Г); щеточное уплотнение и лопатка выполнены из одного монолитного материала (основа щеточного уплотнения имеет каналы охлаждения; щеточное уплотнение имеет слой износостойкого покрытия, содержащего дисульфид молибдена; щеточное уплотнение имеет модифицированный поверхностный слой, полученный имплантацией ионов легирующих элементов при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см, причем в качестве ионов для имплантации используют ионы Yb; перо лопатки имеет защитное покрытие TiAlZrMo) - (Д), - позволяют достичь технического результата заявляемого устройства - создание лопатки с надежным в эксплуатации торцевым щеточным уплотнением, расположенным в периферийной зоне ее пера.
Предлагаемая лопатка с торцевым щеточным уплотнением, в отличие от прототипа, обеспечивает более высокие и стабильные параметры уплотнения, более технологична, поскольку щеточное уплотнение изготовлено из одного монолитного с лопаткой материала, имеет большее количество вариантов исполнения.