ЛОПАТКА НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области производства газотурбинных установок, предназначенных для привода нагнетателя природного газа и устанавливаемых на компрессорных станциях магистральных газопроводов, а именно, к конструкции лопаток направляющих аппаратов осевых компрессоров газовых турбин.
Направляющий аппарат осевого компрессора газовой турбины представляет собой элемент сложной сборочной единицы - турбоблока, на корпусе которого, в специальных посадочных местах по окружности расположены стационарные лопатки, формирующие на начальном этапе направление потока воздуха в турбину высокого давления [Конструкция газотурбинных установок. В.А.Шварц. М.: Машиностроение, 1970, с.с.161-167, 180-187, 202-205 и 260-263] или [Газотурбинные установки. Атлас конструкций и схем. Учебное пособие для вузов. Под ред. Акад. АН УССР Л.А.Шубенко-Шубина. М.: Машиностроение, 1976, с.29-35]..
Следует отметить, что лопатки направляющего аппарата осевого компрессора имеют сложную, зачастую, пространственно изогнутую аэродинамическую форму. Несмотря на внешне благоприятные условия работы - на вход в направляющий аппарат поступает воздух из окружающей среды - лопатки направляющего аппарата подвержены интенсивному абразивному и коррозионному износу (эрозионному износу). Для их изготовления используют специальные сплавы, в том числе высокопрочные коррозионностойкие. При этом, в процессе работы входные кромки лопаток обмерзают, что существенно снижает показатели работы газовой турбины. Именно по этой причине к входным кромкам лопаток подводят тепло, для чего вначале механической обработкой изготавливают сквозной паз на всю высоту лопатки и часть паза со стороны рабочей кромки глушат. Технологический процесс установки и фиксации заглушки является трудоемким и весьма специфическим, с множеством особенностей, зачастую представляющих собой секреты конкретного производителя. При этом, в частности, необходимость приварки заглушки к телу лопатки существенно ограничивает выбор материала лопатки, не позволяет применять более прочные
сплавы, например, с наиболее выраженными коррозионностойкими свойствами.
Таким образом, существует общественная потребность в разработке конструкции типовой лопатки направляющего аппарата осевого компрессора газовой турбины, в которой выполнен канал для подвода теплоносителя, причем при тиражировании лопатки должны обладать едиными качественными и геометрическими характеристиками.
В уровне техники имеется информация о существующих конструкциях разнообразных лопаток турбин. Рассмотрим наиболее характерные.
Известна рабочая лопатка влажно-паровой ступени паровой турбины, содержащая расположенную на лобовой части пера, по меньшей мере, одну защитную накладку, а поверхность лопатки, включая зону защитных накладок, имеет нанесенное методом электроискрового легирования защитное покрытие из эрозионно-стойкого материала, при этом ширина защитного покрытия на спинке не менее 0,3 ширины лопатки, на поверхности корыта - 0,05÷0,10 ширины лопатки, а длина - 0,20÷0,75 длины рабочей части пера лопатки [Описание полезной модели к патенту РФ №52104 от 07.07.2005, МПК F01D 5/28, опубл. 10.03.2006].
6
Также известна рабочая лопатка турбомашины, состоящая из пера, полки, замка и профильной супероболочки, установленной по отношению к перу с зазором, причем супероболочка по длине выполнена составной, в том числе по толщине, в виде набора коротких супероболочек с локальным закреплением или опиранием на полку по периметру пера каждой короткой супероболочки только в зоне ее периферийного сечения [Описание изобретения к патенту РФ №2118462 от 20.07.1995, МПК F01D 5/18, опубл. 27.08.1998].
В обоих случаях определенным частям поверхности лопаток турбин, в ущерб их монолитности, различными методами придают дополнительную прочность, хотя проблема их упрочения могла быть решена использованием материалов с необходимыми физико-механическими характеристиками.
Известна лопатка турбины газотурбинного двигателя, содержащая елочный замок, на котором выполнен, по крайней мере, один концентратор напряжения в виде отверстия, расположенного вдоль оси лопатки и, по крайней мере, один канал для охлаждения, который сообщен с отверстием
[Описание полезной модели к патенту РФ №51113 от 23.06.2005, МПК F02C 7/00, опубл. 10.03.2006]. Лопатка, благодаря охлаждению в процессе работы является более долговечной.
Особенностью трех вышеперечисленных технических решений лопаток является их невозможность использования на направляющих аппаратах осевых компрессоров газовых турбин, поскольку те лопатки следует подогревать, а не охлаждать, применять другие материалы и иные технологии их изготовления. Безусловно, это накладывает определенные требования к реальной конструкции лопатки.
7
Известно техническое решение, в котором описана технология изготовления направляющей лопатки статора или ротора радиального типа газовой турбины и, соответственно, приведена конструкция самой лопатки [Описание изобретения к патенту РФ №2266803 от 25.09.2001, МПК В23Р 15/02, опубл. 20.01.2007]. Лопатка условно включает неизогнутое перо с входной и выходной кромками и хвостовую часть, при этом по всей высоте лопатки, по всему периметру ее сечения электроэрозионной обработкой выполнен внутренний канал для прохода охладителя. Указанные лопатки работают при максимально высоких температурах, поэтому необходимо отводить тепло от их задних кромок, для чего геометрия внутреннего канала должна обеспечивать максимальную пропускную способность охладителя.
На сегодня проблему подогрева кромок лопатки направляющего аппарата осевого компрессора газовой турбины и их изготовления решают по «классической» технологии - с изготовлением открытого паза, который частично закрывают специально подготовленной пластиной, с формированием в месте контакта деталей герметичного неразъемного соединения и последующим приданием механическими средствами кромке лопатки заложенной разработчиком формы.
Задача, решаемая полезной моделью и достигаемый технический результат, заключаются в создании очередной лопатки направляющего аппарата осевого компрессора газовой турбины, которая отличается монолитной конструкцией, повышенным качеством и надежностью, в том числе за счет использования электропроводных материалов с максимально приемлемыми физико-механическими свойствами. Дополнительно, обеспечивается снижение утечек теплоносителя за счет локализации зоны его подвода
на условно-плоской поверхности основания хвостовой части лопатки.
Для решения поставленной задачи и получения заявленного технического результата в лопатке направляющего аппарата осевого компрессора газовой турбины, включающей аэродинамически обтекаемое изогнутое перо с входной и выходной кромками и хвостовую часть, по всей высоте лопатки, со стороны входной кромки пера выполнен продольный сквозной внутренний канал с удлиненной щелевой формой поперечного сечения для прохода рабочей среды, причем лопатка выполнена монолитной из высокопрочного коррозионностойкого сплава.
Кроме этого:
- внутренний канал в лопатке выполнен с возможностью его изготовления электроэрозионным способом;
- внутренний канал в лопатке выполнен с возможностью использования в качестве рабочей среды нагретого воздуха.
Полезная модель поясняется чертежом, где:
- на фиг.1 показана лопатка направляющего аппарата осевого компрессора газовой турбины со сквозным каналом для прохода теплонесущей среды - вид спереди;
- на фиг.2 - лопатка фиг.1 - вид сбоку;
- на фиг.3 - лопатка фиг.1 - вид сверху;
- на фиг.4 - поз. А фиг.3 - увеличенный вид лопатки со стороны торца пера в месте расположения сквозного канала;
- на фиг.5 изображен общий вид лопатки в аксонометрической проекции;
Лопатка направляющего аппарата осевого компрессора газовой турбины включает аэродинамически обтекаемое изогнутое перо 1 (рабочая часть лопатки) с входной 2 и выходной 3 кромками и хвостовую часть 4 (основание лопатки). По всей высоте лопатки, т.е. сквозь перо 1 и хвостовую часть 4, со стороны входной кромки 2 пера 1 выполнен продольный сквозной внутренний канал 5 с удлиненной щелевой формой поперечного сечения для прохода некой рабочей среды, при этом лопатка выполнена монолитной из высокопрочного коррозионностойкого сплава типа 13Х11Н28ГМФ-Ш. Внутренний канал 5 в лопатке выполнен с возможностью его изготовления электроэрозионным способом и возможностью использования в качестве рабочей среды применяемого в газовой турбине теплоносителя.
Как правило, это нагретый воздух.
Для получения в «теле» заготовки лопатки, изготавливаемой из высокопрочного коррозионностойкого сплава, например, упоминаемого выше 13Х11Н28ГМФ-Ш, и максимальная толщина пера 1 которой со стороны входной кромки 2 составляет примерно 6 мм, - внутреннего канала 5 с удлиненной щелевой формой поперечного сечения, - выполняют отправное отверстие (условно не показано) соответствующего размера, выполненное на всю длину заготовки лопатки, которая равняется, например, 235 мм. Это достигается применением электроэрозионной обработки с использованием разрядного электрода диаметром, например, 0,6 мм (см. www.Sodick.ru). После этого, так называемая, промежуточная заготовка лопатки может стать пригодной к последующей электроэрозионной обработке разрядной проволокой для получения внутреннего канала 5.
Полученный в результате этого внутренний канал 5 с удлиненной щелевой формой поперечного сечения предназначен для прохода теплонесущей среды, такой, например, как нагретый воздух, т.е. в качестве рабочей среды можно применить теплоноситель, уже используемый в газовой турбине, хотя не исключено применение других теплоносителей, например, подогретых жидкостей типа воды или масла. Также в качестве рабочей среды, при необходимости, можно использовать специальные добавки в подаваемый в турбину высокого давления поток воздуха, предназначенные, например, для его дополнительной специальной подготовки. Канал 5 не предназначен для прохода охлаждающей среды в случае использования лопатки подобной конструкции, например, в «горячей» зоне турбины. Для этого предназначены лопатки, выполненные по технологии, описанной, например, в патенте РФ №2266803 и другие - им подобные.
Следует отметить, что в отличие от известных из уровня техники решений для изготовления лопаток можно использовать, например, монолитные поковки из высокопрочных электропроводных коррозионностойких материалов, обработать которые без потери их качественных характеристик можно только электроэрозионными способами.
Пример реализации полезной модели.
Для изготовления лопатки направляющего аппарата осевого компрессора газовой турбины берут специальную монолитную поковку из высокопрочного электропроводного коррозионностойкого сплава и путем ее механической
обработки получают заготовку, внешняя форма которой соответствует готовому изделию.
После этого на станке, например, супердрель K1C (см. www.Sodick.ru). используя 0,6 мм разрядный медный электрод типа «Vitol-KS», в заготовке по всей ее длине, начиная с торца 6 пера 1 со стороны его входной кромки 2 и кончая условно-плоским торцом 7 (основанием) хвостовой части 4 выполняют сквозное отправное отверстие, получая, так называемую промежуточную заготовку.
Далее промежуточную заготовку передают на станок, например, AQ535 (см. www.Sodick.ru), с 0,25 мм разрядной медной проволокой, которую заправляют в отправное отверстие, а саму промежуточную заготовку закрепляют на основании станка. По истечении некоторого времени в теле лопатки по всей ее высоте, со стороны входной кромки 2 формируют внутренний канал 5 с удлиненной щелевой формой поперечного сечения размером 1,2×10 мм и необходимой шероховатостью поверхности стенок для прохода рабочей среды. Разрядную проволоку вынимают из готового канала 5 вместе со столбиком вырезанного металла, и после промывки и просушки монолитная (т.е. выполненная в виде цельной детали) лопатка подается на участок сборки направляющего аппарата осевого компрессора газовой турбины.
Немаловажной особенностью лопатки является то, что за счет локализации зоны подвода теплоносителя на поверхности основания хвостовой части лопатки, происходит снижение утечек теплоносителя. Это достигается за счет обеспечения надежной герметизации соединений собранного направляющего аппарата.
В результате реализации полезной модели получена лопатка направляющего аппарата осевого компрессора газовой турбины, которая отличается монолитной конструкцией, повышенным качеством и надежностью, в том числе за счет использования материалов с оптимальными физико-механическими свойствами. Дополнительно, обеспечивается снижение утечек теплоносителя за счет локализации зоны его подвода на границе поверхности условно-плоского основания хвостовой части лопатки и ответной поверхности обоймы (специальных посадочных мест) направляющего аппарата.