СОСТАВНАЯ СОПЛОВАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может использоваться в турбинах, работающих при высоких температурах.
Известна сопловая лопатка турбины, состоящая из наружной и внутренней полок, между которыми расположено, по меньшей мере, одно перо, при этом перо имеет внутренние охлаждающие каналы, а на входной кромке пера выполнены охлаждающие отверстия перфорации. (Газотурбинные двигатели. А.А.Иноземцев, В.Л.Сандрацкий. - Пермь: ОАО «Авиадвигатель», 2008 г., с.1204. - стр.487).
Недостатками данной сопловой лопатки являются сложность конструкции сопловой лопатки в связи с тем, что требуется выполнение большого количества внутренних охлаждающих каналов и охлаждающих отверстий перфорации на входных кромках пера (Фиг.1), а так же большой расход сжатого охлаждающего воздуха (≈4%), отбираемого из вторичной зоны камеры сгорания, для поддержания работоспособности сопловых лопаток. При этом в условиях неоднородности температур газовой среды возможны эрозия и прогар материала входной кромки сопловой лопатки.
Известна конструкция составной сопловой лопатки турбины, включающей наружную и внутреннюю полки, между которыми расположено, по меньшей мере, одно перо лопатки с внутренней охлаждающей полостью, при этом входные и выходные кромки, выполнены в виде приваренных к перу вставок с внутренними охлаждающими полостями (Патент ЕР 1312436 от 14.11.2001, опубл. 21.05.2003 бюл. №2003/21, МПК В23Р 6/00, В23Р 15/04).
Недостатком данной конструкции является то, что перо сопловой лопатки и вставка выполнены из разных материалов, которые имеют различные коэффициенты теплового расширения. При высоких температурах это может привести к разрушению сварных швов, удалению вставок от пера лопаток, и как следствие к разрушению турбины.
Наиболее близкой является конструкция составной сопловой лопатки турбины, включающая наружную и внутреннюю полки, между которыми расположено, по меньшей мере, одно перо лопатки с, по меньшей мере, одним охлаждающим элементом, при этом входная кромка пера выполнена в виде неохлаждаемой вставки (Патент DE 3821005 от 22.06.1988, опубл. 28.12.1989, МПК F01D 5/18).
Недостатками данной конструкции составной сопловой лопатки турбины являются необходимость изготовления соединения вставки и пера лопатки типа «ласточкин хвост», что требует повышенной точности изготовления элементов сопряжения, а также трудность изготовления паза «ласточкин хвост» на всей поверхности пера в связи с наличием у сопловой лопатки верхней полки.
Техническим результатом полезной модели является увеличение долговечности и работоспособности сопловой лопатки, упрощение конструкции сопловой лопатки, повышение КПД двигателя, за счет уменьшения отбора охлаждающего воздуха и устранения потерь при смешении охлаждающего воздуха с основным потоком, возможность восстановления входной кромки пера лопатки при ремонте путем вырезки дефектных входных кромок и установки новой неохлаждаемой вставки.
Технический результат достигается тем, что составная сопловая лопатка турбины, включает наружную и внутреннюю полки, между которыми расположено, по меньшей мере, одно перо лопатки с, по меньшей мере, одной охлаждающей полостью, при этом входная кромка пера выполнена в виде неохлаждаемой вставки.
Новым в полезной модели является то, что вставка выполнена из высокотемпературного материала на основе силицидов тугоплавких металлов и карбида кремния, при этом между верхним торцом вставки и наружной полкой лопатки имеется зазор для компенсации термических расширений, нижний торец вставки имеет упор, устанавливающийся во внутреннюю полку сопловой лопатки, поверхности соприкосновения вставки и входного торца пера лопатки выполнены плоскими.
На фигурах показаны:
фиг.1 - сопловая лопатка блочной конструкции для высокотемпературной турбины;
фиг.2 - составная сопловая лопатка турбины;
фиг.3 - неохлаждаемая вставка входной кромки пера составной сопловой лопатки;
фиг.4 - вид сверху фиг.2;
фиг.5 - сечение Б-Б фиг.4.
Составная сопловая лопатка турбины содержит наружную 1 и внутреннюю 2 полки, между которыми расположено, по меньшей мере, одно перо 3 лопатки с, по меньшей мере, одним охлаждающим элементом 4. Охлаждающим элементом 4 могут быть как внутренние каналы, так и ряды отверстий перфорации (Фиг.2). Входная кромка пера 3 лопатки выполнена в виде вставки 5. Вставка 5 изготовлена из высокотемпературного материала на основе силицидов тугоплавких металлов и карбида кремния. Применение данных видов материалов позволит повысить рабочую температуру сопловой лопатки турбины до 2000°С.
Вставка 5 (Фиг.3) представляет собой неохлаждаемую входную кромку пера 3 лопатки, верхний торец 6 вставки 5 выполнен плоским (Фиг.4). Между верхним торцом 6 вставки 5 и наружной полкой 1 имеется зазор Δ (Фиг.5).
Нижний торец 7 вставки 5 имеет упор 8, устанавливающийся во внутреннюю полку 2 составной сопловой лопатки. Поверхности соприкосновения вставки 5 и входного торца пера 3 лопатки выполнены плоскими.
Зазор Δ между вставкой 5 и наружной полкой 1 лопатки необходим для термического расширения без разрушения материала вставки 5 при высоких температурах.
Воздух отбирается из вторичной зоны камеры сгорания и подается на охлаждение сопловой лопатки. Одна часть воздуха, создавая пелену на наружной поверхности пера 3 лопатки, защищает ее от высоких температур снаружи. Другая часть охлаждающего воздуха подается на охлаждающие элементы 4 пера 3 лопатки. Так как входная кромка изготовлена в виде вставки 5 из высокотемпературного материала на основе силицидов тугоплавких металлов и карбида кремния, то ее охлаждения не требуется.
Таким образом, данная составная сопловая лопатка турбины имеет упрощенную конструкцию, увеличенную долговечность и работоспособность, при этом устраняются потери при смешении охлаждающего воздуха с основным потоком, и повышение КПД двигателя, за счет уменьшения отбора охлаждающего воздуха, а так же появляется возможность восстановления входной кромки пера лопатки при ремонте путем вырезки дефектных входных кромок и установки новой неохлаждаемой вставки.