Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОФИЛЯ
СПОСОБ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОФИЛЯ

СПОСОБ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОФИЛЯ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: в энергетике. Сущность изобретения: способ теплоизоляции турбинной лопатки включает изготавливание вспомогательной оболочки с полостью, имеющей форму пера лопатки. Заготовку керамического покрытия наносят вначале на внутреннюю поверхность вспомогательной оболочки, которую затем надевают на перо лопатки. На поверхность пера, образованную винтовым перемещением корневого сечения пера, оболочку надевают также винтовым движением. Изготавливают шаблон в форме пера, заготовку покрытия наносят на поверхность шаблона, а вспомогательную оболочку формируют на заготовке. В качестве заготовки используют материал, включающий керамические волокна. Также возможно оболочку надевать на перо со свободным зазором, в который затем вводят вяжущее вещество и наполнитель, что позволяет восстанавливать использованное покрытие без его удаления. Кроме того, можно изготовить теплоизоляционное покрытие в виде рукава из керамического волокнистого материала. Рукав надевают на перо лопатки и закрепляют. Оболочку изготавливают из порошка полимера или углеродистого материала. Покрытие наносят в рабочем положении лопатки на роторе. Устройство для получения профиля лопатки содержит плунжер с возможностью винтового перемещения в радиальном направлении. На конце плунжера закреплен захват с полостью, расширяющейся в направлении к ротору. В плунжере выполнен продольный канал. 3 с. и 17 з.п. ф-лы, 14 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2086775
Класс(ы) патента: F01D5/18
Номер заявки: 93054038/06
Дата подачи заявки: 02.12.1993
Дата публикации: 10.08.1997
Заявитель(и): Гохштейн Яков Петрович; Гохштейн Александр Яковлевич
Автор(ы): Гохштейн Яков Петрович; Гохштейн Александр Яковлевич
Патентообладатель(и): Гохштейн Яков Петрович; Гохштейн Александр Яковлевич
Описание изобретения: Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в газотурбинных установках.
Известен способ теплоизоляции турбинной лопатки с помощью керамического экрана, например, путем закрепления керамической насадки на металлическом фланце пера лопатки (Патент Англии N 2084262, МПК 6 F 01 D 5/14, 1982 г.). Передача всей центробежной нагрузки от насадки фланцу неблагоприятна для прочности лопатки из-за концентрации напряжений на вершине пера, которая удерживает насадку, но сама не защищена от нагрева.
Известен также способ теплоизоляции турбинной лопатки, включающий нанесение керамического покрытия на поверхность пера лопатки (Патент США N 3758233, МПК 6 F 01 O 5/10, 1973 г.). Плазменным напылением получают на металле слой керамики, содержащий оксид циркония. Покрытия, нанесенные таким путем, подвержены скалыванию из-за хрупкости керамического слоя и относительно слабой связи его с металлической подложкой. Это ограничивает допустимую толщину керамического покрытия (величиной 0,2 мм) и его долговечность. Кроме того, зарождение трещин в плотном керамическом покрытии снижает усталостную прочность металлической подложки.
Аналогичными свойствами обладают покрытия, полученные электронно-лучевым испарением оксидов в вакууме. Недостаток известных способов теплоизоляции также в том, что нанесение равномерного покрытия сопряжено в них с извлечением лопатки из ротора турбины. Устройство для обработки профиля турбинной лопатки плазменным напылением содержит горелку с подводом плазмообразующего газа и вакуумную камеру для размещения лопатки.
Предлагаемый способ теплоизоляции турбинной лопатки включает нанесение керамического покрытия на стержень пера лопатки. Новым является то, что изготавливают вспомогательный чехол с полостью, имеющей форму пера лопатки, заготовку керамического покрытия располагают между вспомогательным чехлом и стержнем пара, после чего лопатку разогревают до разрушения чехла. Заготовку керамического покрытия наносят вначале на внутреннюю поверхность вспомогательного чехла, который затем надевают на стержень пера лопатки. Стержень пера лопатки ограничивают снаружи поверхностью, образованной винтовым перемещением корневого сечения стержня пера.
Используют предварительно изготовленный шаблон, имеющий форму стержня пера, заготовку керамического покрытия наносят на поверхность шаблона и на шаблоне с заготовкой покрытия формуют вспомогательный чехол, затем шаблон извлекают из чехла, оставляя в чехле заготовку покрытия, вводят в образовавшуюся полость вяжущее, после чего чехол с заготовкой покрытия надевают на стержень пера и сохраняют в этом положении до отверждения вяжущего. Чехол выполняют пористым из полимера либо углеродистого материала.
Заготовку керамического покрытия наносят на поверхность шаблона путем намотки нити из керамических волокон либо путем укладки листового волокнистого материала, например керамической ткани. Возможно использование листового волокнистого материала в качестве подкладки под обмотку из керамической нити. При этом укладка предшествует намотке.
Способ теплоизоляции турбинной лопатки, включающий нанесение керамического покрытия на стержень пера лопатки, имеет варианты. В одном из них новым является то, что выполняют заготовку керамического покрытия в виде рукава из волокнистого материала, рукав надевают на стержень пера и закрепляют на этом стержне с помощью вяжущего. При этом вяжущее предварительно наносят на внутреннюю поверхность рукава.
Рукав может быть размещен на стержне пера лопатки непосредственно либо с помощью вспомогательного чехла. В последнем случае рукав надевают на шаблон и формуют на рукаве чехол.
В другом варианте способа вспомогательный чехол, изготовленный в виде отдельной детали, надевают на стержень пера со свободным зазором, в который затем вводят исходный материал керамического покрытия в виде вяжущего с наполнителем. При необходимости чехол выполняют разъемным и соединяют со стержнем пера лопатки по частям. Разъем выполняют вдоль стержня.
Керамическое покрытие наносят на стержень пера в рабочем положении лопатки на роторе турбины, угол поворота которого фиксируют. В порядке текущего ремонта турбины керамическое покрытие периодически обновляют путем повторного надевания чехлов на стержень пера. Перед повторным надеванием чехла использованное покрытие удаляют полностью или частично. При частичном удалении оставшийся слой покрытия с помощью чехла наращивают.
Устройство для обработки профиля турбинной лопатки содержит плунжер, установленный на корпусе турбины с возможностью винтового перемещения вдоль радиуса ротора, на конце плунжера, обращенном к ротору турбины, закреплена обойма с полостью, расширяющейся в направлении к ротору. В плунжере выполнен продольный канал, сообщающийся с полостью обоймы. Между каналом плунжера и полостью обоймы установлен вентиль.
На фиг. 1 показана решетка профилей газовой турбины с чехлом для нанесения теплозащитного покрытия; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 вид Б на фиг. 1 с разрезом чехла (схема); на фиг. 4 устройство для формовки чехла на шаблоне; на фиг. 5 разрез В-В на фиг. 4; на фиг. 6 11 - последовательные стадии нанесения волокнистого керамического покрытия на металлический стержень пера лопатки; укладка нити на шаблон с образованием рукава (фиг. 6), засыпка рукава формовочной массой для изготовления чехла (фиг. 7), нанесение вяжущего на рукав, скрепленный с чехлом, после извлечения шаблона (фиг. 8), посадка рукава с чехлом на стержень пера лопатки и отверждение вяжущего (фиг. 9), удаление чехла путем нагрева лопатки и получение готового покрытия (фиг. 10), удаление использованного покрытия со стержня (фиг. 11); на фиг. 12 турбина с установленным на ней устройством для обработки профиля лопатки; на фиг. 13 вариант устройства для обработки профиля; на фиг. 14 соединение разъемного чехла с турбинной лопаткой.
Решетка 1 профилей газовой турбины содержит рабочие лопатки 2, 3, 4, каждая из которых имеет основание 5 и перо 6, обтекаемое нагретым газом. Профиль пера образован входной кромкой 7 с радиусом кривизны r1, выходной кромкой 8 с радиусом кривизны r2, а также расположенными между кромками вогнутым корытом 9 и выпуклой спинкой 10. По направлению от входной кромки к выходной межлопаточный канал 11 суживается от размера a1 на входе до размера a2 в горле 12 решетки. За горлом расположен участок 13 косого среза с углом отгиба спинки (фиг. 1).
Профиль пера выполнен переменным от корня 14 пера до верхнего свободного торца 15 с уменьшением площади поперечного сечения и с закруткой относительно оси 16, направленной вдоль радиуса турбинной ступени. При этом перо ограничено цилиндрическими поверхностями 17, 18 (в проекции на плоскость чертежа окружностями), которые касаются винтовых линий 19, 20, описываемых закрученным профилем, и имеют радиусы R1 и R2. Ось 16 закрутки смещают от линии центров тяжести сечений пера с тем, чтобы изгиб лопатки центробежными силами компенсировал изгиб, вызванный избыточным давлением потока газа на корыто. Соотношение между радиусами R1 и R2 зависит от величины и направления сдвига оси 16.
Лопатки выполнены с двухконтурным охлаждением (схемы которого могут быть различны, что показано на примере лопаток 2 и 3). Внутри лопаток выполнены каналы 21, 22, 23, 24 закрытого контура 25, 26 охлаждения, заполненного жидким натрием 27.
Каналы закрытого контура совмещены в области пера с каналами 28, 29, 30 открытого контура 31, 32 охлаждения, служащими для пропускания воздуха либо водяного пара. Канал 28, продуваемый воздухом, расположен внутри канала 21 с жидким натрием, выполнен витым и содержит пористый металлический наполнитель для ускорения теплообмена между закрытым и открытым контурами. Вход 33 канал 28 расположен в основании лопатки, выход 34 в торце пера. Каналы закрытого контура соединены коллекторами 35, 36, один из которых расположен в области пера, а другой в области основания лопатки.
Перо имеет металлический стержень 37, на который нанесено теплозащитное покрытие 38, содержащее керамические волокна. Покрытие включает оболочку 39 постоянной толщины и вкладыши 40, 41, расположенные между оболочкой и стержнем на входной и выходной кромках соответственно. Покрытие имеет боковую часть 42 и торцовую часть 43.
Способ теплоизоляции турбинной лопатки позволяет нанести волокнистый керамический материал на поверхность пера лопатки. Покрытие изготавливают отдельно от пера. Для этого по форме пера лопатки изготавливают вспомогательный чехол 44 с боковой стенкой 45 и крышкой 46. На внутренней поверхности чехла располагают заготовку покрытия в виде слоя волокнистого материала. Изнутри на заготовку наносят слой вяжущего. Чехол с заготовкой и вяжущим надевают на стержень 37 пера лопатки и обжимают бандажом 47, который содержит пояс 48 и эластичный вкладыш 49, входящий в корыто чехла. Бандаж выравнивает распределение вяжущего между стержнем пера и заготовкой покрытия.
В изолированном виде бандаж имеет выпуклую поверхность 50. При последовательном надевании чехлов с заготовками покрытия на лопатки рабочего колеса турбины бандаж 51 последующей лопатки надавливает на бандаж 47 предыдущей лопатки с образованием вогнутости 52, что улучшает прижатие чехла к корыту профиля. После отверждения вяжущего бандаж 47 снимают с чехла 44. Лопатку 2 разогревают до разрушения чехла, после чего на лопатке остается теплозащитное покрытие 38. Разогрев лопаток, необходимый для удаления чехлов, может быть произведен с помощью камеры сгорания. В частности, разогрев может быть совмещен с пуском турбины. Продукты сгорания чехла выводятся из турбины через проточную часть вместе с продуктами сгорания топлива.
Нижний край чехла выполнен с фланцем 53 для упора в полку 54 лопатки (фиг. 2, 3). Полка соединена с елочным хвостовиком 55, который закреплен в пазу диска 56 ротора турбины. В диске выполнены каналы 57 для подачи воздуха или пара в каналы лопатки. Каналы 29 открытого контура имеют вид петель 58, концы которых соединены с коллекторами 59, расположенными в хвостовике.
Вместо крышки 46 чехол может быть выполнен с открытым торцом 60, расположенным на уровне торца 15 пера лопатки (фиг. 2). Для изготовления чехла используют шаблон 61, который включает стержень 62, подставку 63 и плиту 64, выполненные как одно целое из полимера либо металла. Стержень шаблона совпадает по форме со стержнем 37 пера лопатки. В частности, шаблон имеет переднюю кромку 65 и заднюю кромку 66. На кромках шаблона формируют керамические вкладыши 40, 41. Вкладыши прикладывают в готовом виде либо наносят путем обмазки кромок шаблона керамобетоном с последующим его отверждением.
Перед нанесением вкладышей шаблон может быть покрыт керамической тканью в качестве подложки под внешнее керамическое покрытие, состоящее из волокон, ориентированных в одном направлении. После нанесения вкладышей слой ориентированных волокон наносят на шаблон в виде рукава 67, который может быть получен путем намотки керамической нити на стержень 62 шаблона. Кроме того, рукав может быть изготовлен отдельно, в виде нетканого материала с керамическими нитями основы и органическими нитями утка, который впоследствии выгорает. Рукав может содержать несколько слоев керамических волокон, каждый из которых отличается от смежных слоев ориентацией волокон.
Чехол изготавливают с помощью формы 68, которая включает две боковые части 69, 70, смыкающиеся по плоскости 71, и крышку 72. Детали формы выполняют из полимера, например тефлона, либо из металла с антиадгезионным покрытием. Форма имеет паз 73 под фланец чехла. Внутренняя сторона 74 крышки отделена от верхнего торца 75 оболочки 39 зазором 76 для образования крышки 46 чехла. При необходимости зазор может быть заглушен прокладкой до уровня 77, что позволяет получить чехол с открытым торцом 60. Боковые части формы отделены от боковой поверхности оболочки 39 зазором 78.
Зазор между формой и оболочкой 39, надетой на шаблон, заполняют пресс-порошком 79, смоченным раствором клея. Предварительно подготавливают порошок с размером частиц 0,3.1 мм для обеспечения достаточной газопроницаемости стенки чехла при ее толщине 5.10 мм. С той же целью ограничивают концентрацию клея и количество раствора. Покрытие шаблона пленкой поливинилацетата обеспечивает его адгезию к керамике при 90oС и возможность его извлечения из чехла выше 120oС.
Термостойкость материала чехла выбирают в соответствии с температурой начальной термообработки керамического покрытия в процессе его закрепления на стержне пера лопатки. Для соединения волокнистой заготовки покрытия со стержнем используют фосфатную связку коллоидный раствор алюмофосфата, Al(H2PO4)3, Al2(HPO4)3 AlPO4 либо керамическое вяжущее концентрированную dодную суспензию керамики со значительным содержанием коллоидного компонента. Суспензию получают тонким помолом тугоплавких соединений (Al2O3, SiO2, MgO, 3Al2O3·2SiO2, ZrO2 + Y2O3, ZrO2·SiO2, Si3N4). Объемное содержание твердой фазы в суспензии составляет 0,3.0,7, а пористость отливки после сушки и твердения 10.40% причем пористость в большинстве случаев увеличивается с разбавлением суспензии.
В интервале температур 300.500oC алюмофосфатная связка теряет воду и твердеет в виде смеси AlPO4 и Al(PO3)3, а в интервале 1000.1300oC целиком переходит в AlPO4.
Керамическое вяжущее твердеет в процессе сушки благодаря освобождению поверхностной энергии соединяющихся коллоидных частиц, что создает эффект холодного спекания. Сушку производят при 100.140oC. Прочность отвержденного вяжущего после сушки 1.10 МПа при изгибе. При повышении температуры до 800oC прочность вяжущего меняется незначительно. Дальнейшее спекание с многократным увеличением прочности вяжущего происходит выше 800oC, например, для муллита в интервале 800-1100oC при выдержке 2 ч.
Для изготовления турбинной лопатки используют никелевые сплавы, легированные хромом, кобальтом, алюминием. В отличие от авиационных турбин, использующих специально очищенное топливо, турбины стационарных энергетических установок более подвержены сульфидно-оксидной коррозии, что делает предпочтительными никелевые сплавы с повышенным содержанием хрома.
Стержень пера лопатки изготавливают из литейного сплава типа ХН60МКБЮТ (0,1% C, 14% Cr, 10% Co, 5% Al, 5% Mo, 3% Nb, 1% Ti, 0,2% Fe, 0,02% B) с длительной прочностью 130 МПа при 950oC. В литейную форму закладывают титановые трубки системы охлаждения. На трубки может быть нанесено тонкое (10.20 мкм) керамическое покрытие из соединения 3 Y2O3 · 5 Al2O3, которое препятствует растворению титана в литейном расплаве, но в дальнейшем практически не мешает охлаждению лопатки. Возможно направленная кристаллизация расплава в литейной форме с трубками.
На поверхность стержня пера лопатки наносят плазменным напылением жаростойкое металлическое покрытие типа NiCoCrAlY с повышенным по сравнению со сплавом содержанием хрома, кобальта и алюминия (100 мкм), а также слой керамики из оксида в виде системы ZrO2 Y2O3 - Al2O3, обладающий столбчатой структурой (100 мкм) и служащий подложкой под волокнистое керамическое покрытие.
Материалы, использованные при изготовлении турбинной лопатки, допускают ее длительную выдержку без нагрузки при температуре 1100.1300oC, которая достаточна для значительного упрочнения керамического вяжущего, а также алюмофосфатной связки, соединяющих поверхность стержня с керамическими волокнами покрытия.
Из изложенного следует, что при использовании керамического вяжущего чехол должен противостоять пластической деформации при 100.140oC, а при использовании алюмофосфатной связки при 300.500oC. В первом случае чехол может быть выполнен из полимера средней термостойкости, например из поликарбоната, допускающего нагрев до 140oC без разрушения и разлагающегося выше 320oC. Во втором случае используют полимер высокой термостойкости полиимид либо углеродистый материал из кокса с каменноугольной смолой в качестве связующего.
Ароматический полиимид (полидифениленоксидпиромеллитимид) сохраняет высокие прочность на разрыв и модуль упругости до 400oC (с соответственно 100 и 1200 МПа) и разлагается на воздухе при 600.800oC с образованием окислов углерода и азота, что обеспечивает удаление чехла с лопатки перед выходом турбины на рабочий режим.
Вяжущим служит раствор полиамидокислоты в амидном растворителе - диметилацетамиде, диметилформамиде. Заполненную порошком и вяжущим форму сушат в атмосфере сухого азота и затем выдерживают 1 ч на воздухе при 130.200oC. Нагрев способствует циклизации амидных звеньев в имидные с получением полиимида, соединяющего частицы исходного порошка из того же материала.
Вместо склеивания жидким вяжущим может быть применено прессование порошка вокруг шаблона с заготовкой покрытия. Для этого используют сухой порошок полиамидокислоты, которая при нагреве превращается в полиимид со спеканием частиц порошка. Прессование ведут под давлением 0,1.2 МПа при температуре 200.300oC, причем увеличение температуры и давления уменьшает пористость изделия.
При изготовлении чехла из углеродистого материала кокс измельчают, смешивают с каменноугольной смолой, которую берут в количестве 10.20% от общей массы, и формуют вокруг шаблона 61 при давлении 1.30 МПа в зависимости от требуемой пористости. Сформованный чехол обжигают без доступа воздуха при постепенном подъеме температуры. Смола коксуется в интервале 350 800oC. Обжиг ведут в течение 20 ч. Вместе с подъемом и снижением температуры его продолжительность составляет около 10 сут. Готовые чехлы складывают для хранения и по мере необходимости используют при ремонте турбины.
Для чехла в сборе с шаблоном и заготовкой покрытия предпочтительна температура обжига не выше 1000oC, чтобы избежать пластической деформации керамики и ее взаимодействия с углеродом. Температура обработки может быть повышена, если чехол отделен от шаблона и заготовки покрытия. При таком варианте изготовления чехла используют дополнительный шаблон, увеличенный на толщину заготовки покрытия. Чехол формуют на этом шаблоне, снимают с шаблона после формовки, подвергают вначале обжигу при 1100.1450oC, а затем - графитированию при 2500oC. Операция графитирования улучшает механические свойства чехла и очищает его от содержащего серу зольного остатка, который после обжига составляет до 10% массы чехла. Благодаря этому сгорание чехла, сопровождающее пуск турбины, происходит с выделением только летучих соединений, инертных по отношению к металлу лопатки.
Графитированный чехол начинает окисляться: на воздухе при 450oC, в углекислом газе при 900oC. В нейтральной и восстановительной среде, которая при необходимости может быть создана в турбине, он стоек до температуры сублимации 3650oC.
Керамические нити заготовки покрытия составлены из непрерывных оксидных волокон диаметром 10.50 мкм. Диаметр нитей 0,5.1 мм при общей толщине волокнистого керамического покрытия 1.3 мм. Волокна выполнены из мелкокристаллического оксида алюминия с задержанной перекристаллизацией либо из оксида циркония, стабилизированного оксида иттрия либо иттербия. Нити выполнены прямыми либо с закруткой, которая создает дополнительную свободу для их тепловой деформации.
В процессе спекания чехол припекается также к заготовке покрытия, надетой в виде оболочки 39 на шаблон 61. Благодаря этому при извлечении шаблона заготовка покрытия остается в чехле и вместе с ним после нанесения минерального вяжущего может быть надета на лопатку. Поры в чехле обеспечивают газообмен при сушке вяжущего и, кроме того, препятствуют образованию воздушных пробок. Если чехол изготовлен отдельно, то надетую на шаблон заготовку покрытия смазывают снаружи тонким слоем клея, вводят в чехол и выдерживают до закрепления, после чего шаблон извлекают.
Толщина стенки чехла составляет 0,1.0,5 от минимальной по высоте пера ширины горла межлопаточного канала, a2 (фиг. 1), с тем, чтобы между чехлами соседних лопаток оставался просвет для прохода газа из камеры сгорания. При использовании бандажа 47 чехол делают эластичным, из полимера с толщиной стенки 2.5 мм. Возможно армирование полимерной стенки чехла углеродными волокнами. Пояс 48 бандажа и вкладыш 49 выполняют из эластомеров - силиконовой резины либо витона (сополимера винилиденфторида и гексафторпропилена) с максимальной температурой непрерывной службы 315oC и 370oC соответственно, причем виток допускает кратковременный нагрев до 480oC.
Вкладыш 49 выполняют с повышенной пористостью либо в виде замкнутой оболочки, заполненной воздухом. Расширение воздуха при нагреве создает избыточное давление вкладыша на чехол 44. При необходимости указанные эластомеры могут быть использованы и как материалы чехла.
При отношении среднего диаметра ступени к длине пера, большем 10, перо выполняют без закрутки, в виде усеченного криволинейного конуса, опирающегося на корневое сечение пера. Изготовленный на шаблоне чехол с закрепленной внутри него заготовкой покрытия имеет полость в виде усеченного конуса, что создает возможность плотной посадки чехла на перо независимо, в определенных пределах, от толщины слоя вяжущего между поверхностью пера и заготовкой покрытия.
В данном случае коническая поверхность стержня пера ограничена снаружи цилиндрической поверхностью, опирающейся на корневое сечение и образованной поступательным перемещением этого сечения вдоль радиуса турбинной ступени. Закрутка пера характеризуется добавлением вращательного движения и соответствует винтовому перемещению корневого сечения с образованием поверхности, которая в общем случае касается двух цилиндрических поверхностей 17 и 18 (фиг. 1). Стержень пера закрученной лопатки заключен внутри указанной винтовой поверхности. При этом сечение пера у торца 15 меньше, чем у корня 14, а образованная входной кромкой линия 19 отклонена внутрь цилиндра 17. Такое выполнение пера и соответствующей ему полости чехла обеспечивает возможность плотной посадки чехла на перо также и в условиях закрутки профиля. При этом в процессе посадки чехол навинчивают на перо.
Керамическое волокнистое покрытие турбинной лопатки периодически обновляют или ремонтируют. Цикл обновления состоит из следующих операций (фиг. 6 11): формирование заготовки 80 покрытия путем нанесения керамической нити 81 на шаблон 82 (фиг. 6); засыпка заготовки покрытия гранулами 83 сгораемого пресс-порошка (фиг. 7); скрепление гранул с образованием стенки 84 чехла, снятие чехла и скрепленной с ним заготовки покрытия с шаблона, нанесение слоя 85 вяжущего на заготовку покрытия изнутри, посадка чехла с заготовкой покрытия и вяжущим на поверхность 86 стержня пера (фиг. 8); отверждение вяжущего в виде слоя 87, соединяющего стержень пера с заготовкой покрытия (фиг. 9); удаление чехла путем его сжигания при нагреве лопатки и выход на рабочий режим турбины (фиг. 10); удаление отработавшего волокнистого покрытия механическим путем при его увлажнении и с использованием пластмассового скребка либо путем промывки водой при неполном охлаждении турбины и ее вращения (фиг. 11). При использовании некоторых вяжущих, например силикофосфатной связки, возможно удаление покрытия путем его перегрева с расплавлением слоя 88 вяжущего.
Для лучшего удержания вяжущего, наносимого на заготовку покрытия, керамические нити могут быть выполнены с ворсом из радиальных волокон 89. При удалении волокнистого покрытия жаростойкое металлическое покрытие 90 защищено слоем 91 керамической подложки и остатком вяжущего, которые в совокупности имеют незначительную толщину и полностью оказываются под новым слоем вяжущего. При этом новый слой вяжущего залечивает возможные повреждения слоя 91 керамической подложки. Вместо обмазки заготовки покрытия вяжущим оно может быть введено под давлением в зазор 92 между чехлом и стержнем. Для увеличения жесткости чехла его корыто может быть выполнено с утолщением 93 (фиг. 5).
При периодическом обновлении керамического волокнистого покрытия доступ к рабочим лопаткам осуществляют через сопловой аппарат 94 турбины. Он состоит из двух полукорпусов 95, 96 (фиг. 12). Каждый полукорпус имеет кожух 97 и внутреннюю стенку 98, на которой закреплены сопловые лопатки 99 и керамический вкладыш 100, огибающий торцы 15 рабочих лопаток 101, 102. В рабочем состоянии турбины полукорпуса сомкнуты вертикальными фланцами 103, 104 и расположены концентрично ротору 105 с рабочими колесами ступеней и выхлопному отверстию 106.
Перед обновлением покрытия полукорпуса раздвигают в горизонтальном направлении с образованием окна 107 между фланцами. На фланцах располагают горизонтальную балку 108 с транспортером 109, на котором установлены ячейки 110. Каждая ячейка штырями 111 скреплена с ребрами 112 в форме лопатки. На ребра 113, расположенные по одну сторону от окна, надеты чехлы 114, облицованные изнутри заготовками керамического покрытия, которые предварительно смочены вяжущим.
Над окном устанавливают плунжер 115 с муфтой 116, в которую вставлена цапфа 117 захвата 118, удерживающего чехол 119, снятый с ребра 112. В плунжере выполнен канал 120, который через канал 121 в захвате сообщается с полостью 122 чехла 119.
Поворотом ротора лопатку 123 с надетым на нее чехлом 124 выводят из-под захвата, подводят на ее место лопатку 102 и фиксируют положение ротора. Опускают плунжер до плотной посадки чехла 119 на лопатку 102. При этом торцевая часть 125 захвата прижимает фланец 53 чехла к полке 54 лопатки.
Обратным перемещением плунжера поднимают захват в исходное положение 126. Чехол 119 остается на лопатке 102. Движением транспортера 109 подводят ребро 113 с чехлом 114 в фиксированное положение под плунжером. Перемещением плунжера опускают захват 118 на чехол 114. Поднимают захват с чехлом в положение 126. С помощью транспортера перемещают ребро 113 на место ребра 112. Поворачивают ротор на один шаг решетки, подводя под плунжер следующую лопатку 101. Опускают на нее чехол 114. Описанный цикл повторяют до покрытия чехлами всех лопаток диска 56.
Оставляя полукорпуса 95, 96 разведенными, закрывают окно 107 сверху участком плиты 108 и включают камеру сгорания для прогрева лопаток до отверждения вяжущего под чехлами. При необходимости механически очищают торцы лопаток от наплывов вяжущего. После отверждения вяжущего лопатки нагревают до 800oC для выгорания чехлов.
Разведение полукорпусов увеличивает радиальный зазор между лопатками и сопловым аппаратом до значения λ (фиг. 12), что делает возможным проворачивание ротора с чехлами. Для нанесения покрытия на прямые лопатки плунжер с захватом перемещаются поступательно. Для нанесения покрытия на закрученные лопатки 127 используют закрученный захват 128 (фиг. 12, штрихпунктирные линии), а плунжер с захватом совершают винтовое движение, складывающееся из перемещения вдоль оси 129 и вращения вокруг нее.
На ребро 113 чехол 114 устанавливают с зазором, что обеспечивает снятие чехла с ребра даже при незначительном сцеплении чехла с захватом, которое может быть достигнуто с помощью пружин, закрепленных на стенках захвата (пружины не показаны).
На лопатку 101 чехол 114 надевают с натягом, который создают давлением торцевой части 125 захвата на фланец 53 чехла. Поэтому при обратном ходе плунжера сцепление чехла с лопаткой оказывается сильнее его сцепления с захватом. Кроме того, отделение захвата от чехла может быть выполнено с помощью сжатого воздуха, подаваемого в канал 120 плунжера и затем в полость 130 над чехлом. Сжатый воздух воздействует на торец чехла вниз, а на торец захвата в противоположном направлении. При необходимости через отверстие 120 в плунжере может быть пропущен шток для выталкивания чехла из захвата.
В другом варианте способа теплоизоляции турбинной лопатки (фиг. 13) чехол 131 надевают на стержень 132 пера лопатки с фиксированным по периметру зазором 13, окружающим перо лопатки. В зазор 133 под давлением вводят текучую керамическую массу, например керамобетон, включающий наполнитель в виде рубленых оксидных волокон и вяжущее в виде концентрированной водной суспензии из частиц того же оксида Al2O3, 3Al2O3· 2SiO2, ZrO2 + Y2O3 (5.12% по массе). Керамическую массу отверждают под чехлом с получением покрытия, толщина которого определяется величиной зазора 133. Как и в предыдущем варианте, чехол после отверждения покрытия сжигают. Покрытие подвергают термической обработке при неподвижном роторе или на малых числах оборотов.
Для осуществления этого варианта захват 134 скрепляют с фланцем 135, который служит дном резервуара 136. Фланец имеет цилиндрическое гнездо 137, в котором выполнены диаметральный паз 138 и осевое отверстие 139. Отверстие закрыто концом 140 штока 141. Шток расположен в гнезде по ходовой посадке и может быть поднят над отверстием в положение 142.
Подъем штока осуществляют с помощью электромагнита, который воздействует на верхний конец штока (на чертеже не показан) при сохранении герметичности резервуара 136. Приготавливают керамическую вяжущую суспензию с волокнистым наполнителем либо без него. В качестве наполнителя используют оксидные волокна диаметром до 3.5 мкм и длиной до 1.2 мм. Заполняют суспензией часть резервуара. Сжатым воздухом создают над поверхностью суспензии избыточное давление и открывают отверстие 139, поднимая шток в гнезде на фиксированный интервал времени.
Под давлением сжатого воздуха суспензия с наполнителем вытекает из резервуара 136 через отверстие 139 в полость 143 и оттуда в зазор 133, вытесняя воздух через поры в стенке чехла (движение суспензии на фиг. 13 показано стрелками). После заполнения зазора вытекание суспензии из резервуара резко замедляется из-за сопротивления пор движению жидкости, вязкость которой значительно больше вязкости воздуха. Отверстие 139 закрывают, опуская шток в гнездо 137. При этом давление в зазоре 133 снижается до атмосферного. Захват снимают с чехла. Суспензию сушат и подвергают полученное покрытие термической обработке, во время которой чехол выгорает.
Захват может быть выполнен составным, с кольцом в качестве торцовой части 125 (кольцо не показано). Вначале снимают захват без кольца, которое позволяет удержать чехол на лопатке. Затем снимают кольцо, придерживая торец 60 чехла.
Описанным способом могут быть нанесены многослойные покрытия. Вначале с помощью одного чехла на перо лопатки надевают рукав из непрерывных керамических волокон. Затем с помощью другого чехла покрывают рукав дополнительным слоем суспензии.
Для нанесения керамического покрытия на перо 144 лопатки, имеющей бандажную полку, используют разъемный чехол. Он состоит из двух частей 145 и 146, одну из которых накладывают на спинку 147 стержня, другую на корыто 148. Разъемы 149 и 150 чехла выполнены на участках скруглений 151 и 152 входной и выходной кромок стержня. Перед смыканием частей на их внутреннюю поверхность наносят слой 153 сырого керамобетона из волокнистого наполнителя и вяжущей суспензии. В сомкнутом состоянии чехол закрепляют с помощью бандажа (не показан). Кроме того, части чехла снабжены фланцами 154, 155, один из которых имеет отверстия 156, а другой штыри 157 с возможностью их запрессовки в отверстиях.
При частичном разрушении теплозащитного покрытия из керамобетона с волокнистым наполнителем оно может быть восстановлено без предварительного удаления. Для этого на поврежденное покрытие надевают чехол с зазором, так же, как и в случае нанесения нового покрытия (фиг. 13). В зазор под давлением вводят керамобетон, который заполняет поврежденные места старого покрытия и залечивает трещины, создавая ровную наружную поверхность, воспроизводящую заданный профиль.
Путем заделки, а не удаления может быть устранена также шероховатость лопатки, создаваемая случайными отложениями и увеличивающая потери располагаемой энергии на трение. Такой способ обработки турбинной лопатки исключает повреждение жаростойкого металлического покрытия и допускает снятие верхнего слоя отложений.
Формула изобретения: 1. Способ теплоизоляции турбинной лопатки, включающий нанесение керамического покрытия на поверхность пера лопатки, отличающийся тем, что заготовку керамического покрытия располагают между вспомогательной оболочкой и поверхностью пера, после чего лопатку нагревают до удаления оболочки.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку керамического покрытия наносят на внутреннюю поверхность вспомогательной оболочки, которую затем надевают на перо лопатки.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вспомогательную оболочку надевают на перо винтовым движением, причем поверхность пера образована винтовым перемещением корневого сечения пера.
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что заготовку керамического покрытия размещают на поверхности шаблона, имеющего форму пера, а вспомогательную оболочку формуют на заготовке керамического покрытия, затем шаблон извлекают, вводят в образовавшуюся полость заготовки вяжущее вещество и надевают его на перо вместе с оболочкой.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для заготовки керамического покрытия используют материал, содержащий керамические волокна.
6. Способ по пп. 4 и 5, отличающийся тем, что заготовку керамического покрытия образуют на поверхности шаблона путем намотки нити или жгута из керамических волокон.
7. Способ по пп.4 и 5, отличающийся тем, что заготовку керамического покрытия образуют на поверхности шаблона путем укладки листового волокнистого материала.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что вспомогательную оболочку надевают на перо с зазором, который затем заполняют вяжущим веществом и наполнителем заготовки керамического покрытия.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что вспомогательную оболочку выполняют из полимерного или углеродистого материала.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что полимерный или углеродистый материал используют в виде порошка.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что вспомогательную оболочку, выполненную разъемной, надевают на перо лопатки по частям.
12. Способ по п.1, отличающийся тем, что керамическое покрытие наносят на поверхность пера в рабочем положении лопатки на роторе турбины, угол поворота которого фиксируют.
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют перо с керамическим покрытием, нанесенным ранее.
14. Способ по п.1, отличающийся тем, что керамическое покрытие восстанавливают путем повторной обработки поверхности пера с использованием вспомогательной оболочки.
15. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед повторной обработкой поверхности пера керамическое покрытие частично или полностью удаляют.
16. Способ теплоизоляции турбинной лопатки, включающий нанесение керамического покрытия на поверхность пера лопатки, отличающийся тем, что покрытие, выполненное в виде рукава из керамического волокнистого материала, после нанесения на перо путем охвата последнего закрепляют на нем.
17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что перед надеванием рукава на перо на его внутреннюю поверхность наносят вяжущее вещество.
18. Устройство для получения профиля турбинной лопатки, содержащее теплозащитное покрытие, отличающееся тем, что оно снабжено плунжером, установленным на корпусе турбины с возможностью винтового перемещения вдоль радиуса ротора, и захватом, закрепленным на конце плунжера, обращенном к ротору турбины, и выполненным в виде обоймы с полостью, расширяющейся в направлении к ротору.
19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что в плунжере выполнен продольный канал, сообщающийся с полостью обоймы.
20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что между каналом плунжера и полостью обоймы установлен вентиль.