Результат интеллектуальной деятельности: ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Это изобретение в целом относится к лопатке газовой турбины, содержащей хвостовик, перо с передней кромкой, заднюю кромку, радиальную наружную концевую часть, и корыто, и спинку между передней кромкой и задней кромкой, и систему каналов охлаждающего воздуха, проходящую от проема отверстия для впуска воздуха в хвостовике концевой части на всем протяжении пера ко множеству отверстий для выпуска воздуха в корыте и переднюю кромку вершины концевой части пера.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Газовые турбины работают при высоких температурах, которые могут достигать 1200°C и более. Соответственно, лопатки турбины должны быть способны выдерживать такие высокие температуры. Для продления срока службы лопаток они часто содержат системы охлаждения, пропускающие охлаждающий воздух через лопатку.

Лопатка газовой турбины содержит хвостовик концевой части, полку и перо, которое тянется снаружи от полки, перо, содержащее кромку концевой части, переднюю кромку и заднюю кромку. Во время работы газовой турбины в некоторых областях лопатки турбины могут формироваться высокие напряжения. Конкретные области, ограничивающие срок службы, найдены в центральной области пера концевой части и области задней кромки, в центре формирующей относительно тонкую стенку на стороне, расположенной ниже по потоку пера концевой части. Вследствие ее относительно тонкой конструкции и высоких напряжений во время работы задняя кромка является высоко поддающейся к образованию трещин, которые могут вести к выходу из строя пера.

Система охлаждения содержит внутренние охлаждающие каналы, которые принимают воздух из компрессора газовой турбины и пропускают воздух через лопатку. Охлаждающие каналы включают в себя множество протоков, которые предназначены для поддержания лопатки турбины в относительно равномерной температуре. Однако центробежные силы и воздушный поток в пограничных слоях иногда препятствуют достаточному охлаждению некоторых областей лопатки турбины, что приводит к формированию локальных мест перегрева, которые могут сокращать срок службы лопатки турбины.

Система охлаждения в пере может включать охлаждающие воздушные каналы для максимального конвекционного охлаждения в концевой части пера и задней кромке и выход части охлаждающего воздуха через охлаждающие отверстия в концевой части и задней кромке пера. Такая лопатка турбины известна, например, из патента США 5192192.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель изобретения состоит в том, чтобы предложить лопатку газовой турбины с высокой способностью охлаждения в концевой части пера.

Эта цель решается в соответствии с изобретением, лопаткой газовой турбины, как упомянуто выше, в которой концентрация отверстий для выпуска воздуха на вершине концевой части пера выше на корыте, чем на спинке. С помощью этой меры охлаждающий воздух или любая охлаждающая текучая среда ведет более точно к таким частям концевой части, где во время работы лопатки вырабатывается большинство тепла. Поскольку меньшее количество или нисколько воздуха не ведет к спинке вершины концевой части, большинство или весь охлаждающий воздух распределяется для охлаждения нагретого корыта вершины концевой части.

Концентрация отверстий для выпуска воздуха может измеряться в поперечном сечении выпускного отверстия на площадь поверхности пера, или если есть многочисленные выпускные отверстия того же поперечного сечения - в большом количестве выпускных отверстий на поверхность площади пера. Предпочтительна спинка вершины пера, свободная от отверстий для выпуска воздуха.

Вершина пера может быть задана в качестве части пера, обращенной радиально наружу. Корыто может быть задано в качестве участка корыта вершины пера, и передняя кромка может быть задана в качестве участка передней кромки вершины концевой части. Участок корыта и участок спинки, называемый для удобства корытом и спинкой, могут быть заданы в качестве областей вершины концевой части, проходящих от соответствующей внешней границы концевой части к контурной линии концевой части или линии в середине между стенкой корыта и стенкой спинки.

Передняя кромка концевой части может быть задана посредством площади в пределах ±90°, отмеренной от контурной линии в любой точке, в которой она пересекается через поверхность выше по потоку или корыто пера. В зависимости от типа лопатки, еще одним определением является область, проходящая от передней кромки пера на расстояние по направлению к задней кромке, которое может быть 1/10 расстояния между передней кромкой и задней кромкой.

Вершина концевой части может включать одно или более ребер, проходящих из основания концевой части радиально наружу. Такое ребро или ребра могут проходить от передней кромки к задней кромке или на части этого расстояния, два ребра формируют полость или камеру между ними. Такое ребро или ребра служат уплотнительными средствами для сокращения утечки газов, протекающих между концевой частью и неподвижным наружным уплотнением, которое окружает венец лопаток. Предпочтительны отверстия для выпуска охлаждающего воздуха, расположенные внутри ребра, удлиняющего стенку корыта пера радиально наружу от основания концевой части. Предпочтительно ребро, проходящее в дуге вокруг передней кромки концевой части, отверстия для выпуска воздуха, расположенные на передней кромке, окруженные дугой из этого ребра.

В соответствии с аспектом изобретения, число отверстий для выпуска воздуха на площадь около передней кромки концевой части, особенно в участке передней кромки, более высоко, чем среднее число отверстий для выпуска воздуха на площадь в вершине концевой части. Пятно перегрева передней кромки концевой части может быть охлаждено наиболее эффективным образом в сочетании с очень эффективным использованием небольшого охлаждающего воздуха. Предпочтительна концентрация отверстий для выпуска воздуха на передней кромке более высокая, чем в наивысшей концентрации выпускных отверстий на корыте. Преимущественно, среднее расстояние между соседними отверстиями для выпуска воздуха на передней кромке более высокое, чем среднее расстояние между соседними отверстиями для выпуска воздуха на корыте концевой части. При этом на протяжении участка передней кромки концевой части охлаждающий воздух может быть распространен очень ровно.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения отверстия для выпуска воздуха в передней кромке формируют группу отверстий для выпуска воздуха, выполненные в передней кромке концевой части. С помощью этой меры охлаждающий воздух может быть распространен очень ровно также на протяжении участка передней кромки концевой части.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения кратчайшее расстояние между упомянутой группой и отверстием для выпуска воздуха ближайшим к упомянутой группе является большим, чем диаметр упомянутой группы. Хотя передняя кромка концевой части пера является пятном перегрева, генерирующим много тепла во время работы лопатки, участок корыта пера, близкий к передней концевой части, вырабатывает довольно мало тепла, меньше тепла, чем следующий участок далее вниз по направлению к задней кромке. С помощью этого варианта осуществления охлаждающий воздух подводится только к перегретым зонам, сохраняя воздух, где вырабатывается небольшое тепло. Предпочтительна зона, свободная от отверстий для выпуска воздуха, выполненная между упомянутой группой и отверстием для выпуска воздуха на корыте ближайшей к упомянутой группе, эта зона, по направлению из передней кромки к задней кромке, является большей в диаметре, чем диаметр упомянутой группы.

В соответствии с дополнительным аспектом изобретения отверстия для выпуска воздуха в корыте вершины концевой части выполнены в дуге, полностью внутри ребра, в корыте концевой части, оставляя толщину ребра незатронутой. Поскольку ребро может быть довольно тонким, особенно в маленьких лопатках, его механическая прочность сохраняется высокой без любых вырезов выпускных отверстий.

Выработка тепла не является одинаковой во всех участках вдоль корыта концевой части. При охлаждении, что касается разной выработки тепла вдоль корыта, более горячие области могут снабжаться большим охлаждающим воздухом и менее горячие зоны меньшим охлаждающим воздухом. Соответственно, является выгодным, если отверстия для выпуска воздуха в корыте вершины концевой части скомпонованы в дуге внутри ребра, расстояние между отверстиями для выпуска воздуха в середине между передней кромкой и задней кромкой является большим, чем между отверстиями для выпуска воздуха, расположенным более близко к задней кромке.

Подобное преимущество достигается, если отверстия для выпуска воздуха в корыте вершины концевой части выполнены в дуге внутри ребра, расстояние между отверстиями для выпуска воздуха в середине между передней кромкой и задней кромкой является большим, чем между отверстиями для выпуска воздуха, расположенными более близко к передней кромке.

Еще одна мера, наряду с или альтернативно различному распределению отверстий для выпуска воздуха, является установкой различных поперечных сечений, отверстий для выпуска воздуха, выпускных отверстий в наиболее нагретых зонах, имеющих большее поперечное сечение, чем отверстия в охлаждаемых зонах. Конкретно, отверстия для выпуска воздуха, ближайшие к задней кромке, могут иметь большее поперечное сечение для воздуха, чем отверстия для выпуска воздуха в середине между передней кромкой и задней кромкой. Одна конкретная область высокого напряжения находится в задней кромке пера, которая является частью пера формирующей относительно тонкую стенку. Поэтому эта зона должна охлаждаться тщательно, чтобы предотвратить формирование трещин, которые могут вести к выходу из строя пера. Эффективное охлаждение может быть достигнуто с помощью большего поперечного сечения.

То же самое справедливо, если отверстия для выпуска воздуха в корыте вершины концевой части выполнены в первом участке в средней части концевой части и втором участке в задней кромке концевой части, в котором выпускные отверстия первого участка сформированы различно, особенно в виде округлых отверстий, чем выпускные отверстия второго участка, которые предпочтительно сформированы в виде щелей.

Предпочтительны выпускные отверстия второго участка, направленные радиально наружу и скошенные по направлению к задней кромке от 45° до 80° в радиальном направлении, особенно от 68° до 72° в радиальном направлении.

Некоторые лопатки в зоне высокого сжатия турбины могут быть размером в несколько сантиметров в длину. Соответственно, конструкции пера являются хрупкими, наиболее хрупкой зоной является задняя кромка и примыкающая зона. Может достигаться надежное охлаждение даже таких конструкций, если концевая часть содержит основание и ребро выше и, по меньшей мере, частично вокруг основания, выпускные отверстия первого участка являются отверстиями в основании, основание, оканчивающееся на его пути к задней кромке, конец его края - отверстие второго участка, сформировано в качестве щели.

В дополнительном варианте осуществления изобретения охлаждающий воздушный канал содержит, по меньшей мере, две системы воздушных каналов, первая из которых проходящая непосредственно внутри передней кромки, и вторая, проходящая - предпочтительно через всю ее длину - более отдаленная от передней кромки, чем первая, первая система каналов, питающая отверстия для выпуска воздуха первого участка и является отделенной от, по меньшей мере, одного выпускного отверстия второго участка, и вторая система каналов, питающая, по меньшей мере, одно отверстие для выпуска воздуха второго участка и является отделенной от выпускных отверстий первого участка. Во время работы лопатки много тепла вырабатывается в передней кромке пера, воздух, протекающий в канале, проходящем близко к передней кромке, нагревается до некоторой степени. Поскольку задняя кромка концевой части является горячей зоной, также, она не должна охлаждаться только воздухом, уже сильно нагретым на его пути вдоль передней кромки. Разделяя охлаждающий воздух в две системы каналов, одна из них может направлять охлаждающий воздух вдоль передней кромки для охлаждения таковой, и охлаждающий воздух во второй может сохраняться достаточно холодным, чтобы еще эффективно охлаждать заднюю кромку концевой части.

Если первая система каналов подает воздух только к выпускным отверстиям вершины концевой части, и вторая система каналов подает воздух к вершине концевой частью и к выпускным отверстиям задней кромки между концевой части и основанием, обе зоны, концевой части и задняя кромка могут охлаждаться эффективно и надежно.

Для надежного охлаждения должна быть предотвращена горячая зона в задней кромке концевой части, вследствие турбулентности внутри лопатки, вызванной вращением лопатки, охлаждающий воздух не имеет возможности достигать отверстия для выпуска воздуха, расположенного близко к этой горячей зоне. Поэтому предложено, чтобы выпускное отверстие выполнялось ближе всего к задней кромке, питаемым только второй системой каналов.

Охлаждение хрупкой зоны, близкой к задней кромке, достаточным образом, на корыте, а также на спинке, может достигаться, если, по меньшей мере, одно выпускное отверстие второго участка тянется от напорной боковой стенки к боковой стенке всасывания вершины концевой части. Предпочтительно, что это выпускное отверстие открывается внутри ребра, особенно ребра, полностью окружающего проем вдоль задней кромки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Несмотря на то что описание изобретения заканчивается формулой изобретения, конкретно указывающей и четко заявляющей настоящее изобретение, вариант осуществления изобретения далее будет описан только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 показывает вид в перспективе лопатки турбины, включающей хвостовик и перо,

Фиг. 2 показывает поперечное сечение лопатки турбины с каналами для направления охлаждающего воздуха через перо, и

Фиг. 3 показывает вид сверху вниз на концевую часть пера.

Со ссылкой на фиг. 1 проиллюстрирована примерная лопатка 2 турбины для газотурбинного двигателя. Лопатка 2 включает в себя перо 4 и хвостовик 6, который традиционно используется для защиты лопатки 2 для диска ротора двигателя для поддержки лопатки 2 по направлению потока рабочей среды турбины, где работающая газовая среда на поверхностях этого приводит в действие движущие силы. Со ссылкой на Фиг. 1 и Фиг. 2 перо 4 имеет внешнюю стенку 8, окружающую внутреннюю полость 14. Наружная стенка 8 пера содержит обычно вогнутую напорную стенку 10 и обычно выпуклую стенку 12 всасывания (Фиг.3), которые разнесены по ширине, чтобы очертить внутреннюю полость 14 между ними. Боковые стенки 10, 12 напорная и всасывания проходят между и соединяются вместе в передней кромке 16 выше по потоку и задней кромке 18 ниже по потоку. Передняя и задняя кромки 16, 18 разнесены осесимметрично или хордально друг от друга. Перо 4 тянется радиально вдоль продольного или радиального направления лопатки 2, определено посредством размаха пера 4, из радиальной внутренней полки 20 пера к радиальной наружной поверхности 22 концевой части 24 пера 4.

Как видно на Фиг. 2, две системы каналов охлаждающей текучей среды 26, 28 определены во внутренней полости 14. Системы каналов охлаждающей текучей среды 26, 28 проходят по размаху сквозь лопатку турбины 2 и обе отделены друг от друга в сообщении по текучей среде с подачей охлаждающей текучей среды. Системы каналов охлаждающей текучей среды 26, 28 обе проходят сквозь перо 4 и вдоль их полной длины между напорной боковой стенкой 10 и боковой стенкой 12 всасывания, для передачи тепла от поверхностей боковых стенок 10, 12 пера к охлаждающей текучей среде и для поддержания температуры лопатки 2 ниже максимально допустимой температуры.

Система каналов охлаждающей текучей среды 26 содержит радиальный канал 30 и осевой канал 32, непосредственно следующий за радиальным каналом 30 в направлении потока воздуха. Система каналов охлаждающей текучей среды 26 проходит от проема 34 во внутреннем радиальном конце хвостовика 6 внутри внешней стенки 8 непосредственно вдоль передней кромки 16, непосредственно прилегая к передней кромке 16 от внутреннего радиального начала передней кромки 16 вверх к основанию 36 концевой части формирующего стенку, параллельную расширению концевой части 24. На протяжении этого канала система 26 каналов свободна от ответвлений, доставляет весь его охлаждающий воздух вдоль передней кромки 16 к основанию 36 концевой части и охлаждает переднюю кромку 16 очень эффективно.

Вдоль его дальнейшего хода система 26 каналов охлаждающей текучей среды или более точно: его осевой канал 32 заканчивается во множестве отверстий для выпуска воздуха 38, 40, 42, выполненных все в концевой части 24 пера 4. Так, весь охлаждающий воздух проходит через внутренний проем 34 внутрь системы 26 каналов охлаждающей текучей среды направляется к выпускным отверстиям 38, 40, 42 в вершине концевой части 24.

Вторая система 28 каналов охлаждающей текучей среды также начинается в проеме 44 во внутреннем радиальном конце хвостовика 62 и тянется в ее размахе к концевой части 24. Однако эта система 28 разветвляется во множество каналов: два параллельных радиальных канала 46, 48, змеевидный проток 50, канал концевой части 52, обходной канал 54 и канал задней кромки 56. Радиальный канал 46 проходит параллельно каналу 30 передней кромки и открывается внутрь канала концевой части 52 и змеевидного протока 50. Радиальный канал 48 отделен отсекающей радиальной стенкой 58 от радиального канала 46, проходит параллельно каналу передней кромки 30, также, и открывается внутрь канала 52 концевой части и змеевидного протока 50.

Змеевидный проток 50 начинается в конце радиальных каналов 46, 48, проходит в двух поворотах на 180° от радиального наружного направления к радиальному внутреннему и снова к радиальному наружному и открывается внутрь канала 56 задней кромки. Радиальный внутренний поворот на 180° направляется стенкой 60 поворота на 180°, окаймляющей поворот на 180° и разворачивающей на угол, по меньшей мере, 150° от радиального внутреннего направления до радиального наружного направления. Канал 56 задней кромки может заканчиваться во множестве выпускных отверстий, выполненных в задней кромке 18, в которой отдельный вариант осуществления, показанный на Фиг. 1 и Фиг. 2, содержит только одно выпускное отверстие 62 заднего конца, сформированное в качестве радиального разреза и проходящее на протяжении 80% радиальной длины задней кромки 18. Канал 56 задней кромки сформирован подобно радиальному каналу, открытому вдоль его осевой стороны к задней кромке, в выпускных отверстиях, соответственно выпускному отверстию 62.

Канал 54 обхода имеет связь с каналом 64 хвостовика, проходящего от проема 44 к радиальным каналам 46, 48, непосредственно, с каналом 56 задней кромки, ведущим охлаждающий воздух непосредственно из канала 64 хвостовика к каналу 56 задней кромки. Канал 54 обхода изгибается во время его хода от канала 64 хвостовика к каналу 56 задней кромки, открывается в радиальном наружном направлении в участок канала 56 задней кромки, который непосредственно расположен в выпускной щели 62 задней кромки 18, таким образом, открывается непосредственно в заднюю кромку 18 соответственно в заднюю кромку отверстия 62 для выпуска воздуха.

Канал 64 хвостовика расположен полностью в хвостовике 62, таким образом, ниже - который радиально внутри - полки 20. Параллельный канал 64 расположен, по меньшей мере, половиной его длины, главным образом более чем 3/4 от его длины, ниже полки 20.

Для подачи каналу 56 задней кромки достаточно холодного воздуха, наиболее узкая ширина канала 66 канала 54 обхода является большей, чем половина ширины канала 64 хвостовика, из которого ответвляется канал 54 обхода. Эта наиболее узкая ширина является около 11% ширины по хорде пера, таким образом, расстояния между передней кромкой 16 и задней кромкой 18. В этой наиболее узкой части канала 54 обхода его ширина перпендикулярна ширине канала 66, так сказать, по направлению от боковой стенки 14 всасывания к напорной боковой стенке 10, является большей, чем ширина канала 54 обхода в его зоне открытия в канал 56 задней стенки по направлению от боковой стенки 14 всасывания к напорной боковой стенке 10.

Внутри канала 56 задней кромки множество подставок 68 находятся окруженными охлаждающим воздухом, протекающим сквозь канал 56 задней кромки. Подставки 68 сформированы в качестве круглых стержней, соединяющихся с боковой напорной стенкой 10, с боковой стенкой 12 всасывания и переносящими тепло, вырабатываемое в наружной стенке 8 в канал 56 задней кромки. Те же типы подставок 68 расположены внутри змеевидного канала 50 и участка ниже по течению канала 54 обхода, участок ниже по течению тянется около 2/3 от общей длины канала 54 обхода, в соответствии с чем, число подставок 68 в области может быть тем же, что в канале 54 обхода и канале 56 задней кромки.

Обе системы каналов 26, 28 охлаждающего воздуха снабжают выпускные отверстия 38, 40, 42, 70 в концевой части 24 охлаждающим воздухом, однако, система каналов 26 снабжает только выпускные отверстия 38, 40, 42 в концевой части 24, и система 28 каналов снабжает, по меньшей мере, одно отверстие 70 для выпуска воздуха в концевой части 24 и, по меньшей мере, одно отверстие 62 для выпуска воздуха в задней кромке пера 4. Компоновка отверстий 38, 40, 42, 70 для выпуска воздуха в концевой части 24 лучше видна на Фиг. 3.

Фиг. 3 показывает концевую часть 24 пера 2 на виде сверху. Концевая часть 24 содержит ребро 72 или выступающую стенку, формирующую самый внешний радиальный участок наружной стенки 8, полностью проходящий вокруг основания 36 концевой части 24, и предпочтительно наращивающий 1%-2% от длины лопатки 2 или 2%-3% от длины пера 4 выше основания 36. Основание 36 содержит выпускные отверстия 38, 40 и шламовое отверстие 74, выпускные отверстия 38, формирующие первую группу и выпускные отверстия 40, формирующие вторую группу. Первая группа выпускных отверстий 38 скомпонована на передней кромке 16 и в участке 76 передней кромки концевой части 24, называемом для удобства передней кромкой вершины концевой части 24. Этот участок 76 тянется от передней кромки 16 к воображаемой линии, показанной на Фиг. 3, являющейся перпендикулярной к контурной линии 80 лопатки 2 и прорезающей поверхность выше по потоку или поверхность 10 корыта пера 4. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 3, этот участок 76 простирается на расстояние по направлению задней кромки 18, которое является 1/10 от расстояния между передней кромкой 16 и задней кромкой 18. Вторая группа выпускных отверстий 40 скомпонована в участке 78 корыта концевой части 24, называемой корытом вершины концевой части 24 для удобства, проходящая от напорной боковой стенки 10 к контурной линии 80. Обе группы выпускных отверстий 38, 40 питаются первой системой 26 каналов охлаждающего воздуха.

Первая группа выпускных отверстий 38 сформирована тремя отверстиями в основании 36, все скомпонованы непосредственно примыкающими к ребру 72. Вторая группа выпускных отверстий 40 сформирована пятью отверстиями в основании 36, все скомпонованы непосредственно примыкающими к ребру 72, также, но на более удаленных расстояниях между отверстиями, чем в первой группе выпускных отверстий 38. Все отверстия первой группы имеют одни и те же диаметры, которые являются меньшими, чем диаметр отверстий второй группы. Расстояния выпускных отверстий 40 друг от друга неодинаковы. Расстояния среднего выпускного отверстия 40 до его соседних выпускных отверстий 40 больше, чем расстояния самых внешних выпускных отверстий 40 группы до их соседних выпускных отверстий 40.

Между обеими группами выпускных отверстий 38, 40 находится зона, свободная от выпускных отверстий, проходящая от первой группы до второй группы. Эта зона является большей - если посмотреть в направлении от передней кромки 16 до задней кромки 18 - чем диаметр первой группы выпускных отверстий 38 и большей, чем наибольшее расстояние между отверстиями второй группы выпускных отверстий 40.

На участке 82 задней кромки концевой части 24, проходящем от задней кромки 18 к воображаемой линии около 30% до передней кромки 16, как показано на Фиг. 3, и названном задней кромкой вершины кромки 24, для удобства скомпонованы выпускные отверстия 42, 70. Они сформированы в качестве интервалов или щелей, окаймленных непосредственно ребром 72 или выступающей стенкой, и расположенных радиально наружу, и скошенных по направлению к задней кромке 18 на около 70% в радиальном направлении, в соответствии с чем 0° является чисто радиальным и 90° параллельным основанию. Благодаря этому скашиванию оба выпускных отверстия 42, 70 радиально окаймлены стенками. Выпускное отверстие 42 окаймляется основанием 36 и стенкой 84, отделяющей первую систему 26 каналов охлаждения от второй системы 28 каналов охлаждения. Выпускное отверстие 70 окаймлено стенкой 84 и стенкой 86, ведущей к концу задней кромки ребра 72.