Результат интеллектуальной деятельности: ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение направлено в целом на лопатки турбины и, более точно, на лопатку газовой турбины, содержащую хвостовик и перо лопатки с входной кромкой и выходной кромкой, систему каналов для охлаждающего воздуха, простирающихся от отверстия для охлаждающего воздуха в хвостовике посредством извилистого змеевидного канала к каналу, расположенному в зоне выходной кромки, у выходной кромки, имеющей выпуск для воздуха в выходной кромке.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Газовые турбины работают при высоких температурах, которые могут достигать 1200°С и более. Соответственно, лопатки турбин должны обладать способностью выдерживать подобные высокие температуры. Для удлинения срока службы лопаток они часто содержат системы охлаждения, обеспечивающие пропускание охлаждающего воздуха через лопатку.

Лопатка газовой турбины имеет хвостовик, платформу и перо лопатки, которое простирается наружу от платформы, при этом перо лопатки имеет вершину, входную кромку и выходную кромку. Во время работы газовой турбины большие напряжения могут создаваться в некоторых зонах лопатки турбины. Особые зоны, ограничивающие срок службы, обнаруживаются в примыкающей к втулке зоне пера лопатки и в зоне выходной кромки у втулки, образующей сравнительно тонкую стенку на той стороне пера лопатки, которая расположена дальше по потоку. Вследствие ее конструкции со сравнительно малой толщиной и высоких напряжений во время работы выходная кромка сильно подвержена образованию трещин, которые могут привести к выходу из строя пера лопатки.

Система охлаждения включает в себя внутренние охлаждающие каналы, в которые поступает воздух из компрессора газовой турбины и которые обеспечивают пропускание воздуха через лопатку. Охлаждающие каналы включают в себя множество проточных каналов, которые предназначены для поддержания лопатки турбины при относительно постоянной температуре. Однако центробежные силы и воздушный поток у граничных слоев иногда препятствуют надлежащему охлаждению некоторых зон лопатки турбины, что приводит к образованию локализованных участков перегрева, которые могут привести к сокращению срока службы лопатки турбины.

Система охлаждения в пере лопатки может включать в себя каналы для прохода охлаждающего воздуха, предназначенные для максимизации конвекционного охлаждения вершины и выходной кромки пера лопатки и выпуска части охлаждающего воздуха через охладительные отверстия в вершине и выходной кромке пера лопатки. Подобная лопатка турбины известна, например, из патента США 4278400.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения состоит в разработке лопатки газовой турбины с высокой охлаждающей способностью на участке выходной кромки пера лопатки.

Данная задача решается в соответствии с изобретением посредством лопатки газовой турбины, подобной упомянутой выше, в которой система каналов для охлаждающего воздуха включает в себя обходной канал для воздуха, соединяющий указанное отверстие для охлаждающего воздуха в хвостовике с каналом, расположенным в зоне выходной кромки, и проходящий в обход змеевидного канала.

Работа газотурбинного двигателя приводит к возникновению высоких напряжений в многочисленных зонах лопатки турбины. Установлено, что одна особая зона высокого напряжения находится в выходной кромке пера лопатки, которая представляет собой участок пера лопатки, образующий сравнительно тонкий край. Поскольку выходная кромка является сравнительно тонкой и представляет собой зону, подверженную созданию высоких напряжений во время работы, выходная кромка сильно подвержена образованию трещин, которые могут привести к выходу из строя пера лопатки. Посредством обходного канала охлаждающий воздух, поступающий из отверстия в хвостовике, направляется непосредственно в канал, расположенный в зоне выходной кромки, без нагрева данного воздуха в радиальном канале или змеевидном канале, в результате чего обеспечивается очень эффективное охлаждение выходной кромки.

Охлаждающий воздух подается во внутреннее пространство пера лопатки через отверстие на внутренней в радиальном направлении стороне хвостовика. Подобный хвостовик может иметь более одного отверстия. Как известно, одно отверстие может обеспечить подачу воздуха в змеевидный канал и дальше в канал, расположенный в зоне выходной кромки, и другое отверстие может обеспечить подачу воздуха непосредственно в канал, расположенный в зоне выходной кромки, служащий в качестве обходного канала. Однако, если одно из отверстий используется для подачи воздуха к зоне входной кромки, остается только одно отверстие, которое может быть использовано для подачи воздуха к зоне или каналу, расположенному в зоне выходной кромки. В соответствии с изобретением предложено полезное решение, в особенности для лопаток с более чем одним отверстием, в особенности для лопаток только с двумя отверстиями, только одно из которых обеспечивает подачу воздуха к выходной кромке. Это одно отверстие используется для снабжения змеевидного канала, а также обходного канала, что обеспечивает эффективное охлаждение наружной стенки лопатки и выходной кромки.

Канал, расположенный в зоне выходной кромки, может проходить параллельно выходной кромке лопатки, при этом он открывается непосредственно в одно или несколько выпусков в выходной кромке или в зону вокруг выходной кромки.

В соответствии с одним аспектом изобретения наименьшая ширина обходного канала составляет, по меньшей мере, 10% от ширины хорды пера лопатки, то есть расстояния между входной кромкой 16 и выходной кромкой 18, в частности ширины хорды рядом с платформой, образующей верхнюю часть хвостовика. При подаче в обходной канал и змеевидный канал из одного и того же отверстия в хвостовике следует обратить внимание на то, что достаточное количество воздуха должно подаваться посредством обходного канала. Следовательно, обходной канал должен иметь большой гидравлический диаметр, в частности составляющий от 10 до 15% от ширины хорды пера лопатки. Ширина может представлять собой расстояние между стенками, ограничивающими обходной канал, в частности, в плоскости, простирающейся от входной кромки к выходной кромке.

По той же причине предпочтительно, если наименьшая ширина обходного канала составляет более половины ширины канала системы охлаждения, от которого ответвляется обходной канал.

В соответствии с другим аспектом изобретения система каналов для охлаждающего воздуха включает в себя хвостовой канал, расположенный по меньшей мере частично в хвостовике, при этом обходной канал ответвляется внутри хвостовика от хвостового канала. Поскольку нагрев воздуха внутри хвостовика является довольно слабым, данный вариант осуществления гарантирует то, что воздух в обходном канале будет холодным, когда он будет достигать канала, расположенного в зоне выходной кромки. Хвостовой канал может простираться от отверстия в хвостовике к радиальному каналу, расположенному дальше по потоку, чем зона ответвления обходного канала.

Если обходной канал расположен так, что он, по меньшей мере, на половине его длины находится внутри хвостовика, в особенности внутри в радиальном направлении по отношению к платформе лопатки, нагрев лопатки в зоне обходного канал сохраняется слабым, что обеспечивает эффективное охлаждение выходной кромки.

В еще одном варианте осуществления изобретения опорные элементы расположены в обходном канале, при этом опорные элементы окружены охлаждающим воздухом, проходящим по обходному каналу. Тепло от зон, подлежащих охлаждению, может эффективно передаваться в охлаждающий воздух. Опорные элементы могут соединять стенку пера лопатки, расположенную с напорной стороны, с той стенкой пера лопатки, которая расположена с засасывающей стороны, или могут быть соединены только с одной из стенок и выступать в обходной канал.

Если канал, расположенный в зоне выходной кромки, в который открывается обходной канал, содержит опорные элементы, по меньшей мере, в той зоне, в которой открывается обходной канал, может быть обеспечен непрерывный поток воздуха для равномерного охлаждения выходной кромки.

По той же причине предпочтительно, если число опорных элементов на единицу площади, то есть эффект запирания, будет одинаковым в обходном канале и в канале, расположенном в зоне выходной кромки. Кроме того, предпочтительно, если опорные элементы в обходном канале и в канале, расположенном в зоне выходной кромки, представляют собой элементы одинакового типа. В частности, они имеют одинаковые форму и размер.

Эффективное охлаждение выходной кромки может быть обеспечено, если обходной канал открывается непосредственно на выходной кромке. Это имеет место, если расстояние между зоной, в которой обходной канал открывается в канал, расположенный в зоне выходной кромки, и ближайшим выпуском для воздуха в выходной кромке и/или в канале, расположенном в зоне выходной кромки, менее чем в три раза превышает наименьшую ширину обходного канала в плоскости, соединяющей выходную кромку с входной кромкой.

В дополнительном варианте осуществления изобретения обходной канал открывается в канал, расположенный в зоне выходной кромки, в радиальном направлении от хвостовика к вершине. Вследствие вращения лопатки радиальная сила действует на охлаждающий воздух, проходящий по обходному каналу. При наличии радиального отверстия обеспечивается «поддержка» для потока, что обеспечивает достаточный поток охлаждающего воздуха по обходному каналу.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В то время как описание завершается формулой изобретения, конкретно определяющей и четко заявляющей настоящее изобретение, один вариант осуществления будет описан далее только в качестве примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, в которых:

фиг.1 показывает вид в перспективе лопатки турбины, включающей в себя хвостовик и перо лопатки;

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

фиг.3 показывает вид сверху вниз на вершину пера лопатки.

На фиг.1 проиллюстрирована приведенная в качестве примера лопатка 2 турбины для газотурбинного двигателя. Лопатка 2 включает в себя перо 4 лопатки и хвостовик 6, который используется для крепления лопатки 2 к вращающемуся диску двигателя обычным образом для обеспечения опоры для лопатки 2 в канале турбины, предназначенном для прохода потока рабочей среды, в котором движущие силы, создаваемые газообразной рабочей средой, воздействуют на поверхности лопатки. Как показано на фиг.1 и фиг.2, перо 4 лопатки имеет наружную стенку 8, окружающую полое внутренне пространство 14. Наружная стенка 8 пера лопатки включает в себя по существу вогнутую стенку 10 с напорной стороны и по существу выпуклую стенку 12 с засасывающей стороны (фиг.3), которые расположены на определенном расстоянии друг от друга в направлении ширины для образования полого внутреннего пространства 14 между ними. Стенки 10, 12 с напорной стороны и засасывающей стороны простираются между расположенной ближе по потоку, входной кромкой 16 и расположенной дальше по потоку, выходной кромкой 18 и соединены вместе в зоне расположенной ближе по потоку, входной кромки 16 и расположенной дальше по потоку, выходной кромки 18. Входная и выходная кромки 16, 18 расположены на расстоянии друг от друга в аксиальном направлении или в направлении хорды. Перо 4 лопатки простирается в радиальном направлении вдоль продольного или радиального направления лопатки 2, будучи ограниченным «размахом» пера 4 лопатки, от внутренней в радиальном направлении платформы 20 пера лопатки до наружной в радиальном направлении поверхности 22 вершины 24 пера 4 лопатки.

Как видно на фиг.2, две системы 26, 28 каналов для охлаждающей текучей среды образованы в полом внутреннем пространстве 14. Системы 26, 28 каналов для охлаждающей текучей среды простираются в направлении «размаха» через лопатку 2 турбины, и каждая из указанных систем сообщается по текучей среде с источником охлаждающей текучей среды отдельно друг от другой системы. Обе системы 26, 28 каналов для охлаждающей текучей среды проходят через перо 4 лопатки и вдоль их полной длины между стенкой 10, расположенной с напорной стороны, и стенкой 12, расположенной с засасывающей стороны, для передачи тепла от поверхностей боковых стенок 10, 12 пера лопатки в охлаждающую текучую среду и для поддержания температуры лопатки 2 на уровне ниже максимальной допустимой температуры.

Система 26 каналов для охлаждающей текучей среды включает в себя радиальный канал 30 и аксиальный канал 32, следующий непосредственно за радиальным каналом 30 в направлении потока воздуха. Система 26 каналов для охлаждающей текучей среды простирается от отверстия 34 на внутреннем в радиальном направлении конце хвостовика 6 внутри наружной стенки 8 непосредственно вдоль входной кромки 16 непосредственно рядом с входной кромкой 16 от внутреннего в радиальном направлении начала входной кромки 16 до нижнего граничного элемента 36 вершины, образующего стенку, параллельную направлению протяженности вершины 24. Во всем данном проточном канале система 26 каналов не имеет ответвлений и обеспечивает подачу всего проходящего в ней, охлаждающего воздуха вдоль входной кромки 16 к нижнему граничному элементу 36 вершины и очень эффективное охлаждение входной кромки 16.

Система 26 каналов для охлаждающей текучей среды или, более точно, ее аксиальный канал 32 на ее/его дальнейшем пути заканчивается множеством выпусков 38, 40, 42 для воздуха, которые все расположены в зоне вершины 24 пера 4 лопатки. Таким образом, весь охлаждающий воздух, проходящий через внутреннее отверстие 34 в систему 26 каналов для охлаждающей текучей среды, направляется в выпуски 38, 40, 42 в верхней части вершины 24.

Вторая система 28 каналов для охлаждающей текучей среды также начинается в отверстии 44 на внутреннем в радиальном направлении конце хвостовика 6 лопатки 2 и простирается в направлении «размаха» до вершины 24. Однако данная система 28 разветвляется на множество каналов: два параллельных радиальных канала 46, 48, змеевидный проточный канал 50, канал 52, расположенный в зоне вершины, обходной канал 54 и канал 56, расположенный в зоне выходной кромки. Радиальный канал 46 проходит параллельно каналу 30, расположенному в зоне входной кромки, и открывается в канал 52, расположенный в зоне вершины, и в змеевидный проточный канал 50. Радиальный канал 48 отделен перегораживающей радиальной стенкой 58 от радиального канала 46, также проходит параллельно каналу 30, расположенному в зоне входной кромки, и открывается в канал 52, расположенный в зоне вершины, и в змеевидный проточный канал 50.

Змеевидный проточный канал 50 начинается в конце радиальных каналов 46, 48, проходит в виде двух U-образных поворотов, изменяя направление с радиального направления наружу на радиальное направление внутрь и снова на радиальное направление наружу, и открывается в канал 56, расположенный в зоне выходной кромки. Внутренний в радиальном направлении, U-образный поворот направляется посредством U-образной стенки 60, ограничивающей U-образный поворот, и обеспечивает поворот под углом, составляющим, по меньшей мере, 150°, с изменением направления с радиального направления внутрь на радиальное направление наружу. Канал 56, расположенный в зоне выходной кромки, может заканчиваться множеством выпусков, расположенных в выходной кромке 18, при этом особый вариант осуществления, показанный на фиг.1 и фиг.2, имеет только один выпуск 62 на заднем конце, образованный в виде радиальной прорези/щели и простирающийся на длине, составляющей 80% длины выходной кромки 18 в радиальном направлении. Канал 56, расположенный в зоне выходной кромки, образован подобно радиальному каналу, открытому вдоль его аксиальной стороны в направлении выходной кромки в выпусках, соответственно в выпуске 62.

Обходной канал 54 соединяет хвостовой канал 64, простирающийся от отверстия 44 до радиальных каналов 46, 48, непосредственно с каналом 56, расположенным в зоне выходной кромки, и направляет охлаждающий воздух непосредственно от хвостового канала 64 в канал 56, расположенный в зоне выходной кромки. Обходной канал 54 имеет криволинейную форму на его «пути» от хвостового канала 64 до канала 56, расположенного в зоне выходной кромки, и открывается в радиальном направлении наружу в ту часть канала 56, расположенного в зоне выходной кромки, которая расположена непосредственно у выпускной прорези/щели 62 выходной кромки 18, тем самым, он открывается непосредственно на выходной кромке 18 соответственно в выпуск 62 для воздуха в выходной кромке.

Хвостовой канал 64 расположен полностью в хвостовике 6 лопатки, таким образом, ниже платформы 20, что означает в радиальном направлении внутри по отношению к платформе 20. Обходной канал 64 расположен так, что он, по меньшей мере, на половине его длины, в частности более чем на 3/4 его длины, расположен ниже платформы 20.

Для подачи достаточного количества холодного воздуха в канал 56, расположенный в зоне выходной кромки, предусмотрено, что наименьшая ширина 66 канала, определяемая для обходного канала 54, составляет более половины ширины хвостового канала 64, от которого ответвляется обходной канал 54. Данная наименьшая ширина составляет приблизительно 11% от ширины хорды пера лопатки, то есть расстояния между входной кромкой 16 и выходной кромкой 18. В данной самой узкой части обходного канала 54 его ширина в направлении, перпендикулярном к направлению ширины 66 канала, то есть в направлении от стенки 14, расположенной с засасывающей стороны, до стенки 10, расположенной с напорной стороны, больше ширины обходного канала 54 в той зоне, в которой он открывается в канал 56, расположенный в зоне выходной кромки, в направлении от стенки 14, расположенной с засасывающей стороны, до стенки 10, расположенной с напорной стороны.

Внутри канала 56, расположенного в зоне выходной кромки, расположено множество опорных элементов 68, окруженных охлаждающим воздухом, проходящим по каналу 56, расположенному в зоне выходной кромки. Опорные элементы 68 образованы в виде круглых столбиков, соединяющих стенку 10, расположенную с напорной стороны, со стенкой 12, расположенной с засасывающей стороны, и обеспечивающих передачу тепла, выделяющегося в наружной стенке 8, в канал 56, расположенный в зоне выходной кромки. Опорные элементы 68 такого же типа расположены внутри змеевидного канала 50 и внутри расположенной ниже по потоку части обходного канала 54, при этом расположенная ниже по потоку часть простирается приблизительно на 2/3 общей длины обходного канал 54, при этом число опорных элементов 68 на единицу площади может быть одинаковым в обходном канале 54 и в канале 56, расположенном в зоне выходной кромки.

Обе системы 26, 28 каналов для охлаждающего воздуха обеспечивают подачу охлаждающего воздуха в выпуски 38, 40, 42, 70 в вершине 24, однако система 26 каналов обеспечивает подачу только в выпуски 38, 40, 42 в вершине 24, и система 28 каналов обеспечивает подачу в, по меньшей мере, один выпуск 70 для воздуха в вершине 24 и в, по меньшей мере, один выпуск 62 для воздуха в выходной кромке пера 4 лопатки. Схема расположения выпусков 38, 40, 42, 70 для воздуха в вершине 24 лучше всего видна на фиг.3.

Фиг.3 показывает вершину 24 пера 2 лопатки на виде сверху. Вершина 24 имеет ребро 72 или выступающую стенку, образующую самую дальнюю от центра в радиальном направлении часть наружной стенки 8, проходящую полностью вокруг нижнего граничного элемента 36 вершины 24 и предпочтительно выступающую длину, составляющую 1-2% от длины лопатки 2 или 2-3% от длины пера 4, лопатки над нижним граничным элементом 36. Нижний граничный элемент 36 имеет выпуски 38, 40 и выпуск 74 для пыли, при этом выпуски 38 образуют первую группу и выпуски 40 образуют вторую группу. Первая группа выпусков 38 расположена на входной кромке 16 и на расположенном со стороны входной кромки участке 76 вершины 24, называемом для удобства входной кромкой верхней части вершины 24. Данный участок 76 простирается от входной кромки 16 до воображаемой линии, показанной на фиг.3 как перпендикулярная к линии 80 каркаса лопатки 2 и пересекающей расположенную выше по потоку поверхность или расположенную с напорной стороны поверхность 10 пера 4 лопатки. В варианте осуществления, показанном на фиг.3, данный участок 76 простирается на расстоянии по направлению к выходной кромке 18, которое составляет 1/10 от расстояния между входной кромкой 16 и выходной кромкой 18. Вторая группа выпусков 40 расположена на расположенном с напорной стороны участке 78 вершины 24, называемом для удобства напорной стороной верхней части вершины 24, который простирается от стенки 10, расположенной с напорной стороны, до линии 80 каркаса. Первая система 26 каналов для охлаждающего воздуха обеспечивает подачу в обе группы выпусков 38, 40.

Первая группа выпусков 38 образована тремя отверстиями в нижнем граничном элементе 36, которые все расположены непосредственно рядом с ребром 72. Вторая группа выпусков 40 образована пятью отверстиями в нижнем граничном элементе 36, которые все также расположены непосредственно рядом с ребром 72, но расстояния между отверстиями больше, чем в первой группе выпусков 38. Все отверстия из первой группы имеют одинаковый диаметр, который меньше диаметра отверстий из второй группы. Расстояния между выпусками 40 не равны друг другу. Расстояние от среднего выпуска 40 до соседних с ним, выпусков 40 больше расстояний от самых дальних от центра, выпусков 40 из данной группы до соседних с ними, выпусков 40.

Между обеими группами выпусков 38, 40 имеется не имеющая выпусков зона, простирающаяся от первой группы до второй группы. Данная зона больше, если смотреть в направлении от входной кромки 16 до выходной кромки 18, диаметра выпусков 38 из первой группы и больше наибольшего расстояния между отверстиями из второй группы выпусков 40.

Выпуски 42, 70 расположены на расположенном со стороны выходной кромки участке 82 вершины 24, простирающемся от выходной кромки 18 до воображаемой линии, находящейся на расстоянии, соответствующем приблизительно 30%, в направлении входной кромки 16, как показано на фиг.3, и называемом для удобства выходной кромкой верхней части вершины 24. Они образованы в виде пазов или прорезей, ограниченных непосредственно ребром 72 или выступающей стенкой и сужающихся в радиальном направлении наружу, и скошенных по направлению к выходной кромке 18 приблизительно под углом 70° относительно радиального направления, при этом 0° соответствует исключительно радиальному направлению и 90° соответствует направлению, параллельному нижнему граничному элементу. Вследствие данного скашивания оба выпусков 42, 70 ограничены в радиальном направлении стенками. Выпуск 42 ограничен нижним граничным элементом 36 и стенкой 84, отделяющей первую систему 26 охлаждающих каналов от второй системы 28 охлаждающих каналов. Выпуск 70 ограничен стенкой 84 и стенкой 86, проходящей к расположенному со стороны выходной кромки концу ребра 72.