ОХЛАЖДАЕМАЯ РАБОЧАЯ ИЛИ СОПЛОВАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2000 года по МПК F01D5/18 F01D9/00 

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано в газовых турбинах различного назначения с охлаждаемыми рабочими или сопловыми лопатками. В частности, изобретение относится к лопатке газовой турбины по меньшей мере с одним каналом охлаждения внутри лопатки и по меньшей мере одной внутренней продольной перегородкой, которая является частью стенки упомянутого по меньшей мере одного канала охлаждения.

Из патента США 3854842 известна охлаждаемая рабочая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо, сообщенное с источником охлаждающей среды. Охлаждение пера осуществляется путем продувки охлаждающего воздуха через внутреннюю полость пера. Аналогичное техническое решение известно и в охлаждаемой сопловой лопатке из патента США 4193738.

Однако в указанных конструкциях охлаждающих каналов имеет место существенная неравномерность охлаждения ввиду неравномерности внешнего теплоподвода от газа к лопатке, а также сильного влияния геометрической формы различных зон профиля на охлаждение. Так, в частности, в связи с существенно повышенной интенсивностью внешнего теплоподвода от газа к той стенке лопатки, на которую набегает рабочая среда, и неблагоприятным влиянием геометрической формы упомянутой стенки лопатки на охлаждение эффективность охлаждения последней, как правило, снижена.

Указанный недостаток в значительной степени устранен в другой известной конструкции охлаждающего канала, известной из патента США 3807892. В этой системе охлаждения внутри полого пера лопатки размещены прямолинейные перегородки, разделяющие внутреннюю полость на ряд отдельных полостей (по меньшей мере две), подключенных к источнику охлаждающей среды. В данной системе охлаждения благодаря наличию отдельных полостей возможно обеспечить локальное усиление интенсивности внутренней теплоотдачи от стенки лопатки к охлаждающей среде в различных зонах лопатки, в частности, у той стенки лопатки, на которую набегает рабочая среда, и тем самым повысить эффективность их охлаждения. Благодаря этому достигается более равномерное охлаждение всей лопатки в целом.

Однако подобная конструкция охлаждающего канала имеет существенный недостаток, заключающийся в следующем. Стенка лопатки, испытывающая непосредственное влияние горячего газа, омывающего наружную поверхность последней, имеет на стационарном режиме более высокую температуру, чем внутренние прямолинейные перегородки, омываемые относительно холодной охлаждающей средой. Разность указанных температур, т.е. между стенками лопатки и внутренними прямолинейными перегородками, может достигнуть значительных величин - 400 K и более. Это обстоятельство приводит к тому, что термическое расширение стенки лопатки существенно больше, чем термическое расширение внутренних прямолинейных перегородок. Ввиду того, что стенка лопатки и внутренние прямолинейные перегородки жестко соединены между собой, эта разность термических расширений, как правило, приводит к значительным растягивающим напряжениям в указанных перегородках. Большие растягивающие напряжения в упомянутых перегородках становятся неизбежными, т.к. прямолинейная форма последних обуславливает малую податливость и, следовательно, большую жесткость в продольном направлении. Все зоны прямолинейных перегородок, включая и их наиболее холодную центральную зону, вынуждены перемещаться на величину, равную термическому расширению горячей стенки лопатки. В результате этого возникают значительные растягивающие напряжения, которые особенно велики в наиболее холодных центральных зонах перегородок. Наличие указанных напряжений снижает ресурс и надежность лопаток.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков и повышение ресурса и надежности лопатки.

Указанная задача решается с помощью лопатки газовой турбины по меньшей мере с одним каналом охлаждения внутри лопатки и по меньшей мере с одной внутренней продольной перегородкой, которая является частью стенки упомянутого по меньшей мере одного канала охлаждения, причем перегородка имеет волнообразную форму.

В соответствии с настоящим изобретением такое техническое решение позволяет уменьшить растягивающие напряжения в перегородке. Это происходит за счет того, что благодаря волнообразной форме перегородки ее центральная зона, равноудаленная от вогнутой стенки и выпуклой стенки лопатки, имеет существенно большую податливость и, следовательно, меньшую жесткость по сравнению с прямолинейной перегородкой. Это приводит к тому, что при термическом расширении в процессе работы упомянутая центральная зона перегородки имеет возможность перемещения на величину, меньшую по сравнению с термическим расширением горячей стенки лопатки. В этом заключается главное отличие схемы деформации перегородки, имеющей волнообразную форму согласно настоящему изобретению, от известной, рассмотренной выше схемы с прямолинейной перегородкой, центральная зона которой вынуждена перемещаться на величину, равную термическому расширению горячей стенки лопатки. Меньшие деформации центральной зоны перегородки, имеющей волнообразную форму, приводят к уменьшению растягивающих напряжений и, следовательно, повышению ресурса и надежности лопатки.

В предпочтительном варианте выполнения лопатки образующая вершин и углублений волнообразной перегородки расположена поперечно продольному направлению волнообразной перегородки, т.е. волновые выступы обращены к входной кромке, а углубления - в противоположную сторону, а вершины двух соседних волновых выступов, соответственно углублений (13 и 13') находятся на разном расстоянии от корня (5).

Волнообразная форма перегородки может быть построена из частей окружностей, а также треугольников, трапеций или может иметь синусоидальную форму или меандрообразную форму либо их сочетание. Конфигурация волнообразной перегородки, представляющая собой комбинацию частей окружности, предпочтительна, т.к. обеспечивает наибольшую простоту при изготовлении.

Волнообразная перегородка также может иметь сквозные отверстия для улучшения конвекции охлаждающей среды.

Ввиду того что температура газа, натекающего на стенку лопатки, как правило, имеет максимальное значение в зоне, соответствующей середине высоты лопатки, для усиления охлаждения входной кромки в указанной зоне минимальное расстояние волнообразной перегородки от первой стенки лопатки, на которую натекает рабочая среда, в средней части перегородки меньше, чем по меньшей мере на одном из концов перегородки.

Для усиления охлаждения на одной стенки напротив волнообразной перегородки выполнены параллельно продольному направлению вершин и углублений волнообразной перегородки ребра, обращенные к волнообразной перегородке.

Предпочтительно ребра расположены перпендикулярно на стенке напротив волнообразной перегородки.

В предпочтительном варианте выполнения лопатки ребра расположены таким образом, что каждое из них находится либо напротив вершины волнообразной перегородки, либо напротив углубления волнообразной перегородки, причем вершины волнообразной перегородки обращены к стенке с ребрами, а углубления волнообразной перегородки обращены от стенки с ребрами.

Для предотвращения снижения интенсивности охлаждения в зонах увеличения проходного сечения канала охлаждения, связанных с волнообразной формой перегородки, ребра, расположенные напротив углублений волнообразной перегородки, имеют большую длину, чем ребра, расположенные напротив вершин волнообразной перегородки.

Для предотвращения снижения интенсивности охлаждения в зонах увеличения проходного сечения канала охлаждения, связанных с волнообразной формой перегородки, на одной стенке напротив волнообразной перегородки размещен по меньшей мере один штырь, обращенный к волнообразной перегородке и расположенный напротив углубления волнообразной перегородки.

Ниже изобретение более подробно описано с помощью примеров выполнения, не ограничивающих его объем, и с помощью чертежей, на которых изображено:
фиг. 1 - продольный разрез первого варианта выполнения лопатки;
фиг. 2 - поперечное сечение лопатки по линии II-II по фиг. 1;
фиг. 3 - продольный разрез второго варианта выполнения лопатки;
фиг. 4 - поперечное сечение лопатки по линии IV-IV по фиг. 3;
фиг. 5 - продольный разрез третьего варианта выполнения лопатки;
фиг. 6 - поперечное сечение лопатки по линии VI-VI по фиг. 5;
фиг. 7 - часть продольного разреза перегородки, имеющей волнообразную форму.

Изображенная на фиг. 1 и 2 рабочая лопатка 1 прикреплена торцом 5 своей корневой части 2 к ротору 3 газовой турбины и окружена кожухом 4, ограничивающим проточный канал, в который в направлении стрелки A входит поток газа.

Рабочая лопатка 1 содержит внутреннюю полость 6, которая в зоне 7 кромки оттока лопатки 1 включает в себя выходную щель 8. В зоне корневой части 2 внутренняя полость 6 соединена с источником 9 охлаждающей среды.

Внутренняя полость 6 со стороны лопатки 1, на которую натекает рабочий газ, ограничена проходящей в основном радиально первой стенкой 10. Во внутренней полости 6 размещена в основном в радиальном направлении перегородка 11, примыкающая к внутренним поверхностям вогнутой стенки 19 и выпуклой стенки 20 лопатки 1. Эта первая стенка 10 расположена напротив перегородки 11.

В зоне выше корневой части 2 перегородка 11 имеет волнообразную форму, причем образующие вершин, соответственно углублений расположены поперечно направлению потока охлаждающей среды. Вершины 12, 12' и углубления 13, 13' волнообразной перегородки 11 обращены к первой стенке 10 и в противоположную от нее сторону соответственно. Перегородка 11 в зоне корневой части 2 имеет входной участок 14 для направления подводимой от источника 9 охлаждающей среды, например воздуха, в канал 15 охлаждения, образованный первой стенкой 10, волнообразной перегородкой 11, частью вогнутой стенки 19 лопатки 1 и частью выпуклой стенки 20 лопатки 1.

Напротив каждой из вершин 12, 12', соответственно углублений 13, 13' волнообразной перегородки 11 в канале 15 охлаждения со стороны внутренней поверхности первой стенки 10 параллельно продольному направлению вершин 12, 12' и углублений 13, 13' волнообразной перегородки 11 выступают ребра 16.

Изображенный на фиг. 3 и 4 вариант выполнения рабочей лопатки 1 отличается от варианта, изображенного на фиг. 1 и 2, тем, что расположенные напротив углублений 13, 13' волнообразной перегородки 11, т.е. в каждой зоне увеличения проходного сечения канала 15 охлаждения, ребра 17 имеют больший размер, чем ребра 16, расположенные напротив вершин 12, 12' волнообразной перегородки 11.

Изображенный на фиг. 5 и 6 вариант выполнения рабочей лопатки 1 отличается от варианта, изображенного на фиг. 3 и 4, тем, что вместо более длинных поперечных ребер 17 предусмотрен по меньшей мере один штырь 18, размещенный на первой стенке 10, обращенный к волнообразной перегородке 11 и расположенный напротив углубления 13, 13' волнообразной перегородки 11.

На фиг. 7 изображен предпочтительный вариант выполнения волнообразной перегородки 11, в которой вершины 12 и углубления 13 волнообразной перегородки 11 соответственно представляют собой части окружностей, что обеспечивает наибольшую простоту при изготовлении волнообразной перегородки 11.

Хотя изобретение пояснено на примере рабочей лопатки 1, оно в равной степени применимо и к сопловой (направляющей) лопатке газовой турбины.

При работе газовой турбины горячий газ натекает на рабочие лопатки 1 в направлении стрелки A на фиг. 1 и проходит по межлопаточному каналу, создавая на лопатках аэродинамическую силу. Окружная составляющая этой силы, действующая в направлении стрелки В на фиг. 2, приводит во вращение рабочие лопатки 1 и связанный с ними через торец 5 корневой части 2 ротор турбины 3.

Охлаждающая среда, поступающая из источника 9 во внутреннюю полость 6 и, в частности, в канал 15 охлаждения, охлаждает все зоны рабочей лопатки 1, в том числе и первую стенку 10. Входной участок 14 направляет охлаждающую среду, подводимую от источника 9, в канал 15 охлаждения. После прохождения внутренней полости 6 и, в частности, канала 15 охлаждения, охлаждающая среда выходит в газовый канал турбины через выходную щель 8 и частично через каналы в концевой зоне рабочей лопатки 1, расположенные с противоположной стороны от торца 5 корневой части 2.

Вследствие того что перегородка 11 имеет волнообразную форму, образованную вершинами 12, 12' и углублениями 13, 13', ее центральная зона, равноудаленная от вогнутой стенки 19 и выпуклой стенки 20 лопатки 1, имеет существенно большую податливость и, следовательно, меньшую жесткость по сравнению с прямолинейной перегородкой. Это приводит к тому, что при термическом расширении в процессе работы упомянутая центральная зона волнообразной перегородки 11 перемещается на величину, меньшую по сравнению с термическим расширением горячих стенок лопатки 1. Это приводит к уменьшению растягивающих напряжений и, следовательно, повышению ресурса и надежности лопатки.

Меньшее минимальное расстояние волнообразной перегородки 11 от первой стенки 10, на которую набегает рабочая среда, в средней части волнообразной перегородки 11 по сравнению по меньшей мере с одним из концов волнообразной перегородки 11 позволяет усилить охлаждение первой стенки 10 в соответствующей зоне, где, как правило, температура газа, натекающего на рабочую лопатку 1, имеет максимальные значения.

Размещение в канале 15 охлаждения со стороны первой стенки 10 напротив каждой из вершин 12, 12' и соответственно углублений 13, 13' волнообразной перегородки 11 ребер 16, 17 позволяет повысить интенсивность внутреннего теплообмена в канале 15 охлаждения и, следовательно, повысить эффективность охлаждения упомянутой первой стенки 10.

Если высота ребер 17, расположенных напротив углублений 13, 13' волнообразной перегородки 11, т.е. в зонах увеличения проходного сечения канала 15 охлаждения, связанных с волнообразной формой перегородки 11, больше высоты ребер 16, расположенных напротив вершит 12, 12' волнообразной перегородки 11, то становится возможным предотвратить снижение интенсивности охлаждения первой стенки 10 в указанных зонах и обеспечить достаточную эффективность охлаждения.

Размещение по меньшей мере одного штыря 18 на внутренней поверхности канала 15 охлаждения, частично заполняющего углубление 13, 13' волнообразной перегородки 11, т.е. зону увеличения проходного сечения канала 15 охлаждения, связанного с волнообразной формой перегородки 11, позволяет предотвратить снижение интенсивности охлаждения первой стенки 10 в указанной зоне и обеспечить достаточную эффективность охлаждения.

Волнообразная форма перегородки 11 может быть построена из частей окружностей, а также треугольников, трапеций или может иметь синусоидальную форму или меандрообразную форму либо их сочетание. Волнообразная перегородка также может иметь сквозные отверстия для улучшения конвекции воздуха.

Выполнение волнообразной перегородки 11 таким образом, что вершины 12, 12' и углубления 13, 13' волнообразной перегородки 11 представляют собой части окружностей, обеспечивает наибольшую простоту при изготовлении волнообразной перегородки 11.1

Охлаждаемая рабочая или сопловая лопатка газовой турбины содержит по меньшей мере один канал (15) охлаждения внутри лопатки (1). Внутренняя перегородка (11), которая является частью стенки канала (15) охлаждения, имеет волнообразную форму. Использование изобретения позволит повысить ресурс и надежность лопатки. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Лопатка (1) газовой турбины по меньшей мере с одним каналом (15) охлаждения, расположенным внутри лопатки (1), и по меньшей мере с одной внутренней продолговатой перегородкой (11), являющейся частью стенки упомянутого по меньшей мере одного канала (15) охлаждения, отличающаяся тем, что перегородка (11) является волнообразной. 2. Лопатка (1) газовой турбины по п.1, отличающаяся тем, что образующая вершин (12, 12') и соответственно образующая углублений (13, 13') волнообразной перегородкой (11) расположены поперечно продольному направлению волнообразной перегородки (11). 3. Лопатка (1) газовой турбины по п.1, отличающаяся тем, что волновые выступы (12) обращены к входной кромке, а углубления (13) - в противоположную сторону и вершины двух соседних волновых выступов (12 и 12') соответственно углублений (13 и 13') находятся на разном расстоянии от корневой части (2). 4. Лопатка (1) газовой турбины по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что волнообразная форма перегородки (11) построена из частей окружностей, треугольников или трапеций или имеет синусоидальную форму или меандрообразную форму либо их сочетание. 5. Лопатка (1) газовой турбины по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что волнообразная перегородка (11) имеет сквозные отверстия для улучшения конвекции охлаждающей среды. 6. Лопатка (1) газовой турбины по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что минимальное расстояние волнообразной перегородки (11) от первой стенки (10) лопатки (1), на которую натекает рабочая среда, в средней части перегородки (11) меньше, чем по меньшей мере на одном из концов перегородки (11). 7. Лопатка (1) газовой турбины по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что на одной стенке (10) напротив волнообразной перегородки (11) выполнены параллельные продольному направлению вершин (12, 12') и углублений (13, 13') волнообразной перегородки (11) ребра (16, 17), обращенные к волнообразной перегородке (11). 8. Лопатка (1) газовой турбины по п.7, отличающаяся тем, что ребра (16, 17) расположены перпендикулярно стенке (10) и на ней напротив волнообразной перегородки (11). 9. Лопатка (1) газовой турбины по п.8, отличающаяся тем, что ребра (16, 17) расположены таким образом, что каждое из них находится либо напротив вершины (12, 12') волнообразной перегородки (11), либо напротив углубления (13, 13') волнообразной перегородки (11). 10. Лопатка (1) газовой турбины по п.9, отличающаяся тем, что ребра (17), расположенные напротив углубления (13, 13') волнообразной перегородки (11), имеют большую длину, чем ребра (16), расположенные напротив вершин (12, 12') волнообразной перегородки (11). 11. Лопатка (1) газовой турбины по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что на одной стенке (10) напротив волнообразной перегородки (11) размещен по меньшей мере один штырь (18), обращенный к волнообразной перегородке (11) и расположенный напротив углубления (13, 13') - волнообразной перегородки (11).