ЛОПАТКА ТУРБИНЫ Российский патент 2001 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к лопатке турбины, которая содержит область набегающего потока, область стекающего потока и между ними противоположные напорную сторону и спинку, а также обтекаемую текучей средой структуру стенки. Структура стенки содержит внешнюю стенку, которая окружает внутреннее пространство для направления охлаждающей текучей среды и содержит выпуск для охлаждающей текучей среды. Изобретение относится далее к применению такой лопатки турбины.

Направляющая лопатка газовой турбины с направлением охлаждающего газа для ее охлаждения описана в патенте США US-PS 5419039. Направляющая лопатка выполнена в виде одной литой детали или соответственно составлена из двух литых деталей. Она содержит внутри подводящую линию для охлаждающего воздуха из компрессора приданной в соответствие газотурбинной установки. В ее окружающей подводящую воздух линию структуре стенки, подвергающейся воздействию потока горячего газа газовой турбины, предусмотрены отлитые, открытые с одной стороны охлаждающие карманы. Охлаждающие карманы расположены на внешней стороне структуры стенки как в направлении течения горячего газа, так также перпендикулярно к направлению течения горячего газа, вдоль главного направления расширения направляющей лопатки. В каждый охлаждающий карман от подводящей линии для охлаждающего воздуха через множество отверстий в структуре стенки втекает охлаждающий воздух в охлаждающий карман. Он обтекается в направлении течения горячего газа охлаждающим воздухом, который выходит в области отверстия, образованной уже при отливке направляющих лопаток, в поток горячего газа. За счет этого в известной мере на внешней поверхности структуры стенки достигается пленочное охлаждение. В охлаждающем кармане может быть предусмотрен не обозначенный более подробно цоколь или могут быть предусмотрены не обозначенные более подробно цоколи для улучшения теплопроводности.

GB А 2262314 раскрывает охлаждаемую воздухом лопатку турбины газотурбинного двигателя. Охлаждающий воздух направляется через внутреннее пространство лопатки турбины через канал охлаждающего воздуха к поверхности лопатки турбины. Чтобы предотвратить засорение этого охлаждающего канала, охлаждающий канал встроен в выпуклость внутренней стороны внешней стенки лопатки турбины. За счет этой выпуклости не допускается, чтобы более крупные частицы, которые направляются с охлаждающим воздухом, поступали в канал охлаждающего воздуха.

Задачей изобретения является создание лопатки турбины с охлаждаемой структурой стенки. Другая задача состоит в указании применения для такой лопатки турбины.

Согласно изобретению направленная на лопатку турбины задача решается за счет такой лопатки турбины согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, в которой внешняя стенка на выпуске имеет направленное к внутреннему пространству утолщение. За счет утолщения, которое соединено с внешней стенкой, даже при крайне тонкой внешней стенке для выпуска имеет место большое соотношение длины к диаметру, а также может быть реализован малый угол наклона выпуска относительно внешней стенки. Вместе с тем через выпуск может течь охлаждающая текучая среда, в частности охлаждающий воздух, в достаточном количестве для осуществления пленочного охлаждения внешней стенки. За счет плоского угла выпуска является достижимым прилегание потока охлаждающей текучей среды к внешней стенке непосредственно вниз по течению от выпуска и, таким образом, особенно эффективное охлаждение.

Предпочтительно такая лопатка турбины является особенно пригодной для использования в газовой турбине, причем лопатка турбины обтекается горячим газом. При температуре горячего газа, которая лежит выше температуры плавления основного материала лопатки турбины, за счет достигаемого с лопаткой турбины охлаждения избегается выход из строя лопатки турбины. Температура на внешней стенке, температура поверхности, снижается за счет пленочного охлаждения, а также охлаждения через внутреннее пространство до уровня температуры, не критичного для лопатки турбины. Охлаждающий воздух из внутреннего пространства ведет к конвективному переходу и к теплопроводности через внешнюю стенку, в результате чего поверхность внешней стенки является достаточно охлаждаемой.

Особенно эффективное охлаждение достигается, когда подлежащая охлаждению внешняя стенка выполнена возможно тонкой. Предпочтительным образом внешняя стенка по меньшей мере областями имеет среднюю толщину стенки, которая составляет величину меньше 2,5 мм, в частности порядка 1 мм.

Охлаждающий воздух, который течет через внутреннее пространство лопатки турбины, нагревается и попадает через выпуск, который выполнен в виде отверстия, в частности отверстия с пленочным охлаждением, в поток обтекающей лопатку турбины текучей среды, в частности горячего газа. Выпуск, в частности отверстие, направлен предпочтительно вдоль оси, которая наклонена относительно главного направления течения под острым углом. За счет этого обеспечивается то, что вытекающий из выпуска охлаждающий воздух, который является сравнительно холодным по сравнению с текучей средой, в частности горячим газом, образует холодную пленку охлаждающей текучей среды вокруг лопатки турбины. Она эффективно способствует защите лопатки турбины.

Выпуск предпочтительно наклонен на угол α между 10 и 45^o, в частности между 25 и 35^o относительно внешней стенки. Он выполнен предпочтительно в виде отверстия в основном с постоянным поперечным сечением. Альтернативно выпуск может иметь обращенную к внутреннему пространству область дросселирования в основном с постоянным поперечным сечением и область замедления, расширяющуюся к течению горячего газа. Областью дросселирования в основном может достигаться регулирование количества потока охлаждающей текучей среды. За счет расширяющейся области замедления может достигаться снижение скорости течения охлаждающей текучей среды так, что она может прилегать к внешней стенке непосредственно вниз по течению от выпуска.

Выпуск имеет предпочтительно минимальный диаметр между 0,3 и 1,5 мм, в частности примерно между 0,6 и 0,7 мм. За счет утолщения такой диаметр при соотношении длины к диаметру выпуска между 2 и 5, в частности от 3 до 4, может изготавливаться технологически без проблем. Таким образом, кроме достаточного подведения охлаждающей текучей среды из внутреннего пространства к внешней поверхности внешней стенки обеспечивается также плоский угол выпуска относительно внешней стенки.

Утолщение выполнено на внешней стенке предпочтительно в виде локального холмообразного возвышения. Сквозь холмообразное возвышение проходит выпуск, то есть отверстие. Оно позволяет иметь даже при малой толщине внешней стенки соответствующий наклон и большое соотношение длины к диаметру выпуска. Холмообразное возвышение предпочтительно скруглено в направлении к выпуску. Возвышение, следовательно, имеет в области выпуска радиус кривизны для достижения выгодного втекания охлаждающей текучей среды в выпуск. За счет этого является достижимым равномерность течения охлаждающей текучей среды в выпуске, то есть отверстии. Это также способствует улучшению пленки охлаждающей текучей среды, образующейся на внешней стенке.

Утолщение может быть выполнено также в виде линейного возвышения. Оно может содержать множество выпусков.

Структура стенки наряду с внешней стенкой может иметь еще внутреннюю стенку, обращенную к внутреннему пространству, причем между внутренней стенкой и внешней стенкой предусмотрена область охлаждения для обтекания охлаждающей текучей средой. Каждая область охлаждения содержит приданный в соответствие внутренней стенке впуск для охлаждающей текучей среды. Он обеспечивает втекание направляемой во внутреннем пространстве охлаждающей текучей среды в область охлаждения. Из области охлаждения охлаждающая текучая среда попадает через выпуск наружу к внешней поверхности внешней стенки. Область охлаждения выполнена предпочтительно в виде камеры охлаждения, которая окружена внешней стенкой и внутренней стенкой. Это повышает гибкость при изготовлении впуска и выпуска и дает возможность также изменять дополнительно впуск, а также выпуск охлаждающей текучей среды в соответствии с требованиями к лопатке турбины. Выпуск может иметь отверстие в виде воронки (область замедления), которая может изготавливаться также дополнительно путем электроэрозионной обработки или посредством лазерного луча. Поперечное сечение такого отверстия в виде воронки может иметь, например, кругообразную, прямоугольную или другую простую геометрическую форму.

Впуск выполнен предпочтительно практически перпендикулярным к внешней стенке так, что втекающая охлаждающая текучая среда ударяется о внешнюю стенку, за счет чего является достижимым дополнительное ударно-отражательное охлаждение внешней стенки, по меньшей мере в области впуска. Выпуск области охлаждения, в частности, на спинке лопатки, расположен предпочтительно между впуском для охлаждающего воздуха и областью набегающего потока лопатки турбины. Это обеспечивает так называемое охлаждение с противотоком, при котором охлаждающая текучая среда внутри области охлаждения направлена против направления течения обтекающего лопатку турбины потока горячего газа. Это приводит, в частности, в случае лопатки турбины, используемой в качестве направляющей лопатки, к улучшенному пленочному охлаждению. Лопатка турбины со структурой стенки, содержащей по меньшей мере одну область охлаждения, которая расположена между внешней стенкой и внутренней стенкой, может изготавливаться как одно целое путем литья за одну рабочую операцию. Само собой разумеется, лопатка турбины может содержать также две или больше литых деталей, которые после отливки жестко соединяют друг с другом подходящими методами (способом стыкования). Предпочтительно также и ввод изготовлен литьем. Лопатка турбины предпочтительно содержит множество областей охлаждения как вдоль своей главной оси, так также в плоскости, перпендикулярно к главной оси. Направляющая лопатка стационарной газовой турбины может содержать как на своей спинке, так и на напорной стороне три раза по три камеры охлаждения, а также в зависимости от достигаемой теплопередачи также больше или меньше камер охлаждения.

В области охлаждения в главном направлении течения охлаждающей текучей среды расположены друг за другом обтекаемые охлаждающей текучей средой теплопередающие элементы, которые теплотехнически соединены с внешней стенкой. За счет этого обеспечивается эффективный нагрев охлаждающей текучей среды в области охлаждения на длинном участке пути. За счет теплотехнического соединения теплопередающих элементов с внешней стенкой имеет место эффективная теплопередача от внешней стенки на охлаждающую текучую среду.

Предусмотренное далее разделение структуры стенки на внешнюю стенку и внутреннюю стенку позволяет иметь развязку функциональных характеристик структуры стенки, причем к внешней стенке могут предъявляться меньшие требования к механической стабильности, чем к внутренней стенке. Внутренняя стенка, следовательно, может быть выполнена с большей толщиной стенки, чем внешняя стенка, так как она не подвержена непосредственному воздействию потока горячего газа. Она может брать на себя в основном механическую несущую функцию для лопатки турбины. В противоположность этому внешняя стенка может быть выполнена с меньшей толщиной стенки, за счет чего она является особенно эффективно охлаждаемой через теплопередающие элементы. Поперечное сечение области охлаждения между внутренней стенкой и внешней стенкой для достижения высокой скорости охлаждающей текучей среды выполнено предпочтительно малым и лежит, в частности, в области толщины внешней стенки. За счет малого протекаемого поперечного сечения области охлаждения и достигаемой таким образом высокой скорости охлаждающей текучей среды достигаются очень высокие цифры теплопередачи. Главное направление течения в области охлаждения предпочтительно соответствует направлению течения обтекающей лопатку турбины текучей среды, в частности горячего газа, или является как раз противоположным ему. Теплопередающие элементы выполнены предпочтительно в виде колонки или цоколя и доходят от внешней стенки до внутренней стенки. Они могут быть также жестко связаны с внутренней стенкой. Поперечное сечение теплопередающих элементов является соответственно согласуемым с требованиями теплопередачи и гидродинамики и выполнено, например, кругообразным, многоугольным или по типу профиля потока.

Направленная на применение лопатки турбины задача решается согласно изобретению за счет того, что лопатка турбины применяется в качестве рабочей лопатки или направляющей лопатки в газотурбинной установке, в частности в газовой турбине, в которой появляются температуры значительно выше 1000^oC горячего газа, обтекающего турбину.

С помощью представленных на чертежах примеров выполнения лопатка турбины поясняется более подробно, где схематически с представлением примененных для пояснения конструктивных и функциональных признаков показано:
фиг. 1 - лопатка турбины газовой турбины в поперечном сечении;
фиг. 2 - увеличенное представление структуры стенки согласно фиг. 1;
фиг. 3 - альтернативная форма выполнения лопатки турбины газовой турбины в поперечном сечении;
фиг. 4 - увеличенное представление выреза структуры стенки согласно фиг. 3.

Ссылочные позиции на всех чертежах соответственно имеют одинаковое значение.

На фиг. 1 представлена направленная вдоль главной оси 19 лопаткa турбины 1 газовой турбины. Она содержит структуру стенки 2 с областью набегающего потока 8, областью стекающего потока 9, а также напорную сторону 10 и спинку 11, которые расположены против друг друга. Структура стенки 2 содержит внешнюю стенку 3, которая окружает внутреннее пространство 21, которое разделено на не представленные более подробно частичные области.

Внешняя стенка 3 содержит направленные во внутреннее пространство 21 утолщения 14. Для наглядности схематически представлены только два утолщения 14. Через каждое утолщение 14 проходит выпуск 16, выполненный в виде отверстия 17. Он позволяет направляемой во внутреннее пространство 21 охлаждающей текучей среде 6, т.е. охлаждающему воздуху, вытекать из внутреннего пространства 21 через утолщение 14 на внешнюю стенку 3. Вне лопатки турбины 1 охлаждающий воздух 6 смешивается с потоком 18 (см. фиг. 2) обтекающей лопатку турбины 1 текучей среды, в частности, горячего газа. Отверстие 17 (см. фиг. 2) наклонено относительно внешней стенки 3 на острый угол α, предпочтительно меньше 45^o. За счет этого достигается то, что охлаждающий воздух 6 непосредственно вниз по течению потока от выпуска 16 прилегает к внешней стенке 3 и вызывает, таким образом, эффективное пленочное охлаждение внешней стенки 3. Утолщение 14 предпочтительно выполнено в виде единичного локального холмообразного возвышения и скруглено к выпуску 16. Утолщение 14, следовательно, там, где охлаждающая текучая среда втекает в выпуск 16, имеет радиус кривизны R, за счет которого обеспечивается в значительной степени свободное втекание охлаждающей текучей среды 6 в выпуск 16. Это также способствует достижению равномерности течения охлаждающей текучей среды 6 в выпуске 16, то есть отверстии 17.

На фиг. 3 и 4 также представлена лопатка турбины 1 газовой турбины, которая направлена вдоль главной оси 19. В структуре стенки 2 этой лопатки турбины 1 предусмотрены выполненные как на спинке 11, так и на напорной стороне 10 соответственно по три выполненные в виде камер охлаждения 20 полые области охлаждения 5, 5a. Эти области охлаждения 5, 5a расположены в структуре стенки 2 между внешней стенкой 3 и внутренней стенкой 4. Внутренняя стенка 4 окружает, как и внешняя стенка 3, разделенное внутреннее пространство 21. Области охлаждения 5, 5a имеют длину, которая является значительно больше, например в десять раз больше, чем их поперечное сечение. Внешняя стенка 3 имеет значительно меньшую толщину стенки, чем внутренняя стенка 4, например толщина стенки внешней стенки 3 составляет 1,0 мм и толщина стенки внутренней стенки 4 составляет 1,5 мм. Поперечное сечение областей охлаждения 5, 5a лежит в области толщины стенки внешней стенки 3 и составляет, например, порядка 1,0 мм. По длине каждой области охлаждения 5, 5a расположено множество, предпочтительно свыше пяти, теплопередающих элементов 7. От внутреннего пространства 21 в каждую область охлаждения 5, 5a входит соответствующий впуск 15, который предпочтительно выполнен, в частности отлит, в виде отверстия или множества отверстий. Впуск 15 в основном направлен вертикально к внешней стенке 3. За счет этого достигается дополнительное ударно-отражающее охлаждение внешней стенки 3 в области впуска 15. От каждой области охлаждения 5, 5a к внешней поверхности структуры стенки 2 ведет соответствующий выпуск 16. В области выпуска 16 внешняя стенка 3 содержит утолщение 14. Камера охлаждения 20 в области выпуска 16, следовательно, введена дальше в направлении внутреннего пространства 21. Выпуск 16 выполнен предпочтительно в виде отверстия 17. Это отверстие 17 имеет граничащую непосредственно с камерой охлаждения 20 область дросселирования 23 с постоянным поперечным сечением. К этой области дросселирования 23 примыкает в направлении к внешней поверхности внешней стенки 3 расширяющаяся область замедления 24. Отверстие 17 направлено вдоль оси 22, которая, как уже пояснялось относительно фиг. 1 и 2, наклонена относительно внешней стенки 3 под острым углом α. В частности, на спинке 11 выпуск 16 расположен ближе к области набегающего потока 8, чем впуск 15, приданный в соответствие той же камере охлаждения 20. За счет этого охлаждающий воздух 6 направляется в камере охлаждения 20 в противотоке относительно потока горячего газа 18.

Теплопередающие элементы 7 расположены в направлении главной оси 19, предпочтительно чередуясь, за счет чего время контакта для теплопередачи между охлаждающим воздухом 6 и теплопередающим элементом 7, соединенным с внешней стенкой 3, увеличивается. Эффективность охлаждения еще более улучшается за счет того, что внешняя стенка 3 выполнена с меньшей толщиной стенки. Далее происходит также охлаждение несущей внутренней стенки 4, не подвергаемой непосредственно воздействию горячего газа 18.

Изобретение отличается лопаткой турбины со структурой стенки, в которой подвергаемая воздействию горячего газа внешняя стенка имеет входящее во внутреннее пространство утолщение, причем через это утолщение проходит выпуск для направления охлаждающего воздуха. За счет утолщения даже при крайне тонкой внешней стенке, в частности, порядка 1 мм, обеспечивается выгодное соотношение длины к диаметру выпуска, а также плоский угол наклона выпуска относительно внешней стенки. За счет этого является достижимым эффективное пленочное охлаждение внешней стенки.

Лопатка турбины 1 имеет область набегающего потока 8, область стекающего потока 9 и между ними противоположные напорную сторону 10 и спинку 11, а также обтекаемую текучей средой 18 структуру стенки 2. Структура стенки 2 содержит внешнюю стенку 3, которая окружает внутреннее пространство 21 для направления охлаждающей текучей среды 6 и выпуск 16 для охлаждающей текучей среды 6. На выпуске 16 предусмотрено направленное к внутреннему пространству 21 утолщение 14. Утолщение 14 направлено к внутреннему пространству 21. Внешняя стенка 3 по меньшей мере областями имеет среднюю толщину стенки меньше 2,5 мм. Изобретение позволяет повысить интенсивность охлаждения. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Лопатка турбины, которая имеет область набегающего потока, область стекающего потока и между ними противоположные напорную сторону и спинку, а также обтекаемую текучей средой структуру стенки, причем структура стенки содержит внешнюю стенку, которая окружает внутреннее пространство для направления охлаждающей текучей среды и содержит выпуск для охлаждающей текучей среды, отличающаяся тем, что внешняя стенка на выпуске содержит утолщение, направленное к внутреннему пространству, причем внешняя стенка по меньшей мере областями имеет среднюю толщину стенки меньше 2,5 мм. 2. Лопатка турбины по п.1, отличающаяся тем, что выпуск в основном направлен вдоль оси, которая наклонена локально относительно внешней стенки на угол 10 и 45^o, в частности между 25 и 35^o. 3. Лопатка турбины по п.2, отличающаяся тем, что выпуск является отверстием с в основном постоянным поперечным сечением. 4. Лопатка турбины по п.2, отличающаяся тем, что выпуск, обращенный к внутреннему пространству, содержит область дросселирования с в основном постоянным поперечным сечением, которая переходит в область замедления с расширяющимся поперечным сечением. 5. Лопатка турбины по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что утолщение выполнено в виде локального холмообразного возвышения. 6. Лопатка турбины по п.5, отличающаяся тем, что утолщение скруглено в направлении к выпуску. 7. Лопатка турбины по любому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что утолщение выполнено в виде линейного возвышения. 8. Лопатка турбины по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что внешняя стенка по меньшей мере областями имеет среднюю толщину стенки порядка 1 мм. 9. Лопатка турбины по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что выпуск имеет соотношение длины к диаметру между 2 и 5, в частности от 3 до 4. 10. Лопатка турбины по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что выпуск имеет минимальный диаметр между 0,3 и 1,5 мм, в частности порядка между 0,6 и 0,7 мм. 11. Лопатка турбины по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что структура стенки содержит внутреннюю стенку и расположенную между внутренней стенкой и внешней стенкой область охлаждения для протекания охлаждающей текучей среды и каждая область охлаждения содержит приданный в соответствие внутренней стенке впуск для охлаждающей текучей среды. 12. Лопатка турбины по п.11, отличающаяся тем, что в области охлаждения расположены друг за другом обтекаемые в главном направлении течения охлаждающей текучей средой теплопередающие элементы, теплотехнически соединенные с внешней стенкой. 13. Лопатка турбины по п. 11 или 12, отличающаяся тем, что внешняя стенка, внутренняя стенка и теплопередающие элементы изготовлены литьем за одну рабочую операцию. 14. Лопатка турбины по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что она является рабочей лопаткой или направляющей лопаткой для газовой турбины.