ОХЛАЖДАЕМАЯ СОПЛОВАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2004 года по МПК F01D9/02 

Изобретение относится к лопаткам высокотемпературных газовых турбин, охлаждаемых воздухом, преимущественно к лопаткам мощных энергетических установок.

В газовых турбинах, в особенности работающих с высокими температурами газов на входе в турбину (порядка 1100°С), широко применяются различные конструкции охлаждаемых лопаток. Одним из вариантов является применение пустотелых лопаток с установленными внутри тонкостенными дефлекторами. Охлаждение стенок лопатки происходит за счет воздуха, подаваемого в пространство между стенками лопатки и дефлектором.

Известна сопловая лопатка с двумя полостями, в каждой из которых установлен дефлектор (1). Дефлектор, установленный в задней полости лопатки, разомкнут в сторону выходной кромки. Это приводит к тому, что охлаждающий воздух, поступающий в дефлектор, вместо того, чтобы выходить в отверстия во входной кромке и охлаждать лопатку по корыту и по спинке, выходит в щель в выходной кромке лопатки. Это приводит к перегреву корыта и спинки лопатки.

Известна также двухполостная сопловая лопатка, в каждой полости которой установлен замкнутый по контуру дефлектор с отверстиями для прохода охлаждающего воздуха. (2). При сборке данный дефлектор за счет упругой передней стенки сжимается, а при работе прижимается к внутренней поверхности лопатки посредством опорных элементов в виде выступов, выполненных на поверхности дефлектора со стороны корыта и спинки лопатки.

Недостатком конструкции является то, что допуски на изготовление дефлектора и отливки лопатки, а также коробление дефлектора обуславливают неплотное прилегание выступов дефлектора к внутренней поверхности лопатки. В результате высота канала для охлаждающего воздуха в поперечном сечении лопатки увеличивается. Это приводит к увеличению площади канала для охлаждающего воздуха, из-за чего скорость течения воздуха падает и резко снижается отвод тепла от лопатки.

Кроме того, такой дефлектор очень сложен при сборке и разборке, особенно при использовании в крупных энергетических установках мощностью 60 МВт и более, в которых толщина стенок дефлектора в лопатках достигает 1 мм и где для его установки и извлечения из лопатки требуются большие усилия и сложная оснастка.

Целью настоящего изобретения является обеспечение более плотного прилегания дефлектора по опорным элементам со стороны спинки и корыта лопатки и тем самым повышения эффективности охлаждения лопатки, а также обеспечение снижения трудоемкости сборки и разборки дефлектора.

Указанная цель достигается в охлаждаемой сопловой лопатке газовой турбины, содержащей первую и вторую по потоку газа полости, перфорированный дефлектор во второй полости, между дефлектором и лопаткой со стороны корыта и спинки элементы для упора дефлектора, в которой, согласно изобретению, дефлектор выполнен в виде разомкнутой в передней части скобы, причем в свободном состоянии кривизна дефлектора со стороны спинки меньше кривизны спинки лопатки, а со стороны корыта - больше кривизны корыта лопатки, а в средней по длине профиля части дефлектора изнутри установлен штырь с кулачками, упирающимися в дефлектор и размещенными на расстоянии друг от друга.

Более плотное прилегание дефлектора обеспечивается разницей кривизны стенок дефлектора и лопатки и прижатием дефлектора по опорным элементам посредством кулачков штыря, тем самым более точно обеспечивается в поперечном сечении лопатки заданная площадь для прохода охлаждающего воздуха, что дает повышение эффективности охлаждения, при этом сборка и разборка дефлектора не требует сложной оснастки.

Для предотвращения вибрации передних концов дефлектора при работе в охлаждаемой сопловой лопатке поперечная перегородка между полостями наклонена под углом 50-70° к нормали к внутренней поверхности корыта лопатки в сторону ее входной кромки.

Такое выполнение обеспечивает упор в перегородку консольной части скобы со стороны спинки лопатки, что предотвращает ее вибрацию, в то же время консольная часть скобы со стороны корыта лопатки за счет ее малой величины от места контакта с кулачками не может вибрировать.

Сопловую лопатку следует выполнять со штырем, кулачки которого упираются между указанными выше элементами для упора дефлектора.

Элементы для упора дефлектора целесообразно выполнять в виде горизонтальных ребер на внутренней поверхности лопатки в вдоль ее профиля, размещенных между кулачками штыря.

Упор кулачков в дефлектор между горизонтальными ребрами оптимален с точки зрения влияния на плотность прилегания дефлектора к горизонтальным ребрам погрешностей в допусках на изготовление дефлектора и лопатки.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен продольный разрез лопатки, на фиг.2 - вид А-А по фиг.1, на фиг.3 - вид Б-Б по фиг.2.

Охлаждаемая сопловая лопатка 1 содержит разделенные поперечной перегородкой 2 первую полость 3 со стороны входной кромки 4 лопатки 1 и вторую полость 5 со стороны выходной кромки 6 лопатки 1. Во второй полости 5 установлен дефлектор 7, выполненный в виде скобы, разомкнутой в ее передней части в сторону поперечной перегородки 2. Элементы для упора дефлектора в полости 5 выполнены в виде горизонтальных ребер 8 на внутренней поверхности лопатки 1 вдоль ее профиля со стороны корыта 9 и спинки 10. В пространстве между ребрами 8 и дефлектором (скобой) 7 образованы каналы 11 для прохода охлаждающего воздуха. Кривизна той части дефлектора 7, которая прилегает к горизонтальным ребрам 8 со стороны корыта 9, больше кривизны корыта 9. Кривизна той части скобы 7, которая прилегает к ребрам 8 со стороны спинки 10, меньше кривизны спинки 10. Во второй полости 5 в средней части по длине профиля дефлектора 7 лопатки 1 в специальных гнездах, выполненных в верхней части 12 и нижней части 13 лопатки 1, установлен изнутри штырь 14. На штыре 14 выполнены заодно с ним кулачки 15, размещенные по высоте штыря на расстоянии друг от друга и прижатые к внутренней поверхности дефлектора 7 между ребрами 8. Размер кулачков 15 в поперечном сечении больше диаметра штыря 14. Профилированная поверхность кулачка 15 выполнена с обеспечением при повороте штыря 14 в процессе сборки одновременного прижатия кулачка 15 к дефлектору 7 со стороны корыта и спинки лопатки 1. Дефлектор 7 разомкнутыми концами 16 и 17 упирается в перегородку 2 лопатки 1, причем для предотвращения во время работы вибрации передних концов дефлектора 7 перегородка 2 наклонена в сторону входной кромки 4 под углом 50-70° к нормали, проведенной к внутренней поверхности корыта 9 лопатки 1. При этом консольная часть 18 дефлектора становится короткой и не может вибрировать, а консольная часть 19 упирается в перегородку 2 и тоже не вибрирует, что повышает надежность его работы. Кулачки 15 на штыре 14 прижимаются к дефлектору 7 по высоте лопатки 1 посередине между ребрами 8, выполненными на внутренней стенке лопатки. От поворота штырь 14 зафиксирован штифтом 20 в нижней части лопатки. Перфорация дефлектора 7 выполнена в виде двух горизонтальных рядов отверстий 21, один со стороны корыта 9, другой - со стороны спинки 10 лопатки 1 вблизи разомкнутых концов 16 и 17 дефлектора 7.

Конструкция работает следующим образом.

Охлаждающий воздух подается во вторую полость 5 лопатки 1 через верхнюю часть лопатки. Из задней части дефлектора 7 воздух между ребрами 8 по каналам 11 попадает в переднюю часть второй полости лопатки 1 и далее через два ряда отверстий 21 в горизонтальные каналы 11, образованные ребрами 8 вдоль корыта и спинки лопатки. Проходя по каналам 11, воздух охлаждает корыто 9 и спинку 10 и далее сбрасывается в щель 22 в выходной кромке 6 лопатки 1. Дефлектор 7 плотно прижимается к ребрам 8, обеспечивая заданные площади для прохода охлаждающего воздуха. Плотное прилегание дефлектора обеспечивается кулачками 15 и разницей в кривизне стенок дефлектора 7 и лопатки 1. В свободном состоянии (перед сборкой), когда кулачок 15 не зажат между стенками дефлектора, в средней части профиля за счет разницы в кривизне имеются зазоры между дефлектором и лопаткой по всей ее высоте. Именно в этом месте и установлен штырь 14 с кулачками 15, который в процессе сборки поворачивают, обеспечивая посредством кулачков 15 прижатие дефлектора к ребрам 8 лопатки. В первой полости 3 лопатки 1 могут быть использованы разные схемы конвективно-заградительного охлаждения. В приведенном примере воздух снизу подается в полость 3 лопатки 1. Во входной кромке лопатки 1 и вблизи ее выполнены отверстия (не показаны) для выпуска охлаждающего воздуха на наружную поверхность лопатки. В предлагаемой конструкции лопатки обеспечено более плотное прилегание дефлектора на элементах его упора со стороны корыта и спинки лопатки, что позволяет после сборки получить с большей точностью заданную проходную площадь для охлаждающего воздуха, тем самым повысить эффективность теплосъема с поверхности лопатки. Кроме того, такая конструкция обеспечивает более простую сборку и разборку дефлектора и более надежную его работу.

Источники информации

1. Патент США №4153386. Публ. 1979 г.

2. Патент США №3806275. Публ. 1972 г.

Охлаждаемая сопловая лопатка газовой турбины содержит по ходу потока газа первую и вторую полости, перфорированный дефлектор во второй полости, между дефлектором и лопаткой со стороны корыта и спинки во второй полости элементы для упора дефлектора. Дефлектор выполнен в виде разомкнутой в передней части скобы. В свободном состоянии кривизна дефлектора со стороны спинки меньше кривизны спинки лопатки, а со стороны корыта - больше кривизны корыта лопатки. В средней по длине профиля части дефлектора изнутри установлен штырь с кулачками, упирающимися в дефлектор и размещенными на расстоянии друг от друга. В охлаждаемой сопловой лопатке поперечная перегородка между полостями может быть выполнена под углом 50-70° к нормали к поверхности корыта лопатки в сторону входной кромки. Кулачки штыря упираются в дефлектор между элементами для его упора. Элементы для упора дефлектора выполнены в виде горизонтальных ребер на внутренней поверхности вдоль ее профиля, размещенных между кулачками штыря. Изобретение обеспечивает более полное прилегание дефлектора по опорным элементам со стороны спинки и корыта, что повышает эффективность охлаждения. При этом сборка и разборка такой лопатки не требует сложной оснастки, что обеспечивает снижение их трудоемкости. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Охлаждаемая сопловая лопатка газовой турбины, содержащая первую и вторую полости, перфорированный дефлектор во второй полости, между дефлектором и лопаткой со стороны корыта и спинки во второй полости элементы для упора дефлектора, отличающаяся тем, что дефлектор выполнен в виде разомкнутой в передней части скобы, причем в свободном состоянии кривизна дефлектора со стороны спинки меньше кривизны спинки лопатки, а со стороны корыта - больше кривизны корыта лопатки, а в средней по длине профиля части дефлектора изнутри установлен штырь с кулачками, упирающимися в дефлектор и размещенными на расстоянии друг от друга.2. Охлаждаемая сопловая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что поперечная перегородка между полостями выполнена под углом 50-70° к нормали к поверхности корыта лопатки в сторону входной кромки.3. Охлаждаемая сопловая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что кулачки упираются в дефлектор между элементами для упора дефлектора.4. Охлаждаемая сопловая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что элементы для упора дефлектора выполнены в виде горизонтальных ребер на внутренней поверхности лопатки вдоль ее профиля, размещенных между кулачками штыря.