ЛОПАТКА РОТОРА И ТУРБИНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2007 года по МПК F01D5/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к широкой области подвижных (т.е. рабочих или роторных) лопаток турбомашины и, в более узком аспекте, к выпускным щелям для вывода охлаждающего воздуха, расположенным на выходной кромке подвижных лопаток турбины высокого давления.

Уровень техники

Как известно, турбомашина обычно содержит камеру сгорания, в которой воздух смешивается с топливом перед сгоранием смеси. Генерируемые при сгорании газы направляются к нижней по направлению потока части камеры и затем поступают к турбине высокого давления. Турбина высокого давления обычно содержит один или несколько рядов подвижных турбинных лопаток, расположенных по окружности на роторе турбины. Таким образом, подвижные лопатки турбины высокого давления подвергаются воздействию очень высоких температур газов сгорания. Эти температуры достигают значений, существенно превышающих температуры, которые способны выдерживать без повреждений подвижные лопатки, находящиеся в контакте с этими газами, что ограничивает долговечность подвижных лопаток.

Известен подход к решению данной проблемы путем снабжения лопаток внутренними контурами охлаждения, предназначенными для снижения температуры лопаток. При использовании подобных контуров охлаждающий воздух, как правило, подается внутрь лопатки через ее корневую часть (хвостовик), проходит через лопатку по траектории, определяемой полостями, сформованными внутри лопатки, и выводится через выпускные отверстия, выходящие на поверхность лопатки (см., например, патенты США №№6174134 и 6224336). Из патента США №6164913 (описывающего ближайший аналог настоящего изобретения) известно также, что выпускные отверстия для вывода охлаждающего воздуха в рабочей лопатке турбины могут представлять собой щели, распределенные вдоль выходной кромки пера лопатки между его основанием и вершиной и расположенные по существу перпендикулярно продольной оси лопатки.

Известно также, что лопатки турбины высокого давления, оснащенные контурами охлаждения, изготавливают способом литья или формования. Размещение щелей, в частности щелей контуров охлаждения, обычно обеспечивают с помощью стержней или сердечников, которые закладывают в форму параллельно друг другу перед заливкой металла. Для облегчения этой заливки металла выпускную щель для вывода охлаждающего воздуха, ближайшую к основанию пера лопатки, обычно выполняют больше по размерам, чем другие щели.

Однако на практике было установлено, что ближайшая к основанию пера лопатки выпускная щель плохо охлаждается. Из-за ее увеличенных размеров и из-за центробежной силы, создаваемой вращением лопатки, выходящий из этой выпускной щели воздух имеет тенденцию отклоняться к вершине лопатки. Это приводит к созданию вблизи выходной кромки лопатки значительных температурных градиентов, которые вызывают появление трещин на уровне этой щели, что особенно снижает долговечность лопатки. Эти высокие температурные градиенты имеют также тенденцию распространяться за счет теплопроводности к соединительной (переходной) зоне между основанием пера лопатки и ее полкой.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении указанных трудностей и создании подвижной (т.е. рабочей или роторной) лопатки турбины высокого давления с новой геометрией ближайшей к основанию пера лопатки выпускной щели для вывода охлаждающего воздуха, с тем чтобы эта щель не вызывала образования трещин. Изобретение направлено также на то, чтобы не ухудшать общей механической прочности лопатки - детали, которая подвергается очень высоким механическим напряжениям. Предметом изобретения является также турбина высокого давления, оснащенная такими подвижными лопатками.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет создания новой подвижной лопатки турбины высокого давления в турбомашине. Лопатка по изобретению содержит, по меньшей мере, один охлаждающий контур, который образован, по меньшей мере, одной полостью, проходящей радиально между вершиной и основанием лопатки, по меньшей мере, одним впускным отверстием для воздуха на одном радиальном конце полости или полостей для подачи охлаждающего воздуха в охлаждающий контур или контуры и несколькими выпускными щелями, открытыми в полость или полости и выходящими на выходную кромку лопатки. Указанные выпускные щели расположены по длине выходной кромки между основанием и вершиной лопатки и ориентированы по существу перпендикулярно продольной оси лопатки. Лопатка по изобретению характеризуется тем, что, по меньшей мере, одна выпускная щель, ближайшая к основанию пера лопатки, выполнена с наклоном к вершине лопатки под углом от 10° до 30° к оси вращения лопатки.

При этом охлаждающий воздух, выводимый через выпускную щель, ближайшую к основанию пера лопатки, направляется по всей поверхности данной щели таким образом, что устраняется образование трещин на уровне щели. Такая специальная геометрия данной щели позволяет снизить примерно на 5% локальную температуру на уровне этой щели. Кроме того, геометрия данной щели не ухудшает стойкость лопатки к различным механическим напряжениям, которым она подвергается.

В оптимальном варианте наклон выпускной щели, ближайшей к основанию пера лопатки, составляет примерно 20°.

Для снижения температуры переходной (соединительной) зоны между основанием пера лопатки и полкой, образующей перегородку для прохода потока газов сгорания через турбину высокого давления, передний по потоку конец выпускной щели, ближайшей к основанию пера лопатки, сформован по существу в этой переходной зоне. При этом острые углы переднего по потоку конца выпускной щели, ближайшей к основанию пера лопатки, зашлифованы для облегчения направления выводимого из выпускной щели воздуха к переходной зоне.

Перечень фигур чертежей

Пример осуществления настоящего изобретения, его дополнительные особенности и преимущества будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает в перспективе подвижную лопатку турбины высокого давления в соответствии с изобретением,

фиг.2 - это изображение в увеличенном масштабе части лопатки по фиг.1, иллюстрирующее выполнение выпускного отверстия (щели) для вывода охлаждающего воздуха, ближайшего к основанию пера лопатки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 представлена в перспективе подвижная лопатка 10 турбины высокого давления турбомашины. Эта лопатка, имеющая продольную ось Х-Х, укреплена на диске ротора (не представлен) турбины высокого давления посредством хвостовика 12, который обычно имеет елочный профиль. В общем случае лопатка имеет основание 14, вершину 16, переднюю входную кромку 18 и заднюю выходную кромку 20. Хвостовик 12 соединен с основанием 14 лопатки на уровне полки 22, которая образует перегородку для потока газов сгорания через турбину высокого давления.

Такая лопатка подвергается воздействию очень высоких температур газов сгорания и поэтому требует охлаждения. Для этого известным образом подвижная лопатка 10 содержит, по меньшей мере, один внутренний охлаждающий контур. Указанный охлаждающий контур состоит, например, по меньшей мере, из одной полости 24, которая проходит радиально между основанием 14 и вершиной 16 лопатки. В эту полость подается охлаждающий воздух на одном из ее радиальных концов через впускное отверстие (не показано). Это впускное отверстие обычно предусмотрено на уровне хвостовика 12 лопатки. Предусмотрены также несколько выпускных щелей 26, которые открыты в полость 24 и выходят на выходную кромку 20 лопатки для вывода охлаждающего воздуха, текущего в полости. Эти выпускные щели 26 для вывода охлаждающего воздуха обычно распределены вдоль выходной кромки 20 между основанием 14 и вершиной 16 пера лопатки и ориентированы по существу перпендикулярно продольной оси Х-Х лопатки.

На фиг.2 более четко показана геометрия выпускной щели 28, ближайшей к основанию 14 пера лопатки 10. Согласно изобретению ближайшая к основанию пера лопатки выпускная щель 28 выполнена с наклоном к вершине 16 лопатки под углом от 10° до 30° к оси вращения лопатки (не представлена). Предпочтительно угол наклона этой выпускной щели составляет 20°. Этот специфический угол наклона ближайшей к основанию пера лопатки выпускной щели позволяет выровнять температуру на уровне щели и за счет этого устранить все теплонапряженные места. Выводимый через эту выпускную щель охлаждающий воздух перекрывает практически всю поверхность выпускной щели 28 и снижает локальную температуру примерно на 5%. За счет этого полностью устраняется риск образования трещин на уровне выпускной щели, ближайшей к основанию пера лопатки, и повышается срок службы лопатки.

Согласно выгодной особенности изобретения передний по потоку конец 28а выпускной щели 28, ближайшей к основанию 14 пера лопатки, сформован по существу в переходной зоне 30 между основанием 14 пера лопатки и полкой 22 на стороне прохода потока газов сгорания. При этом выводимый через эту выпускную щель воздух имеет тенденцию за счет теплопроводности охлаждать переходную зону 30. Таким образом, температура переходной зоны 30 между основанием 14 пера лопатки и полкой 22 понижается примерно на 1,5%. Для усиления охлаждения переходной зоны 30 острые углы переднего по потоку конца 28а выпускной щели 28 зашлифованы для облегчения направления выводимого из выпускной щели воздуха к этой зоне 30. При этом, поскольку задний по потоку конец 28b ближайшей к основанию пера лопатки выпускной щели 28 не находится в соединительной зоне 30, эта специальная геометрия щели не влияет на стойкость лопатки 10 к различным механическим напряжениям.

Подвижная лопатка турбины высокого давления турбомашины содержит, по меньшей мере, один охлаждающий контур. Охлаждающий контур образован, по меньшей мере, одной полостью, проходящей радиально между вершиной и основанием лопатки, по меньшей мере, одним впускным отверстием для воздуха на одном радиальном конце полости или полостей для подачи охлаждающего воздуха в охлаждающий контур или контуры и несколькими выпускными щелями. Выпускные щели открыты в полость или полости и выходят на выходную кромку лопатки. Выпускные щели расположены по длине выходной кромки между основанием и вершиной лопатки и ориентированы по существу перпендикулярно продольной оси лопатки. По меньшей мере, одна выпускная щель, ближайшая к основанию пера лопатки, выполнена с наклоном к вершине лопатки под углом от 10° до 30° к оси вращения лопатки. Изобретение направлено на то, чтобы выпускная щель, ближайшая к основанию пера, не вызывала образования трещин. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Подвижная лопатка турбины высокого давления турбомашины, содержащая, по меньшей мере, один охлаждающий контур, который образован, по меньшей мере, одной полостью (24), проходящей радиально между вершиной (16) и основанием (14) лопатки (10), по меньшей мере, одним впускным отверстием для воздуха на одном радиальном конце полости или полостей для подачи охлаждающего воздуха в охлаждающий контур или контуры и несколькими выпускными щелями (26), открытыми в полость или полости и выходящими на выходную кромку (20) лопатки, причем выпускные щели расположены по длине выходной кромки между вершиной и основанием лопатки, по существу, перпендикулярно продольной оси (Х-Х) лопатки, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна выпускная щель (28), ближайшая к основанию пера лопатки, выполнена с наклоном к вершине лопатки под углом от 10 до 30° к оси вращения лопатки.2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что наклон выпускной щели (28), ближайшей к основанию пера лопатки, составляет примерно 20°.3. Лопатка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что передний по потоку конец (28а) выпускной щели (28), ближайшей к основанию пера лопатки, сформован, по существу, в переходной зоне (30) между основанием пера лопатки и полкой (22), образующей перегородку для прохода потока газов сгорания через турбину высокого давления.4. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что острые углы переднего по потоку конца (28а) выпускной щели (28), ближайшей к основанию пера лопатки, зашлифованы.5. Турбина высокого давления турбомашины, отличающаяся тем, что она содержит несколько подвижных лопаток (10) по любому из предыдущих пунктов.