ТУРБИННАЯ ЛОПАТКА Российский патент 2007 года по МПК F01D5/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к газотурбинным двигателям и в частности к турбинным лопаткам, имеющим внутри охлаждающие каналы, предназначенные для эффективного теплообмена с материалом лопатки и ее охлаждения, и в особенности к конфигурации прорезей активации турбулентности в охлаждающих каналах.

Уровень техники

В области газотурбинных двигателей обычной практикой является создание внутренних охлаждающих каналов в турбинных лопатках. Признано также, что различные ступени роторов турбины в двигателе нуждаются в охлаждении в большей или меньшей степени, что зависит от конкретного расположения ступени в турбине. Рабочие лопатки первой ступени турбины обычно требуют наибольшего охлаждения, поскольку рабочие лопатки, расположенные после первых лопаток направляющего аппарата, непосредственно подвергаются воздействию горячих газообразных продуктов сгорания, выходящих из камер сгорания. Известно также, что профиль распределения температуры по каждой турбинной лопатке имеет пик в средней части лопатки и что значения температуры вблизи корня и торца рабочей лопатки несколько ниже, чем значения температуры в средней части.

В некоторых случаях внутри турбинной лопатки выполняют группу охлаждающих каналов, проходящих от корневого участка до торцевого участка. Обычно с целью охлаждения лопаток в эти каналы подают охлаждающий воздух от одной из ступеней компрессора. Эти каналы по всей длине снабжают активаторами турбулентности для увеличения теплопередачи охлаждающего воздуха в каналах. Тепловая энергия передается от внешних поверхностей повышенного и пониженного давления турбинных лопаток во внутренние зоны, и тепло отбирается за счет внутреннего охлаждения. Характеристики теплопередачи в каналах, имеющих разнесенные друг от друга ребра, прежде всего зависят от диаметра канала, конфигурации ребер и числа Рейнольдса для газа. На основе целого ряда фундаментальных исследований изучено явление увеличения теплопередачи при разделении газового потока с помощью ребер. Граничный слой потока разделяется ниже и выше ребер по направлению потока. Эти расслоения потока восстанавливают связь граничного слоя с теплопередающей поверхностью и, таким образом, увеличивают коэффициент теплопередачи. Разделенный граничный слой усиливает турбулентное перемешивание и тем самым способствует более эффективному рассеиванию тепла из приповерхностного потока в основной поток, увеличивая коэффициент теплопередачи.

Турбулизаторы, используемые в этих каналах, могут иметь различные формы. Например, они могут быть в виде шеврона, прикрепленного к боковой стенке канала, причем шеврон расположен под углом к потоку охлаждающего воздуха в канале.

В патенте США №5413463 представлены охлаждающие каналы с турбулентным потоком, выполненные в рабочей лопатке газотурбинного двигателя, в которых турбулизаторы введены в отдельные области вдоль длины профилированной части от корневого до торцевого участков в зависимости от требований по охлаждению на определенных участках лопатки. Предпочтительно турбулизаторы размещают в средней части турбинной лопатки, в то время как каналы на корневом и торцевом участках лопатки остаются, в основном, гладкими.

Несмотря на существование таких турбинных лопаток, имеющих охлаждающие каналы с турбулентным течением, потребность в лопатках с улучшенным охлаждением сохраняется.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание турбинных лопаток, имеющих охлаждающие каналы с средствами активации турбулентности, улучшающими охлаждение.

Указанная задача достигается в турбинных лопатках, выполняемых в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с настоящим изобретением предложена турбинная лопатка, имеющая улучшенное охлаждение. Турбинная лопатка содержит профилированную часть с корневым концом и торцевым концом, по меньшей мере один охлаждающий канал, имеющий круговое поперечное сечение и выполненный в указанной профилированной части от ее корневого конца до торцевого конца, и группу средств активации турбулентности в указанном по меньшей мере одном охлаждающем канале. Каждое из указанных средств активации турбулентности имеет дугообразную форму с охватом дуги менее 180°.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения указанная группа средств активации турбулентности содержит пару выровненных средств активации турбулентности или по меньшей мере два выровненных средства активации турбулентности, причем в указанной паре торцевые части первого средства активации турбулентности расположены с промежутком от торцевых частей второго средства активации турбулентности. Каждый указанный канал имеет диаметр D, а каждое средство активации турбулентности имеет высоту е, при этом указанные торцевые части отделены зазором, величина которого составляет от 1е до 4е, а величина отношения e/D составляет от 0,05 до 0,30.

Указанные средства активации турбулентности могут содержать разделенные полосы дугообразной формы или группу канавок, прорезанных в стенке указанного охлаждающего канала.

В одном из предпочтительных вариантов турбинная лопатка содержит группу средств активации турбулентности, выровненных вдоль оси, проходящей от указанного корневого конца до указанного торцевого конца, при этом указанные средства активации турбулентности разнесены на шаг Р и каждое из них имеет высоту е, причем величина отношения Р/е составляет от 5 до 30. Указанные выровненные средства активации турбулентности содержат пары выровненных турбулизаторов, при этом турбулизаторы каждой пары имеют торцевые части, расположенные с промежутком друг от друга, причем указанные торцевые части одной пары турбулизаторов выровнены вдоль оси с торцевыми частями соседних пар турбулизаторов.

В другом конструктивном выполнении указанные средства активации турбулентности содержат первый ряд турбулизаторов и второй ряд турбулизаторов, расположенный со смещением относительно первого ряда турбулизаторов.

Каждое из средств активации турбулентности может иметь поверхность, расположенную перпендикулярно или под углом от 30° до 70° к оси, проходящей от указанного торцевого конца до указанного корневого конца.

Турбинная лопатка предпочтительно содержит группу охлаждающих каналов, проходящих от указанного корневого конца до указанного торцевого конца, причем каждый из указанных охлаждающих каналов содержит группу средств активации турбулентности. При этом указанная группа средств активации турбулентности в каждом из указанных охлаждающих каналов имеет поверхность, расположенную перпендикулярно или под углом от 30° до 70° относительно траектории проходящего через указанный канал потока охлаждающей текучей среды. Указанная группа средств активации турбулентности в каждом из указанных охлаждающих каналов также может содержать первый ряд средств активации турбулентности и второй ряд средств активации турбулентности, расположенный со смещением относительно первого ряда средств активации турбулентности.

Другие подробности, относящиеся к конфигурации прорезей, служащих в турбинной лопатке для активации турбулентности в соответствии с настоящим изобретением, а также другие задачи и преимущества, достигаемые в нем, представлены в нижеследующем подробном описании и сопровождающих чертежах, на которых одинаковые ссылочные номера относятся к одинаковым элементам.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена турбинная лопатка, используемая в газотурбинном двигателе и имеющая группу внутренних охлаждающих каналов.

На фиг.2 представлено сечение охлаждающего канала с активацией турбулентности (с турбулизаторами), выполненного в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 представлено сечение по линии 3-3 с фиг.2.

На фиг.4 представлено поперечное сечение альтернативного варианта выполнения охлаждающего канала с активацией турбулентности в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.5 представлено поперечное сечение другого альтернативного варианта выполнения охлаждающего канала с активацией турбулентности в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.6 представлено поперечное сечение альтернативного варианта выполнения охлаждающего канала с активацией турбулентности в соответствии с настоящим изобретением, в котором имеются сдвинутые средства активации турбулентности.

На фиг.7 представлено поперечное сечение еще одного альтернативного варианта охлаждающего канала с активацией турбулентности, в котором имеются сдвинутые средства активации турбулентности.

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлена турбинная лопатка 10, закрепленная на основании 12 и имеющая профилированную часть 13 с группой внутренних охлаждающих каналов 14, проходящих через лопатку 10 по всей ее длине от корневого конца 16 профилированной части 13 до торцевого конца 18 профилированной части 13. Обычно турбинная лопатка 10 содержит группу охлаждающих каналов 14. Каждый охлаждающий канал 14 имеет выход у торцевого конца 18. Кроме того, через каждый охлаждающий канал 14 проходит охлаждающая текучая среда, в частности воздух, от входа, сообщающегося с источником воздуха, отведенного от компрессора, и далее по всей длине канала с целью охлаждения материала, в частности металла турбинной лопатки 10. Турбинная лопатка 10 может быть выполнена из любого походящего металла, известного из предшествующего уровня техники, такого как сплав на основе никеля. Как будет рассмотрено далее, для улучшения характеристик охлаждения турбинной лопатки 10 каждый охлаждающий канал 14 снабжен группой средств активации турбулентности.

На фиг.2 и 3 представлен первый вариант выполнения охлаждающего канала 14, имеющего круговое поперечное сечение. Охлаждающий канал 14 проходит вдоль оси 30 от корневого конца 16 до торцевого конца 18 и имеет стенку 32. Стенка 32 ограничивает канал, пропускающий охлаждающий газ и имеющий диаметр D.

В канал 14 введена группа средств 34 активации турбулентности. Средства активации турбулентности могут содержать разделенные полосы 36 высотой е, которым придана дугообразная (аркобразная) форма с охватом дуги менее 180°. Отношение высоты к диаметру e/D в предпочтительном варианте составляет от 0,05 до 0,30. В варианте выполнения, показанном на фиг.2 и 3, средства активации турбулентности содержат пары разделенных полос, сформированных на стенке 32. Разделенные полосы 36 имеют торцевые части 38 и 40, разделенные друг от друга промежутком g. Величина промежутка g может составлять от 1е до 4е. В предпочтительном варианте выполнения изобретения величина промежутка g может составлять от 0,015 дюйма (0,381 мм) до 0,050 дюйма (1,27 мм). Разделенные полосы 36 кроме того имеют поверхность 42, расположенную перпендикулярно к оси 30 и к направлению потока охлаждающего газа через канал 14. Промежутки g в предпочтительном варианте ориентированы в сторону от местоположения максимума тепловой нагрузки.

Кроме того, как можно видеть на фиг.2, группа пар разделенных полос 36 расположена вдоль оси 30. Пары разделенных полос 36 разнесены на расстояние шага Р, представляющего собой расстояние от средней точки первой разделенной полосы 36 до средней точки второй разделенной полосы 36. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения отношение шага к высоте Р/е составляет от 5 до 30.

Пары разделенных полос 36 предпочтительно сориентированы так, что зазоры g одной пары разделенных полос выровнены с зазорами g соседних пар разделенных полос 36. Было установлено, что такое размещение весьма желательно с точки зрения создания турбулентности потока в канале 14 и минимизации падения давления в потоке.

Обращаясь к фиг.4, можно видеть, что вместо разделенных полос, сформированных на стенке 32, средства 34 активации турбулентности могут представлять собой канавки (желобки) 50, прорезанные в стенке 32. Как и предыдущем варианте, каждая из канавок 50 может иметь дугообразную форму с охватом дуги менее 180°. Канавки также могут иметь величину отношения e/D от 0,05 до 0,30 и могут иметь поверхности 52, расположенные нормально к оси 30 и потоку охлаждающего газа в канале 14. Как и ранее, величина отношения Р/е составляет от 5 до 30.

На фиг.5 представлен альтернативный вариант выполнения охлаждающего канала 14 со средствами 60 активации турбулентности, имеющими поверхность 62, ориентированную под углом к оси 30, имеющим значение от 30 до 70°, в частности 45° по отношению к оси 30 и потоку охлаждающего газа через канал 14. Средства активации турбулентности могут представлять собой либо разделенные полосы на стенке 32, либо канавки в стенке 32. Как и ранее средства 60 активации турбулентности предпочтительно имеют дугообразную форму с охватом дуги менее 180°. Средства 60 активации турбулентности могут представлять собой сориентированные пары средств 60, имеющих торцевые части, разделенные друг от друга промежутком. В каждой паре средства активации турбулентности могут иметь смещение вдоль оси 30. Такое размещение имеет преимущество меньшего падения давления при таком же уровне теплопередачи. И снова отношение Р/е может составлять от 5 до 30.

На фиг.6 представлен другой вариант выполнения охлаждающего канала 14. В этом варианте средства активации турбулентности содержат первый набор (ряд) разделенных полос 70 и второй набор разделенных полос 72. Первый набор разделенных полос 70 в предпочтительном варианте смещен относительно второго набора разделенных полос 72. Как разделенные полосы 70, так и разделенные полосы 72 имеют дугообразную форму с охватом дуги менее 180°. Как и ранее разделенные полосы 70 и 72 имеют величину отношения Р/е в диапазоне от 5 до 30.

На фиг.7 представлен еще один вариант выполнения охлаждающего канала 14, имеющего смещенные средства 80 активации турбулентности. Смещенные средства 80 активации турбулентности выполнены в форме первого набора разделенных канавок 82 и второго набора разделенных канавок 84. Каждая из канавок 82 и 84 имеет дугообразную форму с охватом дуги менее 180° и может иметь величину отношения e/D в диапазоне от 0,05 до 0,30. Как и в предыдущих вариантах выполнения каждая из канавок имеет величину отношения Р/е в диапазоне от 5 до 30.

Охлаждающие каналы, показанные на фиг.2-7, могут быть выполнены с использованием любой пригодной технологии, известной из предшествующего уровня техники. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения охлаждающие каналы 14 с различными средствами активации турбулентности выполнены с использованием технологии STEM-высверливания (электролитической обработки).

Охлаждающие каналы 14, имеющие конфигурацию, отображенную на фиг.2-7, обладают лучшими охлаждающими свойствами при меньшем падении давления от входа канала к выходу канала.

Хотя на фиг.3 показаны только две разделенные полосы 36, можно понять, что в канале 14 может быть более двух выровненных разделенных полос, каждая из которых отделена от соседней разделенной полосы 36 промежутком g. Например, в канале 14 может быть четыре или восемь сориентированных разделенных полос, причем каждая полоса может охватывать дугу менее 90°. Если имеется восемь выровненных разделенных полос, каждая из полос может охватывать дугу менее 45°.

В соответствии с настоящим изобретением предложена схема введения адаптированной турбулентности для турбинных лопаток, которая полностью соответствует указанным выше задачам и преимуществам. Хотя настоящее изобретение представлено на примере его конкретного предпочтительного выполнения, для специалиста в данной области из предшествующего подробного описания будут очевидными альтернативные решения, изменения и модификации. Соответственно, эти альтернативные решения, изменения и модификации охватываются рамками прилагаемой формулы изобретения.

Турбинная лопатка содержит профилированную часть с корневым концом и торцевым концом, по меньшей мере, один охлаждающий канал, имеющий круговое поперечное сечение и выполненный в указанной профилированной части от ее корневого конца до торцевого конца, и группу средств активации турбулентности в указанном, по меньшей мере, одном охлаждающем канале. Указанные группы средств активации турбулентности содержат группы пар выровненных средств активации. Каждое из указанной группы средство активации турбулентности в каждой указанной паре имеет дугообразную форму с охватом дуги менее 180°. Изобретение направлено на улучшение охлаждения. 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Турбинная лопатка, содержащая профилированную часть с корневым концом и торцевым концом, по меньшей мере, один охлаждающий канал, имеющий круговое поперечное сечение и выполненный в указанной профилированной части от ее корневого конца до торцевого конца, и группу средств активации турбулентности в указанном, по меньшей мере, одном охлаждающем канале, отличающаяся тем, что указанные группы средств активации турбулентности содержат группы пар выровненных средств активации турбулентности, при этом каждая из указанных групп средств активации турбулентности в каждой указанной паре имеет дугообразную форму с охватом дуги менее 180°.2. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что каждая из указанных пар выровненных средств активации турбулентности имеет торцевые части первого средства из пары средств активации турбулентности, расположенные с промежутком от торцевых частей второго средства активации турбулентности.3. Турбинная лопатка по п.2, отличающаяся тем, что указанные торцевые части отделены зазором, величина которого составляет от 1 до 4е.4. Турбинная лопатка по п.2, отличающаяся тем, что каждый указанный канал имеет диаметр D, а каждое средство активации турбулентности имеет высоту е, при этом величина отношения e/D составляет от 0,05 до 0,30.5. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что указанные средства активации турбулентности содержат разделенные полосы дугообразной формы.6. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что указанные выровненные средства активации турбулентности выровнены вдоль оси, проходящей от указанного корневого конца до указанного торцевого конца.7. Турбинная лопатка по п.6, отличающаяся тем, что указанные средства активации турбулентности разнесены на шаг Р и каждое из них имеет высоту е, причем величина отношения Р/е составляет от 5 до 30.8. Турбинная лопатка по п.6, отличающаяся тем, что указанные выровненные средства активации турбулентности содержат пары выровненных турбулизаторов, при этом турбулизаторы каждой пары имеют торцевые части, расположенные с промежутком друг от друга.9. Турбинная лопатка по п.6, отличающаяся тем, что указанные торцевые части одной пары турбулизаторов выровнены вдоль оси с торцевыми частями соседних пар турбулизаторов.10. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что указанные средства активации турбулентности содержат группу канавок, прорезанных в стенке указанного охлаждающего канала.11. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что указанные средства активации турбулентности содержат первый ряд турбулизаторов и второй ряд турбулизаторов, расположенный со смещением относительно указанного первого ряда турбулизаторов.12. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что каждое из указанных средств активации турбулентности имеет поверхность, расположенную перпендикулярно оси, проходящей от указанного торцевого конца до указанного корневого конца.13. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что каждое из указанных средств активации турбулентности имеет поверхность, расположенную под углом от 30 до 70° к оси, проходящей от указанного торцевого конца до указанного корневого конца.14. Турбинная лопатка по п.12, отличающаяся тем, что указанные средства активации турбулентности содержат первый ряд турбулизаторов и второй ряд турбулизаторов, расположенный со смещением относительно указанного первого ряда турбулизаторов.15. Турбинная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит группу охлаждающих каналов, проходящих от указанного корневого конца до указанного торцевого конца, причем каждый из указанных охлаждающих каналов содержит группу средств активации турбулентности.16. Турбинная лопатка по п.15, отличающаяся тем, что указанная группа средств активации турбулентности в каждом из указанных охлаждающих каналов имеет поверхность, расположенную перпендикулярно траектории проходящего через указанный канал потока охлаждающей текучей среды.17. Турбинная лопатка по п.15, отличающаяся тем, что указанная группа средств активации турбулентности в каждом из указанных охлаждающих каналов имеет поверхность, расположенную под углом от 30 до 70° относительно траектории проходящего через указанный канал потока охлаждающей текучей среды.18. Турбинная лопатка по п.15, отличающаяся тем, что указанная группа средств активации турбулентности в каждом из указанных охлаждающих каналов содержит первый ряд средств активации турбулентности и второй ряд средств активации турбулентности, расположенный со смещением относительно первого ряда средств активации турбулентности.