БАНДАЖНЫЙ ЭЛЕМЕНТ КОНЦА ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ Российский патент 2009 года по МПК F01D5/22 

Настоящее изобретение в основном относится к газовым турбинам и, в частности, к бандажному элементу конца лопатки турбины с выполненными в нем полостями для снижения общей массы бандажного элемента конца.

Лопатки газовой турбины часто могут включать в себя, как это раскрыто, например, в патенте США №6491498 В1, аэродинамический профиль с интегральным бандажным элементом конца лопатки, прикрепленным к нему. Бандажный элемент конца прикрепляется к внешней кромке аэродинамического профиля и обеспечивает получение участка поверхности, который проходит по существу перпендикулярно поверхности аэродинамического профиля. Участок поверхности бандажного элемента конца способствует удержанию отходящих газов турбины на аэродинамическом профиле, так что большая процентная доля энергии отходящих газов турбины может быть преобразована в механическую энергию с повышением общего коэффициента полезного действия. Кроме того, бандажный элемент конца обеспечивает аэромеханическое демпфирование и предотвращает износ (истирание). Однако окружающие условия с относительно высокой температурой и изгибающие напряжения, обусловленные выступающим материалом и центробежной нагрузкой на бандажный элемент конца, способствуют возникновению ползучести (деформации). Эти изгибающие напряжения могут вызывать локальные концентрации высоких напряжений, например, на участках бандажного элемента, известных как «Z-образная выемка», или где-нибудь в другом месте.

Следовательно, желательно иметь усовершенствованный бандажный элемент конца лопатки турбины, в котором снижена ползучесть, с тем, чтобы оптимизировать максимальный срок службы рабочих лопаток турбины с обеспечением приемлемых характеристик и технологичности рабочих лопаток турбины. Срок службы всех рабочих лопаток турбины должен быть повышен без ухудшения общего коэффициента полезного действия и повышения стоимости турбины.

Таким образом, согласно настоящему изобретению создан бандажный элемент конца лопатки турбины, содержащий основание, присоединенное к лопатке турбины и включающее в себя множество Z-образных выемок, множество уплотняющих рельсов, расположенных на основании, и множество полостей, расположенных в основании и прилегающих к множеству уплотняющих рельсов и множеству Z-образных выемок, при этом множество полостей обеспечивает, по меньшей мере, упругую контактную поверхность на границе раздела лопаток турбины для обеспечения равномерного распределения нагрузки между двумя лопатками турбины.

Предпочтительно, множество уплотняющих рельсов содержит уплотняющий рельс стороны повышенного давления и уплотняющий рельс стороны пониженного давления.

Предпочтительно, множество полостей имеет глубину, по меньшей мере, приблизительно 1,72 мм.

Предпочтительно, множество полостей расположено на, по меньшей мере, 2,0 мм от множества Z-образных выемок.

Предпочтительно, множество полостей содержит полость стороны повышенного давления, расположенную вблизи уплотняющего рельса стороны повышенного давления, и полость стороны пониженного давления, расположенную вблизи уплотняющего рельса стороны пониженного давления.

Предпочтительно, множество Z-образных выемок содержит Z-образную выемку первой боковой поверхности и Z-образную выемку второй боковой поверхности.

Предпочтительно, полость стороны повышенного давления имеет длину приблизительно 22,32 мм, ширину вблизи Z-образной выемки первой боковой поверхности приблизительно 5,97 мм и ширину приблизительно 3,46 мм на противоположной стороне относительно Z-образной выемки первой боковой поверхности.

Предпочтительно, полость стороны пониженного давления имеет длину приблизительно 21,5 мм, ширину приблизительно 3,97 мм вблизи Z-образной выемки второй боковой поверхности и ширину приблизительно 3,03 мм на противоположной стороне относительно Z-образной выемки второй боковой поверхности.

Предпочтительно, множество полостей имеет повсюду одинаковую глубину.

Таким образом, усовершенствованная конструкция бандажного элемента конца лопатки турбины обеспечивает снижение ползучести для оптимизации максимального срока службы рабочей лопатки, а также обеспечивает приемлемые характеристики и упрощение производства рабочих лопаток. При этом такие улучшения не приводят к понижению эффективности работы турбины и не приводит к увеличению производственных затрат.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - вид в перспективе известных лопаток турбины с бандажными элементами конца на них;

Фиг.2 - вид сверху в перспективе бандажного элемента конца лопатки, описанного в настоящей заявке; и

Фиг.3 - вид сбоку в перспективе бандажного элемента конца лопатки с Фиг.2.

На всех чертежах одинаковыми ссылочными позициями обозначены аналогичные элементы, при этом на Фиг.1 показано множество лопаток 10 турбины. Как показано, лопатки 10 турбины установлены на диске 20 турбины для вращения с рабочими скоростями. Каждая лопатка 10 турбины может включать в себя участок 30 хвостовика, прикрепленный к диску 20. Каждая лопатка 10 дополнительно включает в себя участок 40 основания и участок 50 аэродинамического профиля. На верхней части участка 50 аэродинамического профиля расположен бандажный элемент 60 конца лопатки. Бандажный элемент 60 конца расположен преимущественно перпендикулярно аэродинамическому профилю 50. Бандажный элемент 60 конца включает в себя основание 70 с множеством уплотняющих рельсов 80, расположенных на нем. Уплотняющие рельсы 80 в основном проходят по длине бандажного элемента 60 конца. Боковые поверхности бандажного элемента 60 конца (по обеим сторонам аэродинамического профиля 50) могут иметь расположенные в них Z-образные выемки 90. Как следует из названия, Z-образная выемка 90 выполнена преимущественно по форме "Z". Z-образная выемка 90 обеспечивает сцепление различных лопаток 10.

На Фиг.2 и 3 показан бандажный элемент 100 конца, описываемый в настоящей заявке. Аналогично бандажному элементу 60 конца, описанному выше, бандажный элемент 100 конца включает в себя основание 110, пару уплотняющих рельсов, расположенных на нем, уплотняющий рельс 120 стороны повышенного давления и уплотняющий рельс 130 стороны пониженного давления, и пару Z-образных выемок, Z-образную выемку 140 первой боковой поверхности и Z-образную выемку 150 второй боковой поверхности. Рельс 120 стороны повышенного давления может находиться на расстоянии приблизительно 8,51 мм от плоскости y-z. Рельс 130 стороны пониженного давления может находиться на расстоянии приблизительно 7,75 мм от плоскости y-z. Расстояние между уплотняющими рельсами 120, 130 бандажного элемента 100 конца может составлять приблизительно 16,64 мм. При этом могут быть использованы другие конструкции, формы, расстояния и размеры.

Бандажный элемент 100 конца также включает в себя множество полостей, полость 160 стороны повышенного давления и полость 170 стороны пониженного давления. Полости 160, 170 расположены в основании 110 вблизи уплотняющих рельсов 120, 130. Полости 160, 170 могут иметь минимальную толщину приблизительно 1,72 мм в основании 110 и минимальную толщину стенок, прилегающих к Z-образным выемкам 140, 150, приблизительно 2,0 мм. Полость 160 стороны повышенного давления может иметь длину приблизительно 22,32 мм, ширину вблизи Z-образной выемки 140 первой боковой поверхности приблизительно 5,97 мм и ширину приблизительно 3,46 мм на противоположной стороне относительно Z-образной выемки 140. Полость 170 стороны пониженного давления может иметь длину приблизительно 21,5 мм, ширину приблизительно 3,97 мм вблизи второй Z-образной выемки 150 и ширину приблизительно 3,03 мм на противоположной стороне относительно Z-образной выемки 150. Полости 160, 170 повсюду могут иметь преимущественно одинаковую глубину.

По желанию положение, размер и форму полостей 160, 170 можно изменять. Размеры, показанные в настоящей заявке, могут быть использованы для рабочей лопатки первой ступени турбины G4 HSPT (высокооборотной силовой турбины), выпускаемой компанией General Electric Company, Скенектади, Нью-Йорк. Бандажный элемент 100 конца в целом и полости 160, 170 в нем могут быть изготовлены с помощью процесса прецизионного литья или с помощью аналогичных технологий изготовления. Например, также может быть использована механическая обработка, при которой удаляется излишний материал.

Таким образом, при использовании полостей 160, 170 снижается общая масса бандажного элемента 100 конца и также обеспечивается упругость области контакта между несколькими лопатками 10. Полости 160, 170 могут быть расположены на участках основания 110 таким образом, чтобы минимизировалось напряжение на ограничивающих местах, таких как Z-образные выемки 140, 150. Снижение напряжения, достигаемое вблизи Z-образных выемок 140, 150, повышает усталостную долговечность рабочей лопатки 10 турбины в целом до разрушения от ползучести. Конструктивное исполнение полостей 160, 170 может быть оптимизировано для получения максимального экономического эффекта от долговечности с обеспечением в то же время приемлемых характеристик и технологичности рабочей лопатки 10 турбины.

При условии, что полости 160, 170 находятся в областях, которые выступают по нормали к аэродинамическому профилю 50, уменьшение массы бандажного элемента 100 конца способствует снижению изгибающего напряжения при сохранении надлежащего уплотнения и аэромеханических свойств бандажного элемента 100 конца. Кроме того, остальная выгода от использования полостей 160, 170 заключается в том, что контактная поверхность на границе раздела рабочих лопаток является более упругой, так что создается более равномерное распределение нагрузки между двумя рабочими лопатками 10 турбины.

Следует понимать, что вышеизложенное относится только к предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения и что в них могут быть сделаны многочисленные изменения и модификации специалистом в данной области техники без отступления от общей сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.

Бандажный элемент конца лопатки турбины содержит основание, присоединенное к лопатке турбины. Основание включает в себя Z-образные выемки, уплотняющие рельсы, расположенные на основании, и полости, расположенные в основании и прилегающие к уплотняющим рельсам и Z-образным выемкам. Полости обеспечивают упругую контактную поверхность на границе раздела лопаток турбины для обеспечения равномерного распределения нагрузки между двумя лопатками турбины. Изобретение позволяет повысить срок службы рабочей лопатки за счет повышения усталостной долговечности лопаток, снизить массу бандажного элемента, а также обеспечить упругость места контакта между лопатками. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Бандажный элемент конца лопатки турбины, содержащий основание, присоединенное к лопатке турбины и включающее в себя множество Z-образных выемок, множество уплотняющих рельсов, расположенных на основании, и множество полостей, расположенных в основании и прилегающих к множеству уплотняющих рельсов и множеству Z-образных выемок, при этом множество полостей обеспечивает, по меньшей мере, упругую контактную поверхность на границе раздела лопаток турбины для обеспечения равномерного распределения нагрузки между двумя лопатками турбины.

2. Бандажный элемент по п.1, в котором множество уплотняющих рельсов содержит уплотняющий рельс стороны повышенного давления и уплотняющий рельс стороны пониженного давления.

3. Бандажный элемент по п.1, в котором множество полостей имеет глубину, по меньшей мере, приблизительно 1,72 мм.

4. Бандажный элемент конца лопатки турбины по п.1, в котором множество полостей расположено на, по меньшей мере, 2,0 мм от множества Z-образных выемок.

5. Бандажный элемент по п.1, в котором множество полостей содержит полость стороны повышенного давления, расположенную вблизи уплотняющего рельса стороны повышенного давления, и полость стороны пониженного давления, расположенную вблизи уплотняющего рельса стороны пониженного давления.

6. Бандажный элемент по п.5, в котором множество Z-образных выемок содержит Z-образную выемку первой боковой поверхности и Z-образную выемку второй боковой поверхности.

7. Бандажный элемент по п.6, в котором полость стороны повышенного давления имеет длину приблизительно 22,32 мм, ширину вблизи Z-образной выемки первой боковой поверхности приблизительно 5,97 мм и ширину приблизительно 3,46 мм на противоположной стороне относительно Z-образной выемки первой боковой поверхности.

8. Бандажный элемент по п.6, в котором полость стороны пониженного давления имеет длину приблизительно 21,5 мм, ширину приблизительно 3,97 мм вблизи Z-образной выемки второй боковой поверхности и ширину приблизительно 3,03 мм на противоположной стороне относительно Z-образной выемки второй боковой поверхности.

9. Бандажный элемент по п.1, в котором множество полостей имеет повсюду одинаковую глубину.