ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2011 года по МПК F01D5/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к лопатке газовой турбины согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Уровень техники

Известно в охлаждаемых лопатах газовых турбин выдувание охлаждающего воздуха на головку лопатки, что приводит, например, к улучшенному охлаждению расположенных там уплотнений. Поперечные сечения этих выходных отверстий обычно выбирают меньше поперечного сечения каналов для охлаждающего воздуха. Тем самым они служат в качестве мест дросселирования и ограничивают массовый расход выдуваемой охлаждающей среды. Выходные отверстия имеют обычно круговое или эллиптическое поперечное сечение и не соответствуют форме поперечного сечения охлаждающего канала, который подводит охлаждающий воздух к выходному отверстию. Возникающее за счет этого резкое изменение поперечного сечения вызывает неблагоприятные схемы потока, которые приводят, среди прочего, к повышенным потерям давления и к локальному повышению температуры материала.

Известна лопатка газовой турбины с пером, которое проходит от хвостовика лопатки к головке лопатки, при этом перо лопатки содержит переднюю кромку и проходящий вдоль передней кромки пера лопатки внутри пера канал для охлаждающего воздуха, который у передней кромки, а также со стороны всасывания и со стороны нагнетания пера лопатки ограничен стенкой и который дополнительно ограничен проходящей внутри пера лопатки от расположенной со стороны нагнетания стенки к расположенной со стороны всасывания стенки разделительной стенкой, и который имеет расположенное в зоне головки лопатки выходное отверстие, контур которого геометрически подобен поперечному сечению канала для охлаждающего воздуха (US 3533712, 1970). Данная лопатка имеет недостаток, заключающийся в том, что сечение выходного отверстия больше или равно площади сечения канала для охлаждающего воздуха, что не позволяет обеспечить дросселирование в области выхода потока и ограничить массовый расход.

Сущность изобретения

Согласно одному аспекту данного изобретения, должна быть создана лопатка газовой турбины указанного в начале типа, которая устраняет недостатки уровня техники. А именно должна быть создана лопатка газовой турбины так, что выравнивается перенос тепла со стороны охлаждения и, тем самым, исключается неравномерные распределения температуры с сокращающими срок службы тепловыми напряжениями.

Это обеспечивает, наряду с другими предпочтительными действиями, представленная в пункте 1 формулы изобретения лопатка газовой турбины. В указанной в пункте 1 формулы изобретения лопатке газовой турбины контур выходного отверстия, проходящего вдоль передней кромки охлаждающего канала, выполнен геометрически подобным поперечному сечению охлаждающего канала. Это приводит к тому, что минимизируются переходы поперечного сечения при прохождении охлаждающего воздуха из охлаждающего канала в выходное отверстие. Тем самым исключаются мертвые зоны охлаждающего воздуха и отклонения направления потока выдуваемого охлаждающего воздуха с их негативными последствиями.

В одной модификации лопатки площадь поперечного сечения выходного отверстия меньше площади поперечного сечения охлаждающего канала. За счет этого выходное отверстие может действовать в качестве места дросселирования и тем самым служить для ограничения массового расхода. То есть в зоне выходного отверстия расположена перемычка. В одном варианте выполнения изобретения расстояние от контурной линии выходного отверстия до наружного контура пера лопатки в зоне передней кромки пера лопатки принимает значения 138-162% местной толщины стенки пера лопатки. То есть высота перемычки в зоне передней кромки пера лопатки составляет от 38% до 62% местной толщины стенки. В зоне стенки пера лопатки со стороны всасывания и/или стенки со стороны нагнетания расстояние от контурной линии выходного отверстия до наружного контура пера лопатки принимает значения от 113% до 138% местной ширины стенки пера лопатки. Таким образом, высота перемычки в этой зоне составляет от 13% до 36% местной толщины стенки. В зоне расположенной внутри лопатки разделительной стенки, которая отделяет, например, проходящий вдоль передней кромки лопатки охлаждающий канал от других охлаждающих каналов, высота перемычки в одном варианте выполнения находится в диапазоне значений от 0% до 225% толщины стенки пера лопатки. Эти геометрические требования могут применяться, естественно, независимо друг от друга или в комбинации. При этом толщина стенки пера лопатки может изменяться в направлении обтекания пера лопатки; в одном варианте выполнения изобретения толщина стенки пера лопатки в зоне выходного отверстия является постоянной.

В одной модификации изобретения охлаждающий канал имеет расположенное в хвостовике лопатки входное отверстие. При этом в одном варианте выполнения в зону хвостовика лопатки подают свежий охлаждающий воздух, который проходит вдоль передней кромки пера лопатки внутри пера лопатки к головке лопатки и там выходит из выходного отверстия. В частности, в одной модификации указанных лопаток лопатки в зоне охлаждающего канала выполнены с чисто конвективным охлаждением. Это означает, что отсутствуют отверстия, через которые охлаждающий воздух может попадать, например, в качестве воздуха пленочного охлаждения на наружную сторону пера лопатки. Весь входящий в канал поток охлаждающего воздуха выходит снова через выходное отверстие.

Из признаков зависимых пунктов формулы получаются варианты выполнения изобретения, которые также могут комбинироваться между собой.

Лопатки указанного выше типа предпочтительно применяются в газовых турбинах в качестве составных частей ротора и/или статора.

Краткое описание чертежей

Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на иллюстрирующие пример выполнения чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - газотурбинный узел;

фиг.2 - лопатка газовой турбины;

фиг.3 - зона выхода охлаждающего канала указанной лопатки.

Все чертежи сильно упрощены и предназначены лишь для лучшего понимания изобретения; они не должны использоваться для ограничения изобретения, характеризуемого формулой изобретения.

Пути реализации изобретения

На фиг.1 показан в качестве примера газотурбинный узел. Он содержит само по себе известным образом компрессор 1, камеру 2 сгорания, а также турбину 3. Турбина показана в разрезе. Статор турбины содержит корпус 4, а также направляющие лопатки 61, 62, 63 и 64. Ротор турбины содержит вал 5, а также рабочие лопатки 65, 66, 67 и 68.

В современных газотурбинных узлах с высокими температурами горячих газов лопатки турбины, по меньшей мере, первой ступени турбины выполняют охлаждаемыми. Пример такой охлаждаемой лопатки 6 турбины показан на фиг.2. На фиг.2А показан в разрезе пример выполнения лопатки турбины на виде сбоку, где можно видеть внутреннюю конфигурацию охлаждения лопатки. Лопатка 6 содержит хвостовик 601, перо 602, а также головку 603. Поперечное сечение пера лопатки, показывающее его профиль, показано на фиг.2b. Профиль пера лопатки имеет переднюю кромку 604, заднюю кромку 605, сторону 606 нагнетания, а также сторону 607 всасывания. Внутри пера лопатки вдоль передней кромки проходит охлаждающий канал 609. Как показано на фиг.2b, этот канал ограничен с одной стороны стенкой пера лопатки в зоне передней кромки, в зоне стороны 606 нагнетания, в зоне стороны всасывания, а также разделительной стенкой 614, проходящей от расположенной со стороны всасывания стенки пера лопатки к расположенной со стороны нагнетания стенке пера лопатки. Охлаждающий канал 609 имеет в расположенной со стороны хвостовика зоне пера лопатки входное отверстие 610 для охлаждающего воздуха, а в зоне головки лопатки имеет выходное отверстие 611 для охлаждающего воздуха. Внутри пера лопатки расположен другой извилистый охлаждающий канал 608, при этом проходящий через него охлаждающий воздух выдувается в зоне задней кромки 605 пера лопатки. Перо лопатки охлаждается в зоне задней кромки выдуваемым охлаждающим воздухом; в других зонах пера лопатки перо охлаждается лишь путем конвекции. Для улучшения действия конвективного охлаждения внутри каналов для охлаждающего воздуха расположены ребра 613, которые делают более интенсивным перенос тепла от стенки пера лопатки к охлаждающему воздуху. Охлаждающий воздух в канале 609 для охлаждения передней кромки подводится к входному отверстию 610 и снова выдувается в зоне головки лопатки через выходное отверстие 611 и служит там для охлаждения головки лопатки и не изображенных уплотнений. В зоне головки лопатки расположена перемычка 612, которая исключает преждевременное смешивание охлаждающего воздуха с горячим газом.

Зона выходного отверстия 611 показана на фиг.3а и 3b в увеличенном масштабе. На виде сверху на фиг.3а показано, что контур выходного отверстия 611 имеет форму, по существу геометрически подобную поперечному сечению охлаждающего канала 609, но уменьшенную относительно него в поперечном сечении. Проходящий со стороны передней кромки охлаждающий канал показан штриховыми линиями. В зоне передней кромки 604 пера лопатки расстояние от контура выходного отверстия до наружного контура пера лопатки составляет величину А. В зоне расположенной со стороны нагнетания стенки 606 и расположенной со стороны всасывания стенки 607 пера лопатки расстояние от контура выходного отверстия до наружного контура пера лопатки составляет величину В. В зоне разделительной стенки расстояние от контура выходного отверстия до разделительной стенки составляет величину С. Толщина наружной стенки пера лопатки обозначено как δ. При этом А предпочтительно составляет А=δ(1,5±0,12). В составляет В=δ(1,25±0,12). С составляет С=δ(2±0,25).

Хотя изобретение было подробно описано выше применительно к примеру выполнения, для специалистов в данной области техники очевидно, что этот пример выполнения не ограничивает изобретения. В свете приведенного выше описания для специалистов в данной области техники открываются другие варианты выполнения, входящие в объем формулы изобретения.

Лопатка газовой турбины выполнена с пером, которое проходит от хвостовика лопатки к ее головке. Перо лопатки содержит переднюю кромку и проходящий вдоль передней кромки пера лопатки внутри пера канал для охлаждающего воздуха, который у передней кромки, а также со стороны всасывания и со стороны нагнетания пера лопатки ограничен стенкой. Канал также ограничен проходящей внутри пера лопатки от расположенной со стороны нагнетания стенки к расположенной со стороны всасывания стенки разделительной стенкой и имеет расположенное в зоне головки лопатки выходное отверстие. Контур отверстия геометрически подобен поперечному сечению канала для охлаждающего воздуха. Площадь поперечного сечения выходного отверстия меньше площади поперечного сечения канала для охлаждающего воздуха. Расстояние (А) от контура выходного отверстия до наружного контура пера лопатки в зоне передней кромки пера лопатки составляет 138-162% от местной толщины (δ) стенки пера лопатки. Изобретение направлено на выравнивание переноса тепла со стороны охлаждения и тем самым исключения неравномерности распределения температуры. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Лопатка (6) газовой турбины с пером (602), которое проходит от хвостовика (601) лопатки к ее головке (603), при этом перо лопатки содержит переднюю кромку (604) и проходящий вдоль передней кромки пера лопатки внутри пера канал (609) для охлаждающего воздуха, который у передней кромки (604), а также со стороны (607) всасывания и со стороны (606) нагнетания пера лопатки ограничен стенкой, и который дополнительно ограничен проходящей внутри пера лопатки от расположенной со стороны нагнетания стенки к расположенной со стороны всасывания стенки разделительной стенкой (614), и который имеет расположенное в зоне головки лопатки выходное отверстие (611), отличающаяся тем, что контур отверстия (611) геометрически подобен поперечному сечению канала для охлаждающего воздуха, площадь поперечного сечения выходного отверстия (611) меньше площади поперечного сечения канала (609) для охлаждающего воздуха, а расстояние (А) от контура выходного отверстия (611) до наружного контура пера лопатки в зоне передней кромки пера лопатки составляет 138-162% от местной толщины (5) стенки пера лопатки.

2. Лопатка газовой турбины по п.1, отличающаяся тем, что расстояние (В) от контура выходного отверстия до наружного контура пера лопатки в зоне стенки, расположенной со стороны нагнетания стенки и/или расположенной со стороны всасывания стенки, составляет 113-138% локальной толщины (δ) стенки пера лопатки.

3. Лопатка газовой турбины по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в зоне разделительной стенки (614) расстояние (С) от контура выходного отверстия до разделительной стенки составляет величину от 0-225% толщины (δ) стенки пера лопатки.

4. Лопатка газовой турбины по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в зоне выходного отверстия толщина стенки пера лопатки является постоянной.

5. Лопатка газовой турбины по п.3, отличающаяся тем, что в зоне выходного отверстия толщина стенки пера лопатки является постоянной.

6. Лопатка газовой турбины по любому из пп.1 и 2, 5, отличающаяся тем, что канал (609) для охлаждающего воздуха имеет расположенное в зоне хвостовика (601) лопатки входное отверстие (610).

7. Лопатка газовой турбины по п.3, отличающаяся тем, что канал (609) для охлаждающего воздуха имеет расположенное в зоне хвостовика (601) лопатки входное отверстие (610).

8. Лопатка газовой турбины по п.4, отличающаяся тем, что канал (609) для охлаждающего воздуха имеет расположенное в зоне хвостовика (601) лопатки входное отверстие (610).

9. Лопатка газовой турбины по любому из пп.1, 2, 5, 7 и 8, отличающаяся тем, что лопатка в зоне охлаждающего канала выполнена с возможностью охлаждения лишь путем конвекции.

10. Лопатка газовой турбины по п.3, отличающаяся тем, что лопатка в зоне охлаждающего канала выполнена с возможностью охлаждения лишь путем конвекции.

11. Лопатка газовой турбины по п.4, отличающаяся тем, что лопатка в зоне охлаждающего канала выполнена с возможностью охлаждения лишь путем конвекции.

12. Лопатка газовой турбины по п.6, отличающаяся тем, что лопатка в зоне охлаждающего канала выполнена с возможностью охлаждения лишь путем конвекции.

13. Газотурбинный узел, в частности ротор или статор газовой турбины, содержащий, по меньшей мере, одну лопатку газовой турбины по любому из предыдущих пунктов.

14. Газовая турбина, содержащая, по меньшей мере, одну лопатку газовой турбины по любому из пп.1-12.