РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УКАЗАННОЙ ЛОПАТКИ И ГАЗОВАЯ ТУРБИНА С ТАКОЙ ЛОПАТКОЙ Российский патент 2015 года по МПК F01D5/08 F01D5/18 

Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к технологии газовых турбин. В частности, изобретение относится к проектированию рабочих лопаток ротора осевой турбины, используемой в газотурбинном агрегате. Ротор турбины содержит вращающийся вал с осевыми пазами типа «елочка», в которых поочередно один за другим установлено некоторое количество рядов рабочих лопаток и некоторое количество теплозащитных экранов ротора.

Уровень техники

На фиг.1 схематически показано сечение ступени газовой турбины. Турбина 10 на фиг.1 содержит статор 12 и ротор 11. Статор 12 представляет собой корпус и содержит держатель (обойму) 15 для направляющих лопаток турбины с установленными теплозащитными экранами S1-S3 и направляющими лопатками V1-V3. Статор 12 концентрично охватывает ротор 11 и образует тракт 13 течения горячего газа. Горячий газ 16, полученный в камере сгорания (не показана), протекает через профилированные каналы, образованные между направляющими лопатками V1-V3, ударяет о лопатки В1-ВЗ, установленные с пазах вала 14 ротора, и тем самым приводит ротор 11 турбины во вращение.

Внутренние платформы 23 рабочих лопаток B1, В2 и ВЗ первой, второй и третьей ступеней вместе с промежуточными теплозащитными экранами R1, R2 ротора образуют внутреннюю границу тракта 13 течения горячего газа турбины, которая отделяет полость для прохождения охлаждающего ротор воздуха (охлаждающий воздух 17) от потока 16 горячего газа. Для улучшения герметичности тракта течения охлаждающего воздуха между соседними рабочими лопатками ротора в окружном направлении установлены уплотнительные пластины. При охлаждении вала 14 ротора охлаждающий воздух 17 протекает в такой конструкции в осевом направлении вдоль общего пути течения между хвостовиками 24 рабочей лопатки и теплозащитными экранами R1, R2 ротора, после чего входит в указанную внутреннюю полость (каналы охлаждения) лопаток В1, затем во внутреннюю полость рабочей лопатки В2 и затем рабочей лопатки В3 (охлаждающий воздух 18).

Рабочие лопатки турбины, используемые в настоящее время в действующих газотурбинных агрегатах, работают при высоких температурах с минимально возможной подачей воздуха. Стремление экономить охлаждающий воздух приводит к усложнению конструкции внутреннего канала рабочей лопатки. Поэтому технологический процесс ее изготовления является весьма сложным. После окончания литья рабочей лопатки во многих случаях возникает проблема, которая заключается в удалении (вытравливании) керамического литьевого стержня из внутренней полости лопатки (каналов охлаждения).

На фиг.2 и фиг.3 показана внешняя конфигурация и геометрия внутренних каналов соответственно для типичной рабочей лопатки газовой турбины в соответствии с известными аналогами. Рабочая лопатка 19 содержит профильную часть 20 с передней кромкой 21 и задней кромкой 22, и хвостовик 24 лопатки с входным отверстием 25 для подачи охлаждающего воздуха во внутренний охлаждающий канал (фиг.3). Хвостовик 24 рабочей лопатки и ее профильная часть 20 отделены друг от друга платформой 23. Структура внутренних охлаждающих каналов включает ряд каналов 20 и 27а-с охлаждения, которые проходят в продольном направлении рабочей лопатки 19. Обычно некоторые параллельные каналы 27а-с охлаждения соединены последовательно с формированием одного извилистого канала, как показано на фиг.3. Такой извилистый канал 27а-с приводит к образованию глухой трубы или «мертвой» концевой зоны 28, что исключает какую-либо возможность установления сквозного потока жидкости для удаления из нее (путем жидкостного травления) остатков керамического стержня. Этот факт делает процесс изготовления рабочих лопаток более дорогостоящим и создает опасность, связанную с наличием во внутренних каналах лопатки нежелательных остатков керамического литьевого стержня.

Если схема охлаждения рассматриваемой рабочей лопатки газовой турбины не может быть упрощена без значительных потерь охлаждающего воздуха, то необходимо обеспечить технологическую возможность гарантированного и полного удаления керамического литьевого стержня из внутренней полости лопатки.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении рабочей лопатки для газовой турбины, которая позволяет избежать недостатков известных рабочих лопаток и обеспечивает возможность реализовать усложненные геометрии каналов охлаждения и оптимизированные распределение и подачу охлаждающего воздуха, не жертвуя при этом простотой изготовления лопатки.

Другая задача изобретения заключается в обеспечении способа изготовления такой лопатки.

Еще одна задача изобретения заключается в обеспечении газовой турбины с такими лопатками.

Эти и другие задачи решаются с помощью рабочей лопатки согласно п.1, способа по п.10 и газовой турбины по п.12 формулы изобретения.

Предложенная согласно изобретению рабочая лопатка содержит профильную часть, проходящую в продольном направлении, и хвостовик лопатки для крепления указанной лопатки на валу ротора указанной газовой турбины, при этом указанная профильная часть рабочей лопатки снабжена сформованными внутри лопатки каналами охлаждения, причем каналы охлаждения проходят вдоль продольного направления и могут быть обеспечены подачей воздуха с помощью средств подачи охлаждающего воздуха, имеющихся внутри указанного хвостовика лопатки.

Согласно изобретению указанный хвостовик рабочей лопатки снабжен каналом, проходящим в поперечном направлении через указанный хвостовик лопатки и сообщающимся с указанными каналами охлаждения, при этом в указанный канал лопатки введена вставка, устанавливающая конечную конфигурацию и характерные особенности соединений между указанным каналом рабочей лопатки и указанными каналами охлаждения.

Предложенная конструкция рабочей лопатки со вставкой и средствами соединения в ней позволяет уменьшить утечки охлаждающего воздуха, надежность рабочей лопатки, увеличить срок службы лопатки и повысить эффективность работы турбины.

В соответствии с одним воплощением изобретения указанный канал рабочей лопатки представляет собой цилиндрический канал, а вставка имеет трубчатую конфигурацию так, что она полностью размещается в указанном цилиндрическом канале.

В частности, вставка имеет, по меньшей мере, одно сопло в ее стенке, через которое один из указанных каналов охлаждения соединен с указанным каналом в рабочей лопатке, и которое определяет массовый расход охлаждающего воздуха, поступающего в указанный один канал охлаждения.

В соответствии с другим воплощением изобретения соседние из указанных каналов охлаждения отделены друг от друга с помощью перегородки, но соединены посредством указанного канала рабочей лопатки, а указанная вставка сконфигурирована для перекрытия указанного соединения между указанными соседними каналами охлаждения.

Согласно следующему воплощению охлаждающий воздух подают в указанную вставку с одного торца

В соответствии с еще одним воплощением изобретения охлаждающий воздух выходит из указанной вставки с другого конца.

В частности, указанный охлаждающий воздух выходит с другого конца указанной вставки через сопло.

Согласно еще одному воплощению указанную вставку закрывают с другого конца в частности, с помощью заглушки.

Согласно еще одному воплощению изобретения указанную вставку впаивают в указанную рабочую лопатку.

Соответствующий изобретению способ изготовления рабочей лопатки характеризуется согласно изобретению тем, что на первой стадии лопатку формуют с помощью процесса литья, при этом для формирования указанных каналов охлаждения внутри профильной части рабочей лопатки используют литьевой стержень, на второй стадии механически обрабатывают канал в хвостовике лопатки, на третьей стадии указанный стержень удаляют из внутреннего объема указанной лопатки, предпочтительно посредством процесса мокрого травления, а на четвертой стадии в указанный канал в хвостовике рабочей лопатки вводят вставку.

Согласно одному воплощению способа по изобретению на пятой стадии указанную вставку прикрепляют к указанной рабочей лопатке, в частности, посредством пайки.

Газовая турбина согласно изобретению содержит ротор с большим количеством рабочих лопаток, которые установлены на валу ротора и в которые подают охлаждающий воздух через указанный вал ротора, при этом указанные рабочие лопатки представляют собой рабочие лопатки, соответствующие изобретению.

Краткое описание чертежей

Далее настоящее изобретение будет раскрыто более подробно с помощью различных воплощений и со ссылками на сопровождающие чертежи.

Фиг.1 - схематичное изображение разреза ступени газовой турбины, которая может быть использована для осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - внешняя конфигурация типичной рабочей лопатки газовой турбины, выполненной в соответствии с уровнем техники.

Фиг.3 - геометрия внутренних каналов типичной рабочей лопатки газовой турбины, соответствующей фиг.2.

Фйг.4 - рабочая лопатка в соответствии с воплощением изобретения, выполненная с каналом в хвостовике лопатки, но без вставки.

Фиг.5 - рабочая лопатка согласно фиг.4 со вставкой, введенной в канал в хвостовике лопатки.

Фиг.6 - рабочая лопатка согласно фиг.5, вид в перспективе.

Фиг.7 - другое воплощение рабочей лопатки согласно изобретению с другой вставкой, вид в перспективе.

Фиг.8 - другое воплощение лопатки согласно изобретению со вставкой, которая открыта с обоих торцов, вид в перспективе.

Осуществление изобретения

Для решения проблемы, отмеченной в начале настоящего описания, предложена конструкция рабочей лопатки, в горизонтальном канале которой размещена вставка (предпочтительно трубчатая) для придания конфигурации и установления подачи охлаждающего воздуха. Одно воплощение этой конструкции иллюстрируется на фиг.4.

В соответствии с изобретением рабочая лопатка 30 с профильной частью 31 и хвостовиком 32 лопатки выполнена с каналами 33 и 35 охлаждения, проходящими вдоль продольного направления рабочей лопатки 30 через внутренний объем профильной части 31 лопатки. Каналы 33, 35 охлаждения открыты в нижних концах в соответствующие полости 34 и 36, которые отделены друг от друга с помощью перегородки 38 и от внешней среды стенками 37 и 39. Цилиндрический канал 40 лопатки проходит в поперечном направлении через хвостовик 32 лопатки, соединяя тем самым полости 34 и 36 и обеспечивая свободный доступ ко всем каналам 33, 35 охлаждения.

Как можно видеть на фиг.5, в канал 40 рабочей лопатки введена трубчатая вставка 41, которая полностью размещается в цилиндрическом канале 40 лопатки. Вставка 41 принимает на одном своем конце поток 45 охлаждающего воздуха и направляет его в канал 33 охлаждения посредством сопла или отверстия 42, имеющегося в его стенке. С другого конца вставка 41 закрыта подходящей заглушкой так, что весь охлаждающий воздух, поступающий во вставку 41, входит в один канал 33 охлаждения. В другие каналы охлаждения (в данном случае канал 35) воздух, таким образом, поступает через канал 33 охлаждения.

Основное преимущество предложенной конструкции связано с наличием трубчатой вставки 41, выполненной с вертикально направленным соплом 42 (см. фиг.5), установленной в цилиндрическом канале 40 рабочей лопатки. Перед установкой указанной вставки 41 открывают доступ в полости 34 и 36 для проведения; технологического процесса, включающего вытравливание керамического стержня, который был использован для отливки лопатки. В этом случае обеспечивают сквозной; поток жидкости для травления (поток 44 жидкости), проходящий свободно в любом направлении (см. фиг.4). После вытравливания керамического стержня вводят трубчатую вставку 41, разделяя в результате полости 34 и 36 перегородкой 38, поскольку для полостей 34 и 36 недопустимо их объединение при функционировании рабочей лопатки в составе газотурбинного агрегата (см. фиг.5 и фиг.6).

Выгодной особенностью данного предложения является выбранная для вставки цилиндрическая форма, поскольку в этом случае минимальный зазор между вставкой 41 и стенками 37, 38 и 39, разделяющими полости 34, 36 и отделяющими полости от внешней среды, может быть достигнут простейшим путем за счет механической обработки, с высокой точностью обеспечивающей сопряжение поверхностей рабочей лопатки 30 и вставки 41.

Другая важная особенность предложенной вставки 31 заключается в возможности изменения площади сечения сопла 42 для прохождения сквозного потока. Указанное сопло 42 используют для подачи требуемого количества охлаждающего воздуха в полость 34 рабочей лопатки и канал 33 охлаждения соответственно. Если для подачи воздуха внутрь рабочей лопатки 30 необходимо использование более одного охлаждающего канала, в таком случае, как показано на фиг.8, в рабочей лопатке 30" может быть использована вставка 41" с различными отверстиями 42 и 42'.

Выход вставки 41 может быть снабжен заглушкой 43 (см. фиг.5 или фйг.6) или соплом 47 (см. вставку 41" в лопатке 30" на фиг.8) в зависимости от схемы охлаждения ротора. Вставка может быть также использована только для разделения внутренних полостей рабочей лопатки и выполнена без дополнительного сопла (отверстия), обеспечивая подачу охлаждающего воздуха в вертикальные каналы лопатки (см. фиг.7, вставка 41' в рабочей лопатке 30').

Вставка 41, 41' или 41" может быть предварительно припаяна к рабочей лопатке 30, 30' или 30" с тем, чтобы избежать какого-либо перемещения вставки, поскольку, если отливная машина была повернута или перемещена, то сопла 42 или 42' для подачи воздуха могут быть частично закрыты или совсем перекрыты.

Предложенная конструкция имеет следующие преимущества:

1. Предотвращается перетекание охлаждающего воздуха между внутренними каналами рабочей лопатки. Это в достаточной степени улучшает стабильность и надежность охлаждения рабочей лопатки (благодаря точной механической обработке прилегающих поверхностей элементов конструкции).

2. Исключаются утечки воздуха в тракт горячего газа турбины из каналов подачи охлаждающего воздуха в лопатку (благодаря точной механической обработке прилегающих поверхностей элементов).

3. В случае необходимости площадь выпускного отверстия для прохождения потока на входе во внутренние каналы рабочей лопатки (сопла 42, 42', 42") можно легко регулировать путем модифицирования или замены вставки (см. фиг.7, фиг.8).

4. В случае необходимости площадь проходного сечения сопла на входе или выходе вставки (сопло 47') можно легко регулировать путем замены вставки или замены сопла (см. фиг.6, фиг.8).

5. Конфигурация охлаждающих каналов может быть оптимизирована независимо от требований технологического процесса, связанных с удалением литьевого стержня.

Таким образом, предложенная конструкция рабочей лопатки с цилиндрической трубчатой вставкой и выполненными в ней вертикально направленными отверстиями позволяет уменьшить утечки охлаждающего воздуха, увеличить надежность и срок службы рабочей лопатки и повысить эффективность турбины.

Рабочая лопатка газовой турбины содержит профильную часть, проходящую в продольном направлении, и хвостовик лопатки, служащий для крепления рабочей лопатки на валу ротора газовой турбины. Профильная часть рабочей лопатки выполнена с внутренними каналами охлаждения. Каналы охлаждения предпочтительно проходят вдоль продольного направления и могут быть обеспечены охлаждающим воздухом с помощью средств подачи охлаждающего воздуха, имеющихся внутри хвостовика рабочей лопатки. Хвостовик рабочей лопатки снабжен каналом, проходящим в поперечном направлении через указанный хвостовик рабочей лопатки и сообщающийся с каналами охлаждения. В канал лопатки введена вставка для установления окончательной конфигурации и характеристик соединений между каналом лопатки и каналами охлаждения. Канал лопатки представляет собой цилиндрический канал. Вставка имеет трубчатую конфигурацию так, что она полностью размещается в цилиндрическом канале. В стенке вставки имеется, по меньшей мере, одно сопло, через которое один из каналов охлаждения соединен с каналом рабочей лопатки и которое определяет массовый расход охлаждающего воздуха, поступающего в один канал охлаждения. Изобретение направлено на оптимизирование распределения и подачи охлаждающего воздуха, не жертвуя при этом простотой изготовления лопатки. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Рабочая лопатка (30, 30′, 30″) газовой турбины (10), содержащая профильную часть (31), проходящую в продольном направлении, и хвостовик (32) лопатки, служащий для крепления указанной рабочей лопатки (30, 30′, 30″) на валу (14) ротора газовой турбины, при этом указанная профильная часть рабочей лопатки выполнена с внутренними каналами (33, 35) охлаждения, причем каналы (33, 35) охлаждения предпочтительно проходят вдоль продольного направления и могут быть обеспечены охлаждающим воздухом (45) с помощью средств подачи (40-43) охлаждающего воздуха, имеющихся внутри указанного хвостовика (32) рабочей лопатки, отличающаяся тем, что указанный хвостовик (32) рабочей лопатки снабжен каналом (40), проходящим в поперечном направлении через указанный хвостовик (32) рабочей лопатки и сообщающийся с указанными каналами (33, 35) охлаждения, при этом в указанный канал (40) лопатки введена вставка (41, 41′, 41″) для установления окончательной конфигурации и характеристик соединений между указанным каналом (40) лопатки и указанными каналами (33, 35) охлаждения, при этом
указанный канал (40) лопатки представляет собой цилиндрический канал, а вставка (41, 41′, 41″) имеет трубчатую конфигурацию так, что она полностью размещается в указанном цилиндрическом канале, причем
в стенке вставки (41, 41″) имеется, по меньшей мере, одно сопло (42, 42′), через которое один из указанных каналов (33, 35) охлаждения соединен с указанным каналом (40) рабочей лопатки и которое определяет массовый расход охлаждающего воздуха, поступающего в указанный один канал охлаждения.

2. Рабочая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что соседние из указанных каналов (33, 35) охлаждения разделены с помощью стенки (37, 38, 39, 46), но соединены посредством указанного канала (40) лопатки, а конфигурация указанной вставки (41, 41′, 41″) обеспечивает перекрытие указанного соединения между указанными соседними каналами (33, 35) охлаждения.

3. Рабочая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что охлаждающий воздух (45) подают в указанную вставку (41, 41′, 41″) с одного конца.

4. Рабочая лопатка по п.3, отличающаяся тем, что охлаждающий воздух выходит из указанной вставки (41′) с другого конца.

5. Рабочая лопатка по п.4, отличающаяся тем, что охлаждающий воздух выходит с другого конца указанной вставки (41′) через сопло (47).

6. Рабочая лопатка по п.3, отличающаяся тем, что другой конец указанной вставки (41) закрыт, в частности, с помощью заглушки (43).

7. Рабочая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что указанная вставка (41, 41′, 41″) припаяна к указанной лопатке (30, 30′, 30″).

8. Способ изготовления рабочей лопатки (30, 30′, 30″) по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что на первой стадии указанную рабочую лопатку (30, 30′, 30″) формуют с помощью процесса литья, при этом для формирования указанных каналов (33, 35) охлаждения внутри профильной части (31) указанной рабочей лопатки (30, 30′, 30″) используют литьевой стержень, на второй стадии указанный канал (40) в хвостовике (32) лопатки (30, 30′, 30″) механически обрабатывают, на третьей стадии указанный стержень удаляют из внутреннего объема указанной рабочей лопатки (30, 30′, 30″), предпочтительно посредством процесса мокрого травления, а на четвертой стадии в указанный канал рабочей лопатки вводят вставку (41, 41′, 41″), при этом на пятой стадии указанную вставку (41, 41′, 41″) присоединяют к указанной рабочей лопатке (30, 30′, 30″), в частности, посредством (30, 30′, 30″) пайки.

9. Газовая турбина, содержащая ротор (11) с большим количеством рабочих лопаток (B1-B3), которые установлены на валу (14) ротора и в которые подают охлаждающий воздух (17, 18) через указанный вал (14) ротора, при этом указанные рабочие лопатки (B1-B3) выполнены согласно любому из пп.1-7.