ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2015 года по МПК F01D5/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к газотурбинной технике. Оно касается лопатки газовой турбины в соответствии с п.1 формулы.

Уровень техники

Из EP-А1-1591625 известна лопатка газовой турбины, снабженная на вершине сегментом бандажной ленты. Сегменты бандажной ленты лопаток одного ряда образуют сообща огибающую бандажную ленту. На боковых кромках, на которых стыкуются соседние сегменты бандажной ленты, они снабжены проходящими вдоль боковых кромок, отстоящими вверх бортиками, повышающими герметичность бандажной ленты от канала турбины для горячих газов. Об охлаждении сегментов бандажной ленты или ее самой ничего не сказано.

Из DE-A1-19601818 известна компоновка турбинных лопаток с бандажной лентой, при которой ее сегменты снабжены огибающим уплотнительным ребром, в котором выполнен также огибающий паз. Подаваемый в зоне дна паза воздушный поток выходит на верхней кромке уплотнительного ребра и смешивается в щели между верхней кромкой и примыкающей стенкой канала с воздушным потоком утечек. При этом подаваемый в паз воздушный поток может быть получен из потока охлаждающего воздуха, направляемого через сегмент бандажной ленты. На первом плане в этой публикации стоит уменьшение потерь от утечек, а не охлаждение сегмента бандажной ленты.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание лопатки газовой турбины с охлаждаемым сегментом бандажной ленты таким образом, чтобы максимизировать охлаждение бортиков.

Эта задача решается признаками п.1 формулы изобретения, согласно которому лопатка газовой турбины, содержащая перо, на верхнем конце которого расположен сегмент бандажной ленты, который вместе с сегментами бандажной ленты других лопаток одного ряда образует кольцеобразную, ограничивающую канал газовой турбины для горячих газов бандажную ленту и на сторонах, на которых он граничит с соседними сегментами бандажной ленты, снабжен для улучшения герметизации от канала для горячих газов проходящими вдоль боковой кромки, отстоящими вверх бортиками. Существенным для изобретения является то, что для улучшения охлаждения в зоне бортиков в бортиках выполнены параллельные им, открытые вверх пазы, через которые охлаждающий воздух, подводимый посредством сегмента бандажной ленты изнутри пера лопатки, выходит в пространство над сегментом бандажной ленты.

Преимущественно это достигается в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения за счет того, что на верхней стороне сегмента бандажной ленты расположены несколько проходящих поперек бортиков охлаждающих труб, которые отходят от расположенной между бортиками проставки, нагружаются охлаждающим воздухом, заканчиваются в бортиках и связаны с пазами в них.

Другой вариант осуществления изобретения отличается тем, что проставка расположена в середине между бортиками. Она может быть расположена также со смещением от середины между бортиками.

В частности, охлаждающие трубы расположены параллельно друг другу, причем проставка проходит, в основном, параллельно бортикам.

При этом охлаждающие трубы могут проходить в направлении периферии бандажной ленты. Возможно также, чтобы охлаждающие трубы проходили наклонно к направлению периферии бандажной ленты.

Другой вариант осуществления изобретения отличается тем, что охлаждающие трубы имеют соответственно охлаждающее отверстие и выполнены для конвективного охлаждения сегмента бандажной ленты и что охлаждающие трубы отформованы на сегменте бандажной ленты.

Другой вариант осуществления изобретения отличается тем, что охлаждающие трубы граничащих между собой сегментами бандажной ленты лопаток расположены в шахматном порядке.

Согласно другому варианту осуществления изобретения сегмент бандажной ленты ограничен в осевом направлении проходящими в направлении периферии сегментами стенок, причем выходящий из пазов охлаждающий воздух подается через охлаждающие отверстия в зоне сегментов стенок и бортиков.

Другой вариант отличается тем, что сегмент бандажной ленты ограничен в осевом направлении проходящими в направлении периферии сегментами стенок, параллельно сегментам стенок в середине между ними расположен сегмент промежуточной стенки и что между сегментом промежуточной стенки и сегментами стенок в бортиках выполнено по одному пазу.

В частности, пазы одного бортика могут быть связаны между собой соответственно посредством проходящего в бортике охлаждающего отверстия.

Согласно другому варианту от выполненных в пазах охлаждающих отверстий отходят отверстия для пленочного охлаждения, которые на нижней стороне сегмента бандажной ленты впадают в канал для горячих газов.

Краткое описание чертежей

Изобретение более подробно поясняется ниже на примерах его осуществления со ссылкой на чертежи. Все нетребующиеся для непосредственного понимания изобретения элементы опущены. Одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями. На чертежах изображены:

- фиг.1: в упрощенном перспективном виде снабженная сегментом бандажной ленты с охлаждающими отверстиями вершина лопатки газовой турбины;

- фиг.2: сопоставимая с фиг.1 лопатка с проходящими наклонно охлаждающими отверстиями;

- фиг.3: сопоставимый с фиг.1 вид снабженной сегментом бандажной ленты с пазами вершины лопатки газовой турбины в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения;

- фиг.4: разрез сегмента бандажной ленты лопатки из фиг.1 в плоскости IV-IV, причем проставка, от которой отходят охлаждающие отверстия, находится в середине;

- фиг.5: разрез сегмента бандажной ленты лопатки из фиг.1 в плоскости IV-IV, причем проставка, от которой отходят охлаждающие отверстия, смещена от середины;

- фиг.6: разрез сегмента бандажной ленты лопатки из фиг.3 в плоскости VI-VI, причем проставка, от которой отходят охлаждающие отверстия, находится в середине;

- фиг.7: подробно возможное соединение между двумя соседними сегментами бандажной ленты из фиг.6;

- фиг.8: альтернативный фиг.3 вид питания пазов охлаждающим воздухом;

- фиг.9: вид сверху специального расположения охлаждающих отверстий соседних сегментов бандажной ленты;

- фиг.10: расширенная канавка между соседними сегментами бандажной ленты для выхода охлаждающего воздуха;

- фиг.11: дополнительные отверстия для пленочного охлаждения, отходящие от охлаждающих отверстий для прорезей;

- фиг.12: распределение отверстий для пленочного охлаждения;

- фиг.13: распределение пазов при наличии сегмента промежуточной стенки.

Осуществление изобретения

На фиг.1, 2, 4, 5 в перспективе и в сечении изображена снабженная сегментом бандажной ленты вершина лопатки газовой турбины. Лопатка 10′, от которой показана только верхняя часть ее пера 11, содержит сегмент 12′ бандажной ленты.

Сегмент 12′, имеющий в данном примере приблизительно прямоугольную поверхность основания, ограничен на двух противоположных сторонах сравнительно высокими сегментами 14, 15 стенок, образующими вместе с сегментами стенок других лопаток одного полного ряда кольцеобразно огибающие стенки, между которыми образуется полость бандажной ленты, герметизированная от проникновения горячих газов из нижележащего канала. Для этого на обеих других сторонах сегмента 12′ выполнены параллельные кромкам, отстоящие вверх бортики 16, 17, которыми соседние сегменты бандажной ленты стыкуются между собой.

Для охлаждения нагружаемого горячими газами сегмента 12′ предусмотрены особые меры: в середине между обоими бортиками 16, 17 (фиг.4) или со смещением вбок из середины (фиг.5) параллельно им расположена полая внутри проставка 13 в виде ребра, которая связана с проходящими внутри пера 11 лопатки в радиальном направлении каналами для охлаждающего воздуха. От проставки 13, проходящей параллельно или по существу параллельно бортикам 16, 17, в обе ее стороны поперек бортиков 16, 17 в направлении к ним проходят отформованные на верхней стороне сегмента 12′ охлаждающие трубы 18, которые заканчиваются на расстоянии от бортиков 16, 17. В примере на фиг.1 с обеих сторон проставки 13 предусмотрены по четыре параллельные охлаждающие трубы 18, проходящие параллельно или по существу параллельно сегментам 14, 15 стенок. Они могут быть ориентированы также наклонно к сегментам 14, 15 стенок (фиг.2).

За счет расстояния между концами 19 охлаждающих труб 18 и бортиками 16, 17 образуется промежуток 22. В него выходит охлаждающий воздух, который течет через охлаждающие отверстия 21 внутри охлаждающих труб 18, конвективно охлаждая, таким образом, сегмент 12′. Протекающий через охлаждающие трубы 18 охлаждающий воздух происходит от его подачи 20 внутри проставки 13, с которой связаны охлаждающие отверстия 21 и в которую снизу входит поток 25 охлаждающего воздуха.

Выходящий из охлаждающих труб 18 в промежуток 22 охлаждающий воздух течет оттуда в вышележащую полость бандажной ленты, не охлаждая интенсивно бортики 16, 17. Таким образом, здесь реализованы меры, благодаря которым состоящие из массивного материала бортики еще лучше охлаждаются для уменьшения термической нагрузки на них и снятия термических напряжений между ними и остальной зоной сегментов бандажной ленты.

На фиг.3 и 6 в сопоставимом соответственно с фиг.1 и 4 виде изображены снабженная сегментом бандажной ленты вершина лопатки газовой турбины в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения и разрез сегмента бандажной ленты лопатки из фиг.3 в плоскости VI-VI.

Сегмент 12 бандажной ленты лопатки 10 на фиг.3 и 6 в отличие от решения на фиг.1 и 4 выполнен так, что бортики 16, 17 охлаждаются также конвективно. Для этого охлаждающие трубы 18 с образованием промежутка направлены непосредственно до бортиков 16, 17. В бортиках 16, 17 выполнены параллельные им пазы 23, 24, которые связаны с охлаждающими отверстиями 21 охлаждающих труб 18. Эти пазы могут быть расположены также по существу параллельно бортикам, что относится также к пазам 23.1, 23.2 на фиг.13.

Протекающий через охлаждающие отверстия 21 охлаждающий воздух выходит в пазы 23, 24, а оттуда входит в полость бандажной ленты. Таким эффективным образом конвективно охлаждаются также бортики 16, 17 по длине пазов 23, 24 без необходимости дополнительного, снижающего эффективности турбины массового потока охлаждающего воздуха. При этом расположенные с распределением охлаждающие трубы 18 обеспечивают равномерное питание пазов 23, 24 охлаждающим воздухом по всей их длине.

В изображенном на фиг.3 и 6 варианте охлаждающие трубы 18 отформованы на верхней стороне сегмента 12 бандажной ленты (при литье лопатки 10) и имеют тесную термическую связь с телом сегмента 12. В охлаждающих трубах 18 снаружи выполнены охлаждающие отверстия 21, которые снова закрываются наружу. При этом охлаждающие трубы 18 могут проходить параллельно сегментам 14, 15 стенок, как это показано на фиг.3. Однако, как показано на фиг.2, охлаждающие трубы 18 могут быть ориентированы также наклонно к сегментам 14, 15 стенок. Точно так же проставка может быть расположена точно в середине между сегментами 14, 15 стенок (фиг.6). Однако аналогично фиг.5 она может быть также смещена от середины.

На фиг.7 при сборке лопаточного венца между стыкующимися между собой сегментами бандажной ленты соседних лопаток 10a, 10b с их охлаждающими отверстиями 21a, 21b и пазами 24a, 23b помещается полосовидное уплотнение 26, которое препятствует или мешает проникновению горячих газов из канала для них в полость бандажной ленты.

Вместо охлаждающих труб 18 с охлаждающими отверстиями 21 или дополнительно к ним в сегментах 14, 15 стенок и в бортиках 16, 17 могут быть выполнены охлаждающие отверстия 27, 28 (фиг.8), через которые к пазам попадает охлаждающий воздух, вызывающий в то же время еще и конвективное охлаждение утолщенных участков бандажной ленты. От этих охлаждающих отверстий, как показано на фиг.11, могут отходить отверстия 30 для пленочного охлаждения, которые впадают в лежащий под сегментом бандажной ленты канал для горячих газов, вызывая там пленочное охлаждение нижней стороны бандажной ленты. Это относится на фиг.12 также к охлаждающим отверстиям 21. Проходящее в бортиках 16, 17 охлаждающее отверстие 28 может связывать между собой на фиг.13 также два отдельных паза 23.1, 23.2, если сегмент бандажной ленты снабжен расположенным параллельно между сегментами 14, 15 стенок сегментом 31 промежуточной стенки.

На фиг.10 между примыкающими друг к другу сегментами бандажной ленты соседних лопаток 10a, 10b с их бортиками 17a, 16b может быть предусмотрен расширяющийся промежуток 29 в виде канавки, который заполняется охлаждающим воздухом из охлаждающих отверстий 21a, 21b, препятствуя проникновению горячих газов. В этом случае для равномерного заполнения особенно предпочтительно, если охлаждающие трубы 18a, 18b расположены на фиг.9 в шахматном порядке относительно соседней лопатки.

Перечень ссылочных позиций:

10, 10′ - лопатка (газовой турбины)

10a, b - лопатка (газовой турбины)

11 - перо лопатки

12, 12′ - сегмент бандажной ленты

13 - проставка

13a, b - проставка

14, 15 - сегмент стенки

16, 17 - бортик

17a, 16b - бортик

18, 18′ - охлаждающая труба

19 - конец трубы

20 - подача охлаждающего воздуха

21, 27, 28 - охлаждающее отверстие

22 - промежуток

23, 24 - паз

23b, 24a - паз

23.1, 23.2 - паз

25 - поток охлаждающего воздуха

26 - уплотнение

29 - промежуток

30 - отверстие для пленочного охлаждения

31 - сегмент промежуточной стенки

Лопатка газовой турбины содержит перо с расположенным на его верхнем конце сегментом бандажной ленты, который вместе с сегментами бандажной ленты других лопаток одного ряда образует кольцеобразную, ограничивающую канал газовой турбины для горячих газов бандажную ленту. Сегмент бандажной ленты снабжен для улучшения герметизации от канала для горячих газов проходящими вдоль боковой кромки, отстоящими вверх бортиками, расположенными на сторонах, на которых сегмент бандажной ленты граничит с соседними сегментами. Для максимизации охлаждения в зоне бортиков в них выполнены параллельные им открытые вверх пазы, через которые подводимый посредством сегмента бандажной ленты охлаждающий воздух выходит изнутри пера лопатки в пространство над сегментом бандажной ленты. Изобретение позволяет обеспечить охлаждение как сегмента бандажной ленты, так и его бортика, а также снизить термические напряжения между ними. 13 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Лопатка (10) газовой турбины, содержащая перо (11), на верхнем конце которого расположен сегмент (12) бандажной ленты, который вместе с сегментами бандажной ленты других лопаток одного ряда образует кольцеобразную, ограничивающую канал газовой турбины для горячих газов бандажную ленту, и на сторонах, на которых он граничит с соседними сегментами бандажной ленты, снабжен для улучшения герметизации от канала для горячих газов проходящими вдоль боковой кромки, отстоящими вверх бортиками (16, 17), отличающаяся тем, что для максимизации охлаждения в зоне бортиков (16, 17) в бортиках (16, 17) выполнены параллельные или по существу параллельные им открытые вверх пазы (23, 24; 23.1, 23.2), через которые подводимый посредством сегмента (12) бандажной ленты охлаждающий воздух выходит изнутри пера (11) лопатки в пространство над сегментом (12) бандажной ленты.

2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что на верхнем конце сегмента (12) бандажной ленты расположены несколько проходящих поперек бортиков (16, 17) охлаждающих труб (18), которые отходят от расположенной между бортиками (16, 17) проставки (13) с возможностью нагружения охлаждающим воздухом, заканчиваются в бортиках (16, 17) и связаны с пазами (23, 24) в них.

3. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что проставка (13) расположена в середине между бортиками (16, 17).

4. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что проставка (13) расположена со смещением от середины между бортиками (16, 17).

5. Лопатка по п.3 или 4, отличающаяся тем, что охлаждающие трубы (18) проходят параллельно или по существу параллельно друг другу, при этом проставка (13) проходит, в основном, параллельно или по существу параллельно бортикам (16, 17).

6. Лопатка по п.5, отличающаяся тем, что охлаждающие трубы (18) проходят в направлении периферии бандажной ленты.

7. Лопатка по п.5, отличающаяся тем, что охлаждающие трубы (18) проходят наклонно к направлению периферии бандажной ленты.

8. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что охлаждающие трубы (18) имеют соответственно охлаждающее отверстие (21) и выполнены для конвективного охлаждения сегмента (12) бандажной ленты.

9. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что охлаждающие трубы (18) отформованы на сегменте (12) бандажной ленты.

10. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что охлаждающие трубы (18a, 18b) граничащих между собой сегментами бандажной ленты лопаток (10a, 10b) расположены в шахматном порядке.

11. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что сегмент (12) бандажной ленты ограничен в осевом направлении проходящими в направлении периферии сегментами (14, 15) стенок, причем выходящий из пазов (23, 24; 23.1, 23.2) охлаждающий воздух подается через охлаждающие отверстия (21) в зоне сегментов (14, 15) стенок и бортиков (16, 17).

12. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что сегмент (12) бандажной ленты ограничен в осевом или по существу осевом направлении проходящими в направлении периферии сегментами (14, 15) стенок, параллельно или по существу параллельно сегментам (14, 15) стенок в середине между ними расположен сегмент (31) промежуточной стенки, при этом между сегментом (31) промежуточной стенки и сегментами (14, 15) стенок в бортиках (16, 17) выполнено по одному пазу (23.1, 23.2).

13. Лопатка по п.12, отличающаяся тем, что пазы (23.1, 23.2) одного бортика связаны между собой проходящим в нем охлаждающим отверстием (28).

14. Лопатка по п.1 или 8, отличающаяся тем, что от питающих пазы (23, 24) охлаждающих отверстий (21, 27, 28) отходят отверстия (30) для пленочного охлаждения, впадающие на нижней стороне сегмента (12) бандажной ленты в канал для горячих газов.