ЛОПАСТЬ ИЛИ ЛОПАТКА ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2016 года по МПК F01D5/18 

Настоящее изобретение относится к лопасти или лопатке для турбомашины по преамбуле п.1. Такая лопасть или лопатка известна из публикации патентной заявки США № 2007/0172354A1.

В настоящее время различные компоненты турбомашины функционируют при очень высоких температурах. Эти компоненты включают в себя лопасть или лопатку, которые имеют форму крыла. Высокие рабочие температуры могут расплавить лопатку или лопасть, следовательно, охлаждение этих компонентов важно. Охлаждение этих компонентов в общем достигается пропусканием охлаждающей текучей среды, которая может включать в себя воздух из компрессора турбомашины, через внутренний проток, отлитый в лопасти или лопатке.

Из публикации патентной заявки США № 2007/0172354A1 известно обеспечение охлаждения для такого компонента, который включает в себя внутреннее пространство, ограниченное двумя противоположными стенками. Множество первых ребер и вторых ребер выступает из двух противоположных стенок, чтобы образовать множество каналов для направления охлаждающей текучей среды к задней кромке компонента. Матричное расположение ребер в лопасти или лопатке помогает подаче охлаждающей текучей среды с различных направлений, что обеспечивает эффективное охлаждение. Однако матричное расположение обеспечивает менее эффективное охлаждение и также ведет к пониженной пропускной способности вследствие меньшей площади потока на задней кромке, которая должна быть как можно более тонкой, чтобы обеспечить лучшие аэродинамические характеристики. Кроме того, матричное расположение ребер, которое включает в себя мелкие признаки, сложно в отливке вследствие тонкого сечения на задней кромке компонента.

Следовательно, задача настоящего изобретения состоит в обеспечении охлаждающей конструкции для лопасти или лопатки, которую просто отлить и которая обеспечивает улучшенное охлаждение на задней кромке.

Задача достигается лопастью или лопаткой по п.1.

Лопасть или лопатка для турбомашины включает в себя внутреннее пространство между двумя противоположными внутренними стенками компонента, образующее проток для охлаждающей текучей среды в направлении выпускного отверстия для текучей среды на задней кромке компонента. Компонент включает в себя множество ребер, выступающих из двух противоположных внутренних стенок, образуя множество каналов на каждой из двух противоположных стенок для направления охлаждающей текучей среды в направлении задней кромки, в котором ребра на противоположных сторонах наклонены друг относительно друга, чтобы образовать матричное расположение. Дополнительно, внутреннее пространство разделено на переднюю секцию в направлении передней кромки компонента и заднюю секцию в направлении задней кромки компонента. Ребра расположены в передней секции, и множество шипов, выступающих из двух противоположных стенок, дискретно расположены в задней секции. Выбором как ребер, так и шипов для различных секций внутри компонента, превосходные характеристики усталостной деформации и малоцикловой усталости могут быть сохранены матричным расположением ребер в сочетании с улучшенным охлаждением и лучшими литейными свойствами шипов в задней секции. Кроме того, шипы обеспечивают более тонкое сечение задней кромки, и дискретное расположение создает турбулентность на пути охлаждающей текучей среды в задней секции, таким образом улучшая охлаждающее действие.

Расположение шипов в два или более рядов обеспечивает полное покрытие задней секции вдоль задней кромки компонента. Более того, два или более рядов шипов увеличивают площадь поверхности, что вынуждает охлаждающую текучую среду изменять направление, и также увеличивают контактные поверхности, что способствует эффективному охлаждению на задней кромке.

Компонент может дополнительно содержать промежуточную секцию между передней секцией и задней секцией. Промежуточная секция включает в себя ребра и шипы. Промежуточная секция, таким образом, извлекает выгоду из ребер, которая заключается в улучшенных характеристиках усталостной деформации и малоцикловой усталости (LCF), а также способности шипов обеспечивать эффективный отвод тепла от компонента.

Обеспечением соединения между ребрами и шипами в промежуточной секции достигается улучшенное решение по напряжению для компонента. Дополнительно, отливка такой конструкции проста и обеспечивает эффективный отвод тепла вследствие увеличения площади потока, что позволяет прохождение большего количества охлаждающей текучей среды.

Ряд шипов может быть соединен с ребрами, выступающими из одной из двух противоположных внутренних стенок, в промежуточной секции. Расположение увеличивает турбулентность на пути охлаждающей текучей среды и также позволяет прохождение большего количества охлаждающей текучей среды, таким образом обеспечивая эффективное охлаждение.

Отливка ребер и шипов в компоненте обеспечивает высокую прочность компонента, и в то же время объем внутреннего пространства может быть использован для потока охлаждающей текучей среды.

Отливка ребер и шипов из основного материала компонента является дешевой и экономически эффективной возможностью.

Согласно дополнительному варианту выполнения изобретения, по меньшей мере некоторые из шипов соединяют две противоположные внутренние стенки. Таким расположением больше турбулентности может быть создано на пути охлаждающей текучей среды вследствие увеличения площади поверхности, таким образом увеличивая охлаждающее действие на задней кромке. Также расположение увеличивает механическую прочность компонента.

Предпочтительно, по меньшей мере некоторые из шипов продолжаются на полпути между двумя противоположными внутренними стенками. Такая конструкция проста в отливке и также создает турбулентность в потоке охлаждающей текучей среды для эффективного отвода тепла.

Задняя секция, которая имеет протяженность от около 10% до около 20% расстояния между передней кромкой и задней кромкой, имеет нужное сочетание эффективности охлаждения матричного расположения, площади потока и практичности изготовления компонента.

Согласно другому варианту выполнения, шипы выступают поочередно из двух противоположных внутренних стенок. Такая конструкция проста в отливке вследствие тонкого сечения задней кромки.

Расстояние между шипами должно быть по меньшей мере равно диаметру шипов. Шипы, которые отстоят слишком близко друг от друга, ослабляют внутреннюю стенку, что может привести к разрушению во время литья. Такая конструкция проста в отливке и также обеспечивает надлежащий поток охлаждающей текучей среды через заднюю секцию.

Вышеупомянутые и другие признаки изобретения сейчас будут рассмотрены со ссылкой на сопровождающие чертежи настоящего изобретения. Изображенные варианты выполнения предназначены для пояснения, а не ограничения изобретения. Чертежи содержат следующие фигуры, на которых одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым элементам, по всему описанию и чертежам.

Фиг.1 показывает вид газовой турбины в продольном сечении;

фиг.2 показывает вид пояснительной лопасти ротора газовой турбины в осевом сечении;

фиг.3 показывает вид в сечении лопасти ротора вдоль линии III-III на фиг.2;

фиг.4 показывает увеличенный вид задней кромки лопасти ротора, изображенной на фиг.3; и

фиг.5 показывает другой вариант выполнения лопасти ротора с фиг.2.

Варианты выполнения настоящего изобретения описаны ниже в отношении лопасти или лопатки в турбомашине. Турбомашина может включать в себя газовую турбину, турбовентилятор и подобное.

Охлаждение лопасти или лопатки в турбомашине важно, поскольку лопасть или лопатка функционирует при очень высоких температурах. Высокие рабочие температуры могут вызвать расплавление лопасти или лопатки, таким образом вызывая повреждение турбомашины.

Фиг.1 схематично показывает газовую турбину 1, имеющую неподвижный корпус 2 и ротор 3, который выполнен с возможностью вращения в корпусе 2 вокруг оси x вращения. Газовая турбина 1 включает в себя множество лопастей 4 ротора, установленных на роторе 3, и множество неподвижных направляющих лопаток 5, установленных на корпусе 2.

Каждая из лопастей 4 ротора и направляющих лопаток 5, таким образом, образует компонент газовой турбины 1. Хотя следующее описание относится к компоненту в виде лопасти 4 ротора, отметим, что изобретение также применимо к направляющей лопатке 5, и что отличительные признаки, подлежащие описанию ниже, также могут относиться к неподвижной направляющей лопатке 5. Компонент будет описан со ссылкой на лопасть 4 ротора, более подробно на фиг.2 и 3.

Фиг.2 показывает вид лопасти 4 ротора в осевом сечении, и фиг.3 показывает вид в сечении лопасти 4 ротора вдоль линии III-III на фиг.2. Лопасть 4 ротора включает в себя внутреннее пространство 10, которое ограничено двумя противоположными внутренними стенками 11, 12. Более конкретно, внутреннее пространство 10 ограничено первой стенкой 11 и второй стенкой 12. Первая стенка 11 и вторая стенка 12 обращены друг к другу. Первая стенка 11 обеспечена на стороне нагнетания лопасти 4 ротора, тогда как вторая стенка 12 обеспечена на стороне разрежения лопасти 4 ротора. Более того, лопасть 4 ротора имеет переднюю кромку 13, заднюю кромку 14, верхний участок 15 и нижний участок 16. Нижний участок 16 образует хвостовик лопасти 4 ротора. Лопасть 4 ротора установлена в тело ротора 3 таким образом, что хвостовик прикреплен к телу ротора 3, тогда как верхний участок 15 расположен в радиально самом внешнем положении ротора 3. Лопасть 4 ротора продолжается вдоль центральной оси у, продолжающейся через ротор 3 от нижнего участка 16 до верхнего участка 15, по существу параллельно передней кромке 13 и задней кромке 14. Центральная ось y по существу перпендикулярна оси x вращения.

В соответствии с аспектами настоящей технологии, внутреннее пространство 10 разделено на переднюю секцию 30 и заднюю секцию 31. Передняя секция 30 расположена в направлении передней кромки 13 лопасти 4 ротора, и задняя секция 31 расположена в направлении задней кромки 14 лопасти 4 ротора. Задняя секция 31 может иметь протяженность от около 10% до около 20% расстояния между передней кромкой 13 и задней кромкой 14 лопасти 4 ротора.

Более того, лопасть 4 ротора имеет впускное отверстие 17 во внутреннее пространство 10 и выпускное отверстие 18 из внутреннего пространства 10. Впускное отверстие 17 обеспечено на нижнем участке 16, и выпускное отверстие 18 - на задней кромке 14. Внутреннее пространство 10, таким образом, образует проток для охлаждающей текучей среды из впускного отверстия 17 в выпускное отверстие 18. Внутреннее пространство 10 продолжается в по существу радиальном направлении относительно оси x вращения и параллельно центральной оси y от нижнего участка 16 до верхнего участка 15. Внутреннее пространство 10 включает в себя распределительную камеру 19 и множество ребер, выступающих из двух противоположных внутренних стенок, то есть первой стенки 11 и второй стенки 12. Множество ребер 21, 22 образуют множество каналов 20 в виде матрицы 25 на двух противоположных внутренних стенках 11, 12. Распределительная камера 19 расположена внутри и вблизи передней кромки 13 и продолжается от впускного отверстия 17 параллельно центральной оси y. Множество каналов 20 выполнены с возможностью направления охлаждающей текучей среды в направлении задней кромки 14. Также можно отметить, что множество каналов 20 продолжаются от нижнего участка 16 до верхнего участка 15 лопасти 4 ротора.

Более конкретно, множество каналов 20 лопасти 4 ротора образованы множеством ребер 21, 22. Охлаждающая текучая среда может включать в себя сжатый воздух из компрессора газовой турбины 1 (смотрите фиг.1). Дополнительно охлаждающая текучая среда может включать в себя охлаждающую жидкость, такую как масло или хладагент, которая течет внутри лопасти 4 или направляющей лопатки 5.

В соответствии с аспектом настоящей технологии, множество ребер 21, 22 включают в себя комплект первых ребер 21, выступающих из первой стенки 11, и комплект вторых ребер 22, выступающих из второй стенки 12. Комплект первых ребер 11 продолжается по существу параллельно друг другу, чтобы образовать первые каналы 23 для протекания охлаждающей текучей среды в передней секции. Аналогично, комплект вторых ребер 22 продолжается по существу параллельно друг другу, чтобы образовать вторые каналы 24 для протекания охлаждающей текучей среды в передней секции 30 в направлении задней секции 31.

Можно отметить, что лопасть 4 или лопатка 5 для турбомашины может подвергаться усталостной деформации и малоцикловой усталости, что приводит к растрескиванию и конструктивному повреждению лопасти 4 или лопатки 5. Матричное расположение 25 ребер 21, 22 в настоящем изобретении обеспечивает улучшенные характеристики усталостной деформации и малоцикловой усталости, таким образом увеличивая срок службы лезвия 4 или лопатки 5.

Также, в соответствии с аспектами настоящей технологии, лопасть 4 ротора включает в себя множество шипов 26. Шипы 26 выступают из первой стенки 11 и второй стенки 12. Эти шипы 26 присутствуют в задней секции 31 внутреннего пространства 10 в направлении задней кромки 14 лопасти 4 ротора. Шипы 26 обеспечивают превосходное охлаждение и также просты в отливке, особенно в области лопасти 4 ротора, где сечение тонкое, такой как задняя кромка 14.

В одном варианте выполнения, шипы 26 расположены в два или более рядов вдоль задней кромки 14 лопасти 4. Также, шипы 26 присутствуют от верхнего участка 15 до нижнего участка 16 лопасти 4. Шипы 26 расположены дискретно в задней секции 31. Использованный здесь термин «дискретно» означает отдельно друг от друга. Шипы 26 расположены так, что расстояние между двумя шипами 26 по меньшей мере равно диаметру шипов 26. В пояснительном варианте выполнения, расстояние между двумя шипами 26 составляет около полутора диаметров шипов 26.

С продолжающейся ссылкой на фиг.2, множество ребер 21, 22, то есть комплект первых ребер 21 и комплект вторых ребер 22, выступающих из первой стенки 11 и второй стенки 12 соответственно, наклонены друг относительно друга таким образом, что они образуют матричное расположение 25, как изображено на фиг.2. Более конкретно, множество ребер 21, 22, если смотреть в направлении вращательного движения вокруг оси x вращения, образуют матричное расположение 25.

Более того, в соответствии с аспектами настоящей технологии, шипы 26 и ребра 21, 22 отлиты в лопасти 4 ротора. Более конкретно, шипы 26 и ребра 21, 22 отлиты из основного материала лопасти 4 ротора.

Как изображено на фиг.3, матричное расположение 25 ребер 21, 22 присутствует в передней секции 30, и шипы 26 расположены в задней секции 31 лопасти 4. Шипы 26 показаны соединяющими две противоположные внутренние стенки 11, 12, то есть первую стенку 11 и вторую стенку 12. В одном варианте выполнения, шипы 26 могут продолжаться на полпути между первой стенкой 11 и второй стенкой 12. В другом варианте выполнения, шипы 26 могут выступать из первой стенки 11 и второй стенки 12 поочередно. Можно отметить, что различные другие расположения шипов 26 также могут быть обеспечены, основываясь на требованиях и простоте отливки.

Фиг.4 - увеличенный вид задней кромки 14 лопасти 4 ротора. Как изображено, шипы 26 показаны соединяющими первую стенку 11 и вторую стенку 12. Дополнительно, матричное расположение 25 множества каналов 20, образованных ребрами 21, 22, заканчивается в начале задней секции 31. В настоящей предлагаемой конфигурации, зазор 27 изображен отделяющим множество ребер 21, 22 от шипов 26. Зазор 27 обеспечивает равномерное распределение потока охлаждающей текучей среды.

Фиг.5 - вид в сечении лезвия 4, согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения. Как изображено на фиг.5, внутреннее пространство 10 включает в себя промежуточную секцию 32 между передней секцией 30 и задней секцией 31. Промежуточная секция 32 включает в себя ребра 21, 22, которые выступают из двух противоположных внутренних стенок 11, 12, продолжаясь из передней секции 30. Промежуточная секция 32 также включает в себя шипы 26, расположенные в два или более рядов. Ребра 21, 22 соединены с рядом шипов 26 в промежуточной секции 32. Более конкретно, ребра 21, 22 соединены с рядом шипов 26 в промежуточной секции 32, которая расположена в направлении задней секции 31. Альтернативно, в одном варианте выполнения, комплект первых ребер 21 может быть соединен с рядом шипов 26. В другом варианте выполнения, комплект вторых ребер 22 может быть соединен с рядом шипов 26.

Компонент лопасти или лопатки для турбомашины содержит внутреннее пространство между двумя противоположными внутренними стенками компонента, образующими проток для охлаждающей текучей среды в направлении выпускного отверстия для текучей среды в задней кромке компонента, и множество ребер, выступающих из двух противоположных внутренних стенок, образуя множество каналов на каждой из двух противоположных внутренних стенок, чтобы направлять охлаждающую текучую среду в направлении задней кромки. Ребра на противоположных сторонах наклонены друг относительно друга, чтобы образовать матричное расположение. Внутреннее пространство разделено на переднюю секцию в направлении передней кромки компонента и заднюю секцию в направлении задней кромки компонента. Ребра расположены в передней секции. Компонент дополнительно содержит множество шипов, выступающих из двух противоположных внутренних стенок, дискретно расположенных в задней секции. Компонент дополнительно содержит промежуточную секцию между передней секцией и задней секцией. Промежуточная секция содержит ребра и шипы. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения. 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Компонент лопасти (4) или лопатки (5) для турбомашины, содержащий:
внутреннее пространство (10) между двумя противоположными внутренними стенками (11, 12) компонента, образующими проток для охлаждающей текучей среды в направлении выпускного отверстия (18) для текучей среды в задней кромке (14) компонента, и
множество ребер (21, 22), выступающих из двух противоположных внутренних стенок (11, 12), образуя множество каналов (20) на каждой из двух противоположных внутренних стенок (11, 12), чтобы направлять охлаждающую текучую среду в направлении задней кромки (14), причем ребра (21, 22) на противоположных сторонах наклонены друг относительно друга, чтобы образовать матричное расположение (25),
при этом внутреннее пространство (10) разделено на переднюю секцию (30) в направлении передней кромки (13) компонента и заднюю секцию (31) в направлении задней кромки (14) компонента, причем ребра (21, 22) расположены в передней секции (30), при этом компонент дополнительно содержит множество шипов (26), выступающих из двух противоположных внутренних стенок (11, 12), дискретно расположенных в задней секции (31), отличающийся тем, что он дополнительно содержит промежуточную секцию (32) между передней секцией (30) и задней секцией (31), причем промежуточная секция (32) содержит ребра (21, 22) и шипы (26).

2. Компонент по п. 1, отличающийся тем, что множество шипов (26) расположено в два или более рядов, так что два или более рядов расположены в направлении задней кромки (14).

3. Компонент по п. 1, отличающийся тем, что ребра (21, 22) соединены с по меньшей мере некоторыми из шипов (26) в промежуточной секции (32).

4. Компонент по п. 3, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере два ряда шипов (26) в промежуточной секции (32) в направлении задней кромки (14), причем ребра (21, 22) соединены с рядом шипов (26), которые находятся в направлении задней секции (31).

5. Компонент по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что ребра (21, 22) и шипы (26) отлиты в компонент.

6. Компонент по п. 5, отличающийся тем, что ребра (21, 22) и шипы (26) отлиты из основного материала компонента.

7. Компонент по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере некоторые из шипов (26) соединяют две противоположные внутренние стенки (11, 12).

8. Компонент по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере некоторые из шипов (26) проходят на полпути между двумя противоположными внутренними стенками (11, 12).

9. Компонент по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит распределительную камеру (19) в передней секции (30) для распределения охлаждающей текучей среды по всему множеству каналов (20).

10. Компонент по п. 1, отличающийся тем, что задняя секция (31) имеет протяженность от около 10% до около 20% расстояния между передней кромкой (13) и задней кромкой (14).

11. Компонент по п. 1, отличающийся тем, что шипы (26) выступают поочередно из двух противоположных внутренних стенок (11, 12).

12. Компонент по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между шипами (26) по меньшей мере равно диаметру шипов (26).

13. Компонент по п. 1, отличающийся тем, что шипы (26) и множество ребер (21, 22) отделены зазором (27).