НАПРАВЛЯЮЩАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ, СНАБЖЕННАЯ ДРОССЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ Российский патент 2017 года по МПК F01D5/18 

Изобретение касается направляющей лопатки турбины, имеющей аэродинамически изогнутую рабочую часть лопатки, которая имеет оснащенную дроссельным элементом канальную систему из канальных участков для направления охлаждающего средства.

Такого рода лопатка турбины известна, например, из WO 01/36790 А1. Дросселирование расхода охлаждающего средства известной лопатки турбины осуществляется с помощью заглушки, которая устанавливается в направляющие лопатки турбины в месте разворота канала охлаждения. В зависимости от глубины проникновения заглушки, проточное поперечное сечение места разворота и вместе с тем количество протекающего охлаждающего воздуха может просто регулироваться в предопределенной мере. При этом с помощью заглушки могут компенсироваться обусловленные литьем разности размеров, которые возникают при изготовлении лопатки турбины, благодаря чему может предотвращаться чрезмерный расход охлаждающего воздуха.

Кроме того, известно, что вместо дросселя в месте разворота может также размещаться отверстие для отбора охлаждающего воздуха. В этом случае применение дросселя в этом месте до сих пор было невозможно.

Задачей настоящего изобретения является предоставить альтернативную направляющую лопатку турбины, у которой, несмотря на имеющееся в месте разворота отверстие для вывода охлаждающего средства из лопатки турбины, впоследствии возможно дросселирование.

Задача, направленная на лопатку турбины, решается с помощью лопатки турбины в соответствии с признаками п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления указаны в зависимых пунктах формулы изобретения. Их признаки могут комбинироваться друг с другом произвольным образом.

В основе изобретения лежит идея о том, чтобы у направляющей лопатки турбины, имеющей аэродинамически изогнутую рабочую часть лопатки, которая имеет оснащенную дроссельным элементом канальную систему из канальных участков для направления охлаждающего средства, выполнить дроссельный элемент так, чтобы он также обеспечивал возможность отбора охлаждающего средства. Следовательно, он должен быть оснащен входным отверстием, выходным отверстием, а также соединяющим эти два отверстия каналом. Поэтому дроссельный элемент служит теперь уже не только для дросселирования. Одновременно он также используется как разветвитель для разделения охлаждающего средства на два отдельных потока охлаждающего средства. Первый из двух отдельных потоков охлаждающего средства продолжает течь внутри направляющей лопатки турбины и используется для охлаждения рабочей части лопатки. Другой из двух отдельных потоков охлаждающего средства непосредственно выводится из направляющей лопатки турбины. Последнее предпочтительно, в частности, тогда, когда на том конце, на котором охлаждающее средство выводится из направляющей лопатки турбины, расположены другие компоненты газовой турбины, которые либо должны охлаждаться, либо направляющие лопатки турбины (или же другие конструктивные элементы) образуют с ними зазоры, в которые мог бы проникать горячий газ газовой турбины. Благодаря предоставлению охлаждающего средства на этих компонентах газовой турбины упомянутые зазоры закрываются вытекающим охлаждающим средством, так что проникновение горячего газа может надежно предотвращаться. Как охлаждение других компонентов газовой турбины, так и закрытие зазоров от втягивания горячего газа препятствует преждевременному старению конструктивных элементов вследствие недопустимо высоких температур материала и тем самым продлевает срок их службы.

Согласно изобретению дроссельный элемент вставлен в направляющую лопатку турбины и выполнен в форме стакана с расположенным на окружной стороне входным отверстием для охлаждающего средства, причем это отверстие стакана дроссельного элемента расположено в наружной поверхности направляющей лопатки турбины. В этом случае отверстие стакана представляет собой выходное отверстие для втекающего в дроссельный элемент отдельного потока охлаждающего средства. С помощью этого исполнения предоставляется сравнительно простая конструкция разветвителя течения, при этом другой из двух отдельных потоков охлаждающего средства создается за счет того, что поступающее течение охлаждающего средства протекает, минуя дроссельный элемент, точнее говоря, входное отверстие дроссельного элемента, и затем в находящиеся ниже по течению канальные участки канальной системы. Другое преимущество этой конструкции заключается в том, что с помощью одного единственного конструктивного элемента, вставленного в литую направляющую лопатку турбины дроссельного элемента, может осуществляться разделение поступающего течения охлаждающего средства на два отдельных потока. Разделение течения охлаждающего средства зависит от размера входного отверстия и от оставшегося проточного поперечного сечения в месте дросселя в канальной системе.

Этот вариант осуществления имеет то дополнительное преимущество, что уже существующие в поле, испытывающие эксплуатационные нагрузки направляющие лопатки турбины при необходимости могут дооснащаться такого рода дроссельным устройством, без необходимости обработки, модификации или, соответственно, подготовки к этому направляющих лопаток турбины.

Кроме того, отверстие стакана может также иметь бортик, диаметр которого больше, чем отверстие, в которое вставлен дроссельный элемент. Это препятствует тому, чтобы при вставлении дроссельного элемента он мог упасть в канальные участки и при этом потеряться.

Обычно направляющая лопатка турбины представляет собой литой конструктивный элемент, который выполнен практически или полностью монолитным. Целесообразным образом направляющая лопатка турбины включает в себя область ножки и область головки для крепления. Обе области расположены на концах рабочей стороны лопатки с двух сторон. Дроссельный элемент может быть расположен в области ножки и/или в области головки. Область ножки направляющей лопатки турбины служит для крепления направляющей лопатки турбины к кольцеобразной обойме направляющих лопаток. От области ножки радиально внутрь распространяется рабочая часть лопатки, к внутреннему концу которой примыкает область головки. Область ножки и область головки включают в себя каждая, как правило, так называемую платформу для локального радиального ограничения канала для горячего газа газовой турбины. На отвернутой от канала для горячего газа стороне внутренней платформы предусмотрены крючки, которые являются частью области головки и к которым, как правило, крепится так называемая U-образная манжета. С ее помощью направляющие лопатки турбины или же сегменты направляющих лопаток газовой турбины одного венца направляющих лопаток газовой турбины соединяются друг с другом. Так как эти U-образные манжеты при необходимости должны охлаждаться и образуемые этими компонентами с ротором зазоры должны закрываться от проникновения горячего газа, особенно предпочтительно, когда охлаждающее средство, обычно направляемое через направляющие лопатки турбины, на конце направляющей лопатки турбины в области головки снова отбиралось через дроссельный элемент и там могло использоваться для втулки.

Кроме того, предпочтительным является то усовершенствование, при котором в рабочей части лопатки два расположенных приблизительно параллельно друг другу канальных участка охлаждения через расположенную в области ножки или в области головки область разворота по потоку соединены друг с другом, а дроссельный элемент поперек локального направления протекания охлаждающего средства в области разворота вдается в эту область. В этом случае между двумя расположенными параллельно друг другу канальными участками имеется перегородка, которая заканчивается в области разворота, так что дроссельный элемент, в зависимости от глубины проникновения, может быть ближе или дальше от конца этой перегородки. Поэтому упомянутая перегородка является частью дроссельного устройства, так что уже имеющиеся в направляющей лопатке турбины элементы выполняют дополнительную функцию, для которой они не были предусмотрены первоначально, если дроссельный элемент монтируется впоследствии.

Отбор охлаждающего средства с малыми потерями давления через дроссельный элемент может осуществляться, когда входное отверстие обращено к поступающему течению охлаждающего средства.

Во избежание так называемых областей стоячей воды в течении охлаждающего средства или, соответственно, в канальной системе непосредственно ниже по потоку от дроссельного элемента и вместе с тем хуже охлаждаемых стенок лопатки, в дроссельном элементе предпочтительно предусмотрено по меньшей мере одно дополнительное расположенное с окружной стороны проточное отверстие. При этом площадь поперечного сечения всех проточных отверстий предпочтительно существенно меньше, чем площадь поперечного сечения входного отверстия. Предпочтительно проточные отверстия находятся напротив входного отверстия и, следовательно, на той стороне дроссельного элемента, по которой стекает первоначально остающийся в направляющей лопатке турбины отдельный поток охлаждающего средства. Возможно даже, чтобы такого рода проточные отверстия были размещены в дроссельном элементе даже тогда, когда он не выполнен для отбора охлаждающего воздуха, то есть выполнен не частично трубчатым, а массивным.

Для изобретения несущественно, осуществляется ли при этом подача охлаждающего средства в области ножки или в области головки. Предпочтительно, однако, дроссельный элемент расположен в той области, которая находится напротив подачи.

Другие преимущества и признаки изобретения поясняются подробнее с помощью чертежа, приведенного ниже. Показано:

фиг. 1: направляющая лопатка турбины на изображении в перспективе, с рассеченной рабочей частью лопатки и вставленным в области ножки дроссельным элементом и

фиг. 2: поперечное сечение рабочей части направляющей лопатки турбины в области втулки с находящимся в ней дроссельным элементом.

Направляющая лопатка 10 турбины для стационарной газовой турбины изображена в перспективе на фиг. 1. Направляющая лопатка 10 турбины включает в себя область 12 ножки, аэродинамически изогнутую рабочую часть 14 лопатки, а также область 16 головки, которые следуют поочередно по продольной оси 18. В смонтированном состоянии в газовой турбине область 12 ножки размещена радиально снаружи, а область 16 головки радиально внутри. Как область 12 ножки, так и область 16 головки включают в себя каждая платформу 20, которые образуют локальное радиальное ограничение кольцеобразной траектории горячего газа газовой турбины в области упомянутой направляющей лопатки 10 турбины. Поэтому рабочая сторона 14 лопатки распространяется через кольцеобразный канал 22 для горячего газа. Как область 22 ножки, так и область 16 головки на своих отвернутых от канала 22 для горячего газа сторонах имеют несколько крючков 24 для крепления. Предусмотренные в области 12 ножки крючки 24 служат для крепления направляющей лопатки 10 турбины к не изображенной кольцеобразной обойме направляющих лопаток турбины. В отличие от этого, крючки, размещенные в области 16 головки, служат для крепления так называемой U-образной манжеты, которая здесь также подробно не изображена.

Рабочая сторона 14 лопатки включает в себя переднюю кромку 17 и заднюю кромку 19, между которыми распространяются расположенные одна со стороны нагнетания и одна со стороны всасывания стенки 40, 42 рабочей стороны. Изображенная на фиг. 1 рабочая сторона 14 лопатки показана не полностью в перспективе, а частично в продольном сечении. При этом изображены канальные участки 26 канальной системы 28, имеющиеся внутри рабочей стороны 15 лопатки. Таким образом, канальная система 28, включающая в себя канальные участки 29, расположена между двумя стенками 40, 42 (фиг. 2). Канальная система 28 выполнена для направления охлаждающего средства, которое может подаваться через расположенное в области ножки отверстие 30 направляющей лопатки 10 турбины. В показанном примере осуществления предусмотрены три параллельно расположенные рядом друг с другом канальных участка 26, два из которых в области головки через область 30 разворота по потоку соединены друг с другом. В этой области 30 разворота направляющая лопатка 10 турбины имеет отверстие 31, в которое снаружи вставлен дроссельный элемент 32. Чтобы защитить направляющую лопатку 10 турбины от потери дроссельного элемента, дроссельный элемент 32 может быть точечно или же по периметру приварен или припаян к литой направляющей лопатке 10 турбины.

Дроссельный элемент 32 выполнен в форме стакана, имеющего цилиндрическую боковую поверхность и дно 34 стакана, которое, образуя зазор, расположено напротив перегородки 36, разделяющей два канальных участка 26.

Идентичные признаки на всех фигурах снабжены одинаковыми ссылочными обозначениями. При этом на фиг. 2 показана направляющая лопатка 10 турбины в соответствии с сечением II-II на фиг. 1, включающая в себя область 16 головки и расположенные в ней крючки 24 на изображении в перспективе. Вставленный снаружи в области головки в направляющую лопатку 10 турбины дроссельный элемент 32 изображен в перспективе и имеет входное отверстие 37, которое обращено к одному (26а) из канальных участков 26. Через входное отверстие 37 видно отверстие 38 стакана. Дно 34 стакана находится напротив обращенного к головке конца 39 (фиг. 1) перегородки 36, образуя зазор.

В показанном примере осуществления дроссельный элемент 32 выполнен цилиндрическим с постоянным диаметром. Разумеется, возможно также, чтобы дроссельный элемент был выполнен цилиндрическим с различными на разных участках диаметрами или же коническим.

По бокам на расстоянии от дроссельного элемента 32 расположены внутренние поверхности стенок 40, 42 рабочей стороны лопатки, так что поступающее из канального участка 26а течение охлаждающего средства, чаще всего охлаждающий воздух, для разделения на два потока охлаждающего воздуха втекает либо во входное отверстие 37, либо в зазоры между внутренними поверхностями стенки лопатки или, соответственно, перегородкой 36 и дроссельным элементом 32. Последний отдельный поток течет затем через канальный участок 26b и первоначально остается в направляющей лопатке 10 турбины. Втекающий во входное отверстие 37 отдельный поток вытекает через отверстие 38 стакана и может использоваться в области втулки для охлаждения размещенных там конструктивных элементов или для закрытия зазоров от втягивания горячего газа.

Во избежание областей течения охлаждающего средства с низкой скоростью течения в дроссельном элементе могут быть также предусмотрены одно или несколько проточных отверстий 41.

Особенно предпочтительно, что с помощью дроссельного элемента 32 все количество охлаждающего воздуха направляющей лопатки 10 турбины, с одной стороны, а также отношение разделения двух отдельных потоков охлаждающего средства, с другой стороны, может регулироваться, даже после того, как направляющая лопатка 10 турбины была отлита. Благодаря экономии охлаждающего воздуха газовая турбина, оснащенная направляющей лопаткой 10 турбины, предлагаемой изобретением, имеет улучшенный коэффициент полезного действия. Одновременно можно дооснащать дроссельным элементом 32 уже испытывающие эксплуатационные нагрузки направляющие лопатки 10 турбины, без необходимости их основательной обработки, когда направляющая лопатка 10 турбины имеет отверстие для отбора текущего в ней охлаждающего средства. Также с помощью дроссельного элемента 32 можно приспосабливать для применения в газовой турбине бывшие в употреблении, однако не отвечающие спецификации направляющие лопатки 10 турбины. При этом может сокращаться процент брака конструктивных элементов, что минимизирует затраты.

В целом изобретение касается направляющей лопатки 10 турбины, имеющей аэродинамически изогнутую рабочую часть 14 лопатки, которая имеет оснащенную дроссельным элементом 32 канальную систему 28 из канальных участков 26 для направления охлаждающего средства. Чтобы предоставить альтернативную направляющую лопатку 10 турбины, у которой может регулироваться как отдельный поток охлаждающего средства, текущий внутри, так и отдельный поток охлаждающего средства, снова выведенный из направляющей лопатки 10 турбины, предлагается, чтобы был выполнен дроссельный элемент 32 для отбора охлаждающего средства

Направляющая лопатка турбины имеет аэродинамически изогнутую рабочую часть лопатки, которая имеет снабженную дроссельным элементом канальную систему из канальных участков для направления охлаждающего средства. Дроссельный элемент выполнен для отбора охлаждающего средства. При этом дроссельный элемент вставлен в направляющую лопатку турбины и выполнен в форме стакана с расположенным на окружной стороне входным отверстием для охлаждающего средства. Отверстие стакана дроссельного элемента расположено в наружной поверхности направляющей лопатки турбины. Изобретение направлено на создание направляющей лопатки турбины, у которой, несмотря на имеющееся в месте разворота отверстие для вывода охлаждающего средства из лопатки турбины, впоследствии возможно дросселирование. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Направляющая лопатка (10) турбины, имеющая аэродинамически изогнутую рабочую часть (14) лопатки,

которая имеет снабженную дроссельным элементом (32) канальную систему (28) из канальных участков (26) для направления охлаждающего средства,

отличающаяся тем, что

дроссельный элемент (32) выполнен для отбора охлаждающего средства, причем дроссельный элемент (32) вставлен в направляющую лопатку (10) турбины и выполнен в форме стакана с расположенным на окружной стороне входным отверстием (37) для охлаждающего средства,

при этом отверстие (38) стакана дроссельного элемента расположено в наружной поверхности направляющей лопатки (10) турбины.

2. Направляющая лопатка (10) турбины по п. 1, которая включает в себя область (12) ножки и область (16) головки для крепления, которые расположены на концах рабочей стороны (14) лопатки с двух сторон, и дроссельный элемент (32) расположен в области (12) ножки и/или в области (16) головки.

3. Направляющая лопатка (10) турбины по п. 1, у которой в рабочей части (14) лопатки два расположенных приблизительно параллельно друг другу канальных участка (26) через расположенную в области ножки или в области головки область (30) разворота по потоку соединены друг с другом, а дроссельный элемент (32) вдается поперек в область (30) разворота.

4. Направляющая лопатка (10) турбины по п. 2, у которой в рабочей части (14) лопатки два расположенных приблизительно параллельно друг другу канальных участка (26) через расположенную в области ножки или в области головки область (30) разворота по потоку соединены друг с другом, а дроссельный элемент (32) вдается поперек в область (30) разворота.

5. Направляющая лопатка (10) турбины по п. 1, которая включает в себя область (12) ножки и область (16) головки для крепления, которые расположены на концах рабочей стороны (14) лопатки с двух сторон, и дроссельный элемент (32) расположен в области (12) ножки и/или в области (16) головки, причем входное отверстие (37) обращено к поступающему течению охлаждающего средства.

6. Направляющая лопатка (10) турбины по п. 1, у которой в рабочей части (14) лопатки два расположенных приблизительно параллельно друг другу канальных участка (26) через расположенную в области ножки или в области головки область (30) разворота по потоку соединены друг с другом, а дроссельный элемент (32) вдается поперек в область (30) разворота, причем входное отверстие (37) обращено к поступающему течению охлаждающего средства.

7. Направляющая лопатка (10) турбины по п. 1, которая включает в себя область (12) ножки и область (16) головки для крепления, которые расположены на концах рабочей стороны (14) лопатки с двух сторон, и дроссельный элемент (32) расположен в области (12) ножки и/или в области (16) головки, причем предусмотрено по меньшей мере одно проточное отверстие.

8. Направляющая лопатка (10) турбины по п. 1, у которой в рабочей части (14) лопатки два расположенных приблизительно параллельно друг другу канальных участка (26) через расположенную в области ножки или в области головки область (30) разворота по потоку соединены друг с другом, а дроссельный элемент (32) вдается поперек в область (30) разворота, причем предусмотрено по меньшей мере одно проточное отверстие.

9. Направляющая лопатка (10) турбины по п. 5 или 6, у которой предусмотрено по меньшей мере одно проточное отверстие