ЭЛЕМЕНТ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ С ПЛЕНОЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 2018 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к элементу газовой турбины с пленочным охлаждением для газовой турбины, имеющему поверхность, подвергаемую воздействию горячего газа и в которой выполнены отверстия для пленочного охлаждения, объединенные в направлении поперек направления потока горячего газа, по меньшей мере, в один ряд, причем каждое из отверстий для пленочного охлаждения имеет в направлении своего направления потока канальную часть и непосредственно примыкающую к ней диффузорную часть, включающую в себя расположенную выше по потоку кромку диффузорной части, две продольные кромки диффузорной части и расположенную ниже по потоку кромку диффузорной части, причем каждая продольная кромка сходится с расположенной ниже по потоку кромкой диффузорной части в угловой области.

В уровне техники известно много разных элементов газовых турбин, имеющих описанные выше отверстия для пленочного охлаждения. Так, например, в документе WO 2013/188645 раскрыта лопатка турбины с отверстиями для пленочного охлаждения, диффузорообразная область которых переходит в два отделенных ребром крыла. Отверстия для пленочного охлаждения используются, как известно, с целью предотвращения преждевременного повреждения материала или элемента газовой турбины, с тем чтобы достичь заданного срока службы. С помощью отверстий для пленочного охлаждения должна быть создана поверхностная охлаждающая пленка по поверхности элемента газовой турбины, чтобы во время работы защитить поверхность от вредных влияний протекающего вдоль нее горячего газа. Однако необходимый для образования охлаждающей пленки охлаждающий воздух следует подготовить. Нередко он отбирается из циклического процесса газовой турбины, так что отбираемая часть не может участвовать в вырабатывании энергии. Это снижает к.п.д. газовой турбины, в результате чего также существует стремление уменьшения, насколько возможно, количества охлаждающего воздуха. Кроме того, существует потребность уменьшения числа отверстий для пленочного охлаждения, что помимо экономии охлаждающего воздуха приводит также к более простому в изготовлении и менее дорогому элементу газовой турбины.

Альтернативное устройство известно из документа US 2013/0205803 А1. В указанном документе предложено, что расширяющиеся отверстия для пленочного охлаждения одного ряда соприкасаются. При этом диффузорные области соприкасаются вдоль кромки, причем диффузорные области, в свою очередь, заканчиваются на лежащих ниже по потоку поперечных кромках соседних диффузоров. Это создает непрерывный ряд следующих друг за другом без просветов углов с расположенными между ними прямолинейными выходными кромками диффузорной части, который может ослабить материал лопаток.

Далее известно, что такие отверстия для пленочного охлаждения используются не только для поверхностного охлаждения элемента газовой турбины, но и для охлаждения так называемой задевающей кромки, которая расположена на свободном конце рабочей лопатки турбины и движется напротив неподвижной стенки корпуса пути потока газовой турбины. Такие задевающие кромки также подвержены воздействию горячего газа, причем они из-за своего открытого положения – как правило, они вертикально и свободно отстоят от поверхности стенки лопатки турбины, которая ориентирована почти параллельно ограничению пути потока газовой турбины, – охлаждаются сравнительно плохо.

В частности, в уровне техники делается заметным эффект, заключающийся в том, что только по мере удаления от отверстия для пленочного охлаждения образовавшиеся отдельные струи охлаждающего воздуха объединяются в поверхностную охлаждающую пленку. Однако из-за внутренней структуры охлаждающих каналов лопатки турбины и заданного, тем самым, положения обеспеченных для охлаждения задевающей кромки отверстий для пленочного охлаждения они до сих пор располагались слишком близко к задевающей кромке, чтобы образовать сплошную охлаждающую пленку. Следовательно, если смотреть локально, перед объединением отдельных струй охлаждающего воздуха между ними возникали струи горячего воздуха, которые могли вызывать локальные повреждения задевающей кромки.

По этой причине желательно, в частности для используемых для охлаждения задевающих кромок рядов отверстий для пленочного охлаждения, достичь поверхностно сплошного вдоль ряда отверстий охлаждения как можно ближе ниже по потоку от этих отверстий.

Задачей изобретения является создание элемента газовой турбины с пленочным охлаждением, в котором образование непрерывной охлаждающей пленки также для области между двумя непосредственно соседними отверстиями для пленочного охлаждения начинается как можно ближе к лежащей ниже по потоку кромке отверстий для пленочного охлаждения.

Задача изобретения решается посредством охлаждаемого элемента газовой турбины с подвергаемой воздействию горячего газа поверхностью, в которой выполнены отверстия для пленочного охлаждения, объединенные в направлении поперек локального, близкого к поверхности направления потока горячего газа в один ряд, причем каждое из отверстий для пленочного охлаждения имеет в направлении своего потока канальную часть и непосредственно примыкающую к ней диффузорную часть, включающую в себя расположенную выше по потоку кромку диффузорной части, две продольные кромки диффузорной части и расположенную ниже по потоку кромку диффузорной части, причем каждая продольная кромка диффузорной части сходится с расположенной ниже по потоку кромкой диффузорной части в угловой области, по меньшей мере, два непосредственно соседних, преимущественно все отверстия для пленочного охлаждения ряда выполнены так, что оси их соответствующих канальных частей наклонены вбок, т.е. к локальному, близкому к поверхности направлению потока горячего газа, а их диффузорные части выполнены относительно продолжения оси канальной части асимметричными таким образом, что непосредственно соседние угловые области непосредственно соседних отверстий для пленочного охлаждения, если смотреть в локальном направлении потока горячего газа, выровнены или расположены с перекрытием без соприкосновения диффузорных частей. При этом «вбок» означает, что ориентация оси канальной части имеет составляющую поперек близкого к поверхности направления потока горячего газа.

Асимметрия диффузорных частей относится к прямолинейному продолжению оси канальной части, проходящей до конца диффузорной части.

В основе изобретения лежит тот факт, что за счет наклона осей канальных частей относительно локального направления потока горячего газа происходит, правда, косой выдув охлаждающего воздуха по отношению к направлению потока горячего газа, однако это совершенно несущественно для образования защищающей охлаждающей пленки. Причина этого в том, что импульс потока горячего газа настолько доминантный, что выходящий наискось к нему охлаждающий воздух непосредственно после выхода из диффузорной части сразу же принимает направление течения горячего газа. В то же время в основе изобретения лежит тот факт, что дополнительно к наклоненной вбок ориентации осей канальных частей диффузорные части могут быть выполнены также асимметрично. Расположенные ниже по потоку кромки диффузорной части могут быть при сохранении умеренного угла раскрытия диффузора длиннее, чем до сих пор, так что рассматриваемые перпендикулярно локальному направлению потока горячего газа расстояния между обеими непосредственно соседними угловыми областями непосредственно соседних отверстий для пленочного охлаждения можно в значительной степени уменьшить, а в лучшем случае даже избежать их, благодаря чему можно достичь лучшего взаимодействия охлаждающего воздуха, выходящего из соседних отверстий для пленочного охлаждения. В частности, оказалось предпочтительным, что если непосредственно соседние угловые области отверстий для пленочного охлаждения выровнены или расположены с перекрытием, если смотреть в направлении потока горячего газа, то оба отдельных потока охлаждающего воздуха в непосредственной близости от расположенной ниже по потоку кромки диффузорной части объединяются в замкнутую охлаждающую пленку. Другими словами, расстояние между расположенной ниже по потоку кромкой диффузорной части и тем, лежащим ниже по потоку от нее, местом, где отдельные потоки охлаждающего воздуха каждого отверстия для пленочного охлаждения объединяются в одну почти без просветов и, тем самым, поверхностную охлаждающую пленку, благодаря изобретению заметно уменьшается.

Кроме того, за счет уменьшения поступления горячего газа из-за отсутствия областей горячего газа между отдельными струями изобретение позволяет повысить, что экспериментально подтверждено, также усредненную по бокам эффективность пленочного охлаждения ряда отверстий, благодаря чему материал элемента газовой турбины дополнительно защищен от воздействий горячего газа.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы, которые могут комбинироваться между собой произвольным образом.

Согласно первому предпочтительному варианту выполнения элемента газовой турбины, диффузорные части схожи с отпечатками объема диффузора в форме половины усеченной пирамиды, объем которой для образования асимметрии диффузорной части повернут на угол поворота вокруг оси канальной части. За счет этого диффузор на продольной кромке со стороны набегающего потока утоплен в поверхность лопатки глубже, чем на другой продольной кромке, так что расширяющийся вбок поток охлаждающего воздуха в диффузоре лучше, чем прежде, защищен от захватывающего действия протекающего поперек него горячего газа. Этот поворот вызывает перераспределение охлаждающего воздуха, выходящего из отверстия для пленочного охлаждения, таким образом, что количество воздуха направляется также к той угловой области отверстия, которая дальше удалена от канальной части. Выравнивание или, при необходимости, расположение с перекрытием угловых областей двух соседних диффузоров может, если рассматривать ряд как единое целое, почти непосредственно за расположенными ниже по потоку кромками диффузорной части образовать, по меньшей мере, по существу, без просветов и равномерную охлаждающую пленку охлаждающего воздуха без возможности образования первоначально струй горячего воздуха между струями охлаждающего воздуха, как в уровне техники.

При проведении экспериментов оказалось, что, в частности, особенно предпочтителен угол поворота 15°. Тем не менее, схожие или одинакового действия эффекты перераспределения охлаждающего воздуха в отдельном отверстии для пленочного охлаждения достигаются также за счет иных значений, нежели 15°.

Далее предпочтительно расположенная выше по потоку кромка диффузорной части, одна или обе продольные кромки диффузорной части и/или расположенная ниже по потоку кромка диффузорной части обоих или всех отверстий для пленочного охлаждения выполнены, по существу, прямолинейными. При этом «по существу» означает, что, при необходимости, незначительно скругленные угловые области или незначительные выпуклости из-за неровной поверхности несущественны. В зависимости от угла боковой поверхности, поворота и раскрытия диффузора расположенная ниже по потоку кромка диффузорной части расположена более или менее поперек локального направления потока.

Согласно одному особенно предпочтительному варианту расположенная ниже по потоку кромка диффузорной части образует с локальным направлением потока горячего газа угол, отличающийся от 90°. Указанный угол предпочтительно составляет 75°. Вследствие этого у ряда таких отверстий для пленочного охлаждения расположенные в стороне от потока угловые области диффузорных частей больше не лежат на одной общей воображаемой прямой. Напротив, тогда имеются две параллельные воображаемые прямые, на которых расположены либо левые угловые области, либо правые угловые области диффузорных частей.

В основе этого расположения лежит тот факт, что в уровне техники лежащие на одной общей воображаемой прямой угловые области образуют своего рода прямолинейную перфорационную линию со сравнительно небольшим угловым расстоянием, вдоль которой сравнительно просто могут возникать дефекты и, в частности, трещины. Согласно предпочтительному выполнению, рассматриваемые вдоль ряда периодические угловые области расположены со смещением по отношению друг к другу. За счет этого расстояние вдоль обеих воображаемых прямых между двумя лежащими на одной и той же прямой угловыми областями увеличено, что уменьшает упомянутое ослабление материала лопатки без необходимости отказа от преждевременно возникающей сплошной охлаждающей пленки.

Далее предпочтительно оси канальных частей наклонены вбок к локальному, близкому к стенке, направлению потока горячего газа на угол наклона около 50°. При проведении экспериментов это значение угла оказалось особенно предпочтительным, т.к. по мере увеличения угла наклона может увеличиться также расстояние между двумя непосредственно соседними отверстиями для пленочного охлаждения при сохранении, с одной стороны, эффективной охлаждающей пленки и при достижении, с другой стороны, достаточно далеко доходящего ниже по потоку пленочного охлаждения.

Особенно предпочтительно, что элемент турбины выполнен в виде рабочей лопатки турбины с внутренним и пленочным охлаждением с расположенными друг за другом в радиальном направлении хвостовиком, полкой и аэродинамически профилированным пером, включающим в себя стенку стороны всасывания и стенку стороны нагнетания, которые по отношению к хордам профиля пера проходят от передней кромки пера к его задней кромке, а по отношению к радиальному направлению – от конца со стороны ступицы к свободному концу пера, причем на конце пера, по меньшей мере, со стороны нагнетания обеспечена задевающая кромка, причем, по меньшей мере, один из рядов отверстий для пленочного охлаждения со стороны нагнетания вдоль хорды профиля расположен на приблизительно постоянном расстоянии до задевающей кромки для ее охлаждения.

При этом, в частности, предпочтительно, что по мере уменьшения расстояния до задней кромки расстояния между двумя непосредственно соседними отверстиями для пленочного охлаждения возрастают и/или по мере уменьшения расстояния до задней кромки оси канальных частей все больше наклонены к задней кромке. В частности, это выполнение обеспечивает почти без просветов вдоль хорды профиля образование охлаждающей пленки для полной защиты задевающей кромки со сравнительно небольшим числом отверстий для пленочного охлаждения без первоначального наличия холодных и горячих струй. За счет этого пленочного охлаждения без просветов можно вдоль хорды профиля подвергнуть поверхностному и охлаждению без просветов очень большую область задевающей кромки, так что возникающих в уровне техники явлений износа можно избежать. Поскольку позиционирование и ориентация отдельных отверстий для пленочного охлаждения вдоль хорды профиля происходят первый раз с учетом локального, близкого к стенке направления потока горячего газа и, тем самым, расстояния между двумя непосредственно соседними отверстиями для пленочного охлаждения до задней кромки могут возрастать, здесь предложен ряд, который обходится меньшим числом отверстий для пленочного охлаждения, чем прежде, и, тем не менее, может образовать более эффективную охлаждающую пленку, чем в уровне техники. Это лучше защищает задевающие кромки, уменьшает расход охлаждающего воздуха и благодаря этому позволяет изготавливать лопатку турбины дешевле, т.к. можно сократить затраты на изготовление небольшого числа отверстий для пленочного охлаждения.

В целом, изобретение относится, тем самым, к охлаждаемому элементу газовой турбины с подвергаемой воздействию горячего газа поверхностью, в которой выполнены отверстия для пленочного охлаждения, причем каждое из отверстий для пленочного охлаждения имеет в направлении своего потока канальную часть и непосредственно примыкающую к ней диффузорную часть, включающую в себя расположенную выше по потоку кромку диффузорной части, две продольные кромки диффузорной части и расположенную ниже по потоку кромку диффузорной части, причем каждая продольная кромка сходится с расположенной ниже по потоку кромкой диффузорной части в угловой области. Чтобы создать особенно эффективное расположение отверстий для пленочного охлаждения, при котором место смешивания отдельных струй охлаждающего воздуха из отдельных отверстий для пленочного охлаждения в, по существу, замкнутую пленку охлаждающего воздуха расположено ближе, чем прежде, к расположенной ниже по потоку кромке диффузорной части, предложено, что, по меньшей мере, два непосредственно соседних, преимущественно все отверстия для пленочного охлаждения ряда выполнены так, что оси их соответствующих канальных частей наклонены вбок к локальному, близкому к стенке, направлению потока горячего газа, а их диффузорные части выполнены асимметричными таким образом, что непосредственно соседние угловые области соседних отверстий для пленочного охлаждения, если смотреть в направлении потока горячего газа, выровнены или расположены с перекрытием без соприкосновения диффузорных частей.

Другие преимущества и особенности изобретения более подробно поясняются на нескольких примерах его осуществления со ссылками на чертежи.

На фиг. 1 показана рабочая лопатка турбины, вид в перспективе;

на фиг. 2 – ряд отверстий для пленочного охлаждения согласно изобретению, вид сверху;

на фиг. 3 – сравнение локальной эффективности пленочного охлаждения обычных отверстий для пленочного охлаждения и отверстий для пленочного охлаждения согласно изобретению;

на фиг. 4 – по-разному направленные потоки горячего газа, близкие к стенке в области конца рабочей лопатки турбины;

на фиг. 5 – конец рабочей лопатки турбины с отверстиями для пленочного охлаждения, выполненными и расположенными согласно изобретению, вид в перспективе.

На всех фигурах идентичные элементы указаны одинаковыми ссылочными обозначениями.

В качестве не ограничивающего примера охлаждаемого элемента 8 газовой турбины на фиг. 1 на виде перспективе показана рабочая лопатка 10 турбины. Она имеет елочный в сечении хвостовик 12 и расположенную на нем полку 14. К полке 14 примыкает аэродинамически профилированное перо 16, имеющее переднюю 18 и заднюю 20 кромки. По отношению к положению установки рабочей лопатки 10 в газовой турбине перо 16 проходит в радиальном направлении от конца 17 со стороны ступицы к концу 32 лопатки. На передней кромке 18 обеспечены расположенные в виде так называемой «душевой головки» охлаждающие отверстия, из которых может выходить протекающее внутри охлаждающее средство, преимущественно охлаждающий воздух. Перо 16 имеет стенку 22 стороны всасывания и стенку 24 стороны нагнетания. Вдоль задней кромки 20 выполнено большое число отверстий 28, называемые в английском языке «cut-back». Приблизительно посередине между передней 18 и задней 20 кромками расположен первый ряд 30 отверстий 36 для поверхностного пленочного охлаждения стенки 24 стороны нагнетания. Точно так же со стороны нагнетания вблизи конца 32 лопатки расположен другой ряд 34 для пленочного охлаждения. Последний предназначен для охлаждения задевающей кромки (не показана) рабочей лопатки 10 турбины на большой части ее продольной протяженности между передней 18 и задней 20 кромками. Далее более подробно поясняется геометрия отверстий для пленочного охлаждения рядов 30, 34 согласно изобретению.

На фиг. 2 на виде сверху показана часть первого ряда 30 отверстий 36 для пленочного охлаждения согласно изобретению, выполненных в подвергаемой воздействию горячего газа 39 поверхности 38 рабочей лопатки 10 турбины. Ряд 36 имеет в указанном примере только четыре отверстия 36 для пленочного охлаждения. Однако их число в пределах ряда может варьироваться и для эффекта изобретения не является принципиальным, если имеется, по меньшей мере, два таких отверстия 36. При этом расстояния между отверстиями 36 для пленочного охлаждения идентичны.

Вдоль поверхности 38 стенки 24 стороны нагнетания горячий газ 39 течет в показанном направлении. Близкое к стенке направление 52 локального потока, тем самым, параллельно оси 53.

Каждое отверстие 36 для пленочного охлаждения имеет диффузорную часть 46, которая ограничена расположенной выше по потоку кромкой 40 диффузорной части, двумя продольными кромками 42 диффузорной части и расположенной ниже по потоку кромкой 44 диффузорной части. Выше по потоку от диффузорной части 46 каждое отверстие 36 для пленочного охлаждения имеет канальную часть 48, показанную, однако, только у самого верхнего из четырех показанных отверстий 36. В контексте диффузорной части понятия «выше по потоку» и «ниже по потоку» относятся к направлению течения горячего газа.

При этом каждая продольная кромка 42 диффузорной части сходится с расположенной ниже по потоку кромкой 44 диффузорной части в угловой области 54, так что на фиг. 2 каждая диффузорная часть 46 имеет верхнюю и нижнюю 54 угловые области. Относительные понятия «вверху» и «внизу», а также упоминаемые далее понятия «слева» и «справа» относятся только к показанным изображениям, а не к положению угловых областей в готовом элементе газовой турбины. Кроме того, понятия «радиально» и «аксиально» относятся к оси газовой турбины (не показана). Таким образом, эти выражения не следует понимать как ограничение, а, напротив, они предназначены исключительно для пояснения изобретения.

Расположенная выше по потоку кромка 40 диффузорной части выполнена короче, чем расположенная ниже по потоку кромка 44 диффузорной части, так что ограниченная кромками 40, 42, 44 диффузорной части область образует диффузор для выходящего из канальной части 48 и входящего в диффузорную часть 46 охлаждающего воздуха, так что внутри диффузора подаваемый, скорее, точечно охлаждающий воздух распределяется по области между указанными двумя угловыми областями 54. Угол δ раскрытия диффузора заключен между обеими продольными кромками 42 и составляет в этом примере около 20°.

В этом примере объем диффузора имеет форму половины усеченной пирамиды с углом раскрытия соответственно 10°. Это значит, что три наклонные поверхности диффузора раскрываются, тем самым, на угол 10° к оси 50 канальной части, поверхность симметрии половины пирамиды с 0°.

Согласно показанному варианту, у каждого отверстия 36 для пленочного охлаждения верхняя продольная кромка 42b и лежащая ниже по потоку кромка 44 диффузорной части сходятся под тупым углом, а нижняя продольная кромка 42а и лежащая ниже по потоку кромка 44 диффузорной части – под острым углом: верхняя угловая область 54 является, следовательно, тупоугольной, а нижняя угловая область 54 – остроугольной. При этом само собой разумеется, что угловые области 54 необязательно должны быть выполнены в виде угла. Следовательно, возможны также слегка скругленные угловые области. По отношению к оси 50 канальной части или ее продолжению диффузорная часть 46, тем самым, асимметричная.

Как и показанное на фиг. 2 самое верхнее отверстие 36 для пленочного охлаждения, также любое другое отверстие 36 имеет верхнюю 54а и нижнюю 54b угловые области.

При этом нижней продольной кромкой 42а является та из обеих продольных кромок, на которую вследствие бокового наклона также воздействует горячий газ 39. Следовательно, ее можно также назвать продольной кромкой стороны набегающего потока, причем диффузор в угловой области 57 из нижней продольной кромки 42а и расположенной выше по потоку кромки 40 диффузорной части утоплен глубже в поверхность 38, чем в угловой области 55 из верхней продольной кромки 42b и расположенной выше по потоку кромки 40 диффузорной части.

При работе охлаждающее средство, преимущественно охлаждающий воздух, направляется от поверхности со стороны холодного газа (не показана) охлаждаемого элемента 8 газовой турбины по канальной части 48, включая диффузорную часть 46, к поверхности 38 охлаждаемой стенки элемента. Согласно изобретению, в случае двух непосредственно соседних отверстий 36 для пленочного охлаждения их непосредственно соседние угловые области 54 выполнены так, что угловая (в этом случае остроугольная) область 54b первого (самого верхнего на фиг. 2) отверстия 36 для пленочного охлаждения расположена, если смотреть по отношению к направлению 52 потока горячего газа, ниже по потоку от другой угловой (в этом случае тупоугольной) области 54а расположенного ниже отверстия 36 для пленочного охлаждения. Преимущественно это относится ко всему ряду отверстий 36. Разумеется, в элементе газовой турбины согласно изобретению друг за другом могут быть расположены также два или более рядов.

На фиг. 3 показано распределение эффективности пленочного охлаждения ниже по потоку от отверстий для пленочного охлаждения, с одной стороны, для известных в уровне техники отверстий для пленочного охлаждения с симметричным диффузором (на фиг. 3 вверху), а, с другой стороны, для отверстий 36 для пленочного охлаждения (на фиг. 3 внизу) согласно изобретению. Первоначально имеющихся в уровне техники струй 58 охлаждающего воздуха от каждого отдельного отверстия для пленочного охлаждения можно, согласно изобретению, избежать. Если смотреть перпендикулярно направлению 52 потока горячего газа 39, то температурный профиль ниже по потоку от отверстий 36 для пленочного охлаждения согласно изобретению намного более равномерный, чем в известном уровне техники. Это приводит к тому, что поверхностное и, тем самым, освобожденное от струй 60 горячего газа пленочное охлаждающее течение может образоваться намного ближе к расположенной вниз по потоку кромке 44 диффузорной части, чем в уровне техники.

Отверстия 36 для пленочного охлаждения и, тем самым, в частности, их канальные части 48 могут быть выполнены механическим сверлением, лазерным сверлением или электроэрозионной обработкой или иным способом. Форма поперечного сечения канальной части 48 обычно круглая. Также возможны другие формы проходного сечения. Канальная часть 48 выполнена, как правило, прямолинейной вдоль своей оси 50, причем ось 50 канальной части воображаемо продолжается до лежащего ниже по потоку конца диффузорной части 46 и за нее.

При повторной ссылке на фиг. 2 отверстия 36 для пленочного охлаждения согласно изобретению характеризуются тем, что ось 50 канальной части относительно локального направления 52 потока горячего газа 39 наклонена вбок на угол β наклона, а соседние друг другу отверстия 36 не соприкасаются. При проведении экспериментов оказалось, что особенно предпочтителен угол β наклона, равный 50°. Однако это значение не является ограничением, так что на основе иначе выбранных краевых условий оно может также отличаться.

По сравнению с известными в уровне техники отверстиями для пленочного охлаждения (на фиг. 3 вверху) с симметричной диффузорной частью диффузорные части согласно изобретению асимметричные. Асимметрия вызвана поворотом диффузора вокруг оси 50 канальной части. При проведении экспериментов оказалось также, что поворот на угол γ 15° является особенно предпочтительным. Поворот диффузора можно описать также тем, что диффузорная часть 46 схожа с отпечатком объема диффузора в форме половины усеченной пирамиды и развернута вокруг оси 50 канальной части на угол γ поворота.

За счет асимметричного выполнения диффузорной части 46, угла β наклона, выбранного угла γ поворота и не показанного тупого угла между поверхностью 37 основания диффузора к поверхности 38 расположенная ниже по потоку прямолинейная кромка 44 диффузорной части ориентирована не перпендикулярно направлению 52 потока горячего газа 39, а в данном примере под углом α около 75°. Вследствие этого – по отношению к направлению 52 потока горячего газа 39 – тупоугольная угловая область 54 может быть расположена выше по потоку от остроугольной угловой области 54. Это позволяет выбрать расстояние между двумя непосредственно соседними отверстиями для пленочного охлаждения так, что обе упомянутые угловые области 54 упомянутых отверстий 36 для пленочного охлаждения могут быть выровнены, если смотреть в направлении 52 потока горячего газа, без соприкосновения их диффузорных частей. Вследствие этого измеряемая перпендикулярно направлению 52 потока горячего газа ширина В (фиг. 3) расположенных ниже по потоку диффузорных кромок 44 каждого отдельного отверстия 36 для пленочного охлаждения и, тем самым, создаваемые ими струи 56 охлаждающего воздуха могут быть настолько большими, что последние касаются друг друга непосредственно ниже по потоку от диффузорных задних кромок 44 и при известных условиях даже незначительно перекрываются без необходимости для этого более высокой плотности отверстий для пленочного охлаждения. Более высокая плотность достигалась бы за счет уменьшения расстояния А (фиг. 3).

На фиг. 4 на виде в перспективе показано перо 16 рабочей лопатки 10 турбины, у которой локально разные, близкие к стенке направления потока горячего газа на конце лопатки показаны стрелками 64. По мере приближения к задней кромке 20 пера 16 возникающие на конце 32 лопатки локальные, близкие к стенке потоки 64 горячего газа имеют бóльшую осевую составляющую, чем вблизи передней кромки 18. Следовательно, расположенные ближе к передней кромке 18 потоки 64 горячего газа ориентированы больше в радиальном направлении, чем в осевом направлении.

С учетом локальных направлений потока горячего газа на конце пера лопатки и того факта, что посредством отверстий 36 для пленочного охлаждения согласно изобретению поверхностное пленочное охлаждение без просветов может быть создано существенно ближе к расположенной ниже по потоку кромке 44 диффузорной части 46, чем в уровне техники, это устройство особенно подходит для охлаждения задевающей кромки 62 пера 16 (фиг. 5).

В случае ряда 34 для пленочного охлаждения согласно изобретения, который расположен радиально на почти постоянном расстоянии до задевающей кромки 62, отверстия 36 для пленочного охлаждения могут быть распределены за счет этого вдоль хорды профиля на расстоянии А, которое увеличивается с приближением положения отверстий 36 к задней кромке 20. Из фиг. 5 видно, что тупоугольные угловые области 54 первого, здесь лежащего дальше слева отверстия 36 и остроугольные угловые области 54 соседнего с ним непосредственно справа (второго) отверстия 36 расположены по отношению друг к другу так, что выходящий из первого отверстия 36 поток охлаждающего воздуха, по меньшей мере, касается потока охлаждающего воздуха из второго отверстия 36. Также в случае отверстий 36 ряда 34 оси их 50 канальных частей наклонены примерно на 50° к локально изменяющемуся направлению близкого к стенке потока горячего газа. Благодаря выбранной перспективе изображения на фиг. 5 и выпуклой поверхности стороны нагнетания наблюдатель смотрит на поверхность везде не вертикально, а частично, напротив, тангенциально. За счет этого указанные углы наклона могут восприниматься иначе. Тем не менее, это позволяет создать охлаждающую пленку, которая, если смотреть в направлении ряда для пленочного охлаждения, по существу, без просветов. Выражаясь технически более корректно, это значит, что в местах ниже по потоку от расположенной ниже по потоку кромки 44 диффузорной части и между ними можно существенно уменьшить различия между локальными температурами.

В частности, вышеупомянутое выполнение позволяет защитить задевающие кромки 62 рабочих лопаток 10 турбины от вредных воздействий горячего газа и, тем самым, существенно увеличить срок их службы без возникновения упомянутых в уровне техники явлений износа.

Изобретение относится к элементу газовой турбины с пленочным охлаждением, имеющему подвергаемую воздействию горячего газа поверхность, в которой выполнены отверстия для пленочного охлаждения. Каждое из отверстий для пленочного охлаждения имеет в направлении своего потока канальную часть и непосредственно примыкающую к ней диффузорную часть, включающую в себя расположенную выше по потоку кромку диффузорной части, две продольные кромки и расположенную ниже по потоку кромку диффузорной части. Каждая продольная кромка сходится с расположенной ниже по потоку кромкой диффузорной части в угловой области. Чтобы создать эффективное расположение отверстий для пленочного охлаждения, охлаждающая пленка которых образуется ближе, чем прежде, за расположенной ниже по потоку кромкой диффузорной части, оси соответствующих канальных частей должны быть наклонены к локальному направлению потока горячего газа, а их диффузорные части выполнены асимметричными таким образом, что непосредственно соседние угловые области соседних отверстий для пленочного охлаждения, если смотреть в направлении потока горячего газа, выровнены. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Элемент (8) газовой турбины с пленочным охлаждением, имеющий подвергаемую воздействию горячего газа (39) поверхность (38), в которой выполнены отверстия (36) для пленочного охлаждения, объединенные в направлении поперек направления (52) потока горячего газа (39) по меньшей мере в один ряд (30, 34), причем каждое из отверстий (36) для пленочного охлаждения имеет в направлении своего потока канальную часть (48) и непосредственно примыкающую к ней диффузорную часть (46), включающую в себя расположенную выше по потоку кромку (40) диффузорной части, две продольные кромки (42) диффузорной части и расположенную ниже по потоку кромку (44) диффузорной части, причем каждая продольная кромка (42) диффузорной части сходится с расположенной ниже по потоку кромкой (44) диффузорной части в угловой области (54), отличающийся тем, что по меньшей мере два непосредственно соседних, преимущественно все отверстия (36) для пленочного охлаждения ряда (30, 34) выполнены так, что оси (50) их соответствующих канальных частей (48) наклонены вбок к локальному направлению (52) потока горячего газа (39), а их диффузорные части (46) выполнены относительно продолжения оси (50) канальной части асимметричными таким образом, что непосредственно соседние угловые области (54) соответствующих соседних отверстий (36) для пленочного охлаждения, если смотреть в направлении (52) потока горячего газа (39), выровнены или расположены с перекрытием без соприкосновения диффузорных частей (46).

2. Элемент (8) по п. 1, в котором диффузорные части (46) схожи с отпечатками объема диффузора в форме половины усеченной пирамиды, объем которой для образования асимметрии повернут на угол (γ) поворота вокруг оси (50) канальной части.

3. Элемент по п. 2, в котором угол (γ) поворота составляет около 15°.

4. Элемент (8) по любому из пп. 1, 2 или 3, в котором расположенная выше по потоку кромка (40) диффузорной части, одна или обе продольные кромки (42) и/или расположенная ниже по потоку кромка (44) диффузорной части (46) выполнены, по существу, прямолинейными.

5. Элемент (8) по п. 3, в котором расположенная ниже по потоку кромка (44) соответствующей диффузорной части (46) образует с локальным направлением потока горячего газа угол (α), отличающийся от 90°.

6. Элемент (8) по любому из пп. 1–5, в котором оси (50) канальных частей наклонены относительно общего направления (52) потока горячего газа (39) под углом (β) наклона около 50°.

7. Элемент (8) по любому из пп. 1–6, выполненный в виде охлаждаемой рабочей лопатки (10) турбины, содержащей аэродинамически профилированное перо (16), включающее в себя стенку (22) стороны всасывания и стенку (24) стороны нагнетания, которые по отношению к хордам профиля пера (16) проходят от передней кромки (18) пера (16) к его задней кромке (20), а по отношению к радиальному направлению – от конца (17) со стороны ступицы к свободному концу (32) пера, причем на конце (32) пера, по меньшей мере со стороны нагнетания обеспечена задевающая кромка (62), причем по меньшей мере один из рядов отверстий (36) для пленочного охлаждения со стороны нагнетания вдоль хорды профиля расположен на приблизительно постоянном расстоянии до задевающей кромки (62) для ее охлаждения.

8. Элемент (8) по п. 7, в котором по мере уменьшения расстояния до задней кромки (20) возрастают расстояния (А) между двумя непосредственно соседними отверстиями (36) для пленочного охлаждения.

9. Элемент (8) по п. 7 или 8, в котором по мере уменьшения расстояния до задней кромки (20) оси (50) канальных частей все больше наклонены к задней кромке (20).