КОМПОНЕНТ ТУРБОМАШИНЫ С ВНУТРЕННИМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 2020 года по МПК F01D5/18 

Настоящее изобретение относится к компоненту турбомашины с внутренним охлаждением.

В частности, изобретение относится к компоненту турбомашины, который может быть аэродинамическим профилем.

Уровень техники

Газовые турбины обычно содержат ряды неподвижных направляющих лопаток, прикрепленных к кожуху турбины, и ротор с множеством рядов вращающихся лопаток ротора, прикрепленных к валу ротора. Горячая рабочая среда под давлением течет через ряды направляющих и вращающихся лопаток, прилагая момент к лопаткам ротора, одновременно передавая существенное количество теплоты, в частности, на направляющие и вращающиеся лопатки.

Компоненты турбомашины с внутренним охлаждением, такие как направляющие лопатки и вращающиеся лопатки, могут содержат охлаждающий канал, проходящий сквозь такой компонент. Для улучшения теплопереноса в охлаждающий поток, текущий в охлаждающем канале, в этом охлаждающем канале создают группу стоек. Эта группа стоек содержит отдельные стойки, распределенные по охлаждающему каналу в регулярном порядке, поскольку отсутствие стойки в конкретном месте создает пустоту, позволяющую охлаждающему потоку обогнуть определенные стойки или всю группу стоек. Поэтому наличие пустоты мот привести к общему ухудшению охлаждения и к увеличению градиентов температуры. Такая пустота может представлять особую проблему в области между группой стоек и боковой стенкой, ограничивающей охлаждающей канал.

Обычно эта проблема частично преодолевается с помощью полустоек, т.е., по существу, полуцилиндрических стоек, сформированных на боковой стенке и проходящих в охлаждающий канал. Полустойки напоминают стойки и, тем самым, уменьшают размер пустоты между боковой стенкой и группой стоек. Поэтому охлаждающий поток более равномерно распределяется через группу стоек. Однако формирование полустоек не всегда возможно, например, из-за ограничений, вызванных свойствами конкретных сплавов, из которых сформирован компонент, поскольку может привести к структурным дефектам. Желательно избежать необходимости в полустойках, особенно, если компонент литой, поскольку это упростит керамический сердечник и улучшит выход годного при литье. Тем не менее, отказ от полустоек неблагоприятно влияет на охлаждающий поток.

Поэтому имеется большая потребность в компоненте турбомашины с внутренним охлаждением, имеющим улученную конструкцию охлаждающего канала.

Краткое описание изобретения

Согласно настоящему изобретению, предлагается устройство, признаки которого приведены в приложенной формуле. Другие признаки изобретения будут понятны из зависимых пунктов формулы и нижеследующего описания.

Соответственно предлагается компонент турбомашины с внутренним охлаждением, содержащий основной корпус (200) имеющий: первую концевую стенку (210), вторую концевую стенку (212), отстоящую от первой концевой стенки (210), и боковую стенку (220), проходящую между первой концевой стенкой (210) и второй концевой стенкой (212) так, что первая концевая стенка (210), вторая концевая стенка (212) и боковая стенка (220) определяют охлаждающий канал (230), проходящий между впуском (202)и выпуском (204) для среды, группу (240) стоек, содержащую множество стоек (241), которые перекрывают охлаждающий канал (230) между первой концевой стенкой )210) и второй концевой стенкой (212), в котором группа (240) стоек отстоит от боковой стенки (220) для определения проточного канала (250) между ними; и направляющую (260) потока для направления охлаждающего потока от проточного канала (250) в группу (240) стоек. Направляющая (260) потока имеет переднюю кромку (270), заднюю кромку (272) и центральную линию (274), которая пересекает и переднюю кромку (270) и заднюю кромку (272), при этом наклон (276) центральной линии (274) на пересечении с передней кромкой (270) имеет угол θ к боковой стенке (220) и/или направлению (F1, F2) поток в диапазоне от 0° до 45°.

Направляющая 260 может иметь второй наклон (278) центральной линии (274) на пересечении с задней кромкой (272), который имеет угол ϕ к боковой стенке (220) и/или направлению (F1, F2) потока в диапазоне от 20° до 45°.

Угол ϕ может быть больше или равен углу θ.

Направляющая 260 потока выполнена с возможностью перенаправлять охлаждающий поток в охлаждающем канале 230 и, тем самым, втягивать периферийны поток F1 из проточного канала 250 в группу 240 стоек. Таким образом, направляющая 260 потока улучшает охлаждение, уменьшая количество охлаждающего потока, обходящего группу 240 стоек, и снижает большие градиенты температур вокруг проточного канала 250.

Группа (240) стоек может содержать первый ряд (242) стоек, который расположен рядом с боковой стенкой (220) и отстоит от нее, и второй ряд (244) стоек, которой отстоит от первого ряда (242, при этом первый ряд расположен рядом с боковой стенкой (220), а направляющая (260) потока проходит от первого ряда (242) до второго ряда (244).

Группа (240) стоек может содержать первую колонку (246) стоек (241) и вторую колонку стоек, при этом стойки (241) в каждой колонке (246, 248) по существу выровнены и первая колонка (246) расположена перед второй колонкой (248), а направляющая (260) потока проходит от первой колонки (246) до второй колонки (248).

Направляющая (260) потока может содержать головную часть (263), заднюю часть (264) и удлиненную среднюю часть (265), проходящую между головной частью (263) и задней частью (264), при это м средняя часть (265) выполнена с возможностью определять внутреннюю сторону (266), обращенную к группе (240) стоек, и внешнюю часть (267), обращенную к боковой стенке.

Первая секция (268) внутренней стороны (266) может быть вогнутой.

Вторая секция (269) внутренней стороны (266) может быть выпуклой, и вторая секция (269) расположена ближе к задней части (264) чем к головной части (263).

Головная часть (263) может быть выполнена как скругленный конец направляющей (260) потока, а задняя часть (264) выполнена как заостренный конец направляющей (260) поток, при этом задняя часть (264) расположена после головной части (263).

Направляющая (260) потока может проходить поперек всего охлаждающего канала (230) между первой концевой стенкой (210) и второй концевой стенкой (212).

Направляющая (260) потока может быть отстоит от боковой стенки (220).

Боковая стенка (220) может быть по существу планарной.

Компонент турбомашины может содержать множество направляющих (260) потока.

Множество направляющих (260) потока расположено как первый ряд (261) направляющий (260) и второй ряд (262) направляющих (260).

Множество направляющих, расположенных как первый ряд направляющих потока и/или второй ряд направляющих потока может быть выровнено в направлении, параллельном боковой стенке и/или в направлении потока.

Первый ряд (261) направляющих (260) потока может иметь первый интервал между соседними стойками в ряду, второй ряд (262) направляющих потока может иметь второй интервал между соседними стойками в ряду, при этом первый интервал по существу равен второму интервалу, а первый ряд (базовый) направляющих (260) потока смещен относительно второго ряда (262) направляющих (260) потока приблизительно на половину первого интервала.

В другом примере предлагается керамический сердечник для отливки компонента турбомашины, описанного выше.

Краткое описание чертежей

Далее следует описание примеров настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых:

Фиг. 1 - схематическое представление примера турбомашины.

Фиг. 2 - увеличенный фрагмент сечения турбины турбомашины по фиг. 1.

Фиг. 3 - схематический вид в перспективе основного корпуса иллюстративного компонента турбомашины.

Фиг. 4 - вид сверху охлаждающего канала, сформированного в основном корпусе.

Фиг. 5 - вид сверху охлаждающего канала в другом основном корпусе.

Фиг. 6 - вид сверху охлаждающего канала в другом основном корпусе.

Фиг. 7 - вид сверху еще одного примера охлаждающего канала.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к компоненту, например, к направляющей лопатки статора или к лопатке ротора, предназначенному для использования в турбомашине, например, в газовой турбине.

В этом контексте на фиг. 1 и 2 показана известная конструкция, в которой можно применить признаки настоящего изобретения.

На фиг. 1 показан пример газовой турбины 60 в сечении, который иллюстрирует природу направляющих лопаток статора, лопаток ротора и среды, в которых они работают. Газотурбинный двигатель 60 содержит, в направлении потока, впуск 62, секцию 64 компрессора, секцию 66 камеры сгорания и секцию 68 турбины, которые, по существу, расположены последовательно в направлении потока и в направлении продольно оси или оси 70 вращения. Газотурбинный двигатель 60 далее содержит вал 72, выполненный с возможностью вращения вокруг оси 70 проходящий продольно сквозь газотурбинный двигатель 60. Ось 70 вращения нормально является осью вращения соответствующего газотурбинного двигателя. Поэтому указания на "осевое", "радиальное" и "периферийное" направления означают направления относительно оси 70 вращения.

Вал 72 соединяет секцию 68 турбины с секцией 64 компрессора с возможностью передачи приводного усилия.

При работе газотурбинного двигателя 60 воздух 74, который забирается через впуск 62, сжимается в секции 64 компрессора и подается в секцию 66 камеры сгорания. Секция 66 камеры сгорания содержит напорную камеру 76, одну или более камеру 78 сгорания, определенную кожухом 80 с двойной стенкой, и по меньшей мере одну горелку 82, прикрепленную к каждой камере 78 сгорания. Камеры 78 сгорания и горелки 82 расположены внутри напорной камеры 76. Сжатый воздух, проходящий сквозь секцию 64 компрессора, входит в диффузор 84 и выходит из диффузора 84 в напорную камеру 76, откуда часть воздуха попадает в горелку 82 и смешивается с газообразным или жидким топливом. Топливовоздушная смесь затем сгорает и газообразные продукты горения 86 или рабочий газ, полученный в результате сгорания, канализируется по переходному каналу 88 в секцию 68 турбины.

Секция 68 турбины может содержать множество дисков или колес 90, несущих лопатки, закрепленных на валу 72. В показанном примере секция 69 турбины содержит два диска 90, каждый из которых несет кольцевой набор турбинных узлов 12, каждый из которых содержит аэродинамический профиль 14, реализованный как лопатка 100 турбины (показанная на фиг. 2). Турбинные решетки 92 расположены между лопатками 100 турбины. Каждая турбинная решетка 92 несет кольцевой набор турбинных узлов 12, каждый из которых содержит аэродинамический профиль в форме направляющих лопаток (т.е., лопаток 96 статора, показанных на фиг. 2), которые закреплены на статоре 94 газотурбинного двигателя 60.

На фиг. 2 в увеличенном масштабе приведен вид направляющей лопатки 96 статора и лопатки 100 ротора. Стрелки "А" показывают направление потока газообразных продуктов 86 сгорания через аэродинамические профили 96, 100. Стрелки "В" показывают пути воздуха, предназначенного для уплотнения. Стрелки "С" показывают пути охлаждающего воздуха через впуск 202 до выпуска 204 через охлаждающий канал 230 в направляющей лопатке 96 статора. В диске 90 ротора могут быть выполнены охлаждающие каналы 101, которые проходят радиально наружу для запитывания проточных каналов 103 в лопатке 100 ротора. Проточные каналы 103 соединяют впуск 202 с охлаждающим каналом 230, который открыт в выпуск 204, который (в показанном примере) находится на конце лопатки.

Также на фиг. 2 показан тепловой экран 140, который определяет часть пути "А" потока в турбине. Он также может иметь впуск 202, охлаждающий канал 230 и выпуск 204 для улучшения охлаждения.

Газообразные продукты 86 сгорания из камеры 78 сгорания входит в секцию 68 турбины и приводит во вращения лопатки 100 турбины, которые, в свою очередь, вращают вал 72 для передачи приводного усилия на компрессор. Направляющие лопатки 96 предназначены для оптимизации угла, под которым газообразные продукты сгорания или рабочий газ 86 воздействуют на лопатки турбины.

На фиг. 3 приведен вид в перспективе компонента турбомашины с внутренним охлаждением, например, лопатки 100 ротора, направляющей лопатки 96 статора и/или теплового экрана 140, показанных на фиг. 2.

Каждая из приведенных для примера лопатки 100 ротора, направляющей лопатки 96 статора и/или тепловой экран 140 (т.е., "компонент") содержит основной корпус 200, имеющий впуск 202 для среды и выпуск 204 для среды. Термины "впуск для среды" и "выпуск для среды" может означать единственный впуск и/или выпуск или множество впусков и/или выпусков, например, множество отверстия, расположенных так, чтобы сформировать единый впуск/выпуск.

Основной корпус 200 содержит первую концевую стенку 210 и вторую концевую стенку 212. Первая концевая стенка 210 и вторая концевая стенка 212 определяют противоположные концы основного корпуса 200 в первом направлении, показанном стрелкой D на фиг. 3. Поэтому в лопатке 100 ротора или направляющей лопатке 96 статора первая концевая стенка 210 и вторая концевая стенка 212 могут быть стенками, которые определяют всасывающую сторону и нагнетательную сторону аэродинамического профиля. В случае теплового экрана 140 первая концевая стенка 210 и вторая концевая стенка 212 могут определять радиально внутреннюю и внешнюю поверхности теплового экрана, как показано на фиг. 2.

Основной корпус 200 содержит первую боковую стенку 220 и вторую боковую стенку 222. Боковые стенки 220 и 222 сформированы на боковых сторонах основного корпуса 200 и, таким образом, определяют противоположные стороны основного корпуса 200 во втором направлении, показанном стрелкой "Е" на фиг. 3, которое перпендикулярно первому направлению "D". Поэтому, в лопатке 100 ротора и в направляющей лопатке 96 статора первая боковая стенка 220 и вторая боковая стенка 22 могут определять переднюю кромку или заднюю кромку (в зависимости от требуемого направления вращения) или законцовку или плоскость лопатки или являться другой частью внутренней структуры направляющей лопатки 96 или лопатки 100. В случае теплового экрана 140 первая боковая стенка 220 и вторая боковая стенка 222 могут определять разнесенные по окружности краевые стенки теплового экрана.

Для примера, детали первой боковой стенки 220, для упрощения ссылок будут именоваться "боковая стенка 220". Это относится и ко второй боковой стенке 222.

В этом примере боковая стенка 220 является по существу планарной. То есть, боковая стенка 220 в целом может быть наклонена, скошена или изогнута относительно других стенок, однако отсутствуют выступы, отходящие от боковой стенки 220 или углубления в ней, кроме тех, которые описаны ниже.

Множество стенок 210, 212, 220, 222 определяют внутренний охлаждающий канал (или "камеру") 230, проходящий сквозь основной корпус 200. Охлаждающий канал 230 проходит между впуском 202 для среды и выпуском 204 для среды. Высота охлаждающего канала 220 определена вдоль первого направления D, а ширина охлаждающего канала 230 определена вдоль второго направления "Е". Длина охлаждающего канала определена вдоль направления, показанного на фиг. 3 стрелкой "F", перпендикулярной и направлению "D", и направлению "E".

При работе теплота переносится от основного корпуса в соответствующую охлаждающую среду. Охлаждающая среда может содержать воздух. Охлаждающий поток входит в охлаждающий канал 230 через впуск 202, по существу, следуя в направлении "F" (или в "третьем направлении"), которое перпендикулярно первому направлению "D" и второму направлению "E", следует по охлаждающему каналу 230 и, в итоге, выходит через выпуск 204. Направление поток показано стрелками "F1", "F2", "F3".

В охлаждающем канале 230 расположена группа 240 стоек для оптимизации теплопереноса между основным корпусом 200 и охлаждающим потоком. Группа 240 стоек предназначена для создания извилистых путей потока и увеличения площади поверхности, доступной для теплообмена.

На фиг. 4 показан вид в перспективе с частичным вырывом основного корпуса 200. Группа 240 стоек содержит множество разнесенных индивидуальных стоек 241. В этом примере стойки 241 расположены рядами и колонками, как показано на фиг. 5, включая первый ряд 242, второй ряд 244, первую колонку 246 и вторую колонку 248. Стойки 241 каждого ряда и колонки расположены по существу последовательно или выровнены. каждый ряд и каждая колонка определяют приблизительно одинаковый угол, который в настоящем примере равен приблизительно 90°.

Первый ряд 242 проходит рядом (или "вдоль") боковой стенки 220 и отстоит от расположенной рядом боковой стенки 220. То есть, среди множества рядов первый ряд 242 является ближайшим к боковой стенке 220. В настоящем примере первый ряд 242 проходит по существу параллельно боковой стенке 220. Второй ряд 244 расположен непосредственно рядом с первым рядом 242 и является ближайшим к нему, проходя рядом и, смотря по обстоятельствам, параллельно первому ряду 242. Первая колонка 246 и вторая колонка 248 расположены таким же образом. Таким образом, каждая стойка 241 является частью одного ряда и одной колонки.

Группа 240 стоек перекрывает охлаждающий канал 230 между первой концевой стенкой 210 и второй концевой стенкой 212. То есть, каждая стойка 241 группы 240 проходит в первом направлении "D", от первой концевой стенки 210 до второй концевой стенки 212. Другими словами, высота стоек 241 соответствует высоте охлаждающего канала 230. Поэтому возникают извилистые пути потока, поскольку потоку, встречающему на своем пути группу 240 стоек, приходится огибать отдельные стойки 241.

Между боковой стенкой 220 и первым рядом 242 стоек 241 сформирован проточный канал 250 (или "пустота"), который примыкает к боковой стенке 250. Пустота 250 определена отсутствием признаков, которые могут препятствовать потоку, например, стоек 241 рядом с боковой стенкой 220 и/или полустоек, сформированных на боковой стенке 220.

Проточный канал 250 определен между боковой стенкой 220 и группой 240 стоек. В этом примере группа 240 стоек содержит колонки 246, 248, которые смещены относительно друг друга на половину интервала между стойками и, поэтому, проточный канал 250 имеет максимальную ширину Wmax и минимальную ширину Wmin. Максимальная ширина Wmax может быть равна интервалу между соседними стойками 241 колонок 246, 248 группы 240 стоек, а минимальная ширина Wmin может быть равна приблизительно половине интервала между соседними стойками в колонках 246, 248.

Таким образом, часть охлаждающего потока, проходящего по охлаждающему каналу 230 вдоль проточного канала 250, по существу следуя направлению, показанному стрелкой F1, не встречается со стойками 241. Соответственно, эта часть охлаждающего потока проходит по охлаждающему каналу 230, не встречая препятствий в форме стоек 241, тогда как охлаждающий поток, текущий в направлении, показанном стрелкой F2, ударяется о группу 240 стоек. Поэтому в результате таких ударов формируется локальная область высокого давление, а, за счет отсутствия признаков настоящего изобретения, в результате беспрепятственного потока по проточному каналу 250 формируется локальная область низкого давления.

В охлаждающем канале 230 имеется направляющая 260 потока. Направляющая 260 поток сконфигурирована для перенаправления охлаждающего потока F1, F2 в охлаждающем канале 230 и, в частности, сконфигурирована для направления охлаждающего потока из проточного канала 250 в группу 240 стоек. Как показано на фиг. 3, стойки 241 группы 240 стоек расположены перед и/или после направляющей 260 потока. В некоторых примерах направляющая 260 потока расположена между стойками 241, расположенными перед и после направляющей 260 потока.

Направляющая 260 потока перекрывает охлаждающий канал от первой концевой стенки 210 до второй концевой стенки 212, т.е. проходит от первой концевой стенки 210 до второй концевой стенки 212. Другими словами, направляющая 260 потока имеет высоту охлаждающего канала 230.

Направляющая 260 потока проходит из проточного канала 250 в группу 240 стоек. Соответственно, направляющая 260 потока является удлиненной. В настоящем примере направляющая 260 потока отстоит от боковой стенки 220 и не присутствует в проточном канале 250. Вместо этого направляющая 260 потока проходит от области, расположенной рядом с проточным каналом 250, и входит в группу 240 стоек.

В настоящем примере в охлаждающем канале 230 присутствует множество направляющих 260 потока. Другая направляющая 260 потока установлена после первой направляющей 260 потока, и обе направляющие потока разделены стойкой 241. Множество направляющих 260 потока расположены последовательно вдоль периферии группы 240 стоек для определения первого ряда 261 направляющих 260 потока. В другом примере, который описан ниже, имеется и второй ряд 262 направляющих 260 потока.

Головная часть (или "первый конец") 263 направляющей 260 потока расположен ближе к боковой стенке 220, чем хвостовая часть (или "второй конец") 264 направляющей 260 потока. Другими словами, направляющая 260 потока проходит в группу 240 стоек от боковой стенки 220.

В настоящем примере направляющая 260 потока и группа 240 стоек отстоят от боковой стенки 220 на приблизительно одинаковое расстояние. То есть, первый ряд 242 стоек и головная часть 263 направляющей 260 потока отнесены от боковой стенки 220 на приблизительно одинаковое расстояние. Таким образом, головная часть 263 направляющей 260 потока расположена на периферии группы 240 стоек, а хвостовая часть 264 расположена внутри группы 240 стоек.

Средняя часть 265 направляющей 260 потока проходит между головной частью 263 и хвостовой часть. 264. В этом примере средняя часть 265 выполнена по существу удлиненной. Удлиненная средняя часть 265 проходит на первое расстояние в третьем направлении "F" и на второе расстояние во втором направлении "E", которое соответствует ширине охлаждающего канала 230. То есть, первое расстояние средней части 265 проходит вдоль охлаждающего канала 230, а второе расстояние средней части 265 проходит поперек охлаждающего канала 230. В этом примере первое расстояние и второе расстояние по существу равны. В других примерах первое расстояние больше второго расстояния.

Направляющая 260 потока имеет такую длину, чтобы перекрывать множество рядов 242, 244 стоек 241 и множество колонок 246, 248 стоек 241. Например, направляющая 260 потока может перекрывать по меньшей мере два ряда 242, 244 и две колонки 246, 248. В этом примере направляющая потока проходит от первого ряда 242 стоек 241 до второго ряда 244 стоек 241, и от первой колонки 246 стоек 241 до второй колонки 248 стоек 241.

Например, как показано на фиг. 3-5, направляющая 260 потока может перекрывать два ряда 242, 244 и/или две колонки 246, 248.

Альтернативно, как показано на фиг. 6, направляющая 260 потока может перекрывать два ряда 242, 244 и/или две колонки 246, 248.

В другом примере, как показано на фиг. 7, направляющая потока 260 проходит от первого ряда 242 стоек 241 ко второму ряду 244 стоек 241, и от первой колонки 246 стоек 241 ко второй колонке 248 стоек 241.

Средняя часть 265 определяет внутреннюю сторону 266 направляющей 260 потока и внешнюю сторону 267 направляющей 260 потока. Внутренняя сторона 266 по существу обращена к группе 240 стоек, а внешняя сторона по существу обращена к боковой стенке 220. Другими словами, боковая стенка 220 находится с одной стороны направляющей 260 потока, т.е., с внешней стороны 267, а группа 240 стоек расположен с другой стороны направляющей 260 потока, т.е., с внутренней стороны 266. В этом примере средняя часть 265 выполнена по существу прямой так, что и внутренняя сторона 266, и внешняя сторона 267 являются по существ прямыми.

В описанном выше примере головная часть 263 расположена на периферии группы 240 стоек, а хвостовая часть 264 расположена внутри группы 240 стоек. В других примерах головная часть 263 может находиться в проточном канале 250 и/или хвостовая часть 264 может находиться на периферии группы 240 стоек.

В примере по фиг. 5 имеется другой ряд направляющих 260 потока для дополнительной оптимизации охлаждающего канала.

То есть, множество направляющих 260 потока расположены в первом ряду направляющих 260 потока и во втором ряду направляющих 270 поток. Термин "ряд", как и в отношении рядов стоек группы 240, понимается как первый ряд направляющих потока, находящийся рядом с боковой стенкой 220 и ближайший к ней. Второй ряд направляющих потока проходит рядом с первым рядом направляющих потока. В этом примере между направляющими 260 потока первого ряда и направляющими 270 потока второго ряда имеется промежуток. То есть, поток, движущийся в направлении потока, сначала встречается с элементом одного из рядов направляющих, а затем с элементом другого ряда направляющих потока.

Как показано на фиг. 6, форма направляющей 260 потока адаптирована для дополнительной оптимизации охлаждающего канала 230. В этом примере внутренняя сторона 265 содержит первую секцию 268 и вторую секцию 269. Первая секция 268 вогнута. Вторая секция 269 выполнена выпуклой и расположена ближе к хвостовой части 263 чем первая часть 268. Таким образом, охлаждающий поток, попадающий на направляющую 260, сначала следует по вогнутой секции 268, а затем - по выпуклой секции 269 для оптимизации охлаждающего потока. Как показано на фиг. 6 внешняя сторона 266, наоборот, имеет первую выпуклую секцию и вторую вогнутую секцию.

Как показано на фиг. 6, форма направляющей 260 потока дополнительно адаптирована так, что головная часть 263 определяет скругленный конец, а хвостовая часть 260 определяет заостренный конец. Заостренный конец является более узкой частью направляющей 260 потока, чем скругленный конец. Скругленный конец находится впереди т сконфигурирован для деления набегающего потока, тогда как заостренный конец расположен сзади и выполнен с возможностью вновь соединять охлаждающий поток.

При работе/эксплуатации охлаждающий поток F1, F2, F3 входит в охлаждающий канал 230 через впуск 202, проходит по охлаждающему каналу 230 и выходит из охлаждающего канала 230 через выпуск 204. Во время прохождения по охлаждающему каналу 230 охлаждающий поток разделяется на центральный поток F2, проходящий сквозь группу 240 стоек, и периферийный поток F1, текущий по проточному каналу 250.

Направляющая 260 поток сконфигурирована так, чтобы перенаправлять охлаждающий поток в группу 240 стоек. Часть центрального потока F2 попадает на направляющую 260 потока и, поэтому, перенаправляется от головной части 263 направляющей 260 потока к хвостовой части 264. Это создает область низкого давления у головной части 263. Эта область низкого давления подсасывает периферийный поток F1 из проточного канала 250 к группе 240 стоек. То есть, даже там, где направляющая 260 отсутствует в проточном канале 250, или у боковой стенки 220, или не проходит в проточный канал 250 или к боковой стенке 220, направляющая 260, тем не менее, служит для перенаправления потока F1 из проточного канала 250 в группу 240 стоек. Таким образом, направляющая 260 поток подсасывает охлаждающий поток от боковой стенки 220 и из поточного канала 250.

Другими словами, направляющая 260 потока направляет часть потока, но не весь поток, проходящего по проточному каналу 250 в группу 240 стоек.

Как показано на фиг. 5, 6 и 7, направляющая 260 далее может быть определена относительно боковой стенки 220 и/или направления F1, F2 потока. Направляющая 260 потока имеет переднюю кромку 270, заднюю кромку 272 и центральную линию 274, которую также можно назвать средней линией профиля. Центральная линия 274 - это линия, проходящая через геометрический центр направляющей 260 потока. Центральная линия 274 пересекает и переднюю кромку 270, и заднюю кромку 272 в соответствующих точках пересечения. Касательная 276 к центральной линии 274 на пересечении с передней кромкой 270 определяет угол θ к боковой стенке 220. В широком смысле угол θ составляет от 0° до 45° для всех показанных и описанных здесь вариантов. Далее, направляющая 260 потока может содержать два или более прямых участка, которые расположены под углом друг к другу и эффективно аналогичны изогнутым направляющим потока по фиг. 6 и 7. Здесь направляющая 260 потока имеет по меньшей мере один изгиб и имеет начальный угол θ, где охлаждающий поток ударяется в направляющую 260 потока и конечный угол ϕ к боковой стенке 220, где охлаждающий поток сходит с направляющей 260 потока.

Ориентация и приведенные углы θ и углы ϕ направляющей 260 потока таковы, то часть охлаждающего потока F1, F2 направляется из охлаждающего канала 230 в группу 240 стоек. Поэтому направляющая 260 потока улучшает охлаждение, уменьшая количество охлаждающего потока, обходящего группу 240 стоек и уменьшая высокие градиенты температуры вокруг проточного канала 250.

На фиг. 4-7 множество направляющих 260 потока расположено как первый ряд 261 направляющих потока, а первый ряд 261 направляющих потока выровнен в направлении, по существу параллельном боковой стенке 220 и/или направлению F1, F2 потока. Каждая следующая направляющая 260 потока в первом ряду 261 находится на приблизительно одинаковом расстоянии от боковой стенки 220. Предпочтительно, каждая следующая направляющая 260 в первом ряду 261 отстоит от другой в направлении первого ряда по меньшей мере на одну стойку 241, хотя в других вариантах это могут быт 2 или 3 стойки 241. В некоторых обстоятельствах между направляющими 260 потока в ряду 261 направляющих может не быть стоек. Кроме того, в ряду 261 направляющих потока последовательно установленные направляющие 261 потока могут быть разнесены нерегулярно с разным количеством стоек или без стоек между ними.

Как показано на фиг. 5, второй ряд 262 направляющих 260 потока может иметь конфигурацию, подобную первому ряду 261, хотя, как описано выше, первый ряд 261 направляющих 260 потока смещен относительно второго ряда 262 направляющих 260 потока.

В некоторых примерах основной корпус 200 изготавливают литьем с применением керамического сердечника. изготовление литьем может быть особенно распространено, когда компонент имеет форму аэродинамического профиля, а основной корпус соответствует лопатке ротора или направляющей лопатке статора.

Прочность керамического сердечника является фактором. определяющим выход годного при литье и, следовательно, непосредственно относится к эффективности финансовых и временных затрат такого производственного процесса. Для удобства керамический сердечник для отливки основного корпуса 200 имеет плоскую сторону, предназначенную для формирования боковой стенки 220 основного корпуса 200. В частности, никаких канавок или пазов не проходит по всей высоте плоской боковой стенки, которые потребовались бы для формирования полустоек. Соответственно, керамический сердечник для литья основного корпус 200 может иметь повышенную прочность и менее сложную форму, чем потребовалось бы в ином случае для формирования полустоек.

Керамический сердечник содержит полость, сконфигурированную для формирования направляющей 260 потока. Полость, соответствующая направляющей 260 потока, сформирована подобно полостям для индивидуальных стоек в группе 240 стоек, но отличается по форме и размеру, как описано выше, чтобы сформировать направляющую 260 потока для направления охлаждающего потока сквозь охлаждающий канал 230.

Дополнительно, сердечник может определять радиусы поясков для создания соединительных примыкающих поверхностей направляющих 260 потока и концевой стенки, от которой они отходят.

Направляющая 260 потока выполнена с возможностью перенаправлять охлаждающий поток в охлаждающем канале 230. Даже не находясь физически в проточном канале 250, направляющая 260 потока служит для всасывания периферийного потока F1 из проточного канала 250 для уменьшения величины охлаждающего потока, обходящего группу 240 стоек. Таким образом достигается улучшение охлаждения с помощью группы 240 стоек и устраняются высокие температурные градиенты в области проточного канала 250.

Поскольку направляющую 260 поток не нужно формировать в проточном канале 250, керамический сердечник для литья может быть структурно упрочнен, что повышает выход годного при литье.

Следует обратить внимание на все статьи и документы, которые поданы одновременно с настоящим описанием или до него, связанные с настоящей заявкой и которые открыты для публичной проверки вместе с настоящим описанием, и содержание всех таких статей и документов включено в настоящее описание путем отсылки.

Все признаки, раскрытые в настоящем описании (включая приложенную формулу изобретения, реферат и чертежи) и/или все этапы раскрытого способа иди процесса, можно комбинировать в любой комбинации, кроме комбинаций, в которых по меньшей мере некоторые из таких признаков и/или этапов являются взаимоисключающими.

Каждый признак, раскрытый в настоящем описании (включая приложенную формулу изобретения, реферат и чертежи) может быть заменен альтернативными признаками, служащими для той же, эквивалентной или подобной цели, если прямо не оговорено иное. Поэтому. если прямо не оговорено иное, каждый раскрытый признак является лишь одним примером родовой серии эквивалентных или подобных признаков.

Настоящее изобретение не ограничивается деталями вышеописанных вариантов. Настоящее изобретение распространяется на любой новый признак или любую новую комбинацию новых признаков, раскрытых в настоящем описании (включая формулу изобретения, реферат и чертежи) или на любой новый этап или любую новую комбинацию этапов любого раскрытого способа или процесса.

Изобретение относится к энергомашиностроению. Компонент турбомашины с внутренним охлаждением содержит основной корпус (200), который содержит первую концевую стенку (210), вторую концевую стенку, отстоящую от первой концевой стенки (210), и боковую стенку (220), проходящую между первой концевой стенкой (210) и второй концевой стенкой так, чтобы первая концевая стенка (210), вторая концевая стенка и боковая стенка (220) определяли охлаждающий канал (230), проходящий между впуском (202) для текучей среды и выпуском (204) для текучей среды. Группа (240) стоек содержит множество стоек (241), перекрывающих охлаждающий канал (230) между первой концевой стенкой (210) и второй концевой стенкой. При этом группа (240) стоек отстоит от боковой стенки (220) для определения между ними проточного канала (250). Компонент также содержит направляющую (260) потока для направления охлаждающего потока из проточного канала (250), причем направляющая (260) потока проходит от проточного канала (250) в группу (240) стоек. При этом направляющая (260) потока имеет переднюю кромку, заднюю комку и центральную линию, пересекающую как переднюю кромку, так и заднюю кромку. Касательная к центральной линии на пересечении с передней кромкой образует угол θ с боковой стенкой (220) и/или с направлением (F1, F2) потока в диапазоне от 0 до 45°. Технический результат заключается в улучшении охлаждения. 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Компонент турбомашины с внутренним охлаждением, содержащий:

основной корпус (200), содержащий:

первую концевую стенку (210),

вторую концевую стенку (212), отстоящую от первой концевой стенки (210), и

боковую стенку (220), проходящую между первой концевой стенкой (210) и второй концевой стенкой (212) так, чтобы первая концевая стенка (210), вторая концевая стенка (212) и боковая стенка (220) определяли охлаждающий канал (230), проходящий между впуском (202) для текучей среды и выпуском (204) для текучей среды;

группу (240) стоек, содержащую множество стоек (241), перекрывающих охлаждающий канал (230) между первой концевой стенкой (210) и второй концевой стенкой (212),

при этом группа (240) стоек отстоит от боковой стенки (220) для определения между ними проточного канала (250), и

направляющую (260) потока для направления охлаждающего потока из проточного канала (250), причем направляющая (260) потока проходит от проточного канала (250) в группу (240) стоек,

при этом направляющая (260) потока имеет переднюю кромку (270), заднюю кромку (272) и центральную линию (274), пересекающую как переднюю кромку (270), так и заднюю кромку (272), причем касательная (276) к центральной линии (274) на пересечении с передней кромкой (270) образует угол θ с боковой стенкой (220) и/или с направлением (F1, F2) потока в диапазоне от 0 до 45°.

2. Компонент по п. 1, в котором вторая касательная (278) к центральной линии (274) на пересечении с задней кромкой (272) образует угол ϕ с боковой стенкой (220) и/или направлением (F1, F2) потока в диапазоне от 20 до 45°.

3. Компонент по п. 1, в котором угол ϕ больше или равен углу θ.

4. Компонент по любому из пп. 1-3, в котором:

группа (240) стоек включает в себя первый ряд (242) стоек (241), проходящий рядом с боковой стенкой (220), при этом первый ряд (242) расположен рядом с боковой стенкой (220) и отстоит от нее; и второй ряд (244) стоек (241), проходящий рядом с первым рядом (242) и отстоящий от первого ряда (242), причем первый ряд (242) расположен рядом с боковой стенкой (220),

при этом направляющая (260) потока проходит от первого ряда (242) до второго ряда (244).

5. Компонент по любому из пп. 1-4, в котором:

группа (240) стоек содержит первую колонку (246) стоек (241) и вторую колонку (248) стоек (241), при этом стойки (241) каждой колонки (246, 248) по существу выровнены и первая колонка (246) расположена перед второй колонкой (248),

причем направляющая (260) потока проходит от первой колонки (246) до второй колонки (248).

6. Компонент по любому из предшествующих пунктов, в котором:

направляющая (260) потока содержит головную часть (263), хвостовую часть (264) и удлиненную среднюю часть (265), проходящую между головной частью (263) и хвостовой частью (264),

причем средняя часть (265) сконфигурирована для определения внутренней стороны (266), обращенной к группе (240) стоек, и внешней стороны, обращенной к боковой стенке (220).

7. Компонент по п. 6, в котором удлиненная средняя часть (265) проходит на первое расстояние в направлении (F1, F2, F3) потока и на второе расстояние перпендикулярно направлению потока (F1, F2, F3),

причем первое расстояние равно или больше второго расстояния.

8. Компонент по п. 6 или 7, в котором первая секция (268) внутренней стороны является вогнутой.

9. Компонент по п. 8, в котором вторая секция (269) внутренней стороны (266) является выпуклой и вторая секция (269) расположена ближе к хвостовой части (264), чем к головной части (263).

10. Компонент по любому из пп. 6-9, в котором головная часть (263) выполнена как скругленный конец направляющей (260) потока, а хвостовая часть (264) выполнена как заостренный конец направляющей (260) потока, при этом хвостовая часть (264) расположена после головной части (263).

11. Компонент по любому из предшествующих пунктов, в котором направляющая (260) потока проходит поперек всего охлаждающего канала (230) между первой концевой стенкой (210) и второй концевой стенкой (212).

12. Компонент по любому из предшествующих пунктов, в котором направляющая (260) потока отстоит от боковой стенки (220).

13. Компонент по п. 12, в котором боковая стенка (220) является по существу планарной.

14. Компонент по любому из предшествующих пунктов, содержащий множество направляющих (260) потока.

15. Компонент по п. 14, в котором множество направляющих (260) потока расположено как первый ряд (261) направляющих (260) потока и, предпочтительно, второй ряд (262) направляющих (260) потока.

16. Компонент по п. 15, в котором множество направляющих (260) потока, расположенных как первый ряд (261) направляющих (260) потока и/или второй ряд (262) направляющих (260) потока, выровнено в направлении, параллельном боковой стенке (220) и/или направлению (F1, F2) потока.

17. Компонент по п. 15 или 16, в котором первый ряд (261) направляющих (260) потока имеет первый интервал между соседними стойками в ряду, а второй ряд (262) направляющих потока имеет второй интервал между соседними стойками в ряду; причем первый интервал по существу равен второму интервалу и первый ряд (261) направляющих (260) потока смещен относительно второго ряда (262) направляющих (260) потока приблизительно на половину первого интервала.