ВПАЯННЫЙ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОХЛАЖДАЕМЫХ КОМПОНЕНТОВ ТУРБИНЫ Российский патент 2020 года по МПК F01D25/12 F01D5/18 

Область техники

Настоящее изобретение относится, в целом, к газовым турбинам и, в частности, к впаянной теплопередающей детали для охлаждаемых компонентов турбины.

Уровень техники

Компоненты тракта горячего газа, такие как лопатки статора и ротора газотурбинных двигателей, при работе газовой турбины типично подвергаются высоким тепловым нагрузкам. Поток горячего газа генерируется, когда смесь сжатого воздуха и топлива сгорает в камере сгорания газовой турбины. Горячий газ течет в турбинную секцию, которая содержит лопатки статора и ротора. Температуры, которым подвергаются лопатки ротора и статора, могут достигать 450°C и, возможно, даже 1400-1600°C в тракте.

Скорость теплопереноса и эффективность охлаждения между охлаждающими текучими средами и компонентами тракта горячего газа в газотурбинном двигателе прямо коррелируют с совокупной эффективностью газовой турбины. Чем более эффективно теплота отводится от компонента, тем большая совокупная эффективность может быть достигнута.

Для охлаждения компонентов тракта горячего газа используются различные известные способы. Полученные при литье теплопередающие элементы, инжекционное охлаждение задних поверхностей компонентов тракта горячего газа и многоконтурные охлаждающие каналы - вот лишь некоторые из способов, применяемых для улучшения охлаждения горячего компонента.

Способность компонента газовой турбины отводить от себя теплоту особенно важна, учитывая высокую рабочую температуру двигателя. Одним из способов улучшения способности к охлаждению является увеличения площади поверхности компонента за счет создания теплопередающих элементов. Создание таких теплопередающих элементов внутри компонентов тракта горячего газа типично ограничено существующими технологиями литья. Дополнительно, компоненты, которые могут быть получены литьем компонента, существенно удорожают и усложняют процесс литья.

Следовательно, имеется потребность в более гибком и недорогом теплопередающем элементе и способе встраивания теплопередающего элемента в компоненты тракта горячего газа газовой турбины по сравнению с известным процессом литья.

Краткое описание изобретения

В кратком изложении, аспекты настоящего изобретения относятся к охлаждаемому компоненту турбины в турбинном двигателе, и

Предлагается охлаждаемый компонент турбины в турбинном двигателе. Такой компонент турбины является компонентом, требующим охлаждения по меньшей мере во время работы турбинного двигателя. Охлаждаемый компонент турбины содержит впаянный теплопередающий компонент, содержащий тонкую пленку, включающую теплопередающий компонент, встроенный в поверхность тонкой пленки. Пленка крепится к поверхности охлаждаемого компонента турбины твердым припоем.

Предлагается узел охлаждаемой лопатки статора турбины. Узел охлаждаемой лопатки статора турбины содержит лопатку статора турбины в турбинном двигателе, содержащую удлиненный полый аэродинамический профиль; этот аэродинамический профиль содержит внешнюю стенку и внутреннюю стенку, требующие охлаждения по меньшей мере во время работы турбинного двигателя, и вставку лопатки, вставленную в полый карман аэродинамического профиля и прикрепленную к внутренней стенке. Тонкая пленка, содержащая теплопередающий элемент, встроенный в поверхность пленки, прикреплена к поверхности лопатки статора турбины твердым припоем, при этом твердая пленка является конформной поверхности лопатки статора турбины. Теплопередающий элемент направляет поток воздуха вовне лопатки статора турбины для улучшения теплоотвода от лопатки статора турбины.

Предлагается способ охлаждения компонента турбины в турбинном двигателе. Способ содержит этапы, на которых создают компонент турбины, имеющий поверхность компонента, и припаивают на поверхность компонента тонкую пленку, содержащую теплопередающий элемент, твердым припоем. Теплопередающий элемент захватывает теплоту, генерируемую во время работы турбины, когда на компонент турбины воздействует поток горячего газа, тем самым охлаждая компонент турбины.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - вариант тонкой пленки, содержащий теплопередающие элементы;

Фиг. 2 - вид в перспективе узла лопатки статора, содержащей вставку; и

Фиг. 3 - сечение лопатки статора, содержащей вариант тонкой пленки, содержащей теплопередающие элементы.

Подробное описание изобретения

Для облегчения понимания вариантов, принципов и признаков настоящего изобретения, далее следует их подробное описание со ссылками на иллюстративные варианты воплощения. Варианты настоящего изобретения, однако, не ограничиваются применением в описанных системах или способах.

Компоненты и материалы, описываемые ниже как применяемые в различных вариантах, являются иллюстративными, а не ограничивающими. В объем настоящего изобретения входят многие подходящие компоненты и материалы, которые выполняют ту же или подобную функцию, что и материалы, описываемые ниже.

Пайка может быть определена как процесс, который приводит к сращиванию двух или более материалов путем нагрева их до некоторой температуры в присутствии материала заполнителя, при этом материал заполнителя имеет более низкую температуру плавления, чем соединяемые материалы. Поэтому заполнитель становится жидким при более низкой температуре, чем соединяемые материалы, адекватно покрывая поверхности материалов, чтобы сформировать постоянную связь. В отличие от сварки пайка позволяет создавать связь с поверхностью другого материала без плавления базового металла. Возможность пайки высокотемпературных компонентов в последние годы существенно улучшилась, что сделало пайку почти идеальным способом встраивать теплопередающие элементы в охлаждаемый компонент турбины. Например, номенклатура материалов, которые можно паять, расширилась за счет улучшенных порошковых композиций с материалами наполнителя. Пайка дает хорошие результаты для высокотемпературных компонентов, поскольку точка плавления материала наполнителя может быть значительно ниже точки плавления высокотемпературного компонента, что в случае высокотемпературных компонентов, например, из жаропрочных сплавов, может быть полезно, поскольку компонент не подвергается плавке и сохраняется целостность базового металла высокотемпературного компонента.

Приложенные чертежи приведены только для иллюстрации вариантов настоящего изобретения и не ограничивают его. На фиг. 1 показан вариант тонкой пленки 10 или листа, в который встроено множество теплопередающих элементов 20. Тонкую пленку 10, содержащую теплопередающие элементы 20 можно использовать для охлаждения компонента. Компонент может быть компонентом газовой турбины, например, подвергаемым воздействию потока горячего газа во время работы турбины. В одном варианте пленка 10 может быть способной принимать форму поверхности компонента. Крепление тонкой пленки 10 к поверхности компонента может осуществляться процессом пайки.

Толщина (t) пленки, которая определяет пленку как тонкую пленку, является толщиной, которая позволяет тонкой пленке быть достаточно гибкой, чтобы принимать форму поверхности, к которой она крепится. Толщина (t) пленки меняется в зависимости от жесткости поверхности материала компонента, минимальной толщины припоя, необходимого для соединения и геометрии поверхности, с которой связывается пленка. Толщина (t) пленки, измеренная от основания теплопередающих элементов до поверхности компонента может составлять 0,1-5 мм. Эти величины толщина приведены только для примера и не являются ограничивающими.

В показанном варианте множество теплопередающих элементов (20) имеет форму пальца, и такие элементы сформированы как периодическая структура на поверхности пленки 10. Однако теплопередающие элементы 20 могут иметь разные формы в соответствии с требованиями к охлаждению компонента, к которому может крепиться пленка 10. Например, теплопередающие элементы могут иметь форму пальца, волн, шевронов, шипов, ребер и гребней. Перечисленные формы приведены только для примера и не являются ограничивающими.

Поскольку пленка 10, содержащая теплопередающий элемент 20, является отдельным компонентом и прикреплена в компонент, а не отлита вместе с ним, теплопередающий элемент 20 можно изготавливать в соответствии с конкретным компонентом, к которому она будет крепиться и в соответствии с требованиями к охлаждению компонента. Дополнительно, замена припаянной пленки с теплопередающим элементом, осуществляется относительно легко, например, путем простого извлечения тонкой пленки 10 из компонента турбины. При наличии такой возможности теплопередающий компонент 20 можно оптимизировать для конструкции компонента турбины и рабочей среды, в которой работает этот компонент турбины.

Оптимизация теплопередающих элементов 20 может осуществляться разными способами, лишь некоторые из которых будут описаны ниже. В одном варианте оптимизация может принять форму изменения формы и/или размера теплопередающего элемента 20. Например, на тонкой пленке 10 может быть встроен один теплопередающий элемент 20 или множество теплопередающих элементов 20. Форма теплопередающего элемента 20 может быть выбрана из множества различных форм. В дополнение к формам, описанным выше, как понятно специалистам, для оптимизации теплопередающих элементов можно применять множество других форм и размеров. В другом варианте может меняться расстояние между теплопередающими элементами 20. В еще одном варианте материал тонкой пленки 10 может меняться в соответствии с конструктивными требованиями компонента, к которому будет крепиться тонкая плена 10. Еще в одном варианте положение теплопередающих элементом на тонкой пленке 10 может меняться для оптимизации теплообмена компонента турбины.

В одном варианте охлаждаемый компонент турбины может быть лопаткой ротора, лопаткой статора или вставкой лопатки. Однако, охлаждаемый компонент турбины может быть и другим компонентом, таким как сегментом диска, кожухом камеры сгорания, переходным участком камеры сгорания и т.д. Вставки лопаток могут крепиться к внутренней поверхности полого аэродинамического профиля лопатки для улучшения охлаждения лопатки.

На фиг. 2 компонент газотурбинного двигателя показан в форме стационарной лопатки 30 статора. Лопатка 30 содержит удлиненный аэродинамический профиль, имеющий корпус 35 с внешней стенкой 34 и внутренней стенкой 33 (фиг. 3). Лопатка 30 также может содержать наружный экран 39 на первом конце лопатки 30, и внутренний экран 38, также известный как платформа, на втором конце лопатки 30. Лопатка 30 может быть выполнена с возможностью применения в газотурбинном двигателе. Корпус 35 лопатки может определять один или более полый карман 37 для пропускания через него охлаждающей текучей среды для охлаждения лопатки 30. Показанная лопатка 30 в одном варианте содержит вставку 40. Для упрощения описания термин "вставка" используется в единственном числе, однако следует понимать, что вставок может быть множество. Вставка 40 может вставляться в полый карман 37 внутри лопатки 30, как показано на чертежах. В варианте, показанном на фиг. 2, тонкая пленка 10 может крепиться пайкой к внешней поверхности вставки 40, напротив внутренней стенки 33 лопатки.

На фиг. 3 показано сечение аэродинамического профиля 35 лопатки, показанной на фиг. 2. Как показано на чертеже, корпус аэродинамического профиля 35 содержит внешнюю стенку 34 и внутреннюю стенку 33. Внутри лопатка показаны два полых кармана 37, разделенных перегородкой 41. В эти полые карманы 37, как показано на чертеже, могут быть вставлены вставки 40 лопатки. На фиг. 3 также показана тонкая пленка 10, прикрепленная к поверхности внутренней стенки 33 лопатки 30 между лопаткой 30 и вставкой 40. Тонкая пленка 10 может крепиться к внутренней стенке твердым припоем. В показанном варианте тонкая пленка 10 принимает форму поверхности изогнутой внутренней стенки 33 лопатки. Теплопередающие элементы 20, встроенные в тонкую пленку 10, показаны как шипы разной высоты, отходящие от поверхности тонкой пленки 10 и проходящие внутрь полого кармана 37. Во время работы турбины воздух, текущий сквозь полые карманы 37 направляется к внешней части лопатки 30 теплопередающими элементами 20 для улучшения теплообмена в лопатке 30. В одном варианте вставка 40 лопатки статора содержит множество отверстий 42, направляющих поток воздуха на теплопередающие элементы 20 тонкой пленки 10.

В одном варианте тонкая пленка 10 может быть выполнена из любого материала, которому можно придать форму листа. В другом варианте тонкая пленка 10 может быть выполнена из того же или подобного материала, что и материал, из которого изготовлен охлаждаемый компонент турбины, такой как лопатка статора или лопатка ротора турбины. Охлаждаемые компоненты турбины могут быть изготовлены из жаропрочного сплава или сплава на основе никеля, такого как CM 247, IN939, IN617, IN735, IN718, Haynes282, Haynes230, Hast-X, и Hast-W. В более общем виде для охлаждаемого компонента турбины можно использовать любой материал, который можно паять. Таким образом, припаивая теплопередающие элементы 20 к охлаждаемому компоненту 30, 40 турбины, тип материала, используемого для теплопередающих элементов 20, можно менять в зависимости от теплопроводности этих теплопередающих элементов 20.

В одном варианте припой содержит и родительский материал, который нужно соединить, и материал заполнителя, и может содержать соотношения родительского материала с высокой точкой плавления и составляющих с низкой точной плавления. К некоторым составляющим с низкой точной плавления, которые можно использовать, относятся Amdry™775, Co22, Co33, Bf4B и BRB. Соотношение материалов с высокой точкой плавления и с низкой точной плавления может быть от 90/10 (в % по весу) до 10/90 (в % по весу) включительно.

В одном варианте тонкая пленка 10 может быть сформирована разными процессами, включая приваривание теплопередающих элементов 20 к листовому материалу, аддитивное изготовление, прокатку, штамповку, механическую обработка, обработку струей воды, лазерную обработку традиционную машинную обработку и нетрадиционную машинную обработку (электроэрозионную обработку, электрохимическую обработку) и литье тонкой пленки 10 с встроенными элементами.

Как показано на фиг. 1-3, также предлагается способ охлаждения компонента 30, 40 турбины. Способ содержит этапы, на которых берут компонент 30, 40 турбины, имеющий поверхность, как описано выше. Тонкую пленку 10 с теплопередающими элементами 20 припаивают на поверхность компонента турбины процессом пайки твердым припоем. Теплопередающие элементы 20 принимают теплоту, генерируемую во время работы газовой турбины, когда на компонент 30, 40 турбины воздействует поток горячего газа, тем самым охлаждая компонент 30, 40 турбины.

В дополнение к предложенным средствам оптимизации тонкой пленки 10, содержащей теплопередающие элементы 20, как описано выше, теплопередающие элементы 20 можно оптимизировать в соответствии со скоростью потока горячего газа и температурой потока горячего газа вокруг компонента 30, 40 турбины.

В одном варианте предложенный способ можно применять для модернизации компонента 30, 40. Например, для добавления теплопередающих элементов 20 в компонент 30, 40, уже установленный в газовую турбину, компонент 30, 40, нужно лишь снять и применить этот способ для улучшения компонента турбины, добавив теплопередающие элементы, оптимизированные для конкретного компонента турбины и конкретных рабочих условий, в которых будет находиться этот компонент во время работы турбины.

В другом варианте предложенный способ может использоваться для замены припаянного тонкого листа 10 на компоненте 30, 40 турбины на другой тонкий лист с другими теплопередающими элементами 20. Такая замена может выполняться путем извлечения уже припаянного тонкого листа 10. Извлечение уже припаянного тонкого листа 10 может потребовать термообработки тонкого листа 10, при которой припой плавится, а тонкий лист не плавится. Выбранный способ термообработки основан на конкретном материале наполнителя и материале компонента. Температура термообработки будет температуры первоначальной пайки. Затем тонкий лист 10 можно извлечь из компонента 30, 40 турбины. Затем к компоненту 30, 40 турбины в соответствии с предложенным способом можно припаять другой тонкий лист 10, имеющий другие теплопередающие элементы 20.

Предложенные компонент и способ дают преимущество, заключающееся в улученного способности теплопередачи компонента за счет способности оптимизации теплопередающих компонентов в соответствии с требованиями к охлаждению конкретного компонента турбины. Благодаря тому, что теплопередающие элементы не отлиты вместе с компонентом, эти теплопередающие элементы можно менять, например, при изменении требований к охлаждению. Дополнительно, уже существующие компоненты можно оснастить припаянной пленкой во время ремонта. Кроме того, припаивание теплопередающих элементов на компонент турбины вместо их литья вместе с компонентом, является менее дорогим способом встраивания теплопередающих элементов в компонент турбины.

Хотя варианты настоящего изобретения были описаны со ссылками на конкретные примеры, специалистам должно быть понятно, что в них можно внести различные изменения, добавления и исключения, не выходящие за пределы изобретательской идеи и объема изобретения или их эквивалентов, определенных в приложенной формуле.

Изобретение относится к энергомашиностроению. Охлаждаемая лопатка статора турбины в турбинном двигателе содержит лопатку статора турбины, содержащую удлиненный аэродинамический профиль, содержащий внешнюю стенку 34 и внутреннюю стенку 33. Лопатка статора турбины требует охлаждения по меньшей мере во время работы турбины. Вставка 40 лопатки статора вставлена в полый карман 37 аэродинамического профиля и прикреплена к платформе лопатки статора турбины. Впаянный теплопередающий элемент 20 содержит тонкую пленку 10, содержащую теплопередающий элемент 20, встроенный в поверхность тонкой пленки 10, и выполненную с возможностью принимать форму поверхности внутренней стенки 33 охлаждаемой лопатки статора турбины. Причем пленка 10 прикреплена к поверхности внутренней стенки 33 материалом твердого припоя так, чтобы пленка 10 находилась между лопаткой 30 статора турбины и вставкой 40. При этом вставка 40 лопатки статора содержит множество отверстий, направляющих поток воздуха на теплопередающий элемент 20 тонкой пленки 10. Также раскрыты узел охлаждаемой лопатки статора турбины и способ охлаждения компонента турбины в турбинном двигателе. Технический результат заключается в улучшении способности теплопередачи компонента. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Охлаждаемая лопатка 30 статора турбины в турбинном двигателе, содержащая:

лопатку 30 статора турбины, содержащую удлиненный аэродинамический профиль 35, содержащий внешнюю стенку 34 и внутреннюю стенку 33, при этом лопатка 30 статора турбины требует охлаждения по меньшей мере во время работы турбины;

вставку 40 лопатки статора, вставленную в полый карман 37 аэродинамического профиля и прикрепленную к платформе 38 лопатки 30 статора турбины;

впаянный теплопередающий элемент 20, содержащий:

тонкую пленку 10, содержащую теплопередающий элемент 20, встроенный в поверхность тонкой пленки 10, и выполненную с возможностью принимать форму поверхности внутренней стенки 33 охлаждаемой лопатки 30 статора турбины;

причем пленка 10 прикреплена к поверхности внутренней стенки 33 материалом твердого припоя так, чтобы пленка 10 находилась между лопаткой 30 статора турбины и вставкой 40,

при этом вставка 40 лопатки статора содержит множество отверстий, направляющих поток воздуха на теплопередающий элемент 20 тонкой пленки 10.

2. Лопатка по п. 1, в которой теплопередающий элемент 20 оптимизирован под конструкцию охлаждаемого компонента турбины и конкретные требования к его охлаждению.

3. Лопатка по п. 2, дополнительно содержащая множество теплопередающих элементов 20.

4. Лопатка по п. 3, в которой теплопередающий элемент оптимизирован способами, выбранными из группы, включающей в себя:

изменение формы теплопередающего элемента 20;

изменение размера теплопередающего элемента 20;

изменение расстояния между множеством теплопередающих элементов 20;

изменение типа материала, используемого для теплопередающего элемента 20;

измерение положения теплопередающего элемента 20 на поверхности охлаждаемого компонента турбины; и

их комбинации.

5. Лопатка по п. 4, в которой форма теплопередающего элемента выбрана из группы, содержащей пальцы, волны, шевроны, шипы, ребра и гребни.

6. Лопатка по п. 1, в которой тонкая пленка 10, содержащая теплопередающий элемент 20, сформирована процессом, выбранным из группы, включающей в себя: аддитивное изготовление, сварку, литье, прокатку, штамповку, механическую обработку, обработку струей воды, и традиционную машинную обработку, нетрадиционную машинную обработку и лазерную обработку.

7. Лопатка по п. 1, в которой толщина пленки 10 составляет от 0,1 до 5 мм.

8. Лопатка по п. 3, в которой множество теплопередающих элементов 20 сформированы в периодическую структуру на поверхности пленки 10.

9. Узел охлаждаемой лопатки статора турбины, содержащий:

лопатку 30 статора турбины в турбинном двигателе, содержащую удлиненный полый аэродинамический профиль 35, при этом аэродинамический профиль 35 содержит внешнюю стенку 34 и внутреннюю стенку 33, требующие охлаждения по меньшей мере во время работы турбинного двигателя;

вставку 40 лопатки статора турбины, вставленную в полый карман 37 аэродинамического профиля 35, прикрепленную к внутренней стенке 33 и закрепленную на платформе лопатки 30 статора турбины;

тонкую пленку 10, содержащую теплопередающий элемент 20, встроенный в поверхность пленки 10, при этом пленка 10 принимает форму поверхности лопатки 30 статора турбины;

причем пленка 10 прикреплена к поверхности охлаждаемой лопатки статора турбины материалом твердого припоя так, чтобы находиться между лопаткой статора турбины и вставкой 40; и

при этом теплопередающий элемент 20 направляет поток воздуха наружу лопатки 30 статора турбины для улучшения теплоотвода от лопатки 30 статора турбины,

причем вставка лопатки статора турбины содержит множество отверстий, направляющих поток воздуха на теплопередающий элемент тонкой пленки 10.

10. Узел по п. 9, в котором теплопередающий элемент 20 оптимизирован для конструкции лопатки 30 статора турбины и конкретных требований к ее охлаждению.

11. Способ охлаждения компонента 30 турбины в турбинном двигателе, при котором:

устанавливают лопатку 30 статора турбины в турбинном двигателе, при этом лопатка статора турбины содержит удлиненный полый аэродинамический профиль 35, содержащий внешнюю стенку 34 и внутреннюю стенку 33, требующие охлаждения по меньшей мере во время работы турбинного двигателя;

вставляют вставку 40 лопатки статора в полый карман 37 аэродинамического профиля, фиксируя к внутренней стенке 33 и прикрепляя к платформе 38 лопатки 30 статора турбины;

припаивают твердым припоем тонкую пленку 10, содержащую теплопередающий элемент 20, к поверхности внутренней стенки 33 материалом твердого припоя; и

направляют поток воздуха посредством множества отверстий во вставке 40 на теплопередающий элемент 20 тонкой пленки 10,

при этом теплопередающий элемент 20 захватывает теплоту, генерируемую при работе турбины, когда на лопатку 30 статора турбины воздействует поток горячего газа, тем самым охлаждая лопатку 30 статора турбины.

12. Способ по п. 11, при котором дополнительно оптимизируют теплопередающий элемент 20 под конструкцию компонента 30 турбины и его конкретные конструктивные требования.

13. Способ по п. 12, при котором теплопередающий элемент 20 оптимизируют в соответствии со скоростью потока горячего газа и температурой потока горячего газа вокруг лопатки 30 статора турбины.

14. Способ по п. 11, при котором способ осуществляют для модернизации существующей лопатки 30 статора турбины, устанавливая тонкую пленку 10.

15. Способ по п. 11, при котором дополнительно извлекают тонкую пленку 10 из лопатки 30 статора турбины, подвергая термообработке существующую припаянную тонкую пленку 10, и заменяют извлеченную тонкую пленку 10 другой тонкой пленкой с помощью пайки твердым припоем.