Охлаждаемая лопатка турбины и соответствующая турбина - RU2573096C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к лопатке для использования в потоке текучей среды турбинного двигателя согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к турбинному двигателю согласно ограничительной части пункта 13 формулы изобретения.

Газовые турбины имеют узел компрессора, узел камер сгорания и узел турбины. Компрессор обычно сжимает окружающий воздух, который затем направляется в камеры сгорания, где он смешивается с топливом. Смесь топлива и сжатого воздуха зажигается, создавая рабочий газ, который может иметь высокую температуру, например, до 1300-1600°С. Затем этот рабочий газ проходит через турбинный узел. В некоторых газовых турбинах СО₂ является основным компонентом рабочей среды. В этом случае добавляется чистый кислород для сжигания топлива в камере сгорания и нагревания газа СО₂. Турбинный узел имеет вращающийся вал и несколько рядов вращающихся дисков. Турбинный узел может иметь несколько стационарных дисков, закрепленных на корпусе турбины. Каждому вращающемуся диску предшествует стационарный диск для направления рабочего газа под оптимальным углом на лопатки вращающихся дисков. Прохождение рабочего газа через турбинный узел приводит к передаче энергии из рабочего газа на вращающиеся диски, что вызывает вращение вала.

Каждая лопатка диска может иметь наружную полку, соединенную с радиально наружным концом тела лопатки, для крепления к корпусу турбины, и внутреннюю полку, соединенную с внутренним концом тела лопатки. Наружные полки для данного ряда лопаток установлены смежно друг другу в виде сегментов в осевом направлении, с образованием наружного бандажа. Аналогичным образом, внутренние полки установлены смежно друг другу в осевом направлении, с образованием внутреннего бандажа. Эти наружный и внутренний бандажи задают проточный канал между ними для направления рабочего газа.

Тело лопатки может включать проходы для охлаждающей текучей среды, такой как воздух. Однако поверхности лопаточных узлов, открытые для рабочего газа, подвергаются воздействию высоких рабочих температур и термическим нагрузкам. Это может вызывать трещины в теле лопаток и полках. Обычно, каждое тело лопатки и, по меньшей мере, одна полка выполнены совместно в виде единого целого, так что повреждение полки может требовать замены всего лопаточного узла, даже когда тело лопатки все еще находится в рабочем состоянии.

Каждая лопатка турбинного двигателя, такого как газовый или паровой турбинный двигатель, имеет зоны чрезмерного напряжения в аэродинамической зоне передней кромки за счет механической нагрузки лопатки в нижнем по потоку направлении. Такие лопатки имеют внутреннее охлаждение, и по причине термических напряжений тело лопаток имеет предел относительно максимальной толщины стенки.

Аэродинамическая конструкция тела лопатки была изменена в прошлом, с целью обеспечения большего объема материала у передней кромки, при одновременном сохранении максимальной толщины стенки. Поэтому ухудшились аэродинамические характеристики для уменьшения уровней напряжения до приемлемого предела.

Для улучшения прочности тела лопатки известно несколько конструктивных признаков. В US 5484258 раскрыта направляющая лопатка с двойной наружной стенкой. Наружная стенка тела лопатки имеет выполненную в виде единого целого конструкцию с двойной стенкой, включающей внутреннюю стенку, расположенную на расстоянии от наружной стенки, с механически и термически соединяющими элементами в виде непрерывных соединительных ребер, которые выполнены в виде единого целого с внутренней и наружной стенками и расположены между ними. Ребра обеспечивают расстояние между внутренней и наружной стенками так, что стенки по существу параллельны друг другу. Такая двойная наружная стенка является конструктивно очень сложной и дорогой в изготовлении.

Решетчатая структура внутри тела лопатки известна из US 5660524. Тело лопатки имеет первую наружную стенку и вторую наружную стенку, задающие совместно аэродинамическую форму, включающую переднюю кромку, заднюю кромку, сторону повышенного давления вдоль первой наружной стенки, сторону низкого давления вдоль второй наружной стенки, вершину лопатки и хвостовик лопатки. Между двумя наружными стенками расположена пара монолитных внутренних стенок. Эти монолитные внутренние стенки имеют решетчатую структуру для придания прочности телу лопатки или наружным стенкам тела лопатки, соответственно. Решетчатая внутренняя структура усложняет и удорожает охлаждение тела лопатки. Кроме того, решетчатая внутренняя структура увеличивает вес лопатки и поэтому ухудшает аэродинамические характеристики лопатки.

Аналогичная решетчатая структура известна из US 2974926. Турбинная лопатка содержит наружную оболочку и центральный узел из распорки, хвостовика и ребер. Центральный узел из распорки, хвостовика и ребер содержит хвостовик, который предпочтительно является обычным хвостовиком типа елочки. Хвостовик проходит вниз из полки хвостовика и заделан в каркас турбинного двигателя. Центральный узел из распорки, хвостовика и ребер содержит распорку, к которой прикреплены ребра. Распорка фиксирована на полке хвостовика. Распорка проходит от полки хвостовика вверх. В собранном состоянии турбинной лопатки наружная оболочка турбинной лопатки надвинута поверх узла из распорки, хвостовика и ребер. Наружная оболочка соединена с помощью точечной сварки в различных местах вдоль высоты лопатки с ребрами узла из распорки, хвостовика и ребер и в различных местах вокруг полки оболочки с краем полки хвостовика. Места точечной сварки между ребрами узла из распорки, хвостовика и ребер и наружной оболочкой расположены на стороне низкого давления и на стороне повышенного давления турбинной лопатки. Для обеспечения надевания наружной оболочки поверх узла из распорки, хвостовика и ребер предусмотрены допуски между наружной оболочкой и узлом из распорки, хвостовика и ребер. Сварка ребер со стороной низкого давления и стороной повышенного давления является сложной и дорогостоящей.

В US 2009/0047136 А1 раскрыт статор с аэродинамическим профилем, наружным бандажом и внутренним бандажом. Аэродинамический профиль содержит тонкостенную структуру, которая образует полую переднюю кромку, сторону повышенного давления, сторону низкого давления и заднюю кромку. Кроме того, аэродинамический профиль содержит признаки внутреннего охлаждения, включающие охлаждающие каналы, охлаждающие отверстия, жалюзи, небольшие полости, отклоняющие ребра, сопла, разделители, перегородки, задерживающие полосы, наружный концевой колпачок и внутренний концевой колпачок. Охлаждающий воздух входит через охлаждающие отверстия у передней кромки аэродинамического профиля для прохождения в небольшую полость между передней кромкой и отклоняющим ребром или в охлаждающие каналы позади отклоняющего ребра. Отклоняющее ребро расположено на расстоянии от передней кромки и проходит частично параллельно передней кромке аэродинамического профиля.

Поэтому задачей изобретения является создание лопатки для использования в потоке текучей среды турбинного двигателя, которая обеспечивает уменьшение вызываемых в лопатке напряжений до приемлемого уровня без отрицательного воздействия на охлаждение тела лопатки и аэродинамические характеристики лопатки. Кроме того, должен быть создан турбинный двигатель, который прост в изготовлении и не дорогой и который может выдерживать высокие нагрузки, такие как термические нагрузки.

Задача решена согласно изобретению с помощью лопатки для использования в потоке текучей среды турбинного двигателя с признаками согласно пункту 1 формулы изобретения и с помощью турбинного двигателя с признаками согласно пункту 13 формулы изобретения. Преимущества, признаки, подробности, аспекты и эффекты изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения, описания и фигур. Признаки и подробности, описание которых приводится применительно к лопатке, относятся также и к турбинному двигателю, и наоборот.

Согласно первому аспекту данного изобретения задача решена с помощью лопатки для использования в потоке текучей среды турбинного двигателя, содержащей тонкостенное, проходящее в радиальном направлении аэродинамическое тело лопатки, имеющее расположенные на расстоянии друг от друга в осевом направлении переднюю и заднюю кромки, при этом стенка указанного тела лопатки содержит наружную оболочку и внутреннюю оболочку, за счет чего стенка указанного тела лопатки задает внутреннюю полость в ней для прохождения охлаждающей среды и радиально наружную полку, при этом проходящая радиально нагружаемая распорка расположена на внутренней оболочке стенки передней кромки тела лопатки. Наружная оболочка соответствует наружной поверхности стенки лопатки, а внутренняя оболочка соответствует внутренней поверхности стенки лопатки. Предпочтительно, лопатка является направляющей лопаткой направляющего диска турбинного двигателя. Кроме того, лопатка может быть также лопаткой вращающегося диска турбинного двигателя. Лопатка вращающегося диска известна также как рабочая лопатка.

Нагружаемая распорка добавлена на внутренней стороне передней кромки лопатки. Поэтому увеличена жесткость передней кромки, и изгибающая нагрузка может восприниматься более широкой частью наружной полки лопатки. Нагружаемая распорка уменьшает напряжения, в частности термические напряжения, вызываемые в лопатке, до приемлемого уровня без отрицательного воздействия на охлаждение аэродинамического профиля и аэродинамические характеристики лопатки. Нагружаемая распорка не оказывает отрицательного воздействия или оказывает лишь незначительное воздействие на внутреннюю полость тела лопатки, поскольку нагружаемая распорка проходит параллельно передней кромке лопатки. Предпочтительно, нагружаемая распорка выступает лишь немного во внутреннюю полость тела лопатки, так что не оказывает отрицательного воздействия на поток охлаждающей среды, в частности поток текучей среды, через внутреннюю полость тела лопатки. Предпочтительно, нагружаемая распорка имеет прямоугольную форму поперечного сечения. Сама нагружаемая распорка имеет удлиненную форму. Нагружаемая распорка выступает на внутренней оболочке стенки передней кромки тела лопатки. Нагружаемая распорка увеличивает в противоположность двойной стенке или решетчатой структуре согласно уровню техники вес лопатки лишь незначительно.

Согласно одной предпочтительной модификации лопатки наружная полка лопатки покрывает конец тела лопатки, за счет чего нагружаемая распорка расположена на наружной полке. Наружная полка удлинена для покрывания конца нагружаемой распорки. Поэтому может обеспечиваться лучшая жесткость и изгибающая нагрузка передается на более широкую часть наружной полки. Нагружаемая распорка расширяет переднюю кромку тела лопатки и поэтому увеличивает контакт с покрывающей наружной полкой. Комбинация из передней кромки и нагружаемой распорки имеет поперечное сечение в форме зонтика. Это обеспечивает передачу изгибающей нагрузки на большую поверхность покрывающей наружной полки лопатки.

Согласно одной предпочтительной модификации изобретения лопатка может быть изготовлена посредством выполнения стенки тела лопатки и нагружаемой распорки в виде единого целого в ходе одной операции в общей литейной форме. Это означает, что нагружаемая распорка и передняя кромка и тело лопатки, соответственно, изготавливаются в виде одной части. Предпочтительной является лопатка, в которой нагружаемая распорка и тело лопатки выполнены монолитными. Наружная полка, которая покрывает вершину лопатки, может быть приварена к переднему концу передней кромки и к нагружаемой распорке.

В качестве альтернативного решения, предпочтительной является лопатка, в которой стенка тела лопатки, наружная полка и нагружаемая распорка выполнены в виде единого целого и изготавливаются в ходе одной операции в общей литейной форме. Такая структура обеспечивает жесткость переходной зоны между передним концом тела лопатки у передней кромки и нагружаемой распорки и наружной полкой. Монолитное выполнение стенки тела лопатки, нагружаемой распорки и наружной полки позволяет уменьшать наводимые в лопатке у передней кромки напряжения до приемлемого уровня.

Согласно одной предпочтительной модификации изобретения нагружаемая распорка лопатки расположена на внутренней оболочке стенки всей передней кромки тела лопатки. Нагружаемая распорка проходит радиально между вершиной лопатки и хвостовиком лопатки. Нагружаемая распорка может проходить по всей длине тела лопатки, т.е. между внутренней и наружной полкой. В качестве альтернативного решения, нагружаемая распорка может проходить лишь вдоль части длины тела лопатки. Нагружаемая распорка может проходить, например, от середины тела лопатки до наружной полки.

В другом, еще более предпочтительном варианте выполнения лопатки, лопатка характеризуется тем, что конец нагружаемой распорки, противоположный наружной полке, расположен на выступе на внутренней оболочке стенки. То есть, нагружаемая распорка добавлена внутрь той части передней кромки лопатки, которая расположена ближе к наружной полке. Поэтому, согласно особенно предпочтительному варианту выполнения изобретения выступ расположен на внутренней оболочке стенки в центральной зоне тела лопатки. Такое расположение нагружаемой распорки придает жесткость передней кромке лопатки у вершины лопатки. Выступ на внутренней оболочке стенки может иметь различный вид. Выступ может быть образован сварным швом. Предпочтительно, выступ аналогичен выступающему пальцу или т.п.

Согласно другой предпочтительной модификации изобретения выступ на внутренней оболочке стенки тела лопатки имеет U-образную форму, кольцевую форму или кольцеобразную форму. Имеющий U-образную, кольцевую или кольцеобразную форму выступ предпочтительно выполнен в виде единого целого со стенкой тела лопатки. Имеющий U-образную, кольцевую или кольцеобразную форму выступ предпочтительно расположен внутри стенки от стороны повышенного давления, через переднюю кромку к стороне низкого давления лопатки. За счет этого обеспечивается жесткость передней кромки лопатки, и напряжения в этой части передней кромки могут направляться в тело лопатки. Такой выступ делает все тело лопатки более жестким, без оказания отрицательного воздействия на охлаждение лопатки и без оказания отрицательного воздействия на аэродинамические характеристики лопатки.

Имеющий кольцевую или кольцеобразную форму выступ может быть замкнут в виде полного кольца. Такой выступ расположен вдоль всей стенки и внутренней оболочки стенки, соответственно. Предпочтительным является выступ U-образной формы.

Как указывалось выше, предпочтительной является лопатка, в которой выступ и стенка тела лопатки выполнены в виде единого целого и изготавливаются в ходе одной операции в общей литейной форме. В качестве альтернативного решения, нагружаемая распорка может быть приварена к выступу, к стенке тела лопатки и к наружной полке.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения лопатки лопатка может содержать внутреннюю полку у конца хвостовика лопатки. Внутренняя полка и стенка тела лопатки предпочтительно выполнены в виде единого целого и изготавливаются в ходе одной операции в общей литейной форме.

Лопатка может состоять из металла, керамики или волоконного композита.

Предпочтительно, лопатка является направляющей лопаткой направляющего диска турбинного двигателя. Лопатка предпочтительно не вращается. Кроме того, лопатка может быть также лопаткой для вращающегося диска турбинного двигателя, т.е. рабочей лопаткой. Турбинный двигатель предпочтительно является газотурбинным двигателем, возможно также паротурбинным двигателем.

Согласно второму аспекту данного изобретения задача решена с помощью турбинного двигателя, содержащего, по меньшей мере, один вращающийся диск с множеством вращающихся лопаток и, по меньшей мере, один направляющий диск с множеством направляющих лопаток, при этом вращающиеся лопатки и/или направляющие лопатки выполнены в виде лопатки согласно первому аспекту изобретения. Такой турбинный двигатель прост и недорог в изготовлении и может выдерживать большие напряжения, в частности высокие термические напряжения, за счет стойких к напряжениям лопаток направляющих и/или вращающихся дисков. Турбинный двигатель предпочтительно является газотурбинным или паротурбинным двигателем.

Указанные выше и другие признаки и преимущества данного изобретения следуют из приведенного ниже описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:

фиг. 1 - продольный разрез лопатки для использования в потоке текучей среды турбинного двигателя, которая выполнена в соответствии с конструктивными принципами изобретения;

фиг. 2 - поперечный разрез лопатки для использования в потоке текучей среды турбинного двигателя, которая выполнена в соответствии с конструктивными принципами изобретения.

Элементы с одинаковой функцией и режимом работы обозначены на фиг. 1 и 2 одинаковыми позициями.

На фиг. 1 схематично показан продольный разрез одного возможного варианта выполнения лопатки 1 для использования в потоке текучей среды турбинного двигателя, которая выполнена в соответствии с конструктивными принципами изобретения. Лопатка 1 содержит тонкостенное, проходящее в радиальном направлении аэродинамическое тело 2 лопатки, имеющее расположенные на расстоянии друг от друга в осевом направлении переднюю кромку 3 и заднюю кромку 4. Тело 2 лопатки имеет стенку 5, содержащую наружную оболочку 6 и внутреннюю оболочку 7. Стенка 5 указанного тела 2 лопатки задает внутреннюю полость 8 в ней для прохождения охлаждающей среды. Лопатка 1 дополнительно содержит наружную полку 9 и внутреннюю полку. Проходящая радиально нагружаемая распорка 10 расположена на внутренней оболочке 7 стенки 5 передней кромки 3 тела 2 лопатки.

Нагружаемая распорка 10 добавлена внутри передней кромки 3 лопатки. Нагружаемая распорка 10 придает жесткость передней кромке 3, и изгибающая нагрузка может передаваться на более широкую часть наружной полки 9 лопатки 1. Нагружаемая распорка 10 уменьшает напряжения, вызываемые в лопатке 1, до приемлемого уровня, без отрицательного воздействия на охлаждение тела 2 лопатки и аэродинамические характеристики лопатки. На внутреннее пространство тела 2 лопатки нагружаемая распорка 10 не оказывает или оказывает лишь незначительное влияние, поскольку нагружаемая распорка 10 проходит параллельно передней кромке 3 лопатки 1.

Нагружаемая распорка 10 выступает лишь немного во внутреннюю полость 8 тела 2 лопатки, так что не оказывается отрицательного воздействия на поток охлаждающей среды, в частности поток текучей среды, через внутреннюю полость 8 тела 2 лопатки. Нагружаемая распорка имеет прямоугольное поперечное сечение и удлиненную форму. Нагружаемая распорка 10 выступает на внутренней оболочке 7 стенки 5 передней кромки 3 тела 2 лопатки.

Наружная полка 9 лопатки закрывает конец тела 2 лопатки, за счет чего нагружаемая распорка 10 расположена на наружной полке. Наружная полка 9 проходит так, что она покрывает также конец нагружаемой распорки 10. Поэтому лучше обеспечивается жесткость передней кромки 3, и изгибающая нагрузка передается на более широкую часть наружной полки 9.

Стенка 5 тела 2 лопатки, внутренняя полка 13, наружная полка 9, нагружаемая распорка 10 и выступ 11 выполнены в виде единого целого и изготавливаются в ходе одной операции в общей литейной форме. Нагружаемая распорка 10 придает жесткость переходной зоне 14 между стенкой 5 тела 2 лопатки у передней кромки 3 и нагружаемой распорки 10 и наружной полкой 9. Нагружаемая распорка 10 расширяет переднюю кромку 3 тела 2 лопатки и поэтому увеличивает контакт с покрывающей наружной полкой 9.

Нагружаемая распорка 10 расположена от центральной зоны 12 тела 2 лопатки до наружной полки 9. Поэтому выступ 11, который удерживает нагружаемую распорку 10, расположен в центральной зоне 12 тела 2 лопатки. Выступ 11 имеет форму части кольца или лучше имеет U-образную форму и расположен на внутренней оболочке 7 стенки 5 тела 2 лопатки.

Комбинация из передней кромки 3 и нагружаемой распорки 10 имеет форму поперечного сечения в виде зонтика, как показано на фиг. 2. Комбинация стенки 5 передней кромки 3 и нагружаемой распорки 10 позволяет передавать изгибающую нагрузку лопатки 1, в частности передней кромки 3, на большую поверхность покрывающей наружной полки 9 лопатки 1. Нагружаемая распорка 10 проходит во внутренней полости 8 лопатки 1, без оказания отрицательного воздействия на охлаждение лопатки 1. В такой лопатке 1 передняя кромка является жесткой, и изгибающая нагрузка передается на более широкую часть наружной полки 9. Напряжения, наводимые в лопатке 1, уменьшаются до приемлемого уровня без отрицательного воздействия на охлаждение тела 2 лопатки или аэродинамического профиля, соответственно, или аэродинамические характеристики лопатки 1. Передняя направляющая 18 лопатки 1 фиксируется на установочной системе.

Реферат

Лопатка, используемая в потоке текучей среды турбинного двигателя, содержит тонкостенное проходящее в радиальном направлении аэродинамическое тело лопатки, имеющее отстоящие по оси друг от друга переднюю и заднюю кромки и радиально наружную полку. Стенка тела лопатки содержит наружную оболочку и внутреннюю оболочку. Стенка тела лопатки задает внутреннюю полость в ней для прохождения охлаждающей среды. На внутренней оболочке стенки передней кромки тела лопатки расположена проходящая радиально нагружаемая распорка. Изобретение обеспечивает уменьшение вызываемых в лопатке напряжений до приемлемого уровня без отрицательного воздействия на охлаждение тела лопатки и аэродинамические характеристики лопатки. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула