Лопатка для газовой турбины с охлаждаемой законцовкой периферической части лопатки - RU2531712C2

Чертежи

Показать все 12 чертежа(ей)

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области технологии изготовления газовой турбины, в частности относится к охлаждаемой лопатке для газовой турбины.

Уровень техники

Эффективность газовых турбин зависит, по существу, от температуры горячего газа, который расширяется в турбине при выполнении работы. Для того чтобы была возможность повысить эффективность турбин, такие компоненты, как лопатки статора, лопатки ротора, сегменты, аккумулирующие тепло и т.д., должны быть изготовлены не только из особо устойчивых материалов, но также должны охлаждаться настолько эффективно, насколько это возможно, во время работы турбины. В известном уровне техники были разработаны различные способы для охлаждения лопаток, которые могут использоваться альтернативно или вместе. Одним из способов является прохождение охлаждающей среды, обычно сжатого охлажденного воздуха из компрессора газовой турбины, через внутреннюю часть лопаток в охлаждающих каналах, чтобы затем позволить ему выйти в горячий газовый канал через охлаждающие отверстия, расположенные распределенным образом. Охлаждающие каналы могут в этом случае проходить через внутреннюю часть лопатки более чем один раз в форме серпантина (см., например, документ WO-A1-2005/068783). Передача тепла между охлаждающей средой и стенками лопатки может быть в этом случае улучшена за счет использования подходящих элементов (турбулизаторов), чтобы образовать дополнительную турбулентность в потоке охлаждающей среды, или за счет использования принудительного охлаждения. В другом способе охлаждающая среда может выходить из внутренней части лопатки таким образом, что на поверхности лопатки образуется пленка из охлаждающей среды, и защищает лопатку (пленочное охлаждение).

Особенно важно охлаждать периферическую часть (законцовку) лопатки. Законцовка лопатки является частью лопатки, которая располагается с наибольшим удалением от хвостовика лопатки, через которую подается охлаждающий воздух. Поэтому для ее охлаждения должно быть уделено особое внимание. Кроме того, охлаждение, которое является настолько однородным, насколько это возможно, должно быть достигнуто во всех рабочих состояниях, при этом потребление охлаждающей среды должно быть ограничено до необходимой степени, для того чтобы избежать неблагоприятного влияния на эффективность машины.

Документ DE-A1-199 44 923 раскрывает сравнительно сложное решение для охлаждения периферической части лопатки.

Раскрытие изобретения

То, что было описано выше, является целью изобретения. Поэтому задачей изобретения является обеспечение охлаждаемой лопатки для газовой турбины, которая характеризуется, в частности, лучшим охлаждением в области периферии лопатки.

Эта задача полностью достигается с помощью признаков независимого пункта 1 формулы изобретения. Главным аспектом изобретения является то, что первые охлаждающие отверстия для охлаждающей конвекции обеспечиваются на рабочей поверхности лопатки, а вторые охлаждающие отверстия для пленочного охлаждения обеспечиваются на поверхности разрежения лопатки, через законцовку лопатки в периферической части лопатки из охлаждающих каналов и распределяются по ширине лопатки. Комбинация конвекционного охлаждения на рабочей поверхности и пленочного охлаждения на стороне разрежения конца лопатки приводит в результате к особенно эффективному и стабильному охлаждению, при этом не оказывая какого-либо неблагоприятного влияния на эффективность машины.

Согласно первому варианту осуществления изобретения первое и второе охлаждающие отверстия содержат, по меньшей мере, секции в форме цилиндрических каналов с заданным первым диаметром.

В особенности первые охлаждающие отверстия имеют форму длинных цилиндрических каналов, которые проходят наклонно вверх и включают в себя первый угол между 25° и 35°, предпочтительно приблизительно 30° по отношению к внешней поверхности лопатки.

Согласно второму варианту осуществления изобретения первые охлаждающие отверстия открыты в окружающее лопатку пространство с веерообразной секцией канала.

Согласно третьему варианту осуществления изобретения, те из первых охлаждающих отверстий, которые располагаются снаружи задней кромки лопатки, открыты в окружающее лопатку пространство с трехмерной симметрией веерообразной секции канала, посредством чего вышеуказанная веерообразная секция с трехмерной (3D) симметрией имеет первый угол отверстия, имеющий диапазон от 10° до 50° и предпочтительно составляющий около 24°, а второй угол отверстия перпендикулярен вышеуказанному первому углу отверстия, при этом вышеуказанный второй угол отверстая имеет диапазон от 5 до 25° и предпочтительно составляет около 12°.

Согласно четвертому варианту осуществления изобретения те из первых охлаждающих отверстий, которые располагаются снаружи задней кромки лопатки, включают в себя второй угол между 15° и 45°, предпочтительно приблизительно 30°, по отношению к внешней поверхности лопатки.

Согласно пятому варианту осуществления изобретения те из первых охлаждающих отверстий, которые располагаются на задней кромке лопатки, открыты в окружающее лопатку пространство с двухмерной (2D) симметрией веерообразной секции канала, посредством чего вышеуказанная веерообразная секция с двухмерной симметрией имеет третий угол отверстия, имеющий диапазон от 10° до 40° и предпочтительно составляющий около 20°.

Согласно шестому варианту осуществления изобретения те из первых охлаждающих отверстий, которые располагаются на задней кромке лопатки, включают в себя третий угол между 5° и 45°, предпочтительно приблизительно 30° по отношению к внешней поверхности лопатки.

Согласно седьмому варианту осуществления изобретения те из первых охлаждающих отверстий, которые располагаются на задней кромке лопатки, имеют канал с заданной первой длиной, которая подразделяется на вышеуказанную веерообразную секцию с двухмерной симметрией и цилиндрическую секцию с заданной второй длиной, посредством чего соотношение вышеуказанной второй длины и вышеуказанной первой длины находится в диапазоне от 0,2 до 0,7 и предпочтительно составляет около 0,5.

Согласно девятому варианту осуществления изобретения первые охлаждающие отверстия располагаются вдоль рабочей поверхности в виде ряда с заданной первой периодичностью и соотношением между вышеуказанной первой периодичностью и вышеуказанным первым диаметром, который находится в диапазоне от 3 до 8 и предпочтительно составляет около 6.

Согласно десятому варианту осуществления изобретения вторые охлаждающие отверстия проходят через законцовку лопатки в радиальном направлении, за счет чего вторые охлаждающие отверстия выполнены в форме длинных цилиндрических каналов, которые проходят наклонно вверх и включают в себя угол от 0° до 45°, предпочтительно приблизительно 30° по отношению к продольной оси лопатки.

Согласно одиннадцатому варианту осуществления изобретения вторые охлаждающие отверстия располагаются вдоль поверхности разрежения лопатки в виде ряда с заданной второй периодичностью и соотношением между вышеуказанной второй периодичностью и вышеуказанным первым диаметром, который находится в диапазоне от 3 до 8 и предпочтительно составляет около 6.

Согласно другому варианту осуществления изобретения вышеуказанные первые охлаждающие отверстия выходят в окружающее лопатку пространство с заданной высотой ниже верхнего конца периферической части лопатки и соотношением между вышеуказанной высотой и вышеуказанным первым диаметром, который находится в диапазоне между 5 и 10 и предпочтительно составляет около 6,5.

Согласно другому варианту осуществления изобретения имеются пылевые отверстия, расположенные вдоль законцовки между вышеуказанными передней кромкой и задней кромкой, при этом вышеуказанные пылевые отверстия имеют второй диаметр, при этом соотношение между вышеуказанным вторым диаметром и вышеуказанным первым диаметром находится между 1, 2 и 4, 5.

Согласно другому варианту осуществления изобретения законцовка лопатки ограничена на ее краю на верхней поверхности с помощью периферического обода лопатки, а вторые охлаждающие отверстия открыты в наружную область внутри обода лопатки.

Предпочтительно вышеуказанная лопатка имеет обод лопатки в периферической части лопатки, которая ограничена с помощью периферического барьера, имеющего заданную толщину, в соответствии с чем ширина между противолежащими барьерами изменяется с расстоянием вдоль линии хорды, так что t/W находится между 0,05 и 0,15 для к/к₀ между 0 и 0,3, и t/W находится между 0,15 и 0,3 для к/к₀ больше чем 0,3 и до 1,0, при этом к₀ является общей длиной линии хорды.

Кроме того, что касается геометрии периферической части лопатки, предпочтительными являются следующие соотношения:

где D означает глубину обода на периферии лопатки, a W означает ширину согласно фиг.3а.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет объясняться более подробно в последующей части текста со ссылками на показательные варианты осуществления изобретения и в сочетании с прилагаемыми чертежами. Чертежи показывают только те элементы, которые необходимы для непосредственного понимания изобретения. Те же самые элементы обеспечиваются теми же самыми ссылочными символами на различных фигурах, в которых:

фиг.1 показывает поперечное сечение профиля через аэродинамическую секцию лопатки, которая подходит для применения изобретения;

фиг.2 показывает расположение охлаждающих отверстий в периферической части лопатки согласно одному предпочтительному показательному варианту осуществления изобретения;

фиг.2а показывает подробности некоторых из отверстий пленочного охлаждения на стороне разрежения лопатки в соответствии с фиг.2;

фиг.3а показывает часть продольного сечения лопатки, показанной на фиг.2, в которой отверстия пленочного охлаждения на стороне рабочей поверхности лопатки выполнены в форме простых цилиндрических каналов;

фиг.3b показывает часть продольного сечения лопатки, показанной на фиг.2, в которой отверстия пленочного охлаждения на стороне рабочей поверхности выходной секции лопатки выполнены в веерообразной форме с двухмерной или трехмерной симметрией;

фиг.3с показывает предпочтительный наклон отверстий пленочного охлаждения на стороне разрежения лопатки в соответствии с фиг.2;

фиг.4а, 4b показывают различные продольные сечения первых отверстий пленочного охлаждения снаружи задней кромки на стороне рабочей поверхности лопатки, показанной на фиг.2;

фиг.4с показывает границу выхода первых отверстий пленочного охлаждения в соответствии с фиг.4а, 4b;

фиг.5а, 5с показывают различные продольные сечения первых отверстий пленочного охлаждения на задней кромке на стороне рабочей поверхности лопатки, показанной на фиг.2; и

фиг.5b показывает границу выхода первых отверстий пленочного охлаждения в соответствии с фиг.5а, 5с.

Осуществление изобретения

Изобретение относится к охлаждаемой лопатке газовой турбины, которая особенно подходит для применения изобретения. Лопатка (10 на фиг.1, 2), которая является лопаткой ротора, имеет аэродинамическую секцию (12 на фиг.2), которая проходит в радиальном направлении турбины и проходит в радиальном направлении между бандажной полкой (не показана), которая ограничивает канал горячего газа, и периферической частью (11 на фиг.2) лопатки. В этом случае следует заметить, что последующие утверждения не ограничиваются исключительно лопаткой ротора, но они также могут относиться к лопатке статора, в соответствующей степени.

Аэродинамическая секция 12 имеет переднюю кромку 15 и заднюю кромку 16 (фиг.1) и имеет (вогнутую) рабочую поверхность 17 и (выпуклую) поверхность 18 разрежения в форме аэродинамического профиля. Корневая часть (не показана) лопатки формируется ниже платформы и используется для того, чтобы устанавливать лопатку 10 в паз, обеспеченный для этой цели в роторе (или, в случае лопатки статора, в корпусе, окружающем ротор).

Охлаждающие каналы 19а, 19b, 19с и 20 (фиг.1), через которые протекает охлаждающий воздух, проходят в радиальном направлении во внутренней части аэродинамической секции 12, причем этот охлаждающий воздух входит в лопатку 10, когда охлаждающий воздух протекает через соответствующие входные отверстия для охлаждающего воздуха (не показаны) в корневой части лопатки. Охлаждающие каналы 19а, 19b, 19с соединяются друг с другом с помощью канальной структуры в виде серпантина. Охлаждающий воздух, протекающий через охлаждающие каналы 19а, 19b, 19 с, охлаждает лопатку 10 изнутри и выходит наружу в различных точках через охлаждающие отверстия или охлаждающие проходы. Охлаждающий канал 20 специально используется для охлаждения передней кромки 15. Для того, чтобы улучшить внутреннее охлаждение, в охлаждающих каналах 19а, b, с и 20 могут быть обеспечены турбулизаторы (не показаны) в форме наклонно расположенных ребер. Эти турбулизаторы приводят к закручиванию охлаждающего воздуха и, следовательно, к улучшению переноса тепла.

Как изображено в показательном варианте осуществления изобретения на фиг.2, первые, сравнительно длинные охлаждающие отверстия 25 для конвекционного охлаждения обеспечиваются с распределением по ширине лопатки из охлаждающих каналов 19 и 19а, b, с в периферийной части 11 лопатки, проходя к выходу наружу на рабочей поверхности 17 лопатки 10. Вторые охлаждающие отверстия 27 проходят с выходом наружу через законцовку 33 лопатки 10 для пленочного охлаждения на поверхности 18 разрежения лопатки 10. Особенно предпочтительный охлаждающий эффект достигается с помощью комбинации конвекционного охлаждения на рабочей поверхности 17 лопатки и пленочного охлаждения на поверхности 18 разрежения лопатки.

Первые и вторые охлаждающие отверстия 25 и 27 могут иметь соответственно форму цилиндрических каналов в самом простом варианте осуществления изобретения (фиг.3а) и могут быть внедрены в лопатку 10 с помощью соответствующих способов сверления (электроэрозионный сверлильный станок, лазерное сверление). Первые охлаждающие отверстия 25 предпочтительно выполнены в форме отверстий или каналов, которые проходят наклонно вверх, для того чтобы достигнуть необходимой длины отверстия. Они предпочтительно включают в себя первый угол α₁ между 25° и

35°, предпочтительно приблизительно 30° по отношению к внешней поверхности 17 лопатки 10.

В общем, первые и вторые охлаждающие отверстия (25а, b на фиг.2 и фиг.3b) содержат только секции в форме цилиндрических каналов с заданным первым диаметром d. Поэтому они открыты предпочтительно в окружающее лопатку 10 пространство с помощью веерообразной секции (29,30 на фигурах 4 а-с, 5а+b) канала.

Существует два различных вида 25а (см. фиг.4а) и 25b (см. фиг.5а) первых охлаждающих отверстий, обеспеченных на стороне (17) рабочей поверхности лопатки 10. Те из первых охлаждающих отверстий, которые располагаются снаружи задней кромки 16 лопатки 10, т.е. первые охлаждающие отверстия 25а предпочтительно открыты в окружающее лопатку 10 пространство с помощью веерообразной секции 29 канала с 3D (трехмерной) симметрией этой секции. Они показаны на фигурах 4а, 4b и 4с. Вышеуказанная веерообразная секция 29 с 3D (трехмерной) симметрией имеет первый угол 2φ₁ (фиг.4b) отверстия, имеющий диапазон от 10° до 50° и предпочтительно составляющий около 24°, и второй угол φ₂ (фиг.4а) отверстия, перпендикулярный вышеуказанному первому углу 2φ₁ отверстия. Вышеуказанный второй угол φ₂ отверстия имеет диапазон от 5° до 25° и предпочтительно составляет около 12°. Кроме того, эти первые охлаждающие отверстия 25а расположены снаружи задней кромки 16 лопатки 10 и включают в себя второй угол α₂между 15° и 45°, предпочтительно приблизительно 30° по отношению к внешней поверхности 17 лопатки 10 (фиг.4а).

Те из первых охлаждающих отверстий 25b, которые располагаются на задней кромке 16 лопатки 10, предпочтительно открыты в окружающее лопатку 10 пространство с помощью веерообразной секции 30 канала с 2D (двухмерной) симметрией этой секции (фигуры 5а, 5b и 5 с). Вышеуказанная веерообразная секция 30 канала с двухмерной симметрией имеет третий угол 2φ₃ отверстия (фиг.5а), имеющий диапазон от 10° до 40° и предпочтительно составляющий около 20°. Эти первые охлаждающие отверстия 25b, расположенные на задней кромке 16 лопатки 10, включают в себя третий угол λ₃ (фиг.5с) между 5° и 45°, предпочтительно приблизительно 30°, по отношению к внешней поверхности 17 лопатки 10.

Как можно увидеть на фиг.5а, те из первых охлаждающих отверстий 25b, которые располагаются на задней кромке 16 лопатки 10, имеют канал с заданной общей длиной L. Эта общая длина L подразделяется на вышеупомянутые веерообразную секцию 30 канала с двухмерной симметрией и цилиндрическую секцию второй длины L₁. Соотношение L₁/L этих длин находится в диапазоне от 0,2 до 0,7 и предпочтительно составляет около 0,5.

Фиг.2 показывает, что первые охлаждающие отверстия 25а и 25b располагаются вдоль рабочей поверхности 17 в виде ряда с (первой) периодичностью P₁. Предпочтительно выбирать определенное соотношение P₁/d между этой периодичностью P₁ и диаметром d (см. фиг.3а) каналов охлаждающих отверстий. Это соотношение выбирается таким образом, чтобы находиться в диапазоне от 3 до 8 и предпочтительно составляет около 6.

Соответственно вторые охлаждающие отверстия 27 располагаются вдоль поверхности 18 разрежения в виде ряда с (второй) периодичностью Р₂. И снова, соотношение Р₂/d₁ между второй периодичностью Р₂ и диаметром d находится в диапазоне от 5 до 8 и предпочтительно составляет около 6.

В показательном варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.3, лопатка 10 закрывается в периферической части 11 лопатки, в ее верхней части, с помощью плоской законцовки 33, которая окружена на ее верхней поверхности периферическим ободом 32 лопатки в виде барьера. Как можно увидеть на фигурах 3а и 3b, вторые охлаждающие отверстия 27 проходят через законцовку 33 лопатки 10 в радиальном направлении. Они выполнены в форме длинных цилиндрических каналов, которые проходят наклонно вверх, и образуют угол у от 0° до 45°, предпочтительно приблизительно 30°, по отношению к продольной оси лопатки 10 (фиг.3 с).

Первые охлаждающие отверстия 25 открыты в наружную область ниже законцовки 33 лопатки 10. Они выходят в окружающее лопатку 10 пространство на заданной высоте Н ниже верхнего конца периферической части 11 лопатки (фиг.3а). Соотношение H/d между вышеуказанной высотой Н и диаметром d находится в диапазоне между 5 и 10 и предпочтительно составляет около 6,5.

Вторые охлаждающие отверстия 27 располагаются на противоположной поверхности и проходят через законцовку 33 лопатки 10 в радиальном направлении, открываясь в наружную область внутри обода 32 лопатки.

Также внутри обода 32 лопатки обеспечиваются пылевые отверстия 26, расположенные вдоль законцовки 33 между передней кромкой 15 и задней кромкой 16 (фиг.2). Эти пылевые отверстия 26 используются для удаления частиц пыли из внутренних охлаждающих каналов. Каждое из этих отверстий имеет диаметр d₁, так что соотношение d₁/d между диаметром d₁ и диаметром d канала (см. фиг.3а) находится между 1,2 и 4,5.

Как уже говорилось, лопатка 10 обеспечивается ободом 32 лопатки на периферии 11 лопатки, при этом обод 32 лопатки ограничивается периферическим барьером, имеющим заданную толщину t (фиг.3а). Ширина W между противоположными барьерами изменяется вместе с расстоянием «к» вдоль линии хорды (фиг.2) из условия, чтобы соотношение t/W находилось между 0,05 и 0,15 для к/к₀ между 0 и 0,3, и соотношение t/W находилось между 0,15 и 0,3 для к/к₀ больше чем 0,3 и до 1,0, при этом к₀ является общей длиной всей хордовой линии. Кроме того, что касается геометрии периферии лопатки, предпочтительными являются следующие соотношения: D/W=от 0.1 до 0.3 для к/к₀ от 0 до 0.3 и D/W=oт 0.1 до 0.8 для к/к₀>0 до 1.0, где D означает глубину обода периферической части, a W означает ширину в соответствии с фиг.3а.

И последнее, в добавление к описанному охлаждению, такие поверхности как рабочая поверхность 17 и поверхность 18 разрежения, также как и верхняя поверхность законцовки 33 обеспечиваются термозащитным слоем (термическое защитное покрытие ТВС - Thermal Barrier Coating) 28.

Реферат

Охлаждаемая лопатка для газовой турбины содержит аэродинамическую секцию, которая проходит в радиальном направлении турбины или проходит в продольном направлении лопатки между бандажной полкой и периферической частью лопатки, которая обеспечивается законцовкой. Аэродинамическая секция ограничивается перпендикулярно по отношению к продольному направлению с помощью передней кромки и задней кромки и имеет рабочую поверхность и поверхность разрежения с охлаждающими каналами, проходящими, по существу, в радиальном направлении между бандажной полкой и периферической частью лопатки во внутреннюю часть аэродинамической секции. Через эти охлаждающие каналы протекает охлаждающая среда. Первые охлаждающие отверстия для конвекционного охлаждения выполнены на рабочей поверхности лопаток. Вторые охлаждающие отверстия для пленочного охлаждения выполнены на поверхности разрежения лопаток, в области периферической части лопатки и функционально связаны с охлаждающими каналами, при этом они распределены по ширине лопатки. Охлаждающая среда выводится наружу в области законцовки и/или через законцовку лопатки. Первые охлаждающие отверстия открыты в окружающее лопатку пространство с помощью веерообразной секции канала. Первые охлаждающие отверстия, которые располагаются снаружи задней кромки лопатки, открыты в окружающее лопатку пространство с помощью веерообразной секции канала, которая имеет трехмерную симметрию. Веерообразная секция канала с трехмерной симметрией имеет первый угол отверстия, имеющий диапазон от 10° до 50° и предпочтительно составляющий около 24°, и второй угол (φ) отверстия, перпендикуля

Формула