ЭЛЕМЕНТ ТУРБОМАШИНЫ С РАЗГРУЗОЧНОЙ ПОЛОСТЬЮ
TURBOMACHINE COMPONENT WITH STRESS RELIEF CAVITY

Изобретение относится к элементу турбомашины, более конкретно к полке, поддерживающей аэродинамический профиль в турбомашине.
Турбомашина и ее части во время работы подвергаются непрерывному воздействию механических и/или температурных напряжений. Например, в газотурбинном двигателе воздух и горячие газы сгорания направляются рабочими лопатками и направляющими лопатками через различные секции турбины, рабочие лопатки и направляющие лопатки подвергаются воздействию крайне высоких рабочих температур и механических напряжений. Одной из таких областей высоких напряжений является область соединения аэродинамического профиля с соответствующей полкой, от которой отходит аэродинамический профиль, особенно в непосредственной близости от задней кромки, т.е. область в полке, от которой отходит задняя кромка аэродинамического профиля. Кроме того, под действием механических нагрузок аэродинамический профиль подвергается высоким изгибающим и вибрационным напряжениям. Напряжения вызываются также различными скоростями нагрева и охлаждения элементов во время переходных режимов работы турбомашины.
В результате таких напряжений в области, где задняя кромка аэродинамического профиля отходит от полки, возникают изломы или трещины. Такие изломы или трещины ставят под угрозу целостность полки и аэродинамического профиля элемента турбомашины, и, в конечном итоге, приводят к сокращению срока службы элемента турбомашины. Соответственно, существует необходимость в создании элемента турбомашины с низкими напряжениями в области соединения задней кромки аэродинамического профиля с полкой.
Таким образом, задачей изобретения является обеспечение способа снижения напряжений в элементе турбомашины, и, с его помощью, по меньшей мере, частичного устранения вышеупомянутой проблемы возникновения трещин в области отхода задней кромки аэродинамического профиля от полки.
Задача достигается посредством элемента турбомашины в соответствии с п. 1 формулы изобретения и способа формирования разгрузочной полости в элементе турбомашины в соответствии с п. 4.
Первым объектом изобретения является элемент турбомашины. Указанный элемент турбомашины содержит аэродинамический профиль и полку. Аэродинамический профиль содержит заднюю кромку. Полка содержит переднюю краевую поверхность, заднюю краевую поверхность и по меньшей мере две окружные фронтальные поверхности. Полка также содержит область задней кромки, паз для уплотнительной полосы и разгрузочную полость. Областью задней кромки является область полки, которая поддерживает, по меньшей мере, часть задней кромки. На одной из окружных фронтальных поверхностей полки выполнен паз для уплотнительной полосы, проходящий в окружном направлении внутрь полки и приспособленный для размещения части уплотнительной полосы, таким образом, что когда элемент турбомашины собран с другим элементом турбомашины для образования узла турбомашины, вторая часть уплотнительной полосы может быть вставлена в соответствующий паз соседней полки, и два паза для уплотнительной полосы двух элементов турбомашины располагаются напротив друг друга и могут удерживать помещаемую в них уплотнительную полосу. Разгрузочная полость выполнена в виде глухого отверстия, проходит внутрь полки в область задней кромки и является продолжением паза для уплотнительной полосы. Кроме того, разгрузочная полость проходит внутрь области задней кромки до места под задней кромкой. Это обеспечивает снижение напряжений в полке в месте под задней кромкой.
Согласно другому варианту осуществления изобретения элемент турбомашины представляет собой рабочую лопатку. Указанная разгрузочная полость обеспечивает снижение напряжений в полке рабочей лопатки. Еще в одном варианте осуществления изобретения элемент турбомашины представляет собой направляющую лопатку. Указанная разгрузочная полость обеспечивает снижение напряжений в полке направляющей лопатки.
Вторым объектом изобретения является способ формирования разгрузочной полости в элементе турбомашины. Элемент турбомашины содержит аэродинамический профиль и полку. Аэродинамический профиль содержит заднюю кромку. Полка содержит переднюю краевую поверхность, заднюю краевую поверхность и по меньшей мере две окружные фронтальные поверхности. Полка также содержит область задней кромки и паз для уплотнительной полосы. Областью задней кромки является область полки, которая поддерживает, по меньшей мере, часть задней кромки. На одной из окружных фронтальных поверхностей полки выполнен паз для уплотнительной полосы, проходящий в окружном направлении внутрь полки и приспособленный для размещения части уплотнительной полосы, таким образом, что когда элемент турбомашины собран с другим элементом турбомашины для образования узла турбомашины, вторая часть уплотнительной полосы может быть вставлена в соответствующий паз соседней полки, и два паза для уплотнительной полосы двух элементов турбомашины располагаются напротив друг друга и могут удерживать помещаемую в них уплотнительную полосу. В способе согласно изобретению разгрузочную полость формируют посредством углубления паза для уплотнительной полосы внутрь полки в область задней кромки. Кроме того, паз для уплотнительной полосы углубляют внутрь области задней кромки до места под задней кромкой для образования разгрузочной полости. Сформированная таким образом разгрузочная полость обеспечивает снижение напряжений в полке в месте под задней кромкой.
В другом варианте осуществления изобретения паз для уплотнительной полосы для формирования разгрузочной полости углубляют посредством удаления материала полки из полки. Этот способ может быть применен на предварительно изготовленных элементах турбомашины.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения материал полки удаляют посредством электроэрозионной обработки. Это обеспечивает точность процесса удаления материала полки. Кроме того, данная технология может быть применена для твердых металлов или сплавов, которые трудно обрабатывать традиционными методами, например, посредством механической резки.
В способе согласно еще одному варианту осуществления изобретения элемент турбомашины представляет собой рабочую лопатку. Этот способ может быть применен для формирования разгрузочной полости в рабочей лопатке.
В способе согласно еще одному варианту осуществления изобретения элемент турбомашины представляет собой направляющую лопатку. Этот способ может быть применен для формирования разгрузочной полости в направляющей лопатке.
Согласно третьему аспекту изобретения предлагается узел турбомашины. Узел турбомашины содержит по меньшей мере два элемента турбомашины, установленных рядом друг с другом; уплотнительную полосу, расположенную между двумя указанными элементами; каждый из указанных элементов турбомашины содержит аэродинамический профиль, имеющий заднюю кромку и полку; полка содержит область задней кромки, служащую опорой, по меньшей мере, для части указанной задней кромки, переднюю краевую поверхность, заднюю краевую поверхность и по меньшей мере две окружные фронтальные поверхности, а также паз для уплотнительной полосы, выполненный на одной из указанных окружных фронтальных поверхностей указанной полки и проходящий в окружном направлении внутрь указанной полки; причем в паз для уплотнительной полосы может входить часть указанной уплотнительной полосы; и разгрузочную полость, проходящую внутрь указанной полки в указанную область задней кромки, при этом указанная разгрузочная полость представляет собой продолжение указанного паза для уплотнительной полосы, и указанная уплотнительная полоса проходит частично в указанный паз для уплотнительной полосы каждого из элементов турбомашины.
Согласно одному из вариантов осуществления в узле турбомашины разгрузочная полость проходит внутрь области задней кромки до места под задней кромкой. Это обеспечивает снижение напряжений в узле турбомашины в полках в местах под задними кромками.
Согласно другому варианту осуществления изобретения в узле турбомашины элемент турбомашины представляет собой рабочую лопатку. Указанная разгрузочная полость обеспечивает снижение напряжений в полке рабочей лопатки узла турбомашины.
Еще в одном варианте осуществления изобретения в узле турбомашины элемент турбомашины представляет собой направляющую лопатку. Указанная разгрузочная полость обеспечивает снижение напряжений в полке направляющей лопатки узла турбомашины.
Изобретение обеспечивает целый ряд преимуществ. Разгрузочная полость ослабляет область задней кромки, что обеспечивает повышение упругости полки в области задней кромки и вокруг нее. Это обеспечивает, по меньшей мере, частичное устранение проблемы образования изломов и трещин в области задней кромки, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение срока службы элемента турбомашины. Поскольку формирование разгрузочной полости осуществляют посредством углубления паза для уплотнительной полосы, не требуется какой-либо отдельной дополнительной операции для образования данной разгрузочной полости. Разгрузочная полость может быть легко сформирована в процессе создания паза для уплотнительной полосы.
Далее изобретение будет раскрыто на примере поясняющих вариантов его осуществления со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 показан элемент турбомашины согласно примеру осуществления, схематичное изображение, демонстрирующее паз для уплотнительной полосы и область задней кромки;
на фиг. 2 - элемент турбомашины согласно примеру осуществления, схематичное изображение, демонстрирующее область задней кромки;
на фиг. 3 - элемент турбомашины согласно примеру осуществления на виде сверху, схематичное изображение, демонстрирующее область задней кромки и паз для уплотнительной полосы;
на фиг. 4 - элемент турбомашины согласно примеру осуществления, схематичное изображение, демонстрирующее разгрузочную полость;
на фиг. 5 - узел турбомашины в соответствии с аспектами изобретения, схематичное изображение.
Далее подробно раскрыты вышеуказанные и другие особенности изобретения. Различные варианты осуществления изобретения описаны со ссылками на чертежи, на которых одинаковые или аналогичные элементы указаны одинаковыми ссылочными обозначениями. В последующем описании многочисленные конкретные детали раскрыты для ясного понимания одного или нескольких возможных вариантов осуществления изобретения. Следует отметить, что представленные варианты осуществления изобретения предназначены для пояснения и не ограничивают объем изобретения. Очевидно, что такие варианты изобретения могут быть реализованы без этих конкретных деталей.
Основная идея изобретения заключается в формировании разгрузочной полости в полке, которая поддерживает аэродинамический профиль в элементе турбомашины. Разгрузочная полость выполнена внутри полки. Задняя кромка отходит от той части поверхности полки, которая расположена над разгрузочной полостью. Таким образом, разгрузочная полость согласно изобретению расположена в области полки, от которой отходит задняя кромка аэродинамического профиля. Кроме того, разгрузочная полость представляет собой продолжение паза для уплотнительной полосы. Такие пазы для уплотнительной полосы, как правило, выполняют в полке, таким образом, что при сборке, при установке рядом на турбинном диске двух элементов турбомашины абсолютно одинаковой конструкции, два уплотнительных паза двух установленных рядом элементов турбомашины располагаются напротив друг друга и могут удерживать уплотнительную полосу.
Обращаясь к фиг. 1-5, можно заметить, что для пояснения и без ограничения изобретение раскрыто на примере элемента 1 турбомашины, представляющего собой рабочую лопатку турбины (не показана). Следует отметить также, что элемент 1 турбомашины может представлять собой и направляющую лопатку турбины.
На фиг. 1 представлен показан элемент 1 турбомашины согласно примеру осуществления, схематичное изображение, демонстрирующее паз 40 для уплотнительной полосы и область 25 задней кромки. Элемент 1 турбомашины содержит полку 20, от которой в противоположных направлениях отходят аэродинамический профиль 10 и хвостовик 50.
Аэродинамический профиль 10 содержит переднюю кромку 12, заднюю кромку 14 и две боковые поверхности 16, каждая из которых соединяет переднюю кромку 12 с задней кромкой 14 аэродинамического профиля 10.
Полка 20 отходит радиально наружу от хвостовика 50 и содержит переднюю краевую поверхность 22, соответствующую передней кромке 12 аэродинамического профиля 10, заднюю краевую поверхность 24, соответствующую задней кромке 14 аэродинамического профиля 10 и расположенную противоположно передней краевой поверхности 22, и две, как правило, параллельные окружные фронтальные поверхности 26, соответствующие боковым поверхностям 16 аэродинамического профиля 10. Полка 20 содержит также область 25 задней кромки, которая является опорой, по меньшей мере, для части задней кромки 14 аэродинамического профиля 10. В области 25 задней кромки место внутри полки 20, находящееся, в целом, под задней кромкой 14, указано ссылочным обозначением 28.
Используемое понятие «область задней кромки» служит для обозначения объемной части полки 20, расположенной под областью на поверхности полки 20 вокруг точки, в которой задняя кромка 14 аэродинамического профиля 10 переходит в поверхность полки 20.
Полка 20 содержит также паз 40 для уплотнительной полосы, выполненный на одной из окружных фронтальных поверхностей 26 полки 20 и проходящий в окружном направлении внутрь полки 20. Паз 40 для уплотнительной полосы приспособлен для размещения части (не показана) для уплотнительной полосы, таким образом, что при сборке, при установке рядом на турбинном диске двух элементов 1 турбомашины, аналогичной или абсолютно одинаковой конструкции, и образовании узла (не показан) турбомашины, два паза 40 для уплотнительной полосы двух установленных рядом элементов 1 турбомашины располагаются напротив друг друга и могут удерживать помещаемую в них уплотнительную полосу.
На фиг. 2 приведено схематичное изображение на виде снизу элемента 1 турбомашины согласно примеру осуществления, показывающее область 25 задней кромки и ее расположение относительно передней кромки 12, задней кромки 14 и боковых поверхностей 16 аэродинамического профиля 10, а также относительно передней краевой поверхности 22, задней краевой поверхности 24 и окружных фронтальных поверхностей 26 полки 20. Также показана область 28 под задней кромкой 14.
На фиг. 3 приведено схематичное изображение на виде сверху элемента 1 турбомашины согласно примеру осуществления, показывающее область 25 задней кромки и ее расположение относительно передней кромки 12, задней кромки 14 и боковых поверхностей 16 аэродинамического профиля 10, а также относительно передней краевой поверхности 22, задней краевой поверхности 24 и окружных фронтальных поверхностей 26 полки 20. Полка 20 содержит паз 40 для уплотнительной полосы, выполненный на одной из окружных фронтальных поверхностей 26 полки 20 и проходящий в окружном направлении внутрь полки 20. Полка 20 может иметь более одного паза 40 для уплотнительной полосы, каждый из которых, как правило, выполнен на одной из окружных фронтальных поверхностей 26 полки 20. Как правило, полка 20 содержит один такой паз 40 для уплотнительной полосы на каждой из окружных фронтальных поверхностей 26.
На фиг. 4, в сочетании с фиг. 1, показан на примере осуществления элемент 1 турбомашины согласно аспектам изобретения. Элемент 1 турбомашины содержит разгрузочную полость 30. Разгрузочная полость 30 проходит внутрь полки 20 в область 25 задней кромки и представляет собой продолжение 42 паза 40 для уплотнительной полосы. Иными словами, разгрузочная полость 30 проходит внутрь полки 20 от паза 40 для уплотнительной полосы в область 25 задней кромки. Эта разгрузочная полость 30 повышает упругость полки в области 25 задней кромки и вокруг нее, и, по меньшей мере, частично устраняет проблему образования изломов и трещин вследствие воздействия термических и/или механических напряжений.
В элементе 1 турбомашины согласно одному из возможных вариантов осуществления разгрузочная полость 30 проходит в область 25 задней кромки до места 28 под задней кромкой 14.
На фиг. 5, в сочетании с фиг. 3, схематично представлен узел 90 турбомашины. Узел 90 турбомашины содержит по меньшей мере два элемента 1 турбомашины, установленных рядом друг с другом, и уплотнительную полосу 44, проходящую между этими двумя элементами 1 турбомашины. Каждый из этих двух элементов 1 турбомашины содержит аэродинамический профиль 10, имеющий заднюю кромку 14 и полку 20. Элемент 1 турбомашины может представлять собой рабочую лопатку или направляющую лопатку турбины. Полка 20 содержит область 25 задней кромки, переднюю краевую поверхность 22, заднюю краевую поверхность 24, по меньшей мере две окружные фронтальные поверхности 26, паз 40 для уплотнительной полосы и разгрузочную полость 30. Паз 40 для уплотнительной полосы, выполненный на одной из двух окружных фронтальных поверхностей 26 полки 20, проходит в окружном направлении внутрь полки 20. Паз 40 для уплотнительной полосы приспособлен для размещения в нем части (не показана) для уплотнительной полосы 44. Разгрузочная полость 30 проходит внутрь полки 20 в область 25 задней кромки. Разгрузочная полость 30 является продолжением 42 паза 40 для уплотнительной полосы. Уплотнительная полоса 44 проходит частично в паз 40 для уплотнительной полосы каждого из элементов 1 турбомашины.
Как показано на фиг. 5, а также на фиг. 2 и 3, в узле 90 турбомашины согласно одному из вариантов осуществления разгрузочная полость 30 проходит в область 25 задней кромки до места 28 под задней кромкой 14.
Изобретение также относится к способу формирования разгрузочной полости в элементе турбомашины. Элемент турбомашины содержит аэродинамический профиль и полку. Аэродинамический профиль содержит заднюю кромку. Полка содержит область задней кромки и паз для уплотнительной полосы. Область задней кромки поддерживает, по меньшей мере, часть задней кромки. Паз для уплотнительной полосы выполнен таким образом, что, когда элемент турбомашины собран с другим элементом турбомашины, предпочтительно, аналогичной или такой же конструкции, для образования диска турбины, два паза для уплотнительной полосы двух установленных рядом элементов турбомашины располагаются напротив друг друга и могут удерживать помещаемую в них уплотнительную полосу. В способе согласно изобретению разгрузочную полость формируют посредством углубления паза для уплотнительной полосы через полку в область задней кромки. Элемент турбомашины может представлять собой рабочую лопатку или направляющую лопатку турбины.
В способе согласно одному из вариантов осуществления углубление паза для уплотнительной полосы внутрь области задней кромки для формирования разгрузочной полости осуществляют до места под задней кромкой.
В способе согласно одному из вариантов осуществления углубление паза для уплотнительной полосы внутрь полки для формирования разгрузочной полости может быть выполнено при отливке элемента турбомашины.
В качестве варианта, продолжение паза для уплотнительной полосы для формирования разгрузочной полости в полке может быть выполнено механической обработкой полки элемента турбомашины, который содержит, по меньшей мере, полку и паз для уплотнительной полосы. В этом варианте продолжение паза для уплотнительной полосы выполняют посредством удаления материала полки из полки. Материалом полки является материал, из которого выполнен элемент турбомашины, например, металлический сплав. Для удаления материала полки могут быть использованы различные технические методы, например, фрезерование, сверление и т.д.
В способе согласно другому варианту осуществления материал полки удаляют посредством электроэрозионной обработки. Электроэрозионная или электроразрядная обработка может включать в себя, но не ограничиваясь этим, использование электрод-инструмента для электрохимического формообразования, электроразрядную обработку проволокой, и т.п. Метод электроэрозионной обработки представляет собой субтрактивный технологический процесс, посредством которого заданную форму детали получают посредством электрических разрядов. Метод электроэрозионной обработки, в целом, известен в области технологий механической обработки, и, следовательно, для краткости его подробное описание не приведено.
Несмотря на то что изобретение раскрыто на примере определенных вариантов его осуществления, следует иметь в виду, что изобретение не ограничено лишь раскрытыми конкретными вариантами его осуществления. Наоборот, ввиду того, что в описании раскрыты лишь примеры реализации изобретения, специалисты в данной области, несомненно, увидят множество других возможных вариантов, модификаций и дополнений, которые могут быть реализованы без выхода за рамки объема и сущности изобретения. Объем изобретения определяется не вышеприведенным описанием, а исключительно формулой изобретения. Все изменения, модификации и варианты, входящие в смысловое содержание и область эквивалентности формулы изобретения, должны рассматриваться в ее объеме.