Рабочая лопатка турбины
TURBINE ROTATING BLADE

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение относится к документам [GE реестр №252833] и [GE реестр №252769], поданным одновременно с данной заявкой, которые полностью включены в настоящий документ посредством ссылки и являются его частью.
[0002] Настоящее изобретение в целом относится к устройству, способам и/или системам для охлаждения концевых частей рабочих лопаток газовых турбин. Более конкретно, но не в качестве ограничения, настоящая заявка относится к устройству, способам и/или системам, связанным с конструкцией микроканалов и их выполнением в концевых частях лопатки турбины.
[0003] Хорошо известно, что в газотурбинном двигателе воздух сжимается в компрессоре и используется для сжигания топлива в камере сгорания, чтобы генерировать поток горячих газообразных продуктов сгорания, после чего указанные газы протекают вниз по потоку через одну или большее количество турбин так, что из них может быть извлечена энергия. В такой турбине, как правило, ряды отстоящих друг от друга по окружности лопаток ротора проходят в радиальном наружном направлении от поддерживающего рабочего колеса. Каждая лопатка обычно содержит элемент пазового замка, который обеспечивает возможность установки и снятия лопатки в соответствующем пазу пазового замка в рабочем колесе, а также аэродинамической части, которая проходит в радиальном наружном направлении от элемента пазового замка.
[0004] Аэродинамическая часть лопатки имеет в целом вогнутую сторону повышенного давления и в целом выпуклую сторону пониженного давления, проходящие в осевом направлении между соответствующими передней и задней кромками и в радиальном направлении между хвостовиком и концевой частью. Следует понимать, что концевая часть лопатки отстоит на близком расстоянии от проходящего в радиальном наружном направлении бандажа турбины для минимизации протечки между ними газообразных продуктов сгорания, протекающих вниз между лопатками турбины. Максимальный коэффициент полезного действия двигателя достигается путем минимизации просвета или зазора концевой части для предотвращения протечки, но эта стратегия несколько ограничивается различными скоростями теплового и механического расширения и сжатия между лопатками ротора и бандажом турбины, а также мотивацией избежать нежелательного сценария чрезмерного трения концевой части о бандаж во время работы.
[0005] Кроме того, поскольку лопатки турбины окружены горячими газообразными продуктами сгорания, для обеспечения длительного срока службы частей требуется эффективное охлаждение. Как правило, аэродинамические части лопатки являются полыми и проточно сообщаются с компрессором, так что часть выпускаемого из него сжатого воздуха используется для охлаждения аэродинамических частей лопаток. Охлаждение аэродинамической части лопатки является довольно сложным и может осуществляться с использованием внутренних охлаждающих каналов и элементов различных форм, а также охлаждающих отверстий, проходящих через наружные стенки аэродинамической части лопатки для выпуска охлаждающего воздуха. Тем не менее, концевая часть аэродинамических частей лопаток поддается особенно трудному охлаждению, так как она расположена в непосредственной близости от бандажа турбины и нагревается горячими газообразными продуктами сгорания, которые проходят через зазор концевой части. Соответственно, часть воздуха, направляемая внутрь аэродинамической части лопатки, как правило, выпускается через концевую часть для ее охлаждения.
[0006] Следует отметить, что традиционные конструкции концевой части лопатки включают несколько различных геометрий и конфигураций, которые предназначены для предотвращения протечки и увеличения эффективности охлаждения. Иллюстративные патенты включают: патент США № 5261789 на имя Баттса и др.; патент США № 6179556 на имя Банкера; патент США № 6190129 на имя Майера и др.; и патент США № 6059530 на имя Ли. Однако все традиционные конструкции концевой части лопатки имеют ограниченные недостатки, в том числе общую неспособность адекватно уменьшить протечки и/или обеспечить эффективное охлаждение концевой части, которое сводит к минимуму использование уменьшающего коэффициент полезного действия перепускного воздуха компрессора. Кроме того, как обсуждается более подробно ниже, традиционная конструкция концевой части лопатки, особенно та, которая имеет конструкцию «свиного пятачка», не смогла воспользоваться преимуществом эффективно интегрировать выгоды от микроканального охлаждения. В результате, требуется усовершенствованная конструкция концевой части лопатки турбины, которая повышала бы общую эффективность охлаждающей текучей среды, направляемой в эту область.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, в настоящей заявке предложена лопатка ротора турбины, используемая в газотурбинном двигателе, которая содержит аэродинамическую часть, которая содержит концевую часть на своем наружном радиальном конце. Концевая часть может содержать выступающую кромку, которая ограничивает полость концевой части. Выступающая кромка может содержать охватывающий выступающую кромку микроканал, который может содержать микроканал, проходящий вокруг по меньшей мере большей части длины внутренней поверхности выступающей кромки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Предмет изобретения, который рассматривается как изобретение, особенно четко определяется и заявляется в формуле изобретения в конце настоящего описания. Указанные выше и другие признаки и преимущества изобретения очевидны из следующего подробного описания, взятого в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:
[0009] Фиг.1 представляет собой принципиальную схему варианта выполнения системы газотурбинного двигателя;
[0010] Фиг.2 представляет собой вид в аксонометрии иллюстративного узла рабочей лопатки, содержащего ротор, лопатку турбины и неподвижный бандаж;
[0011] Фиг.3 представляет собой вид в аксонометрии концевой части рабочей лопатки, в которой могут быть использованы варианты выполнения настоящего изобретения;
[0012] Фиг.4 представляет собой вид в аксонометрии задней кромки альтернативной концевой части рабочей лопатки, в которой могут быть использованы варианты выполнения настоящего изобретения;
[0013] Фиг.5 представляет собой вид в аксонометрии задней кромки другой альтернативной концевой части рабочей лопатки, в которой могут быть использованы варианты выполнения настоящего изобретения;
[0014] Фиг.6 представляет собой вид в аксонометрии концевой части рабочей лопатки, имеющей иллюстративный охлаждающий канал, выполненный в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения;
[0015] Фиг.7 представляет собой вид в аксонометрии, с разрезом по линии 5-5, иллюстративного варианта выполнения, изображенного на Фиг.4;
[0016] Фиг.8 представляет собой вид сбоку, с разрезом по линии 5-5, иллюстративного варианта выполнения, изображенного на Фиг.4;
[0017] Фиг.9 представляет собой вид сбоку, со стороны полости концевой части, иллюстративной конфигурации охлаждающего канала, выполненного в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения;
[0018] Фиг.10 представляет собой вид в разрезе по линии 10-10 иллюстративного варианта выполнения, изображенного на Фиг.9;
[0019] Фиг.11 представляет собой вид в разрезе по линии 11-11 иллюстративного варианта выполнения, изображенного на Фиг.9;
[0020] Фиг.12 представляет собой вид в разрезе по линии 12-12 иллюстративного варианта выполнения, изображенного на Фиг.9;
[0021] Фиг.13 представляет собой вид в аксонометрии концевой части рабочей лопатки, имеющей иллюстративный охватывающий выступающую кромку микроканал, имеющий питающий канал пластины концевой части;
[0022] Фиг.14 представляет собой вид в аксонометрии концевой части рабочей лопатки, имеющей иллюстративный охлаждающий канал, выполненный в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения;
[0023] Фиг.15 представляет собой крупный план в аксонометрии концевой части рабочей лопатки, изображенной на Фиг.13.
[0024] Подробное описание поясняет варианты выполнения настоящего изобретения, а также преимущества и особенности, посредством примера со ссылкой на чертежи.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0025] Фиг.1 представляет собой схему одного варианта выполнения турбоустановки, такой как газотурбинная система 100. Система 100 содержит компрессор 102, камеру 104 сгорания, турбину 106, вал 108 и топливную форсунку 110. В одном варианте выполнения система 100 может содержать несколько компрессоров 102, камер 104 сгорания, турбин 106, валов 108 и топливных форсунок 110. Компрессор 102 и турбина 106 соединены валом 108. Вал 108 может представлять собой один вал или несколько сегментов, соединенных вместе с формированием вала 108.
[0026] В одном аспекте в камере 104 сгорания для работы двигателя используется жидкое и/или газообразное топливо, такое как природный газ или обогащенный водородом синтетический газ. Например, топливные форсунки 110 находятся в проточном сообщении с источником воздуха и источником 112 топлива. Топливные форсунки 110 создают воздушно-топливную смесь и выпускают воздушно-топливную смесь в камеру 104 сгорания, вызывая, тем самым, горение, которое создает горячий топочный газ под давлением. Камера 100 сгорания направляет горячий газ под давлением через переходной патрубок в сопловую лопатку турбины (или «сопловую лопатку первой ступени») и в другие ступени рабочих лопаток и сопловых лопаток, вызывая вращение турбины 106. Вращение турбины 106 приводит к вращению вала 108, сжимая, тем самым, воздух, когда он проходит в компрессор 102. В одном варианте выполнения элементы тракта горячего газа, включая, но не ограничиваясь этим, бандажи, направляющие диски, сопловые лопатки, рабочие лопатки и переходные патрубки, расположены в турбине 106, причем поток горячего газа через элементы вызывает ползучесть, окисление, износ и термическую усталость деталей турбины. Управление температурой элементов тракта горячего газа может уменьшить режимы разрушения элементов. Коэффициент полезного действия газовой турбины увеличивается с увеличением температуры горения в турбинной системе 100. Когда температура горения повышается, элементы тракта горячего газа должны быть должным образом охлаждены, чтобы соответствовать заявленному сроку службы. Элементы с улучшенными конструкциями для охлаждения области вблизи тракта горячего газа и способы изготовления таких элементов подробно описаны ниже со ссылкой на Фиг.2-12. Хотя последующее обсуждение в первую очередь направлено на газовые турбины, концепции, обсуждаемые далее в настоящем документе, не ограничиваются газовыми турбинами.
[0027] Фиг.2 представляет собой вид в аксонометрии иллюстративного элемента тракта горячего газа, рабочей лопатки 115 турбины, которая расположена в турбине газовой турбины или двигателя внутреннего сгорания. Следует иметь в виду, что турбина установлена непосредственно ниже по потоку от камеры сгорания для получения оттуда горячих газообразных продуктов 116 сгорания. Турбина, которая является осесимметричной относительно осевой центральной оси, содержит рабочее колесо 117 и несколько отстоящих друг от друга по окружности рабочих лопаток турбины (только одна из которых показана), проходящих в радиальном наружном направлении от рабочего колеса 117 вдоль радиальной оси. Кольцевой бандаж 120 турбины соединен соответствующим образом с неподвижным корпусом статора (не показан) и окружает рабочие лопатки 115 таким образом, что между ними остается относительно небольшой зазор или промежуток, который во время работы ограничивает протечку газообразных продуктов сгорания.
[0028] Каждая рабочая лопатка 115 в целом содержит хвостовик или элемент 122 пазового замка, который может иметь любую традиционную форму, такую как осевой ласточкин хвост, выполненный с возможностью установки в соответствующий паз пазового замка по периметру рабочего колеса 117. Полая аэродинамическая часть 124 лопатки как единое целое соединена с элементом 122 и проходит от него в наружном радиальном направлении или в продольном направлении. Рабочая лопатка 115 также содержит выполненную как единое целое платформу 126, расположенную на стыке аэродинамической части 124 и элемента 122 для ограничения части внутреннего в радиальном направлении проточного тракта для газообразных продуктов 116 сгорания. Следует иметь в виду, что лопатки 115 могут быть выполнены любым традиционным способом и, как правило, представляют собой цельные отлитые элементы. Будет показано, что аэродинамическая часть 124 лопатки предпочтительно содержит в целом вогнутую сторону 128 повышенного давления боковины и противоположную в окружном или боковом направлении в целом выпуклую сторону 130 пониженного давления, проходящую в осевом направлении между противоположными передней и задней кромками соответственно 132 и 134. Боковые стороны 128 и 130 также проходят в радиальном направлении от платформы 126 к проходящей в наружном радиальном направлении концевой части лопатки, или концевой части 137.
[0029] Фиг.3 представляет собой крупный план иллюстративной концевой части 137 лопатки, в котором могут быть использованы варианты выполнения настоящего изобретения. В целом, концевая часть 137 лопатки содержит пластину 148, расположенную сверху проходящих в радиальном направлении наружных кромок стороны 128 повышенного давления и стороны 130 пониженного давления. Пластина 148 концевой части обычно ограничивает внутренние охлаждающие каналы (которые будут упоминаться в настоящем документе просто как «камеры аэродинамической части лопатки»), которые ограничены между стороной 128 повышенного давления и стороной 130 пониженного давления аэродинамической части 124 лопатки. Охлаждающая текучая среда, такая как сжатый воздух, выпускаемый из компрессора, может во время работы циркулировать через камеру аэродинамической части лопатки. В некоторых случаях пластина 148 концевой части может содержать выпускные отверстия 149 пленочного охлаждения, которые высвобождают охлаждающую текучую среду во время работы и способствуют пленочному охлаждению на поверхности рабочей лопатки 115. Пластина 148 концевой части может быть выполнена с рабочей лопаткой 115 как единое целое или, как показано, часть (которая показана заштрихованной областью) может быть приварена/припаяна на место после того, как лопатка отлита.
[0030] Благодаря ограниченные эксплуатационные преимущества, таким как сниженный поток протечки, концевая часть 137 лопатки часто содержат оконечную выступающую кромку, или выступающую кромку 150. Совпадая со стороной 128 повышенного давления и стороной 130 пониженного давления, выступающая кромка 150 может быть описана как содержащая выступающую кромку 152 стороны повышенного давления и выступающую кромку 153 стороны пониженного давления соответственно. В целом, выступающая кромка 152 стороны повышенного давления проходит в радиальном наружном направлении от пластины 148 концевой части (т.е. образует угол около 90º, или близко к нему, с пластиной 148 концевой части) и проходит от передней кромки 132 к задней кромке 134 аэродинамической части 124 лопатки. Как показано на чертеже, линия прохождения выступающей кромки 152 стороны повышенного давления проходит рядом или вблизи наружной радиальной кромки стороны 128 повышенного давления (т.е. на или вблизи периферии пластины 148 концевой части таким образом, что она совмещается с наружной радиальной кромкой стороны 128 повышенного давления). Аналогичным образом, как показано, выступающая кромка 153 стороны пониженного давления проходит в радиальном наружном направлении от пластины 148 концевой части (т.е. образует угол около 90° с пластиной 148 концевой части) и проходит от передней кромки 132 к задней кромке 134 аэродинамической части лопатки. Линия прохождения выступающей кромки 153 стороны пониженного давления проходит рядом или вблизи наружной радиальной кромки стороны 1308 пониженного давления (т.е. на или вблизи периферии пластины 148 концевой части таким образом, что она совмещается с наружной радиальной кромкой стороны 130 пониженного давления). Как выступающая кромка 152 стороны повышенного давления, так и выступающая кромка 153 стороны пониженного давления могут быть описаны как имеющие внутреннюю поверхность 157 и наружную поверхность 159. Следует понимать, однако, что выступающая кромка(и) не обязательно должна следовать выступающей кромке стороны повышенного давления или выступающей кромке стороны пониженного давления. То есть в концевых частях альтернативных типов, в которых настоящее изобретение может быть использовано, выступающие кромки 150 концевых частей могут быть перемещены от краев пластины 148 концевой части. Следует понимать, что сформированная таким образом выступающая кромка 150 концевой части ограничивает карман или полость 155 концевой части в концевой части 137 рабочей лопатки 115. Как будет понятно специалисту в данной области техники, концевая часть 137, выполненная таким образом, т.е. имеющая полость 155 этого типа, часто называется концевой частью со «свиным пятачком» или концевой частью, имеющей «карман или полость в виде свиного пятачка». Высота и ширина выступающей кромки 152 стороны повышенного давления и/или выступающей кромки 153 стороны пониженного давления (и, следовательно, глубина полости 155) могут изменяться, в зависимости от максимальной производительности и размера всего узла турбины. Следует иметь в виду, что пластина 148 концевой части образует пол полости 155 (т.е. внутреннюю радиальную границу полости), выступающая кромка 150 концевой части образует боковые стенки полости 155, при этом полость 155 остается открытой через наружную радиальную поверхность, которая, после установки в двигатель турбины, ограничена вблизи неподвижным бандажом 120 (см. Фиг.2), который немного смещен от нее в радиальном направлении.
[0031] На Фиг.4 и 5 показана известная альтернативная конструкция выступающей кромки концевой части для задних кромок концевых частей рабочих лопаток. Несмотря на то что некоторые иллюстративные варианты выполнения в основном описаны в отношении определенной конструкции выступающей кромки концевой части, должно быть понятно, что настоящее изобретение может быть приспособлено для использования в конструкциях выступающей кромки концевой части различных типов. На Фиг.4, например, выступающая кромка 150 концевой части имеет зазор 161 выступающей кромки вдоль выступающей кромки 153 стороны пониженного давления вблизи задней кромки 134 аэродинамической части 124. На Фиг.5 выступающая кромка 150 концевой части имеет зазор 161 вдоль выступающей кромки 153 стороны повышенного давления вблизи задней кромки 134 аэродинамической части 124.
[0032] Следует понимать, что в аэродинамической части 124 лопатки сторона 128 повышенного давления и сторона 130 пониженного давления отстоят друг от друга в окружном и осевом направлении на большей части или всей радиальной протяженности аэродинамической части 124 лопатки для ограничения по меньшей мере одной внутренней камеры 156 через аэродинамическую часть 124 лопатки. Внутренняя камера 156 аэродинамической части в целом пропускает охлаждающую текучую среду из соединения в хвостовике рабочей лопатки через аэродинамическую часть 124 таким образом, что аэродинамическая часть 124 не перегревается во время работы, когда на нее воздействует тракт горячего газа. Охлаждающая текучая среда, как правило, представляет собой сжатый воздух, отводимый из компрессора 102, что может быть достигнуто большим количеством традиционных способов. Камера 156 аэродинамической части может иметь любую из большого количества конфигураций, в том числе, например, змеевидные проточные каналы с различными турбулизаторами для повышения эффективности охлаждения воздухом, причем охлаждающий воздух выпускается через различные отверстия, расположенные вдоль аэродинамической части 124 лопатки, например выпускные отверстия 149 пленочного охлаждения, которые показаны на пластине 148 концевой части. Как описано более подробно ниже, следует понимать, что такая камера 156 аэродинамической части может быть выполнена с возможностью или использована совместно с охлаждающими поверхность каналами или микроканалами, выполненными в соответствии с настоящим изобретением, путем механической обработки или просверливания прохода или соединительного канала, соединяющего камеру 156 аэродинамической части с образованной поверхностью охлаждающего канала или микроканала. Это может быть осуществлено любым традиционным способом. Следует иметь в виду, что соединительный канал этого типа может иметь такой размер или быть выполнен таким образом, что в микроканал протекает отмеренное или требуемое количество охлаждающей текучей среды, которое он обеспечивает. Кроме того, как обсуждается более подробно ниже, микроканалы, описанные в настоящем документе, могут быть выполнены так, что они пересекают существующее выпускное отверстие для охлаждающей текучей среды (например, выпускное отверстие 149 пленочного охлаждения). Таким образом, в микроканал может подаваться охлаждающая текучая среда из источника, т.е. текучая среда, которая ранее вышла из рабочей лопатки в этом месте, перенаправляется так, что она циркулирует через микроканалы и выходит из рабочей лопатки в другом месте.
[0033] Как упоминалось выше, один способ, используемый для охлаждения конкретных областей лопаток ротора и других частей тракта горячего газа, заключается в использовании охлаждающих каналов, сформированных очень близко к поверхности элемента и проходящих по существу параллельно этой поверхности. При таком расположении охлаждающая текучая среда более непосредственно попадает на самые горячие части элемента, что повышает эффективность охлаждения, а также предотвращает продвижение экстремальных температур внутрь рабочей лопатки. Однако, как должно быть понятно специалисту в данной области техники, эти охлаждающие поверхность каналы, которые, как заявлено в настоящем документе, называются «микроканалами», трудно изготовить из-за их малого поперечного проточного сечения, а также потому, что они должны быть расположены слишком близко к поверхности. Один из способов, с помощью которого такие микроканалы могут быть изготовлены, представляет собой отливку вместе с лопаткой при изготовлении лопатки. С помощью этого способа, однако, как правило, трудно сформировать микроканалы достаточно близко к поверхности элемента, если только не используются очень дорогостоящие способы отливки. Таким образом, образование микроканалов путем отливки обычно ограничивает близость микроканалов к поверхности охлаждаемого элемента, что, тем самым, ограничивает их эффективность охлаждения. Таким образом, были разработаны другие способы, с помощью которых могут быть сформированы такие микроканалы. Эти другие способы обычно включают схватывание канавок, образованных на поверхности элемента, после завершения отливки элемента, а затем схватывание канавок своего рода покрытием так, что очень близко к поверхности образуется мелкий канал.
[0034] Один известный способ осуществления этого состоит в использовании покрытия, чтобы охватить канавки, образованные на поверхности элемента. В этом случае образованную канавку, как правило, сначала заполняют наполнителем. Затем покрытие наносят на поверхность элемента, причем наполнитель поддерживает покрытие таким образом, что канавки охвачены покрытием, но не заполнены им. Когда покрытие высыхает, наполнитель может быть вымыт из канала таким образом, что создается полый, закрытый охлаждающий канал или микроканал, имеющий требуемое положение очень близко к поверхности элемента. В аналогичном известном способе канавка может быть сформирована с узким сужением на уровне поверхности элемента. Сужение может быть достаточно узким, чтобы предотвращать попадание покрытия в канавку при нанесении, без необходимости сперва заполнять канавку наполнителем.
[0035] Другой известный способ использует металлическую пластину, покрывающую поверхность элемента после формирования канавки. Таким образом, пластина или фольга напаивается на поверхность таким образом, что канавки, образованные на поверхности, остаются покрытыми. Другой тип микроканалов и способ изготовления микроканалов описан в одновременно рассматриваемой заявке на патент GE Реестр № 252833, которая, как было указано ранее, включена в настоящий документ. Эта заявка описывает усовершенствованную конфигурацию микроканалов, а также эффективный и экономичный способ, посредством которого эти охлаждающие поверхность каналы могут быть изготовлены. В этом случае мелкий канал или мелкая канавка, образованная на поверхности элемента, охватывается закрывающей проволокой/полоской, которую приваривают или припаивают к ней. Закрывающая проволока/полоска может иметь такой размер, что, когда приварена/припаяна по краям, канал плотно закрыт, тогда как остается полым через внутреннюю область, куда направляется охлаждающая текучая среда.
[0036] Последующие заявки на патент и патенты США описывают подробности способов, с помощью которых могут быть выполнены и изготовлены такие микроканалы или охлаждающие поверхность каналы, и включены в настоящий документ в полном объеме: патент США № 7487641; патент США № 6528118; патент США № 6461108; патент США № 7900458 и заявка на патент США № 20020106457. Следует иметь в виду, что, если не указано иное, микроканалы, описанные в настоящей заявке и, в особенности, в прилагаемой формуле изобретения, могут быть выполнены с помощью любого из вышеперечисленных способов, или любых других способов, или с помощью способов, известных в сопутствующих областях техники.
[0037] Фиг.6 представляет собой вид в аксонометрии внутренней поверхности 157 выступающей кромки 150 концевой части, имеющей иллюстративные охватывающие охлаждающие каналы или микроканалы (в дальнейшем «охватывающие микроканалы 166»), выполненные в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения. Используемый в настоящем документе термин «охватывающий микроканал» относится к микроканалу, расположенному на выступающей кромке 150, который проходит по большей части внутренней поверхности выступающей кромки 157 и, тем самым, окружает по меньшей мере значительную часть полости 155 концевой части. В некоторых предпочтительных вариантах выполнения термин «охватывающий микроканал» обозначает микроканал выступающей кромки, который окружает всю внутреннюю поверхность 157 выступающей кромки и, таким образом, окружает всю полость 155 концевой части. Микроканал 166 может образовывать замкнутый контур охлаждения, при этом на замкнутом контуре расположено несколько впускных и выпускных каналов, как показано. Следует иметь в виду, что Фиг.6 представляет собой вид, на котором крышка 168 канала не показана, и поэтому, в силу этого, микроканалы 166 изображены как незакрытые канавки или каналы, которые прорезаны во внутренней поверхности 157 выступающей кромки. Крышка 168, которая показана на других чертежах и описана ниже, представляет собой конструкцию, которая закрывает канавки микроканалов 166.
[0038] В одном предпочтительном варианте выполнения микроканалы 166 содержат два параллельных канала, которые ограничивают или охватывают по окружности внутреннюю поверхность 157 выступающей кромки 150. Как указано выше, из-за того, что микроканалы 166, изображенные на Фиг.6, являются незакрытыми, они напоминают узкие и мелкие канавки, которые могут быть выполнены механической обработкой в поверхности рабочей лопатки 115. Профиль поперечного сечения канавки может быть прямоугольным или полукруглым, хотя также возможны и другие формы поперечного сечения. В предпочтительном варианте выполнения микроканалы 166 параллельно проходят вокруг полости 155 концевой части и равномерно распределены между основанием выступающей кромке 150 и наружной кромкой или поверхностью выступающей кромки 150, так что эффект охлаждения во время работы распределяется по выступающей кромке 150 более равномерно. Охватывающие микроканалы 166 могут быть описаны как содержащие внутренний микроканал 171, который расположен рядом с основанием выступающей кромки 150, и наружный микроканал 173, который расположен рядом с наружной кромкой выступающей кромки 150.
[0039] Как описано более подробно ниже, в предпочтительном варианте выполнения соединительный канал 167 источника соединяет микроканалы 166 с источником охлаждающей текучей среды в камере 156 аэродинамической части. Соединительный канал 167 может представлять собой внутренний канал, который проходит между внутренним микроканалом 171 и камерой 156. Соединительный канал 167 может быть подвергнут механической обработке после завершения отливки лопаток. Также возможны, как описано ниже, другие альтернативные источники охлаждающей текучей среды.
[0040] В альтернативных вариантах выполнения может быть сформирован один охватывающий микроканал 166, который по окружности охватывает внутреннюю поверхность 157 выступающей кромки. Кроме того, может быть предусмотрено более чем два микроканала 166, каждый из которых ограничивает внутреннюю поверхность 157 выступающей кромки. Охватывающие микроканалы 166 могут быть прямолинейными или могут содержать криволинейные части (не показаны), если необходимо решить проблему с конкретными горячими точками, и для этого необходимо наличие криволинейной траектории вдоль внутренней поверхности 157 выступающей кромки. Указанный один или большее количество микроканалов 166 могут быть выполнены так, что каждый из них приблизительно параллелен пластине 148 концевой части.
[0041] Фиг.7 и 8 обеспечивают виды в разрезе, выполненные вдоль отмеченной линии 7-7 разреза, показанной на Фиг.6. Следует иметь в виду, что на Фиг.6 крышка канала, или крышка 168, опущена, что сделано для того, чтобы более четко показать микроканалы 166. На Фиг.7 и 8 показаны крышки 168 канала. Следует иметь в виду, что крышка 168 канала представляет собой конструкцию, которая окружает канал 168, или, точнее, конструкцию, которая находится между микроканалом 166 и полостью 155 концевой части. На Фиг.7 и 8, например, может быть использовано покрытие, чтобы окружить канавки, которые посредством механической обработки были выполнены во внутренней поверхности 157 выступающей кромки. Покрытие окружает канавки таким образом, что формируются микроканалы 166. Покрытие может представлять собой любое подходящее покрытие для этой цели, в том числе экологически чистое защитное покрытие. В других вариантах выполнения крышка 168 вместе с лопаткой 115 может представлять собой единую целую часть. В этом случае микроканалы 168 отливают в лопатке 115 во время ее формирования. Как уже говорилось выше, тем не менее, точность, необходимая для этого вида отливки, резко увеличивает стоимость изготовления. В другом примере крышка 168, изображенная на Фиг.7 и 8, может представлять собой тонкую пластину или фольгу, которая приварена или припаяна к выступающей кромке 150. В другом примере крышка 168 может представлять собой проволоку/полосу, которая приварена/припаяна (процесс, описанный в вышеуказанной совместно рассматриваемой заявке GE Реестр №252833).
[0042] Следует отметить, что Фиг.6-8 иллюстрируют конфигурацию микроканалов, которая может быть эффективно добавлена к существующим рабочим лопаткам после отливки или после использования. Таким образом, существующие рабочие лопатки могут быть в целях удобства усовершенствованы микроканалами 166 для решения проблем с недостатком охлаждения в концевой части 137 лопатки, что может быть вызвано изменением температуры или условий воспламенения. Для достижения этой цели канавки могут быть выполнены механической обработкой на внутренней поверхности 157 выступающей кромки 150. Механическая обработка может быть завершена с помощью любого известного процесса обработки. Канавка может быть соединена с источником охлаждающей текучей среды посредством просверленного или выполненного с помощью механической обработки канала, проходящего через пластину 148 концевой части, которая упоминается в настоящем документе как соединительный канал 167 источника. Затем крышка 168 может использоваться для закрытия канавки таким образом, что создается охватывающий микроканал 166.
[0043] Выпускные отверстия 170 микроканала могут быть сформированы с интервалом вдоль охватывающих микроканалов 166. Как показано, соединительный канал 169 выступающей кромки может соединять внутренний микроканал 171 с наружным микроканалом 173. Как показано, эта предпочтительная конфигурация может обеспечить возможность протекания охлаждающей текучей среды из источника, расположенного в камере 156 аэродинамической части, во внутренний микроканал 171. Затем охлаждающая текучая среда может протекать через внутренний микроканал 171 к соединителю 169, который, как показано, могут быть расположен в шахматном порядке относительно соединительных каналов 167 источника для создания извилистой траектории, которая способствует отводу тепла. Затем охлаждающая текучая среда может протекать из внутреннего микроканала 171 в наружный микроканал 173 через соединительный канал 169. После попадания в наружный микроканал 173 охлаждающая текучая среда может проходить к одному из выпускных отверстий 170, которые могут быть расположены с уступом относительно соединительных каналов 169.
[0044] В некоторых предпочтительных вариантах выполнения микроканал 166 определен в настоящем документе так, что он представляет собой закрытый ограниченный внутренний канал, который проходит очень близко и приблизительно параллельно подверженной внешнему воздействию наружной поверхности рабочей лопатки. В некоторых предпочтительных вариантах выполнения и как используется в настоящем документе, где это указано, микроканал 166 представляет собой охлаждающий канал, который расположен на расстоянии менее чем приблизительно 0,050 дюйма (1,27 мм) от наружной поверхности рабочей лопатки, которое, в зависимости от того, как выполнен микроканал 166, может соответствовать толщине крышки 168 канала и любому покрытию, которое окружает микроканал 166. Более предпочтительно такой микроканал находится на расстоянии между 0,040 и 0,020 дюймами (1 и 0,5 мм) от наружной поверхности рабочей лопатки.
[0045] Кроме того, площадь поперечного сечения потока в таких микроканалах, как правило, ограничена, что обеспечивает возможность формирования многочисленных микроканалов на поверхности элемента и более эффективного использования охлаждающей текучей среды. В некоторых предпочтительных вариантах выполнения и как используется в настоящем документе, когда это указано, микроканал 166 определяется как имеющий поперечное сечения потока меньше чем приблизительно 0,0036 кв.дюймов (0,23 кв.мм). Более предпочтительно такие микроканалы имеют площадь поперечного сечения потока между приблизительно 0,0025 и 0,009 кв.дюймов (между 0,16 и 0,58 кв.мм). В некоторых предпочтительных вариантах выполнения средняя высота микроканала 166 имеет значение между приблизительно 0,020 и 0,060 дюйма (между 0,5 и 1,5 мм), а средняя ширина микроканала 166 имеет значение между приблизительно 0,020 и 0,060 дюйма (между 0,5 и 1,5 мм).
[0046] Фиг.9 представляет собой вид сбоку изнутри полости 155 концевой части иллюстративной конфигурации охватывающих микроканалов 166, выполненных в соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения. Фиг.10 представляет собой вид в разрезе, выполненном по линии 10-10, показанной на иллюстративном варианте выполнения, изображенном на Фиг.9. Фиг.11 представляет собой вид в разрезе, выполненном по линии 11-11, показанной на иллюстративном варианте выполнения, изображенном на Фиг.9. Наконец, Фиг.12 представляет собой вид в разрезе, выполненном по линии 12-12, показанной на иллюстративном варианте выполнения, изображенном на Фиг.9. На Фиг.9 крышка 168 канала снова снята, так что канавки, которые формируют микроканалы 166, показаны более четко. Как описано выше, пара микроканалов 166 может проходить на расстоянии друг от друга вокруг внутренней поверхности 157 выступающей кромки. Соединительный канал 167 источника может соединять внутренний охватывающий микроканал 166 с источником охлаждающей текучей среды в камере 156 аэродинамической части. Соединительный канал 169 может соединять внутренний охватывающий микроканал 171 выступающей кромки с наружным охватывающим микроканалом 172 выступающей кромки. В наружном микроканале 172 может быть выполнено выпускное отверстие 170. Следует понимать, что также возможны и другие конфигурации и что описанный выше пример не предназначен для ограничения изобретения, за исключением случаев, специально оговоренных ниже в формуле изобретения, в которой заявляются конкретные предпочтительные варианты выполнения изобретения.
[0047] Фиг.13 представляет собой вид в аксонометрии концевой части рабочей лопатки 137 с иллюстративным охватывающим микроканалом 166, выполненным в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения. В этом случае охлаждающая текучая среда подается в охватывающие микроканалы 166 через существующее выпускное отверстие 149 пленочного охлаждения, вместо соединителя 167 источника. Как и ранее, следует иметь в виду, что в целях иллюстрации, крышка 168 на Фиг.13 не показана. Вместо этого на Фиг.13 изображены соединительные канавки: первая канавка 175, выполненная в выступающей кромке 150, и вторая канавка 176, выполненная в пластине 148 концевой части, и которая сообщается с первой канавкой 175. Следует иметь в виду, что комбинация первой канавки 175 и второй канавки 176 и подходящая ограждающая крышка 168 может обеспечивать возможность доставки в микроканалы 166 охлаждающей текучей среды, которая ранее выходила из лопатки 115 турбины через выпускное отверстие 149 пленочного охлаждения. В частности, на расположенной выше по потоку стороне вторая канавка 176 может пересекаться с существующим выпускным отверстием 149 пленочного охлаждения. Вторая канавка 176 затем может проходить в направлении расположенного выше по потоку конца первой канавки 175 и устанавливать с ним сообщение, как показано. Первая канавка 175 может затем проходить к охватывающему микроканалу 166 и устанавливать с ним сообщение. Как указано выше, в некоторых иллюстративных вариантах выполнения в выступающей кромке 150 выполняют только один микроканал 166. Кроме того, для подачи охлаждающей текучей среды в микроканале 166 может быть предусмотрено несколько вторых канавок 176 в различных местах вдоль длины микроканала выступающей кромки.
[0048] В предпочтительных вариантах выполнения для каждого микроканала 166 может быть предусмотрено несколько каналов для охлаждающей текучей среды. Где это возможно, несколько соединительных каналов 169 выступающей кромки могут обеспечивать несколько путей, по которым несколько микроканалов 166 проточно сообщаются друг с другом. Кроме того, в каждом микроканале 166 может быть предусмотрено несколько выпускных отверстий 170, так что каждое из них выпускает циркулирующую охлаждающую текучую среду. Следует иметь в виду, что эти указанные несколько путей обеспечивают избыточность, так что охлаждение пластины 137 концевой части продолжается, даже если производственные дефекты или закупорка препятствуют должному функционированию одного из внутренних соединительных каналов.
[0049] Фиг.14 и 15 иллюстрируют альтернативный вариант выполнения настоящего изобретения. Фиг.14 представляет собой вид в аксонометрии концевой части 137 рабочей лопатки 115 с иллюстративными охватывающими микроканалами 166, выполненными в соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, а Фиг.15 представляет собой вид в крупном плане в аксонометрии концевой части 137 рабочей лопатки, изображенной на Фиг.14. Следует иметь в виду, что микроканалы 166, изображенные на Фиг.14, показаны со снятой крышкой 168 канала, тогда как на Фиг.15 микроканалы 166 проиллюстрированы с установленной на место крышкой 168 канала. Как показано, в этом варианте выполнения микроканалы 166 выполнены вокруг внутренней поверхности 157 выступающей кромки 150 с прерываниями. То есть микроканалы 166 проходят вдоль охватывающей траектории на внутренней поверхности 157 выступающей кромки 150 концевой части и имеют на охватывающей траектории одинаковые промежутки, в которых микроканалы 166 прерываются. Эта конфигурация может быть описана как формирующая ряд «дискретных участков для микроканалов», которые проходят вокруг выступающей кромки 150 с образованными между ними зазорами. Как показано, поскольку каждый дискретный участок для микроканалов не соединен с соседними дискретными участками для микроканалов, каждый из них имеет отдельный источник охлаждающей текучей среды. Как описано более подробно выше, источник может представлять собой соединительный канал 167 источника (как показано на Фиг.14 и 15), источник микроканала из существующего выпускного отверстия 149 пленочного охлаждения, их комбинации или источник другого типа. Как показано на Фиг.15, каждый дискретный участок для микроканалов микроканала 166 может иметь одно или несколько выпускных отверстий 170. В предпочтительном варианте выполнения каждый дискретный участок для микроканалов может иметь выпускные отверстия 170, расположенные на каждом конце или вблизи каждого конца, как показано.
[0050] В предпочтительном варианте выполнения охватывающие микроканалы 166 с прерываниями содержат внутренний охватывающий микроканал 171 выступающей кромки и наружный охватывающий микроканал 173 выступающей кромки. Дискретные участки каждого из них могут быть распределены в шахматном порядке таким образом, что дискретные участки внутреннего микроканала 171 и дискретные участки наружного микроканала 173 перекрываются, как показано на Фиг.14 и 15. Таким образом, следует понимать, что в области может быть предусмотрена зона охвата эффективного охлаждения, одновременно обеспечивая возможность требуемого уровня избыточности или дублирования охлаждающего охвата в том случае, если любой из дискретных участков перестал функционировать из-за производственных дефектов или эксплуатационных нарушений.
[0051] С учетом эффективности микроканального охлаждения, что раньше представляло собой трудности охлаждения области, например, концевой части «свиного пятачка» рабочей лопатки, может быть решено с уменьшением количества используемой охлаждающей текучей среды, что позволяет улучшить общий коэффициент полезного действия турбины. Конфигурация такого микроканального охлаждения обеспечивает возможность эффективного встраивания таких систем в новые и существующие рабочие лопатки.
[0052] Хотя изобретение подробно описано в связи с ограниченным количеством вариантов выполнения, должно быть понятно, что оно не ограничено такими раскрытыми вариантами выполнения. Напротив, изобретение можно модифицировать для включения любого количества вариаций, изменений, замен или эквивалентных конструкций, ранее не описанных, но которые совпадают с сущностью и объемом изобретения. Кроме того, хотя описаны различные варианты выполнения изобретения, следует понимать, что его аспекты могут включать только некоторые из описанных вариантов выполнения. Соответственно, изобретение следует рассматривать не как ограниченное приведенным выше описанием, а как ограниченное лишь объемом прилагаемой формулы изобретения.