ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
GAS TURBINE BLADE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к лопатке газотурбинной установки, содержащей перо, продолжающееся в радиальном направлении от хвостовика лопатки до венца лопатки, определяя размах, составляющий 0% у хвостовика лопатки и 100% у венца лопатки, и продолжающееся в осевом направлении от входной кромки до выходной кромки, который ограничивает хорду осевой длиной хорды, определенной осевой длиной прямой линии, соединяющей входную кромку и выходную кромку пера в зависимости от размаха. По существу лопатка газотурбинной установки по настоящему изобретению не ограничивается газотурбинной установкой: настоящее изобретение правомерно охватывает лопатки роторов или лопатки входных направляющих аппаратов турбомашин.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Конструкция роторных лопаток в газотурбинном двигателе критически важна для кпд, с которым газовый поток, проходящий через газотурбинный двигатель, взаимодействует с лопатками особенно по меньшей мере одной турбиной газотурбинной установки.
Вращающиеся лопатки газотурбинной установки должны соответствовать множеству требований к материалу и конструкции, которые учитывают высокие механические и теплые нагрузки, действующие на вращающиеся лопатки во время работы. Из-за огромной центробежной силы, действующей на вращающиеся лопатки, и огромной тепловой нагрузки, которую должны выдерживать лопатки, основная задача при конструировании лопаток заключается в комбинировании высокой степени жесткости, которая должна предотвратить вибрации лопаток во время работы, с возможностью активного охлаждения для увеличения допустимых нагрузок, путем создания охлаждающих каналов внутри пера вращающейся лопатки. Ввиду вышеописанных требований всегда ведется поиск оптимизированной формы пера лопатки для увеличения аэродинамического кпд турбины.
Вращающиеся лопатки расположены рядами, которые в осевом направлении чередуются с рядами неподвижных лопаток. Каждая пара рядов содержит один ряд неподвижных лопаток и один ряд вращающихся лопаток, расположенный непосредственно за ним, образуя так называемую ступень. Все ступени турбины нумеруются последовательно, начиная с первой ступени на впускном отверстии турбины, содержащей первый ряд неподвижных лопаток, за которым следует ряд вращающихся лопаток.
При нормальной работе газотурбинной установки неподвижные лопатки, например, первой ступени, являются источником возбуждения вибраций, неблагоприятных действующих на следующие за ними в направлении потока вращающиеся лопатки. Таким образом, задачей конструкторов турбин является уменьшение таких источников возбуждения и/или усиление возможностей механизма отсоединения к уменьшению и/или предотвращению передачи вибраций и возбуждений на вращающиеся лопатки, расположенные после неподвижных лопаток первой ступени.
Очевидное вмешательство означало бы изменение самих источников возбуждения, но изменение неподвижных лопаток первой ступени считается дорогим и потребовало бы большой конструкторской работы. Предложение изменить радиальный размах лопаток, т.е., длину пера, продолжающегося от хвостовика лопатки до ее венца, оказало бы влияние на кольцевую проточную часть турбины, что привело бы к существенному влиянию на график конструкторских работ, что неприемлемо. Другим подходом является уменьшение массы венца вращающейся лопатки за счет уменьшения длины осевой хорды венца, которая является прямой, соединяющей входную кромку и выходную кромку пера в области венца лопатки, но это приводит к аэродинамическим потерям и, кроме того, требуемый сдвиг частоты вращения резонансных колебаний вращающейся лопатки не был достигнут. Наконец, рассматривалась возможность замены материала лопатки ввиду возможного изменения модуля Юнга, но эту идею оставили из-за низких ограничений по циклической усталости, связанных с традиционно литыми и направленно кристаллизуемыми материалами.
Все подходы к требуемому влиянию на вибрационное состояние вращающихся лопаток, особенно установленных на первой ступени турбины, и на аэродинамический кпд турбины показывают сложность проблемы. Значительное перераспределение массы при проектировании усиленной формы пера вращающейся лопатки также считается сложным, поскольку особенно вращающиеся лопатки первой ступени являются активно охлаждаемыми компонентами, представляющими собой полые тела, содержащие множество охлаждающих каналов для охлаждения. Тонкие металлические стенки вращающихся лопаток должны интенсивно охлаждаться, чтобы служить в течение заданного срока. Кроме того, рассматривался аспект увеличения длины хвостовика вращающейся лопатки чтобы повлиять на вибрационное состояние самой вращающейся лопатки, но был сочтен неудачным из-за того, что такой подход привел бы к ограничениям ротора в области елочного типа, в которой через отверстия в роторе подается охлаждающий воздух, поэтому пришлось бы изменять контур ротора.
В документе US 5,525,038 раскрывается лопатка ротора для газотурбинного двигателя, оптимизированная для уменьшения перетекания в торцевом зазоре. Лопатка ротора имеет существенно выгнутую поверхность, образованную в области венца, продолжающейся от входной кромки до выходной кромки на спинке лопатки ротора. Сечение профиля вдоль длины пера лопатки ротора существенно не меняется, по меньшей мере длина осевой хорды пера вдоль всего размаха лопатки ротора остается неизменной.
Длина осевой хорды определяется как длина проекции лопатки, установленной в турбине, на линию, параллельную оси турбины. Это показано, например, в работе "the Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines", David Gordon Wilson, стр. 487-492, MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 1984, 5ое издание 1991. Особое внимание следует обратить на рисунок на стр. 487.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание лопатки ротора газотурбинного двигателя, содержащей перо, продолжающееся в радиальном направлении от хвостовика лопатки к венцу лопатки, определяя размах лопатки, составляющий 0% у хвостовика лопатки и 100% у венца лопатки, и продолжающееся в осевом направлении от входной кромки до выходной кромки, который ограничивает хорду осевой длиной хорды, определенной осевой длиной прямой линии, соединяющей входную кромку и выходную кромку пера в зависимости от размаха, что создает улученное вибрационное состояние так, что во вращающихся лопатках первой и последующих ступеней резонансное возбуждение не возникает.
Эта задача решена посредством признаков, приведенных в независимом п. 1 формулы изобретения. Изобретение может быть преимущественно модифицировано признаками, приведенными в зависимых пунктах формулы, а также в нижеследующем описании со специальным упоминанием предпочтительных вариантов.
Согласно настоящему изобретению было признано, что увеличение длины осевой хорды на величине размаха в области от 80% до 100% может оказать существенное влияние на вибрационное состояние вращающейся лопатки без ухудшения аэродинамических свойств пера вращающейся лопатки. Увеличение длины хорды непосредственно комбинируется с увеличением массы в той области венца пера, которая влияет на механические свойства, в частности на частоту собственных колебаний вращающейся лопатки.
В предпочтительном варианте изобретения осевая длина хорды пера лопатки газотурбинной установки увеличивается непрерывно от положения 70% размаха до положения 100% размаха. Преимущественно увеличение осевой длины хорды с увеличением размаха является более или менее симметричным относительно так называемой линии складывания, т.е. линии на поверхности корыта пера, продолжающейся от 0% размаха до 100% размаха в осевом положении 50%±10% осевой длины хорды.
Лопатка газотурбинной установки по настоящему изобретению имеет минимум осевой длины хорды по меньшей мере в диапазоне от 50%±10% ее размаха и 70%±10% ее размаха, т.е. перо лопатки газотурбинной установки от 0% ее размаха до 50%±10% ее размаха выполнено обычной формы, которая имеет уменьшающуюся осевую длину форму от 0% размаха до 50%±10% размаха. К венцу лопатки длина хорды вновь увеличивается.
Оптимизированный вариант лопатки газотурбинной установки по настоящему изобретению имеет осевую длину хорды, которая увеличивается от 50% размаха до 100% размаха, и имеет минимальную осевую длину хорды на 50% размаха.
Осевое увеличение осевой длины хорды в диапазоне между адаптированной средней областью и венцом пера, т.е., 100% размаха, составляет от 5%±5% до 15%±10% осевой длины хорды в адаптированной средней области пера.
В результате такого увеличения осевой длины хорды вдоль радиально верхней части пера лопатки турбины влияние частоты собственных колебаний можно модифицировать так, чтобы резонансное возбуждение можно было минимизировать или даже исключить.
Для еще большего увеличения разницы между частотой собственных колебаний лопатки газотурбинной установки и частотой возбуждения, создаваемого неподвижными лопатками на первой ступени, далее предлагается дополнительно изогнуть входную кромку и выходную кромку в радиально верхней области пера. Предпочтительно изгиб входной кромки и выходной кромки зависит от кривизны линии складывания, уже описанной выше, которая является линией на поверхности на корыте пера, продолжающейся от 0% до 100% размаха в осевом положении 50%±10% осевой длины хорды. Линия складывания изогнута в области от 50%±10% размаха до 100% размаха так, что линия складывания на 100% размаха образует угол α с виртуальной плоскостью, ориентированной ортогонально к радиальному направлению, и при этом угол α лежит в плоскости, определенной линией складывания и радиальным направлением так, что для угла α справедливо выражение: 12,5°±2,5°≤α≤25°±5°.
Для полноты описания следует заметить, что линия складывания может оставаться прямой между 5% ±5% размаха и 50% ±10% размаха.
Предпочтительно, линия складывания имеет кривизну в диапазоне размаха от 50%±10% размаха до 100% размаха, которая определяется одним единственным радиусом.
В другом предпочтительном варианте вращающаяся лопатка имеет отношение размаха к осевой длине хорды на 5%±5% размаха от 1,6 до 2,1. В случае лопаток с другим размером размаха вдоль входной и выходной кромок это отношение относится к величине размаха вдоль выходной кромки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - слева показана диаграмма, иллюстрирующая состояние резонансной частоты, например, неподвижных и вращающихся лопаток на первой ступени газотурбинной установки.
Фиг. 2а, b, c - три вида сбоку усиленного варианта лопатки турбины по настоящему изобретению.
Фиг. 3а, b - общий вид лопатки турбины по настоящему изобретению и вид сверху вертикально сложенных поперечных сечений пера.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 слева приведена диаграмма, которая иллюстрирует состояние резонансной частоты неподвижных и вращающихся лопаток первой ступени газотурбинной установки. Вдоль оси абсцисс отложены величины, представляющие частоту вращения двигателя. Вдоль оси ординат показана частота вибраций. Показанный штриховыми линиями параллелограмм В показывает источник возбуждения, в зависимости от частоты вращения двигателя, в котором может возникнуть резонансное возбуждение лопаток газотурбинной установки.
На правой стороне фиг. 1 показаны три разных варианта а), b) и с) лопаток ротора газотурбинной установки. Верхний вид в каждом случае является видом сбоку лопатки ротора а соответствующих нижний вид является общим видом спереди.
В случае а) показана лопатка ротора обычно применяемая в газовых турбинах и представляющая существующий уровень техники. Известная лопатка имеет перо 1, которое продолжается радиально от хвостовика 2 лопатки до венца 3 лопатки. Хвостовик 2 лопатки содержит антивибрационную полку 3 и имеющий замок 5 лопатки елочного типа для крепления в конструкции ротора. Как показано на верхнем эскизе в случае а), перо 1 известной лопатки ротора имеет осевую длину 6 хорды, которая уменьшается вдоль всего размаха от 0% размаха до 100% размаха. Лопатка ротора, показанная в случае а) имеет частоту собственных колебаний, которая перекрывает частоту возбуждения, представленную штриховым параллелограммом В на диаграмме в левой части фиг. 1. Это приводит к сокращенному сроку службы из-за высоких вибрационных нагрузок.
В случае b) показана усовершенствованная лопатка ротора по настоящему изобретению, у которой имеется перо 1, осевая длина 6 хорды которого увеличивается в области размаха от 50% размаха до 100% размаха. Как показано на виде сбоку на верхнем эскизе в случае b), перо 1 имеет минимальную осевую длину 6 хорды в области 50% размаха. Увеличение осевой длины 6 хорды также видно на виде спереди на нижней части эскиза b).
Решение по настоящему изобретению приводит к падению частоты собственных колебаний пера по сравнению с известной лопаткой, описанной в случае а). Из-за увеличения массы в области венца пера в случае b) частота собственных колебаний падает, что для ситуации, показанной на диаграмме в левой части фиг. 1, почти отсутствует перекрытие между резонансной частотой лопатки по варианту b) и диапазоном частот возбуждения, показанным параллелограммом В, построенным штриховыми линиями. Следовательно, усовершенствованная лопатка, описанная в случае b) имеет существенно лучшее вибрационное состояние, и является очевидно стойкой к вибрационному возбуждению. Это приводит к эффективному улучшению аэродинамического состояния и явно увеличивает срок службы.
Случай с), который показан на правой части фиг. 1, иллюстрирует лопатку ротора, в которой осевая длина хорды увеличивается, как описано для случая b), и как видно на верхнем эскизе для случая с), но дополнительно, перо 1 изогнуто в направлении окружности к спинке 7 пера 1. Изгиб пера 1 ограничен областью размаха, расположенной от 50% размаха и 100% размаха, как показано на нижнем эскизе с) на фиг. 1. Дополнительный изгиб пера 1, как упомянуто выше и будет более подробно описано ниже, приводит к улучшению частотного поведению лопатки ротора, что показано на диаграмме слева на фиг. 1. Частота собственных колебаний лопатки ротора для случая с) существенно ниже частоты собственных колебаний пера, описанного в случае b). Это приводит к существенному разделению частот относительно частоты возбуждения, обозначенной параллелограммом В показанном штриховыми линями.
На фиг. 2а, b, с показаны три вида сбоку лопатки ротора по настоящему изобретению, кратко описанной со ссылками на случай с) на фиг. 1. На фиг. 2а показан вид спереди, на фиг. 2b показан вид сбоку, а на фиг. 2с показан вид сзади лопатки ротора по настоящему изобретению.
На фиг. 2b предполагается, что газовый поток в турбине движется в направлении 8, слева направо, поэтому левая кромка на иллюстрации представляет входную кромку 9, а правая кромка представляет выходную кромку 10 пера 1. Спинка 7 пера 1 на фиг. 2b обращена к наблюдателю. Лопатка имеет радиальную протяженность, которая называется размах s, который составляет 0% у хвостовика лопатки (не показан) и 100% у венца 3 лопатки. Осевая длина 6 хорды меняется на протяжении всего размаха, но согласно настоящему изобретению она увеличивается приблизительно от середины размаха, предпочтительно от 50% размаха до 100% размаха. Увеличения осевой длины 6 хорды автоматически приводит к увеличению массы области венца лопатки, что существенно влияет на резонансную частоту лопатки ротора.
Осевая длина 6 хорды увеличивается в области от середины размаха до 100% размаха прибл. на 5%±5%-15%±15% относительно осевой длины 6 хорды на 50% размаха пера 1. Это увеличение показано на фиг. 2b вертикальными штриховыми линиями.
Как видно на виде спереди на фиг. 2а, входная кромка 9 изогнута, так же как и выходная кромка 10, которую не видно на виде спереди, в диапазоне от 50% размаха до 100% размаха. Изгиб ориентирован к спинке 7 пера 1 лопатки ротора. Изгиб входной кромки 9 и выходной кромки 10 определен кривизной так называемой линии складывания, которая является линией на поверхности корыта 11 пера 1, продолжающей от 0% размаха до 100% размаха в осевом положении 50%±5% осевой длины 6 хорды. Кривизна линии складывания в области от 50% размаха до 100% размаха определяется одним
единственным радиусом r, предпочтительно, который более четко можно видеть на фиг. 3а.
На фиг. 3а показан общий вид корыта 11 пера 1 по настоящему изобретению, в котором имеется и увеличение осевой длины 6 хорды в диапазоне 50%-100% размаха, и изгиб входной кромки 9 и выходной кромки 10 в диапазоне 50%-100% размаха. Изгиб входной 9 и выходной 10 кромок зависит от кривизны линии 12 складывания, которая показана на фиг. 3а и которая является линией на поверхности корыта 11, продолжающейся от 0% до 100% размаха в осевом положении 50%±5% осевой длины 6 хорды. Линия 12 складывания в области от 0% до 50%±10% размаха является почти прямой, а в области от 50%±10% до 100% размаха изогнут так, что на 100% размаха образует угол α с виртуальной плоскостью 13, ориентированной ортогонально к радиальному направлению так, чтобы для угла α было справедливо выражение: 12,5°±2,5°≤α≤25°±5°.
Кривизна линии складывания в верхней области размаха определяется предпочтительно единственным радиусом. В других предпочтительных вариантах линия складывания дополнительно может иметь по меньшей мере один прямой участок в верхней области размаха.
На фиг. 3b приведена вертикальная проекция разных сечений профиля пера 1 в разных областях размаха, которые обозначены на фиг. 2а римскими цифрами I-VIII. Сечение I профиля соответствует сечению профиля на 0% размаха, а сечение VIII профиля соответствует сечению профиля на 100% размаха. Вертикальная проекция в радианом направлении показывает существенное геометрическое смещение сечения профиля в области от 50% до 100% размаха, т.е, сечений V-VIII профиля. Геометрическое смещение вызвано и смещением в направлении окружности к спинке 7 пера 1 и, далее увеличением осевой длины 6 хорды в области от 50% до 100% размаха.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 - Перо
2 - Хвостовик лопатки
3 - Венец лопатки
4 - Полка
5 - Замок лопатки
6 - Осевая длина хорды
7 - Спинка
8 - Направление потока
9 - Входная кромка
10 - Выходная кромка
11 - Корыто
12 - Линия складывания
13 - Плоскость
s - Размах
В - Диапазон резонансного возбуждения