КОМПОНЕНТ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
GAS TURBINE COMPONENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей и, в частности к компонентам газовой турбины, таким как лопатки турбины или статорные лопасти, для образования части ступени турбин.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Турбины по существу используются для преобразования энергии газа сначала в механическую энергию в виде энергии вращения, а затем в электрическую энергию. Несколько рядов, которые называются ступенями, лопаток турбины или лопастей используются для вращения вала турбины. Каждая ступень турбины состоит попеременно из стационарных и вращающихся компонентов. Стационарные компоненты являются рядами лопаток турбины, установленных на внутренней стороне статора турбины, в то время как вращающиеся компоненты являются рядами лопаток турбины, установленных на роторе турбины.
Для работы турбины в ступени турбины высокого давления газ с высоким давлением и температурой входит в осевом направлении в турбину и постепенно продвигается от чередующихся стационарных к вращающимся рядам лопастей и лопаток для приведения во вращение ротора турбины и расширения газа. В таких условиях высокого давления и температуры, в которых газ проходит над лопатками или лопастями турбины, они могут иметь температуру, близкую или даже превышающую точку плавления материала, такого как высокотемпературный суперсплав, из которого изготовлены лопатки или лопасти турбины. Известно охлаждение лопаток турбины посредством выполнения внутри них проходов, которые принимают относительно холодный воздух, например, из компрессора двигателя. Дополнительное охлаждение достигается посредством выполнения охлаждающих отверстий, продолжающихся от охлаждающих проходов внутри лопатки или лопасти к их внешней поверхности, так что охлаждающий воздух из проходов может выходить на внешнюю поверхность и проходить вдоль поверхности с обеспечением пленочного охлаждения.
Однако во время работы турбины на различных уровнях температуры такое пленочное охлаждение может не требоваться по причинам срока службы, и поэтому для улучшения эффективности турбины за счет экономии охлаждающего воздуха может требоваться изменение схемы охлаждения лопаток или лопастей. Обычно основные изменения схемы охлаждения можно достигать посредством изменения литейных форм, что может быть весьма сложным, требующим больших затрат труда и не экономичным.
Поэтому одним из существенных требований относительно конструкции и конфигурации лопаток или лопастей в такой турбине может быть оптимизация эффективного выполнения изменения схемы охлаждения, так чтобы требуемую схему охлаждения можно получать просто экономичным и согласованным образом.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем раскрытии приведено описание компонентов газовой турбины, таких как лопатки турбины или статорные лопасти, которые будут представлены ниже для обеспечения основного понимания одного или нескольких аспектов настоящего изобретения, которые предназначены для преодоления указанных недостатков, но включают все преимущества уровня техники с добавлением некоторых дополнительных преимуществ. Описание сущности изобретения не является обширным обзором изобретения. Оно не предназначено для идентификации ключевых или критичных элементов изобретения, а также для обозначения объема настоящего изобретения. Единственной целью раскрытия изобретения является представление некоторых концепций изобретения, его аспектов и преимуществ в упрощенном виде в качестве вступления к более подробному описанию, которое будет приведено ниже.
Задачей настоящего изобретения является создание компонента турбины, такого как лопатки турбины или статорные лопасти, которые подлежат оптимизации, для обеспечения эффективного изменения схемы охлаждения, так что требуемую схему охлаждения можно получать просто экономичным и согласуемым образом. Различные другие цели и признаки настоящего изобретения следуют из последующего подробного описания и формулы изобретения.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения указанные выше и другие цели могут быть достигнуты посредством компонента турбины согласно п.1 формулы изобретения.
Это вместе с другими аспектами настоящего изобретения наряду с различными признаками новизны, которые характеризуют данное изобретение, указано конкретно в данном раскрытии. Для лучшего понимания настоящего изобретения, его рабочих преимуществ и его использования делается ссылка на прилагаемые чертежи, на которых показаны в качестве иллюстрации примеры осуществления настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания преимуществ и признаков настоящего изобретения ниже приводится подробное описание и формула изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых подобные элементы обозначены подобными позициями, и на которых:
фиг.1А-1С иллюстрируют пример различных видов компонента турбины, такого как лопатка турбины или статорная лопасть, имеющего сменный соединитель, согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения, показанный на фиг.1А на общем виде, на фиг.1В - в разрезе по линии В-В на фиг.1А, и на фиг.1С - на виде сверху на фиг.1А по стрелке А;
фиг.2А-2С иллюстрируют компонент турбины, такой как лопатка турбины или статорная лопасть, имеющий другой сменный соединитель, согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения, показанный на фиг.2А на общем виде, на фиг.2В - в разрезе по линии С-С на фиг.2А, и на фиг.2С - на виде сверху на фиг.2А по стрелке D;
фиг.3 иллюстрирует пример осуществления компонента турбины с вставкой согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения на общем виде;
фиг.4А и 4В иллюстрируют внутреннюю бандажную полку с вставкой для показанного на фиг.3 компонента турбины согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения на виде сверху;
фиг.5 иллюстрируют пример осуществления компонента турбины с вставкой согласно другому примеру осуществления настоящего изобретения на общем виде;
фиг.6А и 6В иллюстрируют внутреннюю бандажную полку с вставкой для показанного на фиг.5 компонента турбины согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения на виде сверху.
В описании чертежей для обозначения одинаковых частей используются одинаковые позиции.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для более глубокого понимания настоящего изобретения ниже приводится подробное описание, включая прилагаемую формулу изобретения, со ссылками на указанные выше чертежи. В приведенном ниже описании приводится пояснение множества специальных деталей для обеспечения глубокого понимания настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники следует понимать, что данное изобретение может быть реализовано без этих специальных деталей. В других случаях структуры и устройства показаны лишь схематично, для обеспечения ясности раскрытия. Ссылки в данном описании на «один вариант осуществления», «вариант осуществления», «другой вариант осуществления», «различные варианты осуществления» означают, что конкретный признак, структура или характеристика, описание которых приведено в связи с вариантом осуществления, включены по меньшей мере в один вариант осуществления настоящего изобретения. Появление фразы «в одном варианте осуществления» в различных местах описания не обязательно относится к одному и тому же варианту осуществления, а также отдельные или альтернативные варианты осуществления взаимно не исключают другие варианты осуществления. Кроме того, приведено описание различных признаков, которые могут иметься в некоторых вариантах осуществления и отсутствовать в других вариантах осуществления. Аналогичным образом приведено описание различных требований, которые могут быть требованиями для некоторых вариантов осуществления, но не требованиями для других вариантов осуществления.
Хотя последующее описание содержит многие особенности для иллюстрации, специалистам в данной области техники следует понимать, что многие вариации и/или изменения этих деталей входят в объем настоящего изобретения. Аналогичным образом, хотя описание многих признаков настоящего изобретения приведено по отдельности или в связи друг с другом, специалистам в данной области техники следует понимать, что многие из этих признаков могут быть предусмотрены независимо друг от друга. В соответствии с этим описание настоящего изобретения приводится без потери всеобщности и без создания ограничений настоящего изобретения. Кроме того, «один» или «другой» не означают ограничение количества, а означают присутствие по меньшей мере одного обозначаемого элемента.
На фиг.1-6В показаны в различных проекциях примеры осуществления компонента 100 газовой турбины для создания ступени газовой турбины, выполненного с возможностью изменения схемы охлаждения посредством охлаждающего воздуха (в режиме пленочного охлаждения и в режиме не пленочного охлаждения). На фиг.1А-1С показан в различных проекциях пример осуществления компонента 100 турбины, такой как лопатка турбины или статорная лопасть, имеющий сменный соединитель. На фиг.2А-2С показан в различных проекциях пример осуществления компонента 100 турбины, такой как лопатка турбины или статорная лопасть, имеющий другой сменный соединитель. На фиг.3-5 показаны в изометрической проекции компоненты 100 турбины с различными типами вставок (описание которых приведено ниже) в качестве вариантов осуществления настоящего изобретения, в то время как на фиг.4А, 4В, 6А и 6В показаны различные компоненты 100 турбины на виде сверху. Компонент 100 турбины может быть лопатками турбины, статорными лопастями или тепловыми экранами, выполненными за одно целое или в виде части турбины. Однако для краткости, ясности и исключения повторов описание компонента 100 турбины приводится применительно к лопаткам турбины без исключения из объема изобретения статорных лопастей или тепловых экранов или других турбинных компонентов. Кроме того, в конструкции и расположении турбины или компонентов 100 турбины (называемых в последующем лопаткой 100) для специалистов в данной области техники могут быть хорошо известны различные связанные с ними элементы, однако для целей понимания настоящего изобретения нет необходимости в указании и в пояснении всех конструктивных элементов. Достаточно отметить, что, как показано на фиг.1-6В, в лопатке 100 показаны лишь те компоненты, которые необходимы для описания различных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Как показано на фиг.1А-2В, лопатка 100 включает профильный участок 120 пера, по меньшей мере один охлаждающий проход 130, множество отверстий 140 для образования пленки и сменные соединители 180, 190. Профильный участок 120 пера включает корыто 122 и спинку 124, соединенные вместе на хордово противоположных входной кромке 126 и выходной кромке 128. Кроме того, охлаждающий проход 130 выполнен с прохождением между корытом 122 и спинкой 124 вдоль входной кромки 126. Охлаждающий проход 130 обеспечивает возможность прохождения охлаждающей текучей среды в нем, которую он может получать из источника текучей среды, такого как компрессор двигателя или любого другого источника. Может иметься лишь один охлаждающий проход 130, или же не выходя из объема настоящего изобретения лопатка 100 может включать больше чем один охлаждающий проход в зависимости от потребности.
Кроме того, лопатка 100 включает множество отверстий 140 для образования пленки, продолжающихся между охлаждающим проходом 130 и внешней стороной профильного участка 120 пера. Множество отверстий 140 для образования пленки (называемых в последующем пленочными отверстиями 140) могут иметь геометрическую конфигурацию, выбранную из цилиндрической, веерной или консольной выемки, без исключения из объема изобретения других геометрических конфигураций, известных из уровня техники. Пленочные отверстия 140 выполнены с возможностью направления по меньшей мере части охлаждающей текучей среды из охлаждающего прохода 130 для прохождения по части профильного участка 120 пера с образованием пленки охлаждающего воздуха над частью профильного участка 120 пера для ее охлаждения, что называется режимом пленочного охлаждения. Однако, как указывалось выше, в зависимости от различных уровней температуры такая воздушная пленка на части профильного участка 120 пера может не требоваться (что называется режимом без пленочного охлаждения) и в соответствии с этим может требоваться изменение схемы охлаждения для лопаток или лопастей с режима пленочного охлаждения в режим без пленочного охлаждения или наоборот.
Для этой цели, в противоположность уровню техники, лопатка 100 включает сменные соединители 180, 190. Сменные соединители 180, 190 выполнены по отдельности для охлаждающего прохода 130. Сменные соединители 180, 190 предназначены для изменения схемы охлаждения посредством изменения потока охлаждающей текучей среды в соответствии с открыванием и закрыванием передних пленочных отверстий 140. Один сменный соединитель 180, как показано на фиг.1А-1С, включает покрывающий изгиб 182. Соединитель 180 с покрывающим изгибом 182 выполнен с возможностью крепления посредством подходящих средств, таких как уплотнительное устройство 184, над охлаждающим проходом 130. Однако не выходя из объема настоящего изобретения соединитель 180 может быть закреплен посредством других подходящих средств, таких как пайка твердым припоем, сварка или другое механическое соединение. Соединитель 180 обеспечивает возможность прохождения по меньшей мере части охлаждающей текучей среды от входной кромки 126 к выходной кромке 128 внутри внутренней части профильного участка 120 пера, когда пленочные отверстия 140 закрыты. Кроме того, другой сменный соединитель 190, как показано на фиг.2А-2С, включает плоский покрывающий элемент 192 с отверстием 194. Сменный соединитель 190 выполнен с возможностью крепления посредством подходящих средств, таких как уплотнительная система 196, над охлаждающим проходом 130. Однако не выходя из объема настоящего изобретения соединитель 190, аналогично соединителю 180, может быть закреплен посредством других подходящих средств, таких как пайка твердым припоем, сварка или другое механическое соединение. Соединитель 190 обеспечивает возможность протекания охлаждающей текучей среды из отверстия 194 внутри охлаждающего прохода 130. Кроме того, охлаждающая текучая среда из охлаждающего прохода 130 направляется к пленочным отверстиям 140 для прохождения охлаждающей текучей среды от входной кромки 126 к выходной кромке 128, когда множество пленочных отверстий 140 открыты, для образования пленочного охлаждающего слоя, проходящего от входной кромки 126 к выходной кромке 128. Сменные соединители 180, 190 выполнены с возможностью изменения схемы охлаждения посредством охлаждающей текучей среды, независимо от режимов охлаждения с пленкой или без пленки, в лопатке 100 в соответствии с требованиями в зависимости от уровней температуры в турбине.
Как показано на фиг.3-6В в различных вариантах осуществления настоящего изобретения, лопатка 100 может включать вставку 150. Вставка 150 выполнена с возможностью функционального расположения внутри охлаждающего прохода 130 в согласовании со сменными соединителями 180, 190 по меньшей мере для частичного закрывания и открывания пленочных отверстий 140 в соединении с изменением схемы охлаждения. В частности, в режиме охлаждения без пленки (при низких уровнях температуры внутри турбины) вставка 150 выполнена с возможностью по меньшей мере частичного закрывания пленочных отверстий 140 для прерывания потока охлаждающей текучей среды над частью профильного участка 120 пера. Кроме того, в режиме охлаждения с пленкой (при высоких уровнях температуры внутри турбины) вставка 150 выполнена с возможностью открывания пленочных отверстий 140 для обеспечения протекания охлаждающей текучей среды над частью профильного участка 120 пера для образования охлаждающего слоя воздушной пленки, продолжающегося от входной кромки 126 к выходной кромке 128.
В одном варианте осуществления, как показано на фиг.3, 4А и 4В, вставка 150 может быть цилиндрическим поворотным клапаном (обозначенным позицией 152), выполненным с возможностью поворота вокруг своей оси Х для закрывания и открывания пленочных отверстий 140. В этом варианте осуществления цилиндрический поворотный клапан 152 может содержать части 152 со сквозным отверстием 152а, так что цилиндрический поворотный клапан поворачивается для согласования и рассогласования сквозных отверстий 152b частей 152a со сквозным отверстием с пленочными отверстиями 140 соответственно в режиме охлаждения с пленкой и без пленки для открывания и закрывания пленочных отверстий 140 для обеспечения и прерывания охлаждающей текучей среды.
В другом варианте осуществления, как показано на фиг.5, 6А и 6В, вставка 150 является цилиндрическим переключателем (обозначенным позицией 154), выполненным с возможностью вертикального перемещения вдоль оси Y для закрывания и открывания пленочных отверстий 140. Цилиндрический переключатель 154 может содержать расположенные на расстоянии друг от друга ребра 154а, так что цилиндрический переключатель 154 выполнен с возможностью перемещения вертикально в согласовании и рассогласованием ребер 154a с множеством пленочных отверстий 140 соответственно в режиме охлаждения с пленкой и без пленки для обеспечения и прерывания прохождения охлаждающей текучей среды.
В одном варианте осуществления вставку 150, такую как цилиндрический поворотный клапан 152 или цилиндрический переключатель 154, можно приводить в действие вручную посредством поворота вокруг оси Х или перемещения вдоль оси Y соответственно. В другом варианте осуществления вставку 150, такую как цилиндрический поворотный клапан 152 или цилиндрический переключатель 154, можно приводить в действие автоматически посредством поворота вокруг оси Х или перемещения вдоль оси Y соответственно, посредством гидравлических, пневматических или электрических устройств. Цилиндрический переключатель 154 может быть расположен внутри профильного участка 120 пера и может быть механическим переключателем или перемещаемой частью с отверстиями. В ручном режиме цилиндрический поворотный клапан 152 или цилиндрический переключатель 154 могут быть доступны после разборки двигателя и после разборки части, содержащей лопатки турбины, или после разборки двигателя, но без разборки части, содержащей статорные лопасти. В автоматическом режиме цилиндрический поворотный клапан 152 или цилиндрический переключатель 154 могут иметь активное управление, такое как элемент 156, для эффективного согласования части во время работы с использованием дистанционного исполнительного механизма, такого как гидравлические, пневматические или электромеханические переключатели, или с использованием биметаллических устройств.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения лопатка 100 дополнительно включает множество задних сквозных отверстий 160, выполненных на стороне входной кромки 126 в согласовании с охлаждающим проходом 130. Задние сквозные отверстия 160 выполнены с возможностью направления по меньшей мере части охлаждающей текучей среды из охлаждающего прохода 130 для прохождения внутри внутренней части профильного участка 120 пера от входной кромки 126 к выходной кромке 128 для внутреннего охлаждения лопатки 100 или профильного участка 120 пера. Множество задних сквозных отверстий 160 могут быть выполнены с возможностью закрывания и открывания посредством вставки 150 указанным выше образом. Выходная кромка 128 может включать игольчатую кромку 128а (как показано на фиг.1А и 2А), через который может выходить охлаждающая текучая среда после охлаждения внутренней части профильного участка 120 пера. Различные стрелки на фиг.4А и 4В показывают направление потока охлаждающего воздуха, без какого-либо ограничения, посредством пленочных отверстий 140 и задних сквозных отверстий 160. Кроме того, различные стрелки на фиг.6А и 6В показывают направление потока охлаждающего воздуха из охлаждающего прохода 130 к профильному участку 120 пера посредством пленочных отверстий 140 (см. фиг.6В) и направление потока охлаждающего воздуха из охлаждающего прохода 130 к задним сквозным отверстиям 160 (см. фиг.6А) в качестве иллюстрации. Аналогичным образом на фиг.1А, 1В, 2А и 2В также показано направление потока охлаждающего воздуха. Таким образом, без каких-либо ограничений, лопатка 100 может также включать принудительное охлаждение 132, которое может принимать охлаждающую текучую среду из охлаждающего прохода 130 для охлаждения входной кромки 126. Лопатка 100 может также включать каналы 134, которые могут обеспечивать выход охлаждающей текучей среды от входной кромки 126 и направление охлаждающего воздуха к выходной кромке через множество задних сквозных отверстий 160 для охлаждения выходной кромки 128. Описание множества задних сквозных отверстий 160 будет приведено ниже.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения лопатка 100 может дополнительно включать множество временных пробок 170 (как показано лишь на фиг.4А). Временные пробки 170 могут быть выполнены с возможностью введения в пленочные отверстия 140 в режиме без пленки для защиты пленочных отверстий 140 от впрыска горячих газов или оксидантов. В одном варианте осуществления временные пробки 170 могут быть керамическими пробками, металлическими пробками, высокотемпературным клеем или керамическими пробками, пробками, покрытыми теплопроводным соединением. В режиме охлаждения с пленкой временные пробки 170 можно удалять для открывания пленочных отверстий 140 посредством механического сжимания или химического разложения, на месте или дистанционно.
Компоненты 100 газовой турбины, такие как лопатки турбины или статорные лопасти или любая другая часть, такая как тепловые экраны, согласно данному изобретению являются предпочтительными во многих отношениях. Компоненты 100 газовой турбины оптимизированы для изменения схемы охлаждения эффективным образом, так что требуемую схему охлаждения легко получать экономичным и согласованным образом. Сменные соединители и вставки обеспечивают возможность изменения схемы охлаждения и восстановления схемы охлаждения экономичным образом, не требуя дорогостоящих литейных форм. Различные другие преимущества и признаки настоящего изобретения следуют из приведенного выше описания и прилагаемой формулы изобретения.
Приведенное выше описание специальных вариантов осуществления настоящего изобретения дано для целей иллюстрации и описания. Их не следует рассматривать в качестве исчерпывающих или ограничивающих данное изобретение точно раскрытыми формами, и понятно, что возможны многие модификации и вариации в свете приведенных выше идей. Варианты осуществления выбраны и описаны для наилучшего пояснения принципов настоящего изобретения и их практического применения, для предоставления специалистам в данной области техники возможности наилучшим образом использовать данное изобретение и различные варианты осуществления с различными модификациями, как это требуется при конкретном применении. Понятно, что различные упущения и эквивалентные замены возможны или могут быть целесообразными без отхода от идеи и выхода за объем настоящего изобретения, определяемый формулой изобретения.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
100 - Компонент газовой турбины
120 - Профильный участок пера
122 - Корыто
124 - Спинка
126 - Входная кромка
128 - Выходная кромка
128а - Игольчатая кромка
130 - Охлаждающий проход
132 - Принудительное охлаждение
134 - Каналы
140 - Множество пленочных отверстий
150 - Вставка
152 - Цилиндрический поворотный клапан (один вариант вставки 150)
152а - Части со сквозными отверстиями
152b - Сквозные отверстия
154 - Цилиндрический переключатель (другой вариант вставки 150)
154 - Ребра
156 - Элемент
160 - Множество задних охлаждающих отверстий
170 - Множество временных пробок
180,190 - Сменные соединители
182 - Покрывающий изгиб
184 - Уплотнительное устройство
192 - Плоский покрывающий элемент
194 - Отверстие
196 - Уплотнительное устройство