ЛОПАСТЬ ТУРБИНЫ
TURBINE BLADE

ЗАЯВЛЕНИЕ О ФИНАНСИРУЕМЫХ ИЗ ФЕДЕРАЛЬНОГО БЮДЖЕТА ИССЛЕДОВАНИЯХ И РАЗРАБОТКАХ
Разработка данного изобретения была частично поддержана Министерством энергетики США, по программе разработки улучшенных турбин, контракт № DE-FC26-05NT42644. Соответственно, правительство США может обладать определенными правами на это изобретение.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это изобретение в целом относится к лопастям турбины, а более конкретно, к кромкам профиля для лопастей турбины.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Обычно, газотурбинные двигатели включают в себя компрессор для сжимания воздуха, камеру сгорания для смешивания сжатого воздуха с топливом и зажигания смеси, и сборку лопастей турбины для производства энергии. Камеры сгорания часто работают на очень высоких температурах, которые могут превышать 1430 градусов Цельсия. Обычные конфигурации камер сгорания турбин подвергают сборки лопастей турбин этим высоким температурам. В результате, лопасти турбины должны изготавливаться из материалов, способных выдерживать такие высокие температуры.
Как правило, лопасть турбины сформирована из части хвостовика в одном конце и вытянутой части, формирующей лопасть, которая тянется радиально наружу из платформы, соединенной с частью хвостовика, в противоположном конце лопасти турбины. Лопасть обычно состоит из кромки лопасти напротив секции хвостовика, передней кромки и задней кромки. Кромка лопасти турбины часто содержит элемент кромки для уменьшения размера зазора между сегментами кольца и лопастями в пути газа турбины, чтобы предотвратить утечку потока через кромки, которая уменьшает величину крутящего момента, генерируемого лопастями турбины. Элементы кромки часто указываются ссылкой, как уплотнительные кромки, и часто встраиваются в кромки лопастей, чтобы помогать уменьшать потери эффективности между ступенями турбины. Эти элементы сконструированы для минимизации утечек между кромкой лопасти и сегментом кольца.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрыта уплотнительная кромка, сформированная из радиально тянущейся стенки кромки стороны повышенного давления и радиально тянущейся стенки кромки стороны пониженного давления, тянущаяся радиально наружу из кромки лопасти турбины, сформированная из тянущейся вдоль оси стенки кромки. Радиально тянущиеся стенки кромки стороны повышенного давления и стороны пониженного давления могут располагаться вдоль стенки стороны повышенного давления и стенки стороны пониженного давления лопасти турбины, соответственно. Радиально тянущаяся стенка стороны повышенного давления может включать в себя скошенную переднюю кромку с одним или более отверстиями пленочного охлаждения, содержащими расположенные в ней выпуски. Тянущаяся вдоль оси стенка кромки может быть сформирована из по меньшей мере двух наружных линейных поверхностей, соединенных вместе на пересечении, формируя вогнутую тянущуюся вдоль оси стенку кромки. Тянущаяся вдоль оси стенка кромки может включать в себя выпуклую внутреннюю поверхность, формирующую радиально наружный конец внутренней полости, формирующей внутреннюю систему охлаждения. Система охлаждения может включать в себя одно или более отверстий пленочного охлаждения в тянущейся вдоль оси стенке кромки рядом со стенкой стороны пониженного давления, что способствует увеличенному охлаждению в стенках стороны повышенного давления и стороны пониженного давления.
Лопасть турбины может быть сформирована из в целом вытянутого профиля, содержащего переднюю кромку, заднюю кромку, кромку в первом конце и хвостовик, соединенный с лопастью в конце, в целом расположенном напротив первого конца, для поддержки лопасти и для соединения лопасти с диском. Лопасть турбины также может быть сформирована из стенки стороны повышенного давления, тянущейся от передней кромки к задней кромке, и стенку стороны пониженного давления, тянущуюся от передней кромки к задней кромке и расположенную с противоположной стороны в целом вытянутого профиля относительно стенки стороны повышенного давления. Одна или более полостей, формирующих внутреннюю систему охлаждения, могут быть включены в лопасть турбины.
Уплотнительная кромка может располагаться в первом конце. Уплотнительная кромка может быть сформирована из радиально тянущейся стенки кромки стороны повышенного давления с наружной поверхностью, которая сливается с наружной поверхностью стенки стороны повышенного давления, радиально тянущейся стенки кромки стороны пониженного давления с наружной поверхностью, которая сливается с наружной поверхностью стенки стороны пониженного давления, и тянущейся вдоль оси стенки кромки, тянущейся между стенкой кромки стороны повышенного давления и стенкой кромки стороны пониженного давления. Тянущаяся вдоль оси стенка кромки может быть сформирована двух или более наружных линейных поверхностей, соединенных вместе на пересечении, которые формируют вогнутую тянущуюся вдоль оси стенку кромки. Пересечение, в котором соединяются две наружные линейные поверхности, формирующие тянущуюся вдоль оси стенку кромки, может располагаться радиально внутри от пересечения внутренней поверхности радиально тянущейся стенки кромки стороны повышенного давления и первой наружной поверхности тянущейся вдоль оси стенки кромки, и радиально внутри от пересечения внутренней поверхности радиально тянущейся стенки кромки стороны пониженного давления и второй наружной поверхности тянущейся вдоль оси стенки кромки.
Радиально тянущаяся стенка кромки стороны повышенного давления может включать в себя скошенную поверхность, расположенную под острым углом относительно наружной поверхности в целом вытянутого профиля, формирующей стенку стороны повышенного давления. Скошенная поверхность радиально тянущейся стенки кромки стороны повышенного давления может тянуться только вдоль части всей длины радиально тянущейся стенки кромки стороны повышенного давления. Радиально тянущаяся стенка кромки стороны повышенного давления может тянуться от передней кромки и может завершаться на задней кромке. Лопасть турбины может также включать в себя одно или более отверстий пленочного охлаждения, расположенных в радиально тянущейся стенке кромки стороны повышенного давления с выпуском в наружной поверхности в радиально тянущейся стенке кромки стороны повышенного давления и впуском, который соединяет отверстие пленочного охлаждения с полостью, формирующей внутреннюю систему охлаждения. Выпуск отверстия пленочного охлаждения может располагаться на скошенной поверхности радиально тянущейся стенки кромки стороны повышенного давления.
Радиально тянущаяся стенка кромки стороны пониженного давления может тянуться от задней кромки к передней кромке в целом вытянутого профиля, заканчиваться на передней кромке и может соединяться с радиально тянущейся стороной кромки стороны повышенного давления. Одно или более отверстий пленочного охлаждения могут располагаться в наружной линейной поверхности тянущейся вдоль оси стенки кромки в контакте с радиально тянущейся стенкой кромки стороны пониженного давления. Отверстие пленочного охлаждения может включать в себя выпуск в тянущейся вдоль оси стенке кромки и впуск, который соединяет отверстие пленочного охлаждения с полостью, формирующей внутреннюю систему охлаждения. Внутренняя поверхность тянущейся вдоль оси стенки кромки, которая формирует радиально наружную границу полости, формирующей внутреннюю систему охлаждения, может содержать выпуклую поверхность с самыми радиально наружными точками выпуклой поверхности на пересечениях со стенками стороны повышенного давления и стороны пониженного давления. Полость, формирующая внутреннюю систему охлаждения, может включать в себя радиально тянущееся срединное ребро, разделяющее внутреннюю систему охлаждения на стороны повышенного давления и пониженного давления.
Преимущество данного изобретения состоит в том, что выпуклая внутренняя поверхность тянущейся вдоль оси стенки кромки улучшает охлаждение в области кромки рядом со стенками стороны повышенного давления и стороны пониженного давления, которые подвергаются воздействию пути газа высокой температуры.
Другое преимущество данного изобретения состоит в том, что выпуклая наружная поверхность, формирующая уплотнительную кромку, образует глубокую наружную полость кромки, которая восстанавливает статическое давление и уменьшает утечку потока через кромку.
Эти и другие варианты осуществления изобретения более подробно описаны ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, которые включены в состав описания изобретения и составляют его часть, иллюстрируют варианты осуществления раскрытого здесь изобретения и, вместе с описанием, раскрывают принципы изобретения.
Фиг. 1 - вид в перспективе лопасти турбины с уплотнительной кромкой.
Фиг. 2 - частичный подробный вид в перспективе уплотнительной кромки в ведущей кромке лопасти турбины, показанной на фиг. 1.
Фиг. 3 - вид сверху уплотнительной кромки, показанной на фиг. 1.
Фиг. 4 - вид в поперечном сечении кромки лопасти турбины, взятый по линии сечения 4-4 на фиг. 1.
Фиг. 5 – схема системы охлаждения, показанной на фиг. 4.
Фиг. 6 - частичный вид в поперечном сечении уплотнительной кромки, взятый по линии сечения 6-6 на фиг. 4.
Фиг. 7 - частичный вид в поперечном сечении другого варианта осуществления уплотнительной кромки, взятый по линии сечения 7-7 на фиг. 4.
Фиг. 8 - частичный вид в поперечном сечении еще одного варианта осуществления уплотнительной кромки, взятый по линии сечения 8-8 на фиг. 4.
Фиг. 9 - частичный вид в поперечном сечении еще одного варианта осуществления уплотнительной кромки, взятый по линии сечения 9-9 на фиг. 4.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на фиг. 1-9, раскрыта уплотнительная кромка 10, сформированная из радиально тянущейся стенки 12 кромки стороны повышенного давления и радиально тянущейся стенки 14 кромки стороны пониженного давления, тянущаяся радиально наружу из кромки 16 лопасти 18 турбины, сформированная из тянущейся вдоль оси стенки 30 кромки. Радиально тянущиеся стенки 12, 14 кромки стороны повышенного давления и стороны пониженного давления могут располагаться вдоль стенки 20 стороны повышенного давления и стенки 22 стороны пониженного давления лопасти турбины, соответственно. Радиально тянущаяся стенка 12 стороны повышенного давления может включать в себя скошенную переднюю кромку 24 с одним или более отверстиями 26 пленочного охлаждения, содержащими расположенные в ней выпуски 28. Тянущаяся вдоль оси стенка 30 кромки может быть сформирована из по меньшей мере двух наружных линейных поверхностей 32, 34, соединенных вместе на пересечении 36, формируя вогнутую тянущуюся вдоль оси стенку кромки. Тянущаяся вдоль оси стенка 30 кромки может включать в себя выпуклую внутреннюю поверхность 33, формирующую радиально наружный конец внутренней полости 38, формирующей внутреннюю систему 40 охлаждения. Система 38 охлаждения может включать в себя одно или более отверстий 42 пленочного охлаждения в тянущейся вдоль оси стенке 30 кромки рядом со стенкой 22 стороны пониженного давления, что способствует увеличенному охлаждению в стенках 20, 22 стороны повышенного давления и стороны пониженного давления.
Как показано на фиг. 1, лопасть 18 турбины может быть сформирована из в целом вытянутого профиля 44, содержащего переднюю кромку 44 и заднюю кромку 48. В целом вытянутый профиль 44 может включать в себя кромку 16 в первом конце 50 и хвостовик 52, соединенный с лопастью 44, во втором конце 55, в целом расположенном напротив первого конца 50, для поддержки лопасти 44 и для присоединения лопасти 44 к диску. Внутренняя система 40 охлаждения, как показано на фиг.4-9, может быть сформирована из по меньшей мере одной полости 38, расположенной внутри в целом вытянутого профиля 44. Система 40 охлаждения может быть сконфигурирована, как показано на фиг. 5, или может иметь любую подходящую конфигурацию для охлаждения лопасти 18 турбины во время использования в работающем газотурбинном двигателе. Лопасть 18 турбины и связанные с ней компоненты, перечисленные выше, могут быть сформированы из любого подходящего материала, уже известного в данной области техники, или того, который еще будет открыт или идентифицирован.
Как показано на фиг. 1, лопасть 18 турбины также может включать в себя стенку 20 стороны повышенного давления, тянущуюся от передней кромки 46 к задней кромке 48, и стенку 22 стороны пониженного давления, тянущуюся от передней кромки 46 к задней кромке 48 и расположенную с противоположной стороны в целом вытянутого профиля 44 относительно стенки 20 стороны повышенного давления, и полость 38, формирующую внутреннюю систему 40 охлаждения.
Уплотнительная кромка 10 может располагаться в первом конце 50 и может быть сформирована из радиально тянущейся стенки 12 кромки стороны повышенного давления с наружной поверхностью 56, которая сливается с наружной поверхностью 58 стенки 20 стороны повышенного давления. Радиально тянущаяся стенка 12 кромки стороны повышенного давления и радиально тянущаяся стенка 14 кромки стороны пониженного давления могут иметь любую подходящую высоту и ширину. В по меньшей мере одном варианте осуществления, как показано на фиг. 6-9, радиально тянущаяся стенка 12 кромки стороны повышенного давления или радиально тянущаяся стенка 14 кромки стороны пониженного давления, или они обе, могут иметь отношение высоты к ширине между 2:1 и 1:2, и в по меньшей мере одном варианте осуществления, примерно 1:1. Уплотнительная кромка 10 может также включать в себя радиально тянущуюся стенку 14 кромки стороны пониженного давления с наружной поверхностью 60, которая сливается с наружной поверхностью 62 стенки 22 стороны пониженного давления. Тянущаяся вдоль оси стенка 30 кромки может тянуться между стенкой 12 кромки стороны повышенного давления и стенкой 14 кромки стороны пониженного давления. Тянущаяся вдоль оси стенка 30 кромки может быть сформирована из по меньшей мере двух наружных линейных поверхностей 32, 34, соединенных вместе на пересечении 36, которые формируют вогнутую тянущуюся вдоль оси стенку 30 кромки. Пересечение 36, в котором соединяются две наружные линейные поверхности 32, 34, формирующие тянущуюся вдоль оси стенку 30 кромки, может располагаться радиально внутри от пересечения 64 внутренней поверхности 66 радиально тянущейся стенки 12 кромки стороны повышенного давления и первой наружной поверхности 68 тянущейся вдоль оси стенки 30 кромки, и радиально внутри от пересечения 70 внутренней поверхности 72 радиально тянущейся стенки 14 кромки стороны пониженного давления и второй наружной поверхности 74 тянущейся вдоль оси стенки 30 кромки.
Как показано на фиг. 1-3, 8 и 9, радиально тянущаяся стенка 12 кромки стороны повышенного давления может включать в себя скошенную поверхность 76, расположенную под острым углом относительно наружной поверхности 58 в целом вытянутого профиля 44, формирующей стенку 20 стороны повышенного давления. Скошенная поверхность 76 радиально тянущейся стенки 12 кромки стороны повышенного давления может тянуться только вдоль части всей длины радиально тянущейся стенки 12 кромки стороны повышенного давления. В другом варианте осуществления, скошенная поверхность 76 радиально тянущейся стенки 12 кромки стороны повышенного давления может тянуться вдоль всей длины радиально тянущейся стенки 12 кромки стороны повышенного давления. Радиально тянущаяся стенка 12 кромки стороны повышенного давления может тянуться от передней кромки 46 и может заканчиваться на задней кромке 48. Радиально тянущаяся стенка 14 кромки стороны пониженного давления может тянуться от задней кромки 48 к передней кромке 46 в целом вытянутого профиля 44, заканчиваться на передней кромке 46 и может соединяться с радиально тянущейся стороной 12 кромки стороны повышенного давления.
Как показано на фиг. 1-3, 8 и 9, одно или более отверстий 26 пленочного охлаждения могут располагаться в радиально тянущейся стенке 12 кромки стороны повышенного давления с выпуском 28 в наружной поверхности 56 в радиально тянущейся стенке 12 кромки стороны повышенного давления и впуском 82, который соединяет отверстие 26 пленочного охлаждения с полостью 38, формирующей внутреннюю систему 40 охлаждения. Выпуск 28 отверстия 26 пленочного охлаждения может располагаться на скошенной поверхности 76 радиально тянущейся стенки 12 кромки стороны повышенного давления. Отверстия 26 пленочного охлаждения, расположенные в радиально тянущейся стенке 12 кромки стороны повышенного давления, могут тянуться под острым углом относительно наружной поверхности 56 радиально тянущейся стенки 12 кромки стороны повышенного давления. Вдобавок, отверстия 26 пленочного охлаждения могут тянуться в радиально тянущейся стенке 12 кромки стороны повышенного давления под острым углом относительно скошенной поверхности 76 радиально тянущейся стенки 12 кромки стороны повышенного давления. В другом варианте осуществления, отверстия 26 пленочного охлаждения могут тянуться в радиально тянущейся стенке 12 кромки стороны повышенного давления в целом перпендикулярно скошенной поверхности 76 радиально тянущейся стенки 12 кромки стороны повышенного давления.
Уплотнительная кромка 10 также может включать в себя одно или более отверстий 42 пленочного охлаждения, расположенных в наружной линейной поверхности 34 тянущейся вдоль оси стенки 30 кромки в контакте с радиально тянущейся стенкой 14 кромки стороны пониженного давления. Отверстие 42 пленочного охлаждения может включать в себя выпуск 86 в тянущейся вдоль оси стенке 30 кромки и впуск 88, который соединяет отверстие 42 пленочного охлаждения с полостью 38, формирующей внутреннюю систему 40 охлаждения.
Внутренняя поверхность 33 тянущейся вдоль оси стенки 30 кромки, которая формирует радиально наружную границу полости 38, формирующей внутреннюю систему 40 охлаждения, содержит выпуклую поверхность с самыми радиально наружными точками 90, 92 выпуклой поверхности 33 на пересечениях 94, 96 со стенками 20, 22 стороны повышенного давления и стороны пониженного давления. Полость 38, формирующая внутреннюю систему 40 охлаждения, может включать в себя радиально тянущееся срединное ребро 98, как показано на фиг. 6, 7 и 9, разделяющее внутреннюю систему 40 охлаждения на стороны 100, 102 повышенного давления и пониженного давления.
Во время использования, охлаждающие текучие среды запускаются во внутреннюю систему 40 охлаждения. Охлаждающие текучие среды могут протекать через охлаждающую систему 40 и увеличиваться в температуре по мере того, как охлаждающие текучие среды снижают температуру материалов, формирующих лопасть 18 турбины. Охлаждающие текучие среды могут втекать в самые радиально наружные точки 90, 92 выпуклой поверхности 33 на пересечениях 94, 96 со стенками 20, 22 стороны повышенного давления и стороны пониженного давления, при этом по меньшей мере часть текучих сред может выталкиваться из системы 40 охлаждения через отверстия 26 и 42 пленочного охлаждения в кромке 16 лопасти 18 турбины. Охлаждающие текучие среды могут охлаждать кромку 16 с помощью конвекции, и могут охлаждать элементы уплотнительной кромки 10 посредством выталкивания через отверстия 26 и 42 пленочного охлаждения. Горячие газы, проходящие за радиально тянущейся стенкой 12 стороны повышенного давления, входят во внешнюю полость 104 кромки, что обеспечивает восстановление статического давления и уменьшение потока утечки через кромку.
Вышеизложенное представлено для целей иллюстрации, пояснения и описания вариантов осуществления данного изобретения. Модификации и адаптации этих вариантов осуществления будут очевидны специалистам в данной области техники и могут быть произведены без отклонения от объема или сущности данного изобретения.