ОХЛАЖДАЕМАЯ СОПЛОВАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Предлагаемая полезная модель относится к области энергомашиностроения, а именно турбостроения, конкретно, к устройству охлаждаемых сопловых, направляющих лопаток газовых турбин для мощных энергетических установок.
В газовых турбинах, работающих при высоких температурах газов на входе (1100°С и выше), широко применяются различные конструкции охлаждаемых лопаток. Одним из вариантов исполнения конструкции лопаток является применение пустотелых лопаток с установленными внутри тонкостенными дефлекторами. Охлаждение лопатки происходит за счет воздуха, подаваемого в пространство между стенками лопатки и дефлектора. При этом наиболее серьезной проблемой, возникающей при разработке устройства охлаждаемых лопаток газовых турбин является обеспечение надежного теплосъема, а также повышение ремонтопригодности конструкции.
Известно устройство охлаждаемой сопловой лопатки, содержащее две полости в каждой из которых установлен замкнутый по контуру дефлектор с отверстиями для прохода через него охлаждающего воздуха. При сборке данный дефлектор за счет упругой передней стенки сжимается, а в рабочем режиме прижимается к внутренней поверхности корпуса лопатки посредством опорных элементов, выполненных в виде выступов на поверхности дефлектора со стороны корыта и спинки и образующих каналы для прохода охлаждающего воздуха. (Патент США №3806275, 1972 г.).
Недостатком известного устройства является то, что в силу технологических особенностей изготовления дефлектора и отливки лопатки (необходимости значительных допусков к размерам заготовок), а также процесса коробления дефлектора под действием высоких температур в рабочем режиме, возникает неплотное прилегание выступов на поверхности дефлектора к внутренней поверхности корпуса корыта лопатки. В результате, высота канала поступления охлаждающего воздуха в поперечном сечении лопатки увеличивается, что приводит к увеличению площади сечения канала и, соответственно, снижению скорости течения охлаждающего воздуха в канале и величины теплоотвода, что является основной предпосылкой для последующего выхода лопатки из строя. Кроме того, дефлектор такой конструкции сложен при сборке и разборке. Отмеченные обстоятельства характерны для конструкций сопловых лопаток крупных энергетических установок
мощностью 60 МВт и более, в которых толщина стенок дефлектора 1 мм и более, что обуславливает необходимость применения сложной оснастки и значительных трудностей при его установке и демонтаже.
Наиболее близким устройством к предлагаемому по совокупности существенных признаков и выбранном в качестве прототипа, является устройство охлаждаемой сопловой лопатки газовой турбины, содержащее первую и вторую полости, разделенные поперечной перегородкой, перфорированный дефлектор, который размещен во второй полости и выполнен в профиле в виде разомкнутой в передней части скобы, с кривизной поверхностей - со стороны спинки лопатки меньшей кривизны спинки лопатки, а со стороны корыта - больше кривизны корыта лопатки, штырь, снабженный упорными элементами, выполненными в виде кулачков для упора в дефлектор, который размещен внутри дефлектора в средней его части, упорные элементы для дефлектора, выполненные на внутренней поверхности второй полости лопатки со стороны корыта и спинки в виде горизонтальных ребер таким образом, что кулачки штыря упираются в дефлектор на участках расположенных между упорными элементами внутренней поверхности лопатки. (Патент РФ №2237811, опубликован в Бюл. ИЗ и ПМ №28-2004).
Изобретение по прототипу, за счет различной кривизны поверхностей дефлектора - со стороны спинки лопатки меньшей кривизны спинки лопатки, а со стороны корыта - больше кривизны корыта лопатки обеспечивает более плотное прилегание упорных элементов, выполненных на поверхности дефлектора посредством кулачков штыря, тем самым в поперечном сечении лопатки более точно обеспечивается заданная площадь для прохода охлаждающего воздуха, что повышает эффективность охлаждения сопловой лопатки. При этом сборка и разборка лопатки с дефлектором не требуют сложной оснастки.
Однако к причинам, препятствующим достижению желаемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в случае технологических нарушений в точности изготовления посадочных гнезд под штырь относительно внутренних стенок (опорных элементов) лопатки кулачки штыря при его развороте упираются в дефлектор не все одновременно. Поэтому с одной из сторон внутренней поверхности лопатки дефлектор может оказаться не прижатым, что на практике ведет к изменению площади профиля сечения каналов и эффективности теплоотвода. Более того, не прижатая стенка дефлектора будет дополнительным источником нежелательных вибраций, а в случае поломки штифта, фиксирующего штырь от проворачивания, последний может развернуться, дефлектор окажется не прижатым,
работоспособность лопатки будет нарушена.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является снижение трудоемкости изготовления и сборки устройства охлаждаемой сопловой лопатки, повышение эффективности теплосъема, ремонтопригодности, надежности работы охлаждаемой сопловой лопатки и повышение межремонтного эксплуатационного цикла сопловой лопатки в целом.
Для достижения желаемого технического результата, устройство охлаждаемой сопловой лопатки газовой турбины, содержащее по ходу потока первую и вторую полости, разделенные поперечной перегородкой, перфорированный дефлектор, размещенный во второй по ходу потока полости лопатки и выполненный в профиле в виде разомкнутой скобы в передней его части, имеющий различную кривизну поверхности со стороны спинки и корыта лопатки, штырь, размещенный внутри дефлектора, снабженный упорными элементами, выполненными заодно с его телом и упирающимися во внутреннюю поверхностью дефлектора, упорные элементы, расположенные на внутренней поверхности второй по ходу потока полости со стороны корыта и спинки, выполненные в виде горизонтально расположенных по высоте полости и вдоль ее профиля ребер, таким образом, что упорные элементы штыря упираются в поверхность дефлектора на участках расположенных между упорными элементами, выполненными на внутренней поверхности второй полости лопатки, образуя каналы для прохода охлаждающего воздуха. При этом упорные элементы штыря выполнены в виде концентрично расположенных по высоте штыря и на равном расстоянии друг от друга горизонтальных ребер, при этом штырь установлен в двух опорах, выполненных в корпусе лопатки с возможностью перемещения штыря, нижняя из которых представляет собой гнездо в корпусе лопатки, куда вставлено с зазором цилиндрическое окончание штыря, а верхняя часть штыря снабжена отверстием, через которое проходит палец, установленный в проушинах и зафиксированный штифтом от выпадения, с обеспечением возможности смещения верхней части штыря вдоль пальца.
Предлагаемое устройство охлаждаемой сопловой лопатки газовой турбины, позволяет обеспечить желаемый технический результат. Так выполнение упорных элементов штыря заодно с его телом в виде концентрично расположенных на равном расстоянии друг от друга по высоте штыря горизонтальных ребер обеспечивает надежный прижим наружной поверхности дефлектора к упорным элементам, расположенным внутренней поверхности второй полости лопатки со стороны корыта и спинки независимо от угла разворота штыря, таким образом, исключая возможность изменения расчетной площади сечения каналов для
прохода охлаждающего воздуха в процессе эксплуатации. Установка штыря в опорах, выполненных в корпусе пера лопатки с возможностью его перемещения обеспечивает самоустановку штыря внутри дефлектора при сборке и ремонте лопатки за счет зазора в нижней опоре, а также возможности смещения верхней части штыря вдоль пальца, который установлен в проушинах и проходит через отверстие, выполненное в верхнем окончании штыря, и зафиксирован штифтом, который фиксирует палец от возможного выпадания. Таким образом, предлагаемое устройство значительно снижает трудозатраты и повышает удобство сборки и ремонта лопатки, а также обеспечивает эффективность охлаждения, надежность работы лопатки и повышение межремонтного эксплуатационного цикла сопловой лопатки в целом.
При исследовании вышеприведенных отличительных признаков предлагаемого устройства заявитель не выявил технических решений, позволяющих решить поставленную техническую задачу. Анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, не выявил технических решений, характеризующихся признаками, тождественными или эквивалентными признакам заявленной полезной модели. Это позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков и сформулированную в представленной ниже формуле патента на полезную модель.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию патентоспособности "новизна" полезной модели.
Предлагаемое устройство охлаждаемой сопловой лопатки газовой турбины иллюстрируется на представленных ниже фигурах 1-3. В частности, на фигуре 1 представлен продольный разрез сопловой лопатки, на фиг.2 - сечение в плоскости А-А сопловой лопатки изображенной на фиг.1, на фиг.3 - вид сечение в плоскости Б-Б сопловой лопатки изображенной на фиг.1, а также вид В.
Устройство охлаждаемой сопловой лопатки 1 содержит разделенные поперечной перегородкой 2 две полости, первую по ходу потока полость 3 со стороны входной кромки 4 лопатки 1 и вторую полость 5 со стороны выходной кромки 6 лопатки. Во второй полости 5 установлен перфорированный дефлектор 7, с рядами отверстий 17, выполненный в профиле в виде разомкнутой в передней (широкой) части скобы. Упорные элементы, расположенные на внутренней поверхности лопатки со стороны корыта 9 и спинки 10 лопатки в полости 5 выполнены в виде горизонтальных ребер 8. Пространство между ребрами 8, расположенными на внутренней поверхности лопатки со стороны корыта 9
и спинки 10 лопатки в полости 5 и наружными поверхностями дефлектора 7, образуют каналы 11 для прохода охлаждающего воздуха. Кривизна поверхности дефлектора 7 со стороны корыта лопатки 9 больше кривизны поверхности корыта 9. Кривизна поверхности дефлектора 7 со стороны спинки 10 лопатки меньше кривизны спинки 10 лопатки. Во второй полости 5 внутри дефлектора 7 примерно в средней его части установлен штырь 14 (фиг.2). На штыре 14 расположены упорные элементы, которые выполнены заодно с его телом, в виде концентрично расположенных по высоте штыря 14 и на равном расстоянии друг от друга горизонтальных ребер 15. Упорные элементы 15 штыря 14 упираются во внутреннюю поверхность дефлектора 7 на участке, расположенном между ребрами 8 внутренней поверхности лопатки. Штырь 14 установлен в лопатке 1 в двух опорах с возможностью смещения. При этом нижняя опора штыря 14 расположена в корпусе лопатки 1 представляет собой гнездо 13, куда с зазором вставляется цилиндрическое окончание 12 штыря 14. В верхней части 19 штырь 14 снабжен отверстием 18, через которое проходит палец 20, установленный в проушинах 21 и зафиксированный штифтом S-образной формы 16 через отверстие в пальце, расположенное параллельно полке лопатки.
Предлагаемое устройство охлаждаемой сопловой лопатки газовой турбины работает следующим образом:
Охлаждающий воздух подается во вторую по ходу потока полость 5 лопатки 1 через верхнюю часть корпуса лопатки 1. Из задней части дефлектора 7 воздух между упорными элементами 15 попадает в переднюю часть дефлектора 7 и далее через два ряда отверстий 17 поступает в горизонтальные каналы 11, проходящие вдоль внутренней поверхности корыта 9 и спинки 10 лопатки и которые образуются между упорными элементами, расположенными на внутренней поверхности корыта 9 и спинки 10 лопатки в виде горизонтальных ребер 8. Проходя по каналам 11, воздух охлаждает корыто 9 и спинку 10 и далее сбрасывается в щель 22, расположенную в выходной кромке 6 лопатки 1. Поверхность дефлектора 7 за счет штыря 14, снабженного упорными элементами 15, выполненными заодно с его телом в виде концентрично расположенных на равном расстоянии друг от друга по высоте штыря горизонтальных ребер 15, плотно прижимается к упорным элементам 8, расположенным на внутренней поверхности полости 5 лопатки 1 независимо от угла разворота штыря 14 при сборке лопатки 1, обеспечивая тем самым заданные площади сечения каналов 11 для прохода охлаждающего воздуха. Плотное прилегание дефлектора обеспечивается, кроме того, и выполнением разной кривизны поверхности дефлектора 7 и внутренней поверхности корыта 9 и спинки 10 лопатки 1. При этом штырь 14 самоустанавливается внутри дефлектора 7 при его сборке в оптимальном положении за счет
имеющегося зазора в нижней опоре и возможности смещения вдоль пальца 20, расположенного в верхней части 19 штыря 14 и установленного в проушинах 21.
В первой по ходу потока полости 3 лопатки 1 могут быть использованы разные схемы охлаждения. В приведенном примере исполнения устройства охлаждаемой сопловой лопатки воздух подается в полость 3 снизу. Во входной кромке 4 лопатки 1 выполнены отверстия для выпуска охлаждающего воздухе на наружную поверхность лопатки.
Предлагаемая конструкция лопатки обеспечивает в ходе эксплуатации газовой турбины постоянно-плотное прилегание поверхности дефлектора к упорным элементам, расположенным на внутренней поверхности полости 5 лопатки 1 со стороны ее корыта 9 и спинки 10. Это позволяет обеспечить с большой точностью заданную площадь сечения каналов для прохода охлаждающего воздуха, тем самым повысить эффективность теплосъема с поверхности лопатки. Кроме того, предлагаемая конструкция заметно снижает трудозатраты при сборке и ремонте сопловой лопатки, а также удешевляет стоимость изготовления лопатки за счет возможности расширения допусков заготовки, что в целом повышает ремонтопригодность, надежность работы, межремонтный эксплуатационный цикл работы сопловой лопатки.
Вышеизложенные сведения при реализации предлагаемого устройства, свидетельствуют о выполнении следующей совокупности условий:
- предлагаемое устройство при его осуществлении, предназначено для использования в турбостроении;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждается возможность его осуществления с помощью приведенных в описании заявки средств и методов;
- устройство, согласно описанию предлагаемой полезной модели при его осуществлении, способно обеспечить достижение желаемого заявителем технического результата, а именно позволяет снизить трудоемкость изготовления и сборки устройства охлаждающей лопатки, обеспечить повышение эффективности теплосъема, а также надежность работы охлаждаемой сопловой лопатки в целом.
Следовательно, предлагаемое решение соответствует критерию патентоспособности полезной модели "промышленная применимость".