ПОЛАЯ ЛОПАТКА ДЛЯ РОТОРА ТУРБИНЫ, ПРИ ЭТОМ ЛОПАТКА ВКЛЮЧАЕТ В СЕБЯ РЕБРО
HOLLOW BLADE FOR TURBINE ROTOR, WITH THAT BLADE INCLUDES RIB

Изобретение относится к лопатке для ротора турбины, и, более конкретно, изобретение относится к полой лопатке для газовой турбины высокого давления, в частности, для вертолета. Тем не менее, изобретение может применяться и в двигателях для самолетов, и вообще любых газовых турбинах. Изобретение относится, в частности, к тому типу полых лопаток, что имеют замкнутую концевую стенку, т.е. в которых концевая стенка не включает в себя отверстия, в отличие от того типа полых лопаток, что имеют открытую концевую стенку или называются «охлаждаемыми», и которые не являются объектом настоящего изобретения.
Как показано на фиг. 1 и 2, в лопатке 10 турбины, радиально проходящей от хвостовика до венца 12 лопатки, имеется открытая полость 14, называемая «ванной», обычно образованная замкнутой концевой стенкой 16 и боковым ободом 18. Радиальным направление R лопатки является относительно ротора, на котором она установлена, а осевым направлением является направление оси двигателя, перпендикулярное к радиальному направлению. Такая лопатка обычно имеет сторону 24 нагнетания, сторону 26 всасывания, передний край 28 и задний край 30.
По сравнению с лопаткой с цельным венцом, наличие полости 14 служит для облегчения лопатки и изменения структуры газового потока, тем самым, ограничивая нежелательный поток газа со стороны 24 нагнетания на всасывающую 26 сторону лопатки. Тем не менее, попадая внутрь полости 14, горячий газ из камеры сгорания, расположенной выше по потоку от турбины, нагревает стенки полости 14 путем конвекции.
Задачей настоящего изобретения является структурирование потока горячего газа в полости так, чтобы уменьшить теплообмен между горячим газом и стенками полости.
Изобретение решает эту задачу тем, что на боковом ободе полости расположено, по меньшей мере, одно ребро, простирающееся между передним краем и задним краем лопатки. Таким образом, понятно, что упомянутое ребро пролегает внутри полости.
Преимуществом такой лопатки является то, что, по меньшей мере, упомянутое одно ребро бокового обода вызывает циркуляцию газа, которая блокирует вход в полость для большей части горячего газа, который может в нее проникнуть. Следовательно, теплообмен между горячим газом и стенками полости уменьшается, и, таким образом, стенки полости подвергаются меньшему тепловому воздействию.
Упомянутое, по меньшей мере, одно ребро предпочтительно пролегает в плоскости, по существу перпендикулярной радиальному направлению лопатки, при том понимании, что термин «по существу перпендикулярной» использован для обозначения плоскости, лежащей под углом в диапазоне от -30° до +30° относительно плоскости, строго перпендикулярной радиальному направлению лопатки. Упомянутое, по меньшей мере, одно ребро предпочтительно простирается в плоскости, строго перпендикулярной радиальному направлению лопатки. Авторы изобретения обнаружили, что в данной конфигурации, упомянутое, по меньшей мере, одно ребро эффективно блокирует поток горячего газа, который может попасть в полость и, таким образом, нагревать его стенки.
Как вариант, боковой обод может включать в себя, по меньшей мере, два ребра. Наличие двух ребер служит для дальнейшего улучшения блокировки газа на входе в полость. Два ребра предпочтительно обращены лицевыми сторонами друг к другу.
Боковой обод предпочтительно имеет, по меньшей мере, два ребра, находящихся в одной плоскости, по существу, перпендикулярной радиальному направлению лопатки. Таким образом, отверстие полости ограничено в одной общей плоскости, что служит для ограничения попадания газа в полость.
В качестве альтернативного варианта, боковой обод может иметь, по меньшей мере, два ребра, находящихся в двух различных плоскостях, которые по существу перпендикулярны радиальному направлению лопатки. Это разница в расположении ребер в радиальном направлении служит для блокировки потоков газа, которые могут проникать в полость.
Кроме того, боковой обод полости образован первым участком обода, расположенным вблизи стороны нагнетания лопатки и вторым участком обода, расположенным вблизи от всасывающей стороны лопатки, при этом боковой обод предпочтительно имеет, по меньшей мере, два ребра на общем участке обода. Такая конфигурация позволяет осуществить точную регулировку блокировки потоков газа, которые могут проникнуть в полость, и снизить лишний вес, привносимый ребрами лопатки.
Следует отметить, что термин «участок обода» использован для обозначения участка обода, который простирается между передним краем и задним краем лопатки. Два участка обода являются смежными. Таким образом, обод образован из двух участков: первого участка обода, который простирается между передним краем и задним краем рядом со стороной нагнетания лопатки, и второго участка обода, который простирается между передним краем и задним краем рядом с всасывающей стороной лопатки.
В качестве альтернативного варианта, по-прежнему с учетом того, что боковой обод образован первым участком обода, расположенным вблизи от стороны нагнетания лопатки и вторым участком обода, расположенным вблизи от всасывающей стороны лопатки, боковой обод имеет, по меньшей мере, два ребра, расположенных на двух участках обода. Таким образом, вход в полость становится значительно меньше из-за ребер, и только небольшой поток газа может проникнуть в полость.
В радиальном направлении лопатки, упомянутое, по меньшей мере, одно ребро, предпочтительно установлено на удалении от венца лопатки. В результате на венце лопатки имеется остаточный зазор, что позволяет эффективно ограничивать объем газа, которые может проникнуть в полость, тем самым, улучшая блокировку на входе в полость.
Упомянутое, по меньшей мере, одно ребро предпочтительно имеет по существу прямоугольное сечение. Авторы изобретения обнаружили, что такие ребра улучшают функцию блокировки. Термин «по существу прямоугольное сечение» использован для обозначения прямоугольного сечения, а также трапецеидального сечения, квадратного сечения, или же имеющего форму параллелограмма.
Ребра могут также быть скошены. Скошенная форма ребра служит для уменьшения веса ребра при сохранении зоны соединения между ребром и ободом, что является достаточным для обеспечения механической целостности упомянутого соединения. Кроме того, скошенная форма ребер служит для создания особого краевого эффекта газовых потоков и тем самым для улучшения блокировки потоков газа, которые могут проникать в полость.
Изобретением также предусмотрен ротор турбины, включающий в себя, по меньшей мере, одну предлагаемую изобретением лопатку, и турбомашина, например, газовая турбина вертолета, включающая в себя, по меньшей мере, один ротор турбины.
Изобретение и его преимущества будут более понятны при изучении нижеследующего подробного описания различных вариантов осуществления, приведенных в качестве неограничительных примеров. Описание приведено со ссылками на сопровождающие фигуры, на которых:
На фиг. 1 представлен вид в перспективе венца лопатки предшествующего уровня техники;
На фиг. 2 представлен вид в разрезе лопатки, показанной на фиг. 1 по плоскости II фиг. 1;
На фиг. 3 представляет вид в перспективе венца лопатки в первом варианте осуществления изобретения;
На фиг. 4A представлен вид в разрезе лопатки, показанной на фиг. 3 по плоскости IV фиг. 3, в то время как на фиг. 4B, 4C, 4D показаны другие варианты осуществления лопатки согласно изобретению;
На фиг. 5A представлен вид лопатки, показанной на фиг. 3, если смотреть по стрелке V фиг. 3, в то время как на фиг. 5B и 5C показаны другие варианты осуществления лопатки согласно изобретению, а также
На фиг. 6 представлен вид газовой турбины, имеющей ротор турбины, оснащенный лопатками согласно изобретению.
Первый вариант осуществления изобретения описан со ссылкой на фиг. 3. На фиг. 3 показана лопатка 10 турбины высокого давления, проходящая в радиальном направлении между хвостовиком лопатки и венцом 12 лопатки, в которой образована открытая полость 14, называемая ванной. Эта полость 14 образована концевой стенкой 16, которая является замкнутой, т. е. не имеет отверстия, и боковым ободом 18. Боковой обод 18 образован первым участком обода 18a, расположенным вблизи стороны 24 нагнетания лопатки, и вторым участком обода 18b, расположенным вблизи стороны 26 всасывания лопатки. В соответствии с изобретением, боковой обод 18 имеет, по меньшей мере, одно ребро, проходящее между передним краем 28 и задним краем 30 лопатки 10.
В данном примере, боковой обод 18 имеет два ребра 32 и 34, проходящих соответственно над первым участком 18 обода и вторым участком 18b обода, при этом каждое ребро выступает соответственно из одного из участков 18a и 18b.
Ребро 32 выступает из бокового обода 18, при этом образуя канавку между замкнутой концевой стенкой 16 и упомянутым ребром 32. Таким образом, понятно, что ребро 32 отделено от замкнутой концевой стенки 16 и что между замкнутой концевой стенкой 16 и ребром 32 имеется пространство. Другими словами, ребро 32 расположено между замкнутой концевой стенкой 16 и венцом 12 лопатки. Таким образом, ребро 32 не является смежным с замкнутой концевой стенкой 16. То же самое относится к ребру 34.
Таким образом, наличие ребер 32 и 34, простирающихся между передним краем 28 и задним краем 30 лопатки, служит для блокировки горячего газа на венце лопатки, так что в полость 14 горячий газ не проникает или проникает его малая часть. По сравнению с предшествующим уровнем техники, нагрев за счет конвекции на стенках полости 14 снижается.
Наличие ребра приводит к возмущению (или краевым эффектам) газового потока. Авторы изобретения обнаружили, что ребро является причиной возникновения турбулентной структуры, которая имеет три уровня газового потока в радиальном направлении лопатки. Таким образом, на фиг. 4A газ, поступающий со стороны 24 нагнетания лопатки через зазор J, блокируется на венце лопатки и выполняет стационарное вращательное движение 13 (или вихревое движение), которое «образовано» ребрами 32 и 34. На уровне ребер 32 и 34, газ выполняет другое вращательное движение 15, вращающееся в противоположном направлении по отношению к вращательному движению 13. Внутри полости 14, под ребрами 32 и 34, газ выполняет вращательное движение 17 в том же направлении вращения, что и вращательное движение 13. Таким образом, когда поступающий газ является горячим, турбулентная структура позволяет ограничить поступление газа, который мог бы нагреть стенки полости 14, ограниченных венцом лопатки и ограничить скорость подачи горячего газа внутрь полости 14. Кроме того, эта турбулентная структура циркулирующего газа служит для ограничения теплообмена между различными вращающимися потоками газа. Кроме того, эти вращающиеся потоки служат для обеспечения более равномерной температуры между стороной 24 нагнетания и стороной 26 всасывания концевой стенки 16 полости 14, что снижает уровни механических напряжений, возникающих вследствие температурных градиентов в стенках. Таким образом, в отличие от предшествующего уровня техники, стенки полости нагреваются незначительно или совсем не нагреваются от горячего газа, поступающего из камеры сгорания газовой турбины, и имеют более однородную температуру.
На фиг. 4A представлен вид в разрезе лопатки, показанной на фиг. 1 по плоскости IV фиг. 1. В данном примере ребра 32 и 34 лежат в одной плоскости P, которая строго перпендикулярна к радиальному направлению R лопатки 10. Вызывая в полости циркуляцию газа противоположного вращения, ребра 32 и 34 служат для создания краевых эффектов на входе в полость, тем самым, предотвращая попадание в полость газа, находящегося за пределами полости 14.
На фиг. 4B, ребра 36 и 38 лежат в двух различных плоскостях P' и P'', которые строго перпендикулярны радиальному направлению R лопатки.
В данной конфигурации, созданные ребрами краевые эффекты эффективны при блокировании потоков газа, которые являются по существу наклонными по отношению к радиальному направлению R.
Поскольку верхним участком лопатки является венец 12 лопатки, то в данном примере расположенным выше является ребро на первом участке 18a обода рядом со стороной 24 нагнетания (т.е. расположенным ниже является ребро на втором участке 18b обода рядом со стороной 26 всасывания). Естественно, в ином варианте осуществления расположенным выше может являться ребро на втором участке 18b обода рядом со стороной 26 всасывания (т.е. расположенным ниже является ребро на первом участке 18a обода рядом со стороной 24 нагнетания).
На фиг. 4A и 4B, ребра 32 и 34, а также 36 и 38 имеют по существу прямоугольное сечение. На фиг. 4C и 4D, ребра 40 и 42 являются скошенными. Таким образом, можно менять форму ребер в целях совершенствования краевого эффекта и тем самым улучшить блокирование газа на входе в полость 14 и при этом сделать устройство более легким.
На фиг. 4A, 4B, 4C, 4D, в радиальном направлении R лопатки 10 ребра 32, 34, 36, 38, 40 и 42 расположены на удалении от венца 12 лопатки. Оставляя образованный ребрами зазор между венцом 12 лопатки и входом в полость, можно ограничить количество газа, которое может проникнуть внутрь полости 14 в этот зазор. Данный зазор служит для создания циркуляции газа между кожухом 22 турбины и венцом 12 лопатки. Это улучшает блокирование газа на входе в полость 14.
На фиг. 5A представлен вид по стрелке V, показанной на фиг. 3. Эта фигура соответствует виду на фиг. 4A. Вид сверху на вариант, показанный на фиг. 4b (где «верхом» является венец 12 лопатки) выглядел бы аналогично. Таким образом, этот пример показывает, как ребра 32 и 34, а также 36 и 38 могут быть расположены вдоль двух участков обода 18a и 18B.
На фиг. 5B показан вариант осуществления, в котором единственное ребро 34 простирается над вторым участком 18b обода рядом со стороной 26 всасывания. В зависимости от условий использования лопатки, этот вариант достаточен для блокировки потока газа, который может проникнуть в полость 14. В альтернативном варианте обода, единственное ребро простирается над первым участком 18a обода, рядом со стороной 24 нагнетания.
На фиг. 5C представлен вариант, показанный на фиг. 5B. Два ребра 34' и 34" находятся на одном участке 18b обода (или же в качестве альтернативного варианта на участке 18a обода). Таким образом, длина ребра, сокращенная по сравнению с вариантом осуществления, показанным на фиг. 5B, служит для уменьшения лишнего веса ребра 34. Этот тип варианта осуществления также легко позволяет разместить множество ребер на одном участке обода, с радиальным смещением ребер. Таким образом, можно улучшить (уточнить) краевые эффекты, вызывающие возмущение потока газа, который может проникнуть в полость 14, и тем самым улучшить блокирование газа на входе в полость 14.
Кроме того, в зависимости от выбранного варианта осуществления, два ребра 34' и 34" могут размещаться в линию друг с другом (при этом оба находятся в одной плоскости или на одной поверхности), или же, как вариант, могут располагаться с радиальным смещением.
В примере, представленном на фиг. 5C, хотя и показаны два ребра, может быть предусмотрено произвольное число ребер. В другом варианте, может быть предусмотрено единственное ребро 34' или 34" и т.п.
В настоящем примере, ребро 34' длиннее ребра 34", но как вариант, ребро 34' может быть той же длины или короче ребра 34", в зависимости от нужного эффекта.
Естественно, могут быть предусмотрены другие варианты осуществления: например, можно разместить множество ребер на каждом участке 18a и 18b обода, рядом как со стороной 24 нагнетания, так и со стороной 26 всасывания. В качестве альтернативного варианта, одно ребро может быть размещено на участке обода 18a рядом со стороной 24 нагнетания, и множество ребер на участке обода 18b рядом со стороной 26 всасывания, или наоборот. Ребро (ребра) может быть прямоугольного, трапециевидного или квадратного сечения. Аналогичным образом, одно, несколько или все ребра могут быть скошенными. Таким образом, в различных сочетаниях можно задать конфигурацию ребер в полости 14, удовлетворяющую определенному набору требований в зависимости от конкретных условий использования лопатки.
На фиг. 6 показана турбомашина 200, например, вертолетная газовая турбина, имеющая ротор 100 турбины высокого давления, при этом ротор несет на себе лопатки 10 ротора в соответствии с настоящим изобретением.