ЛОПАТКА ТУРБИНЫ И ГАЗОВАЯ ТУРБИНА С ТАКОЙ ЛОПАТКОЙ
TURBINE BLADE AND GAS TURBINE WITH SUCH BLADE

Изобретение касается лопатки для газовой турбины с крепежной и полочной областью, к которой примыкает включающее в себя, по меньшей мере, два противолежащих тонкостенных изогнутых элемента перо лопатки с вершиной пера лопатки, причем тонкостенные изогнутые элементы в качестве расположенной со стороны всасывания стенки пера лопатки и в качестве расположенной со стороны нагнетания стенки пера лопатки соединены друг с другом.
Из ЕР 1283325 А1 известна лопатка газовой турбины с аэродинамически профилированным пером лопатки, которое составлено из двух тонкостенных изогнутых элементов. Оба тонкостенных изогнутых элемента вдоль своей продольной протяженности посредством процесса сварки, осуществляемого при высоком давлением и при высокой температуре, жестко соединены друг с другом как со стороны набегающего потока, так и со стороны сходящего потока.
Недостатком известного уровня техники является то, что сварное соединение продольно разрезного пера лопатки в области вершины лопатки при определенных условиях может разъединяться и таким образом оба отдельных тонкостенных изогнутых элемента могут расходиться в процессе эксплуатации. Во время работы это приводит к потерям в потоке. Кроме того, в отдельных случаях существует опасность того, что оба тонкостенных изогнутых элемента могут полностью отделяться друг от друга и могут вызвать серьезные вторичные повреждения в турбине.
Далее, из US 3899267 известна замыкающая вставка для вершины пера лопатки, которая вставлена между обоими образующими перо лопатки боковыми стенками в области вершины лопатки. При этом С-образная в поперечном сечении замыкающая вставка находится в двух противолежащих друг другу карманах, которые предусмотрены соответственно на внутренней стороне соответствующей стенки пера лопатки. Чтобы предохранять замыкающую вставку от выпадения, на внутренних сторонах предусмотрены выступы, которые воспринимают действующие на замыкающую вставку центробежные усилия.
Задачей изобретения является предоставление лопатки турбины названного в начале типа, у которой оба тонкостенных изогнутых элемента надежно соединены друг с другом.
Лежащая в основе изобретения задача решается посредством предоставления соответствующей родовому понятию лопатки турбины, у которой оба тонкостенных изогнутых элемента в области вершины пера лопатки посредством геометрического замыкания предохраняются от расхождения.
Лопатка для газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением выполнена с крепежной и полочной областью, к которой примыкает включающее в себя два противолежащих тонкостенных изогнутых элемента перо лопатки с вершиной пера лопатки. Тонкостенные изогнутые элементы в качестве расположенной со стороны всасывания стенки пера лопатки и в качестве расположенной со стороны нагнетания стенки пера лопатки соединены друг с другом. Оба тонкостенных изогнутых элемента в области вершины пера лопатки предохраняются от расхождения посредством геометрического замыкания, которое образовано посредством средства для соединения с помощью крюков, которое, располагаясь между обоими тонкостенными изогнутыми элементами, образует зацепление между ними. Каждый тонкостенный изогнутый элемент включает в себя крюк, причем эти крюки - будучи выполненными в качестве средства для соединения с помощью крюков ответно друг к другу - входят в зацепление друг с другом.
Изобретение также относится к газовой турбине, выполненной с указанной выше лопаткой.
Изобретение исходит из знания того, что изготовленное, например, посредством процесса сварки, соединение в отдельных случаях может быть недостаточным для того, чтобы предотвращать расхождение обоих тонкостенных изогнутых элементов. Поэтому, в соответствии с изобретением предусмотрено то, что оба тонкостенных изогнутых элемента в области вершины пера лопатки имеют геометрическое замыкание, которое предотвращает расхождение, т.е. перемещение друг от друга, обоих тонкостенных изогнутых элементов в области вершины пера лопатки при разъединяющемся соединении. Вследствие этого, с помощью указанной лопатки турбины может обеспечиваться особенно надежная эксплуатация газовой турбины, поскольку она снабжена соответствующей изобретению лопаткой турбины. Более того, эффективно предотвращаются потери в потоке, которые возникают при расхождении двух тонкостенных изогнутых элементов. Следовательно, по этим причинам ухудшения коэффициента полезного действия газовой турбины не происходит.
Предпочтительно средство для соединения с помощью крюков запаяно или сварено, по меньшей мере, с одним из тонкостенных изогнутых элементов. Средство для соединения с помощью крюков может иметь/имеет контактную кромку. Средство соединения с помощью крюков также может ограничивать частично окруженное тонкостенными изогнутыми элементами внутреннее пространство по отношению к вершине пера лопатки.
Согласно первому варианту осуществления изобретения геометрическое замыкание образовано посредством "средства для соединения с помощью крюков", которое, располагаясь между обоими тонкостенными изогнутыми элементами, соединяется с помощью крюков с каждым из них. При этом направление соединения с помощью крюков выбрано таким образом, что расхождение обоих тонкостенных изогнутых элементов в области вершины пера лопатки после установления геометрического замыкания надежно предотвращено. Следовательно, каждый из тонкостенных изогнутых элементов соответственно на своей внутренней стороне, которая соответственно противолежит его нагруженной горячим газом внешней стороне, имеет крюк, который соответственно включает в себя приблизительно параллельный стенке пера лопатки выступ. Для этих выступов средство для соединения с помощью крюков, которое предпочтительно выполнено в виде E-образного в поперечном сечении зажима, имеет два противолежащих конца зажима, которые выполнены ответно к предусмотренным на тонкостенных изогнутых элементах крюкам. Каждый конец зажима может охватывать снизу предусмотренный на крюке выступ, так что движение тонкостенных изогнутых элементов друг от друга при разъединяющемся соединении надежно предотвращено.
Дополнительно, средство для соединения с помощью крюков может быть соединено, по меньшей мере, с одним тонкостенным изогнутым элементом с силовым замыканием, т.е. запаяно или сварено. Вследствие этого достигается особенно надежное, а также заданное положение средства для соединения с помощью крюков по отношению к тонкостенным изогнутым элементам. Таким образом, оно не может выходить из своего рабочего положения и неконтролируемо попадать в окруженное тонкостенными изогнутыми элементами внутреннее пространство.
Чтобы предложить особенно просто устанавливаемое средство для соединения с помощью крюков, оно также может выполняться составным. Вследствие этого достигается то, что оно может относительно безпроблемно вводиться и затем позиционироваться между противолежащими друг другу тонкостенными изогнутыми элементами за счет образованного ими отверстия.
Предпочтительно, средство для соединения с помощью крюков предусмотрено между обоими тонкостенными изогнутыми элементами так, что, если лопатка турбины выполнена в качестве рабочей (роторной) лопатки, за счет расположенных на внутренних сторона стенок пера лопатки крюков предотвращено отделение под воздействием центробежных усилий. Для дальнейшего уменьшения потерь в потоке при эксплуатации газовой турбины средство для соединения с помощью крюков также может быть закреплено в качестве венца (короны) на вершине пера лопатки, на котором(ой) более того могут быть предусмотрены контактные кромки. Посредством контактных кромок может достигаться особенно малый радиальный зазор между вершиной пера лопатки и противолежащей ей ограничительной стенкой газового канала.
В другом предпочтительном варианте осуществления каждый тонкостенный изогнутый элемент включает в себя крюки, которые - будучи выполненными ответно друг другу - в качестве средства для соединения с помощью крюков входят в зацепление друг с другом. Отдельный конструктивный элемент для соединения с помощью крюков в данном случае не требуется. Один из обоих крюков выступает к вершине лопатки, а соответственно другой крюк выступает к хвостовику лопатки. Для установления соединения с помощью крюков для предотвращения имеющегося со стороны вершины лопатки расхождения оба еще не соединенных, радиально смещенных относительно друг друга тонкостенных изогнутых элемента сдвигаются в радиальном направлении до тех пор, пока хвостовик лопатки и вершина лопатки обоих тонкостенных изогнутых элементов соответственно не будут расположены заподлицо напротив друг друга и оба крюка не войдут в зацепление друг с другом с геометрическим замыканием. Затем оба чашеобразных элемента прочно и жестко соединяются друг с другом. Поскольку лопатка турбины в виде рабочей лопатки снабжена елочным или Т-образным в поперечном сечении хвостовиком, который вставляется в соответствующий паз для закрепления на роторе турбины, то вставленный в паз хвостовик лопатки также предотвращает соединение с помощью крюков от самопроизвольного отсоединения, так как в случае установленной лопатки турбины невозможно радиальное перемещение обоих тонкостенных изогнутых элементов.
Далее пример осуществления изобретения поясняется более подробно посредством чертежей, на которых частично схематично и не в масштабе показано:
Фиг.1 - вид сбоку рабочей лопатки газовой турбины.
Фиг.2 - поперечное сечение вершины пера рабочей лопатки газовой турбины согласно фиг.1.
На фиг.1 изображена модульная лопатка 10 турбины для предпочтительно стационарной газовой турбины. Лопатка 10 турбины представлена в виде рабочей лопатки 12, которая для закрепления в непоказанном пазу роторного диска имеет крепежную и полочную область 14. Крепежная область выполнена в виде елочного или Т-образного хвостовика рабочей лопатки. К крепежной и полочной области 14 примыкает аэродинамически профилированное перо 16 лопатки, которое имеет расположенную со стороны всасывания по существу выпукло изогнутую стенку 18 пера лопатки и противолежащую ей, расположенную со стороны нагнетания по существу вогнуто изогнутую стенку 20 пера лопатки. Обе стенки 18, 20 пера лопатки проходят вдоль хорды 27 от расположенной со стороны набегающего потока передней кромки 22 до расположенной со стороны сходящего потока задней кромки 24, по отношению к обтекающей перо 16 лопатки при эксплуатации газовой турбины рабочей среды 26 в виде горячего газа.
Расположенная со стороны всасывания стенка 18 пера лопатки образуется первым тонкостенным изогнутым элементом 28, а расположенная со стороны нагнетания стенка 20 пера лопатки - вторым тонкостенным изогнутым элементом 30. Оба тонкостенных изогнутых элемента 28, 30 посредством процесса сварки, осуществленном при высоком давлении и при высокой температуре, прочно и жестко соединены друг с другом со стороны передней кромки и со стороны задней кромки в изображенной заштрихованной соединительной области 32. Между обеими соединительными областями 32 находится окруженное тонкостенными изогнутыми элементами внутреннее пространство 34, которое простирается внутри пера лопатки 16 от расположенного со стороны закрепления конца до вершины 36 пера лопатки.
Для эффективного предотвращения расхождения обоих тонкостенных изогнутых элементов 28, 30 в области вершины 36 пера лопатки в этой области предусмотрен зажим 40 в качестве средства 39 для соединения с помощью крюков. Для этого, фиг.2 показывает поперечное сечение согласно линии разреза II-II на фиг.1. На внутренней стороне 42, 44 стенки 18, 20 пера лопатки, которая соответственно противолежит нагруженной горячим газом внешней стороне стенки 18, 20 пера лопатки, предусмотрен соответственно проходящий вдоль хорды 27 крюк 46, 48, который соответственно включает в себя проходящий по существу параллельно стенкам 18, 20 пера лопатки выступ 50, 52. Е-образный в поперечном сечении зажим 40 имеет два противолежащих конца 54, 56, которые соответственно выполнены ответно к расположенным на тонкостенных изогнутых элементах 28, 30 крюкам 46, 48 и охватывают снизу их выступы 50, 52 с геометрическим замыканием. Выступы 50, 52 относительно монтажного положения в газовой турбине проходят в радиальном направлении, предпочтительно, вовнутрь. Вследствие этого имеется соединение с помощью крюков, в котором зажим 40 в направлении центробежной силы предохраняется от высвобождения из крюков 46, 48.
Центральная область 57 Е-образного зажима 40 заполняет область между обоими выступами 50, 52, так что на вершине 36 пера лопатки сформированы две выступающие уплотнительные кромки 53. Одновременно зажим 40 закрывает внутреннее пространство 34 у вершины 36 пера лопатки, вследствие чего предотвращается возможно ненадлежащее (дефективное) вхождение горячей рабочей среды 26.
Поскольку выступы 50, 52 соединены друг с другом с помощью противолежащих друг другу концов 54, 56 зажима в направлении, перпендикулярном радиальному направлению, то вследствие соединения с геометрическим замыканием оба тонкостенных изогнутых элемента 28, 30 не могут расходиться. Также, непосредственное прилегание друг к другу тонкостенных изогнутых элементов 28, 30 между передней кромкой 22 и задней кромкой 24 в области вершины 36 пера предотвращается посредством действующего в этом случае в качестве распорного элемента зажима 40.
Для предоставления особенно надежного средства 39 для соединения с помощью крюков, оно точечно или вдоль всего стыкового шва 58 может быть запаяно или сварено, по меньшей мере, с одним из тонкостенных изогнутых элементов 28, 30. Также, средство 39 для соединения с помощью крюков и/или крюки 46, 48 соответственно могут быть разделены вдоль хорды 27 на несколько сегментов. В таком случае составное средство 39 для соединения с помощью крюков может особенно просто монтироваться или, соответственно, выполненный за одно целое зажим 40 может затем особенно просто устанавливаться во внутреннее пространство 34. При необходимости в центральной области 57 средства 39 для соединения с помощью крюков или, соответственно, зажима 40 может быть предусмотрена ориентированная радиально наружу контактная кромка, с помощью которой может быть дополнительно улучшен уплотняющий эффект между вершиной 36 пера лопатки и противолежащей ей во время работы ограничивающей стенкой.
Вместо показанного соединения 39 с помощью крюков тонкостенные изогнутые элементы 28, 30 также могут быть непосредственно соединены с помощью крюков друг с другом. Показанное на фиг.2 решение можно изменить таким образом, что с одной стороны, удлиняются оба крюка 46, 48 до противолежащего тонкостенного изогнутого элемента 30, 28, а с другой стороны, один из крюков 46, 48 вместо радиально внутрь, т.е. к хвостовику лопатки, выступает радиально наружу, т.е. к вершине 36 пера лопатки, так что потом они могут входить друг в друга с геометрическим замыканием. Тогда, для этого случая, никакие отдельные конструктивные элементы в виде средства 39 для соединения с помощью крюков не требуются.