ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
COOLED BLADE OF GAS TURBINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к охлаждению лопаток газовых турбин турбомашин. Более конкретно, изобретение направлено на усовершенствование системы охлаждения лопатки, снабженной полостью охлаждения вытянутой формы.
Уровень техники
Известны, например из US 6379118, F01D 5/18, 30.04.2002, турбомашины, турбины высокого и низкого давления которых содержат рабочие (подвижные) лопатки, снабженные внутренними контурами охлаждения. Подобные контура позволяют избежать повреждения рабочих лопаток при крайне высоких температурах, воздействию которых эти лопатки подвергаются в процессе работы турбомашины.
Например, в случае турбин высокого давления температура газов, поступающих из камеры сгорания, значительно превышает уровень, который рабочие лопатки турбины могут выдерживать без повреждения, и это приводит к сокращению срока их службы.
Внутренние контуры охлаждения позволяют воздуху, обычно вводимому в лопатку через ее хвостовик, течь внутри лопатки по траектории, определенной предусмотренными в лопатке полостями, и выходить из нее через отверстия, предусмотренные на поверхности лопатки.
Однако такие контуры охлаждения не приспособлены для так называемых «тонких и длинных» лопаток, т.е. лопаток, у которых толщина (максимальное расстояние между корытом и спинкой, т.е. между внутренней (вогнутой) и внешней (выпуклой) поверхностями) значительно меньше их радиальной высоты (расстояния от хвостовика до торца лопатки).
Одно из ограничений, связанных с такими лопатками, заключается в малом потоке воздуха, используемого для их охлаждения. Это приводит к необходимости создания «тонкой» (т.е. имеющей высокое значение отношения длины к ширине) полости охлаждения для увеличения скорости внутреннего течения воздуха, что приводит к увеличению коэффициента теплообмена. Такая модификация оказывается недостаточной для обеспечения охлаждения лопатки; необходимо также обеспечить возмущение внутреннего воздушного потока, например, при помощи дефлекторов в виде выступов или скоб. Такое решение использовано, в частности, в каналах охлаждения лопатки газовой турбины турбомашины (газотурбинного двигателя), представленных на фиг.2 и 3 патента США №6644921, F01D 5/18, 11.11.2003. Данная турбомашина может рассматриваться в качестве ближайшего аналога турбомашины согласно изобретению.
Однако использование дефлекторов классического типа невозможно вследствие тонкости полостей охлаждения, предусмотренных в лопатках рассматриваемого типа. В частности, наличие в полости охлаждения выступов слишком сильно затрудняет течение воздуха, циркулирующего в ней, и приводит к снижению механической прочности, вызывающему возникновение трещин. В свою очередь, изготовление дефлекторов в виде скоб вызывает затруднения при отливке лопаток.
Из RU 2062886, F01D 5/18, 1996 известна также лопатка газовой турбины турбомашины, имеющая контур охлаждения, содержащий, по меньшей мере, одну полость охлаждения вытянутой формы, расположенную в радиальном направлении между хвостовиком лопатки и ее торцом, и, по меньшей мере, одно впускное отверстие, расположенное в нижнем радиальном конце полости и предназначенное для подачи в нее охлаждающего воздуха. На боковых стенках полости охлаждения, по всей ее высоте, выполнены турбулизаторы в виде сферических углублений с тангенциальными канавками, расположенными вдоль направления охлаждающего потока, со стороны натекания потока охлаждающего воздуха. Лопатку, снабженную подобными турбулизаторами, можно рассматривать в качестве ближайшего аналога лопатки согласно изобретению. Замена традиционных дефлекторов в виде выступов и скоб сферическими углублениями устраняет недостатки, присущие традиционным конструкциям применительно к лопаткам «тонкого и длинного» типа. Однако необходимость формирования подобных углублений, снабженных тангенциальными канавками, имеющими специальную ориентацию, и распределенных по всей длине обеих боковых стенок полости лопатки, существенно усложняет изготовление известной лопатки.
Раскрытие изобретения
Таким образом, основная задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении указанного недостатка и в предложении контура охлаждения для лопатки газовой турбины (в частности, лопатки «тонкого и длинного» типа), обеспечивающего эффективное охлаждение лопатки при упрощении ее изготовления.
Для решения поставленной задачи предлагается лопатка газовой турбины турбомашины, имеющая контур охлаждения, содержащий, по меньшей мере, одну полость охлаждения вытянутой формы, расположенную в радиальном направлении между хвостовиком лопатки и ее торцом, и, по меньшей мере, одно впускное отверстие, расположенное в нижнем радиальном конце полости и предназначенное для подачи в нее охлаждающего воздуха. Согласно изобретению, по меньшей мере, одна из стенок полости охлаждения в своей нижней части (примыкающей к хвостовику) снабжена углублениями, обеспечивающими возмущение потока охлаждающего воздуха в указанной полости и увеличение теплообмена. В предпочтительном варианте лопатки данные углубления расположены до радиальной высоты, составляющей приблизительно 30% полной радиальной высоты пера лопатки от ее хвостовика до торца.
Форма полости охлаждения считается вытянутой, если в поперечном сечении лопатки одно из измерений (длина) полости, по меньшей мере, в три раза превышает другое (ширину).
Настоящее изобретение относится к лопатке, отношение ширины к радиальной высоте которой предпочтительно составляет от 0,01 до 0,25.
Отношение глубины углублений к ширине полости охлаждения лопатки может составлять от 0,15 до 0,65.
В частном случае контур охлаждения может не осуществлять выпуск воздуха на поверхности лопатки. В этом случае выпуск воздуха, текущего внутри полости охлаждения, осуществляется вблизи торца лопатки.
В отличие от известных дефлекторов в форме выступов или скоб, или иных элементов для возмущения воздушного потока, изготовленных из дополнительного материала, углубления представляют собой элементы, изготовленные изъятием материала. Такие углубления позволяют обеспечить возмущение воздушного потока, не затрудняя его течения. Контур охлаждения лопатки по изобретению позволяет также добиться эффективного охлаждения лопатки с минимальными потерями напора и с малыми концентрациями напряжений, что способствует ее механической прочности.
При этом было обнаружено, что наличия углублений только на одной из стенок полости охлаждения, причем только в одной (нижней) ее части, во многих случаях достаточно для создания необходимых возмущений воздушного потока, текущего вдоль этой полости.
Углубления в полости охлаждения могут иметь максимально простую, сферическую или коническую форму, без каких-либо дополнительных элементов типа тангенциальных канавок, значительно усложняющих профиль углублений и лопатки в целом.
Таким образом, изготовление лопатки согласно изобретению по сравнению с другими известными лопатками (включая ближайший аналог) значительно облегчается, т.к. ее контур охлаждения легко может быть изготовлен методом литья, причем отсутствие углублений в верхней части полости лопатки и отсутствие канавок или иных вспомогательных элементов углублений существенно упрощает изготовление литейных форм и сам процесс литья.
Для того чтобы обеспечить равномерное охлаждение, в альтернативном варианте углубления могут быть предусмотрены в стенках полости охлаждения, расположенные с внутренней и внешней сторон пера лопатки, т.е. со стороны корыта и спинки. Они могут располагаться одно над другим вдоль линий, параллельных радиальной оси лопатки, или же быть расположены в шахматном порядке относительно этой оси.
Изобретение охватывает также турбомашину, содержащую камеру сгорания и, по меньшей мере, газовую турбину высокого или низкого давления, рабочие лопатки которой, закрепленные на роторе турбины, представляют собой лопатки, подобные описанной выше лопатке согласно изобретению.
Краткое описание чертежей
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлен один из возможных вариантов осуществления изобретения, не налагающий каких-либо ограничений. На чертежах:
- фиг.1 изображает турбинную лопатку по изобретению в продольном разрезе;
- фиг.2 изображает лопатку по фиг.1 в поперечном разрезе;
- фиг.3 и 4 изображают различные варианты расположения углублений контура охлаждения по изобретению;
- фиг.5 и 6 иллюстрируют различные формы углублений контура охлаждения по изобретению, представленных в разрезе.
Осуществление изобретения
Лопатка 10 с радиальной осью XX', изображенная на фиг.1 и 2, представляет собой рабочую (подвижную) лопатку турбины высокого давления турбомашины. Разумеется, настоящее изобретение также может быть применено к другим лопаткам турбомашины, например к лопаткам ее турбины низкого давления.
Лопатка 10 содержит аэродинамическую поверхность (перо), расположенную в радиальном направлении от хвостовика 12 лопатки до торца 14 лопатки. Хвостовик 12 лопатки предназначен для ее крепления на диске 16 ротора турбины высокого давления. Как показано на фиг.1, торец 14 лопатки может содержать уплотнительные прокладки 17, расположенные напротив истираемого покрытия 19, имеющегося на корпусе (не представлен) турбины высокого давления.
Перо имеет четыре раздельные зоны: переднюю кромку 18, расположенную со стороны течения горячих газов, поступающих из камеры сгорания турбомашины, заднюю кромку 20, расположенную со стороны, противоположной передней кромке, корыто 22 и спинку 24. Корыто 22 и спинка 24 соединяют переднюю кромку 18 с задней кромкой 20 пера.
Лопатка 10 снабжена контуром охлаждения, содержащим, по меньшей мере, одну полость 26 охлаждения вытянутой формы, которая расположена в радиальном направлении между хвостовиком 12 лопатки и ее торцом 14, и, по меньшей мере, одно впускное отверстие 28 для воздуха, расположенное в нижнем радиальном конце полости 26 (т.е. вблизи хвостовика 12) для подачи в полость охлаждающего воздуха.
Под полостью вытянутой формы подразумевается полость, у которой в поперечном сечении лопатки один из размеров (длина L1), по меньшей мере, в три раза, а предпочтительно в пять раз превышает другой (ширину I1). Эта характеристика полости 26 проиллюстрирована, в частности, на фиг.2.
Как показано на фиг.2, полость 26 охлаждения ограничена внутренней стенкой 26а, расположенной со стороны корыта 22 пера лопатки, и внешней стенкой 26b, расположенной со стороны спинки 24 пера лопатки. Эти стенки 26а, 26b соединяются на обоих радиальных концах полости 26, а разделяющее их расстояние составляет ширину I1 полости.
Контур охлаждения лопатки 10 по фиг.1 и 2 содержит одну полость 26, расположенную по направлению оси полости между передней кромкой 18 и задней кромкой 20 лопатки 10. Однако может быть предусмотрен вариант, по которому лопатка содержит несколько полостей охлаждения вытянутой формы.
В соответствии с изобретением, по меньшей мере, одна из стенок 26а, 26b полости 26 охлаждения лопатки 10 снабжена в своей нижней части углублениями 30, предназначенными для возмущения воздушного потока в указанной полости и увеличения тем самым теплообмена. Углубления (или выемки) 30 представляют собой элементы, вносящие возмущения в поток воздуха и образованные за счет изъятия материала. Таким образом, их изготовление не требует добавления какого-либо материала.
В примере, представленном на фиг.2, углублениями 30 снабжены обе стенки 26а, 26b полости 26. Однако может быть предусмотрен вариант, по которому углублениями может быть снабжена только одна из этих стенок.
Одно из достоинств изобретения заключается в том, что стенки 26а, 26b полости 26 охлаждения не содержат возмущающих элементов (дефлекторов), изготовленных с добавлением материала. Например, стенки 26а, 26b полости 26 не содержат дефлекторов в виде выступов или скоб. Наличие одних лишь углублений 30 оказывается достаточным для обеспечения эффективного охлаждения лопатки 10.
Другое полезное свойство изобретения заключается в том, что контур охлаждения лопатки не производит выпуска воздуха на поверхности пера лопатки (т.е. на корыто 22 и спинку 24, а также на переднюю кромку 18 и заднюю кромку 20).
В данной конфигурации охлаждающий воздух, прошедший через полость 26 контура охлаждения, полностью выводится через торец 14 лопатки, например, вблизи расположения уплотнительных прокладок 17. Кроме того, если контур охлаждения содержит несколько полостей вытянутой формы, они предпочтительно независимы друг от друга: воздух в каждую из них вводится индивидуально через хвостовик 12 лопатки, проходит внутри данной полости и полностью выводится через торец 14 лопатки.
Настоящее изобретение предпочтительно относится к лопатке 10 так называемого «тонкого и длинного» типа, показанной на фиг.1. Другими словами, отношение ширины I2 такой лопатки (максимального расстояния между корытом 22 и спинкой 24 пера лопатки по фиг.2, называемого также максимальным сечением) к ее радиальной высоте h (фиг.1) от хвостовика 12 до торца 14 лопатки составляет от 0,01 до 0,25.
В соответствии с еще одним полезным отличием изобретения отношение глубины Р углублений 30 лопатки 10 (фиг.5 и 6) и ширины I1. полости 26 охлаждения (фиг.2) составляет от 0,15 до 0,65.
Углубления 30 в полости 26 охлаждения лопатки 10 могут быть расположены в шахматном порядке относительно радиальной оси XX' лопатки (фиг.1 и 3). В альтернативном варианте углубления 30 полости 26 охлаждения могут быть, по существу, выровнены относительно линий, параллельных радиальной оси XX' лопатки (фиг.4).
Как показано на фиг.1, для упрощения конструкции лопатки и процесса ее изготовления углубления 30 полости 26 охлаждения предусмотрены только в нижней 35 (в радиальном направлении) части пера лопатки 10, например, до радиальной высоты, составляющей приблизительно 30% полной радиальной высоты h пера лопатки от ее хвостовика 12 до торца 14.
Сечение углублений 30 полости 26 охлаждения может быть, по существу, сферическим (фиг.5) или, по существу, коническим (фиг.6). Может быть предусмотрена и любая другая форма их сечения: прямоугольная, цилиндрическая, каплевидная и т.д.
Размер, глубина Р и расстояние между соседними углублениями 30 также могут изменяться в зависимости от требуемого уровня возмущения воздушного потока.