ПРИНЦИП ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ ЛОПАТОК ИЛИ НАПРАВЛЯЮЩИХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ
COOLING PRINCIPLE FOR BLADES OR GUIDE BLADES OF TURBINES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к профилированному узлу турбины, такому как лопатки ротора и направляющие лопатки статора турбины, и к трубам для охлаждения натеканием, используемым в таких компонентах для охлаждения.
Уровень техники
Современные турбины зачастую работают при чрезвычайно высоких температурах. Воздействие температуры на лопатки турбины и/или направляющие лопатки статора может оказывать негативное влияние на эффективность работы турбины и, в экстремальных обстоятельствах, может приводить к искривлению и возможному повреждению лопатки или направляющей лопатки. Чтобы преодолевать этот риск, высокотемпературные турбины могут включать в себя полые лопатки или направляющие лопатки, включающие так называемые трубы для охлаждения натеканием для охлаждения.
Эти так называемые трубы для охлаждения натеканием представляют собой полые трубы, которые проходят радиально в лопатках или направляющих лопатках. Воздух принудительно вводится в и вдоль этих труб и возникает через подходящие проемы в пустоте между трубами и внутренними поверхностями полых лопаток или направляющих лопаток. Это создает внутренний воздушный поток для охлаждения лопатки или направляющей лопатки.
Обычно, лопатки и направляющие лопатки изготавливаются как изделия точного литья, имеющие полые конструкции, в которых трубы для охлаждения натеканием вставляются для охлаждения натеканием зоны охлаждения натеканием полой конструкции. Проблемы возникают, когда используется принцип охлаждения, в котором температура охлаждающей среды для зоны охлаждения натеканием является слишком высокой для ее эффективного охлаждения.
Из принципа охлаждения известно то, что системы комбинированного охлаждения полки и пера размещаются последовательно. Выпускной поток компрессора подается в охлаждение полки и затем проходит в систему охлаждения пера. Весь охлаждающий поток выпускается через перо. В отсутствие пленочного охлаждения, весь поток может выпускаться через выходную кромку пера.
Техническая проблема связана с системой комбинированного охлаждения полки и пера. Один из основных недостатков такой системы представляет собой повышенные температуры охлаждающего воздуха, подаваемого в секцию пера, возникающие в результате поглощения тепла для охлаждения полки. Увеличение температуры охлаждающего воздуха может составлять порядка 50°C. Когда двигатели сильно форсируются, результирующий рост температуры охладителя через охлаждение полки может быть значимым фактором, ограничивающим способность достигать требуемых уровней охлаждения в аэродинамическом профиле. В таких ситуациях, может требоваться существенная модернизация охлаждения или изменения системы подачи для охлаждения, заключающая в себе существенное количество времени и затрат на разработку и производство. Изменение системы подачи для охлаждения на систему с независимым пером/полкой уровня техники может иметь недостаток увеличенных аэродинамических потерь/потерь производительности, поскольку больше охлаждающего воздуха выпускается в газовом тракте менее эффективным способом, т.е. около областей полки при нежелательных траекториях.
Первая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставлять преимущественный профилированный узел турбины, такой как лопатка ротора турбины и направляющая лопатка статора, с помощью которого острота вышеописанных недостатков могут смягчаться, и, в частности, предоставлять узел турбины, который легче и дешевле в реализации по сравнению с системами уровня техники. Вторая цель изобретения состоит в том, чтобы предоставлять газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один преимущественный узел турбины.
Эти цели могут разрешаться посредством узла турбины и газотурбинного двигателя согласно предмету независимых пунктов формулы изобретения.
Раскрытие изобретения
Соответственно, настоящее изобретение предоставляет узел турбины, содержащий по существу полое перо, имеющее, по меньшей мере, основную полость, по меньшей мере, с трубой для охлаждения натеканием, которая является вставляемой в основной полости полого пера и используется для охлаждения натеканием, по меньшей мере, внутренней поверхности основной полости, и, по меньшей мере, с полкой, которая размещается на радиальном конце полого пера, и, по меньшей мере, с камерой охлаждения, используемой для охлаждения, по меньшей мере, полки, и которая размещается относительно полого пера на противоположной площадке, по меньшей мере, одной полки, и при этом, по меньшей мере, одна камера охлаждения ограничена на первом радиальном конце посредством, по меньшей мере, одного сегмента стенки полки и на противоположном радиальном втором конце, по меньшей мере, покрывающей пластиной, и при этом труба для охлаждения натеканием продолжается в направлении поперечного размера, по меньшей мере, полностью через камеру охлаждения от полки до покрывающей пластины.
Предусмотрено, что труба для охлаждения натеканием ограничивает подполость основной полости, и при этом, по меньшей мере, один сегмент стенки, по меньшей мере, одной полки содержит, по меньшей мере, один входной проем для входа охлаждающей среды, по меньшей мере, через один входной проем, по меньшей мере, из одной камеры охлаждения, по меньшей мере, одной полки в подполость полого пера.
В силу предмета изобретения, как выпускной поток компрессора, так и поток для охлаждения полки подаются в перо, которое имеет значительные преимущества с точки зрения эффективности охлаждения и минимизации аэродинамических потерь вторичного потока в газовом тракте. Это предоставляет возможность комбинирования преимуществ обоих базовых систем подачи для охлаждения (комбинированных и независимых) в рамках единой конструкции, обеспечивая значительное повышение эффективности охлаждения пера при минимизации потерь производительности. В частности, по сравнению с системами уровня техники, могут достигаться более низкие температуры подачи для охлаждения и уменьшенные охлаждающие потоки, в частности, на краю полки, причем в системах с отдельным охлаждением полки вызываются потенциально высокие потери, возникающие в результате выталкивания при охлаждении около полок.
Кроме того, также может повышаться эффективность охлаждения области основания в области выходной кромки, поскольку коэффициенты теплопередачи могут быть максимизированы через высокие скорости, возникающие в результате комбинированных потоков охлаждения. Дополнительно, охлаждение пера и полки может регулироваться независимо, предоставляя хорошее управление обеими системами охлаждения. Дополнительно, могут минимизироваться аэродинамические потери/потери производительности. При использовании такого узла турбины, может использоваться традиционное точное литье уровня техники лопаток ротора и направляющих лопаток статора. Таким образом, конструкция может быть доработана для существующих систем комбинированной подачи для охлаждения при низких затратах, поскольку не требуются изменения литья. Следовательно, могут опускаться сложная и дорогостоящая реконструкция этих перьев и изменения процесса литья. Дополнительно, эта новая конструкция дешевле и проще в реализации, а также проще в изготовлении, чем уже известная труба для охлаждения натеканием с многошаговой подачей. Следовательно, может преимущественно предоставляться эффективный узел турбины или газотурбинный двигатель, соответственно.
Даже если такой термин, как перо, полость, подполость, труба для охлаждения натеканием, поверхность, полка, камера, сегмент стенки, пластина, проем, охлаждающая среда или секция используется в единственном числе или в конкретной числовой форме в формуле и в описании изобретения, объем патента (заявки) не должен ограничиваться единственным числом или конкретной числовой формой. Наличие более одной или множества вышеуказанных конструкций также должно находиться в пределах объема изобретения.
Узел турбины имеет намерение означать узел, предусмотренный для турбины, такой как газотурбинный двигатель, при этом узел обладает, по меньшей мере, пером. Предпочтительно, узел турбины имеет каскад турбины и/или колесо турбины с перьями с круговой компоновкой и/или внешней и внутренней полкой, размещаемой на противоположных концах пера(перьев). В этом контексте, «по существу полое перо» означает перо с кожухом, при этом кожух заключает в себе, по меньшей мере, одну основную полость. Такая конструкция, как ребро, рельс или сегмент, который разделяет различные полости в пере друг от друга и, например, продолжается в направлении поперечного размера пера, не затрудняет определение «по существу полого пера». Предпочтительно, перо является полым. В частности, по существу полое перо, упоминаемое как перо в нижеприведенном описании, имеет две области охлаждения, область охлаждения натеканием на входной кромке пера и область охлаждения игольчатых ребер/основания уровня техники на выходной кромке. Эти области могут быть отделены друг от друга через ребро.
В этом контексте, труба для охлаждения натеканием представляет собой фрагмент, который сконструирован независимо от пера и/или представляет собой отличный от пера фрагмент, и/или не формируется неразъемно с пером. Фраза «который является вставляемым внутрь основной полости полого пера», имеет намерение означать то, что труба для охлаждения натеканием вставляется в основную полость пера в ходе процесса сборки узла турбины, в частности, как отдельный фрагмент от пера. Охлаждение пера, в общем, подается через охлаждающую трубу для охлаждения натеканием в пере, который вставляется через один проем полки, или в случае конструкции с двумя полками с противоположным размещением, труба для охлаждения натеканием вставляется через оба из таких проемов в полках. Кроме того, фраза «используется для охлаждения натеканием» имеет намерение означать то, что труба для охлаждения натеканием предназначена, нацелена, сконструирована и/или осуществлена с возможностью добиваться охлаждения через процесс натекания. Внутренняя поверхность основной полости задает, в частности, поверхность, которая обращена к внешней поверхности трубы для охлаждения натеканием.
Полка имеет намерение означать область узла турбины, которая ограничивает, по меньшей мере, часть полости и, в частности, основную полость пера. Кроме того, полка размещается на радиальном конце полого пера, при этом радиальный конец задает конец, который размещается с радиальным расстоянием от оси вращения узла или шпинделя турбины, соответственно. Полка может представлять собой область кожуха пера или отдельного фрагмента, присоединенного к перу. Полка может представлять собой внутреннюю полку и/или внешнюю полку и предпочтительно представляет собой внешнюю полку. Кроме того, полка ориентирована по существу перпендикулярно направлению поперечного размера полого пера. В пределах компоновки полки в качестве «по существу перпендикулярной» направлению поперечного размера, также должно находиться расхождение полки относительно направления поперечного размера приблизительно в 45°. Предпочтительно, полка размещается перпендикулярно направлению поперечного размера. Направление поперечного размера полого пера задается как направление, идущее по существу перпендикулярно, предпочтительно перпендикулярно, направлению от входной кромки к выходной кромке пера, причем второе направление также известно как направление по хорде полого пера. В нижеприведенном тексте, это направление упоминается в качестве осевого направления.
Камера охлаждения имеет намерение означать полость, в которую охлаждающая среда может подаваться, накапливаться и/или заводиться в целях охлаждения боковых стенок полости и, в частности, полки. Сегмент стенки полки должен пониматься как стенка, отделяющая камеру охлаждения полки от основной полости пера, и он ограничивает основную полость в радиальном направлении или в направлении поперечного размера. Он продолжается по существу перпендикулярно, предпочтительно перпендикулярно, направлению поперечного размера пера.
В этом контексте, покрывающая пластина имеет намерение означать пластину, крышку, вершину или любое другое устройство, подходящее для специалистов в данной области техники, которое по существу закрывает камеру охлаждения. Термин «по существу закрывает» имеет намерение означать то, что покрывающая пластина не уплотняет герметично камеру охлаждения. Таким образом, покрывающая пластина может иметь отверстия, чтобы предоставлять доступ для охлаждающей среды в камеру охлаждения. Предпочтительно, покрывающая пластина представляет собой пластину для натекания. Термин «предел» должен пониматься как «граница», «окончание» или «ограничение». Другими словами, полка и покрывающая пластина ограничивают камеру охлаждения. Кроме того, покрывающая пластина размещается по существу параллельно и предпочтительно размещается параллельно сегменту стенки полки.
В этом контексте, такой термин, что труба для охлаждения натеканием «ограничивает» подполость основной полости, должен пониматься «как отделение подполости от основной полости» или «как разделение основной полости в части, размещающей трубу для охлаждения натеканием и подполость без трубы для охлаждения натеканием или какой-либо другой вставки». Таким образом, подполость по существу представляет собой свободное пространство, позволяющее охлаждающей среде протекать свободно через подполость, по существу со стороны входной кромки к выходной кромке. Входной проем имеет намерение означать проем, диафрагму, зазор или отверстие, которое предоставляет канал для входа охлаждающей среды, по меньшей мере, из одной камеры охлаждения полки в подполость полого пера.
Преимущественно, полое перо содержит одну полость. Но изобретение также может быть реализовано для полого пера, содержащего две или более полостей, каждая из которых размещает трубу для охлаждения натеканием согласно изобретению и/или представляет собой часть области охлаждения игольчатых ребер/основания. В этом контексте, труба для охлаждения натеканием, расположенная в позиции, ближайшей к выходной кромке, должна представлять собой трубу для охлаждения натеканием, ограничивающую/отделяющую подполость от основной полости, которая размещает трубу(ы) для охлаждения натеканием.
Как указано выше, полое перо содержит выходную кромку и входную кромку. В предпочтительном варианте осуществления, труба для охлаждения натеканием расположена в направлении входной кромки полого пера. Это приводит к эффективному охлаждению этой области и преимущественно к минимизированным температурам подачи охлаждения пера относительно систем уровня техники. Низкотемпературный выпускной поток компрессора подается непосредственно в область входной кромки пера, в которой требуется наибольшая эффективность охлаждения. Вследствие такой повышенной эффективности охлаждения натеканием во всей области натекания и на входной кромке, меньший охлаждающий поток требуется по сравнению с системами уровня техники. В дополнение к выгодам производительности, это уменьшение охлаждающего потока в области входной кромки имеет эффект повышения эффективности охлаждения в нижерасположенных областях натекания вследствие уменьшенных эффектов поперечного потока. Дополнительно, подполость расположена при просмотре в направлении от входной кромки к выходной кромке ниже трубы для охлаждения натеканием или, другими словами, расположена больше в направлении выходной кромки полого пера, чем труба для охлаждения натеканием. Таким образом, поток для охлаждения полки направляется с возможностью предоставлять охлаждение в более нижерасположенных областях пера.
Труба для охлаждения натеканием содержит отверстия для натекания. Следовательно, слившийся поток охлаждающей среды из трубы для охлаждения натеканием, камеры охлаждения полки и из подполости может проходить через область охлаждения игольчатых ребер/основания без натекания. Коэффициенты теплопередачи в области охлаждения игольчатых ребер/основания преимущественно максимизируются вследствие высоких расходов, получающихся в результате комбинированных потоков охлаждения. Потенциально, слившийся поток может выходить через выходную кромку пера. Следовательно, выходная кромка имеет выходные проемы, чтобы обеспечивать возможность слившемуся потоку выходить из полого пера. Вследствие этого может предоставляться самое эффективное выталкивание. Следовательно, аэродинамические потери/потери производительности могут минимизироваться относительно систем уровня техники. В этих системах уровня техники, охлаждение полки и пера выполняется независимо друг от друга без потокового соединения между полкой и пером. Для выпуска охлаждающей среды, этим системам требуются дополнительные выходные проемы около полки, которые приводят к выпуску большего количества охлаждающей среды, в частности, менее эффективным способом относительно изобретаемой конструкции. Таким образом, высокие потери могут возникать при таком выталкивании при охлаждении уровня техники около полки.
В предпочтительном усовершенствовании изобретения, предусмотрено, что, по меньшей мере, один входной проем, по меньшей мере, в одном сегменте стенки, по меньшей мере, одной полки закрывается посредством диафрагменной пластины для управления потоком охлаждающей среды в подполость. Эта дополнительная диафрагменная пластина обеспечивает гораздо большее управление системой охлаждения полки. Хотя система потока для охлаждения полки может управляться главным образом посредством отверстий в покрывающей пластине системы охлаждения полки (при условии, что утечки минимизируются), в некоторых случаях необходимое ограничение может создавать значительные препятствия для задания решетки отверстий для натекания в покрывающей пластине для охлаждения полки, в которой, в общем, требуется хорошее закрытие отверстий. Это обусловлено тем, что размер и число отверстий для охлаждения натеканием, вероятно, должно быть значительно минимизировано, что может резко уменьшать полную эффективность охлаждения полки. Дополнительная диафрагменная пластина исключает это ограничение, обеспечивая более равномерное распределение при охлаждении полки; она также может предоставлять дополнительное регулирование расхода, когда потоки утечки вокруг покрывающей пластины полки/пластины для натекания являются высокими.
«Диафрагменная пластина» имеет намерение означать пластину с одной или с решеткой отверстий, которые избирательно выбираются по распределению, размеру или форме, с тем чтобы целенаправленно оказывать влияние на поток охлаждающей среды через нее. В этом контексте, термин « покрывающий» должен пониматься как «расположенный над» или «расположенный в», или «расположенный под». Таким образом, осевая протяженность измерительной диафрагмы может иметь размер или зазор, идентичный размеру или зазору входного проема, либо она может быть аксиально шире входного проема. Второе решение дополнительно обеспечивает возможность крепления посредством позиционирования диафрагменной пластины на кромке входного проема или сегмента стенки полки.
Дополнительная реализация изобретения предоставляет то, что, по меньшей мере, один входной проем, по меньшей мере, в одном сегменте стенки, по меньшей мере, одной полки представляет собой проем для вставки, через которую труба для охлаждения натеканием продолжается, по меньшей мере, из одной камеры охлаждения, по меньшей мере, одной полки в основную полость полого пера. Другими словами, входной проем, предоставляющая канал для охлаждающей среды из камеры охлаждения полки в подполость и проем для вставки для трубы для охлаждения натеканием, представляет собой идентичный зазор в сегменте стенки полки. Альтернативно, труба для охлаждения натеканием расположена таким способом в узле турбины или полке и основной полости, что она выходит из зазора к задней части (в направлении от входной кромки к выходной кромке) проема для вставки в сегменте стенки полки. Следовательно, может опускаться дополнительная машинная обработка отдельного отверстия, сокращая производственные усилия, затраты и время. Дополнительно, система охлаждения уровня техники может быть доработана для новой конструкции.
Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения, предусмотрено, что, по меньшей мере, один входной проем, по меньшей мере, в одном сегменте стенки, по меньшей мере, одной полки представляет собой отдельный входной проем от проема для вставки, через которую труба для охлаждения натеканием продолжается, по меньшей мере, из одной камеры охлаждения, по меньшей мере, одной полки в основную полость полого пера. Это имеет преимущество большей дешевизны и простоты реализации по сравнению с системами уровня техники. Кроме того, сегмент стенки имеет большую устойчивость посредством добавления всего одной меньшей диафрагмы по сравнению с конструкцией, содержащей зазор от проема для вставки трубы для охлаждения натеканием. Дополнительно, стандартная конструкция трубы для охлаждения натеканием (т.е. полное приспособление проема для вставки в полке) может использоваться в комбинации с дополнительной диафрагмой/входным проемом в сегменте стенки полки. Это также обеспечивает надлежащее позиционирование трубы для охлаждения натеканием в проеме для вставки.
Таким образом, описанная здесь система охлаждения пера с многошаговой подачей использует несколько впускных отверстий для охлаждения в полках, либо посредством подразделения проема для вставки полки трубы для охлаждения натеканием, либо посредством использования дополнительных протоков через полку.
Кроме того, преимущественно, когда узел турбины обладает, по меньшей мере, дополнительной полкой. Признаки, описанные в этом тексте для первой упомянутой полки, также могут применяться, по меньшей мере, к дополнительной полке. Полка и, по меньшей мере, дополнительная полка размещаются на противоположных радиальных концах полого пера. Кроме того, труба для охлаждения натеканием может завершаться в полке или предпочтительно, по меньшей мере, в дополнительной полке. Вследствие этого, камера охлаждения или, по меньшей мере, дополнительная камера охлаждения, по меньшей мере, дополнительной полки могут быть реализованы в качестве разблокированного пространства, в силу чего скорость поперечного потока используемой среды охлаждения натеканием может поддерживаться низкой, и охлаждение натеканием может быть более эффективным по сравнению с заблокированной камерой охлаждения. Дополнительно, может обеспечиваться надлежащая компоновка секций внутри пера в ходе сборки.
В преимущественном варианте осуществления, труба для охлаждения натеканием завершается в покрывающей пластине уплотненным образом. Таким образом, эффективно предотвращается утечка между трубой для охлаждения натеканием и камерой охлаждения. Термин «конец» должен пониматься как «завершение» или «остановка». Предпочтительно, труба для охлаждения натеканием продолжается практически полностью через поперечный размер полого пера, что приводит к мощному охлаждению пера. Но также следует понимать, что труба для охлаждения натеканием должна идти только через часть поперечного размера полого пера.
Кроме того, по меньшей мере, дополнительная камера охлаждения, по меньшей мере, дополнительной полки используется для ее охлаждения и размещается относительно полого пера на противоположной площадке, по меньшей мере, дополнительной полки, и при этом, по меньшей мере, дополнительная камера охлаждения ограничена на первом радиальном конце посредством, по меньшей мере, дополнительного сегмента стенки, по меньшей мере, от дополнительной полки и на противоположном радиальном втором конце, по меньшей мере, от дополнительной покрывающей пластины. Предпочтительно, по меньшей мере, дополнительный сегмент стенки дополнительной полки содержит, по меньшей мере, один дополнительный входной проем для входа охлаждающей среды, по меньшей мере, через один дополнительный проем из дополнительной камеры охлаждения дополнительной полки в подполость полого пера. Таким образом, охлаждение может выполняться высокоэффективно посредством ее подачи из двух противостоящих сторон в подполость.
Предпочтительно, труба для охлаждения натеканием уплотнена относительно, по меньшей мере, дополнительной камеры охлаждения. Вследствие этого, выпускной поток компрессора, входящий в трубу для охлаждения натеканием со стороны полки, не затрудняется посредством противоположного потока охлаждающей среды, входящего из трубы для охлаждения натеканием со стороны, по меньшей мере, дополнительной полки. По меньшей мере, дополнительная полка закрывает трубу для охлаждения натеканием уплотненным образом, за счет этого избавляя от дополнительного средства уплотнения.
Альтернативно, может быть возможным то, что труба для охлаждения натеканием продолжается в направлении поперечного размера, по меньшей мере, полностью, по меньшей мере, через дополнительную камеру охлаждения, по меньшей мере, от дополнительной полки, по меньшей мере, к дополнительной покрывающей пластине, в силу этого обеспечивая достаточную подачу охлаждающей среды в трубу для охлаждения натеканием. Дополнительно, труба для охлаждения натеканием может завершаться как в покрывающей пластине, так и, по меньшей мере, в дополнительной покрывающей пластине уплотненным образом, предоставляя подачу без утечки охлаждающей среды.
Обычно, должно быть возможным то, что труба для охлаждения натеканием формируется, по меньшей мере, из двух отдельных фрагментов. Использование двух или более фрагментов трубы для охлаждения натеканием обеспечивает возможность индивидуального подбора характеристик фрагментов, таких как материал, толщина материала или любая другая характеристика, подходящая для специалистов в данной области техники, согласно функции охлаждения фрагмента. Кроме того, по меньшей мере, два отдельных фрагмента формируются из переднего фрагмента и заднего фрагмента, при этом, в частности, передний фрагмент расположен в направлении входной кромки полого пера, и задний фрагмент расположен при просмотре в направлении от входной кромки к выходной кромке ниже переднего фрагмента, либо другими словами расположен больше в направлении выходной кромки полого пера, чем передний фрагмент.Через эту преимущественную компоновку, передний фрагмент и в силу этого новый негорячий выпускной поток компрессора эффективно используется для непосредственного охлаждения входной кромки, т.е. области пера, в которой требуется наибольшая эффективность охлаждения. После заднего фрагмента, должна быть расположена подполость.
Но также следует понимать, что труба для охлаждения натеканием формируется из трех отдельных фрагментов, в частности, в качестве переднего, среднего и заднего фрагмента трубы для охлаждения натеканием, при этом передний фрагмент, который продолжается в направлении поперечного размера, по меньшей мере, полностью через камеру охлаждения из полки в покрывающую пластину, может быть расположен в направлении входной кромки полого пера, средний фрагмент может быть расположен в середине полого пера или его полости, соответственно, и/или задний фрагмент может быть расположен в направлении выходной кромки полого пера.
Например, каждый из отдельных фрагментов продолжается практически полностью через поперечный размер полого пера, что приводит к эффективному охлаждению пера. Но также следует понимать, что, по меньшей мере, один из отдельных фрагментов должен идти только через часть поперечного размера полого пера.
В альтернативном варианте осуществления, труба для охлаждения натеканием имеет, по меньшей мере, один сообщающийся проем, чтобы обеспечивать потоковое сообщение охлаждающей среды между трубой для охлаждения натеканием и подполостью. Вследствие этой конструкции, может предоставляться обход, посредством которого может не допускаться выталкивание части охлаждающей среды через отверстия для натекания трубы для охлаждения натеканием. Следовательно, охлаждающая среда с низкой температурой может входить в подполость для ее эффективного охлаждения. Может быть предусмотрено множество сообщающихся проемов.
Чтобы предоставлять узел турбины с хорошими свойствами охлаждения и удовлетворительным совмещением трубы для охлаждения натеканием в пере, полое перо содержит, по меньшей мере, прокладку на внутренней поверхности полости полого пера, чтобы удерживать трубу для охлаждения натеканием на предварительно определенном расстоянии до упомянутой поверхности полого пера. Прокладка предпочтительно осуществлена в качестве выступа или стопорящего штифта, или ребра для легкой конструкции и прямой посадки трубы для охлаждения натеканием.
В дополнительном преимущественном варианте осуществления, полое перо представляет собой лопатку или направляющую лопатку турбины, например, направляющую лопатку сопла.
В альтернативном или дополнительном варианте осуществления, одна покрывающая пластина и/или одна камера охлаждения может выполнять подачу более чем в одно перо, т.е. направляющие лопатки статора сконструированы в качестве сегментов, содержащих, к примеру, два или более перьев.
В дополнительном преимущественном варианте осуществления изобретения, предусмотрено, что, по меньшей мере, одна покрывающая пластина, по меньшей мере, одной камеры охлаждения, по меньшей мере, одной полки разделена посредством трубы для охлаждения натеканием, по меньшей мере, в двух секциях. Таким образом, свойства покрывающей пластины, такие как рисунок решетки отверстий для натекания или толщина покрывающей пластины, могут конкретно выбираться в отношении ее позиции касательно трубы для охлаждения натеканием или входного проема или дополнительного признака, такого как диафрагменная пластина.
Согласно изобретаемому варианту осуществления, узел турбины охлаждается посредством первого потока охлаждающей среды, который подается в трубу для охлаждения натеканием, и посредством второго потока охлаждающей среды, который подается сначала, по меньшей мере, в одну камеру охлаждения и после этого, по меньшей мере, через один входной проем в подполость последовательно. Преимущественно, это приводит к минимизированным температурам подачи охлаждения пера и в силу этого к более высокой эффективности охлаждения натеканием во всей области натекания по сравнению с системами уровня техники. Первый поток предпочтительно извлекается непосредственно из выпускного потока компрессора, а второй поток - из израсходованного потока для охлаждения полки. Термин «последовательно» имеет намерение означать то, что второй поток проходит через камеру охлаждения и подполость, конкретно и/или хронологически один за другим.
Таким образом, прохладный выпускаемый воздух компрессора подается непосредственно в область охлаждения пера натеканием через трубу для охлаждения натеканием. Поток для охлаждения полки подается через покрывающую пластину/пластину для натекания и затем входит в подполость пера через входной проем/диафрагму к задней части трубы для охлаждения натеканием или дополнительный входной проем. Потоки из обеих систем охлаждения комбинируются в пере в направлении выходной кромки.
Дополнительно, узел турбины используется для охлаждения по существу полого пера, при этом первый поток охлаждающей среды непосредственно подается в трубу для охлаждения натеканием, и второй поток охлаждающей среды подается, по меньшей мере, в одну камеру охлаждения и/или, по меньшей мере, дополнительную камеру охлаждения и после этого в подполость последовательно.
Изобретение дополнительно относится к газотурбинному двигателю, содержащему множество узлов турбины, при этом, по меньшей мере, один из узлов турбины размещается таким образом, как пояснено выше.
В силу предмета изобретения, как выпускной поток компрессора, так и поток для охлаждения полки подаются в перо, которое имеет значительные преимущества с точки зрения эффективности охлаждения и минимизации аэродинамических потерь вторичного потока в газовом тракте. Это предоставляет возможность комбинирования преимуществ обоих базовых систем подачи для охлаждения (комбинированных и независимых) в рамках единой конструкции, обеспечивая значительное повышение эффективности охлаждения пера при минимизации потерь производительности. В частности, по сравнению с системами уровня техники, могут достигаться более низкие температуры подачи для охлаждения и уменьшенные охлаждающие потоки, в частности, на краю полки, причем в системах с отдельным охлаждением полки вызываются потенциально высокие потери, возникающие в результате выталкивания при охлаждении около полок.
Кроме того, также может повышаться эффективность охлаждения области основания в области выходной кромки, поскольку коэффициенты теплопередачи могут быть максимизированы через высокие скорости, возникающие в результате комбинированных потоков охлаждения. Дополнительно, охлаждение пера и полки может регулироваться независимо, предоставляя хорошее управление обеими системами охлаждения. Дополнительно, могут минимизироваться аэродинамические потери/потери производительности. При использовании такого узла турбины, может использоваться традиционное точное литье уровня техники лопаток ротора и направляющих лопаток статора. Таким образом, конструкция может быть доработана для существующих систем комбинированной подачи для охлаждения при низких затратах, поскольку не требуются изменения литья. Следовательно, могут опускаться сложная и дорогостоящая реконструкция этих перьев и изменения процесса литья. Дополнительно, эта новая конструкция дешевле и проще в реализации, а также проще в изготовлении, чем уже известная труба для охлаждения натеканием с многошаговой подачей. Следовательно, может преимущественно предоставляться эффективный узел турбины или газотурбинный двигатель, соответственно.
Вышеописанные характеристики, признаки и преимущества этого изобретения и способ, которым они достигаются, являются очевидными и ясно понимаемыми в связи с нижеприведенным описанием примерных вариантов осуществления, которые поясняются в связи с чертежами.
Краткое описание чертежей
Ниже описывается настоящее изобретение со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг. 1 показывает схематичный вид в сечении газотурбинного двигателя, содержащего несколько изобретаемых узлов турбины,
Фиг. 2 показывает вид в перспективе узла турбины с трубой для охлаждения натеканием, вставленной в перо газотурбинного двигателя по фиг 1 с входным проемом в сегменте стенки полки,
Фиг. 3 показывает поперечное сечение через узел турбины вдоль линии III-III на фиг 2,
Фиг. 4 показывает поперечное сечение через перо вдоль линии IV-IV на фиг 3,
Фиг. 5 показывает поперечное сечение через перо вдоль линии V-V на фиг 3,
Фиг. 6 показывает поперечное сечение через первый альтернативный узел турбины с альтернативно осуществленным входным проемом,
Фиг. 7 показывает поперечное сечение через перо вдоль линии VII-VII на фиг 6,
Фиг. 8 показывает поперечное сечение через перо вдоль линии VIII-VIII на фиг 6, и
Фиг. 9 показывает поперечное сечение через второй альтернативный узел турбины с альтернативно осуществленной трубой для охлаждения натеканием.
Подробное описание проиллюстрированных вариантов осуществления
В настоящем описании, приводится ссылка только на направляющую лопатку, для простоты, но следует понимать, что изобретение является применимым как к лопаткам, так и к направляющим лопаткам газотурбинного двигателя. Термины «выше» и «ниже» означают направление протекания воздушного потока и/или потока рабочего газа через двигатель 64, если не указано иное. При использовании, термины «осевой», «радиальный» и «круговой» задаются со ссылкой на ось 74 вращения двигателя 64.
Фиг. 1 показывает пример газотурбинного двигателя 64 в виде в сечении. Газотурбинный двигатель 64 содержит, последовательно в направлении потока, впускное отверстие 66, секцию 68 компрессора, секцию 70 сгорания и секцию 72 турбины, которые, в общем, размещаются последовательно в направлении потока и, в общем, в направлении продольной оси или оси 74 вращения. Газотурбинный двигатель 64 дополнительно содержит вал 76, который является поворотным вокруг оси 74 вращения и который продолжается продольно через газотурбинный двигатель 64. Вал 76 соединяет с возможностью приведения в действие секцию 72 турбины с секцией 68 компрессора.
При работе газотурбинного двигателя 64 воздух 78, который вовлекается через отверстие 66 для впуска воздуха, сжимается посредством секции 68 компрессора и доставляется в секцию сгорания или секцию 70 горелки. Секция 70 горелки содержит пленум 80 горелки, одну или более камер 82 сгорания, заданных посредством двухстенного контейнера 84, и, по меньшей мере, одну горелку 86, прикрепленную к каждой камере 82 сгорания. Камеры 82 сгорания и горелки 86 расположены в пленуме 80 горелки. Сжатый воздух, проходящий через секцию 68 компрессора, входит в диффузор 88 и выпускается из диффузора 88 в пленум 80 горелки из места, в котором часть воздуха входит в горелку 86 и смешивается с газообразным или жидким топливом. Смесь «воздух-топливо» затем сжигается, и горючий газ 90 или рабочий газ из сгорания канализируется через переходный трубопровод 92 в секцию 72 турбины.
Секция 72 турбины содержит определенное число несущих лопатки дисков 94 или колес турбины, присоединенных к валу 76. В настоящем примере, секция 72 турбины содержит два диска 94, каждый из них переносит кольцевую решетку узлов 10 турбины, которая содержит по существу полое перо 12, осуществленное в качестве лопатки турбины. Тем не менее, число несущих лопатки дисков 94 может отличаться, т.е. только один диск 94 или более двух дисков 94. Помимо этого, каскады 96 турбины располагаются между лопатками турбины. Каждый каскад 96 турбины переносит кольцевую решетку узлов 10 турбины, которая содержит по существу полое перо 12 в форме направляющих лопаток, которые крепятся к статору 98 газотурбинного двигателя 64. Между выходом камеры 82 сгорания и передними лопатками турбины, предоставляются впускные направляющие лопатки или направляющие лопатки 100 сопла.
Горючий газ 90 из камеры 82 сгорания входит в секцию 62 турбины и приводит в действие лопатки турбины, которые в свою очередь вращают вал 76. Направляющие лопатки 100 служат для того, чтобы оптимизировать угол горючего или рабочего газа 90 на лопатках турбины. Секция 68 компрессора содержит осевую последовательность ступеней 102 направляющих лопаток и ступеней 104 лопаток ротора с узлами 10 турбины, содержащими перья 12 либо лопатки или направляющие лопатки 100 турбины, соответственно. В направлении 106 вдоль окружности вокруг узлов 10 турбины, турбинный двигатель 64 содержит стационарный кожух 108.
Фиг. 2 показывает в виде в перспективе узел 10 турбины газотурбинного двигателя 64. Узел 10 турбины содержит по существу полое перо 12, осуществленный в качестве направляющей лопатки 100 сопла, с двумя областями охлаждения, в частности, областью 110 охлаждения натеканием и областью 112 охлаждения игольчатых ребер/основания. Первая расположена на входной кромке 42, а вторая на выходной кромке 44 пера 12. На двух радиальных концах 22, 22' полого пера 12, которые размещаются напротив друг друга в пере 12, размещаются полка и дополнительная полка, упоминаемые в нижеприведенном тексте как внешняя полка 20 и внутренняя полка 20'. Радиальное местоположение задается с радиальным направлением, которое в свою очередь задается относительно оси вращения вала 76, размещаемого известным способом в газотурбинном двигателе 64. Внешняя и внутренняя полка 20, 20' содержат сегмент 28, 28' стенки, который ориентирован по существу перпендикулярно направлению 34 поперечного размера пера 12. Каждый сегмент 28, 28' стенки имеет проем 48 для вставки, которая предоставляет доступ к перу 12 (только проем для вставки сегмента 28 стенки виден на фиг 2). В направлении 106 вдоль окружности не показанного колеса турбины, могут размещаться несколько перьев 12, при этом все перья 12 соединены через внутреннюю и внешнюю полки 20, 20' между собой.
Как можно видеть на фиг 3, которая показывает поперечное сечение узла 10 турбины вдоль линии III-III на фиг 2, внешняя полка 20 и внутренняя полка 20', содержат, по меньшей мере, одну камеру 24, 24' охлаждения, упоминаемые в нижеприведенном тексте как первая камера 24 охлаждения и дополнительная вторая камера 24' охлаждения. Первая и вторая камеры 24, 24' охлаждения используются для охлаждения внешней и внутренней полок 20, 20' и размещаются относительно полого пера 12 на противоположных площадках внешних и внутренних полок 20, 20' или их сегментов 28, 28' стенки. Сегмент 28, 28' стенки полки 20, 20' представляет собой стенку, отделяющую камеру 24, 24' охлаждения полки 20, 20' от основной полости 14 пера 12 (см. ниже). Таким образом, сегмент 28, 28' стенки ограничивает основную полость 14 в радиальном направлении. Он продолжается по существу перпендикулярно, предпочтительно перпендикулярно, направлению 34 поперечного размера пера 12.
Обе камеры 24, 24' охлаждения ограничены на первом радиальном конце 26, 26' посредством сегмента 28, 28' стенки внешней или внутренней полки 20, 20' и на противоположном радиальном втором конце 30, 30' посредством покрывающей пластины, упоминаемой в нижеприведенном тексте как первая покрывающая пластина 32 и дополнительная вторая покрывающая пластина 32'. Первая и вторая покрывающие пластины 32, 32' осуществлены в качестве пластин для натекания и имеют отверстия 116 для натекания, чтобы предоставлять доступ для охлаждающей среды 40 в первую и вторую камеры 24, 24' охлаждения.
Кожух 114 пера 12 содержит или формирует основную полость 14, охватывающую перо 12 в направлении 34 поперечного размера, при этом полость 14 расположена в области входной кромки 42 или области 110 охлаждения натеканием, соответственно. В основной полости 14 размещается труба 16 для охлаждения натеканием, которая вставляется через проем 48 для вставки в основной полости 14 в ходе сборки узла 10 турбины для целей охлаждения. Труба 16 для охлаждения натеканием используется для охлаждения натеканием внутренней поверхности 18 основной полости 14, при этом внутренняя поверхность 18 обращена к внешней поверхности 118 трубы 16 для охлаждения натеканием. Труба 16 для охлаждения натеканием продолжается в направлении 34 поперечного размера полностью через камеру 24 охлаждения от покрывающей пластины 32 к первой полке 20, и она продолжается в направлении 18 поперечного размера вдоль всего поперечного размера 50 основной полости 14 пера 12.
Кроме того, труба 16 для охлаждения натеканием завершается в первой покрывающей пластине 32 уплотненным образом, за счет этого предотвращая утечку охлаждающей среды 40 из трубы 16 для охлаждения натеканием в первую камеру 24 охлаждения. На противоположном радиальном конце, труба 16 для охлаждения натеканием заканчивается или завершается в дополнительном сегменте 28' стенки внутренней полки 20' (не показан конкретно) или уплотняется через средство уплотнения, такое как крышка, относительно второй камеры 24' охлаждения. Таким образом, вход охлаждающей среды 40 из камеры 24' охлаждения внутренней полки 20' в трубу 16 для охлаждения натеканием предотвращается.
Вставленная труба 16 для охлаждения натеканием расположена в направлении или, более точно, на входной кромке 42 либо вставляется таким способом в основной полости 14, чтобы ограничивать подполость 36 основной полости 14. Подполость 36 расположена при просмотре в осевом направлении 120 - от входной кромки 42 к выходной кромке 44 - ниже трубы 16 для охлаждения натеканием или более в направлении выходной кромки 44, чем труба 16 для охлаждения натеканием.
Кроме того, сегменты 28, 28' стенки внешней и внутренней полки 20, 20' содержат входной проем 38, 38' для входа охлаждающей среды 40 через входной проем 38, 38' из камер 24, 24' охлаждения полок 20, 20' в подполость 36 полого пера 12. Входные проемы 38, 38' в сегментах 28, 28' стенки представляют собой секцию или зазор проема 48 для вставки, через которую вставляется труба 16 для охлаждения натеканием в ходе сборки или через которую она продолжается от камер 24 охлаждения к основной полости 14. Чтобы управлять потоком охлаждающей среды 40 в подполость 36, входные проемы 38, 38' в сегментах 28, 28' стенки закрываются посредством диафрагменной пластины 46 с диафрагмой 122, что можно видеть на фиг 4, который показывает поперечное сечение через перо 12 вдоль линии IV-IV на фиг 3. Поперечное сечение через перо 14 вдоль линии V-V на фиг 3 показано на фиг 5.
Кроме того, чтобы предоставлять возможность охлаждающей среде 40, проходящей по трубе 16 для охлаждения натеканием, выходить из трубы 16 для охлаждения натеканием, она имеет сообщающиеся проемы 52, чтобы обеспечивать потоковое сообщение охлаждающей среды 40 между трубой 16 для охлаждения натеканием и подполостью 36.
В ходе работы узла 10 турбины, труба 16 для охлаждения натеканием предоставляет проток 124 для охлаждающей среды 40, например, воздуха. Выпускной поток компрессора подается в качестве первого потока 60 охлаждающей среды 40 из секции 68 компрессора в трубу 16 для охлаждения натеканием и в качестве второго потока 62 через отверстия 116 для натекания первой и второй покрывающей пластины 32, 32' в первую и вторую камеры 24, 24' охлаждения. Второй поток 62 охлаждающей среды 40 из первой и второй камер охлаждения 24, 24' затем выпускается в подполость 36 в качестве потока для охлаждения полки. Таким образом, узел 10 турбины охлаждается посредством первого потока 60 охлаждающей среды 40, который подается в трубу 16 для охлаждения натеканием, и посредством второго потока 62 охлаждающей среды 40, который подается сначала в первую и вторую камеры 24, 24' охлаждения и после этого в подполость 36 последовательно.
Для выталкивания охлаждающей среды 40 из трубы 16 для охлаждения натеканием, чтобы охлаждать внутреннюю поверхность 18 основной полости 14, она содержит не показанные конкретно отверстия для натекания. Выталкиваемые потоки охлаждающей среды 40 из камер 24, 24' охлаждения и из трубы 16 для охлаждения натеканием сливаются в пространстве между внешней поверхностью 118 трубы 16 для охлаждения натеканием и внутренней поверхностью 18 основной полости 14, а также в подполости 36. Этот слившийся поток протекает в область 112 охлаждения игольчатых ребер/основания, расположенную на выходной кромке 44, и выходит из полого пера 12 через выходные проемы 54 на выходной кромке 44 (см. также фиг. 2).
Может быть возможным разделять покрывающую пластину 32 камеры 24 охлаждения полки 20 посредством трубы 16 для охлаждения натеканием, по меньшей мере, в двух секциях 56, 58, чтобы выбирать выбранные свойства с тем, чтобы оказывать влияние на рисунки движения потока для потока охлаждающей среды 40.
На фиг 6-9, показаны альтернативные варианты осуществления узла 10 турбины и трубы 16 для охлаждения натеканием. Компоненты, признаки и функции, которые остаются идентичными, в принципе практически обозначаются посредством идентичных ссылок с номерами. Тем не менее, чтобы различать между вариантами осуществления, буквы «a» и «b» добавлены в различные ссылки с номерами варианта осуществления на фиг 6-9. Нижеприведенное описание фактически ограничено отличиями от варианта осуществления на фиг 1-5, при этом на предмет компонентов, признаков и функций, которые остаются идентичными, следует обратиться к описанию варианта осуществления на фиг 1-5.
На фиг 6, показано поперечное сечение через альтернативно осуществленный узел 10a турбины. Вариант осуществления из фиг. 6 отличается в отношении варианта осуществления согласно фиг. 1-5 тем, что фиг. 6 показывает узел 10a турбины с отдельно осуществленными входными проемами 38a, 38a'. Входные проемы 38a, 38a' в сегментах 28, 28' стенки внутренней и внешней полок 20, 20' представляют собой отдельные входные проемы 38a, 38a' от проема 48 для вставки, через которую вставляется труба 16 для охлаждения натеканием или через которую труба 16 для охлаждения натеканием продолжается в собранном состоянии из камеры 24 охлаждения полки 20 в основную полость 14 полого пера 12. На фиг 7 показана компоновка отдельной входного проема 30, которая показывает поперечное сечение через перо вдоль линии vii-vii на фиг 6. Поперечное сечение через перо 14 вдоль линии VIII-VIII на фиг 6 показано на фиг 8.
На фиг 9, показано поперечное сечение через узел 10b турбины, аналогично сформированный так, как показано на фиг 1-5, с альтернативно осуществленной трубой 16b для охлаждения натеканием. Вариант осуществления из фиг. 9 отличается в отношении варианта осуществления согласно фиг. 1-5 тем, что труба 16b для охлаждения натеканием продолжается в направлении 34 поперечного размера полностью через первую камеру 24 охлаждения из первой или внешней полки 20 в первую покрывающую пластину 32 и полностью через вторую камеру 24' охлаждения из второй или внутренней полки 20' во вторую покрывающую пластину 32'. Кроме того, труба 16b для охлаждения натеканием завершается на радиальном или продольном концах в первой и второй покрывающей пластине 32, 32' уплотненным образом.
Также возможно то, что труба для охлаждения натеканием продолжается в направлении поперечного размера полностью через вторую камеру охлаждения из второй полки во вторую покрывающую пластину. Таким образом, труба для охлаждения натеканием завершается на втором радиальном или продольном конце во второй покрывающей пластине уплотненным образом. Труба для охлаждения натеканием продолжается через внутреннюю полку и завершается на первом радиальном или продольном конце во внешней полке. Первый радиальный или продольный конец трубы для охлаждения натеканием уплотнен в сегменте стенки внешней полки или через средство уплотнения относительно первой камеры охлаждения (не показана).
В общем, также можно предоставлять только один из сегментов стенки внутренней или внешней полки с входным проемом, чтобы обеспечивать потоковое сообщение охлаждающей среды из камер охлаждения в подполость. Следовательно, охлаждающая среда, входящая в одну из камер охлаждения одной из полок, не подается в подполость. Чтобы предоставлять выпускное отверстие для выхода охлаждающей среды из соответствующей камеры охлаждения, она может содержать выходной проем, чтобы подавать охлаждающую среду непосредственно в газовый тракт на краю соответствующей полки (не показана).
Дополнительно, также должно быть целесообразным предоставлять первый поток охлаждающей среды в трубу для охлаждения натеканием из первой полки и подавать второй поток охлаждающей среды через камеру охлаждения в подполость из другой полки (не показана). Чтобы предоставлять выпускное отверстие для выхода охлаждающей среды из камеры охлаждения без потокового сообщения (входного проема) с подполостью, она может содержать выходной проем, чтобы подавать охлаждающую среду непосредственно в газовый тракт на краю соответствующей полки (не показана).
Хотя изобретение проиллюстрировано и подробно описано посредством предпочтительных вариантов осуществления, изобретения не ограничено посредством раскрытых примеров, и другие варьирования могут извлекаться из них специалистами в данной области техники без отступления от объема изобретения.