СТРУЙНО-ДЕФЛЕКТОРНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ РАБОЧИХ ИЛИ НАПРАВЛЯЮЩИХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ
JET-DEFLECTOR COOLING OF OPERATING OR GUIDING TURBINE BLADES

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к имеющему аэродинамическую форму турбинному узлу, такому как рабочие лопатки ротора и направляющие лопатки статора турбины, и к дефлекторным трубкам, используемым в таких компонентах для целей охлаждения.
Предпосылки изобретения
Современные турбины часто работают при экстремально высоких температурах. Действие температуры на рабочие лопатки и/или направляющие лопатки статора турбины может оказывать отрицательное воздействие на эффективную работу турбины и может в экстремальных условиях приводить к деформации и, возможно, к выходу из строя рабочей или направляющей лопатки. Для устранения этой опасности высокотемпературные турбины могут включать полые рабочие или направляющие лопатки, включающие в себя так называемые дефлекторы для целей охлаждения.
Эти так называемые дефлекторы являются полыми трубками, которые проходят радиально внутри рабочих или направляющих лопаток. Воздух принудительно подается в них и вдоль этих трубок и выходит через подходящие отверстия в пустое пространство между трубками и внутренними поверхностями полых рабочих или направляющих лопаток. Это создает внутренний воздушный поток для охлаждения рабочей или направляющей лопатки.
Обычно рабочие и направляющие лопатки выполнены литьем имеющими полые конструкции, в которые вставлены дефлекторные трубки для струйно-дефлекторного охлаждения зоны струйно-дефлекторного охлаждения полой конструкции. Проблемы возникают при использовании концепции охлаждения, при которой струйно-дефлекторное охлаждение в расположенных ниже по потоку областях зоны струйно-дефлекторного охлаждения является неэффективным из-за сильных влияний поперечных потоков.
Это известно из концепции охлаждения, при котором большая зона струйно-дефлекторного охлаждения охлаждается единственной дефлекторной трубкой или решеткой, и выходящая из дефлекторной трубки охлаждающая среда протекает от входной кромки до выходной кромки лопатки вдоль проточного канала, расположенного между стенкой лопатки и дефлекторной трубкой.
Первой задачей данного изобретения является создание имеющего выгодную аэродинамическую форму турбинного узла, такого как рабочая лопатка ротора и направляющая лопатка статора турбины. Другой задачей изобретения является создание выгодной дефлекторной трубки, используемой в таком узле для целей охлаждения.
Сущность изобретения
В соответствии с этим, данное изобретение предлагает турбинный узел, содержащий в основном полую лопатку и по меньшей мере одно дефлекторное устройство, при этом полая лопатка имеет по меньшей мере первую боковую стенку, проходящую от входной кромки к выходной кромке полой лопатки, и по меньшей мере одну полость, в которой в собранном состоянии упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства в полой лопатке упомянутое по меньшей мере одно дефлекторное устройство расположено на заданном расстоянии относительно внутренней поверхности полости для струйно-дефлекторного охлаждения этой по меньшей мере одной внутренней поверхности и с образованием проточного канала для охлаждающей среды, проходящего от входной кромки к выходной кромке, и при этом упомянутое по меньшей мере одно дефлекторное устройство содержит первую деталь и вторую деталь, расположенные бок о бок в осевом направлении, причем первая деталь расположена за первой деталью, т.е. ниже по потоку от нее, при рассматривании в осевом направлении, с осевым расстоянием друг от друга, образуя первый проточный проход, обеспечивающий прохождение с одной стороны лопатки в направлении противоположной стороны лопатки.
Предусмотрено, что турбинный узел содержит по меньшей мере первый блокировочный элемент, который расположен в проточном канале между второй деталью упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства и упомянутой по меньшей мере первой боковой стенкой полой лопатки, причем упомянутая по меньшей мере первая боковая стенка расположена на спинке полой лопатки для блокирования потока охлаждающей среды в направлении от входной кромки к выходной кромке полой лопатки, препятствуя его доступу в часть проточного канала ниже по потоку от первого блокировочного элемента, при этом направляя охлаждающую среду в первом проточном проходе от спинки к корыту полой лопатки.
За счет идеи изобретения может быть максимизирована эффективность струйно-дефлекторного охлаждения в зоне ниже по потоку от упомянутого по меньшей мере первого блокировочного элемента. Это обеспечивает значительное улучшение эффективности охлаждения лопатки при минимизации ухудшения характеристик. В частности, по сравнению с системами согласно уровню техники могут достигаться более низкие температуры охлаждения и уменьшенные охлаждающие потоки. Дополнительно, это обеспечивает большое улучшение характеристик двигателя.
За счет этой увеличенной эффективности струйно-дефлекторного охлаждения внутри зоны струйно-дефлекторного охлаждения требуется меньший охлаждающий поток по сравнению с системами согласно уровню техники.
Кроме того, может быть улучшена эффективность охлаждения зоны со столбиками в зоне выходной кромки.
Кроме того, может быть исключено использование дорогостоящих покрытий, таких как термобарьерное покрытие (ТБП), или дополнительных средств пленочного охлаждения, например, отверстий или канавок, что приводит к уменьшению стоимости и производственных затрат.
При использовании такого турбинного узла можно использовать обычные лопатки уровня техники. Тем самым исключается необходимость сложной и дорогостоящей реконструкции этих лопаток и изменений в процессе литья. Следовательно, может быть выгодно создан эффективный турбинный узел или, соответственно, эффективная турбина.
Турбинный узел означает узел, предназначенный для турбины, такой как газовая турбина, причем этот узел имеет по меньшей мере одну лопатку. Предпочтительно, турбинный узел имеет турбинный каскад и/или колесо с расположенными по окружности лопатками и/или наружной и внутренней полками, расположенными на противоположных концах лопатки (лопаток).
В этом контексте «в основном полая лопатка» означает лопатку с оболочкой, причем эта оболочка охватывает по меньшей мере одну полость. Конструкция, такая как ребро, планка или перегородка, которая отделяет друг от друга различные полости в лопатке и проходит, например, в направлении по высоте лопатки, не нарушает определение понятия «в основном полая лопатка».
Предпочтительно, лопатка является полой.
В частности, в основном полая лопатка, называемая в последующем описании просто лопаткой, имеет две зоны охлаждения, а именно зону струйно-дефлекторного охлаждения у входной кромки лопатки и обычную зону охлаждения со столбиками/штырьками-турбулизаторами у выходной кромки. Эти зоны могут быть отделены друг от друга ребром.
Предпочтительно, полая лопатка содержит единственную полость. Однако изобретение может быть также реализовано для полой лопатки, содержащей две или более полости, в каждой из которых размещено дефлекторное устройство согласно изобретению и/или которые являются частью зоны охлаждения со столбиками/штырьками-турбулизаторами.
Боковая стенка означает зону турбинного узла, которая ограничивает по меньшей мере часть полости и которая проходит в основном вдоль средней линии лопатки, причем эта средняя линия изогнута и проходит от входной кромки до выходной кромки лопатки.
В данном контексте дефлекторное устройство является по меньшей мере одной деталью или совокупностью деталей, которая выполнена независимо от лопатки и/или является иной деталью, чем лопатка, и/или не выполнена заодно с лопаткой.
Упомянутое по меньшей мере одно дефлекторное устройство вставляют в полость лопатки во время процесса сборки турбинного узла, в частности, в виде детали, отдельной от лопатки. Таким образом, упомянутое по меньшей мере одно дефлекторное устройство расположено внутри полости в полой лопатке в собранном состоянии упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства.
Собранное состояние упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства в лопатке представляет собой состояние турбинного узла, когда он предназначен для работы, и, в частности, рабочее состояние турбинного узла или турбины соответственно. Между упомянутой по меньшей мере первой боковой стенкой и упомянутым по меньшей мере одним дефлекторным устройством в собранном состоянии расположен проточный канал, который направляет охлаждающую среду по меньшей мере вдоль упомянутой по меньшей мере первой боковой стенки и упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства соответственно от входной кромки к выходной кромке.
Кроме того, фраза «используется для струйно-дефлекторного охлаждения» означает, что упомянутое по меньшей мере одно дефлекторное устройство предназначено, рассчитано, спроектировано и/или выполнено для опосредования охлаждения с помощью струйно-дефлекторного процесса. Внутренняя поверхность полости задает, в частности, ту поверхность, которая обращена к наружной поверхности упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства. Дефлекторное устройство может быть любой конструкцией, мыслимой для специалистов в данной области техники, например, пластиной, коробкой или, в частности, трубкой.
В данном контексте блокировочный элемент означает элемент, такой как штырь, стержень, гиподермическая трубка, ролик или пластина, или любое другое подходящее для специалистов в данной области техники устройство, которое в основном блокирует течение охлаждающей среды, в частности, ниже по потоку за упомянутым по меньшей мере первым блокировочным элементом.
Понятие «в основном блокирует» означает, что количество охлаждающей среды, входящей в часть проточного канала, расположенную ниже по потоку от упомянутого по меньшей мере первого блокировочного элемента, уменьшено по меньшей мере на 75%, предпочтительно уменьшено на 90%, а более предпочтительно уменьшено на 99% по сравнению с количеством охлаждающей среды, которое входило бы в эту часть проточного канала в узлах согласно уровню техники без блокировочного элемента.
Понятие «между» следует понимать как «в промежутке между» или так, что упомянутым по меньшей мере первым блокировочным элементом является элемент, расположенный промежуточным относительно упомянутой по меньшей мере первой боковой стенки и упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства.
Упомянутый по меньшей мере первый блокировочный элемент может быть изготовлен из любого мыслимого для специалистов в данной области техники материала, такого как керамика или металл и, в частности, металла с достаточной стойкостью к высоким температурам, такого как никелевый (Ni) сплав.
Кроме того, в собранном состоянии упомянутый по меньшей мере первый блокировочный элемент может удерживаться на месте с помощью любого подходящего для специалистов в данной области техники механизма, например, с геометрическим замыканием, таким как свинчивание или клепка, с силовым замыканием, таким как свинчивание или заклинивание, или адгезионным сцеплением, таким как склеивание, сварка или высокотемпературная пайка, между упомянутой по меньшей мере первой боковой стенкой и упомянутым по меньшей мере одним дефлекторным устройством.
В целом, внешняя тепловая нагрузка остается постоянно высокой вдоль спинки лопатки. Таким образом, за счет расположения блокировочного элемента между упомянутым по меньшей мере одним дефлекторным устройством и спинкой струйно-дефлекторное охлаждение внутренней поверхности спинки может происходить без помех со стороны поперечного потока охлаждающей среды, которая выбрасывается дефлекторными отверстиями выше по потоку перед блокировочным элементом и которая протекает от входной кромки к выходной кромке. При таком расположении учитывается также, что спинка несет более высокую тепловую нагрузку по сравнению с корытом и поэтому нуждается в лучшем охлаждении, чем последнее.
Кроме того, упомянутый по меньшей мере первый блокировочный элемент проходит частично по высоте упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства, тем самым уменьшая входящий поперечный поток охлаждающей среды в расположенную ниже по потоку часть проточного канала. Предпочтительно, упомянутый по меньшей мере первый блокировочный элемент проходит по существу полностью по высоте упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства, при этом можно эффективно предотвращать доступ поперечного потока охлаждающей среды. В результате обеспечивается сильное охлаждение лопатки.
Высота упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства означает протяженность упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства в направлении по высоте лопатки. Направление по высоте полой лопатки определяется как направление, проходящее в основном перпендикулярно, предпочтительно перпендикулярно, направлению от входной кромки к выходной кромке лопатки, также известное как направление по хорде или, более точно, как осевое направление по хорде полой лопатки. В последующем тексте это направление называется осевым направлением.
Упомянутое по меньшей мере одно дефлекторное устройство проходит по существу полностью по высоте полой лопатки, что приводит к эффективному охлаждению полой лопатки. Однако возможно также, что упомянутое по меньшей мере одно дефлекторное устройство или секция или часть упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства проходит лишь по части высоты полой лопатки.
В предпочтительном варианте выполнения упомянутый по меньшей мере первый блокировочный элемент выполнен заодно с упомянутым по меньшей мере одним дефлекторным устройством. За счет этого позиционирование упомянутого по меньшей мере первого блокировочного элемента может происходить вместе со сборкой упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства. Поэтому расположение упомянутого по меньшей мере первого блокировочного элемента относительно упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства является стационарным и неизменным.
В этом контексте выражение «выполнен заодно» означает, что упомянутый по меньшей мере первый блокировочный элемент и упомянутое по меньшей мере одно дефлекторное устройство или деталь упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства отлиты в виде единой детали, и/или что упомянутый по меньшей мере первый блокировочный элемент и упомянутое по меньшей мере одно дефлекторное устройство или деталь упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства могут быть разделены лишь с утратой функции по меньшей мере одной из этих частей.
В качестве альтернативы, упомянутый по меньшей мере первый блокировочный элемент может быть выполнен заодно с упомянутой по меньшей мере первой боковой стенкой или внутренней полкой и/или наружной полкой турбинного узла. Полка может быть зоной оболочки лопатки или отдельной деталью, прикрепленной к лопатке.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения турбинный узел содержит по меньшей мере дополнительный блокировочный элемент, расположенный в проточном канале между упомянутым по меньшей мере одним дефлекторным устройством и по меньшей мере дополнительной боковой стенкой полой лопатки, в частности, с упомянутой по меньшей мере дополнительной боковой стенкой, расположенной на корыте полой лопатки.
Таким образом, может быть дополнительно увеличена эффективность охлаждения в зоне струйно-дефлекторного охлаждения. Признаки, указанные в этом тексте для упомянутого по меньшей мере первого блокировочного элемента, могут также относиться к упомянутому по меньшей мере дополнительному блокировочному элементу.
Оба блокировочных элемента могут быть выполнены аналогично или различно.
Упомянутые по меньшей мере первая и по меньшей мере дополнительная боковые стенки предпочтительно расположены на противоположных сторонах лопатки, т.е. на спинке и корыте лопатки.
Поэтому обеспечивается равномерное охлаждение зоны, расположенной ниже по потоку от упомянутых по меньшей мере первого и дополнительного блокировочных элементов.
В целом, возможно любое другое расположение, мыслимое для специалистов в данной области техники.
В предпочтительном варианте выполнения упомянутый по меньшей мере дополнительный блокировочный элемент расположен между упомянутым по меньшей мере одним дефлекторным устройством, т.е. между второй деталью упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства, и корытом полой лопатки.
Поэтому обеспечивается охлаждение дополнительной зоны лопатки, подвергаемой большой тепловой нагрузке. Для этого упомянутый по меньшей мере первый блокировочный элемент предпочтительно расположен между упомянутым по меньшей мере одним дефлекторным устройством, т.е. между второй деталью упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства, и спинкой, а упомянутый по меньшей мере дополнительный блокировочный элемент расположен между упомянутым по меньшей мере одним дефлекторным устройством, т.е. между второй деталью упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства, и корытом. За счет такого расположения эффективно охлаждается струйно-дефлекторная зона лопатки.
Предпочтительно, дефлекторное устройство выполняют из по меньшей мере двух отдельных секций. Таким образом, свойства, например, охлаждающие свойства этих по меньшей мере двух отдельных секций, можно подбирать по отдельности в соответствии с расположением упомянутых по меньшей мере двух отдельных секций в лопатке и/или относительно упомянутых по меньшей мере первого и/или по меньшей мере дополнительного блокировочного элемента.
Секция дефлекторного устройства определяется как часть дефлекторного устройства, которая снабжается извне дефлекторного устройства охлаждающей средой независимо от другой секции дефлекторного устройства.
Предпочтительно, две секции выполнены заодно друг с другом.
Секции могут быть расположены относительно друг друга любым подходящим для специалистов в данной области техники образом, например, друг за другом в направлении по высоте и/или в осевом направлении, и/или в окружном направлении турбинного колеса или каскада.
Дефлекторное устройство выполнено из по меньшей мере двух отдельных деталей, т.е. из первой и по меньшей мере одной второй детали.
Использование состоящего из двух или более деталей дефлекторного устройства позволяет подбирать характеристики этих деталей, такие как материал, толщина материала или любые другие характеристики, подходящие для специалистов в данной области техники, в соответствии с охлаждающей функцией детали.
Упомянутые по меньшей мере первая и вторая детали расположены в собранном состоянии в полой лопатке с осевым расстоянием друг от друга с образованием упомянутого по меньшей мере первого проточного прохода для охлаждающей среды.
Другими словами, упомянутый по меньшей мере первый проточный проход расположен аксиально между упомянутыми первой и по меньшей мере второй деталями.
Поэтому поперечный поток охлаждающей среды, который блокирован упомянутым по меньшей мере первым и/или по меньшей мере дополнительным блокировочным элементом, может протекать вдоль упомянутого по меньшей мере первого прохода и тем самым обходить проточный канал, расположенный ниже по потоку от упомянутого по меньшей мере первого и/или по меньшей мере дополнительного блокировочного элемента.
За счет приема поперечного потока упомянутым по меньшей мере первым проточным проходом он действует в качестве уменьшающего поперечный поток канала.
Это позволяет максимизировать эффективность охлаждения зоны струйно-дефлекторного охлаждения в зонах ниже по потоку от уменьшающего поперечный поток канала.
Поперечный поток, проходящий через упомянутый по меньшей мере первый проточный проход, может объединяться с другими охлаждающими потоками дальше вниз по потоку с целью максимизации охлаждения внутри зон выходной кромки, обычно в пределах зоны охлаждения со столбиками.
Предпочтительно, упомянутый по меньшей мере первый проточный проход начинается от спинки и проходит в направлении корыта лопатки.
Упомянутый по меньшей мере первый проточный проход имеет радиальные концы, и в одном выгодном варианте выполнения по меньшей мере один радиальный конец упомянутого по меньшей мере первого проточного прохода герметично закрыт уплотнительным элементом. Таким образом, эффективно предотвращается утечка из упомянутого по меньшей мере первого проточного прохода в полость лопатки.
Уплотнительный элемент может быть образован любым элементом, мыслимым для специалистов в данной области техники, таким как заглушка или планка. Кроме того, предпочтительно герметизирующая поверхность уплотнительного элемента ориентирована в основном перпендикулярно направлению по высоте дефлекторного устройства и/или лопатки.
В смысловой объем расположения поверхности уплотнительного элемента «в основном перпендикулярно» направлению по высоте входит также отклонение этой поверхности относительно направления по высоте примерно на 45°. Предпочтительно, поверхность расположена перпендикулярно направлению по высоте.
Предпочтительно, оба радиальных конца герметично закрыты соответствующим уплотнительным элементом. Оба таких уплотнительных элемента могут быть выполнены одинаково или различно.
Кроме того, может быть выгодно, когда уплотнительный элемент выполнен заодно с дефлекторным устройством. В результате позиционирование уплотнительного элемента можно осуществлять при сборке упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства. Таким образом, расположение уплотнительного элемента относительно упомянутого по меньшей мере одного дефлекторного устройства является стационарным и неизменным.
Уплотнительный элемент может быть выполнен заодно с одной отдельной секцией или частью дефлекторного устройства. В качестве альтернативы, уплотнительный элемент может быть выполнен заодно с упомянутой по меньшей мере первой и/или по меньшей мере дополнительной боковой стенкой или внутренней полкой или наружной полкой турбинного узла. Уплотнительные элементы на различных радиальных концах могут быть выполнены заодно с одной и той же деталью, такой как дефлекторное устройство или его часть, или боковая стенка или полка, или же с различными деталями.
Как указывалось выше, полая лопатка имеет среднюю линию, также называемую средней линией профиля лопатки, проходящую от входной кромки до выходной кромки.
Для реализации упомянутого по меньшей мере первого проточного прохода с минимальной протяженностью упомянутый по меньшей мере первый проточный проход расположен в основном перпендикулярно средней линии полой лопатки. В смысловой объем расположения упомянутого по меньшей мере первого проточного прохода «в основном перпендикулярно» средней линии должно входить также отклонение этого прохода относительно средней линии примерно на 45°. Предпочтительно, проход расположен перпендикулярно средней линии.
В предпочтительном варианте выполнения первая деталь дефлекторного устройства расположена ближе к входной кромке полой лопатки или, точнее, у входной кромки. Это приводит к эффективному охлаждению данной зоны.
Кроме того, упомянутая по меньшей мере вторая деталь дефлекторного устройства может быть расположена, при рассматривании в направлении от входной кромки к выходной кромке, за первой деталью или, другими словами, расположена ближе к выходной кромке полой лопатки, чем первая деталь.
В результате может быть дополнительно улучшена эффективность струйно-дефлекторного охлаждения по всей зоне струйно-дефлекторного охлаждения.
За счет этого требуется меньший охлаждающий поток по сравнению с системами согласно уровню техники. В дополнение к преимуществам улучшения характеристик двигателя/цикла, это уменьшение охлаждающего потока внутри зоны струйно-дефлекторного охлаждения обладает эффектом увеличения эффективности охлаждения в расположенных ниже по потоку зонах струйно-дефлекторного охлаждения за счет уменьшенных влияний поперечных потоков в секции проточного канала ниже по потоку от упомянутого по меньшей мере первого и/или по меньшей мере дополнительного блокировочного элемента.
В альтернативном варианте выполнения дефлекторное устройство содержит по меньшей мере третью деталь, при этом в собранном состоянии в полой лопатке вторая деталь и третья деталь расположены на расстоянии друг от друга с образованием по меньшей мере дополнительного проточного прохода для охлаждающей среды.
Поперечный поток, который перенаправляется упомянутым по меньшей мере первым и/или по меньшей мере дополнительным блокировочными элементами, может проходить через упомянутый по меньшей мере дополнительный проточный проход к выходной кромке и тем самым в обход секции проточного канала ниже по потоку от упомянутого по меньшей мере первого и/или по меньшей мере дополнительного блокировочного элемента. Следовательно, общая эффективность охлаждения может быть дополнительно максимизирована, а также могут быть предпочтительно минимизированы аэродинамические потери, а также потери характеристик.
Признаки, указанные в этом тексте для по упомянутого меньшей мере первого проточного прохода, также применимы к упомянутому по меньшей мере дополнительному проточному проходу.
Равномерная подача к упомянутому по меньшей мере дополнительному проточному проходу может быть обеспечена, когда упомянутый по меньшей мере дополнительный проточный проход расположен в основном вдоль средней линии полой лопатки, проходящей от входной кромки до выходной кромки.
В смысловой объем расположения упомянутого по меньшей мере дополнительного проточного прохода «в основном вдоль» средней линии должно входить также отклонение этого прохода относительно средней линии примерно на 30°. Предпочтительно, проход расположен на средней линии. За счет расположения упомянутого по меньшей мере дополнительного проточного прохода на средней линии упомянутые вторая и по меньшей мере третья детали расположены по разные стороны от средней линии.
Предпочтительно, первая деталь расположена выше по потоку перед упомянутыми второй и по меньшей мере третьей деталями и, в частности, с осевым расстоянием от упомянутых второй и по меньшей мере третьей деталей, так что упомянутый по меньшей мере первый проточный проход расположен аксиально между первой деталью и упомянутыми второй и по меньшей мере третьей деталями.
Упомянутые вторая и по меньшей мере третья детали могут быть выполнены одинаково или отлично друг от друга.
Кроме того, упомянутые вторая и по меньшей мере третья детали могут быть расположены относительно друг друга любым подходящим для специалистов в данной области техники образом, например, друг за другом в направлении по высоте и/или в окружном направлении турбинного колеса или каскада.
Предпочтительно, вторая деталь расположена ближе к спинке полой лопатки, а упомянутая по меньшей мере третья деталь расположена ближе к корыту полой лопатки. В результате обе стороны лопатки защищены по всей их длине вдоль ее высоты от помех поперечного потока из расположенных выше по потоку зон.
Предпочтительно, каждая из отдельных деталей проходит по существу полностью по высоте полой лопатки, что приводит к эффективному охлаждению лопатки.
Однако возможно также, что по меньшей мере одна из упомянутых по меньшей мере двух или трех отдельных деталей может проходить лишь по части высоты полой лопатки. Возможно также, что дефлекторное устройство выполнено из более чем трех отдельных деталей.
Кроме того, упомянутые первая, вторая и по меньшей мере третья детали снабжены дефлекторными отверстиями. Следовательно, слившийся поток охлаждающей среды из этих деталей и первого и дополнительного проходов может проходить через зону неструйно-дефлекторного охлаждения со столбиками/штырьками-турбулизаторами.
В принципе, слившийся поток может выходить через выходную кромку лопатки. Для этого выходная кромка имеет выходные отверстия для обеспечения возможности выхода слившегося потока из полой лопатки. За счет этого может быть обеспечен наиболее эффективный выброс. Поэтому могут быть минимизированы аэродинамические потери/потери характеристик по сравнению с системами согласно уровню техники. В этих системах эффективное струйно-дефлекторное охлаждение внутренней поверхности в зоне, соседней с упомянутой по меньшей мере второй деталью, может быть затруднено поперечным потоком из охлаждающей среды, выходящим из первой детали в проточный канал выше по потоку перед зоной, соседней с упомянутой по меньшей мере второй деталью. Следовательно, в системах согласно уровню техники могут быть снижены характеристики охлаждения в зоне охлаждения со столбиками/штырьками-турбулизаторами.
В другом выгодном варианте выполнения полая лопатка является рабочей или направляющей лопаткой турбины, например, направляющей лопаткой соплового аппарата.
Для обеспечения хороших свойств охлаждения турбинного узла и удовлетворительного совмещения дефлекторного устройства в лопатке полая лопатка содержит по меньшей мере одну распорку на внутренней поверхности полости полой лопатки для удерживания дефлекторного устройства на заданном расстоянии до указанной поверхности полой лопатки.
Распорка предпочтительно реализована в виде выступа или запирающего штифта или ребра для простоты конструкции и прямой посадки дефлекторного устройства.
Согласно изобретению также предлагается дефлекторное устройство с основным телом для вставления внутрь полости в основном полой лопатки турбинного узла для струйно-дефлекторного охлаждения по меньшей мере одной внутренней поверхности полости, при этом основное тело имеет по меньшей мере две трубчатые секции.
Предусмотрено, что основное тело содержит по меньшей мере одно отверстие, которое расположено между упомянутыми по меньшей мере двумя трубчатыми секциями для обеспечения в собранном состоянии основного тела в полой лопатке по меньшей мере одного первого проточного канала для охлаждающей среды.
Это обеспечивает значительное улучшение эффективности охлаждения лопатки при минимизации потерь характеристик. Кроме того, дефлекторное устройство можно использовать с лопатками согласно уровню техники для повышения эффективности их охлаждения. Поэтому могут быть уменьшены затраты на разработку и изготовление, а также стоимость, особенно поскольку дефлекторные устройства в виде трубок являются дешевыми изделиями.
В данном контексте «основное тело» означает конструкцию, которая по существу определяет форму и/или вид дефлекторного устройства. Упомянутые по меньшей мере две трубчатые секции основного тела выполнены заодно друг с другом.
Предпочтительно, аксиально между упомянутыми по меньшей мере двумя трубчатыми секциями расположено отверстие, обеспечивая тем самым в собранном состоянии упомянутый по меньшей мере первый проточный проход, проходящий между спинкой и корытом лопатки.
Согласно одному альтернативному варианту выполнения основное тело имеет по меньшей мере третью трубчатую секцию и по меньшей мере дополнительное отверстие, причем это дополнительное отверстие расположено между второй секцией и упомянутой по меньшей мере третьей секцией для обеспечения в собранном состоянии основного тела в полой лопатке по меньшей мере дополнительного проточного канала для охлаждающей среды.
Таким образом, в собранном состоянии дефлекторного устройства в лопатке создается альтернативный проход для охлаждающей среды, протекающей от входной кромки к выходной кромке, к проточному каналу вдоль боковых стенок спинки и/или корыта. Следовательно, струйно-дефлекторное охлаждение спинки и/или корыта может быть улучшено без затруднений.
В другом варианте выполнения основное тело содержит по меньшей мере один уплотнительный элемент для герметичного уплотнения по меньшей мере одного радиального конца упомянутого по меньшей мере первого проточного канала и/или упомянутого по меньшей мере дополнительного проточного канала в собранном состоянии основного тела в полой лопатке.
Указанные выше характеристики, признаки и преимущества данного изобретения и пути их реализации более подробно поясняются в приведенном ниже описании примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Ниже приводится описание данного изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - турбинный узел со вставленным в лопатку дефлекторным устройством в изометрической проекции;
фиг. 2 - дефлекторное устройство с фиг. 1 в изометрической проекции;
фиг. 3 - поперечный разрез по линии III-III на фиг. 1 лопатки турбинного узла со вставленным дефлекторным устройством;
фиг. 4 - поперечный разрез лопатки альтернативного турбинного узла с альтернативно выполненным дефлекторным устройством; и
фиг. 5-7 - поперечный разрез лопатки с альтернативно выполненным блокировочным элементом.
Подробное описание иллюстрированных вариантов выполнения
В данном описании ссылки делаются лишь на направляющую лопатку с целью упрощения, однако следует понимать, что изобретение применимо как к рабочим лопаткам, так и к направляющим лопаткам турбины.
На фиг. 1 показан в изометрической проекции турбинный узел 10, в данном случае - сегмент с двумя направляющими лопатками. Турбинный узел 10 содержит в основном полую лопатку 12, которая называется в последующем тексте лопаткой 12 и которая выполнена в качестве направляющей лопатки, с двумя зонами охлаждения, в частности, зоной 58 струйно-дефлекторного охлаждения и системой 60 охлаждения выходной кромки (т.е. зоной охлаждения со столбиками/штырьками-турбулизаторами). Зона 58 расположена ближе к входной кромке 20, а зона 60 расположена ближе к выходной кромке 22 лопатки 12. На двух радиальных концах 62, 62' лопатки 12, которые расположены в радиальном направлении 64 противоположными друг другу на лопатке 12, расположены две полки, называемые в последующем тексте наружной полкой 66 и внутренней полкой 66'. Наружная полка 66 и внутренняя полка 66' ориентированы в основном перпендикулярно направлению 68 по высоте полой лопатки 12. В окружном направлении не изображенного здесь турбинного каскада может быть расположено множество лопаток 12, при этом все лопатки 12 соединены друг с другом посредством наружной и внутренней полок 66, 66'. Отдельные или множественные лопатки 12 могут быть соединены с одиночными полками 66, 66'.
Оболочка 70 полой лопатки 12 имеет две боковые стенки 16, 18, называемые первой боковой стенкой 16 и дополнительной боковой стенкой 18, каждая из которых проходит от входной кромки 20 к выходной кромке 22 и которые расположены на противоположных сторонах лопатки 12. Первая боковая стенка 16 является спинкой 36, а дополнительная боковая стенка 18 - корытом 38 лопатки 12. Первая и дополнительная боковые стенки 16, 18 окружают полость 24 в зоне 58 струйно-дефлекторного охлаждения. Внутри полости 24 расположено дефлекторное устройство 14, которое вставлено в полость 24 во время сборки турбинного узла 10. Таким образом, дефлекторное устройство 14 расположено внутри полости 24 в собранном или рабочем состоянии турбинного узла 10 и, в частности, на заданном расстоянии от внутренней поверхности 26 полости 24.
Дефлекторное устройство 14, выполненное в виде дефлекторной трубки, используется для струйно-дефлекторного охлаждения внутренней поверхности 26 полости 24, причем эта внутренняя поверхность 26 обращена к наружной поверхности 72 дефлекторного устройства 14. Кроме того, внутренняя поверхность 26 содержит несколько распорок 74 для удерживания дефлекторного устройства 14 на заданном расстоянии до этой поверхности 26. Распорки 74 выполнены в виде выступов или ребер, которые проходят перпендикулярно направлению 68 по высоте (см. фиг. 3, где распорки показаны на виде сверху). За счет расположения дефлекторного устройства 14 на расстоянии до внутренней поверхности 26 образуется проточный канал 28 для охлаждающей среды 30, например, воздуха. Охлаждающий канал 28 проходит от входной кромки 20 к выходной кромке 22.
На фиг. 2 показано дефлекторное устройство 14 с основным телом 76 для введения в полость 24. Дефлекторное устройство 14 имеет первую трубчатую секцию и вторую трубчатую секцию, при этом первая и вторая секции выполнены из отдельных деталей 42, 44, так что дефлекторное устройство 14 образовано из двух отдельных деталей 42, 44, а именно первой детали 42 и второй детали 44, которые обе выполнены в виде трубок. В качестве альтернативы, дефлекторное устройство 14 может быть цельной конструкцией с двумя трубчатыми секциями. Первая деталь 42 и вторая деталь 44 расположены бок о бок в осевом направлении 78 основного тела 76 или в собранном состоянии внутри лопатки 12 в осевом направлении 78 или, соответственно, хордовом направлении лопатки 12. Кроме того, первая и вторая детали 42, 44 расположены на осевом расстоянии друг от друга с образованием первого проточного прохода 46 для охлаждающей среды 30.
В собранном состоянии дефлекторного устройства 14 в лопатке 12 первая деталь 42 расположена ближе к или, точнее, у входной кромки 20, а вторая деталь 44 расположена за первой деталью 42 при рассматривании в осевом направлении 78, или ближе к выходной кромке 22, чем первая деталь 42. Кроме того, дефлекторное устройство 14 или, соответственно, его первая и вторая детали 42, 44 проходят в направлении 68 по высоте полностью по всей высоте 80 лопатки 12 (см. фиг. 1). Первый проточный проход 46 расположен в основном перпендикулярно средней линии 52 лопатки 12, при этом средняя линия 52 изогнута и проходит от входной кромки 20 до выходной кромки 22. Первый проточный проход 46 обеспечивает прохождение охлаждающей текучей среды от одной стороны лопатки 12 к противоположной стороне лопатки 12.
Как видно на фиг. 3, на которой изображен поперечный разрез лопатки 12 со вставленным дефлекторным устройством 14, турбинный узел 10 содержит первый блокировочный элемент 32, который расположен в проточном канале 28 между дефлекторным устройством 14 или, соответственно, его наружной поверхностью 72 и первой боковой стенкой 16 или, соответственно, спинкой 36 лопатки 12 для блокирования потока охлаждающей среды 30 в направлении от входной кромки 20 к выходной кромке 22. При рассматривании в осевом направлении 78 первый блокировочный элемент 32 размещен у той стороны второй детали 44, которая расположена направленной к входной кромке 20. Кроме того, первый блокировочный элемент 32 проходит полностью вдоль высоты 40 дефлекторного устройства 14 и тем самым полностью по всей высоте 80 лопатки 12 (см. фиг. 1).
Кроме того, первый блокировочный элемент 32 выполнен в виде полой трубки или цилиндра 82, например, из никелевого сплава, и вставлен во время сборки турбинного узла 10 с дефлекторным устройством 14. В собранном состоянии блокировочный элемент 32 удерживается на месте с помощью глухой посадки между первой боковой стенкой 16 и дефлекторным устройством 14. В качестве альтернативы, блокировочный элемент может быть отлитой деталью/литым элементом лопатки или полки.
Первый проточный проход 46 имеет радиальные концы 48, 48', которые оба герметично закрыты уплотнительным элементом 50, 50' для предотвращения радиальной утечки охлаждающей среды 30 из первого проточного прохода 46 в охлаждающий канал 28 или наружу лопатки 12 соответственно (см. фиг. 1). Уплотнительные элементы 50, 50' выполнены заодно с дефлекторным устройством 14 или, точнее, каждый уплотнительный элемент 50, 50' выполнен заодно с одной из деталей 42, 44 (см. фиг. 2). Кроме того, уплотнительные элементы 50, 50' выполнены в виде планок, герметизирующие поверхности 84, 84' которых ориентированы перпендикулярно направлению 68 по высоте. В качестве альтернативы, уплотнительные элементы могут быть выполнены из отдельных деталей по отношению к дефлекторному устройству 14.
Во время работы турбинного узла 10 охлаждающая среда 30 входит в лопатку 12 или дефлекторное устройство 14 через проемы 86 во внутренней и наружной полках 66, 66', причем эти проемы 86 расположены в совмещении с зоной 58 струйно-дефлекторного охлаждения лопатки 12. Дефлекторное устройство 14 или, соответственно, его детали 42 и 44 обеспечивают путь 88 течения для охлаждающей среды 30. Охлаждающая среда 30 выбрасывается в виде струй 90 через дефлекторные отверстия 92 дефлекторного устройства 14 (лишь частично показаны на фиг. 2) в проточный канал 28 для соударения с внутренней поверхностью 26 и тем самым охлаждения ее (см. фиг. 3). Охлаждающая среда 30, выбрасываемая из первой детали 42, течет вниз по потоку в направлении выходной кромки 22. За счет первого блокировочного элемента 32 доступ к секции 94 проточного канала 28 ниже по потоку после первого блокировочного элемента 32 закрыт. Поэтому предотвращается нарушение струй 90, которые выбрасываются из второй детали 44 в секцию 94, что обеспечивает высокую эффективность охлаждения первой боковой стенки 16 или, соответственно, спинки 36. Более того, за счет блокировочного элемента 32 охлаждающая среда 30 входит в первый проточный проход 46, расположенный в основном аксиально между деталями 42 и 44, и протекает от спинки 36 к корыту 38. Здесь она сливается с охлаждающей средой 30, выбрасываемой в направлении корыта 38, и протекает вниз по потоку в направлении зоны 60 охлаждения выходной кромки (т.е. зоны охлаждения со столбиками/штырьками-турбулизаторами) у выходной кромки 22, где она выходит из лопатки 12 через выходные отверстия 96 выходной кромки 22.
В альтернативном, не изображенном варианте выполнения первая секция или деталь и вторая секция или деталь дефлекторного устройства могут быть выполнены заодно друг с другом или могут быть отлиты в виде единого целого.
На фиг. 4-7 показаны альтернативные варианты выполнения дефлекторного устройства 14, турбинного узла 10 и блокировочных элементов 32 и 34. Конструктивные элементы, признаки и функции, которые остаются одинаковыми, обозначены в принципе одинаковыми позициями. Однако для различения между этими вариантами выполнения к различным позициям варианта выполнения на фиг. 4-7 добавлены лишь буквы с «а» по «d». Последующее описание относится по существу к отличиям от варианта выполнения на фиг. 1-3, при этом относительно тех конструктивных элементов, признаков и функций, которые остаются идентичными, можно обратиться к описанию показанного на фиг. 1-3 варианта выполнения.
На фиг. 4 показан поперечный разрез турбинного узла 10а, выполненного аналогично фиг. 1-3, с дополнительным блокировочным элементом 34а и альтернативно выполненным дефлекторным устройством 14а. Вариант выполнения на фиг. 4 отличается от варианта выполнения на фиг. 1-3 тем, что предусмотрен дополнительный блокировочный элемент 34а. Он расположен в проточном канале 28 для охлаждающей среды 30 между дефлекторным устройством 14а и дополнительной боковой стенкой 18 полой лопатки 12, при этом дополнительная боковая стенка 18 является корытом 38 лопатки 12.
Кроме того, этот вариант выполнения отличается тем, что дефлекторное устройство 14а содержит в дополнение к первой детали 42 и второй детали 44а третью деталь 54. В собранном состоянии деталей 42, 44а, 54 в лопатке 12 первая деталь 42 расположена у входной кромки 20, а вторая и третья детали 44а, 54 расположены за первой деталью 42 ближе к выходной кромке 22. Таким образом, первая деталь 42 расположена выше по потоку от второй и третьей деталей 44а, 54 и на осевом расстоянии от второй и третьей деталей 44а, 54, так что аксиально между первой деталью 42 и второй и третьей деталями 44а, 54 расположен первый проточный проход 46. Кроме того, вторая деталь 44а и третья деталь 54 расположены на расстоянии друг от друга с образованием дополнительного проточного прохода 56 для охлаждающей среды 30. Этот дополнительный проточный проход 56 расположен в основном вдоль средней линии 52 лопатки 12, при этом средняя линия 52 проходит от входной кромки 20 до выходной кромки 22. Таким образом, вторая и третья детали 44а, 54 расположены по разные стороны от средней линии 52. Кроме того, вторая деталь 44а расположена ближе к спинке 36, а третья деталь 54 расположена ближе к корыту 38 лопатки 12.
Другими словами, дополнительный проточный канал 56 обеспечивает прохождение текучей среды, начиная от первого проточного прохода 46 в качестве верхнего по потоку конца дополнительного проточного прохода 56, в направлении выходной кромки 22 лопатки 12.
Охлаждающая среда 30, выбрасываемая из первой детали 42, течет вниз по потоку в направлении выходной кромки 22 во время работы турбинного узла 10а, а доступ к секциям 94, 94а проточного канала 28 ниже по потоку после первого и дополнительного блокировочных элементов 32, 34а блокирован последними. Поэтому предотвращается нарушение струй 90, которые выбрасываются из второй детали 44а и третьей детали 54 в секции 94, 94а, что обеспечивает высокую эффективность охлаждения обеих боковых стенок 16, 18 или, соответственно, спинки 36 и корыта 38. Кроме того, за счет блокировочных элементов 32, 34а охлаждающая среда 30 входит в первый проточный проход 46 и течет от спинки 36 к корыту 38. На половине пути вдоль проточного прохода 46 охлаждающая среда 30 входит в дополнительный проточный проход 56 и по нему течет к выходной кромке 22 для выхода из лопатки 12.
На фиг. 5-7 показаны по-разному выполненные блокировочные элементы 32b-32d. Они показаны лишь для варианта выполнения, аналогичного показанному на фиг. 1-3 варианту выполнения. Однако они применимы также и в показанном на фиг. 4 варианте выполнения. Кроме того, в варианте выполнения с двумя блокировочными элементами возможна также комбинация двух конструкций, показанных на фиг. 4 и 5-7.
На фиг. 5 показан блокировочный элемент 32b, который выполнен в виде стенки 98, проходящей от боковой стенки 16 до дефлекторного устройства 14. На фиг. 6 показан блокировочный элемент 32с, который выполнен в виде сплошного цилиндра 82с. На фиг. 7 показан блокировочный элемент 32d, который выполнен в виде изгиба 100 в направлении боковой стенки 16. Кроме того, блокировочный элемент 32d выполнен заодно с дефлекторным устройством 14d. В целом, возможно также выполнение блокировочных элементов 32, 32b, 32с, 34, 34а заодно с дефлекторным устройством 14, 14а, 14b, 14с.
Хотя изобретение показано и подробно пояснено с помощью предпочтительных вариантов выполнения, изобретение не ограничивается раскрытыми примерами, и специалистами в данной области техники могут быть выведены другие варианты выполнения без выхода за рамки объема изобретения.