IMPINGEMENT COOLING OF GAS TURBINE ROTOR AND STATOR BLADES
ИНЖЕКЦИОННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ РОТОРНЫХ ЛОПАТОК И СТАТОРНЫХ ЛОПАТОК ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к компонентам газовой турбины с аэродинамическим профилем, таким как роторные лопатки и статорные лопатки газовой турбины, и к инжекционным трубкам, используемым в таких компонентах для целей охлаждения. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу сборки инжекционных трубок в таких компонентах.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Современные газовые турбины часто работают при чрезвычайно высоких температурах. Влияние температуры на роторные и/или статорные лопатки турбины может быть негативным с точки зрения эффективной работы турбины и может в чрезвычайных обстоятельствах приводить к деформации и возможному повреждению роторной лопатки или статорной лопатки. Для преодоления этого риска высокотемпературные турбины могут включать в себя полые роторные или статорные лопатки, включающие в себя так называемые инжекционные трубки для охлаждения.
Эти так называемые инжекционные трубки являются полыми трубками, которые проходят радиально внутри роторных лопаток или статорных лопаток. Воздух подается внутрь и вдоль этих трубок и выходит через соответствующие отверстия в пространстве между трубками и внутренними поверхностями полых роторных лопаток или статорных лопаток. Это создает внутренний воздушный поток для охлаждения роторных или статорных лопаток.
Обычно роторные и статорные лопатки изготавливаются посредством литья, имеющего полые структуры. Инжекционные трубки могут быть вставлены в полую структуру с одного или с другого конца, и их обычно приваривают к полой структуре для фиксирования их на месте. Внутри роторных лопаток также часто отливают хордальные ребра в основном для направления охладителя и для обеспечения большей охлаждающей площади поверхности. Эти ребра или специально отлитые ребра могут служить в качестве разделителей для инжекционных трубок для того, чтобы создавать необходимое внутреннее пространство для охлаждающего воздуха.
Проблемы возникают со вставлением инжекционных трубок в роторные или статорные лопатки. Секции с аэродинамическим профилем роторных или статорных лопаток могут быть чрезвычайно сложными. Полые элементы с аэродинамическим профилем (hollow aerofoils) могут иметь разнонаправленную кривизну (комплексные формы, имеющие 3-мерную кривизну) для улучшения аэродинамической эффективности элементов с аэродинамическим профилем и, следовательно, повышения эффективности газовой турбины. Величина кривизны и закрутки, допускаемая на элементе с аэродинамическим профилем, ограничивается необходимостью того, чтобы инжекционная трубка проскальзывала с одного конца элемента с аэродинамическим профилем.
Известно несколько способов, позволяющих вставление инжекционной трубки внутрь такой полой роторной или статорной лопатки турбины. В патентном документе US 7056083 B2 раскрывается роторная лопатка или статорная лопатка турбины с инжекционной трубкой для целей охлаждения, расположенной по существу в радиальном направлении внутри полой роторной лопатки или статорной лопатки с аэродинамическим профилем. Инжекционная трубка содержит две части, простирающиеся в полом элементе с аэродинамическим профилем от противоположных радиальных его концов и расположенные напротив специально образованных ребер, которые простираются по существу хордообразно вокруг передней кромки элемента с аэродинамическим профилем. Инжекционная трубка собирается с обоих концов в полом элементе с аэродинамическим профилем, и расположена напротив образованного ребра приблизительно на половине пути между отверстиями полости.
В патентном документе US 4798515 A раскрывается охлаждающее устройство для статорных лопаток турбомашины. Внутри полого элемента статорной лопатки расположены две вставки инжекционного охлаждения. Они припаяны или запрессованы через расширяющиеся упругие части вставок во входные отверстия цапф статорных лопаток. Две вставки инжекционного охлаждения вставлены в полый элемент с противоположных сторон статорной лопатки. Для соединения двух вставок инжекционного охлаждения друг с другом предусмотрен позиционный штифт у вставки инжекционного охлаждения, которая взаимодействует с отверстием под установочный штифт, расположенным у вставки инжекционного охлаждения.
В патентном документе US 6742984 B1 показана газовая турбина, имеющая вставки для инжекционного охлаждения стенок направляющие лопатки соплового аппарата. Каждая вставка имеет две части, которые вставляются последовательно внутрь полого элемента статорной лопатки так, чтобы они располагались в полом элементе на одинаковой высоте от передней и задней кромки. Вставки закрепляют на месте в полом элементе посредством операции сварки или пайки. Ножная секция каждой части вставки простирается в радиальном направлении статорной лопатки. Опорные стержни, которые простираются перпендикулярно радиальному направлению, расположены между ножными секциями для отделения их друг от друга. Более того, эти опорные стержни предусмотрены для сохранения зазоров у наружных стенок ножных секций, входящих в контакт с поверхностями внутренних стенок направляющих лопаток соплового аппарата.
В патентном документе EP 1626162 A1 описана статорная лопатка в сборе, используемая в газовой турбине. Первая и вторая перегородки вставляются в полость статорной лопатки с противоположных концов статорной лопатки так, чтобы они располагались в направлении размаха радиально одна над другой. Более того, перегородки прикреплены друг к другу радиально и внутри полости посредством крепежного элемента, который прилагает растягивающее усилие в направлении размаха.
Первой целью настоящего изобретения является создание способа сборки инжекционной трубки в полом элементе с аэродинамическим профилем компонента газовой турбины с аэродинамическим профилем, такого как роторная лопатка турбины или статорная лопатка турбины, который мог бы уменьшить вышеупомянутые недостатки и, в особенности, способствовал бы большей аэродинамической эффективности элемента с аэродинамическим профилем и компонента газовой турбины.
Второй целью изобретения является создание преимущественного компонента газовой турбины с аэродинамическим профилем, такого как роторная лопатка или статорная лопатка газовой турбины. Третьей целью изобретения является создание преимущественной инжекционной трубки, используемой в таком компоненте для целей охлаждения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, в настоящем изобретении предлагается компонент турбины, содержащий полый элемент с аэродинамическим профилем и инжекционную трубку, расположенную внутри полого элемента с аэродинамическим профилем. Инжекционная трубка образована по меньшей мере из двух отдельных секций, каждая из которых простирается в направлении размаха через полый элемент с аэродинамическим профилем. Смежные секции упомянутой инжекционной трубки соединены физически (напрямую, а также не напрямую посредством разделителей, адаптера или промежуточной части), а также функционально вместе посредством фиксирующего средства, причем упомянутое фиксирующее средство фиксирует упомянутую инжекционную трубку на месте в полом элементе (5) с аэродинамическим профилем. Упомянутое фиксирующее средство представляет собой роликовый штифт, расположенный в осевом направлении между упомянутыми секциями, и имеет основную протяженность в радиальном направлении полого элемента с аэродинамическим профилем.
В изобретении дополнительно предлагается инжекционная трубка для расположения внутри полого элемента с аэродинамическим профилем компонента турбины. Инжекционная трубка содержит по меньшей мере две отдельные секции, каждая из которых простирается в направлении размаха через полый элемент с аэродинамическим профилем. Смежные секции упомянутой инжекционной трубки соединены вместе посредством фиксирующего средства, причем упомянутое фиксирующее средство выполнено с возможностью вставления в полый элемент с аэродинамическим профилем и предусмотрено для фиксирования упомянутой инжекционной трубки на месте в полом элементе с аэродинамическим профилем. Упомянутое фиксирующее средство имеет основную протяженность в радиальном направлении полого элемента с аэродинамическим профилем.
В настоящем изобретении предлагается также способ сборки инжекционной трубки в полом элементе с аэродинамическим профилем компонента турбины. Инжекционная трубка образована по меньшей мере из двух отдельных секций, каждая из которых простирается в направлении размаха через полый элемент с аэродинамическим профилем. Упомянутый способ содержит этапы:
- вставления первой из упомянутых по меньшей мере двух секций инжекционной трубки в полый элемент с аэродинамическим профилем и маневрирования упомянутой первой секцией в направлении области задней кромки полого элемента с аэродинамическим профилем в положение в задней части полости полого элемента с аэродинамическим профилем,
- вставления второй из упомянутых по меньшей мере двух секций инжекционной трубки в полый элемент с аэродинамическим профилем рядом с упомянутой первой секцией и, если необходимо, но не обязательно, маневрирования упомянутой второй секцией в положение в полом элементе с аэродинамической поверхностью,
- соединения упомянутой первой и второй секций вместе посредством фиксирующего средства, которое представляет собой роликовый штифт, расположенный в осевом направлении между упомянутыми секциями и имеющий основную протяженность в радиальном направлении полого элемента с аэродинамическим профилем и, таким образом, фиксирующего упомянутую инжекционную трубку на месте в полом элементе с аэродинамическим профилем.
Изобретение основано на понимании того, что ограничения в кривизне и изгибе полого компонент с аэродинамическим профилем можно избежать посредством использования инжекционной трубки с двумя или более частями, в которой каждая часть/секция может быть собрана отдельно в полом компоненте с аэродинамическим профилем. Фиксирующее средство, помещаемое между смежными секциями, будет фиксировать инжекционную трубку на месте в полом элементе с аэродинамическим профилем.
В соответствии с патентоспособным решением использование инжекционной трубки из двух или более частей, в особенности возможности отдельной сборки секции, допускает больше более сложной кривизны и скручивания секции с аэродинамическим профилем, что увеличивает аэродинамическую эффективность элемента с аэродинамическим профилем и, следовательно, эффективности турбины посредством исключения установочного несоответствия.
Таким образом, инжекционная трубка может быть разделена на две или более секций. Каждая секция затем может быть отдельно вставлена посредством скольжения в полый элемент с аэродинамическим профилем, то есть в полость полого элемента с аэродинамическим профилем, и затем перемещена в свое правильное хордальное местоположение. Инжекционная трубка из двух или более частей затем фиксируется и удерживается на месте посредством фиксирующего средства, такого как роликовый штифт между смежными секциями.
В зависимости от размера полого элемента с аэродинамическим профилем, то есть от размера полости полого элемента с аэродинамическим профилем, может быть использовано одно, два или более таких фиксирующих средств в соответствии с изобретением. Только одного фиксирующего средства может быть достаточно для маленького полого элемента с аэродинамическим профилем; больший полый элемент с аэродинамическим профилем может потребовать большего количества таких фиксирующих средств для удерживания секций в инжекционной трубке на месте.
При использовании такого фиксирующего средства секции инжекционной трубки будут механически соединены в осевом направлении (в направлении передней кромки и задней кромки полого элемента с аэродинамическим профилем), то есть расположены в передней части и в задней части полого элемента с аэродинамическим профилем. Это может быть преимущественным для прямой посадки, если упомянутый полый элемент с аэродинамическим профилем содержит выступы или фиксирующие штифты или ребра на внутренней поверхности упомянутого полого элемента с аэродинамическим профилем.
В преимущественном варианте осуществления инжекционная трубка образована из двух отдельных секций, в особенности, в виде передней и задней секции упомянутой инжекционной трубки, причем упомянутая передняя секция может быть расположена в передней части упомянутого полого элемента с аэродинамическим профилем и/или упомянутая задняя секция может быть расположена в задней части упомянутого полого элемента с аэродинамическим профилем. При установке секций в полый элемент с аэродинамическим профилем преимущественно сначала вставлять заднюю секцию в полый элемент с аэродинамическим профилем, а затем переднюю секцию.
Но также возможно, чтобы инжекционная трубка была образована из трех отдельных секций, в особенности, в виде передней, средней и задней секций упомянутой инжекционной трубки, причем упомянутая передняя секция может быть расположена в передней части упомянутого полого элемента с аэродинамическим профилем, причем упомянутая средняя секция может быть расположена в середине упомянутого полого элемента с аэродинамическим профилем и/или упомянутая задняя секция может быть расположена в задней части упомянутого полого элемента с аэродинамическим профилем. Фиксирующее средство вставляется между смежными секциями. При сборке секций порядок может быть следующим: первой собирается задняя секция, затем средняя секция и третьей - передняя секция. Порядок сборки средней и передней секции может быть обратным: сначала передняя секция, а затем средняя секция.
В варианте осуществления изобретения по меньшей мере одна из упомянутых по меньшей мере двух отдельных секций может простираться по существу полностью через размах полого элемента с аэродинамическим профилем. Но также возможно, чтобы по меньшей мере одна из упомянутых по меньшей мере двух отдельных секций была бы разделена дополнительно по меньшей мере на два радиальных сегмента - подобно радиальному разделению инжекционных трубок, показанному в патентном документе US 7056083 B2.
Термин «радиальный» в этом отношении означает направление между первой платформой и второй платформой, между которыми простирается полый элемент с аэродинамическим профилем. Термин «радиальный» относится к собранному газотурбинному двигателю, содержащему множество элементов с аэродинамическим профилем, которые расположены вокруг оси вращения газотурбинного двигателя и которые простираются через круговой путь прохождения потока.
Дополнительно преимущественно, если упомянутая передняя секция имеет по существу такой же контур, что и внутренняя поверхность передней части упомянутого полого элемента с аэродинамическим профилем, и/или упомянутая задняя секция имеет по существу такой же контур, что и внутренняя поверхность задней части упомянутого полого элемента с аэродинамическим профилем.
Преимущественно, упомянутый полый элемент с аэродинамическим профилем содержит единственный полый элемент. Но изобретение также может быть осуществлено для полого элемента с аэродинамическим профилем, содержащего две или более полостей, каждая из которых содержит разделенную на сегменты инжекционную трубку в соответствии с изобретением. В другом преимущественном варианте осуществления компонент турбины представляет собой роторную лопатку турбины или статорную лопатку турбины, например, направляющую лопатку соплового аппарата.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение будет описано со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой вид в перспективе состоящей из двух частей инжекционной трубки с двумя отдельными секциями/сегментами, соединенными роликовым штифтом;
Фиг.2 представляет собой чертеж, показывающий сборку состоящей из двух частей инжекционной трубки внутри полости полой статорной лопатки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРИРУЕМОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В настоящем описании для простоты ссылка будет сделана только на статорную лопатку (направляющую лопатку соплового аппарата), как на элемент с аэродинамическим профилем, но следует понимать, что изобретение применимо как для роторных лопаток, так и для статорных лопаток турбины, в особенности, газовой турбины. Такая статорная лопатка или роторная лопатка может быть собрана между платформами, которые образуют границы для прохождения потока текучей среды. Платформы и элемент с аэродинамическим профилем также могут представлять собой единую деталь, выполненную, например, посредством литья. По отношению к оси вращения, вокруг которой будут вращаться детали ротора газовой турбины, платформы простираются в осевом направлении и в круговом направлении. Роторные лопатки или статорные лопатки простираются по существу в радиальном направлении по отношению к оси вращения.
Как показано на Фиг.1, инжекционная трубка 1 для охлаждения направляющей лопатки 5 соплового аппарата имеет две секции/сегмента, переднюю секцию 2 и заднюю секцию 3. Обе секции 2, 3 будут соединены друг с другом роликовым штифтом 4 для фиксирования инжекционной трубки 1 на месте в полости 6 полой направляющей лопатки 5 соплового аппарата.
Как показано на фиг.2, инжекционная трубка 1 вставляется в полость 6 полой направляющей лопатки 5 соплового аппарата при вставлении сначала задней секции 3 в полость 6 с одного радиального конца полости 6. Осуществляется маневрирование задней секцией 3 в положение в задней части 7 полости 6 полой направляющей лопатки 5 соплового аппарата, причем задняя часть 7 имеет по существу такой же контур/форму, что и задняя секция 3.
Затем передняя секция 2 инжекционной трубки вставляется в полый элемент 6 с радиального конца полом элементе 6 и также, если требуется, осуществляется маневрирование на место в передней части 8 полом элементе 6 полой направляющей лопатки 5 соплового аппарата, причем передняя часть 8 имеет по существу такой же контур, что и передняя секция 2.
В заключении вставляется роликовый штифт 4 для фиксирования инжекционной трубки 1 на месте в полости 6 направляющей лопатки 5 соплового аппарата. Роликовый штифт 4 расположен в осевом направлении между секциями 2, 3 и имеет основную протяженность в радиальном направлении направляющей лопатки 5 соплового аппарата.
Другими словами, задняя секция 3 первой вставляется в полость 6 посредством радиального перемещения, радиально внутрь или радиально наружу. После радиального перемещения заднюю секция 3 перемещают дальше в направлении области задней кромки полой направляющей лопатки 5 соплового аппарата. После того, как она окажется на месте, передняя секция 2 вставляется в полость 6 снова посредством по существу чисто радиального перемещения в область передней кромки полой направляющей лопатки 5 соплового аппарата.
В особенности, передняя и задняя секции 2, 3 будут вставляться с одной и той же стороны, то есть с радиальной наружной стороны или с радиальной внутренней стороны.
Термины «передняя» и «задняя» определяют воздушный поток вокруг элемента с аэродинамическим профилем. Передняя кромка является по существу цилиндрической секцией, тогда как задняя кромка является острой кромкой.
Использование более одной инжекционной трубки позволяет адаптироваться к большей кривизне и/или закручиванию полости 6, в особенности в области задней кромки. Таким образом, элемент с аэродинамическим профилем может иметь улучшенную аэродинамику. Возможно улучшение охлаждения элемента с аэродинамическим профилем.