Насаживаемая охлаждаемая лопатка турбины (варианты)
Лопатка турбины, содержащая хвостовик, предназначенный для закрепления лопатки в пазу диска турбины. Лопатка также снабжена внутренним контуром воздушного охлаждения, включающим средство для входа воздуха, расположенное со стороны хвостовика лопатки, обращенной к пазу, и средство для выхода воздуха. Указанная сторона хвостовика лопатки снабжена дефлектором для предотвращения возникновения вихрей, содержащим, по меньшей мере, одно или два ребра, расположенное по одну или обе стороны от линии, вдоль которой просверлены отверстия подачи охлаждающего воздуха. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 12 ил.
Настоящее изобретение относится к турбинной лопатке, которую насаживают на диск турбины и охлаждают за счет циркуляции воздуха внутри лопатки.
Ступень осевой турбины образована решеткой из неподвижных лопаток, называемой направляющим аппаратом, и решеткой подвижных лопаток, называемых колесом или ротором. Известны единые блочные роторы, в которых лопатки и диск выполнены заодно. Известны также роторы с насаживаемыми лопатками, в которых лопатки набраны на диск и механически закреплены на нем, обычно с помощью соединительного узла, используя трехопорный хвостовик.
Когда колеса турбины работают при высокой температуре, лопатки необходимо охлаждать. Охлаждение лопаток может осуществляться воздухом, отбираемым, например, с выхода компрессора и направляемым внутрь лопаток через место их крепления к диску. Охлаждающий воздух проходит через хвостовик лопатки и выходит, например, через противолежащий торец лопатки и через одну из ее поверхностей.
На фиг.1А показан фрагмент лопатки 1, смонтированной на диске 2, причем лопатка показана в плоскости, перпендикулярной оси турбины. В частности, на указанной фигуре изображен хвостовик 3 лопатки 1, установленный в пазу 4 диска 2. Хвостовик показан в разрезе, сделанном вдоль оси канала 5, который обеспечивает проход охлаждающего воздуха от днища паза 4 до внутреннего контура охлаждения лопатки (на фигуре 1А не показан). Охлаждающий воздух проходит по пазу 4 в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой изображена данная фигура. В иллюстрируемом примере воздух поступает через торец паза, соответствующий поверхности диска, расположенной выше по ходу течения потока (газа через турбину), и поворачивает в канал (каналы) 5, поскольку другой, противоположный торец паза, находящийся у другой поверхности диска или поверхности, расположенной ниже по ходу течения потока, выполнен закрытым для прохода воздуха.
Охлаждающий воздух, отводимый с выхода компрессора, инжектируют через торцевой пластинчатый элемент, контактирующий с расположенной выше по потоку поверхностью диска таким образом, чтобы контур циркуляции воздуха был герметичным. Для исключения утечек воздуха указанный торцевой пластинчатый элемент часто монтируют по месту на диске с использованием системы фиксирующих крюкообразных элементов, называемых "когтями".
Такие крюкообразные элементы, кроме того, выполняют и другую функцию. Их наличие приводит к тому, что охлаждающий воздух, двигающийся в направлении пазов, вращается со скоростью, равной скорости вращения ротора турбины. Охлаждающий воздух, таким образом, достигает места напротив паза, вращаясь с той же скоростью, что и паз, и входит в него без каких-либо нежелательных вторичных эффектов.
Однако указанным крюкообразным элементам свойственны и недостатки, заключающиеся в их большой стоимости и относительно малом сроке службы. Поэтому заманчивой представляется идея отказаться от их использования. Вместе с тем, как показали опыты, если эти крюкообразные элементы удалить, то турбинные лопатки не так хорошо охлаждаются.
В международной заявке WO-A-99 47792 описана турбинная лопатка с хвостовиком для крепления лопатки в пазу, выполненном в диске турбины. Лопатка выполнена с внутренним контуром воздушного охлаждения, включающим средства для впуска воздуха, расположенные на хвостовике лопатки, обращенном в сторону паза, и средства для отвода воздуха. Хвостовик лопатки снабжен специальным устройством ("приточной камерой" согласно описанию указанной международной заявки), направляющим охлаждающий воздух внутрь лопатки. Это устройство, кроме того, обеспечивает отвод охлаждающего воздуха после его прохождения внутри лопатки, а также отделение друг от друга потоков охлаждающего воздуха, входящего в лопатку и выходящего из нее.
Из заявки Великобритании №1605282 известна турбинная лопатка с хвостовиком, посредством которого она вставляется в паз диска турбины. Лопатка имеет внутренний контур воздушного охлаждения, состоящий из каналов, включающих отверстия для входа воздуха, расположенные в хвостовике лопатки и обращенные в сторону паза, и отверстия для отвода воздуха, расположенные на противоположном торце лопатки. Хвостовик лопатки снабжен трубчатым каналом, через который из входного воздушного коллектора охлаждающий воздух поступает и подается к входным отверстиям.
Из патента США №4348157 известна лопатка турбины, насаженная на диск посредством хвостовика. Лопатка снабжена внутренним контуром воздушного охлаждения, включающим окно для подачи воздуха. Окно выполнено не в хвостовике лопатки, обращенном внутрь паза, приспособленного под этот хвостовик, а в соединительной части, расположенной между хвостовиком и лопаткой (пером лопатки), а именно в ножке. Для транспортировки охлаждающего воздуха к входным отверстиям самой лопатки служат проходные каналы, которые могут быть снабжены дефлекторами.
В патенте США №4178129 описана система охлаждения лопаток турбины с помощью воздушного потока. Каждая лопатка снабжена хвостовиком, установленным в соответствующем пазу диска турбины. Лопатка выполнена с внутренним контуром воздушного охлаждения, включающим средства подачи воздуха, расположенные в хвостовике лопатки. Охлаждающий воздух подают или в камеру подвода охлаждающего воздуха, с которой сообщены воздушные каналы лопатки, или подают непосредственно в канал, выполненный в передней кромке лопатки, через приемник типа трубки Пито.
Согласно вышеупомянутой международной заявке WO 99/47792 охлаждающий воздух вводят через устройство, имеющее вид трубы, сообщенной с отверстиями системы охлаждающих каналов. Указанное устройство может быть снабжено отверстиями, размер которых согласуется с размером отверстий системы охлаждающих каналов или отверстиями почти такой же ширины что и паз, в котором размещено трубчатое устройство. В обоих случаях предотвратить образование вихря невозможно.
Согласно вышеуказанной заявке Великобритании №1605282 труба для воздушного охлаждения соответствует ширине паза. Поэтому исключить формирование вихря также невозможно.
В соответствии с указанным патентом США №4348157 воздух поступает прямо на лицевую поверхность, в которой просверлены отверстия, что приводит к такому же результату.
В соответствии с указанным патентом США №4178129 воздух подают или непосредственно в канал охлаждения лопатки (через трубку Пито), или прямо на поверхность, в которой просверлены каналы охлаждения, что приводит к такому же результату.
Авторы настоящего изобретения выявили причину снижения эффективности охлаждения, когда из конструкции были исключены крюкообразные элементы или "когти", и нашли решение проблемы.
Фиг.1В иллюстрирует эффект, который приводит к потере эффективности охлаждения лопаток. На чертеже показана нижняя поверхность хвостовика 3, обозначенного на фиг.1А позицией 6. Канал (каналы) 5 не показаны. Торцевая пластина, находящаяся в контакте с поверхностью диска, расположенной выше по ходу движения потока, обозначена на чертеже позицией 7. Позицией 8 обозначена торцевая пластина, закрывающая паз со стороны диска, расположенной ниже по ходу течения потока.
Авторы данного изобретения пришли к заключению, что когда охлаждающий воздух не направляют в паз, то он достигает паза, вращаясь (вместе с ротором) с меньшей скоростью, чем в случае, когда его направляют. В результате воздух концентрируется и вращается в пазу, образуя вихрь, как показано на фиг.1В. Центр этого вихря является областью большого перепада давления, который препятствует подаче охлаждающего воздуха к лопатке.
Настоящее изобретение предлагает средство решения указанной проблемы, чтобы она не имела место в турбине.
Задача изобретения заключается в создании лопатки турбины, которая снабжена хвостовиком для установки лопатки в пазу диска ротора турбины, при этом лопатка снабжена внутренним контуром воздушного охлаждения, включающим средства для подвода воздуха, расположенные со стороны хвостовика лопатки, обращенной к пазу, и средства для отвода воздуха, отличающаяся тем, что указанная сторона хвостовика лопатки снабжена дефлектором, содержащим, по меньшей мере, одно ребро, предназначенное для создания направленного течения охлаждающего воздуха в донной (нижней) части паза, что позволяет правильно организовать течение воздуха в направлении средств для входа воздуха.
Наличие такого дефлектора со стороны хвостовика лопатки, на которой расположены каналы для входа воздуха, предотвращает вихреобразование.
Дефлектор может быть выполнен заодно с лопаткой (с ее хвостовиком).
Дефлектор может представлять собой элемент, присоединенный к хвостовику лопатки и снабженный средствами сообщения со средствами, обеспечивающими вход воздуха, имеющимися в хвостовике. Эти средства сообщения могут быть выполнены в виде, по меньшей мере, одного калиброванного отверстия.
Ребро может быть прямым или наклонным по отношению к направлению главной оси лопатки.
В соответствии с одним предпочтительным воплощением изобретения дефлектор включает, по меньшей мере, одно ребро, предназначенное для создания направленного движения охлаждающего воздуха, входящего в паз, и, по меньшей мере, одно ребро, направляющее отводимый из лопатки воздух в середину паза.
Настоящее изобретение и другие его преимущества и особенности будут более понятными и ясными из нижеследующего описания, приведенного лишь в качестве примера воплощения, не ограничивающего данное изобретение, со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1А - фрагмент описанной выше, известной из аналогов турбинной лопатки, смонтированной на диске;
фиг.1В - нижняя сторона хвостовика турбинной лопатки, соответствующей описанным выше известным аналогом;
фиг.2А - лопатка турбины, установленная на диске, в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2В - нижняя сторона хвостовика лопатки турбины в соответствии с изобретением;
фиг.3 - дефлектор, выполненный согласно данному изобретению, вид в перспективе;
фиг.4 - фрагмент сечения турбины, в которой смонтирована лопатка, выполненная в соответствии с изобретением;
фиг.5 и фиг.6 - дефлекторы, которые могут быть использованы согласно данному изобретению, вид снизу;
фиг.7 - фиг.10 - поперечное сечение различных дефлекторов, которые могут быть использованы, согласно изобретению.
На фиг.2А изображена лопатка 11, согласно данному изобретению, установленная на диске 12. Представленное на фигуре изображение показано в плоскости, перпендикулярной оси турбины так же, как и на фиг.1А. Хвостовик 13 лопатки 11 размещен в пазу 14 диска 12. Хвостовик изображен в разрезе, проходящем вдоль оси канала 15, средства в виде подводящего охлаждающий воздух, поступающий от донной части паза 14, во внутренний контур охлаждения лопатки, который на фигуре не показан. Воздух проходит по пазу так, как это описано выше в отношении фигуры 1А.
В отличие от лопатки, описанной на фиг.1А, лопатка, изображенная на фиг.2В, снабжена дефлектором 20, прикрепленным к нижней поверхности хвостовика 16 лопатки. Дефлектор 20 содержит ребра, которые направляют охлаждающий воздух, протекающий по нижней части паза 14. На фиг.2А показано, что в дефлекторе имеется отверстие 21, расположенное в соответствии с положением канала 15 и обеспечивающее доступ в указанный канал для прохода охлаждающего воздуха. Отверстие в дефлекторе может быть калиброванным и легко может быть выполнено на такой детали конструкции, какой является присоединенный к хвостовику дефлектор.
На фиг.2В, соответствующей фиг.1В для известного аналога, стрелками показано, каким образом охлаждающий воздух проходит в нижней части паза между пластинами 17 и 18 диска 12. На этой фигуре изображен дефлектор, выполненный с двумя ребрами 22 и 23, размещенными в направлении линии, вдоль которой просверлены отверстия 21, и с каждой стороны от нее. Ребра выполнены так, чтобы образовать направляющую перегородку определенного вида. Следует также отметить, что в показанном дефлекторе имеется четыре отверстия для прохода охлаждающего воздуха.
Наличие дефлектора на нижней поверхности хвостовика лопатки предотвращает формирование вихря и создание (нежелательного) перепада давления.
Дефлектор может быть выполнен в виде отдельной детали, прикрепленной к хвостовику лопатки путем сварки или пайки. В качестве варианта выполнения дефлектор может быть изготовлен с лопаткой как одно целое.
На фиг.3 представлен вышеупомянутый дефлектор 20 в перспективе. Эта фигура боле наглядно демонстрирует ребра 22 и 23 и отверстия 21.
На фиг.4 изображен фрагмент турбины с установленной на ней лопаткой, соответствующей данному изобретению. Лопатка на фиг.4 показана соединенной с дефлектором 20 и установленной в пазу 14 диска 12. На указанной фигуре также показаны торцевая пластина 17, контактирующая со стороной диска 12, расположенной выше по потоку газа, и торцевая пластина 18, изолирующая паз.
Охлаждающий воздух поступает в нижнюю часть камеры и ускоряется, проходя ряд инжекторов, подобных инжектору 31. Затем воздух проходит через отверстия 32, просверленные в торцевой пластине 17, после чего поступает вверх в направлении нижней части паза так, как показано стрелками на фиг.4. Крюкообразные элементы или "когти", которые в соответствии с данным изобретением могут быть исключены из конструкции, показаны на фиг.4 пунктирными линиями.
Фиг.5 и фиг.6 иллюстрируют другие варианты выполнения дефлекторов, которые могут быть использованы при осуществлении данного изобретения (дефлекторы показаны со стороны нижней поверхности хвостовика лопатки).
Изображенный на фиг.5 дефлектор 40 снабжен двумя ребрами 41 и 42, проходящими по всей длине дефлектора. Кроме того, показаны отверстия 43, направляющие поток охлаждающего воздуха в каналы лопатки.
На фиг.6 представлен дефлектор 50, содержащий первый ряд ребер 51 и 53, расположенных с одной стороны дефлектора, и второй ряд ребер 52 и 54, расположенных с другой стороны дефлектора. Эти ребра расположены с образованием направляющих. Также показаны отверстия 55, направляющие поток воздуха в каналы лопатки.
Дефлектор, кроме того, может содержать одно или несколько ребер, обеспечивающих прохождение охлаждающего воздуха по более сложному, извилистому пути.
На фиг.7-10 показаны примеры других форм выполнения дефлектора, которые могут быть использованы согласно настоящему изобретению. Все эти дефлекторы показаны в поперечном сечении, проходящем вдоль отверстия для прохода охлаждающего воздуха.
Дефлектор 60 на фиг.7 выполнен в виде желобчатого рельса. Он содержит ребра 61 и 62, проходящие под прямым углом относительно поверхности основания 63 дефлектора, установленного на хвостовике лопатки. Ребра 61 и 62 могут проходить по всей длине дефлектора или могут прерываться для образования отражателей.
То же самое справедливо и для дефлекторов 70, 80 и 90, показанных на фиг.8, 9 и 10 соответственно. Дефлектор 70 включает в себя ребра 71 и 72, которые расходятся наружу от опорной поверхности 73 дефлектора, расположенного на хвостовике лопатки. Дефлектор 80 содержит ребра 81 и 82, которые сближаются по мере удаления от опорной поверхности 73, находящейся на хвостовике лопатки. Дефлектор 90 включает четыре параллельных ребра 91, 92, 93 и 94, проходящих под прямым углом от опорной поверхности 95 дефлектора, размещенного на хвостовике лопатки.
Изобретение обеспечивает повышение статического давления в центре паза настолько, чтобы компенсировать 75% величины перепада давления, который мог бы возникнуть при отсутствии дополнительного элемента (дефлектора). Предложенное решение улучшает подвод охлаждающего воздуха к лопатке, снижает среднюю температуру лопатки, зависящую от условий ее работы, и, соответственно, увеличивает время эксплуатации лопатки.
1. Лопатка (11) турбины, содержащая хвостовик (13), предназначенный для закрепления лопатки в пазу (14) диска (12) турбины, при этом лопатка снабжена внутренним контуром воздушного охлаждения, включающим средство для входа воздуха, расположенное со стороны хвостовика лопатки, обращенной к пазу, и средство для выхода воздуха, причем указанная сторона хвостовика лопатки снабжена дефлектором (20) для предотвращения возникновения вихрей, содержащим, по меньшей мере, одно ребро, расположенное по одну сторону от линии, вдоль которой просверлены отверстия (21) подачи охлаждающего воздуха.
2. Лопатка турбины по п.1, отличающаяся тем, что дефлектор выполнен заодно с лопаткой.
3. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что дефлектор (20) представляет собой дополнительный элемент, присоединенный к хвостовику (13) лопатки (11) и снабжен средством в виде отверстия (21) подачи охлаждающего воздуха, обеспечивающим проход воздуха к средству в виде канала (15) для входа воздуха.
4. Лопатка турбины по п.3, отличающаяся тем, что средство, обеспечивающее проход воздуха, содержит, по меньшей мере, одно калиброванное отверстие (21).
5. Лопатка турбины по п.1, отличающаяся тем, что указанное ребро (22, 23) ориентировано в направлении основной оси лопатки или под углом к этой оси.
6. Лопатка турбины по п.5, отличающаяся тем, что дефлектор (20) содержит, по меньшей мере, одно ребро (22) для направления охлаждающего воздуха, поступающего в паз, и, по меньшей мере, одно ребро (23), которое направляет воздух, отводимый из лопатки, в середину паза.
7. Лопатка турбины по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что дефлектор содержит, по меньшей мере, одно ребро с криволинейным профилем.
8. Лопатка (11) турбины, содержащая хвостовик (13), предназначенный для закрепления лопатки в пазу (14) диска (12) турбины, при этом лопатка снабжена внутренним контуром воздушного охлаждения, включающим средство для входа воздуха, расположенное со стороны хвостовика лопатки, обращенной к пазу, и средство для выхода воздуха, причем указанная сторона хвостовика лопатки снабжена дефлектором (20) для предотвращения возникновения вихрей, содержащим, по меньшей мере, два ребра (22, 23), расположенные по обе стороны от линии, вдоль которой просверлены отверстия (21) подачи охлаждающего воздуха.
9. Лопатка турбины по п.8, отличающаяся тем, что дефлектор выполнен заодно с лопаткой.
10. Лопатка по п.8, отличающаяся тем, что дефлектор (20) представляет собой дополнительный элемент, присоединенный к хвостовику (13) лопатки (11), и снабжен средством в виде отверстия (21) подачи охлаждающего воздуха, обеспечивающим проход воздуха к средству в виде канала (15) для входа воздуха.
11. Лопатка турбины по п.10, отличающаяся тем, что средство, обеспечивающее проход воздуха, содержит, по меньшей мере, одно калиброванное отверстие (21).
12. Лопатка турбины по п.8, отличающаяся тем, что указанное ребро (22, 23) ориентировано в направлении основной оси лопатки или под углом к этой оси.
13. Лопатка турбины по п.12, отличающаяся тем, что дефлектор (20) содержит, по меньшей мере, одно ребро (22) для направления охлаждающего воздуха, поступающего в паз, и, по меньшей мере, одно ребро (23), которое направляет воздух, отводимый из лопатки, в середину паза.
14. Лопатка турбины по любому из пп.8-13, отличающаяся тем, что дефлектор содержит, по меньшей мере, одно ребро с криволинейным профилем.
