Сопловая лопатка с охлаждаемой платформой для газовой турбины



Сопловая лопатка с охлаждаемой платформой для газовой турбины
Сопловая лопатка с охлаждаемой платформой для газовой турбины
Сопловая лопатка с охлаждаемой платформой для газовой турбины

 


Владельцы патента RU 2575260:

СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)

Узел платформы для поддержки сопловой лопатки для газовой турбины содержит поверхность прохождения газа, расположенную так, чтобы контактировать с потоковым рабочим газом, по меньшей мере, один охлаждающий канал. Охлаждающий канал имеет форму для направления охлаждающей текучей среды в охлаждающем канале и образован внутри узла платформы. Охлаждающий участок внутренней поверхности охлаждающего канала находится в тепловом контакте с поверхностью прохождения газа. Узел платформы представляет собой интегрально образованный узел, представляющий сегмент в круговом направлении газовой турбины. Охлаждающий канал содержит первый участок охлаждающего канала и второй участок охлаждающего канала, размещенный после первого участка охлаждающего канала в отношении потокового направления рабочего газа. Первый участок охлаждающего канала и второй участок охлаждающего канала взаимосвязаны таким образом, что охлаждающая текучая среда направляется в первый участок охлаждающего канала, а затем направляется во второй участок охлаждающего канала. Первый участок охлаждающего канала и второй участок охлаждающего канала оба главным образом проходят вдоль кругового направлении и приспособлены таким образом, что

первая часть охлаждающей текучей среды течет в первом направлении в первом сегменте первого участка охлаждающего канала, а вторая часть охлаждающей текучей среды течет во втором направлении во втором сегменте первого участка охлаждающего канала. первая часть охлаждающей текучей среды течет в первом сегменте второго участка охлаждающего канала, а вторая часть охлаждающей текучей среды течет во втором сегменте второго участка охлаждающего канала. Первая часть охлаждающей текучей среды и вторая часть охлаждающей текучей среды текут по направлению друг к другу и соединяются друг с другом во втором участке охлаждающего канала. Изобретение позволяет повысить эффективность охлаждения и увеличить срок службы сопловой лопатки турбины. 3 н. и 11 з.п. ф-лы. 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к узлу платформы для поддержки сопловой лопатки для газовой турбины и устройству сопловой лопатки, содержащему узел платформы. В частности, настоящее изобретение относится к узлу платформы для поддержки сопловой лопатки для газовой турбины, причем узел платформы охлаждается охлаждающей текучей средой, направляемой в канале в узле платформы.

Предпосылки изобретения

Компоненты газовой турбины подвергаются высокому износу из-за высокой температуры падающих рабочих газов, которые выпускаются из камеры сгорания. Компоненты газовой турбины, подвергаемые высокому износу и высокой температуре рабочего газа, могут представлять собой, в частности, сопловую лопатку или сопловые лопатки непосредственно после выхода камеры сгорания и радиально внутреннюю платформу и/или радиально внешнюю платформу, поддерживающую сопловую лопатку или сопловые лопатки.

EP 1074695A2 раскрывает способ для образования охлаждающего прохода в лопатке турбины, причем охлаждающее устройство с признаками улучшения охлаждения для платформы направляющей лопатки содержит змеевидный проход, ограниченный сегментами стенки.

US 5545002 раскрывает установочную платформу лопатки статора, имеющую охлаждающий путь, ограниченный перегородками.

ЕР 0680547B1 раскрывает лопатку турбины, имеющую специализированное охлаждение внутренней платформы, причем охлаждающий проход образован, используя гнездо и покрывающую пластину.

WO 2006/029983 раскрывает лопатку турбинного двигателя, в которой образован покрывающий охлаждающий канал, через который в течение работы течет охлаждающая текучая среда.

US 5538393 раскрывает покрывающий сегмент турбины, включающий змеевидный охлаждающий канал, имеющий изогнутый проход для протекания охлаждающей текучей среды через осевой край покрывающего сегмента.

Может существовать необходимость в узле платформы для поддержки сопловой лопатки для газовой турбины, имеющем более высокую износостойкость и/или увеличенную продолжительность функционирования по сравнению с традиционным узлом платформы. В частности, может существовать необходимость в узле платформы для поддержки сопловой лопатки для газовой турбины, предоставляющем улучшенный охлаждающий механизм и/или производительность по сравнению с традиционным узлом платформы. Более того, может иметься необходимость в узле платформы для поддержки сопловой лопатки для газовой турбины, который может выдерживать, в частности, более продолжительный срок эксплуатации и более высокую температуры рабочего газа по сравнению с традиционным узлом платформы.

Сущность изобретения

Эта необходимость может быть удовлетворена объектом изобретения согласно независимым пунктам формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления настоящего изобретения описаны зависимыми пунктами формулы изобретения.

Согласно одному варианту осуществления, обеспечен узел платформы для поддержки сопловой лопатки для газовой турбины, причем узел платформы содержит поверхность прохождения газа, размещенную так, чтобы контактировать с потоковым рабочим газом; и по меньшей мере один охлаждающий канал, имеющий форму для направления охлаждающей текучей среды в охлаждающем канале, причем охлаждающий канал образован внутри узла платформы, при этом охлаждающий участок внутренней поверхности охлаждающего канала находится в тепловом контакте с поверхностью прохождения газа, причем узел платформы является интегрально образованным узлом, представляющим сегмент в круговом направлении газовой турбины. При этом охлаждающий канал содержит первый участок охлаждающего канала и второй участок охлаждающего канала, размещенный после первого участка охлаждающего канала в отношении потокового направления рабочего газа, причем первый участок охлаждающего канала и второй участок охлаждающего канала взаимосвязаны таким образом, что охлаждающая текучая среда направляется в первый участок охлаждающего канала, а затем (т.е. позже) направляется во второй участок охлаждающего канала, при этом первый участок охлаждающего канала и второй участок охлаждающего канала оба главным образом проходят вдоль кругового направления.

Рабочий газ может быть выпущен из камеры сгорания или нескольких камер сгорания, расположенных перед сопловой лопаткой и перед поверхностью прохождения газа узла платформы. Таким образом, рабочий газ может течь в потоковом направлении или направлении течения, что может позволить определить относительное размещение компонентов газовой турбины. В связи с этим, первый компонент считается расположенных перед вторым компонентом, если рабочий газ сначала падает или достигает первого компонента, а впоследствии достигает или падает на второй компонент. В частности, рабочий газ может течь в потоковом направлении, имеющем компонент в осевом направлении и имеющем компонент в радиальном направлении, а также дополнительно имеющем компонент в круговом направлении. При этом осевое направление может представлять собой направление вала ротора или направление оси ротора, вокруг которой вращается вал ротора газовой турбины. На валу ротора может быть установлена одна или несколько лопаток ротора, на которые может падать рабочий газ, отклоненный или направленный от сопловых лопаток, для передачи части его энергии на лопатки ротора, таким образом вызывая вращение лопаток ротора. В связи с этим, ротор может вращаться. Механическая энергия, порожденная таким образом, может, например, быть использована для привода генератора, чтобы породить электрическую энергию или чтобы преобразовать механическую энергию в любую другую форму энергии, например в механическую энергию (другого типа).

Узел платформы может быть статическим компонентом газовой турбины, который не двигается или вращается в течение работы газовой турбины. Узел платформы представляет сегмент в круговом направлении газовой турбины, причем круговое направление является перпендикулярным осевому направлению, а также является перпендикулярным радиальному направлению, причем радиальное направление также перпендикулярно осевому направлению.

В частности, осевое направление может быть представлено цилиндрической координатой z, радиальное направление может быть представлено цилиндрической координатой r, а круговое направление может быть представлено цилиндрической координатой φ.

Может быть собрано некоторое количество сегментов, например 10, 14, 18, 30 или даже больше сегментов, для того, чтобы образовать кольцо или образовать кольцеобразную конструкцию, окружающую ось вращения, проходящую вдоль осевого направления. В частности, узел платформы, представляющий (круговой) сегмент, может быть соединен с примыкающим (круговым) узлом платформы, при этом между примыкающими (круговыми) узлами платформы может быть размещена тонкая пластина. Кольцо может быть собрано из множества (круговых) узлов платформы, причем каждый представляет цилиндрический сегмент.

В частности, узел платформы для поддержки сопловой лопатки может быть радиально внутренним узлом платформы или радиально внешним узлом платформы. В частности, сопловая лопатка может поддерживаться радиально внутренним узлом платформы у радиально внутреннего участка сопловой лопатки и может поддерживаться радиально внешним узлом платформы у радиально внешнего участка сопловой лопатки. Таким образом, сопловая лопатка может быть размещена между радиально внутренним узлом платформы и радиально внешним узлом платформы.

В частности, сопловая лопатка может содержать переднюю кромку (куда направляется рабочий газ) и заднюю кромку (откуда рабочий газ покидает сопловую лопатку), переднюю поверхность и заднюю поверхность. Таким образом, рабочий газ может падать на переднюю кромку и переднюю поверхность сопловой лопатки и может течь вдоль передней поверхности и задней поверхности сопловой лопатки, чтобы быть направленным к лопатке ротора или лопаткам ротора, расположенным позади сопловой лопатки. После направления и/или отклонения рабочего газа, вследствие направляющего действия сопловой лопатки, рабочий газ падает на участки сопловой лопатки, передавая тепловую энергию сопловой лопатке. Более того, тепловая энергия может быть передана поверхности прохождения газа узла платформы, от которой может выступать сопловая лопатка.

Для охлаждения поверхности прохождения газа узла платформы тепловая энергия, переданная на поверхность прохождения газа, может быть проведена через материал поверхности прохождения газа внутрь узла платформы. Таким образом, узел платформы может быть, в частности, изготовлен из металла, например жаропрочного материала на основе никеля. В связи с этим тепловая энергия, принятая на поверхности прохождения газа, может быть проведена через (материал) узел платформы, чтобы быть выведенной на охлаждающий участок внутренней поверхности охлаждающего канала. Таким образом, охлаждающий канал, за исключением входного отверстия и выходного отверстия(ий), может быть полностью окружен материалом узла платформы таким образом, чтобы охлаждающий канал, по существу, образовывал полость в узле платформы. В частности, охлаждающий канал, по существу, окружен или заключен в интегрально образованном материале, образующим узел платформы.

Охлаждающий участок внутренней поверхности охлаждающего канала находится в тепловом контакте с поверхностью прохождения газа посредством проводящего материала, например металла. Охлаждающий канал может обеспечивать пространство, в которое может быть направлена охлаждающая текучая среда или в котором может течь или перемещаться охлаждающая текучая среда. В частности, охлаждающая текучая среда может перемещаться в охлаждающем канале так, чтобы иметь достаточную степень турбулентности для увеличения теплоотдачи от охлаждающего участка внутренней поверхности охлаждающего канала к охлаждающей текучей среде. В частности, турбулентное перемещение охлаждающей текучей среды может предусматривать высокий показатель попадания частиц охлаждающей текучей среды на охлаждающий участок внутренней поверхности охлаждающего канала.

Охлаждающая текучая среда может быть, в частности, воздухом, например сжатым воздухом, в частности, поданным компрессором газовой турбины, или поданным внешним компрессором.

Узел платформы представляет собой интегрально образованный узел, который может быть, в частности, изготовлен за счет литья, в частности за счет литья из металла, например жаропрочного материала на основе никеля. Таким образом, узел платформы может представлять собой несоставной единый узел, при этом можно избежать сборки узла платформы из отдельных компонентов, тем самым упростив изготовление узла платформы. Также можно избежать использования соединительных элементов, например болтов или винтов.

Охлаждающий участок внутренней поверхности охлаждающего канала может быть преимущественным образом размещен относительно близко к поверхности прохождения газа за счет обеспечения охлаждающего канала внутри узла платформы, таким образом, что тепловая энергия, поглощенная на поверхности прохождения газа, может быть проведена через материал, образующий узел платформы, эффективным образом и/или с достаточно высокой скоростью к охлаждающему участку, где преобразованная тепловая энергия поглощается охлаждающей текучей средой и удаляется. Таким образом, можно добиться охлаждения узла платформы с увеличенной скоростью или с более высокой эффективностью по сравнению с охлаждением, выполняемым согласно предшествующему уровню техники.

В частности, первый участок охлаждающего канала может быть расположен ближе к области поверхности прохождения газа, подвергнутой наиболее высокому износу, в отличие от второго участка охлаждающего канала. В частности, температура охлаждающей текучей среды, направляемой в первом участке охлаждающего канала, может быть более низкой, чем температура охлаждающей текучей среды, направляемой во втором участке охлаждающего канала, поскольку охлаждающая текучая среда могла поглотить тепло от охлаждающего участка внутренней поверхности первого участка охлаждающего канала, перед тем как вошла во второй участок охлаждающего канала. Таким образом, выборочно могут быть охлаждены конкретные участки поверхности прохождения газа с более высокой степенью или с более высокой скоростью по сравнению с другими участками поверхности прохождения газа.

Согласно варианту осуществления, охлаждающий канал сконфигурирован (в частности, структурирован, сформован или образован) таким образом, что протяженность охлаждающего канала (по меньшей мере приблизительно) в круговом направлении по меньшей мере в три раза больше, чем протяженность охлаждающего канала в любом другом направлении. Вообще охлаждающий канал может проходить в осевом направлении, в радиальном направлении и в круговом направлении. В частности, протяженность в круговом направлении по меньшей мере в три раза больше, чем протяженность охлаждающего канала в радиальном направлении или в осевом направлении. Таким образом, согласно варианту осуществления, охлаждающий канал может быть продолговатым в круговом направлении. Согласно альтернативному варианту осуществления, канал может быть в качестве альтернативы продолговатым в осевом направлении и более узким в круговом направлении. Согласно варианту осуществления, протяженность охлаждающего канала в круговом направлении может составлять между 10 и 30 мм, в частности между 15 и 20 мм. В частности, протяженность охлаждающего канала в осевом направлении может составлять между 3 и 15 мм, в частности между 4 и 10 мм. Более того, протяженность охлаждающего канала в радиальном направлении может составлять между 1 и 5 мм, в частности между 2 и 4 мм. Однако эти размеры являются лишь примерными размерами для небольшой газовой турбины. Если используется большая газовая турбина, эти размеры могут быть в значительной степени увеличены (например с коэффициентом 2, с коэффициентом 5, с коэффициентом 10, или даже с коэффициентом 100), согласно другим вариантам осуществления.

Геометрия и форма охлаждающего канала могут преимущественно находиться под воздействием способа, согласно которому охлаждающая текучая среда течет в охлаждающем канале или перемещается в охлаждающем канале. В частности, охлаждающая текучая среда, направляемая в охлаждающем канале, может течь по меньшей мере частично в круговом направлении, хотя течение охлаждающей текучей среды не может быть безвихревым, а может быть турбулентным. Более того, охлаждающий канал может иметь такую форму, чтобы участок поверхности прохождения газа, подвергаемый чрезвычайно высокому износу в результате падающего на него рабочего газа высокой температуры, эффективно охлаждался охлаждающей текучей средой, циркулирующей или перемещающейся в охлаждающем канале.

Согласно варианту осуществления, сегмент платформы дополнительно содержит турбулизатор, выступающий от охлаждающего участка внутренней поверхности охлаждающего канала для увеличения турбулентности охлаждающей текучей среды, направляемой в охлаждающем канале. Турбулизатор может по меньшей мере частично функционировать в качестве барьера для охлаждающей текучей среды, чтобы влиять на свойства перемещения текучей среды, например вызывать турбулентное движение охлаждающей текучей среды. Таким образом, теплоотдача от охлаждающего участка внутренней поверхности охлаждающего канала к охлаждающей текучей среде может быть увеличена. В частности, турбулизатор может быть образован в качестве стенки, выступающей из охлаждающего участка, причем стенка может проходить поперек главного направления течения охлаждающей текучей среды.

Согласно варианту осуществления, турбулизатор сконфигурирован в качестве ребра и/или реберного выступа.

Согласно варианту осуществления, турбулизатор проходит вдоль охлаждающего участка внутренней поверхности поперек направления окружности. В частности, турбулизатор может проходить в направлении, имеющем компонент в осевом направлении и имеющем компонент в круговом направлении, причем компонент в радиальном направлении может быть по меньшей мере в 5 раз, а в частности по меньшей мере в 10 раз меньшим, чем компонент в круговом направлении или в осевом направлении. В частности, выступающая часть турбулизатора может составлять между 0,5 и 2 мм, согласно варианту осуществления,. Однако в других вариантах осуществления эти размеры могут быть значительно увеличены (например с коэффициентами 2, 5, 10 или даже 100) для примера большой газовой турбины.

Таким образом, турбулизатором может быть эффективно порожден турбулентный поток охлаждающей текучей среды.

Согласно варианту осуществления, первый участок канала охлаждения и второй участок канала охлаждения приспособлены (в частности, структурированы, сформованы или образованы) таким образом, что первая часть охлаждающей текучей среды течет в первом направлении в первом сегменте (который, в частности, связан с входным отверстием для ввода охлаждающей текучей среды) первого участка охлаждающего канала; вторая часть охлаждающей текучей среды течет во втором направлении (в частности, приблизительно противоположном первому направлению) во втором сегменте (который, в частности, связан с входным отверстием для ввода охлаждающей текучей среды) первого участка охлаждающего канала; первая часть охлаждающей текучей среды течет (в частности, после изменения ее направления на второе направление в соединительном элементе, соединяющем первый сегмент первого участка охлаждающего канала с первым сегментом второго участка охлаждающего канала) в первом сегменте второго участка охлаждающего канала; и вторая часть охлаждающей текучей среды течет (в частности, после изменения ее направления на первое направление в соединительном элементе, соединяющем второй сегмент первого участка охлаждающего канала со вторым сегментом второго участка охлаждающего канала) во втором сегменте второго участка охлаждающего канала, причем первая часть охлаждающей текучей среды и вторая часть охлаждающей текучей среды текут по направлению друг к другу (в частности, противоположно друг другу), в частности соединяются друг с другом во втором участке охлаждающего канала. Таким образом, эффективность охлаждения может быть улучшена.

Согласно варианту осуществления, сегмент платформы дополнительно содержит входное отверстие для ввода охлаждающей текучей среды в охлаждающий канал, причем входное отверстие размещено с передней стороны охлаждающего канала в отношении потокового направления рабочего газа. Охлаждающая текучая среда может быть введена в канал посредством входного отверстия из области газовой турбины, размещенной радиально внутри от охлаждающего канала. Ширина и высота входного отверстия могут соответственно иметь подобные размеры как у радиальной протяженности, так и у осевой протяженности охлаждающего канала.

Согласно варианту осуществления, сегмент платформы дополнительно содержит выходное отверстие для того, чтобы позволять охлаждающей текучей среде выходить из охлаждающего канала по направлению к потоковому рабочему газу, в частности, выходить из охлаждающего канала того участка, который размещен сзади в отношении потокового направления рабочего газа. Таким образом, охлаждающая текучая среда, выходящая из охлаждающего канала через выходное отверстие, может выполнять так называемое "пленочное охлаждение" участка поверхности прохождения газа. В связи с этим охлаждающая текучая среда может течь близко к поверхности прохождения газа и может обеспечивать буфер из охлаждающей текучей среды, таким образом препятствуя рабочему газу экстенсивно падать на поверхность прохождения газа. Таким образом может быть обеспечено дополнительное охлаждение охлаждающей текучей средой. В отличие от этого, охлаждение, осуществляемое в охлаждающем канале, может быть выполнено конвекцией.

В частности, охлаждающий канал может быть размещен у осевого местоположения задней кромки сопловой лопатки. В области поверхности прохождения газа в окрестности осевого местоположения задней кромки сопловой лопатки поверхность прохождения газа может быть подвергнута наиболее высокому износу в результате падающего рабочего газа. Таким образом, за счет размещения охлаждающего канала, в частности, у критичного осевого местоположения производительность и/или срок службы узла платформы могут быть повышены.

Согласно варианту осуществления, выходное отверстие сконфигурировано (в частности, структурировано, сформовано или образовано) таким образом, что выходящая охлаждающая текучая среда охлаждает поверхность прохождения газа, в частности, у осевого местоположения задней кромки сопловой лопатки. Охлаждение у этого конкретного осевого местоположения может быть, в частности, выгодным, поскольку поверхность прохождения газа у этого осевого местоположения может находиться под чрезвычайно высокой нагрузкой в течение работы газовой турбины.

Согласно варианту осуществления, выходное отверстие обращено к полости ротора-статора. Таким образом, можно избавиться от дополнительных охлаждающих отверстий на поверхности прохождения газа.

Согласно варианту осуществления, обеспечено устройство сопловой лопатки, которое содержит узел платформы для сопловой лопатки для газовой турбины, согласно любому из вариантов осуществления, описанных выше, и сопловую лопатку, поддерживаемую на узле платформы и выступающую от поверхности прохождения газа. В частности, согласно варианту осуществления, сопловая лопатка может поддерживаться радиально внутренним узлом платформы и/или радиально внешним узлом платформы.

Согласно варианту осуществления, охлаждающий канал размещен аксиально сзади от сопловой лопатки в отношении потокового направления рабочего газа. В частности, охлаждающий канал может быть размещен аксиально сзади задней кромки сопловой лопатки, где поверхность прохождения газа подвергается чрезвычайно высокому напряжению в результате падающего рабочего газа высокой температуры. Таким образом может быть обеспечено эффективно охлаждаемое устройство сопловой лопатки.

Согласно варианту осуществления, узел платформы поддерживает сопловую лопатку у радиально внутреннего участка сопловой лопатки. В частности, радиально внутренний узел платформы может подвергаться чрезвычайно высокой нагрузке, требуя интенсивного охлаждения.

Согласно варианту осуществления, устройство сопловой лопатки представляет собой интегрально образованный узел, в частности, отлитый в одно целое. В частности, устройство сопловой лопатки может быть отлито из металла, например стали, для обеспечения цилиндрического сегмента, содержащего одну или несколько сопловых лопаток, например две сопловые лопатки, которые поддерживаются радиально внутренним узлом платформы и радиально внешним узлом платформы, по меньшей мере один среди которых может охлаждаться, используя охлаждающий канал.

Согласно варианту осуществления, обеспечен способ для изготовления узла платформы для поддержки сопловой лопатки для газовой турбины, причем узел платформы представляет или обеспечивает сегмент в круговом направлении газовой турбины, при этом способ изготовления содержит: размещение поверхности прохождения газа так, чтобы находиться в контакте с потоковым рабочим газом; образование охлаждающего канала внутри части платформы и придание формы охлаждающему каналу для направления охлаждающей текучей среды таким образом, что охлаждающий участок внутренней поверхности охлаждающего канала находится в тепловом контакте с поверхностью прохождения газа, причем узел платформы образуют интегрально, в частности, за счет литья.

Заметим, что варианты осуществления изобретения были описаны, обращаясь к различным объектам изобретения. В частности, некоторые варианты осуществления были описаны, обращаясь к пунктам формулы изобретения для способа, тогда как другие варианты осуществления были описаны, обращаясь к пунктам формулы изобретения для устройства.

Однако специалист в данной области техники почерпнет из приведенного выше и последующего описания то, что, пока не отмечено по иному, принимаются во внимание любые сочетания признаков, принадлежащих к одному типу объекта изобретения, а также любые сочетания между признаками, относящимися к различным объектам изобретения, в частности, между признаками пунктов формулы изобретения для способа и признаками пунктов формулы изобретения для устройства, в качестве тех, которые должны быть раскрыты в этом документе.

Аспекты, определенные выше, и дополнительные аспекты настоящего изобретения очевидны из примеров варианта осуществления, который должен быть описан в дальнейшем, и разъяснены, обращаясь к примерам варианта осуществления. Изобретение в дальнейшем будет описано более подробно, обращаясь к примерам вариантов осуществления, при этом изобретение не ограничено ими.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематично проиллюстрирован вид в перспективе устройства сопловой лопатки согласно варианту осуществления;

на фиг. 2 схематично проиллюстрирована форма охлаждающего канала, который может быть использован в сегменте платформы, поддерживающем сопловую лопатку для газовой турбины, согласно варианту осуществления; и

на фиг. 3 схематично с нижней стороны изображен вид в перспективе устройства сопловой лопатки, проиллюстрированного на фиг. 1.

Подробное описание

Иллюстрация на чертежах является схематичной. Замечено, что на различных фигурах подобные или идентичные элементы снабжены одинаковыми ссылочными позициями, или ссылочными позициями, которые отличаются от соответствующих ссылочных позиций лишь первой цифрой.

На фиг. 1 схематично изображен вид в перспективе устройства 100 сопловой лопатки согласно варианту осуществления,. Устройство сопловой лопатки содержит радиально внутренний узел 150 платформы и радиально внешний узел 170 платформы. Радиально внутренний узел 150 платформы и радиально внешний узел 170 платформы поддерживают сопловую лопатку 101. Сопловая лопатка 101 имеет аэродинамический профиль, а также имеет переднюю кромку 103, обращенную к рабочему газу, текущему в направлении 105. Сопло 101 дополнительно содержит заднюю поверхность 107 и переднюю поверхность 109, причем рабочий газ течет вдоль передней поверхности 109 и задней поверхности 107 для встречи на задней кромке 111, где рабочий газ покидает сопловую лопатку 101.

Ось вращения ротора газовой турбины может проходить приблизительно вдоль х-направления. Таким образом, на фиг. 1, 2 и 3 х-направление может соответствовать осевому направлению.

Радиально внутренний узел 150 платформы образован интегрально, в частности, образован совместно с направляющей лопаткой 101 и радиально внешним узлом 170 платформы. Радиально внутренний узел 150 платформы содержит поверхность 113 прохождения газа, которая контактирует с рабочим газом, который может быть выпущен камерой сгорания. В области 115 поверхности 113 прохождения газа, расположенной сзади сопловой лопатки 101, а конкретнее сзади задней кромки 111 сопловой лопатки 101, поверхность 113 прохождения газа в результате падающего горячего рабочего газа может подвергаться особенно высоким износу и напряжению.

Для выполнения охлаждения области 115 поверхности 113 прохождения газа, в радиально внутреннем узле 150 платформы образован канал 117. Канал 117 проходит главным образом в круговом направлении 119. Как можно видеть на чертеже фиг. 1, канал 117 предусмотрен внутри радиально внутреннего узла 150 платформы под областью 115 поверхности 113 прохождения газа для того, чтобы охлаждать область 115 поверхности 113 прохождения газа. Тепло, поглощенное в области 115, проводится через металл узла 150 платформы и выходит на внутреннюю поверхность канала 117, через который направляется охлаждающая текучая среда, например сжатый воздух. Охлаждающая текучая среда взаимодействует с внутренней поверхностью охлаждающего канала 117 и принимает часть тепловой энергии, изначально поглощенной в области 115 поверхности 113 прохождения газа.

На фиг. 2 схематично проиллюстрирован внутренний вид в перспективе охлаждающего канала 117. Таким образом, структура, изображенная на фиг. 2, представляет форму канала 117 (т.е. форму полости), образованного в радиально внутреннем узле 150 платформы, проиллюстрированном на фиг. 1. Охлаждающий канал 117 содержит первый охлаждающий участок 121 и второй охлаждающий участок 123, которые взаимосвязаны друг с другом, используя изогнутые участки 122 канала. Первый участок 121 охлаждающего канала и второй участок 123 охлаждающего канала расположены параллельно друг другу, и оба главным образом проходят (т.е. с максимальной протяженностью) в круговом направлении 119.

В частности, в проиллюстрированном варианте осуществления длина l первого участка 121 охлаждающего канала и второго участка 123 охлаждающего канала составляет около 18 мм. Более того, первый участок 121 охлаждающего канала и второй участок 123 охлаждающего канала проходят в осевом направлении (сориентированном приблизительно вдоль х-направления) на ширину w, которая составляет от 4 мм до 6 мм. Более того, первый участок 121 охлаждающего канала и второй участок 123 охлаждающего канала проходят в радиальном направлении (сориентированном приблизительно вдоль z-направления) на высоту h, которая составляет около 3 мм. Также возможны другие размеры.

Первый участок 121 охлаждающего канала и второй участок 123 охлаждающего канала дополнительно содержат турбулизаторы 125, обеспечивающие небольшие барьеры для охлаждающей текучей среды, текущей вдоль направления, как указано стрелками 127, 127'. Турбулизаторы 125 перекрывают всю ширину w первого участка 121 охлаждающего канала и второго участка 123 охлаждающего канала. В частности, турбулизаторы 125 проходят поперек кругового направления 119, в частности, под углом α к круговому направлению, который может иметь диапазон между 60 и 120°. Турбулизаторы 125 действуют в качестве неполных барьеров для охлаждающей текучей среды, в частности охлаждающего воздуха, текущего в охлаждающем канале 117 вдоль направлений 127, 127'. Таким образом, увеличивается турбулентность перемещающейся охлаждающей текучей среды для увеличения теплоотдачи от внутренней поверхности охлаждающего канала к охлаждающей текучей среде.

Охлаждающая текучая среда, в частности сжатый воздух, может быть передана к охлаждающему каналу через входное отверстие 129. В частности, входное отверстие 129 размещено с передней стороны охлаждающего канала 117, где размещен первый участок 121 охлаждающего канала. Таким образом, охлаждающая текучая среда, введенная через входное отверстие 129, сначала течет в первый участок 121 охлаждающего канала, раздваиваясь у входного отверстия 129 на два противоположных направления 127 и 127'. Охлаждающая текучая среда проходит вдоль первого участка 121 охлаждающего канала, тем самым поглощая тепловую энергию от внутренней поверхности первого участка 121 охлаждающего канала. Впоследствии охлаждающая текучая среда проходит через изогнутые участки 122 охлаждающего канала 117 и входит во второй участок 123 охлаждающего канала в двух противоположных направлениях 128 и 128'. Охлаждающая текучая среда направляется во втором участке 123 охлаждающего канала и дополнительно поглощает тепловую энергию от внутренней поверхности второго участка 123 охлаждающего канала.

Охлаждающая текучая среда может выйти из охлаждающего канала 117 через одно или несколько отверстий (не проиллюстрированы на фиг. 2), которые ведут к проходу рабочего газа, который связан с поверхностью 113 прохождения газа, проиллюстрированной на фиг. 1. Таким образом, охлаждающая текучая среда выходит из охлаждающего канала 117, как указано стрелками 131. Охлаждающая текучая среда, выходящая через охлаждающие отверстия в радиально внутреннем узле 150 платформы, может охладить область 115 поверхности 113 прохождения газа пленочным охлаждением.

На фиг. 3 схематично проиллюстрирован вид в перспективе устройства 100 сопловой лопатки, проиллюстрированного на фиг. 1, с нижней стороны (т.е. смотря радиально наружу из местоположения, близкого к оси вращения). Охлаждающий канал 117 отображен пунктирной линией, как на фиг. 1. Как можно увидеть на иллюстрации фиг. 3, охлаждающий канал 117 размещен у осевого местоположения (осевом направлении, проходящем приблизительно вдоль х-направления), соответствующего осевому положению выходной кромки 111 сопловой лопатки 101. В частности, в этой области, соответствующей области 115 поверхности 113 прохождения газа, проиллюстрированной на фиг. 1, горячий рабочий газ может иметь чрезвычайно сильное влияние на целостность поверхности 113 прохождения газа. Как можно видеть на фиг. 3, устройство 100 сопловой лопатки содержит две сопловых лопатки 101, разнесенных в круговом направлении 119.

В других вариантах осуществления, охлаждающий канал 117 может также присутствовать на радиально внешнем сегменте 170 платформы, проиллюстрированном на фиг. 1.

Варианты осуществления, в частности, могут решать задачи области платформы сопловой лопатки, которая подвергается воздействию от высоких температур газа. Традиционно такие области могут охлаждаться инжекционным охлаждением, охлаждением за счет теплопроводности или пленочным охлаждением. Согласно варианту осуществления, достигается высокая степень охлаждения области платформы, где традиционные способы охлаждения невозможны по причине геометрических ограничений или охлаждающей способности, недостаточной для того, чтобы гарантировать удовлетворительный срок службы опорной конструкции сопловой лопатки. В частности, пленочное охлаждение может находиться под действием смешивания и искажения от горячего рабочего газа, особенно если существует большое значение пространственного изменения температуры.

Согласно варианту осуществления, полость (также называемая охлаждающим каналом) отливается в узле платформы между поверхностью, обтекаемой газом (открытой для рабочего газа) и поверхностью, не обтекаемой газом, с множеством взаимосвязанных проходов. Охлаждающая текучая среда, например сжатый воздух, может быть подана в эту полость и может пройти вдоль каждого прохода, таким образом, охлаждая стенки прохода конвекцией. Охлаждение стенки, наиболее близкой к горячему газу, может быть улучшено элементами в полости или охлаждающем канале для увеличения турбулентности охлаждающего воздуха, например, предусмотрев ребра, выступы и/или ребристые выступы. Охлаждающий воздух может быть выпущен из полости через одно или несколько выходных отверстий либо на поверхность, обтекаемую газом (также именуемую поверхностью прохождения газа), где он может обеспечить пленочное охлаждение, либо в полость ротора-статора.

Согласно варианту осуществления, дана возможность охлаждения сопловой лопатки, где невозможно использовать традиционные способы из-за геометрических особенностей платформы сопловой лопатки либо где традиционные способы обеспечивают недостаточное охлаждение платформы.

Должно быть замечено, что термин "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множества. Также, элементы, описанные в связи с различными вариантами осуществления, могут быть объединены. Должно быть замечено, что ссылочные позиции в формуле изобретения не должны подразумеваться в качестве ограничивающих объем формулы изобретения.

1. Узел платформы для поддержки сопловой лопатки для газовой турбины, причем узел платформы содержит:
- поверхность (113) прохождения газа, расположенную так, чтобы контактировать с потоковым рабочим газом; и
- по меньшей мере один охлаждающий канал (117), имеющий форму для направления охлаждающей текучей среды в охлаждающем канале, причем охлаждающий канал образован внутри узла платформы, при этом охлаждающий участок внутренней поверхности охлаждающего канала находится в тепловом контакте с поверхностью прохождения газа,
- причем узел платформы представляет собой интегрально образованный узел, представляющий сегмент в круговом направлении газовой турбины,
причем охлаждающий канал содержит
первый участок (121) охлаждающего канала и второй участок (123) охлаждающего канала, размещенный после первого участка охлаждающего канала в отношении потокового направления рабочего газа,
причем первый участок (121) охлаждающего канала и второй участок (123) охлаждающего канала взаимосвязаны таким образом, что охлаждающая текучая среда направляется в первый участок (121) охлаждающего канала, а затем направляется во второй участок (123) охлаждающего канала,
причем первый участок (121) охлаждающего канала и второй участок (123) охлаждающего канала оба главным образом проходят вдоль кругового направления (119),
причем первый участок (121) охлаждающего канала и второй участок (123) охлаждающего канала приспособлены таким образом, что
- первая часть охлаждающей текучей среды течет в первом направлении в первом сегменте первого участка (121) охлаждающего канала;
- вторая часть охлаждающей текучей среды течет во втором направлении во втором сегменте первого участка (121) охлаждающего канала;
- первая часть охлаждающей текучей среды течет в первом сегменте второго участка (123) охлаждающего канала и
- вторая часть охлаждающей текучей среды течет во втором сегменте второго участка (123) охлаждающего канала,
причем первая часть охлаждающей текучей среды и вторая часть охлаждающей текучей среды текут по направлению друг к другу и соединяются друг с другом во втором участке (123) охлаждающего канала.

2. Узел платформы по п.1, причем охлаждающий канал сконфигурирован таким образом, что протяженность охлаждающего канала в круговом направлении (119) по меньшей мере в три раза больше, чем протяженность охлаждающего канала в любом другом направлении.

3. Узел платформы по п.1 или 2, дополнительно содержащий турбулизатор (125), выступающий от охлаждающего участка внутренней поверхности охлаждающего канала для увеличения турбулентности охлаждающей текучей среды, направляемой в охлаждающем канале.

4. Узел платформы по п.3, причем турбулизатор (125) проходит вдоль охлаждающего участка внутренней поверхности поперек кругового направления.

5. Узел платформы по п.1, дополнительно содержащий:
входное отверстие (129) для ввода охлаждающей текучей среды в охлаждающий канал, причем входное отверстие размещено с передней стороны охлаждающего канала в отношении потокового направления рабочего газа.

6. Узел платформы по п.1, дополнительно содержащий
выходное отверстие, позволяющее охлаждающей текучей среде выходить из охлаждающего канала по направлению к потоковому рабочему газу.

7. Узел платформы по п.6, причем выходное отверстие позволяет охлаждающей текучей среде выходить из охлаждающего канала на участке охлаждающего канала, расположенном последним в отношении потокового направления рабочего газа.

8. Узел платформы по п.6, причем выходное отверстие сконфигурировано таким образом, что выходящая охлаждающая текучая среда охлаждает поверхность прохождения газа у осевого местоположения задней кромки сопловой лопатки.

9. Узел платформы по п.6, причем выходное отверстие обращено к полости ротора-статора.

10. Устройство сопловой лопатки, содержащее:
- узел (150, 170) платформы для сопловой лопатки для газовой турбины по любому из предшествующих пунктов;
- сопловую лопатку (101), поддерживаемую узлом платформы и выступающую от поверхности прохождения газа.

11. Устройство сопловой лопатки по п.10, причем охлаждающий канал размещен аксиально после сопловой лопатки в отношении потокового направления рабочего газа.

12. Устройство сопловой лопатки по п.10 или 11, причем узел платформы поддерживает сопловую лопатку у радиально внутреннего участка сопловой лопатки.

13. Устройство сопловой лопатки по п.10, причем устройство сопловой лопатки представляет собой интегрально образованный узел.

14. Способ для изготовления узла платформы для поддержки сопловой лопатки для газовой турбины, при этом узел платформы обеспечивает сегмент в круговом направлении газовой турбины, причем способ содержит:
- размещение поверхности прохождения газа так, чтобы контактировать с потоковым рабочим газом;
- образование охлаждающего канала внутри узла платформы и
- придание формы охлаждающему каналу для направления охлаждающей текучей среды таким образом, что охлаждающий участок внутренней поверхности охлаждающего канала находится в тепловом контакте с поверхностью прохождения газа,
причем узел платформы образован интегрально,
причем охлаждающий канал образован таким образом, что он содержит
первый участок (121) охлаждающего канала и второй участок (123) охлаждающего канала, размещенный после первого участка охлаждающего канала в отношении потокового направления рабочего газа,
причем первый участок (121) охлаждающего канала и второй участок (123) охлаждающего канала взаимосвязаны таким образом, что охлаждающая текучая среда направляется в первый участок (121) охлаждающего канала, а затем направляется во второй участок (123) охлаждающего канала,
причем первый участок (121) охлаждающего канала и второй участок (123) охлаждающего канала оба главным образом проходят вдоль кругового направления (119),
причем первый участок (121) охлаждающего канала и второй участок (123) охлаждающего канала приспособлены таким образом, что
- первая часть охлаждающей текучей среды течет в первом направлении в первом сегменте первого участка (121) охлаждающего канала;
- вторая часть охлаждающей текучей среды течет во втором направлении во втором сегменте первого участка (121) охлаждающего канала;
- первая часть охлаждающей текучей среды течет в первом сегменте второго участка (123) охлаждающего канала и
- вторая часть охлаждающей текучей среды течет во втором сегменте второго участка (123) охлаждающего канала,
причем первая часть охлаждающей текучей среды и вторая часть охлаждающей текучей среды текут по направлению друг к другу (в частности, противоположно друг другу) и соединяются друг с другом во втором участке охлаждающего канала.



 

Похожие патенты:

Неподвижная сопловая лопатка паровой турбины содержит аэродинамическую часть, а также внутреннюю и наружную боковые стенки, каждая из которых выполнена за одно целое с одной из сторон аэродинамической части.

Сегмент платформы, предназначенный для обеспечения опоры для сопловой направляющей лопатки для газовой турбины, содержит: поверхность канала для прохода газа, находящуюся в контакте с потоком газа, выходящего из камеры сгорания; поверхность охлаждения, расположенную напротив поверхности канала для прохода газа и имеющую тепловую связь с ней; стенку, выступающую от поверхности охлаждения и простирающуюся по меньшей мере частично в направлении потока; и дополнительную стенку, выступающую от поверхности охлаждения и простирающуюся по меньшей мере частично в направлении потока.

Газотурбинный двигатель включает сегмент кольцеобразного блока входного направляющего аппарата и опорное и охлаждающее устройство, поддерживающее сегмент направляющего аппарата и направляющее охлаждающую среду для его охлаждения.

При изготовлении композитного спрямляющего аппарата турбомашины, имеющего обод, снабженный рядом статорных лопаток, наматывают на оправку первые слои армирующей детали.

Статор компрессора осевой турбомашины содержит кольцевую группу лопаток, проходящих в радиальном направлении, внутренний корпус, сквозь который проходят внутренние концы лопаток, и по меньшей мере одну полосу.

Устройство передачи газообразных продуктов сгорания к турбине содержит несколько направляющих лопаток сопла, пару боковых стенок кольцеобразной формы, между которыми расположены направляющие лопатки сопла, пару разнесенных между собой опор, а также средство фиксации боковых стенок и присоединенных направляющих лопаток сопла между опорами.

Газотурбинный двигатель включает устройство блокировки вращения сегмента направляющего соплового аппарата, установленного внутри кольцевого картера газотурбинного двигателя, и теплозащитный лист, установленный между внутренней стенкой картера и наружной стенкой сегмента направляющего аппарата.

Газовая турбина осевого типа содержит ротор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых рабочих лопаток и теплозащитных экранов ротора и статор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых направляющих лопаток и теплозащитных экранов статора, установленных в держателе направляющих лопаток.

Сопловой элемент турбины из композиционного материала, содержащего волокнистое армирование, уплотненное керамической матрицей, включает участки внутреннего и внешнего оснований и, по меньшей мере, одну лопатку, присоединенную к ним обоим.

Направляющий аппарат турбины газотурбинного двигателя разделен на сектора, включающие внутреннюю и наружную платформы, связанные между собой радиальными лопатками.

Лопатка, используемая в потоке текучей среды турбинного двигателя, содержит тонкостенное проходящее в радиальном направлении аэродинамическое тело лопатки, имеющее отстоящие по оси друг от друга переднюю и заднюю кромки и радиально наружную полку.

Компонент лопасти или лопатки для турбомашины содержит внутреннее пространство между двумя противоположными внутренними стенками компонента, образующими проток для охлаждающей текучей среды в направлении выпускного отверстия для текучей среды в задней кромке компонента, и множество ребер, выступающих из двух противоположных внутренних стенок, образуя множество каналов на каждой из двух противоположных внутренних стенок, чтобы направлять охлаждающую текучую среду в направлении задней кромки.

Лопатка газовой турбины содержит хвостовик, перо с передней кромкой, заднюю кромку, радиальную наружную концевую часть, и корыто, и спинку между передней кромкой и задней кромкой, и систему каналов охлаждающего воздуха.

Изобретение может быть использовано при изготовлении полых, например, авиационных вентиляторных лопаток. На поверхность участков, не подвергаемых соединению при диффузионной сварке, наносят антиадгезионное покрытие.

Компонент газовой турбины для образования части ступени газовой турбины, выполненный с возможностью изменения схемы охлаждения, включает профильный участок пера, охлаждающий проход, пленочные отверстия и сменные соединители.

Охлаждаемая лопатка газотурбинного двигателя содержит полости для подвода охлаждающей среды, порошкообразный неметаллический пористый материал и металлический материал.

Сегмент платформы, предназначенный для обеспечения опоры для сопловой направляющей лопатки для газовой турбины, содержит: поверхность канала для прохода газа, находящуюся в контакте с потоком газа, выходящего из камеры сгорания; поверхность охлаждения, расположенную напротив поверхности канала для прохода газа и имеющую тепловую связь с ней; стенку, выступающую от поверхности охлаждения и простирающуюся по меньшей мере частично в направлении потока; и дополнительную стенку, выступающую от поверхности охлаждения и простирающуюся по меньшей мере частично в направлении потока.

Модульная лопатка или лопасть для газовой турбины содержит следующие модульные элементы: полку с плоской или профильной поверхностью, образующей уровень полки, и сквозным отверстием в нем и аэродинамический профиль, продолжающийся через полку.

Способ охлаждения рабочей лопатки турбины газотурбинного двигателя включает отбор охлаждающего воздуха из воздушной полости камеры сгорания, его транспортировку в аппарат закрутки, выполненный на статоре напротив диска турбины и последующий подвод охлаждающего воздуха из аппарата закрутки во вращающийся канал каждой рабочей лопатки.

Группа изобретений относится к способу изготовления лопатки (10) турбомашины из композитного материала и лопатке турбомашины из композитного материала. Лопатка содержит волокнистую деталь упрочнения, получаемую путем переплетения первого множества волокон и второго множества волокон.

Лопатка газовой турбины содержит хвостовик и перо лопатки с входной и выходной кромками и вершиной, систему каналов для охлаждающего воздуха, простирающихся от отверстия для охлаждающего воздуха в хвостовике посредством извилистого змеевидного канала к расположенному в зоне выходной кромки каналу у выходной кромки, имеющей выпуск для воздуха в выходной кромке, и обходной канал для воздуха. Обходной канал соединяет отверстие для охлаждающего воздуха в хвостовике с каналом, расположенным в зоне выходной кромки, в обход змеевидного канала. Система каналов для охлаждающего воздуха содержит радиальный канал, открытый в змеевидный проточный канал, а также в канал, расположенный в зоне вершины и соединяющий отверстие для охлаждающего воздуха в хвостовике посредством указанного радиального канала с, по меньшей мере, одним выпуском для воздуха на находящемся со стороны выходной кромки участке наружной в радиальном направлении поверхности вершины лопатки на верхней части вершины, подающей охлаждающий воздух к находящемуся со стороны выходной кромки участку наружной в радиальном направлении поверхности вершины лопатки на верхней части вершины. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения выходной кромки пера лопатки. 12 з.п. ф лы, 3 ил.
Наверх