Компонент газовой турбины

 

Изобретение относится к компоненту, образующему лопатку или лопасть роторной машины, имеющей ротор, вращающийся вокруг оси. Компонент содержит внутреннее пространство, формирующее проход для охлаждающей текучей среды и ограниченное первой и второй стенками, обращенными друг к другу, и по меньшей мере первые ребра, выступающие от первой стенки и проходящие по существу параллельно друг другу для формирования первых каналов для текучей среды от передней входной части каналов к задней выходной части каналов. Первые ребра проходят в первом направлении, формирующем первый угол наклона относительно оси в передней части, и во втором направлении, формирующем второй угол наклона относительно оси в задней части. Первый угол больше, чем второй угол. Изобретение позволяет улучшить охлаждение лопатки ротора или направляющей лопатки статора или любой подобной роторной машины. 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

Предпосылки изобретения и известный уровень техники

Настоящее изобретение относится к компоненту, образующему одну из лопастей и лопаток для роторной машины, имеющей ротор, который вращается вокруг оси, указанный компонент содержит внутреннее пространство, формирующее проход для охлаждающей текучей среды и ограниченное первой и второй стенками, обращенными друг к другу, и по меньшей мере первые ребра, выступающие от первой стенки и проходящие по существу параллельно друг другу для формирования первых каналов для текучей среды от передней входной части внутреннего пространства до задней выходной части внутреннего пространства.

Хотя настоящее изобретение применимо для лопаток ротора, а также направляющих лопаток статора, для упрощения в нижеследующем описании они называются просто "лопатка". Известно снабжение лопаток ротора для газовой турбины таким внутренним пространством или полостью, соединенной с источником охлаждающей текучей среды и формирующей проход для текучей среды. Такие лопатки для газовой турбины описаны в US-A-3854842 и US-A-4193738.

Однако такие охлаждающие проходы известных лопаток могут обеспечивать лишь довольно небольшие скорости охлаждающего воздуха вследствие ограниченного массового расхода воздуха и трудности выполнения выемки, имеющей малую толщину. Из-за низкой скорости охлаждающего воздуха возможен лишь пониженный охлаждающий эффект.

Для улучшения охлаждающего эффекта, GB-A-1410014 предлагает выполнение первого набора ребер, проходящих параллельно друг другу на первой стенке внутреннего пространства лопатки, и второго набора ребер, проходящих параллельно друг другу на второй, противоположной стенке внутреннего пространства лопатки. Ребра наклонены относительно оси вращения ротора и расположены таким образом, что первый набор ребер пересекает второй набор ребер. Благодаря такому решению можно значительно уменьшить площадь сечения потока охлаждающих проходов без уменьшения толщины внутренней полости лопатки.

Однако это известное решение имеет существенный недостаток. В нормальной лопатке ротора площади сечения потока охлаждающих проходов в области входа, то есть в передней или средней частях лопатки, существенно больше площади сечения потока охлаждающих проходов в области выхода, то есть в задней части лопатки, поскольку толщина внутренней полости больше в центральной части лопатки или лопасти, чем в заднем конце, формирующем выходные отверстия охлаждающих проходов. Это означает, что скорость охлаждающего воздуха в передней и средней частях лопатки ниже, чем в задней части лопатки, то есть охлаждающий эффект в передней и средней частях недостаточен.

Краткое описание изобретения

Задачей настоящего изобретения является преодоление указанных выше недостатков и улучшение охлаждающего эффекта лопатки ротора или направляющей лопатки статора газовой турбины или любой подобной роторной машины.

Эта задача достигается благодаря определенному в начале компоненту, отличающемуся тем, что указанные первые ребра проходят в первом направлении, формируя первый угол наклона относительно указанной оси в передней части, и во втором направлении, формируя второй угол наклона относительно оси в задней части, и тем, что первый угол больше, чем второй угол. Благодаря увеличению наклона ребер и, таким образом, каналов для охлаждающей текучей среды в передней области каналов, площадь сечения потока каналов значительно уменьшена, то есть скорость и теплопередача повышаются и, таким образом, получено более эффективное охлаждение лопатки или лопасти. Такая улучшенная эффективность охлаждения, которая согласно настоящему изобретению достигается относительно простым способом, повышает срок службы и надежность лопатки или лопасти. Кроме того, следует отметить, что большой угол наклона ребер в передней и средней частях лопатки ротора или направляющей лопатки статора увеличивает жесткость и, таким образом, прочность и надежность лопатки или лопасти.

Согласно варианту осуществления изобретения, вторые ребра отступают от второй стенки и проходят по существу параллельно друг другу для формирования вторых каналов для текучей среды от передней входной части до задней выходной части, причем вторые ребра проходят в третьем направлении, формируя третий угол наклона относительно оси в передней части, и в четвертом направлении, формируя четвертый угол наклона относительно оси в задней части, при этом третий угол больше, чем четвертый угол. Благодаря такому устройству каналов, охлаждающая текучая среда может равномерно распределяться в лопатке или лопасти, таким образом, обеспечивая достаточное охлаждение всех частей лопатки или лопасти. Таким образом, направления первых ребер могут пересекаться с направлениями вторых ребер, то есть, например, первые ребра будут наклонно подниматься вверх от передней части, тогда как вторые ребра в этом случае будут наклонно опускаться вниз от передней части. При таком устройстве, вторые ребра будут способствовать турбулентности в первых каналах, и первые ребра будут способствовать турбулентности во вторых каналах.

Согласно другому примеру осуществления изобретения, первые ребра соединены со вторыми ребрами в точке пересечения. Таким образом, прочность лопатки или лопасти значительно увеличивается по сравнению с лопаткой с непрерывной внутренней полостью.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, абсолютные значения первого и третьего углов по существу равны по меньшей мере в точке пересечения. Кроме того, абсолютные значения второго и четвертого углов могут также быть по существу равными по меньшей мере в точке пересечения.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, первые ребра расположены на стороне разрежения компонента и наклонно поднимаются вверх от оси и от входной части каналов, и вторые ребра расположены на стороне повышенного давления компонента и наклонно опускаются вниз к оси и от входной части каналов. Благодаря такому устройству, интенсификация теплопередачи воздушного потока будет больше на стороне повышенного давления лопатки ротора, что повышает эффект охлаждения стороны повышенного давления, имеющей большую температуру, чем температура стороны разрежения лопатки ротора.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, ребра подразделяются на передний набор ребер и задний набор ребер посредством зазора. Благодаря такому зазору получено более равномерное распределение охлаждающего потока. Таким образом, в по меньшей мере одном из указанных каналов может располагаться выступающий элемент, предназначенный для увеличения турбулентности охлаждающей текучей среды и, таким образом, для улучшения эффективности охлаждения. Кроме того, указанный выступающий элемент может иметь конфигурацию ребра, которое может отступать от одной из указанных первой и второй стенок и проходить в направлении, параллельном линии входной кромки существующего набора ребер.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, первый угол наклона составляет от 40 до 80, и второй угол наклона составляет от 10 до 50.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет теперь описано в связи с разными вариантами его осуществления, раскрытыми только как примеры, со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 изображает продольный вид в сечении лопатки, соответствующей первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.2 изображает вид поперечного сечения по линии II-II лопатки, показанной на фиг.1.

Фиг.3 изображает вид продольного сечения лопатки, соответствующей второму варианту осуществления изобретения.

Фиг.4 изображает вид поперечного сечения, сделанного по линии IV-IV лопатки, показанной на фиг.3.

Фиг.5 изображает вид продольного сечения лопатки, соответствующей третьему варианту осуществления изобретения.

Фиг.6 изображает вид поперечного сечения по линии VI-VI лопатки, показанной на фиг.5.

Фиг.7 изображает вид продольного селения лопатки, соответствующей четвертому варианту осуществления изобретения.

Фиг.8 изображает поперечное сечение по линии VIII-VIII лопатки, показанной на фиг.7.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Фиг.1 и 2 изображают лопатку 1 ротора с корневой частью 2, которая соединена с валом 3 ротора газовой турбины. Вал 3 ротора может вращаться вокруг оси x вращения. Вал 3 ротора и лопатки 1 ротора формируют ротор, заключенный в кожух 4. Кожух 4 и ротор образуют канал 5 для потока, в котором протекает газ в направлении, показанном стрелкой А.

Лопатка 1 ротора содержит внутреннее пространство или полость 6, формирующую проход для охлаждающей текучей среды и ограниченную первой стенкой 7 и второй стенкой 8, обращенной к первой стенке 7. Первая стенка 7 формирует сторону разрежения лопатки 1 ротора, и вторая стенка 8 формирует сторону повышенного давления лопатки 1 ротора. Лопатка 1 ротора имеет передний конец или часть 9 и задний конец или часть, которая обращена в направлении потока вдоль поверхностей лопатки 1 ротора. Внутреннее пространство 6 соединено с входным каналом 11, который входит в переднюю часть 9 лопатки 1 ротора и проходит через корневую часть 2 от источника охлаждающего сжатого воздуха, например, от компрессора (не показан) газовой турбины. Кроме того, внутреннее пространство 6 соединено с выходным отверстием 12, сформированным в задней части 10 лопатки 1 ротора между первой и второй стенками 7, 8. Выходное отверстие 12 проходит вдоль всей длины лопатки 1 ротора.

Согласно настоящему изобретению, внутреннее пространство 6 содержит первые ребра, расположенные на первой стенке 7, и вторые ребра, расположенные на второй стенке 8. Первые ребра включают передний набор ребер 13’ и задний набор ребер 13’’. Ребра 13’ переднего набора проходят по существу параллельно друг другу, и также проходят ребра 13’’ заднего набора. Вторые ребра также включают передний набор ребер 14’ и задний набор ребер 14’’, и ребра 14’ переднего набора проходят по существу параллельно друг другу, так же как и ребра 14’’ заднего набора.

Следует отметить, что передние наборы ребер 13’, 14’ проходят в передней части 9 и средней части лопатки 1, расположенной между передней частью 9 и задней частью 10, хотя в нижеследующем описании она отнесена к передней части 9 лопатки 1 для упрощения.

Передний набор ребер 13’ проходит в первом направлении, формирующем первый угол а наклона относительно оси x вращения, и задний набор ребер 13’’ проходит во втором направлении, формирующем второй угол b наклона относительно оси x вращения. Как можно видеть на фиг.1, первый угол больше, чем второй угол b. Таким же образом, передний набор ребер 14’ проходит в третьем направлении, формирующем третий угол с наклона относительно оси x вращения, и задний набор ребер 14’’ проходит в четвертом направлении, формирующем угол d наклона относительно оси x вращения, при этом третий угол с больше, чем четвертый угол d. Следует отметить, что абсолютные значения первого угла а и третьего угла с по существу равны, и что абсолютные значения второго угла b и четвертого угла d по существу равны. Благодаря описанному устройству ребер первые ребра 13’, 13’’ формируют каналы для потока, проходящие в первом направлении и пересекающие соответствующие каналы, сформированные вторыми ребрами 14’, 14’’. Первое и второе направления пересекаются друг с другом таким образом, что ребра 13’, 13’’ и 14’, 14’’ пересекают друг друга и соединяются в точке пересечения.

Как можно видеть на фиг.1, в задней части 10 может быть выполнено в два раза больше первых и вторых ребер 13’, 13’’, 14’, 14’’, чем в передней части 9 таким образом, что каждый канал для потока передней части 9 разделяется на два канала для потока в задней части 10. Благодаря описанному устройству таким образом можно получить по существу однообразную скорость потока в более толстой передней части 9, центральной средней части лопатки 1, а также наиболее тонкой задней части 10.

На фиг.3 и 4 показан второй вариант осуществления изобретения, в котором передний набор ребер 13’, 14’ отделен от заднего набора ребер 13’’, 14’’ зазором 15. Благодаря такому зазору 15 можно равномерно распределить охлаждающую текучую среду, поступающую из каналов для потока передней части 9, в каналы для потока задней части 10.

Следует отметить, что выступающие элементы, например, в виде ребер 16, 18, или любые подобные элементы также могут применяться в качестве альтернативы или дополнения в каналах для потока передней части 9. Кроме того, выступающие элементы могут применяться не только во входной зоне каналов для потока, а в любом месте в этих каналах, например, могут быть предусмотрены во входной зоне переднего набора ребер.

На фиг.5 и 6 показан третий вариант осуществления изобретения, в котором выступающие ребра 16 выполнены во входной зоне 17 каждого канала для потока задней части 10. Благодаря таким выступающим ребрам 16 может повышаться турбулентность в каналах для потока задней части 10, посредством чего повышается получаемый эффект охлаждения. Ребра 16 проходят в направлении, которое по существу перпендикулярно третьему и четвертому направлениям соответственно.

На фиг.7 и 8 показан четвертый вариант осуществления изобретения, в котором выступающие ребра 18 проходят в направлении, которое по существу параллельно линии 19 входного края заднего набора ребер и/или в направлении, которое по существу параллельно линии входного края переднего набора ребер.

Настоящее изобретение не ограничено описанными вариантами его осуществления и может изменяться и модифицироваться в пределах объема нижеследующей формулы изобретения.

Например, ребра 13’, 13’’ и 14’, 14’’, соответственно, могут проходить вдоль непрерывной линии, включающей изгиб, в котором углы наклона изменяются от первого угла а и третьего угла с, соответственно, до второго угла b и третьего угла а, соответственно.

В случае, когда компонент применяется в варианте лопатки статора, первые ребра могут применяться на стороне разрежения компонента и наклонно спускаться вниз, к оси и от передней части каналов, и вторые ребра могут применяться на стороне повышенного давления компонента и наклонно подниматься вверх от оси, от передней части каналов.

Формула изобретения

1. Компонент, образующий либо лопатку, либо лопасть для роторной машины, имеющей ротор (3), который может вращаться вокруг оси (х), указанный компонент (1) содержит внутреннее пространство (6), формирующее проход для охлаждающей текучей среды и ограниченное первой и второй стенками (7, 8), обращенными друг к другу, и, по меньшей мере, первые ребра (13', 13"), выступающие от первой стенки (7) и проходящие по существу параллельно друг другу для формирования первых каналов для текучей среды от передней входной части (9) каналов к задней выходной части (10) каналов, отличающийся тем, что первые ребра (13', 13") проходят в первом направлении, формирующем первый угол (а) наклона относительно оси (х) в передней части (9), и во втором направлении, формирующем второй угол (b) наклона относительно оси (х) в задней части (10), и тем, что первый угол (а) больше, чем второй угол (b).

2. Компонент по п.1, отличающийся тем, что вторые ребра (14', 14") выступают от второй стенки (8) и проходят, по существу, параллельно друг другу для формирования вторых каналов для текучей среды от передней входной части (9) к задней выходной части (10), причем вторые ребра (14', 14") проходят в третьем направлении, формирующем третий угол (с) наклона относительно оси (х) в передней части (9), и в четвертом направлении, формирующем четвертый угол (d) наклона относительно оси (х) в задней части (10), и тем, что третий угол (с) больше, чем четвертый угол (d).

3. Компонент по п.2, отличающийся тем, что направления первых ребер (13', 13") пересекаются с направлениями вторых ребер (14', 14").

4. Компонент по п.3, отличающийся тем, что первые ребра (13', 13") соединены со вторыми ребрами (14', 14") в точке пересечения.

5. Компонент по любому из пп.3 и 4, отличающийся тем, что абсолютные значения первого и третьего углов (а, c), по существу, равны, по меньшей мере, в точке пересечения.

6. Компонент по любому из пп.3-5, отличающийся тем, что абсолютные значения второго и четвертого углов (b, d), по существу, равны, по меньшей мере, в точке пересечения.

7. Компонент по любому из пп.2-6, отличающийся тем, что первые ребра (13', 13") выполнены на стороне разрежения компонента (1) и наклонно поднимаются вверх от оси (х) и от передней части (9) каналов, и тем, что вторые ребра (14', 14") выполнены на стороне повышенного давления компонента (1) и наклонно опускаются вниз к оси (х) и от передней части (9) каналов.

8. Компонент по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что ребра (13', 13", 14', 14") разделены на передний набор ребер (13', 14') и задний набор ребер (13", 14") посредством зазора (15).

9. Компонент по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в одном из каналов расположен выступающий элемент, предназначенный для увеличения турбулентности охлаждающей текучей среды.

10. Компонент по любому из пп.8 и 9, отличающийся тем, что выступающий элемент расположен во входной зоне (17), по меньшей мере, одного из переднего и заднего наборов ребер (13', 13", 14', 14").

11. Компонент по любому из пп.9 и 10, отличающийся тем, что выступающий элемент имеет конфигурацию ребра, выступающего от одной из первой и второй стенок (7, 8).

12. Компонент по любому из пп.9 и 10, отличающийся тем, что ребро (18) проходит в направлении, параллельном линии входного края существующего набора ребер (13', 13", 14', 14").

13. Компонент по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что первый угол (а, с) наклона составляет от 40 до 80°.

14. Компонент по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что второй угол (b, d) наклона составляет от 10 до 50°.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8