Система входных направляющих лопастей для газотурбинного двигателя
Система входных направляющих лопастей для газовой турбины содержит множество элементов канала направляющих лопастей, включающих стенку стороны всасывания и стенку стороны повышенного давления. Обе стенки обращены друг к другу и предназначены для соединения друг с другом элементов канала направляющих лопастей, так что стенка стороны повышенного давления одного элемента взаимодействует со стенкой стороны всасывания смежного элемента с образованием направляющей лопасти. Каждый элемент канала направляющих лопастей включает элементы для размещения шпоночного элемента, фиксирующего вместе примыкающие друг к другу элементы канала направляющих лопастей и расположенного между стенкой стороны повышенного давления и стенкой стороны всасывания смежных элементов канала направляющих лопастей. Изобретение позволяет упростить изготовление системы направляющих лопастей, имеющих охлаждающие каналы. 16 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к системе входных направляющих лопастей для газотурбинного двигателя.
Лопатки, в частности лопасти статора в газотурбинном двигателе, в частности в генераторной турбине с осевым потоком газа, подвергаются механическим и тепловым нагрузкам во время работы турбины. Тепловые и механические нагрузки вызываются потоком горячего газа, нагревающим лопасти и прикладывающим силы к лопастям. В частности, первые направляющие лопасти сопла непосредственно по потоку после камеры сгорания генератора газа подвергаются воздействию температур горячего газа. Один пример лопаток генераторной турбины с осевым потоком газа раскрыт в публикации WO 2004/016910.
К конструкции лопастей предъявляются высокие требования относительно достаточной механической целостности для выдерживания прикладываемых нагрузок во время работы.
Кроме того, целостность лопастей зависит также от долговечности лопастей. В частности, когда лопасть подвергается воздействию высокой температуры в комбинации с высоким напряжением в течение длительного периода времени, то может проявляться ползучесть лопасти, приводящая к трещинам в материале лопасти и в конечном итоге к механическому разрушению.
Прочность материала лопасти зависит от напряжений, прикладываемых во время работы, рабочей температуры и длительности работы. Для улучшения механической целостности и срока службы лопасти обычно охлаждают материал лопасти.
Лопасть снабжена внутренними охлаждающими проходами, через которые проходит поток охлаждающего воздуха. Охлаждающий воздух отводится от компрессора генератора газа, что означает значительное ухудшение эффективности и выходной мощности.
Узел направляющих лопастей газогенераторной турбины состоит из множества секций направляющих лопастей, скрепленных друг с другом. Каждый узел направляющей лопасти содержит лопасть и часть ступицы и бандажную часть. Каждая часть ступицы секции направляющей лопасти упирается в часть ступицы смежной секции направляющей лопасти с образованием за счет этого ступицы узла направляющих лопастей. Каждая бандажная часть секции направляющей лопасти упирается в бандажную часть смежной секции направляющей лопасти с образованием за счет этого кожуха узла направляющих лопастей.
Разделение узла направляющих лопастей на секции направляющей лопасти является равномерным, так что каждая секция направляющей лопасти является идентичной по своей геометрии и размерам. Поэтому каждую секцию направляющей лопасти можно изготавливать аналогичным образом. Обычно секции направляющей лопасти изготавливают способом литья.
Однако для целей охлаждения направляющие лопасти узла направляющих лопастей снабжены внутренними охлаждающими проходами. Поскольку геометрические размеры направляющих лопастей являются небольшими, то трудно изготавливать внутренние охлаждающие проходы внутри материала направляющей лопасти относительно точности и приемлемой стоимости изготовления.
С учетом того что температура газа, воздействующего на лопасти в современных газовых турбинах, может достигать или даже превосходить 80% температуры плавления доступных материалов никелевых сплавов, современные технологии литья внутренних охлаждающих проходов усовершенствованы до очень высокого уровня. Принципиальным препятствием является практическая точность, с которой можно изготавливать внутренние отливаемые охлаждающие проходы, особенно с применением сплавов с очень передовой микроструктурой, таких как материалы с направленным затвердеванием и монокристаллические материалы. Это приводит к тенденции уменьшения эффективности охлаждения и образованию более крупных проходов, что обуславливает потерю воздуха и ухудшает рабочие характеристики машины.
Кроме того, погрешности литья означают, что распределение охлаждающего воздуха обычно далеко от равномерного вокруг газовой турбины, поэтому конструкцию сопловой направляющей лопасти приходится выбирать для наихудшего случая, что означает потерю воздуха для почти всех других сопловых направляющих лопастей. Это особенно критично для небольших газотурбинных двигателей, где допуски литья являются намного большей долей размера части и прохода. Это означает также, что средняя толщина стенки должна быть больше, чем желательно, для предотвращения слабости в наихудшем случае. Это приводит к большему тепловому сопротивлению и тем самым снова уменьшает эффективность охлаждения.
Задачей изобретения является создание системы входных направляющих лопастей для газотурбинного двигателя, в которой элемент канала направляющих лопастей имеет высокую эффективность охлаждения и, тем не менее, может просто изготавливаться с высокой точностью.
Согласно изобретению эта задача решена посредством создания системы входных направляющих лопастей для газотурбинного двигателя. Система входных направляющих лопастей, согласно изобретению, для газотурбинного двигателя содержит множество элементов канала направляющих лопастей, при этом элементы канала направляющих лопастей содержат стенку стороны всасывания и стенку стороны повышенного давления, при этом обе стенки обращены друг к другу и предназначены для соединения друг с другом указанных элементов канала направляющих лопастей, так что стенка стороны повышенного давления одного элемента канала направляющих лопастей взаимодействует со стенкой стороны всасывания смежного элемента канала направляющих лопастей, с образованием за счет этого направляющей лопасти. Кроме того, элемент канала направляющих лопастей включает элементы для приема шпоночного элемента, предназначенного для расположения между стенкой стороны повышенного давления и смежной стенкой стороны всасывания, так что когда два элемента канала направляющих лопастей примыкают друг к другу, то шпонка фиксирует вместе оба примыкающих друг к другу элемента канала направляющих лопастей.
Элемент канала направляющих лопастей задает проточный канал, ограниченный стенкой стороны всасывания и стенкой стороны повышенного давления. При расположении множества указанных элементов канала направляющих лопастей сторона к стороне образуется система направляющих лопастей, в которой пары, заданные смежными стенками стороны повышенного давления и стенками стороны всасывания, образуют соответствующие направляющие лопасти. В случае расположения заданного количества элементов канала направляющих лопастей рядом друг с другом образуется система направляющих лопастей.
Поскольку направляющая лопасть образована стенкой стороны повышенного давления одного элемента канала направляющих лопастей и стенкой стороны всасывания смежного элемента канала направляющих лопастей, то направляющая лопасть задана двумя отдельными элементами канала направляющих лопастей. Поэтому внутри направляющей лопасти предусмотрена разделительная поверхность и при разделении двух смежных элементов канала направляющих лопастей внутреннее пространство направляющей лопасти является доступным снаружи.
Поэтому при изготовлении элемента канала направляющих лопастей проточный проход между стенкой стороны всасывания и стенкой стороны повышенного давления изготавливается внутри, в то время как разделительная поверхность направляющей лопасти открыта наружу. Например, элемент канала направляющих лопастей можно изготавливать посредством литья, при этом проточный канал со своей стенкой стороны всасывания и стенкой стороны повышенного давления образуется с использованием сердечника, и с помощью машинной обработки разделительной поверхности, например, изготавливаются внутренние охлаждающие проходы внутри направляющей лопасти.
Геометрические размеры проточного прохода намного больше по сравнению с геометрическими размерами охлаждающих проходов. В целом, машинная обработка обеспечивает меньшие допуски по сравнению с литьем. Поэтому целесообразно изготавливать проточный проход с помощью сердечника литейной формы, а охлаждающие проходы - с помощью машинной обработки, поскольку литейные допуски проточного прохода имеют аналогичное относительное действие на основной поток, как и допуски машинной обработки охлаждающих проходов на охлаждающий поток. Кроме того, сердечник литейной формы для основного проточного канала является менее сложным, более крупным и более стабильным, что способствует большей производительности изготовления.
Дополнительно к этому, возможность точной калибровки положения охлаждающего прохода направляющей лопасти приводит к тому, что с помощью машинной обработки разделительной поверхности можно корректировать погрешности выравнивания сердечника и литейной формы, что ведет к меньшему разбросу параметров, и тем самым можно уменьшать допуски проточного прохода и толщины как стенки стороны всасывания, так и стенки стороны повышенного давления. В соответствии с этим можно уменьшать количество необходимого охлаждающего воздуха, что приводит к повышению общей эффективности газотурбинного двигателя.
Элемент канала направляющей лопасти может содержать стенку сегмента ступицы и стенку сегмента бандажа, обращенные друг к другу и образующие ступицу или бандаж ряда направляющих лопастей, соответственно, когда множество элементов канала направляющих лопастей расположены рядом друг с другом.
Поэтому элемент канала направляющих лопастей имеет коробчатую структуру, заданную стенкой стороны всасывания, стенкой стороны повышенного давления, стенкой сегмента ступицы и стенкой сегмента бандажа. Эта коробчатая структура является жесткой и имеет большую механическую прочность и устойчивость.
Кроме того, предпочтительно, что как стенка сегмента ступицы, так и стенка сегмента бандажа имеют заданную длину по потоку перед передней кромкой направляющей лопасти и по потоку после задней кромки.
В целом, газотурбинный двигатель содержит камеру сгорания с переходной зоной. Поэтому, когда элемент канала направляющих лопастей установлен в газотурбинном двигателе по потоку вблизи задней стороны камеры сгорания, заданные длины предпочтительно выбирают так, чтобы они проходили до переходной зоны. При обычной конструкции соединение между направляющими лопастями проходит от по потоку передней кромки ряда лопастей до по потоку задней кромки и открыто для потока в канале по всей его длине. Обычно происходит утечка горячего газа, который входит в соединение и вызывает повреждение опорной структуры лопасти. В конструкции, согласно изобретению, большая часть соединения между лопастями лежит между поверхностями всасывания и повышенного давления, то есть не подвергается воздействию горячего газа в турбине. Поэтому утечка в месте соединения боковой стенки ступицы и боковой стенки бандажа сокращена в длину до размеров выше по потоку и ниже по потоку. Это соединение является в настоящее время печально известным в качестве места утечки и потери охлаждающего воздуха, а также нарушения аэродинамических свойств турбины, приводящего к уменьшению аэродинамической эффективности.
Такое осуществление способствует также предотвращению потери давления на охлаждение, поскольку позволяет использовать воздух охлаждения направляющих лопастей повторно в камере сгорания. Это повышает термодинамическую эффективную температуру сгорания турбины без изменения физической температуры наиболее горячего газа, которая ограничена применяемыми материалами и выбросами. Результатом является улучшенный выхлоп газотурбинного двигателя и эффективность для любой заданной технологии материалов. Это позволяет также выполнять опору первой лопасти на камеру сгорания. Посредством опоры направляющей лопасти на камеру сгорания можно сэкономить значительную часть механических систем турбины с целью уменьшения стоимости. В комбинации с системой трубчатого типа, предназначенной для обеспечения возможности удаления переходных каналов через центральный кожух, этот подход обеспечивает также возможность очень быстрой инспекции и замены наиболее горячих лопаток, что обеспечивает преимущество дальнейшего сокращения времени простоя.
Предпочтительно элемент канала направляющих лопастей изготовлен из высокотемпературного материала, в частности керамического материала или тугоплавкого металлического сплава.
Использование высокотемпературных материалов позволяет увеличивать температуру на выходе камеры сгорания, что повышает термодинамическую эффективность газового генератора.
При обычной направляющей лопасти, изготовленной из этих высокотемпературных материалов, сложно или даже невозможно для некоторых конфигураций формировать охлаждающие проходы в направляющей лопасти. Однако предусмотрение элемента канала направляющих лопастей позволяет его разделительным поверхностям на стенке стороны повышенного давления и стенке стороны всасывания содержать охлаждающие проходы, хотя геометрическая форма элемента канала направляющих лопастей остается простой. За счет машинной обработки или комбинации литья и машинной обработки можно обеспечивать более сложную геометрическую форму охлаждающих проходов. Сложные геометрические формы обеспечивают более эффективное использование охлаждающей среды, такой как охлаждающий воздух, обеспечивая более низкую температуру направляющих лопастей и/или меньшее использование охлаждающей среды.
В качестве альтернативного решения для более низкой температуры направляющих лопастей далее вниз по потоку элемент канала можно изготавливать посредством прессования или ковки его из листового или пластинчатого материала с выполнением в виде отдельной детали, например в виде конической трубы, или из двух половин, которые затем соединяют вместе.
Две половины можно соединять вместе с помощью сварки оплавлением.
В частности, две половины можно соединять вместе на стенке сегмента ступицы или стенке сегмента бандажа между стенкой стороны всасывания и стенкой стороны повышенного давления.
Такое изготовление элемента канала направляющих лопастей уменьшает время производства и позволяет использовать кованый материал с улучшенной прочностью машинной обработки.
Кроме того, можно снабжать элемент канала направляющих лопастей покрытием.
Предпочтительно поверхность элемента канала направляющих лопастей можно отдельно маскировать для покрытия, что позволяет использовать заданные составы покрытия для разных нагрузок на поверхностях, открытых для охлаждающего воздуха, и поверхностях, открытых для горячего газа. В случае выхода охлаждающих проходов на поверхности стенки стороны всасывания или поверхности стенки стороны повышенного давления в проточный канал с охлаждающими отверстиями, предпочтительно во время обновления, можно повторно покрывать проточный проход, а затем охлаждающий проход можно промывать с задней охлаждаемой поверхности, следуя существующему пути прохождения, для удаления любой блокировки и обеспечения того, что осколки не засоряют охлаждающий проход.
Кроме того, предпочтительно для равномерности потока, что доступ для проникновения в охлаждающие отверстия улучшается и позволяет выполнять удаление заусенцев и остатков заусенцев из охлаждающих проходов, которые являются недоступными в уровне техники.
Предпочтительно направляющая лопасть содержит в собранном виде полое внутреннее пространство, предназначенное для охлаждения, при этом, в частности, внутреннее пространство снабжено турболизаторами.
Кроме того, предпочтительно, что шпоночный элемент выполнен с возможностью фиксации на стенке стороны повышенного давления и соответствующей стенке стороны всасывания с геометрическим замыканием, что исключает необходимость резьбовой фиксации на каждой лопасти.
Предпочтительно шпоночный элемент снабжен турболизаторами и/или отбойной трубой, что облегчается тем, что шпонка выполняется из более мягких материалов, чем элементы канала направляющих лопастей, поскольку она не вступает в контакт с горячим газом.
Предпочтительно, что, когда два элемента канала направляющих лопастей примыкают друг к другу стенкой стороны повышенного давления одного элемента канала направляющих лопастей и стенкой стороны всасывания смежного элемента канала направляющих лопастей, у передней кромки и/или у задней кромки задается линия раздела, содержащая, по меньшей мере, одно отверстие передней кромки и/или, по меньшей мере, одно отверстие задней кромки соответственно.
Предпочтительно, если форма соединения между смежными элементами канала направляющих лопастей выполнена так, что отверстия передней кромки и/или отверстия задней кромки образуют ряд отдельных отверстий для выпуска охлаждающего воздуха в основной поток.
Кроме того, предпочтительно, что шпоночный элемент выполнен с возможностью отклонения стенки стороны повышенного давления от смежной стенки стороны всасывания, так что, по меньшей мере, одно отверстие передней кромки и/или, по меньшей мере, одно отверстие задней кромки образованы в виде аэродинамической щели, проницаемой между проточным проходом и внутренним пространством и прикрепляющей выходящую охлаждающую среду в виде пленки на открытых для горячего газа стенках элементов канала направляющих лопастей.
Лопасти системы, согласно изобретению, могут быть прикреплены к выходу камеры сгорания.
Ниже приводится пояснение изобретения на основе предпочтительного варианта выполнения элемента канала направляющих лопастей со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - два смежных элемента канала направляющих лопастей, в изометрической проекции;
фиг.2 - элемент канала направляющих лопастей, в изометрической проекции;
фиг.3 - разрез направляющей лопасти, образованной двумя смежными элементами канала направляющих лопастей;
фиг.4 - разрез альтернативной направляющей лопасти, образованной двумя смежными элементами канала направляющих лопастей;
фиг.5 - разрез другой альтернативной направляющей лопасти, образованной двумя смежными элементами канала направляющих лопастей;
фиг.6 - система из трех смежных элементов канала направляющих лопастей, интегрированная с переходным каналом камеры сгорания трубчатого типа;
фиг.7 - система из трех смежных элементов канала направляющих лопастей, интегрированная с переходным каналом камеры сгорания кольцевого типа;
фиг.8 - задняя кромка направляющей лопасти, которая имеет ряды выходных отверстий.
Как показано на фиг.1-5, элемент 1 канала направляющих лопастей содержит стенку 2 стороны всасывания, стенку 3 стороны повышенного давления, стенку 4 сегмента ступицы и стенку 5 сегмента бандажа. Стенка 3 стороны повышенного давления расположена напротив стенки 2 стороны всасывания, и стенка 4 сегмента ступицы расположена напротив стенки 5 сегмента бандажа, так что указанные стенки 2, 3, 4, 5 образуют канал, который служит в качестве проточного прохода 9.
Как показано на фиг.1, два отдельных элемента 1 канала направляющих лопастей расположены сторона к стороне так, что стенка 2 стороны всасывания одного элемента 1 канала направляющих лопастей и стенка 3 стороны повышенного давления другого элемента 1 канала направляющих лопастей примыкают друг к другу, по меньшей мере, в некоторых точках, взаимодействуя тем самым с образованием направляющей лопасти 6. Направляющая лопасть 6 имеет переднюю кромку 7 и заднюю кромку 8, каждая из которых образована посредством сопряжения стенки 2 стороны всасывания одного элемента 1 канала направляющих лопастей со стенкой 3 стороны повышенного давления другого элемента 1 канала направляющих лопастей.
Внутри направляющей лопасти 6, т.е. между стенкой 2 стороны всасывания одного элемента 1 канала направляющих лопастей и стенкой 3 стороны повышенного давления другого элемента 1 канала направляющих лопастей образовано полое внутреннее пространство 10 направляющей лопасти 6. Через внутреннее пространство 10 может проходить поток охлаждающего воздуха с целью охлаждения направляющей лопасти 6 во время работы.
Как показано на фиг.2, для направления и управления потоком охлаждающего воздуха внутри внутреннего пространства 10 в нем образованы охлаждающие проходы 11. Охлаждающие проходы 11 заданы ребрами 12, предусмотренными на стенках 2 стороны всасывания внутри внутреннего пространства 10 и проходящими параллельно передней кромке 7 и задней кромке 8. Поэтому ребра 12 направляют охлаждающий воздух параллельно им, так что, например, охлаждающий воздух, входящий во внутреннее пространство 10, у стенки 4 сегмента ступицы направляется к стенке 5 сегмента бандажа. Ребра 12 расположены в зоне у передней кромки 7 и в средней части направляющей лопасти 6.
Во внутреннем пространстве 10 у задней зоны направляющей лопасти 6 и у задней кромки 8 предусмотрены столбиковые турболизаторы 13 для смешивания потока охлаждающего воздуха и создания турбуленций. Поэтому увеличивается перенос тепла с материала направляющей лопасти 6 в охлаждающий воздух. Зона, содержащая ребра 12, и зона, содержащая столбиковые турболизаторы 13, разделены разделительной стенкой 14. Аналогично стенке 2 стороны всасывания, ребра 12, разделительная стенка 14 и столбиковые турболизаторы 13 также предусмотрены на стенке 3 стороны повышенного давления.
При изготовлении элемента 1 канала направляющих лопастей, столбиковые турболизаторы можно формировать с помощью полой фрезы (фрез) или абразивной трубки (трубок). Ребра 12 можно изготавливать посредством фрезерования щелей или с помощью абразивных инструментов. В качестве альтернативного решения можно применять химическую обработку или обработку с помощью электрического разряда с отрицательного задающего электрода. Охлаждающие каналы 11 могут быть опущены намного ближе к аэродинамической поверхности стенки 2 стороны всасывания и стенки 3 стороны повышенного давления соответственно, и могут быть выполнены намного тоньше с уменьшением теплового сопротивления при одновременном выполнении более глубоких ребер 12 для большей механической прочности стенки 2 стороны всасывания и стенки 3 стороны повышенного давления.
В качестве альтернативного решения могут быть предусмотрены самоприспосабливающиеся турболизаторы во внутреннем пространстве 10. За счет доступности внутреннего пространства 10 при изготовлении элемента 1 канала направляющих лопастей можно легко прикреплять самоприспосабливающиеся турболизаторы.
На фиг.3-5 показана в разрезе направляющая лопасть 6. Направляющая лопасть 6 образована стенкой 2 стороны всасывания одного элемента 1 канала направляющих лопастей и стенкой 3 стороны повышенного давления другого элемента 1 канала направляющих лопастей. Во внутреннем пространстве 10 расположен шпоночный элемент 15. Шпоночный элемент 15 содержит сторону, обращенную к стенке 3 стороны повышенного давления, и сторону, обращенную к стенке 2 стороны всасывания. Обе стороны шпоночного элемента 15 снабжены двумя выступами, и стенка 2 стороны всасывания и стенка 3 стороны повышенного давления, соответственно, снабжены перемычками 28, взаимодействующими с выступами, образующими два ласточкиных хвоста 16 на каждой стороне шпоночного элемента 15. Ласточкины хвосты 16 проходят параллельно передней кромке 7 и задней кромке 8, за счет чего пространство 10 разделяется на четыре охлаждающих прохода 11, проходящих от стенки 4 сегмента ступицы к стенке 5 сегмента бандажа.
Кроме того, один элемент 1 канала направляющих лопастей и другой элемент 1 канала направляющих лопастей соединены друг с другом через шпоночный элемент 15 с помощью ласточкиных хвостов 16. При установке обоих элементов 1 канала направляющих лопастей указанные оба элемента 1 канала направляющих лопастей необходимо располагать сторона к стороне, и шпоночный элемент 15 вводится во внутреннее пространство 10 так, что выступы входят между соответствующими перемычками с образованием ласточкиных хвостов 16. Поэтому соединение элементов 1 канала направляющих лопастей является разъемным, что обеспечивает возможность быстрого удаления отдельных элементов 1 канала направляющих лопастей, например, для местного ремонта.
Кроме того, для стенки 4 сегмента ступицы и стенки 5 сегмента бандажа могут быть предусмотрены установочные кольца для восприятия силы, передаваемой через шпоночный элемент 15 с аэродинамических поверхностей стенки 2 стороны всасывания и стенки 3 стороны повышенного давления.
Шпоночный элемент 15 снабжен столбиковыми турболизаторами 13 между ласточкиными хвостами 16 шпоночного элемента 15, и часть передней кромки шпоночного элемента 15 снабжена реберными турболизаторами 17. Поэтому указанные турболизаторы 13 и 17 изготавливаются на шпоночном элементе 15, в то время как в качестве альтернативного решения стенка 2 стороны всасывания и стенка 3 стороны повышенного давления не имеют турболизаторов. Это особенно предпочтительно, когда элементы 1 канала направляющих лопастей выполнены из материала, который тверже, чем материал шпоночного элемента 15, с целью упрощения и ускорения производства. Кроме того, геометрическая форма элемента 1 канала направляющих лопастей является предпочтительно простой.
Перенос тепла осуществляется посредством излучения со стенок 2 и 3 к шпоночному элементу, а затем тепло отводится с помощью потока вокруг турболизаторов 13 и 17.
Для образования узла из нескольких направляющих лопастей несколько элементов 1 канала направляющих лопастей и их шпоночные элементы 15 могут быть соединены друг с другом посредством сплавления, или с помощью диффузионных средств, или посредством механического запирания.
В качестве альтернативного решения в части задней кромки внутреннего пространства 10 стенка 2 стороны всасывания снабжена столбиковыми турболизаторами 13 и стенка 3 стороны повышенного давления снабжена реберными турболизаторами 17. В качестве другого альтернативного решения в части задней кромки внутреннего пространства 10 стенка 2 стороны всасывания и стенка 3 стороны повышенного давления снабжены реберной гребенкой 18 в качестве турболизатора (см. фиг.5).
В качестве альтернативного решения в части задней кромки внутреннего пространства 10 в шпоночный элемент 15 включена отбойная труба 19, содержащая выпускные отверстия 20 (см. фиг.4, 5).
Кроме того, у передней кромки 7 и у задней кромки 8 стенка 2 стороны всасывания и стенка 3 стороны повышенного давления соединяются и образуют линию раздела.
Ласточкины хвосты 16 имеют такие размеры, что шпоночный элемент 15 удерживает на расстоянии стенку 2 стороны всасывания и стенку 3 стороны повышенного давления. Поэтому у линии раздела передней кромки направляющая лопасть 6 образована со щелью 21 передней кромки, как показано на фиг.3-5. Кроме того, у линии раздела задней кромки направляющая лопасть образована со щелью 22 задней кромки, как показано на фиг.5.
Щель 21 передней кромки и щель 22 задней кромки соединяют охлаждающий проход 11 с проточным каналом 9 так, что охлаждающий воздух может проходить из охлаждающего прохода 11 во внутреннее пространство 10 направляющей лопасти 6 наружу в проточный проход 9.
Поскольку линии раздела являются доступными снаружи при обращении с отдельным элементом 1 канала направляющих лопастей во время изготовления, то можно просто осуществлять машинную обработку щели 21 передней кромки и щели 22 задней кромки. В частности, щель 21 передней кромки и/или щель 22 задней кромки можно выполнять с плавной внутренней кромкой, за счет чего уменьшается сопротивление потоку щелей 21 и 22 и увеличивается проходящий поток охлаждающего воздуха и уменьшается изменяемость потока через смежные лопасти. Кроме того, задняя кромка 8 направляющей лопасти 6 выполнена более острой, за счет чего уменьшаются термодинамические и аэродинамические потери и ограничиваются возмущения ниже по потоку.
Щель 21 передней кромки расположена в кривизне передней кромки 7 в направлении стороны всасывания направляющей лопасти 6. Когда поток охлаждающего воздуха проходит из внутреннего пространства 10 через щель 21 передней кромки в проточный проход 9, то охлаждающий воздух транспортируется на стороне всасывания направляющей лопасти 6 с охлаждающим действием. Поэтому с помощью щели 21 передней кромки осуществляется пленочное охлаждение направляющей лопасти. В качестве альтернативного решения выход из прохода может осуществляться к стенке стороны повышенного давления.
В качестве альтернативного решения для щели линия раздела может быть снабжена множеством выемок 30 на стенке 3 стороны повышенного давления и/или на стенке 2 стороны всасывания. На фиг.8 показан в виде на заднюю кромку вариант выполнения с выемками 30 в стенке 3 стороны повышенного давления. Выемки 30 образуют ряды отверстий в передней кромке и/или задней кромке для выпуска охлаждающего воздуха.
Кроме того, охлаждающий воздух входит из внутреннего пространства 10 направляющей лопасти 6 в поток позади задней кромки 8. За счет этого предпочтительно возбуждается зона спутной струи направляющей лопасти. Поэтому улучшаются аэродинамические условия для расположенных ниже по потоку лопаток, в частности, относительно режимов вибрации потока.
Как показано на фиг.6, три элемента 1 канала направляющих лопастей интегрированы с переходным каналом 24 камеры сгорания трубчатого типа.
Поскольку положение каждого элемента 1 канала направляющих лопастей фиксировано относительно камеры 23 сгорания, то можно с помощью машинной обработки выполнять различные охлаждающие схемы в одной и той же базисной части элемента 1 канала направляющих лопастей перед сборкой и соединением для известного изменения температурного профиля, исходя из горелок. Это позволяет уменьшать общий поток охлаждающего воздуха. В этом случае средний элемент 1 канала направляющих лопастей имеет альтернативно выполненную с помощью машинной обработки схему охлаждения для согласования, например, с горячим пятном.
На фиг.7 показана система из трех элементов 1 канала направляющих лопастей с кольцевой камерой 26 сгорания, содержащей наружную охлаждающую оболочку 26. Направляющая лопасть 6 содержит входы 27 охлаждающих проходов для вхождения охлаждающего воздуха в охлаждающие проходы 11 направляющей лопасти 6. Наружная охлаждающая оболочка 26 предназначена для направления назад охлаждающего воздуха, выходящего из направляющей лопасти 6 обратно к горелке для повторного использования (см. стрелки на фиг.7, указывающие поток охлаждающего воздуха). В качестве альтернативного решения поток может входить из наружных проходов и возвращаться к горелке с помощью входных проходов.
Изобретение инвертирует современную геометрию изготовления стационарных лопаток для горячего газа турбины, обеспечивая преимущества в исходных рабочих характеристиках, производстве и обслуживании и тем самым свободу конструирования для оптимизации использования охлаждения с непосредственным влиянием на выходную мощность двигателя и эффективность.
Кроме того, большая предсказуемость срока службы частей за счет лучших допусков на геометрические размеры за счет улучшенного доступа при изготовлении, также улучшает показатели вынужденного простоя.
1. Система входных направляющих лопастей для газовой турбины, содержащая множество элементов канала направляющих лопастей, при этом элементы канала направляющих лопастей содержат стенку (2) стороны всасывания и стенку (3) стороны повышенного давления, причем обе стенки (2, 3) обращены друг к другу и предназначены для соединения друг с другом элементов (1) канала направляющих лопастей, так что стенка (3) стороны повышенного давления одного элемента (1) канала направляющих лопастей взаимодействует со стенкой (2) стороны всасывания смежного элемента (1) канала направляющих лопастей с образованием за счет этого направляющей лопасти (6), отличающаяся тем, что элемент (1) канала направляющих лопастей включает элементы для размещения шпоночного элемента (15), предназначенного для расположения между стенкой (3) стороны повышенного давления и смежной стенкой (2) стороны всасывания, когда два элемента (1) канала направляющих лопастей примыкают друг к другу, и фиксации вместе обоих примыкающих друг к другу элементов (1) канала направляющих лопастей.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что элемент (1) канала направляющей лопасти содержит стенку (4) сегмента ступицы и стенку (5) сегмента бандажа, обращенные друг к другу и образующие ступицу или бандаж ряда направляющих лопастей соответственно, когда множество элементов (1) канала направляющих лопастей расположены рядом друг с другом.
3. Система по п.2, отличающаяся тем, что элемент (1) канала изготовлен посредством прессования или ковки его из листового или пластинчатого материала с выполнением в виде отдельной детали или из двух половин, которые затем соединяют вместе.
4. Система по п.3, отличающаяся тем, что две половины соединены вместе на стенке (4) сегмента ступицы или стенке (5) сегмента бандажа между стенкой (2) стороны всасывания и стенкой (3) стороны повышенного давления.
5. Система по п.1, отличающаяся тем, что элемент (1) канала направляющих лопастей изготовлен из керамического материала или металлического сплава.
6. Система по п.1, отличающаяся тем, что элемент (1) канала изготовлен посредством прессования или ковки его из листового или пластинчатого материала с выполнением в виде отдельной детали или из двух половин, которые затем соединяют вместе.
7. Система по п.6, отличающаяся тем, что две половины соединены вместе с помощью сварки оплавлением.
8. Система по п.7, отличающаяся тем, что две половины соединены вместе на стенке (4) сегмента ступицы или стенке (5) сегмента бандажа между стенкой (2) стороны всасывания и стенкой (3) стороны повышенного давления.
9. Система по п.6, отличающаяся тем, что две половины соединены вместе на стенке (4) сегмента ступицы или стенке (5) сегмента бандажа между стенкой (2) стороны всасывания и стенкой (3) стороны повышенного давления.
10. Система по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что элемент (1) канала направляющих лопастей имеет покрытие.
11. Система по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что направляющая лопасть (6) содержит в собранном виде полое внутреннее пространство (10), предназначенное для воздушного охлаждения, при этом, в частности, внутреннее пространство (10) снабжено турболизаторами (12, 13, 17, 18).
12. Система по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что шпоночный элемент (15) выполнен с возможностью фиксации на стенке (3) стороны повышенного давления и соответствующей стенке (2) стороны всасывания с геометрическим замыканием.
13. Система по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что шпоночный элемент (15) снабжен турболизаторами (13, 17).
14. Система по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что, когда два элемента (1) канала направляющих лопастей примыкают друг к другу стенкой (3) стороны повышенного давления одного элемента (1) канала направляющих лопастей и стенкой (2) стороны всасывания смежного элемента (1) канала направляющих лопастей, у передней кромки (7) и/или у задней кромки (8) задается линия разделения, содержащая, по меньшей мере, одно отверстие (21) передней кромки и/или, по меньшей мере, одно отверстие (22) задней кромки соответственно.
15. Система по п.14, отличающаяся тем, что шпоночный элемент (15) выполнен с возможностью обеспечения расстояния стенки (3) стороны повышенного давления от смежной стенки (2) стороны всасывания, так что, по меньшей мере, одно отверстие (21) передней кромки и/или, по меньшей мере, одно отверстие (22) задней кромки образованы в виде аэродинамической щели, проницаемой между проточным проходом (9) и внутренним пространством (10).
16. Система по п.14, отличающаяся тем, что соединение между смежными элементами (1) канала направляющих лопастей выполнено так, что отверстия (21) передней кромки и/или отверстия (22) задней кромки выполнены в виде рядов отдельных отверстий.
17. Система по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что лопасти прикреплены к выходу камеры сгорания.
