RU2656052C1

RU2656052C1 - Working blade of the gas turbine

Info

Publication number: RU2656052C1
Application number: RU2017100730A
Authority: RU
Inventors: Валерий Владимирович Леонтьев
Original assignee: Акционерное общество "Климов"
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-05-30

Abstract

FIELD: gas turbine construction.

SUBSTANCE: invention relates to the field of gas turbine construction, namely to cooled turbine blades used in aircraft gas turbine engines, as well as in stationary gas turbine installations. Cooled working blade consists of a shank and a profile working part, consisting of a hollow profile with convex and concave thin walls, between which is located a power rod, made in one piece with the shank. Between the walls and the core are the cooling intensifiers. Profile working part is made of two parts, of which the root part is integrated with the shank, and the peripheral part is integral with the power rod.

EFFECT: invention makes it possible to increase the reliability of the working blade.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области газотурбиностроения, а именно к охлаждаемым рабочим лопаткам турбин, применяемым в авиационных газотурбинных двигателях, а также в стационарных газотурбинных установках.The invention relates to the field of gas turbine engineering, namely to cooled turbine blades used in aircraft gas turbine engines, as well as in stationary gas turbine units.

Известна рабочая лопатка осевой газовой турбины (Патент Великобритании N 2123489, НКИ FIV, МКИ, F01D 5/28, 1984), состоящая из пера в виде металлического несущего стержня, полки, замка, соединяющего металлический несущий стержень с вращающимся рабочим колесом, и одной-единственной по длине стержня керамической моно-супер-оболочки, внутри которой проходит несущий стержень, причем на периферии стержня установлена соединенная с ним полка, которая при вращении рабочего колеса выполняет роль шарнирной опоры для прижатой к ней (центробежной силой) керамической моно-супер-оболочки.Known working blade of an axial gas turbine (UK Patent N 2123489, NKI FIV, MKI, F01D 5/28, 1984), consisting of a pen in the form of a metal supporting rod, shelf, lock connecting a metal supporting rod with a rotating impeller, and one the only length of the rod of the ceramic mono-super-shell, inside which the supporting rod passes, and on the periphery of the rod there is a shelf connected to it, which, when the impeller rotates, acts as an articulated support for the ceramic pressed to it (by centrifugal force) sky mono-super-shell.

Известна лопатка (Патент РФ №2506429 С1, 31.05.2012 г., F01D 5/18), которая содержит хвостовик и перо, выполненные с внутренним трактом охлаждения в виде продольного канала от хвостовика к торцу пера и связанным с этим каналом комплексом поперечных каналов, ориентированных в направлении выходной кромки пера. Перо выполнено в виде центрального несущего стержня, имеющего наружный рельеф в виде поперечных канавок, и содержит накладные пластинчатые элементы, соединенные с центральным несущим стержнем таким образом, что формируют своей внешней стороной конфигурацию пера рабочей лопатки, а своей внутренней стороной - конфигурацию каналов внутреннего тракта охлаждения.A known blade (RF Patent No. 2506429 C1, 05/31/2012, F01D 5/18), which contains a shank and a feather made with an internal cooling path in the form of a longitudinal channel from the shank to the end of the pen and a complex of transverse channels associated with this channel, oriented in the direction of the output edge of the pen. The pen is made in the form of a central bearing rod having an external relief in the form of transverse grooves, and contains overhead plate elements connected to the central bearing rod in such a way that they form the shape of the pen of the working blade with their outer side and the configuration of the channels of the internal cooling path with their inner side .

Упомянутые выше лопатки имеют ряд недостатков. Первая лопатка сложна по конструкции и технологии изготовления. Применение второй конструкции осложняется обеспечением стабильности характеристик при производстве. Кроме того, известные конструкции не решают вопрос повышения надежности лопатки за счет снижения напряжений в поле центробежных сил.The blades mentioned above have a number of disadvantages. The first blade is complex in design and manufacturing technology. The use of the second design is complicated by ensuring the stability of characteristics during production. In addition, the known designs do not solve the problem of increasing the reliability of the blades by reducing stresses in the field of centrifugal forces.

В качестве прототипа выбрана конструкция рабочей лопатки турбомашины (Патент РФ №2118462 С1, 20.07.1995 г., F01D 5/18), направленная на повышение надежности лопатки путем снижения действующих в ней напряжений, сформированных полем центробежных сил.As a prototype, the design of the working blade of the turbomachine (RF Patent No. 21114462 C1, 07.20.1995, F01D 5/18) was chosen, aimed at improving the reliability of the blade by reducing the stresses acting in it by the field of centrifugal forces.

Лопатка содержит замок, перо, внутреннюю полку, периферийную полку, соединенные с ними короткие супер оболочки с локальным закреплением или опиранием на полку каждой короткой супер оболочки только в зоне ее периферийного сечения. Как вариант супер оболочка по толщине выполнена составной в виде пакета вставленных одна в другую преимущественно металлических мини-оболочек с локальным закреплением или опиранием на полку по периметру пера каждой мини-оболочки только в зоне ее периферийного сечения. Как вариант супер оболочка содержит скользящие боковые опоры в виде дискретных выступов на ее внутренней поверхности. Как вариант по меньшей мере одна мини-оболочка и перо имеют на своих поверхностях защитные покрытия.The blade contains a lock, a feather, an inner shelf, a peripheral shelf, short super shells connected to them with local fastening or resting on a shelf of each short super shell only in the zone of its peripheral section. Alternatively, the super shell in thickness is made composite in the form of a package of predominantly metallic mini-shells inserted one into another with local fastening or resting on a shelf along the perimeter of the pen of each mini-shell only in the zone of its peripheral section. As an option, the super shell contains sliding side supports in the form of discrete protrusions on its inner surface. Alternatively, at least one mini-shell and pen have protective coatings on their surfaces.

Прототип имеет ряд недостатков, которые существенно снижают возможность повышения надежности лопатки, и даже напротив - делают лопатку более уязвимой к воздействию центробежных сил и высоких температур.The prototype has several disadvantages that significantly reduce the possibility of increasing the reliability of the blade, and even vice versa - make the blade more vulnerable to centrifugal forces and high temperatures.

Использование пакета мини-оболочек, в том числе с «термобарьерными» покрытиями, в качестве теплозащитной конструкции пера (силового стержня), не повышает эффективности теплозащиты. При отсутствии отвода тепла из лопатки за счет подачи и отвода охлаждающей среды конструкция насыщается поступающим извне теплом, температуры внешней поверхности супер оболочки и стержня стремятся к выравниванию. Наличие теплоотвода только по перу (силовому стержню) к диску турбины не позволяет поднять температуру газа перед турбиной до уровня, обеспечивающего достаточно высокую эффективность термодинамического цикла из-за ограничений прочностных свойств материала пера (силового стержня).The use of a package of mini-shells, including those with “thermal barrier” coatings, as a heat-shielding construction of a pen (power rod) does not increase the efficiency of thermal shielding. In the absence of heat removal from the blade due to the supply and removal of the cooling medium, the structure is saturated with incoming heat from the outside, the temperatures of the outer surface of the super shell and the rod tend to align. The presence of a heat sink only along the pen (power rod) to the turbine disk does not allow raising the gas temperature in front of the turbine to a level that provides a sufficiently high efficiency of the thermodynamic cycle due to limitations in the strength properties of the material of the pen (power rod).

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании рабочей лопатки, обладающей повышенной надежностью за счет выполнения элементов лопатки таким образом, чтобы обеспечить уменьшение механических напряжений от центробежных сил, действующих в ее профильной рабочей части.The technical problem to which the invention is directed is to create a working blade with increased reliability due to the implementation of the elements of the blade in such a way as to reduce mechanical stresses from centrifugal forces acting in its profile working part.

Технический результат, заключающийся в повышении надежности рабочих лопаток и повышении эффективности термодинамического цикла турбины, достигается тем, что в охлаждаемой рабочей лопатке турбины, состоящей из хвостовика, рабочей профильной части, состоящей из полого профиля с выпуклой и вогнутой тонкими стенками, между которыми расположен силовой стержень, выполненный за одно целое с хвостовиком, и интенсификаторов охлаждения, согласно предлагаемому изобретению рабочая профильная часть выполнена разделенной на две части, из которых прикорневая часть выполнена за одно целое с хвостовиком, а периферийная часть - за одно целое с силовым стержнем.The technical result, which consists in increasing the reliability of the working blades and increasing the thermodynamic cycle of the turbine, is achieved by the fact that in the cooled working blade of the turbine, consisting of a shank, a working profile part, consisting of a hollow profile with convex and concave thin walls, between which there is a power rod made in one piece with the shank, and cooling intensifiers, according to the invention, the working profile part is made divided into two parts, of which the basal part is made in one piece with the shank, and the peripheral part is in one piece with the power rod.

Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, где:The invention is illustrated in FIG. 1, where:

1 - хвостовик лопатки;1 - shank of the scapula;

2 - выпуклая тонкая стенка рабочей профильной части лопатки;2 - convex thin wall of the working profile of the scapula;

3 - вогнутая тонкая стенка рабочей профильной части лопатки;3 - concave thin wall of the working profile of the scapula;

4 - силовой стержень;4 - power rod;

5 - прикорневая часть рабочей профильной части лопатки;5 - basal part of the working profile of the scapula;

6 - периферийная часть рабочей профильной части лопатки.6 - peripheral part of the working profile of the blade.

Охлаждаемая рабочая лопатка турбины состоит из хвостовика 1, рабочей профильной части, имеющей полую охлаждающую полость с выпуклой 2 и вогнутой 3 тонкими стенками, между которыми расположен силовой стержень 4. Рабочая профильная часть лопатки разделена и состоит из двух частей: прикорневой части 5, выполненной за одно целое с хвостовиком 1, и периферийной части 6, выполненной за одно целое с силовым стержнем 4.The cooled working turbine blade consists of a shank 1, a working profile part having a hollow cooling cavity with a convex 2 and concave 3 thin walls, between which there is a power rod 4. The working profile part of the blade is divided and consists of two parts: a root part 5, made for integral with the shank 1, and the peripheral part 6, made in one piece with the power rod 4.

Лопатка работает следующим образом.The blade works as follows.

При обтекании профиля лопатки создается аэродинамическая сила, которая в свою очередь создает крутящий момент на валу турбины. При этом тепловой поток от рабочего тела разогревает конструктивные элементы лопатки. Одновременно на конструктивные элементы лопатки действуют центробежные силы. Возможность повышения эффективности термодинамического цикла газотурбинного двигателя зависит от возможности повышения температуры газа перед турбиной. С учетом изложенного возникает необходимость обеспечения работоспособности конструктивных элементов лопатки в условиях определенного уровня напряжений от центробежных сил и температур.When flowing around a blade profile, an aerodynamic force is created, which in turn creates torque on the turbine shaft. In this case, the heat flux from the working fluid heats the structural elements of the scapula. At the same time, centrifugal forces act on the structural elements of the blade. The possibility of increasing the efficiency of the thermodynamic cycle of a gas turbine engine depends on the possibility of increasing the gas temperature in front of the turbine. Based on the foregoing, it becomes necessary to ensure the operability of the structural elements of the blades under conditions of a certain level of stresses from centrifugal forces and temperatures.

Тепловой поток направлен от рабочей профильной части к силовому стержню 4. Охлаждающая среда подается через хвостовик 1 и направляется в охлаждающую полость между стенками 2 и 3 рабочей профильной части и силовым стержнем 4, что обеспечивает допустимую температуру конструктивных элементов лопатки.The heat flow is directed from the working profile part to the power rod 4. The cooling medium is fed through the shank 1 and is sent to the cooling cavity between the walls 2 and 3 of the working profile part and the power rod 4, which ensures the permissible temperature of the blade structural elements.

Полная нагрузка от центробежных сил на прикорневую часть 5, выполненную за одно целое с хвостовиком 1, воспринимается хвостовиком 1. При этом напряженное состояние существенно снижается за счет ее укорочения по сравнению с полной высотой рабочей профильной части лопатки. Полная нагрузка от центробежных сил, действующих на периферийную часть 6, выполненную за одно целое с силовым стержнем 4, воспринимается силовым стержнем 4. При этом напряженное состояние каждой из двух частей рабочей профильной части (прикорневой части 5 и периферийной части 6) существенно снижается за счет уменьшения высоты каждой из них по сравнению с полной высотой рабочей профильной части лопатки.The full load of centrifugal forces on the root part 5, made in one piece with the shank 1, is perceived by the shank 1. In this case, the stress state is significantly reduced due to its shortening compared with the full height of the working profile of the scapula. The full load from the centrifugal forces acting on the peripheral part 6, made in one piece with the power rod 4, is perceived by the power rod 4. In this case, the stress state of each of the two parts of the working profile part (the root part 5 and the peripheral part 6) is significantly reduced due to reducing the height of each of them compared with the full height of the working profile of the blade.

Температура несущего стержня 4 существенно ниже температуры рабочей профильной части. Вследствие этого несущая способность материала силового стержня выше, чем несущая способность материала рабочей профильной части лопатки, что позволяет полнее использовать свойства материала и за счет этого дополнительно повысить надежность лопатки.The temperature of the supporting rod 4 is significantly lower than the temperature of the working profile part. As a result, the load-bearing capacity of the material of the power rod is higher than the load-bearing capacity of the material of the working profile of the blade, which makes it possible to more fully use the properties of the material and thereby increase the reliability of the blade.

Таким образом, за счет снижения напряженного состояния каждой из двух частей разделенной рабочей профильной части лопатки и снижения температуры силового стержня 4 по сравнению с температурой рабочей профильной части лопатки достигается повышение надежности лопатки.Thus, by reducing the stress state of each of the two parts of the divided working profile of the blade and lowering the temperature of the power rod 4 in comparison with the temperature of the working profile of the blade, an increase in the reliability of the blade is achieved.

Claims

Cooled turbine working blade, consisting of a shank, a working profile part, consisting of a hollow profile with convex and concave thin walls, between which there is a power rod made integrally with the shank, and cooling intensifiers, characterized in that the working profile part is made divided into two parts, of which the basal part is made in one piece with the shank, and the peripheral part - in one piece with the power rod.