RU2716097C1 - Turbine working blade of gas turbine engine and gas turbine engine - Google Patents
Turbine working blade of gas turbine engine and gas turbine engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2716097C1 RU2716097C1 RU2019124580A RU2019124580A RU2716097C1 RU 2716097 C1 RU2716097 C1 RU 2716097C1 RU 2019124580 A RU2019124580 A RU 2019124580A RU 2019124580 A RU2019124580 A RU 2019124580A RU 2716097 C1 RU2716097 C1 RU 2716097C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- profile
- power rod
- turbine
- gas turbine
- blade
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области газотурбинных двигателей и может быть использовано в авиационных газотурбинных двигателях, а также в энергетических газотурбинных установках.The invention relates to the field of gas turbine engines and can be used in aircraft gas turbine engines, as well as in power gas turbine units.
История создания и развития экономичных газотурбинных двигателей и газотурбинных энергетических установок связана с поисками решений, позволяющих повысить эффективность термодинамического цикла. Эффективность термодинамического цикла зависит в первую очередь от параметров термодинамического цикла и, в частности, от температуры газа перед турбиной. Чем выше температура газа перед турбиной, тем выше эффективность термодинамического цикла. При этом возможность достижения высокой температуры газа перед турбиной ограничена особенностями конструкции турбины двигателя, критичным элементом которой являются рабочие лопатки турбины.The history of the creation and development of economical gas turbine engines and gas turbine power plants is associated with the search for solutions to improve the efficiency of the thermodynamic cycle. The efficiency of the thermodynamic cycle depends primarily on the parameters of the thermodynamic cycle and, in particular, on the gas temperature in front of the turbine. The higher the gas temperature in front of the turbine, the higher the efficiency of the thermodynamic cycle. Moreover, the possibility of achieving a high gas temperature in front of the turbine is limited by the design features of the engine turbine, a critical element of which are the turbine blades.
Рабочие лопатки турбины испытывают высокие нагрузки в поле центробежных сил и являются одними из наиболее нагруженных элементов газотурбинных двигателей. Кроме того, рабочие лопатки турбины газотурбинного двигателя находятся под воздействием потока горячих газов. Сочетание этих факторов приводит к необходимости совершенствования конструкции турбин и их рабочих лопаток при создании новых модификаций газотурбинных двигателей.The turbine blades experience high loads in the field of centrifugal forces and are one of the most loaded elements of gas turbine engines. In addition, the turbine blades of a gas turbine engine are affected by the flow of hot gases. The combination of these factors leads to the need to improve the design of turbines and their working blades when creating new modifications of gas turbine engines.
Известна рабочая лопатка турбомашины (RU 2118462) содержащая 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.A known blade of a turbomachine (RU 2118462) comprising 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 region 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 feather 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.
Известна взятая за прототип охлаждаемая рабочая лопатка турбины, состоящая из хвостовика, рабочей профильной части, имеющей полый профиль с выпуклой и вогнутой тонкими стенками, между которыми расположен силовой стержень, выполненный за одно целое с хвостовиком и интенсификаторы охлаждения отличающаяся тем, что 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 (RU 2656052).Known taken as a prototype, a cooled working turbine blade, consisting of a shank, a working profile part, having 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 (RU 2656052).
Недостатком указанных лопаток является уязвимость к воздействию центробежных сил и высоких температур, что не позволяет повышать температуру газа перед турбиной.The disadvantage of these blades is their vulnerability to centrifugal forces and high temperatures, which does not allow increasing the gas temperature in front of the turbine.
Предлагаемое решение направлено на устранение указанных недостатков, а именно на обеспечение возможности повышения экономичности газотурбинного двигателя за счет повышения температуры газа перед турбиной, которое обеспечивается конструкцией рабочих лопаток обеспечивающей рациональное перераспределение напряжений в рабочих лопатках турбины и одновременным применением эффективной системы охлаждения рабочих лопаток турбины.The proposed solution is aimed at eliminating these drawbacks, namely, providing the possibility of increasing the efficiency of the gas turbine engine by increasing the gas temperature in front of the turbine, which is ensured by the design of the working blades providing a rational redistribution of stresses in the working blades of the turbine and the simultaneous use of an effective cooling system for the working blades of the turbine.
Применение во внутренней полости профильной части охлаждаемой рабочей лопатки турбины относительно холодного силового стержня, выполненного заодно целое с хвостовиком лопатки и особой конструкции выполненных в виде вихревой матрицы интенсификаторов охлаждения между внутренними стенками профиля и силовым стержнем, позволяет перераспределить нагрузки от элементов рабочей лопатки в поле центробежных сил и усилить охлаждение лопатки, что способствует повышению несущей способности рабочей лопатки турбины.The use of a relatively cold power rod in the internal cavity of the profile part of the cooled turbine blade, made integrally with the blade shaft and of a special design made in the form of a vortex matrix of cooling intensifiers between the inner walls of the profile and the power rod, allows you to redistribute the loads from the elements of the blade in the field of centrifugal forces and enhance cooling of the blades, which helps to increase the bearing capacity of the turbine blades.
Согласно предлагаемому изобретению во внутренней полости профильной части охлаждаемой рабочей лопатки турбины расположен относительно холодный силовой стержень, выполненный заодно целое с хвостовиком лопатки, а профильная часть рабочей лопатки разделена на периферийную и прикорневую зоны. При этом в периферийной зоне внутренней полости профильной части рабочей лопатки турбины выполнена механическая связь профиля с силовым стержнем (например, элементы интенсификаторов охлаждения, расположенные на внутренней стенке профиля и на силовом стержне, соединяют профильную часть с силовым стержнем и ребра вихревой матрицы, расположенные на внутренней стенке профиля и на силовом стержне, соприкасаются (пересекаются, превращаясь в единое целое), а в прикорневой зоне внутренней полости профильной части рабочей лопатки турбины механическая связь профиля с силовым стержнем отсутствует и ребра вихревой матрицы не соприкасаются (перекрещиваются, допуская взаимное смещение).According to the invention, in the inner cavity of the profile part of the cooled turbine blade, a relatively cold power rod is located integrally with the shank of the blade, and the profile of the blade is divided into peripheral and root zones. Moreover, in the peripheral zone of the inner cavity of the profile part of the turbine blade, a mechanical connection is made between the profile and the power rod (for example, elements of cooling intensifiers located on the inner wall of the profile and on the power rod connect the profile part to the power rod and the edges of the vortex matrix located on the inside the profile wall and on the power rod are in contact (intersect, turning into a single whole), and in the root zone of the internal cavity of the profile part of the working blade of the fur turbine There is no physical connection between the profile and the force rod, and the edges of the vortex matrix do not touch each other (they cross, allowing mutual displacement).
Такая конструкция рабочей лопатки турбины позволяет разгрузить силовой стержень от нагрузки в поле центробежных сил, поскольку только периферийная часть профильной части рабочей лопатки соединена с силовым стержнем (нагрузка только от нее может передаваться силовому стержню, поскольку ребра вихревой матрицы в этой зоне пересекаются, и через них передается нагрузка от периферийной части профиля). При этом корневое сечение профильной части рабочей лопатки также разгружается, поскольку прикорневая часть профиля рабочей лопатки соединена непосредственно с хвостовиком рабочей лопатки турбины, а нагрузку от периферийной части несет силовой стержень. При этом силовой стержень соединен или выполнен заодно целое с замком лопатки или с диском турбины, который, в конечном итоге, воспринимает усилия от рабочих лопаток турбины. Предлагаемое конструктивное решение позволяет при прочих равных условиях понизить общий уровень напряженно-деформированного состояния рабочей лопатки турбины.This design of the turbine working blade allows unloading the power rod from the load in the field of centrifugal forces, since only the peripheral part of the profile part of the working blade is connected to the power rod (only the load from it can be transferred to the power rod, since the edges of the vortex matrix in this zone intersect, and through them load is transferred from the peripheral part of the profile). In this case, the root section of the profile part of the working blade is also unloaded, since the basal part of the profile of the working blade is connected directly to the shank of the working blade of the turbine, and the power rod carries the load from the peripheral part. In this case, the power rod is connected or integral with the blade lock or with the turbine disk, which, in the end, receives the forces from the turbine blades. The proposed constructive solution allows, ceteris paribus, to reduce the overall level of stress-strain state of the turbine blades.
Предлагаемое решение поясняется следующими рисунками:The proposed solution is illustrated by the following figures:
Фиг. 1 - двигатель;FIG. 1 - engine;
Фиг. 2 - турбина;FIG. 2 - turbine;
Фиг. 3 - рабочая лопатка турбины;FIG. 3 - turbine blade;
на которыхwhere
1 - турбина;1 - turbine;
2 - рабочая лопатка;2 - working blade;
3 - прикорневая часть профиля;3 - basal part of the profile;
4 - периферийная часть профиля;4 - peripheral part of the profile;
5 - ребра вихревой матрицы;5 - edges of the vortex matrix;
6 - хвостовик рабочей лопатки;6 - shank of the working blade;
7 - силовой стержень.7 - power rod.
В процессе работы газотурбинного двигателя параметры рабочего тела (температура и давление) при перемещении по проточной части меняются в соответствии с особенностями термодинамического цикла, который реализуется в этом двигателе. При этом рабочее тело сжимается, нагревается, а затем расширяется, совершая полезную работу. Эффективность двигателя, в первую очередь, зависит от эффективности термодинамического цикла, а возможность повышения эффективности термодинамического цикла зависит, в частности, от возможности повышения температуры газа перед турбиной.During the operation of the gas turbine engine, the parameters of the working fluid (temperature and pressure) when moving along the flow part change in accordance with the features of the thermodynamic cycle that is implemented in this engine. In this case, the working fluid is compressed, heated, and then expanded, doing useful work. The engine efficiency, first of all, depends on the efficiency of the thermodynamic cycle, and the possibility of increasing the efficiency of the thermodynamic cycle depends, in particular, on the possibility of increasing the gas temperature in front of the turbine.
Турбина 1 находится в условиях постоянного воздействия газа, имеющего высокую температуру. Одним из основных элементов, определяющих надежность и эффективность турбины и двигателя в целом, является рабочая лопатка 2 турбины. Таким образом, способность рабочей лопатки турбины работать в этих условиях определяет экономичность газотурбинного двигателя.
При обтекании профиля рабочей лопатки турбины создается аэродинамическая сила, которая в свою очередь создает крутящий момент на валу турбины. При этом тепловой поток от рабочего тела разогревает элементы конструкции лопатки. Одновременно на конструктивные элементы лопатки действуют центробежные силы. С учетом изложенного возникает необходимость обеспечения работоспособности лопатки в условиях высокого уровня напряжений от центробежных сил и при высокой температуре.When flowing around the profile of a turbine blade, an aerodynamic force is generated, 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 blade. At the same time, centrifugal forces act on the structural elements of the blade. Based on the foregoing, there is a need to ensure the health of the blades in conditions of a high level of stress from centrifugal forces and at high temperature.
Полная нагрузка от центробежных сил, действующих на прикорневую часть 3 профиля рабочей лопатки 2, воспринимается непосредственно хвостовиком 6, поскольку ребра 5 вихревой матрицы в этой зоне перекрещиваются (не соприкасаются) и через них нагрузка не передается силовому стержню 7. При этом напряженное состояние в этой части профиля существенно снижается за счет укорочения по сравнению с полной высотой профильной части лопатки. Полная нагрузка от центробежных сил, действующих на периферийную часть 4 профиля рабочей лопатки 2, воспринимается силовым стержнем 7, поскольку ребра 5 вихревой матрицы в этой зоне пересекаются (соприкасаются) и через них нагрузка передается силовому стержню 7. При этом напряженное состояние каждой из двух частей рабочей профильной части (прикорневой части 3 профиля и периферийной части 4 профиля) существенно снижается за счет уменьшения высоты каждой из них по сравнению с полной высотой рабочей профильной части лопатки.The full load from the centrifugal forces acting on the
Уровень допустимых напряжений в материале зависит от температуры материала в конкретном месте. Причем, чем выше температура материала, тем ниже уровень допустимых напряжений в материале. И наоборот: чем ниже уровень напряжений в материале, тем выше уровень температуры материала, который можно допустить для работы при таких напряжениях в материале. С учетом предложенного решения появляется возможность поднять температуру газа перед турбиной. С повышением температуры газа перед турбиной повышается эффективность термодинамического цикла и экономичность газотурбинного двигателя в целом.The level of permissible stresses in the material depends on the temperature of the material in a particular place. Moreover, the higher the temperature of the material, the lower the level of permissible stresses in the material. And vice versa: the lower the stress level in the material, the higher the temperature level of the material, which can be allowed to work at such stresses in the material. Given the proposed solution, it becomes possible to raise the gas temperature in front of the turbine. With increasing gas temperature in front of the turbine, the efficiency of the thermodynamic cycle and the efficiency of the gas turbine engine as a whole increase.
Таким образом, за счет снижения напряженного состояния каждой из двух частей разделенной рабочей профильной части лопатки турбины достигается возможность повышения температуры газа перед турбиной и повышения за счет этого эффективности термодинамического цикла и экономичности двигателя.Thus, by reducing the stress state of each of the two parts of the divided working profile of the turbine blade, it is possible to increase the gas temperature in front of the turbine and thereby increase the efficiency of the thermodynamic cycle and engine efficiency.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019124580A RU2716097C1 (en) | 2019-07-30 | 2019-07-30 | Turbine working blade of gas turbine engine and gas turbine engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019124580A RU2716097C1 (en) | 2019-07-30 | 2019-07-30 | Turbine working blade of gas turbine engine and gas turbine engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2716097C1 true RU2716097C1 (en) | 2020-03-05 |
Family
ID=69768449
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019124580A RU2716097C1 (en) | 2019-07-30 | 2019-07-30 | Turbine working blade of gas turbine engine and gas turbine engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2716097C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3628880A (en) * | 1969-12-01 | 1971-12-21 | Gen Electric | Vane assembly and temperature control arrangement |
RU2101513C1 (en) * | 1993-06-15 | 1998-01-10 | Акционерное общество открытого типа "Ленинградский Металлический завод" | Gas-turbine cooled blade |
RU2122123C1 (en) * | 1994-12-27 | 1998-11-20 | Открытое акционерное общество Самарский научно-технический комплекс им.Н.Д.Кузнецова | Cooled nozzle vane with vortex matrix |
US7670116B1 (en) * | 2003-03-12 | 2010-03-02 | Florida Turbine Technologies, Inc. | Turbine vane with spar and shell construction |
RU2656052C1 (en) * | 2017-04-04 | 2018-05-30 | Акционерное общество "Климов" | Working blade of the gas turbine |
-
2019
- 2019-07-30 RU RU2019124580A patent/RU2716097C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3628880A (en) * | 1969-12-01 | 1971-12-21 | Gen Electric | Vane assembly and temperature control arrangement |
RU2101513C1 (en) * | 1993-06-15 | 1998-01-10 | Акционерное общество открытого типа "Ленинградский Металлический завод" | Gas-turbine cooled blade |
RU2122123C1 (en) * | 1994-12-27 | 1998-11-20 | Открытое акционерное общество Самарский научно-технический комплекс им.Н.Д.Кузнецова | Cooled nozzle vane with vortex matrix |
US7670116B1 (en) * | 2003-03-12 | 2010-03-02 | Florida Turbine Technologies, Inc. | Turbine vane with spar and shell construction |
RU2656052C1 (en) * | 2017-04-04 | 2018-05-30 | Акционерное общество "Климов" | Working blade of the gas turbine |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7824158B2 (en) | Bimaterial turbine blade damper | |
US10316668B2 (en) | Gas turbine engine component having curved turbulator | |
US10612388B2 (en) | Gas turbine engine airfoil cooling circuit | |
JP6945284B2 (en) | Damper pins for turbine blades | |
EP2948636B1 (en) | Gas turbine engine component having contoured rib end | |
EP3835548B1 (en) | Rotor blade for a turbomachine and turbomachine | |
JP6786304B2 (en) | Damper pin with slot for turbine blades | |
WO2017119898A1 (en) | Turbine blade with multi-layer multi-height blade squealer | |
JP2015127542A (en) | Structural configurations and cooling circuits in turbine blades | |
JP2017207063A (en) | Intermediate central passage spanning outer walls aft of airfoil leading edge passage | |
US20160290234A1 (en) | Heat pipe temperature management system for wheels and buckets in a turbomachine | |
RU2656052C1 (en) | Working blade of the gas turbine | |
US11248475B2 (en) | Damper stacks for turbomachine rotor blades | |
RU2716097C1 (en) | Turbine working blade of gas turbine engine and gas turbine engine | |
KR20020041756A (en) | Cooling system for gas turbine stator nozzles | |
KR101949058B1 (en) | Steam turbine, and method for operating a steam turbine | |
Bian et al. | Calculation of thermal stress and fatigue life of 1000 MW steam turbine rotor | |
Madhu | Stress analysis and life estimation of gas turbine blisk for different materials of a jet engine | |
Zhao et al. | Numerical investigation on life improvement of low-cycle fatigue for an ultra-supercritical steam turbine rotor | |
Fukuda et al. | Development of 3,600-rpm 50-inch/3,000-rpm 60-inch Ultra-long Exhaust end Blades | |
RU2416029C2 (en) | Complex blade of axial turbo-machine | |
RU2118462C1 (en) | Turbomachine rotating blade | |
RU2764565C1 (en) | Damper seal of the gas turbine impeller | |
RU184771U1 (en) | AXIAL COMPRESSOR DRUM TYPE ROTOR | |
RU2510463C2 (en) | Gas turbine cermet blade |