Насаджувана й охолоджувана лопатка турбіни

Даний винахід стосується турбінної лопатки, яку насаджують на диск турбіни й охолоджують шля хом циркуляції повітря усередині лопатки. Ступінь осьової турбіни утворений решіткою з нерухомих лопаток, що зветься направляючим апаратом, і решіткою рухомих лопаток, що зветься колесом або ротором. Відомі єдині блокові ротори, в яких лопатки і диск виконані в єдиній конструкції. Відомі також ротори з насаджуваними лопатками, в яких лопатки набрані на диск і механічно закріплені на ньому, зазвичай за допомогою з'єднувального вузла і триопірного хвостовика. Коли колеса турбіни працюють при високій температурі, лопатки необхідно охолоджувати. Охолодження лопаток може здійснюватися повітрям, що відбирається, наприклад, із виходу компресора і спрямовується усередину лопаток через місце їх кріплення на диску. Охолоджувальне повітря проходить через хвостовик лопатки і виходить, наприклад, через протилежний торець лопатки і через одну з її поверхонь. Охолоджувальне повітря, що відводиться з виходу компресора, вводять через торцевий пластинчастий елемент, який контактує з розташованою вище за потоком поверхнею диска таким чином, щоб контур циркуляції повітря був герметичним. Для запобігання витоку повітря зазначений торцевий пластинчастий елемент часто монтують по місцю на диску за допомогою системи фіксуючих гакоподібних елементів, називаних "кігтями". Такі гакоподібні елементи, крім того, виконують іншу функцію: завдяки їх наявності охолоджувальне повітря, що рухається в напрямку пазів, обертається зі швидкістю, що дорівнює швидкості обертання ротора турбіни. Охолоджувальне повітря, таким чином, досягає місця навпроти паза, обертаючись із тією ж швидкістю, що і паз, і входить у нього без будь-яких небажаних вторинних ефектів. Проте зазначені гакоподібні елементи не позбавлені і недоліків, що полягають у їхній великій вартості і відносно малому терміні служби. У зв'язку з цим привабливою видається ідея відмовитися від їх використання. Проте, як показали дослідження, якщо ці гакоподібні елементи видалити, то турбінні лопатки не так добре охолоджуються. У міжнародній заявці WO-A-99 47792 описана турбінна лопатка з хвостовиком для кріплення її в пазу, виконаному в диску турбіни. Лопатка тут має внутрішній контур повітряного охолодження, що включає у себе засоби для впускання повітря, розташовані на хвостовику лопатки, зверненому у бік паза, і засоби для відведення повітря. Хвосто вик лопатки обладнаний спеціальним пристроєм, "припливну камеру" (відповідно до опису зазначеної міжнародної заявки), що спрямовує охолоджувальне повітря усередину лопатки. Цей пристрій, крім того, забезпечує відведення охолоджувального повітря після його проходження усередині лопатки, а також розділяння її вхідного і вихідного потоків охолоджувального повітря. У заявці Великобританії №1605282 описана турбінна лопатка з хвостовиком, за допомогою якого вона вкладається в паз диска турбіни. Ця лопатка має внутрішній контур повітряного охолодження, що складається з каналів, які мають вхідні отвори для надходження повітря, розташовані в хвостовику лопатки і звернені у бік паза, і вихідні отвори для відведення повітря, розташовані на протилежному торці лопатки. Хвостовик лопатки обладнаний трубчастим каналом, через який із вхідного повітряного колектора охолоджувальне повітря надходить і подається до вхідних отворів. У патенті США №4348157 описана лопатка турбіни, насаджена на диск за допомогою хвостовика. Ця лопатка має внутрішній контур повітряного охолодження разом із вікном для введення повітря. Вікно виконане не в хвостовику лопатки, зверненому усередину паза, пристосованого під цей хвостовик, а в з'єдн увальній частині, розташованій між хвостовиком і лопаткою (пером лопатки), а саме в ніжці. Для транспортування охолоджувального повітря до вхідних отворів самої лопатки служать прохідні канали, які можуть мати дефлектори. У патенті США №4178129 описана система охолодження лопаток турбіни за допомогою повітряного потоку. Кожна з цих лопаток має хвостовик, встановлений у відповідному пазу диска турбіни. Лопатка має внутрішній контур повітряного охолодження, що включає у себе засоби постачання повітря, розташовані в хвостовику лопатки. Охолоджувальне повітря подають або в камеру введення охолоджувального повітря, із якою сполучені повітряні канали лопатки, або безпосередньо в канал, виконаний у передній крайці лопатки, через приймач типу трубки Піто. У конструкції лопатки, описаній у вищезазначеній міжнародній заявці WO-A-99 47792, охолоджувальне повітря вводять через пристрій, що має вигляд труби, сполученої з отворами системи охолоджувальних каналів. Цей пристрій може мати отвори, розмір яких збігається з розміром отворів системи охолоджувальних каналів, або отвори, які завширшки є майже такими ж, як паз, у якому розміщений вищезгаданий трубчастий пристрій. В обох ци х випадках запобігти утворенню вихору неможливо. У конструкції лопатки, описаній у вищезгаданій заявці Великобританії №1605282, труба для повітряного охолодження відповідає ширині паза. Тому тут також неможливо запобігти утворенню вихору. У конструкції лопатки, описаній у зазначеному патенті США №4348157, повітря надходить безпосередньо на лицьову поверхню, в якій просвердлені отвори, наслідком чого є такий самий результат. У конструкції лопатки, описаній у зазначеному патенті США №4178129, повітря подають або безпосередньо в канал охолодження лопатки (через трубку Піто), або прямо на поверхню, у якій просвердлені канали охолодження, що призводить до такого ж результату. Автори даного винаходу виявили причину зниження ефективності охолодження, коли з конструкції були видалені гакоподібні елементи або "кігті", і знайшли рішення проблеми. Автори даного винаходу дійшли висновку, що коли охолоджувальне повітря не спрямовують у паз, то воно досягає паза, обертаючись (разом із ротором) із меншою швидкістю, ніж коли його тим чи іншим чином спрямовують. У результаті повітря концентрується й обертається в пазу, створюючи ви хор, як показано на Фіг.1В. Центр цього вихору є зоною великого перепаду тиску, що перешкоджає постачанню охолоджувального повітря до лопатки. Даним винаходом пропонується засіб, що дозволяє вирішити зазначену проблему і позбавити від неї раз і назавжди конструкцію турбіни. Завдання винаходу полягає в створенні лопатки турбіни, обладнаної хвостовиком для встановлення лопатки в пазу диска ротора турбіни, причому лопатка забезпечується внутрішнім контуром повітряного охолодження, який включає у себе засоби введення повітря, розташовані з боку хвостовика лопатки, поверненої до паза, і засоби виведення повітря, яка відрізняється тим, що зазначена сторона хвостовика лопатки є обладнаною дефлектором, який має, принаймні, одне ребро, призначене для створення спрямованого плину охолоджувального повітря в донній (нижній) частині паза, що дозволяє правильно організувати плин повітря в напрямку засобів уведення повітря. Наявність такого дефлектора з боку хвостовика лопатки, де розташовані канали для введення повітря, запобігає утворення вихору. Дефлектор може бути виконаний в єдиній конструкції з лопаткою (із її хвостовиком). Дефлектор може являти собою елемент, приєднаний до хвостовика лопатки й обладнаний засобами сполучення з засобами, що забезпечують введення повітря, наявними в хвостовику. Ці засоби сполучення можуть бути виконані у вигляді, щонайменше, одного каліброваного отвору. Ребро може бути прямим або похилим відносно напрямку головної осі лопатки. В одному з кращих варіантів здійснення винаходу де флектор має, щонайменше, одне ребро, призначене для створення спрямованого руху охолоджувального повітря, що входить у паз, і, щонайменше, одне ребро, що спрямовує повітря, яке виводиться із лопатки в середину паза. Суть винаходу, його переваги й особливості розглядаються більш докладно у подальшому описі, де поданий приклад здійснення, що не обмежує даний винахід, із посиланнями на додані фігури креслень, на яких зображені: Фіг.1 - встановлена на диску лопатка турбіни за даним винаходом; Фіг.2 - нижня сторона хвостовика лопатки турбіни за даним винаходом; Фіг.3 - дефлектор, виконаний відповідно до даного винаходу, вигляд в аксонометрії; Фіг.4 - розріз фрагмента турбіни, у якому змонтована лопатка за даним винаходом; Фіг.5 і Фіг.6 - де флектори, які можуть бути використані відповідно до даного винаходу, вигляд знизу; Фіг.7 - Фіг.10 - поперечні розрізи різноманітних дефлекторів, які можуть використовуватися згідно з винаходом. На Фіг.1 зображена лопатка 11 за даним винаходом, встановлена на диску 12. Це зображення дано в площині, перпендикулярній осі турбіни. Хвостовик 13 лопатки 11 розміщений у пазу 14 диска 12. Хвостовик зображений у розрізі уздовж осі каналу 15 засобів підведення охолоджувального повітря, що надходить від донної частини паза 14 у вн утрішній контур охолодження лопатки (тут не показаний). На відміну від лопатки, обраної за прототип, лопатка на Фіг.1 обладнана дефлектором 20, який прикріплений до нижньої поверхні хвостовика 16 лопатки. Дефлектор 20 має ребра, що спрямовують охолоджувальне повітря, яке проходить по нижній частині паза 14. На Фіг.1 показаний отвір 21 у дефлекторі, розташований відповідно до положення каналу 15 і призначений для забезпечення доступу у зазначений канал проходження охолоджувального повітря. Отвір у дефлекторі може бути каліброваним і легко виконується на такій деталі конструкції, якою є приєднаний до хвостовика дефлектор. На Фіг.2, стрілками показаний шлях проходження охолоджувального повітря в нижній частині паза між пластинами 17 і 18 диска 12. У цьому варіанті дефлектор має два ребра 22 і 23, розміщені в напрямку лінії, уздовж якої просвердлені отвори 21, і з кожної сторони від неї. Ці ребра виконані таким чином, щоб утворювати напрямну перегородку визначеного виду. Слід також відзначити, що даний дефлектор має чотири отвори для проходження охолоджувального повітря. Наявність дефлектора на нижній поверхні хвостовика лопатки є фактором запобігання формуванню вихору і створенню (небажаного) перепаду тиску. Дефлектор може бути виконаний окремою деталлю, прикріпленою до хвостовика лопатки шляхом зварювання або пайки. Можливий варіант суцільного виконання дефлектора з лопаткою. На Фіг.3 вищеописаний дефлектор 20 зображений в аксонометрії. Тут можна більш наочно бачити ребра 22 і 23 та отвори 21. На Фіг.4 зображений фрагмент турбіни з установленою на ній лопаткою, що відповідає даному винаходу. Лопатка 11 на Фіг.4 показана в сполученні з дефлектором 20 і встановлена у паз 14 диска 12. На цій фігурі показана також торцева пластина 17, що контактує зі стороною диска 12, розташованою вище за потоком газу, і торцева пластина 18, що ізолює паз. Охолоджувальне повітря надходить у нижню частину камери і прискорюється, проходячи ряд інжекторів, подібних інжектору 31. Потім повітря проходить через отвори 32, просвердлені в торцевій пластині 17, після чого воно надходить угору, в напрямку нижньої частини паза так, як показано стрілками на Фіг.4. Ракоподібні елементи або "кігті", що відповідно до даного винаходу можуть бути видалені з конструкції, показані на Фіг.4 пунктирними лініями. На Фіг.5 і Фіг.6 показані інші варіанти виконання дефлекторів, що можуть використовуватися при здійсненні даного винаходу (де флектори показані з боку нижньої поверхні хвостовика лопатки). Зображений на Фіг.5 дефлектор 40 має два ребра 41 і 42, що проходять по всій його довжині. Крім того, тут показані отвори 43, що спрямовують потік охолоджувального повітря в канали лопатки. На Фіг.6 зображений дефлектор 50, що має перший ряд ребер 51 і 53, розташованих з однієї сторони дефлектора, і другий ряд ребер 52 і 54, розташованих з іншої сторони дефлектора. Розташування цих ребер розраховане на утворення напрямних. Показані також отвори 55, що спрямовують потік повітря в канали лопатки. Дефлектор, крім того, може містити одне або декілька ребер, що забезпечують проходження охолоджувального повітря більш складним, звивистим шляхом. На Фіг.7-10 показані інші варіанти виконання дефлектора за даним винаходом. Всі ці дефлектори показані в поперечному розрізі уздовж отвору проходження охолоджувального повітря. Дефлектор 60, зображений на Фіг.7, має вигляд жолобчастої рейки. Його ребра 61 і 62 проходять під прямим кутом до поверхні основи 63 дефлектора, установленого на хвостовику лопатки. Ребра 61 і 62 можуть проходити уздовж всього дефлектора або можуть перериватися з утворенням відбивачів. Те ж саме стосується дефлекторів 70, 80 і 90, показаних на Фіг.8, 9 і 10 відповідно. Дефлектор 70 має ребра 71 і 72, що розходяться назовні від опорної поверхні 73 дефлектора, розміщеного на хвостовику лопатки. Дефлектор 80 має ребра 81 і 82, що зближаються в міру віддалення від опорної поверхні 73, розташованої на хвостовику лопатки. Дефлектор 90 має чотири паралельних ребра 91, 92, 93 і 94, що проходять під прямим кутом до опорної поверхні 95 дефлектора, розміщеного на хвостовику лопатки. Винахід забезпечує підвищення статичного тиску в центрі паза настільки, щоб компенсувати 75% величини перепаду тиску, який міг би виникнути за умови відсутності додаткового елемента (дефлектора). Запропоноване рішення поліпшує підведення охолоджувального повітря до лопатки, знижує середню температуру лопатки, що залежить від умов її роботи, і, відповідно, збільшує термін експлуатації лопатки.