Турбинная лопатка для газотурбинного двигателя, ее бандаж и способ изготовления

Турбинная лопатка для газотурбинного двигателя, ее бандаж и способ изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к газотурбинным двигателям и, в частности, к турбинным лопаткам, предназначенным для использования в таких двигателях.

Уровень техники

Лопатки газовой турбины представляют собой вращающиеся, имеющие профилированную поверхность элементы, расположенные в последовательных ступенях и предназначенные для преобразования тепловой энергии, поступающей из камеры сгорания, в механическую работу вращения ротора. Характеристики турбины могут быть улучшены за счет уплотнения наружной кромки торца лопатки с целью предотвращения перетекания газообразных продуктов сгорания из основного потока через зазоры между торцом лопатки и наружным кожухом. Обычным способом уплотнения зазора между торцами лопаток и кожухом турбины является использование бандажей у торцов лопаток.

Бандаж турбинной лопатки обычно отличается наличием режущей кромки. В зависимости от размера бандажа лопатки, могут использоваться одна или более режущих кромок. Режущая кромка (кромки) предназначена для взаимодействия с пористым материалом, размещенным на внутренней поверхности наружного кожуха с тем, чтобы способствовать минимизации утечек у торца лопатки. Один из типичных примеров режущей кромки представлен в патенте США №6491498.

В некоторых конфигурациях бандажей ножеобразная пластина снабжена одним или несколькими режущими ребрами, которые срезают пористый материал при вращении лопатки. В японской патентной публикации №8-303204 представлена ножеобразная пластина, имеющая такие режущие ребра, причем одно из режущих ребер расположено у края режущей кромки, а другое удалено от края режущей кромки.

Часто в предшествующем уровне техники устройства уплотнения бандажей, снабженных режущими кромками, обладают тем недостатком, что срок их службы снижается из-за ползучести, вызванной наличием дополнительной массы резака, расположенной у наружного края бандажа. Таким образом, существует необходимость в усовершенствованной конструкции бандажа, удовлетворяющей всем требованиям по уплотнению и в то же время не подверженной ползучести, из-за которой снижается срок службы бандажа.

Раскрытие изобретения

Соответственно, задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного устройства бандажа (насадки) для турбинной лопатки.

Другой задачей настоящего изобретения является создание вышеназванного усовершенствованного устройства бандажа, свободного от такого недостатка, как малая усталостная долговечность при ползучести.

Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение способа формирования устройства бандажа, имеющего режущую кромку с режущими ребрами, выполненными в ней посредством механической обработки.

Перечисленные задачи достигаются в устройстве резака пористого материала в виде бандажа, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, и в способе его изготовления.

В соответствии с настоящим изобретением предложена турбинная лопатка для газотурбинного двигателя, содержащая профилированную часть с торцевой кромкой, бандаж, имеющий наружную поверхность и присоединенный к указанной торцевой кромке, и режущую кромку, соединенную с указанной наружной поверхностью бандажа. Указанная режущая кромка имеет пару режущих ребер (зубьев), выступающих наружу от нее.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения указанная пара режущих ребер расположена в центральной области указанной режущей кромки с промежутком от каждого края режущей кромки. Режущие ребра расположены в шахматном порядке относительно друг друга. Режущие ребра расположены с возможностью оптимального балансирования нагрузки на профилированную часть со стороны бандажа.

В одном из вариантов лопатка содержит первое и второе режущие ребра, а режущая кромка имеет первую сторону и противоположную ей вторую сторону, причем первое режущее ребро выступает от первой стороны указанной режущей кромки, а второе режущее ребро выступает от второй стороны указанной режущей кромки. Режущая кромка выполнена как одно целое с указанным бандажом, причем каждое из режущих ребер выполнено посредством механической обработки указанной режущей кромки. Режущая кромка имеет продольную ось, а каждое из указанных первого и второго режущих ребер имеет режущий край, расположенный под углом по отношению к указанной продольной оси. Указанный угол предпочтительно является тупым.

Лопатка может дополнительно содержать группу охлаждающих каналов, проходящих через указанную профилированную часть.

Согласно изобретению предлагается также бандаж для турбинной лопатки, имеющий наружную поверхность и соединенную с ней режущую кромку. Бандаж имеет группу режущих ребер, образованных в центральной области указанной режущей кромки с промежутком от каждого края режущей кромки.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предложен способ изготовления турбинной лопатки, в котором формируют турбинную лопатку, имеющую профилированную часть, бандаж, прикрепленный к торцевой кромке указанной профилированной части, и режущую кромку, соединенную с наружной поверхностью указанного бандажа. В указанной режущей кромке выполняют посредством механической обработки пару режущих ребер, с расположением их в основном над указанной профилированной частью.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения на первой стороне указанной режущей кромки выполняют посредством механической обработки первое режущее ребро, а на второй стороне указанной режущей кромки выполняют посредством механической обработки второе режущее ребро. Посредством указанной механической обработки указанные режущие ребра выполняют расположенными в шахматном порядке вдоль продольной оси указанной режущей кромки.

В данном способе может быть осуществлена отливка турбинной лопатки, имеющей указанные профилированную часть и бандаж, и затем осуществляют механическую обработку указанной режущей кромки.

Другие подробности, относящиеся к резаку пористого материала в виде бандажа, который выполнен в соответствии с настоящим изобретением, и присущие ему преимущества приведены в нижеследующем подробном описании и сопровождающих чертежах, на которых одинаковые ссылочные обозначения относятся к одним и тем же элементам.

Краткое описание чертежей.

На фигуре 1 представлен вид в перспективе турбинной лопатки, имеющей устройство бандажа, выполненное в соответствии с настоящим изобретением;

на фигуре 2 представлен увеличенный вид в перспективе устройства бандажа с фигуры 1; и

на фигуре 3 представлен вид сверху устройства бандажа с фигуры 1, на котором показана режущая кромка с режущими ребрами, выполненными в соответствии с настоящим изобретением.

Осуществление изобретения

На фигуре 1 представлена турбинная лопатка, предназначенная для использования в газотурбинном двигателе. Турбинная лопатка 10 имеет профилированную часть 12, обычно содержащую группу внутренних охлаждающих каналов 14. Профилированная часть 12 имеет торцевую кромку 15, к которой присоединятся бандаж 16. Форма бандажа 16 позволяет сопрягать его с аналогичными бандажами на соседних турбинных лопатках, что предотвращает перетекание газообразных продуктов сгорания у турбинной лопатки 10.

Как можно видеть на фигуре 1, бандаж 16 имеет наружную поверхность 18, с которой связана режущая кромка 20. Режущая кромка 20 обычно имеет плоскую форму, и ее продольная ось 21 пересекается с хордой профилированной поверхности 12 под некоторым углом. Режущей кромке 20 может быть придана любая желательная ширина и/или высота. Заканчивается режущая кромка 20 краями 22 и 24.

Турбинная лопатка 10 с профилированной частью 12, бандаж 16 и режущая кромка 20 могут быть выполнены с использованием любой подходящей технологии, известной из предшествующего уровня техники. Например, турбинная лопатка 10 может представлять собой литую лопатку с профилированной частью 12 и бандажом 16. Режущую кромку 20 обычно формируют за счет механической обработки. В альтернативном варианте турбинная лопатка 10 с профилированной частью 12 может быть отлита отдельно от бандажа 16, и бандаж 16 может отливаться отдельно от режущей кромки 20. В таком случае эти компоненты могут соединяться любым способом, известным из предшествующего уровня техники.

Обращаясь теперь к фигурам 2 и 3, можно видеть, что режущая кромка 20 имеет центральную область 26, лежащую на некотором расстоянии от краев 22 и 24. В этой центральной области 26 сформирована пара режущих ребер 28 и 30, выполненных путем механического удаления части режущей кромки 20. Для формирования режущих ребер 28 и 30 может быть использовано любое известное из предшествующего уровня техники устройство. Как можно видеть на этой фигуре, режущее ребро 28 выступает наружу от первой стороны 32 режущей кромки 20, в то время как режущее ребро 30 выступает наружу от второй противоположной стороны 34 режущей кромки 20. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения режущее ребро 28 располагается в шахматном порядке относительно режущего ребра 30. Кроме того, как режущее ребро 28, так и режущее ребро 30 расположены над профилированной частью 12.

Одно из преимуществ выполнения режущих ребер 28 и 30 путем механической обработки заключается в том, что можно получить более острые режущие края, чем при отливке. В контексте настоящего изобретения каждое из режущих ребер 28 и 30 имеет режущие края 40 и 42 соответственно, которые ориентированы под углом, предпочтительно тупым, по отношению к продольной оси 21 режущей кромки 20. Благодаря тому что режущие ребра 28 и 30 имеют заостренные режущие края 40 и 42, улучшается взаимодействие с пористым материалом (не показан), закрепленным на внутренней поверхности наружного кожуха, что создает лучшее уплотнение между наружным кожухом и турбинной лопаткой.

Как можно видеть на фигурах 2 и 3, механическая обработка режущих ребер 28 и 30 приводит к тому, что в режущей кромке 20 образуется базовая часть 44, которая шире, чем верхний край режущей кромки 20. Это является преимуществом с точки зрения снижения массы режущей кромки 20 при одновременном создании режущих ребер 28 и 30 с заостренными режущими краями 40 и 42.

Одним из преимуществ усовершенствованной режущей кромки, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, является то, что режущие ребра 28 и 30 расположены, в основном, над профилированной частью 12 таким образом, что на профилированную часть действует со стороны бандажа наилучшим образом сбалансированная нагрузка. Это является преимуществом, так как масса "резака" сдвигается к более сбалансированной области над бандажом. В результате для бандажа достигается выигрыш в усталостной долговечности при ползучести. Кроме того, дополнительное преимущество заключается в том, что устраняется закручивание, которое происходит из-за размещения дополнительной массы резака у наружного края бандажа. Возможность формирования режущей кромки и режущих ребер путем механической обработки является также преимуществом, так как режущую кромку можно сделать тоньше, чем в других конструкциях, снижая тем самым вес режущей кромки, что также снижает ползучесть бандажа и профилированной части.

Режущие ребра 28 и 30 в соответствии с настоящим изобретением выполнены так, чтобы срезать пористый материал (не показан), закрепленный на внутренней поверхности наружного кожуха впереди и сзади лопатки. В процессе работы происходит вращение турбинной лопатки 10. С ростом температуры двигателя режущие ребра 28 и 30 взаимодействуют с пористым материалом, закрепленным на наружном кожухе так, чтобы поддерживать герметичность, что предотвращает утечку газообразных продуктов сгорания у турбинной лопатки 10.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предложен резак пористого материала в виде бандажа, который полностью соответствует указанным выше задачам и преимуществам. Хотя настоящее изобретение представлено на примере его конкретного предпочтительного выполнения, для специалиста в данной области из предшествующего подробного описания будут очевидными альтернативные решения, изменения и модификации. Соответственно, эти альтернативные решения, изменения и модификации охватываются рамками прилагаемой формулы изобретения.

1. Турбинная лопатка для газотурбинного двигателя, содержащая профилированную часть с торцевой кромкой, бандаж, имеющий наружную поверхность и присоединенный к указанной торцевой кромке, и режущую кромку, соединенную с указанной наружной поверхностью бандажа, отличающаяся тем, что указанная режущая кромка имеет пару режущих ребер, выступающих наружу от нее.

2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что указанная пара режущих ребер расположена в центральной области указанной режущей кромки с промежутком от каждого края указанной режущей кромки.

3. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что указанные режущие ребра расположены в шахматном порядке относительно друг друга.

4. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что указанные режущие ребра расположены с возможностью оптимального балансирования нагрузки на профилированную часть со стороны бандажа.

5. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит первое и второе режущие ребра, а режущая кромка имеет первую сторону и противоположную ей вторую сторону, причем первое режущее ребро выступает от первой стороны указанной режущей кромки, а второе режущее ребро выступает от второй стороны указанной режущей кромки.

6. Лопатка по п.5, отличающаяся тем, что указанная режущая кромка выполнена как одно целое с указанным бандажом, причем каждое из режущих ребер выполнено посредством механической обработки указанной режущей кромки.

7. Лопатка по п.5, отличающаяся тем, что режущая кромка имеет продольную ось, а каждое из указанных первого и второго режущих ребер имеет режущий край, расположенный под углом по отношению к указанной продольной оси.

8. Лопатка по п.7, отличающаяся тем, что указанный угол является тупым.

9. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит группу охлаждающих каналов, проходящих через указанную профилированную часть.

10. Бандаж для турбинной лопатки, имеющий наружную поверхность и соединенную с ней режущую кромку, отличающийся тем, что он имеет группу режущих ребер, образованных в центральной области указанной режущей кромки с промежутком от каждого края режущей кромки.

11. Бандаж по п.10, отличающийся тем, что указанные режущие ребра расположены в шахматном порядке.

12. Бандаж по п.10, отличающийся тем, что он содержит первое и второе режущие ребра, а режущая кромка имеет первую и вторую стороны, причем первое режущее ребро выступает от первой стороны указанной режущей кромки, а второе режущее ребро выступает от второй стороны указанной режущей кромки.

13. Бандаж по п.12, отличающийся тем, что указанная первая сторона режущей кромки расположена противоположно указанной второй стороне режущей кромки.

14. Бандаж по п.12, отличающийся тем, что указанная режущая кромка имеет продольную ось, а указанное первое режущее ребро имеет режущий край, расположенный под углом к указанной продольной оси.

15. Бандаж по п.14, отличающийся тем, что указанное режущее ребро имеет режущий край, расположенный под углом к указанной продольной оси.

16. Способ изготовления турбинной лопатки, в котором формируют турбинную лопатку, имеющую профилированную часть, бандаж, прикрепленный к торцевой кромке указанной профилированной части, и режущую кромку, соединенную с наружной поверхностью указанного бандажа, отличающийся тем, что в указанной режущей кромке выполняют посредством механической обработки пару режущих ребер с расположением их в основном над указанной профилированной частью.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что на первой стороне указанной режущей кромки выполняют посредством механической обработки первое режущее ребро, а на второй стороне указанной режущей кромки выполняют посредством механической обработки второе режущее ребро.

18. Способ по п.16, отличающийся тем, что посредством указанной механической обработки указанные режущие ребра выполняют расположенными в шахматном порядке вдоль продольной оси указанной режущей кромки.

19. Способ по п.16, отличающийся тем, что осуществляют отливку турбинной лопатки, имеющей указанные профилированную часть и бандаж, и затем осуществляют механическую обработку указанной режущей кромки.