ОХЛАЖДАЕМАЯ РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ Российский патент 1995 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к авиационным газотурбинным двигателям. Известна охлаждаемая рабочая лопатка турбины ГТД, используемая в турбине [1] Лопатка содержит полое перо со стенками переменной толщины, уменьшающейся обычно по высоте пера от корневого сечения к торцу пера.

Однако известная конструкция недостаточно надежна. Известно, что через проточную часть турбины при работе двигателя вместе с газами проходит определенное количество пыли, песка и кокса, образующегося в камере сгорания при неполном сгорании топлива. Проходя через сопловой аппарат 1 ступени, частицы песка, пыли и кокса приобретают закрутку в окружном направлении. Под действием неравномерности газового потока, окружной закрутки, а также своей инерционности частицы сепарируются (отбрасываются) к периферии проточной части. Натекая вместе с газом на рабочую лопатку в области периферийного торца эти частицы вызывают повреждение стенок в виде вмятин и сквозных отверстий периферийной части пера лопатки, выполняемой по отношению к стенкам остальных частей пера более тонкими.

Наиболее близкой к изобретению является охлаждаемая рабочая лопатка турбины [2] Лопатка содержит перо с внутренней полостью, корыто и спинку с переменной вдоль хорды толщиной стенок, от минимальной толщины у входной и выходной кромок до максимальной в средней части профиля.

Недостатком известной лопатки, принятой за прототип, является ее недостаточная надежность, обусловленная минимальной толщиной стенок входной кромки, особенно в области периферийного торца, и протеканием через проточную часть трубы вместе с газами частиц пыли, песка и кокса, отбрасываемых, сепарируемых в сопловом аппарате 1 ступени к периферии проточной части.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности рабочей лопатки турбины путем утолщения стенки участка входной кромки со стороны спинки в зоне попадания посторонних предметов.

Сущность технического решения заключается в том, что в рабочей лопатке турбины, содержащей полое перо, включающее образующие внутреннюю полость корыто и спинку, входную и выходную кромки с толщиной стенок, переменной как по высоте пера, так и по периметру поперечных сечений, в области периферийного торца на входной кромке со стороны спинки толщина стенки равна 1,2+1,4 максимальной толщины стенки пера на высоте 2/3 от длины пера, при этом длина утолщения равна 0,2 от хорды соответствующего сечения лопатки.

Путем утолщения стенки участка входной кромки со стороны спинки в зоне попадания посторонних предметов удается исключить образование вмятин и сквозных отверстий, тем самым повысить надежность лопатки.

На фиг. 1 изображена турбина, продольный разрез; на фиг. 2 сечение А-А на фиг.1; на фиг. 3 узел I на фиг.2.

Охлаждаемая рабочая лопатка 1 турбины 2, имеющая также сопловой аппарат 1 ступени 3, содержит полое перо 4 с входной 5 и выходной 6 кромками, спинкой 7 и корытом 8. Лопатка 1 выполнена со стенками переменной по высоте Н 9 толщиной, уменьшающейся к торцу 10 пера. В области периферийного торца 10 на высоте 2/3 от длины Н 9 пера лопатки на участке L, равном 0,20 от хорды Б соответствующего сечения лопатки 1 со стороны спинки 7 в области входной кромки 5, стенка лопатки выполнена с толщиной t_сп-11, равной 1,2-1,4 максимальной толщины стенки t корыта и спинки в поперечном сечении на 20-40%
При работе двигателя частицы 12 пыли и песка, засасываемые в двигатель вместе с воздухом, а также частицы 12 кокса, образующегося в камере сгорания двигателя при неполном сгорании топлива, поступают на вход турбины 2. Вследствие неоднородности течения и давлений газового потока, а также в силу своей инерционности эти частицы 12 отжимаются, сепарируются в сопловом аппарате 1 ступени 3 к периферии проточной части и выходят из соплового аппарата 3 большей частью, ближе к периферийному торцу 10 рабочих лопаток 1 1 ступени. Приобретая в сопловом аппарате 3 вместе с газом окружную закрутку, частицы 12 примесей пыли, песка и кокса движутся в сопловом аппарате 3 по траектории 13. В силу своих инерционных свойств эти частицы 12 приобретают по сравнению с газом на выходе из соплового аппарата 3 меньшую закрутку и меньшую скорость
α₁'>α₁, а С₁' < C₁, где α₁, С₁ соответственно угол и скорость выхода газа из соплового аппарата;
α₁', C₁' соответственно угол и скорость выхода частиц пыли, песка и кокса из соплового аппарата.

Вследствие разных скоростей и углов выхода треугольники скоростей для частиц пыли, песка и кокса и для газа на входе в рабочие лопатки получаются различными. При этом вектор относительно скорости W' 14 для частиц пыли, песка и кокса направлен на входную кромку со стороны спинки как раз в место утолщения 15 стенки 10. За счет утолщения стенки 15 участка входной кромки со стороны спинки в зоне попадания посторонних предметов, удается исключить образование вмятин и сквозных отверстий и тем самым повысить надежность лопатки.

Утолщение стенки входной кромки рабочих лопаток применительно к одному из двигателей разработки предприятия выбрано на высоте пера, начиная примерно с 2/3 высоты и выше, считая от корневого сечения, на участке L, равном примерно 1,20 длины хорды Б каждого из сечений.

Использование: в авационных газотурбинных двигателях для рабочих лопаток турбины. Сущность изобретения: охлаждаемая рабочая лопатка 1 турбины содержит полое перо 4 с входной и выходной кромками, спинкой и корытом. Лопатка 1 выполнена со стенками переменной по высоте толщиной, уменьшающейся к торцу 10 пера. В области периферийного торца 10 на высоте 2/3 от длины пера лопатки 1 на участке, равном 0,2 длины хорды соответствующего сечения лопатки 1 со стороны спинки в области входной кромки, стенка лопатки выполнена толщиной 1,2 1,4 максимальной толщины стенки соответствующего поперечного сечения пера. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ОХЛАЖДАЕМАЯ РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ, содержащая полое перо с входной, выходной кромками и с образующими его полость корытом и спинкой, имеющими переменную по высоте и в поперечном сечении толщину стенок, отличающаяся тем, что в каждом поперечном сечении, расположенном на участке, отстоящем от корня пера на расстоянии 2/3 его длины до его периферийного торца, в зоне входной кромки стенки пера выполнена толщиной, превышающей толщину стенок в соответствующем сечении. 2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что толщина стенки каждого поперечного сечения спинки на участке, равном 0,2 длины хорды пера от входной кромки, равна 1,2-1,4 максимальной толщины стенки соответствующего поперечного сечения пера.