ЛОПАТКА НАПРАВЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ТУРБИНЫ С СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F01D5/18 

Изобретение касается направляющих устройств для турбин высокого давления, используемых в турбомашинах, в частности в авиационных турбореактивных двигателях.

Известно, что повышение температуры газов на входе одной или нескольких турбин позволяет оптимизировать характеристики данного турбореактивного двигателя или вообще турбомашины. Повышение уровня этой входной температуры позволяет обеспечить определенный выигрыш в удельном расходе топлива, то есть дает возможность увеличить радиус действия или дальность полета самолета или соответственно уменьшить количество заправляемого в данный самолет топлива. Это повышение температуры газов на входе в турбину позволяет также увеличить тягу турбореактивного двигателя. Современные турбореактивные двигатели выдерживают температуру газов на входе в турбину вплоть до 1577^oC, тогда как турбореактивные двигатели, разработанные в 1950 году (например, двигатели типа ATAR), выдерживали температуру газов на входе в турбину не более 930^oC.

Для достижения таких уровней температуры газов необходимо использовать устройства охлаждения лопаток направляющего устройства и соответствующего рабочего колеса турбины. Для этого во внутренней полости лопатки формируют специальные каналы, позволяющие обеспечить организованную циркуляцию охлаждающего воздуха, и выполняют в стенке лопатки отверстия, располагающиеся таким образом, чтобы создать на поверхности лопатки защитную пленку, причем охлаждение обеспечивается при помощи двух основных способов: внутренней конвекции и защитной пленки.

На приведенных фиг. 1 и 2 схематически представлено техническое решение, используемое в настоящее время в двигателях типа CFG-80 и GE 90.

Лопатка, которая содержит полое перо или лопасть 1, вставленное между наружной платформой 8 и внутренней платформой 9, содержит рубашку 2, которая определяет сплошную периферийную полость 3, расположенную между наружной стенкой 4 лопасти 1 и наружной стороной этой рубашки 2. Специальные ограничительные штыри, закрепленные на стенке 4 или на рубашке 2, поддерживают необходимое расстояние между этой рубашкой 2 и упомянутой стенкой 4.

Рубашка 2 содержит юбку 6, в которой выполнено множество отверстий, и донную стенку 7, выполненную на определенном расстоянии от стенки 8, отделяющем лопасть 1 от также полой внутренней платформы 9, причем эта стенка 8 содержит одно отверстие 10. Расходуемый охлаждающий воздух 11, отбираемый от источника воздуха под давлением, в качестве которого обычно используется компрессор данной турбомашины или турбореактивного двигателя, проходит через наружную платформу, поступает во внутреннюю полость рубашки 2 и выходит из нее через многочисленные отверстия юбки 6, образуя в периферийной полости 3 струи воздуха 12, которые охлаждают стенку 4 лопатки 1 в результате соударения с ней.

Упомянутый охлаждающий воздух 11 поступает затем во внутреннюю полость внутренней платформы 9, через которую этот воздух проходит, охлаждая данную платформу, с тем, чтобы в конечном счете выйти из этой платформы через отверстия 12, расположенные в передней по потоку части внутренней платформы 9. Поскольку давление P1, имеющее место в передней по потоку камере 13, превышает давление P2, которое имеет место в камере 14, причем упомянутые камеры ограничены внутренней платформой 9 и соответственно передним по потоку рабочим колесом турбины 15 и задним по потоку рабочим колесом турбины 16, имеется тенденция к созданию определенного расхода воздуха через лабиринт 18, который отделяет друг от друга камеры 13 и 14 и который фиксирует величину расхода воздуха 17.

Этот расходуемый воздух 17 выбрасывается в поток горячих газов данной турбины, охлаждая по пути периферийную часть заднего по потоку рабочего колеса турбины 16. Остальная часть охлаждающего воздуха 19, выходящего из отверстия 12, выбрасывается в поток горячих газов турбины по потоку перед направляющим устройством, охлаждая по пути периферийную часть переднего по потоку рабочего колеса турбины 15.

Таким образом, рабочие колеса турбины высокого давления охлаждаются при помощи упомянутых потоков воздуха 17 и 19. При таком достаточно простом технологическом решении весь поток расходуемого охлаждающего воздуха 11, подаваемого во внутреннюю полость рубашки 2, прежде всего служит для охлаждения лопасти 1 данной лопатки направляющего устройства.

Однако в данном случае воздух, подаваемый во внутреннюю полость лопатки, должен прежде всего опуститься в направлении основания данной лопатки для того, чтобы выйти из этой полости через внутреннюю платформу 9. Таким образом, здесь имеет место определенное срезание расхода воздуха, предназначенного для формирования соударений с охлаждаемой стенкой, что в конечном счете осложняет математическое моделирование данного процесса и ухудшает характеристики охлаждения, поскольку воздух, который должен обеспечивать охлаждение внутренней платформы 9 и рабочих колес турбины 15 и 16, оказывается уже нагретым в процессе охлаждения стенки 4 лопасти 1.

А если еще при этом появляется трещина 20 на задней кромке лопасти 1, как это схематически показано на фиг. 2, по меньшей мере часть 21 расходуемого охлаждающего воздуха вытекает через эту трещину 20, и поскольку давление, имеющее место позади по потоку от направляющих лопаток, оказывается меньше, чем давление, имеющее место по потоку перед этими направляющими лопатками, появляется определенная опасность изменения на противоположное направления течения потока воздуха во внутренней полости внутренней платформы 9, причем в этом случае через данную внутреннюю платформу проходит определенное количество 22 горячих газов, поступающих с передней по потоку части данного направляющего устройства и проходящих через переднюю по потоку камеру 13. При этом упомянутая внутренняя платформа 9 нагревается, что может вызвать тяжелые и серьезные повреждения и даже полное разрушение лопатки.

Поток газов, проходящих под платформой 9, представляет собой непосредственно поток весьма горячих газов данной турбины, что может вызвать опасный перегрев ротора, который в конечном счете приводит к полному разрушению данной турбины.

На приведенных фиг. 3 и 4 схематически представлен другой возможный вариант реализации контура охлаждения, близкий к варианту реализации, схематически представленному на фиг. 1 и 2. В данном случае донная стенка 7 рубашки 2 содержит одно выходное отверстие 23, расположенное против входного отверстия 10 во внутренней платформе 9. Таким образом, поток охлаждающего воздуха 11 проникает во внутреннюю полость рубашки 2 и некоторая часть 24 этого потока проходит непосредственно через выходное отверстие 23 и циркулирует во внутренней полости внутренней платформы 9 для обеспечения ее охлаждения.

Как и в способе реализации, схематически представленном на фиг. 1 и 2, охлаждающий воздух, циркулирующий во внутренней полости платформы 9, выходит через отверстия 12, расположенные по потоку спереди от внутренней платформы 9, после чего некоторая часть этого воздуха 17 проходит через лабиринт 18, тогда как другая часть этого воздуха 19 выбрасывается в поток горячих газов данной турбины по потоку спереди от данного направляющего устройства, что обеспечивает соответствующее охлаждение рабочих колес 15 и 16 данной турбины.

При использовании этого второго варианта, схематически представленного на фиг. 3 и 4, воздух, предназначенный для охлаждения внутренней платформы 9 и рабочих колес 15 и 16 данной турбины, является более холодным, что представляет собой благоприятный фактор, и расход среза потока охлаждения при помощи соударения струей воздуха с охлаждаемыми элементами оказывается уменьшенным. Зато и уменьшенным оказывается расход воздуха, предназначенный для охлаждения лопасти данной лопатки, что является существенным недостатком данной конструкции. Кроме того, некоторые утечки охлаждающего воздуха 25 и 26 могут подниматься в периферийную полость 3 из выходного отверстия 23, что дополнительно усложняет процесс математического моделирования происходящих течений воздуха.

В том случае, когда появляется трещина 20 на задней по потоку кромке лопасти 1, как это схематически показано на фиг. 4, часть 21 охлаждающего воздуха поступает в поток горячих газов данной турбины и в соответствии с условиями функционирования данного турбореактивного двигателя направление течения охлаждающего воздуха во внутренней платформе 9 будет сохраняться неизменным или будет меняться на противоположное. При этом платформы 9 и лопасти 1 также могут быть повреждены или разрушены. Чрезмерно высокая температура в камерах 13 и 14 может привести к опасному перегреву ротора, причем тепловое расширение рабочих колес турбины может привести к механическому контакту между подвижными и неподвижными элементами этой турбины.

В двух описанных выше и используемых в настоящее время вариантах охлаждения лопаток направляющего устройства турбины высокого давления стенка 4 лопасти 1 дополнительно снабжена специальными калиброванными отверстиями для того, чтобы сформировать защитную воздушную пленку вокруг этой лопасти.

Исходя из описанного выше существующего в данной области уровня техники, настоящее изобретение имеет целью предложить конструкцию лопатки направляющего устройства турбины, в которой циркуляция охлаждающего воздуха во внутренней платформе не может изменить свое направление на противоположное в случае возникновения трещины в задней по потоку кромке лопасти или пера данной лопатки направляющего устройства.

Итак, предлагаемое изобретение касается лопатки направляющего устройства турбины, снабженной системой охлаждения, причем эта лопатка направляющего устройства содержит полую лопасть, вставленную между наружной платформой и внутренней платформой, которые также выполнены полыми, и упомянутая система охлаждения содержит рубашку, расположенную внутри данной лопасти, причем эта рубашка имеет юбку, содержащую множество сквозных отверстий, удерживаемую на определенном удалении от периферийной стенки лопасти, и донную стенку, имеющую выходное отверстие, расположенное напротив входного отверстия, выполненного в стенке внутренней платформы, причем эта донная стенка рубашки также выполнена на определенном удалении от упомянутой стенки внутренней платформы, и внутренняя полость рубашки запитывается определенным потоком охлаждающего воздуха через наружную платформу, причем часть этого охлаждающего воздуха обеспечивает охлаждение путем соударения периферийной стенки лопасти струйками воздуха, проходящими через многочисленные отверстия, выполненные в юбке, а другая часть этого охлаждающего воздуха движется во внутренней полости внутренней платформы, откуда этот охлаждающий воздух выходит через отверстия, выполненные в передней по потоку части платформы, для того, чтобы обеспечить охлаждение рабочих колес турбины, причем стенка лопасти дополнительно содержит специальные калиброванные отверстия, предназначенные для формирования защитной воздушной пленки на наружной поверхности лопасти.

Лопатка направляющего устройства турбины в соответствии с предлагаемым изобретением отличается тем, что выходное отверстие донной стенки рубашки и входное отверстие во внутренней платформе сообщены между собой при помощи специального устройства герметизации, которое препятствует непосредственному сообщению между внутренней полостью внутренней платформы и полостью, ограниченной периферийной стенкой лопасти и наружной стороной рубашки.

Такая конструкция препятствует возникновению смешивания двух потоков охлаждающего воздуха в основании рубашки и внутренняя платформа всегда будет охлаждаться свежим или холодным воздухом даже в случае возникновения трещины в задней по потоку кромке лопасти.

В предпочтительном варианте реализации предлагаемого изобретения устройство герметизации образовано двумя конусами, вкладывающимися друг в друга, причем отверстия на вершинах этих конусов расположены во внутренней полости рубашки. При этом охватываемый конус жестко связан с внутренней платформой и определяет входное отверстие, а охватывающий конус жестко связан с рубашкой и определяет выходное отверстие.

Такая конструкция позволяет обеспечить соответствующую осевую фиксацию деталей и обездвиживание основания рубашки в боковом направлении.

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания примеров его реализации, где даются ссылки на приведенные в приложении чертежи, на которых:
- фиг. 1 и 2 представляют собой схематические виды в разрезе по радиальной плоскости, проходящей через ось вращения турбины, лопатки направляющего устройства в соответствии с существующим уровнем техники, снабженной первым вариантом реализации системы охлаждения данной лопатки;
- фиг. 3 и 4 представляют собой схематические виды в разрезе по радиальной плоскости, проходящей через ось вращения турбины, лопатки направляющего устройства в соответствии с существующим уровнем техники, снабженной вторым вариантом реализации системы охлаждения данной лопатки;
- фиг. 5 представляет собой схематический вид в разрезе по радиальной плоскости, проходящей через ось вращения турбины, лопатки направляющего устройства этой турбины в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг. 6 представляет собой схематический вид в увеличенном масштабе и в разрезе по радиальной плоскости средств сообщения между внутренней полостью рубашки лопасти и внутренней полостью внутренней платформы;
- фиг. 7 представляет собой схематический перспективный вид верхней стенки внутренней платформы и основания рубашки охлаждаемой лопатки направляющего устройства;
- фиг. 8 представляет собой схематический вид в разрезе по радиальной плоскости, подобный виду, показанному на фиг. 5, демонстрирующий пути циркуляции расхода охлаждающего воздуха в случае возникновения трещины в задней по потоку кромке лопасти.

На фиг. 5 схематически представлена неподвижная лопатка 40 направляющего устройства, вставленного между рабочими колесами 41 и 42 двухступенчатой турбины 43 высокого давления с осью вращения 44. Лопатка направляющего устройства 40 известным образом содержит полую аэродинамическую лопасть 45, вставленную между наружной платформой, не показанной на приведенных фигурах, и внутренней платформой 46. Система лопаток 40 направляющего устройства данной турбины образует венец этих лопаток, и поток горячих газов, выходящий из решетки подвижных лопаток 47 переднего по потоку рабочего колеса 41 турбины 43, спрямляется при помощи лопастей 45 перед поступлением на подвижные лопатки 48 заднего по потоку рабочего колеса данной турбины 42. Наружные платформы направляющего устройства ограничивают наружный контур потока горячих газов, тогда как внутренние платформы 9 ограничивают внутренний контур этого потока.

Рабочие колеса 41 и 42 данной турбины содержат соответственно в дополнение к подвижным лопаткам 47 и 48 диски 49 и 50, связанные между собой при помощи барабана 51, приводящего в движение вал двигателя, не показанный на приведенных фигурах. Этот барабан 51 содержит лабиринт 52, расположенный напротив внутренней платформы 46, которая разделяет кольцевое пространство между внутренней платформой 46 и барабаном 51 в передней по потоку камере 53, и заднюю по потоку камеру 54.

Эти камеры 53 и 54 сообщены с потоком горячих газов данной турбины посредством щелей 55 и 56, которые отделяют внутреннюю платформу 9 соответственно от переднего и заднего по потоку рабочего колеса турбины 49 и 50.

Во внутренней полости 45 лопасти расположена рубашка 60, которая содержит юбку 61 с множеством сквозных отверстий и донную стенку 62, расположенную поблизости и на некотором расстоянии от стенки 63, которая отделяет внутреннюю полость лопасти 45 от внутренней полости внутренней платформы 46. Стенка 63 содержит охватываемый конус 64, определяющий входное отверстие 65 во внутренней полости внутренней платформы 46 и вкладывающийся в охватывающий конус 66, выполненный в донной стенке 63 и определяющий выходное отверстие соответственно. Внутренняя платформа 46 дополнительно содержит на своей передней по потоку стороне отверстия 67, которые обеспечивают сообщение между внутренней полостью платформы 46 и передней по потоку камерой 53.

Упомянутая выше рубашка 60 удерживается на определенном расстоянии от периферийной стенки лопасти 45 при помощи специальных ограничивающих стержней и эта рубашка запитывается потоком охлаждающего воздуха 70, поступающим из наружной платформы.

Первая часть этого потока охлаждающего воздуха 71 отводится или удаляется через многочисленные отверстия, выполненные в юбке 61, и обеспечивает охлаждение путем соударения струек этого воздуха периферийной аэродинамической стенки лопасти 45, которая содержит специальные калиброванные отверстия, обеспечивающие возможность отведения этой части охлаждающего воздуха 71 в поток горячих газов данной турбины, формируя при этом защитную воздушную пленку вокруг данной лопасти.

Вторая часть 72 потока охлаждающего воздуха поступает во внутреннюю полость внутренней платформы через отверстие 65, расположенное на вершине охватываемого конуса 64, откуда этот охлаждающий воздух поступает в переднюю по потоку камеру 53.

Поскольку уровень давления P1, имеющего место в передней по потоку камере 53, превышает уровень давления P2, имеющего место в задней по потоку камере 54, расход 73 охлаждающего воздуха на выходе из внутренней платформы 46 разделяется на первый поток 73, который соединяется с потоком горячих газов данной турбины спереди по потоку от данного направляющего устройства через щель 55 после попутного охлаждения периферийной части переднего по потоку рабочего колеса 49 турбины, и на второй поток 74, который проходит через лабиринт 52 и заднюю по потоку камеру 54 и соединяется с потоком горячих газов данной турбины позади по потоку от данного направляющего устройства турбины посредством щели 56.

Сообщение между внутренней полостью рубашки 60 и внутренней полостью внутренней платформы 46 осуществляется при помощи двух конусов 64 и 66, которые герметичным образом вкладываются друг в друга. Два этих конуса, кроме того, обеспечивают фиксацию соответствующего осевого положения рубашки 60 и лопасти 45 лопатки направляющего устройства, а также обеспечивают обездвиживание в боковом направлении донной стенки 62 рубашки 60 во внутренней полости лопасти 45.

Поток 72 охлаждающего воздуха, служащий для охлаждения рабочих колес 49 и 50 турбины, отделяется от потока охлаждающего воздуха 71, служащего для охлаждения стенки лопасти лопатки, даже в случае наличия трещины 75 на задней по потоку кромке лопасти 45, как это схематически показано на фиг. 8.

Лопатка направляющего устройства турбины с системой охлаждения содержащит полую лопасть, вставленную между полыми наружной и внутренней платформами. Система охлаждения содержит рубашку, имеющую множество сквозных отверстий, и удерживается на определенном расстоянии от периферийной стенки лопатки и донную стенку, имеющую выходное отверстие, расположенное напротив входного отверстия, выполненного в стенке внутренней платформы. Выходное отверстие в донной стенке рубашки и входное отверстие во внутренней платформе сообщены между собой посредством устройства обеспечения герметичности, выполненного в виде двух конусов, вкладывающихся один в другой. Отверстия на вершинах этих конусов расположены внутри рубашки. Охватываемый конус жестко связан с внутренней платформой и определяет входное отверстие. Охватывающий конус жестко связан с рубашкой и определяет выходное отверстие - такое выполнение лопатки повышает степень ее охлаждения. 8 ил.

Лопатка направляющего устройства турбины с системой охлаждения, содержащая полую лопасть, вставленную между наружной и внутренней платформами, которые также выполнены полыми, и системой охлаждения, содержащей рубашку, расположенную во внутренней полости лопасти, причем рубашка содержит юбку, имеющую множество сквозных отверстий, и удерживается на определенном расстоянии от периферийной стенки лопасти, и донную стенку, имеющую выходное отверстие, расположенное напротив входного отверстия, выполненного в стенке внутренней платформы, причем донная стенка также удерживается на определенном расстоянии от стенки внутренней платформы, а внутренняя полость рубашки запитывается определенным потоком охлаждающего воздуха, поступающим из наружной платформы, причем одна часть этого охлаждающего воздуха охлаждает посредством соударения струек воздуха, проходящих через многочисленные отверстия в юбке, периферийную стенку лопасти, а другая часть этого охлаждающего воздуха проходит по внутренней платформе, откуда он выходит через отверстия, выполненные в передней по потоку части платформы, для того, чтобы обеспечить охлаждение рабочих колес турбины, а стенка лопасти дополнительно имеет калиброванные отверстия, предназначенные для образования защитной пленки на наружной поверхности лопасти, отличающаяся тем, что выходное отверстие в донной стенке рубашки и входное отверстие во внутренней платформе сообщены между собой посредством устройства обеспечения герметичности, которое препятствует непосредственному сообщению между внутренней полостью внутренней платформы и полостью, ограниченной периферийной стенкой лопасти и наружной стороной рубашки, и тем, что устройство обеспечения герметичности содержит два конуса, вкладывающиеся один в другой, причем отверстия на вершинах этих конусов расположены внутри рубашки и охватываемый конус жестко связан с внутренней платформой и определяет входное отверстие, а охватывающий конус жестко связан с рубашкой и определяет выходное отверстие.