КАНАЛ ОХЛАЖДЕНИЯ, ВЫПОЛНЕННЫЙ В СТЕНКЕ Российский патент 2011 года по МПК F01D5/18 B23P15/02 

Объектами предлагаемого изобретения являются способ, предназначенный для выполнения канала охлаждения в стенке, электрод, используемый для осуществления этого способа, элемент стенки, в которой выполнен канал охлаждения, и полая лопатка турбореактивного двигателя, содержащая элемент стенки этого типа.

Более конкретно, предлагаемое изобретение относится к элементу стенки, содержащему внутреннюю поверхность и наружную поверхность, причем эта наружная поверхность может быть охлаждена при помощи холодного воздуха, движущегося в упомянутом канале охлаждения. Кроме того, канал охлаждения содержит сквозное отверстие и участок рассеивания, причем упомянутое отверстие открывается, с одной стороны, на внутренней поверхности упомянутой стенки, а с другой стороны, открывается, по существу, в донной части упомянутого участка рассеивания, образуя устье, и этот участок рассеивания имеет расширяющуюся форму, начинающуюся от этого устья, и открывается на наружной поверхности упомянутой стенки.

В патенте US 6183199 В1 представлен пример элемента стенки полой лопатки турбины турбореактивного двигателя, сквозь которую проходит канал охлаждения упомянутого выше типа. В этом примере реализации отверстие канала охлаждения и его участок рассеивания реализованы с использованием способа электрической эрозии, выполняемой в процессе осуществления одного единственного технологического этапа, при помощи одного единственного электрода, концевая зона которого имеет переднюю часть, имеющую форму, соответствующую форме выполняемого отверстия, и заднюю часть, имеющую форму, соответствующую форме участка рассеивания упомянутого канала.

Электрод подобного типа описан и схематически представлен в патенте US 4197443, на который даются ссылки в упомянутом патенте US 6183199 В1. Как это можно видеть из упомянутых документов, форма этого электрода является достаточно сложной. Кроме того, в общем случае выполнение канала охлаждения при помощи электрической эрозии в соответствии с известными способами остается достаточно длительной и дорогостоящей операцией.

Таким образом, задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить альтернативный вариант по отношению к известным способам и обеспечить возможность выполнения канала охлаждения упомянутого выше типа более быстрыми темпами и за меньшее время, и при меньших затратах.

Для решения этой задачи предлагается способ, отличающийся тем, что упомянутую стенку прошивают насквозь для реализации упомянутого отверстия, при этом формируют некоторую полость в стенке для реализации упомянутой части рассеивания, в процессе выполнения двух различных технологических этапов.

Таким образом, в соответствии со способом по данному изобретению имеется возможность использовать различные технологические приемы и различное оборудование для реализации собственно отверстия и части рассеивания.

Для реализации отверстия можно прошивать упомянутую стенку при помощи электрической эрозии или при помощи луча лазера.

Предпочтительно использовать известные технологии прошивки при помощи лазера, причем эти технологии являются значительно более быстродействующими и экономичными по сравнению с технологией электрической эрозии. Таким образом, для прошивки отверстия в стенке полой лопатки турбины обычно требуется всего лишь несколько десятков секунд.

Если желательно реализовать отверстие и участок рассеивания при помощи электрической эрозии, в данном случае используют два различных электрода для реализации каждого из этих элементов. При этом упомянутые электроды имеют более простую форму по сравнению с электродами, использовавшимися до настоящего времени, вследствие чего они являются более простыми и более экономичными в изготовлении. Так, например, для реализации сквозного отверстия можно использовать простой электрод цилиндрической формы.

В соответствии с другим аспектом предлагаемого изобретения для реализации упомянутого участка рассеивания используют электрод, отличающийся тем, что концевая часть этого электрода имеет форму конуса, конец которого является закругленным, и боковая коническая поверхность которого имеет локальную плоскую поверхность, причем ось конуса не пересекает эту локальную плоскую поверхность.

Форма упомянутого выше электрода позволяет, с одной стороны, не создавать острых углов в донной области участка рассеивания, которые обычно создают зоны образования надрывов или трещин материала.

С другой стороны, эта форма электрода и его размерные параметры по отношению к упомянутому отверстию позволяют выполнить участок рассеивания, имеющий достаточно широкую геометрию и расширяющуюся для того, чтобы, принимая во внимание допуски на реализацию упомянутого отверстия и участка рассеивания, при любом относительном положении этого отверстия и упомянутого участка рассеивания, этот участок рассеивания в любом случае обеспечивал удовлетворительное рассеивание (то есть удовлетворительное ориентирование и удовлетворительное расширение) потока воздуха, выходящего из упомянутого отверстия.

Объектом предлагаемого изобретения также является элемент стенки, в которой выполнен указанный канал охлаждения нового типа. Такой канал охлаждения может быть реализован при помощи способа и электрода в соответствии с предлагаемым изобретением.

Указанный канал охлаждения отличается тем, что содержит участок рассеивания, имеющий, по существу, плоскую переднюю донную часть, наклоненную в толще упомянутой стенки и проходящую перед упомянутым устьем в направлении течения холодного воздуха, и краевую зону, проходящую позади, по бокам и спереди от этого устья, причем указанная краевая зона соединяет боковые стороны упомянутой передней донной части.

Предпочтительно, чтобы угол, сформированный между этой краевой зоной и передней донной частью в плоскости, перпендикулярной к этой передней донной части, не являлся "острым" в том смысле, что его величина строго превышает 90°. Таким образом устраняется создание областей формирования трещин.

И наконец, объектом предлагаемого изобретения является полая лопатка газовой турбины, содержащая элемент стенки упомянутого выше типа.

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из подробного описания примера его реализации, приводимого со ссылками на фигуры чертежей, среди которых:

фиг.1 представляет собой вид в поперечном разрезе примера реализации элемента стенки в соответствии с предлагаемым изобретением, содержащей канал охлаждения;

фиг.2 представляет собой вид в изометрии концевой части электрода, используемого для реализации части рассеивания канала охлаждения, показанного на фиг.1;

фиг.3 представляет собой вид сверху канала охлаждения, показанного на фиг.1, в направлении III, перпендикулярном по отношению к наружной поверхности упомянутой стенки;

фиг.4 представляет собой вид канала охлаждения, показанного на фиг.1, в направлении IV, то есть вдоль оси прошивки отверстия этого канала охлаждения;

фиг.5 представляет собой вид в разрезе по плоскости V-V, показанной на фиг.3.

Ниже со ссылками на фиг.1, 3, 4 и 5 будет описан пример реализации элемента стенки в соответствии с предлагаемым изобретением.

Упомянутый элемент стенки имеет внутреннюю поверхность 3 и наружную поверхность 5. Этот элемент принадлежит стенке 1 полой лопатки газовой турбины, такой, например, как лопатка турбины высокого давления турбореактивного двигателя. Полая лопатка этого типа содержит внутреннее пространство охлаждения 4, частично ограниченное внутренней поверхностью 3, причем в это пространство подается холодный воздух.

На наружную поверхность 5 стенки 1 воздействуют горячие газы, проходящие через турбину, и поэтому она подлежит принудительному охлаждению. Для этого предусматриваются специальные каналы охлаждения, выполненные в стенке 1. При этом по меньшей мере часть этих каналов представляет собой каналы типа канала 6, представленного на фиг.1. Через канал 6 проходит холодный воздух, поступающий из внутреннего пространства охлаждения 4 лопатки, и этот холодный воздух поступает на наружную поверхность 5 для обеспечения ее охлаждения. Канал 6 состоит из двух частей: части регулирования, образованной отверстием 7, и участка рассеивания 9, представляющего собой полость, выполненную в стенке 1 на уровне ее наружной поверхности 5.

В данном случае речь идет о части регулирования, поскольку минимальное поперечное сечение отверстия 7 позволяет регулировать расход воздуха, проходящего через канал 6. Предпочтительно, чтобы отверстие 7 имело достаточно простую форму. В представленном примере реализации это отверстие 7 вписывается в цилиндр вращения. Кроме того, ось В этого отверстия 7 наклонена на некоторый угол G по отношению к наружной поверхности 5 (или, если эта поверхность 5 не является плоской, по отношению к касательной к этой поверхности на уровне оси В). Этот угол G имеет величину менее 90° и, предпочтительно, величину, заключенную в диапазоне от 15° до 80°, для того, чтобы отклонить поток воздуха F в направлении наружной поверхности 5 таким образом, чтобы он располагался как можно ближе к этой поверхности. Таким образом стремятся ориентировать векторы скорости потока воздуха F на выходе из канала 6 в максимально возможной степени параллельными к плоскости наружной поверхности 5.

Для того чтобы в еще большей степени отклонить поток воздуха F в направлении наружной поверхности 5 и расширить этот поток воздуха F в плоскости наружной поверхности 5, канал 6 имеет участок рассеивания 9, располагающийся поверх упомянутого отверстия 7. Этот участок рассеивания 9 расширяется вокруг устья 11, через которое холодный воздух выходит из отверстия 7. Это устье 11 предпочтительно располагается, по существу, на дне участка рассеивания 9 по отношению к наружной поверхности 5. Участок рассеивания 9 содержит перед упомянутым устьем в направлении течения потока F, по существу, плоскую переднюю донную часть 13, наклоненную в толще стенки на некоторый угол g по отношению к наружной поверхности 5. Величина этого угла g предпочтительно находится в диапазоне от 2° до 45°, и в любом случае этот угол является меньшим, чем угол G, с тем, чтобы поток воздуха F, направляемый этой передней донной частью 13, отклонялся в направлении наружной поверхности 5.

Передняя донная часть 13 способствует сближению потока холодного воздуха F, выходящего из отверстия 7, с наружной поверхностью 5. Таким образом, этот поток воздуха остается в контакте с наружной поверхностью 5, что позволяет, с одной стороны, охлаждать поверхность 5 путем теплообмена, а с другой стороны, создавать на этой поверхности 5 защитную воздушную пленку, которая удерживает на некотором расстоянии от нее горячие газы среды, в которой располагается стенка 1.

Предпочтительно, чтобы контур передней донной части 13 имел в целом форму треугольника, одна из вершин которого обращена в сторону упомянутого устья 11 (см. фиг.3 и 4), что позволяет расширить поток воздуха F, выходящий из отверстия 7, и, вследствие этого, охлаждать, и обеспечивать защиту более значительной части наружной поверхности 5. Очевидно, что основание треугольника, противоположное упомянутой вершине, является более широким, чем устье 11 для того, чтобы обеспечить расширение потока воздуха F.

Позади, по бокам и спереди от устья 11 располагается краевая зона 15. Краевая зона 15 частично окружает устье 11 и соединяет в направлении вперед боковые стороны передней донной части 13.

В примере реализации, представленном на фиг.5, зоны соединения между краевой зоной 15 и передней донной частью 13 содержат ребра 17. Угол Р, образованный на уровне этих ребер между краевой зоной 15 и собственно передней донной частью 13 в плоскости, перпендикулярной этой передней донной части 13, строго превышает 90°, что позволяет снижать прочность элемента стенки 1. Этот угол Р измеряется между касательной Т к краевой зоне 15 на уровне ребра 17 и передней донной частью 13, как это показано на фиг.5.

Имеется также возможность предусмотреть закругление в каждой зоне соединения для того, чтобы исключить наличие упомянутого ребра. В этом случае угол Р измеряется между общим направлением краевой зоны 15 и передней донной частью 13.

В примере реализации, представленном на фиг.1, задняя часть краевой зоны 15 расширяется в обратном направлении на уровне устья 11 и содержит далее кромку 12, ориентированную в прямом направлении, на уровне наружной поверхности 5. Эта кромка 12 помогает направлять поток холодного воздуха в прямом направлении.

Передняя донная часть 13 и краевая зона 15 вписываются в конус 23, конец 24 которого является закругленным, и коническая поверхность 25 которого имеет локальную плоскую поверхность 26. Передняя донная часть 13 соответствует этой локальной плоской поверхности 26, тогда как краевая зона 15, как это можно видеть на фиг.1 и 4, в основном соответствует в своей задней части закругленному концу 24 конуса 23, а в своих боковых частях и в передней части соответствует участкам конической поверхности 25, окружающим локальную плоскую поверхность 26. Предпочтительно, чтобы ось Е конуса 23 и ось В отверстия 7 были параллельными между собой, причем ось В предпочтительно смещена в направлении наружной поверхности 5 так, как это представлено на фиг.1.

Поскольку форма канала охлаждения 6 элемента стенки 1 представляется понятной, в дальнейшем будет описан пример реализации способа в соответствии с предлагаемым изобретением, позволяющий выполнить канал этого типа.

В соответствии с первым этапом этого способа стенку 1 прошивают насквозь при помощи лазера. Технологии лазерной прошивки хорошо известны специалисту в данной области техники и обладают тем преимуществом, что они обеспечивают достаточно быстрое и менее дорогостоящее получение требуемого результата, чем технологии электрической эрозии.

Затем, на втором этапе, в стенке 1 при помощи электрической эрозии формируют на уровне наружной поверхности 5 полость, соответствующую участку рассеивания 9. Этот второй этап может быть осуществлен и перед осуществлением упомянутого первого этапа.

Для осуществления второго этапа используют электрод 20, имеющий форму, представленную на фиг.2. Тело электрода 21 является цилиндрическим, тогда как концевая часть 22 этого электрода имеет форму конуса 23 с закругленным концом 24, и боковая коническая поверхность 25 этой концевой части имеет локальную плоскую поверхность 26. Эта локальная плоская поверхность 26 проходит с одной стороны конуса 23 примерно от его конца 24 до наиболее широкой части этого конуса 23 и далее. При этом ось Е конуса 23 не пересекает эту локальную плоскую поверхность 26, то есть эта локальная плоская поверхность не пересекает вершину конца 24 конуса 23. Конус 23 является симметричным по отношению к плоскости симметрии S, перпендикулярной упомянутой локальной плоской поверхности 26 и содержащей ось Е конуса 23. Величины половинных углов Y между боковыми кромками 27 этой локальной плоской поверхности и плоскостью S заключены в диапазоне от 10° до 30° и предпочтительно близки к 15°.

Как показано на фиг.1, при помощи электрической эрозии формируют полость, соответствующую участку рассеивания 9, погружая концевую часть 22 электрода 20 в стенку 1 со стороны ее наружной поверхности 5, причем упомянутая локальная плоская поверхность 26 располагается против этой наружной поверхности 5. Предпочтительно, чтобы в процессе выполнения этой операции ось Е конуса 23 была ориентирована таким образом, чтобы она была параллельной оси В отверстия 7, причем эти оси предпочтительно должны быть смещены друг относительно друга так, чтобы ось В располагалась ближе к стенке 1.

Наличие и значимость кромки 12 краевой зоны 15 (то есть степень ее выдвижения в прямом направлении) зависит от принятого радиуса кривизны для закругленного конца 24 и от глубины, на которую погружают электрод 20.

В общем случае в процессе формирования упомянутой полости выбирают: форму электрода 21, и более конкретно, форму конуса 23, радиус кривизны его закругленного конца 24 и положение локальной плоской поверхности 26 (половинные углы расширения Y); положение электрода, и более конкретно, ориентацию оси Е конуса 23 по отношению к оси В отверстия 7; глубину проникновения электрода 20 в стенку 1 таким образом, чтобы сформировать перед устьем 11 переднюю донную часть 13 и сформировать позади устья 11 и по бокам от этого устья расширяющуюся краевую зону 15, которая соединяет боковые стороны передней донной части 13, образуя два ребра 17. Эти ребра являются в достаточной степени закругленными для того, чтобы не создавать зоны понижения механической прочности (см. фиг.5).

Наличие задней краевой зоны 15 позволяет реализовать участок рассеивания 9 с определенным допуском по отношению к расположению отверстия 7. Это схематически проиллюстрировано на фиг.4, на которой пунктиром представлены различные относительные положения устья 11 по отношению к участку рассеивания 9. Как это можно видеть на упомянутой фигуре, во всех представленных случаях размещения устье 11 открывается в целом в участок рассеивания 9 и в таком месте, что поток холодного воздуха направляется этим участком рассеивания 9, что гарантирует надлежащее охлаждение наружной поверхности 5. Очевидно, что наилучшее рассеивание получают в том случае, когда устье 11 открывается, по существу, в основании участка рассеивания 9, как это показано на упомянутой фигуре сплошной линией.

По меньшей мере, один канал охлаждения выполнен в стенке, имеющей внутреннюю поверхность и наружную поверхность, которая может быть охлаждена при помощи холодного воздуха, движущегося в упомянутом канале. Канал содержит отверстие и участок рассеивания. Отверстие выходит, с одной стороны, на внутреннюю поверхность, а с другой стороны, на участок рассеивания, образуя устье. Участок рассеивания расширяется вокруг устья и выходит на наружной поверхности. Также участок рассеивания содержит, по существу, плоскую переднюю донную часть, наклоненную в толще стенки, проходящую спереди от устья в направлении течения потока холодного воздуха, и краевую зону, проходящую позади, по бокам и спереди от устья. Краевая зона соединяет боковые стороны передней донной части. Передняя донная часть и краевая зона вписываются в конус, конец которого является закругленным, и коническая поверхность которого имеет локальную плоскую поверхность. Изобретение направлено на уменьшение времени выполнения канала охлаждения и на уменьшение затрат. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ выполнения канала охлаждения в стенке с внутренней поверхностью и наружной поверхностью, которая может быть охлаждена при помощи холодного воздуха, движущегося в канале, причем этот канал содержит отверстие и участок рассеивания, и отверстие выходит с одной стороны на внутреннюю поверхность, а с другой стороны на участок рассеивания, образуя устье, причем участок рассеивания расширяется вокруг этого устья и выходит на наружную поверхность, отличающийся тем, что в соответствии с двумя различными этапами стенку прошивают для реализации отверстия и формируют полость в стенке для того, чтобы сформировать участок рассеивания с использованием для этого электрода, предназначенного для осуществления электрической эрозии, причем концевая часть электрода имеет форму конуса, конец которого является закругленным и коническая поверхность которого имеет локальную плоскую поверхность.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стенку прошивают насквозь лазером для реализации упомянутого отверстия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ось (Е) упомянутого конуса не пересекает упомянутой локальной плоской поверхности.

4. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что упомянутую полость формируют, ориентируя ось (Е) конуса таким образом, чтобы она была параллельна оси (В) отверстия, причем ось (В) этого отверстия предпочтительно смещена в направлении наружной поверхности стенки.

5. Элемент стенки, в которой выполнен, по меньшей мере, один канал охлаждения, причем этот элемент стенки имеет внутреннюю поверхность и наружную поверхность, которая может быть охлаждена при помощи холодного воздуха, движущегося в упомянутом канале, причем этот канал содержит отверстие и участок рассеивания, а отверстие выходит с одной стороны на внутреннюю поверхность, а с другой стороны на участок рассеивания, образуя устье, причем участок рассеивания расширяется вокруг устья и выходит на наружной поверхности, отличающийся тем, что упомянутый участок рассеивания содержит, по существу, плоскую переднюю донную часть, наклоненную в толще стенки, проходящую спереди от устья в направлении течения потока холодного воздуха, и краевую зону, проходящую позади, по бокам и спереди от устья, причем эта краевая зона соединяет боковые стороны упомянутой передней донной части, при этом передняя донная часть и краевая зона вписываются в конус, конец которого является закругленным и коническая поверхность которого имеет локальную плоскую поверхность.

6. Элемент стенки по п.5, отличающийся тем, что контур передней донной части имеет в целом форму треугольника, одна из вершин которого ориентирована в направлении упомянутого устья таким образом, чтобы обеспечить расширение потока холодного воздуха, выходящего из отверстия.

7. Элемент стенки по п.5, отличающийся тем, что угол, сформированный между краевой зоной и передней донной частью в плоскости, перпендикулярной этой передней донной части, строго 90°.

8. Элемент стенки по п.5, отличающийся тем, что ось (Е) конуса является параллельной оси (В) отверстия, причем ось (В) этого отверстия предпочтительно смещена в направлении наружной поверхности стенки.

9. Полая лопатка турбореактивного двигателя, содержащая элемент стенки в соответствии с любым из пп.5-8.

10. Турбореактивный двигатель, имеющий в своем составе полую лопатку, содержащую элемент стенки в соответствии с любым из пп.5-8.

11. Электрод, предназначенный для формирования полости в стенке при помощи электрической эрозии, отличающийся тем, что концевая часть электрода имеет форму конуса, конец которого является закругленным и коническая поверхность которого имеет локальную плоскую поверхность.

12. Электрод по п.11, отличающийся тем, что ось (Е) конуса не пересекает упомянутую локальную плоскую поверхность.