КАНАЛ ОХЛАЖДЕНИЯ, ВЫПОЛНЕННЫЙ В СТЕНКЕ Российский патент 2013 года по МПК F01D5/08 

Настоящее изобретение относится к элементу стенки, электроду для формирования такого элемента и к соответствующему способу производства. В частности, речь идет о стенке полой лопатки турбины турбомашины.

Более конкретно, настоящее изобретение относится к элементу лопатки, в котором выполнен, по меньшей мере, один канал охлаждения, при этом указанный элемент стенки имеет внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, которые могут быть охлаждены холодным газом, циркулирующим в указанном канале, причем этот канал включает одно просверленное отверстие и одну диффузорную часть, причем просверленное отверстие открывается, с одной стороны, на уровне внутренней поверхности, а с другой стороны, в диффузорной части, образуя отверстие, причем диффузорная часть расширяется вокруг этого отверстия, будучи при этом ограниченной стенкой дна и боковой кромкой.

Документ FR 2889089 раскрывает пример элемента стенки указанного типа, относящийся к стенке полой лопатки турбины турбореактивного двигателя самолета. Другой известный пример, аналогичный примеру, раскрытому в FR 2889089, представлен на фиг.1. В данном примере геометрия диффузорной части 20 продиктована аэродинамическими и термическими напряжениями, установленными разработчиком. Однако такая диффузорная часть 20 устанавливается на большой глубине в стенке 22. Это приводит к локальному уменьшению толщины стенки 22 и делает ее более хрупкой с механической точки зрения. В действительности, под действием значительных и цикличных термических напряжений такое утоньшение благоприятствует появлению локальных щелей и при их дальнейшем распространении по всей детали - образованию трещин. В частности, появление щелей или начальной стадии трещин имеет место на уровне просверленного отверстия 23 и там, где толщина Е' стенки является наиболее тонкой.

Целью настоящего изобретения является решение проблемы механического сопротивления при сохранении геометрии диффузорной части, выдерживающей аэродинамические и термические нагрузки.

Для достижения такой цели объектом настоящего изобретения является элемент стенки указанного выше типа, в котором указанная стенка дна имеет первую плоскую часть, в которой выполнено просверленное отверстие, и вторую плоскую часть, расположенную на выходе первой плоской части в направлении течения холодного газа, причем указанные первая и вторая плоские части наклонены вглубь стенки таким образом, что первая плоская часть наклонена меньше, чем вторая плоская часть. Иначе говоря, если рассматривать диффузионную часть в срединной плоскости, через которую проходит ось сверления, первый угол, измеренный между касательной к внешней поверхности, в точке пересечения внешней поверхности и второй плоской части, и первой плоской частью, и второй угол, измеренный между указанной касательной и второй плоской частью, то согласно настоящему изобретению первый угол, направленный от указанной касательной к указанной первой плоской части, является алгебраически меньше второго угла, направленного положительно от указанной касательной по направлению к указанной второй плоской части.

Отметим, что направленным углом является угол, величина которого относительна, то есть положительная или отрицательная. Для определения направления угла необходимо установить ориентир положительного направления вращения в системе плоскости, в которой хотят измерить этот угол. Положительно направленный угол - это угол, который имеет то же направление вращения, что и ориентир, то есть положительное направление вращения. Угол, направленный в противоположенном направлении вращения, является отрицательно направленным.

Само собой разумеется, что когда измеряют угол между двумя полупрямыми, то всегда измеряют выступающий (выходящий) угол, а не входящий угол. То есть всегда измеряют угол, меньший 180º.

Следует отметить, что согласно настоящему изобретению, если второй угол является строго положительным, то первый угол может быть строго положительным, строго отрицательным или нулевым.

Элемент стенки по изобретению имеет преимущество, заключающееся в том, что вокруг просверленного отверстия толщина стенки дна больше толщины известного элемента стенки. Таким образом, механическое сопротивление такой стенки значительным цикличным нагрузкам стенки увеличивается. Кроме того, общая геометрия диффузорной части сохраняет хорошие аэродинамические и термические свойства.

Более того, такая геометрия стенки дна позволяет ослабить острую кромку между стенкой дна и боковой кромкой. В действительности, первая плоская часть образует угол, менее острый с боковой кромкой. Резкие остановки являются вторичной причиной образования щелей и трещин, их ослабевание улучшает механические качества элемента стенки.

Элемент стенки согласно настоящему изобретению имеет также преимущество, заключающееся в относительном разъединении геометрии двух плоских частей стенки дна. Таким образом, возможно наилучшим образом приспособить геометрию второй плоской части к аэродинамическим и термическим нагрузкам, возникающим в соответствии с конструкцией. Также благодаря настоящему изобретению, возможно улучшить условия протекания охлажденного потока с большей диффузией на внешней поверхности стенки. Улучшенное охлаждение помогает избежать избыточных термических нагрузок на элемент стенки и, как следствие, избежать риска образования щелей и трещин. Это преимущество также улучшает механические свойства элемента стенки согласно настоящему изобретению относительно известного из предшествующего уровня техники элемента стенки.

Согласно одному из вариантов воплощения, первая и вторая плоские части наклонены вглубь стенки таким образом, что значение величины угла между второй плоской частью и первой плоской частью, измеренное в указанной срединной плоскости, заключено, в абсолютном значении, между 130º и 170º.

Такой диапазон значений величин угла позволяет гарантировать, с одной стороны, достаточную толщину стенки дна, позволяющую улучшить механическое сопротивление стенки вокруг указанного просверленного отверстия, а с другой стороны, геометрию стенки дна, в результате которой протекание текущей среды удовлетворяет требованиям, необходимым для охлаждения внешней поверхности стенки. Таким образом, при выборе величины угла между второй плоской стенкой и первой плоской стенкой в указанном диапазоне угловых значений мы приходим к компромиссу между механическим сопротивлением и геометрией протекания стенки дна.

Согласно одному из вариантов воплощения, элемент стенки согласно настоящему изобретению принадлежит стенке одной из полых лопаток. В этом случае отметим, что такой элемент стенки может также принадлежать как к внутренней поверхности стенки, так и к внешней поверхности стенки, в обоих случаях его форма адаптируется. Это позволяет оптимизировать операции механической обработки при использовании одних и тех же инструментов при реализации такого элемента стенки на внешней поверхности лопатки и на ее внутренней поверхности.

Объектом изобретения также является электрод, предназначенный для образования полости в стенке путем электроэрозии, через указанный электрод проходит главная ось, а его свободный краевой участок выполнен заостренным, указанный краевой участок имеет первую и вторую грани, последовательно расположенные в направлении главной оси, причем первая грань находится более близко к свободному краю электрода, а угол наклона первой грани относительно главной оси больше, чем угол наклона второй грани относительно главной оси.

Соответствующие углы наклона указанных граней электрода измеряются в плоскости, через которую проходит главная ось электрода, и которая пересекает обе плоскости.

При помощи одного из таких электродов можно формировать полость для реализации диффузорной части элемента стенки согласно настоящему изобретению.

Настоящее изобретение также относится к способу выполнения канала охлаждения в элементе стенки согласно настоящему изобретению с использованием электрода по настоящему изобретению.

И, наконец, объектом настоящего изобретения также является полая лопатка турбомашины, включающая в себя элемент стенки, такой как описана выше, и турбомашина, включающая такую лопатку.

Настоящее изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - вид в продольном разрезе элемента стенки полой лопатки турбомашины предшествующего уровня техники.

Фиг.2 - вид в продольном разрезе элемента стенки полой лопатки турбомашины согласно одному из вариантов воплощения настоящего изобретения.

Фиг.3 - вид сверху в перспективе элемента стенки, изображенного на фиг.2.

Фиг.4 - вид сбоку одного из вариантов воплощения электрода электроэрозии согласно настоящему изобретению.

Фиг.5 - вид, иллюстрирующий фиг.4, показанный по стрелке V.

Фиг.6 - вид, иллюстрирующий фиг.4, показанный по стрелке VI.

Со ссылкой на фиг.2 далее будет описан один из вариантов воплощения элемента стенки. В приведенном примере элемент стенки 12, в котором выполнен, по меньшей мере, один канал охлаждения, имеет внутреннюю поверхность 16 и внешнюю поверхность 15, которые могут охлаждаться холодным газом, циркулирующим в указанном канале. Указанный канал содержит одно просверленное отверстие 13 и одну диффузорную часть 10. Просверленное отверстие 13 открывается, с одной стороны, на уровне внутренней поверхности 16, а с другой стороны, в диффузорной части 10, образуя отверстие 13А. Диффузорная часть 10 расширяется вокруг отверстия 13А, будучи при этом ограниченной стенкой дна 14 и боковой кромкой 17. Указанная стенка дна 14 имеет первую плоскую часть 1, в которой выполнено просверленное отверстие 13, и вторую плоскую часть 2, расположенную на выходе первой плоской части 1 в направлении протекания охлажденного газа. Указанные первая и вторая плоские части 1 и 2, соответственно, наклонены вглубь стенки 12. Таким образом, в срединной плоскости М диффузорной части 10, через которую проходит ось сверления АР, первый угол β, измеренный между касательной Т к внешней поверхности 15, в точке пересечения О внешней поверхности 15 и второй плоской части 2, и первой плоской частью 1, и второй угол α, измеренный между указанной касательной Т и второй плоской частью 2, таковы, что первый угол β, направленный от указанной касательной Т к указанной первой плоской части 1, является алгебраически меньше второго угла α, направленного положительно от указанной касательной Т по направлению к указанной второй плоской части 2.

Величина второго угла α заключена между +10º и +40º. Величина угла γ между второй плоской частью 2 и первой плоской частью 1, измеренная в срединной плоскости М, заключена в диапазоне, при абсолютной величине, между 130º и 170º.

В рассмотренном варианте воплощения указанный первый угол β является строго отрицательным.

В таком элементе стенки локальная система отсчета и направление углов в срединной плоскости М и диффузорной части 10 определяются, как указано далее. Первая ось Y локальной системы отсчета выбирается параллельной оси АР просверленного отверстия 13 и направлена от внутренней поверхности 16 по направлению к внешней поверхности 15. Вторая ось Х локальной системы отсчета выбирается перпендикулярно к оси Y и ориентирована в направлении протекания охлажденного газа. В данной системе координат (Х; Y) позитивные углы направлены от оси Х к оси Y. И наоборот, отрицательные углы направлены от оси Y к оси Х.

Раскрытие углов α и γ, как определено выше, имеет ряд преимуществ. Факт выбора второго направленного угла α в диапазоне угловых положительных значений

[+10º, +40º] обеспечивает оптимальную диффузию охлажденного потока. Более того, факт возможности выбора угла γ, при абсолютном значении, в диапазоне угловых величин [130º, 170º] обеспечивает оптимальную толщину материала для стенки дна 14, в целом, первой плоской части.

Если сравнить фиг.1 и 2, то совершенно ясно, что минимальная толщина Е стенки дна 14 вблизи от просверленного отверстия 13 больше минимальной толщины Е' стенки дна элемента стенки согласно предшествующему уровню.

И опять же, если сравнивать фиг.1 и 2, раскрытие δ края между задней боковой кромкой 17 и первой плоской частью 1 определенно более значительно, чем раскрытие δ' того же края согласно предшествующему уровню техники (то есть угол δ между первой плоской частью 1 и боковым задним бордюром менее острый, чем δ').

Два последних указанных признака придают лучшую механическую сопротивляемость термическим напряжениям.

Вид сверху в перспективе варианта воплощения, показанного на фиг.2 представлен на фиг.3. На этой фигуре показано, что ширина открытия L второй плоской части 2 стенки дна 14 является более широкой, чем в предшествующем уровне техники для такой же минимальной толщины стенки дна 14. В результате наблюдается значительное улучшение условий протекания охлажденного потока с большей диффузией.

Вариант воплощения электрода электроэрозии согласно настоящему изобретению описан далее со ссылкой на фиг.4, 5 и 6. В данном примере электрод ЕL для формирования полости в стенке путем электроэрозии с главной осью А имеет заостренный свободный краевой участок 100. Указанный свободный краевой участок 100 имеет первую и вторую грани 101, 102, соответственно последовательные в направлении главной оси А. Первая грань 101 находится более близко к свободному краю 100А электрода ЕL. Угол наклона β_е первой грани 101 относительно главной оси А больше, чем угол наклона α_е второй грани 102 относительно главной оси А.

Свободный краевой участок 100 вписывается в двугранный угол D, направленный по главной оси А электрода ЕL, причем указанный двугранный угол D пересекает обе плоскости, определенные гранями 101 и 102.

Двугранный угол состоит из двух полуплоскостей, граница которых (прямая) является общей. Под направлением двугранного угла по главной оси А электрода ЕL понимается тот факт, что прямая, определяющая указанную границу, параллельна главной оси А электрода ЕL.

Угол γ_е представляет собой угол, измеренный между первой гранью 101 и второй гранью 102, в плоскости, как показано фиг.4 (эта плоскость с главной осью А пересекает грани 101 и 102, проходя через их срединную ось). В противовес предшествующему замечанию, уточняющему, что всегда измеряют угол, который не является развернутым, угол γ_е является исключением, и его величина больше 180º. Угол α_е представляет собой угол, измеренный между второй гранью 102 и главной осью A электрода ЕL. Угол β_е представляет собой угол, измеренный между первой гранью 101 и главной осью A электрода ЕL. Угол γ_е электрода ЕL соответствует углу γ элемента стенки 12, показанному на фиг.2. Углы α_е и β_е электрода ЕL соответствуют углам α и β элемента стенки 12, показанного на фиг.2 с наклоном вблизи оси применения электрода на внешней поверхности 15 стенки 12.

Преимущественно, величина угла α_е заключена между 10º и 50º. Также величина угла γ_е заключена между 190º и 230º. Кроме этого угол λ двугранного угла D (см. фиг.5) преимущественно заключен между 20º и 80º.

Такой вариант воплощения электрода является особенно надежным. В действительности, такой электрод позволяет последовательно выполнять значительное число полостей без заметных повреждений. Он также позволяет легко проводить повторное затачивание. То есть после интенсивного применения и возникающего износа наконечник электрода, такой, как описан выше согласно настоящему изобретению, может быть механически обработан для следующего использования. Более того, такой пример электрода предусмотрен для реализации полостей как на внутренней стенке, так и на внешней стенке лопатки. Таким образом, финишная механическая обработка полостей на одной лопатке может быть осуществлена таким электродом.

Предпочтительно, чтобы указанные полости формировались при ориентации главной оси указанного электрода параллельно оси указанного отверстия. Это облегчает регулировку машин при изготовлении лопатки.

Элемент стенки, в котором выполнен, по меньшей мере, один канал охлаждения, имеет внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, которые могут быть охлаждены холодным газом, циркулирующим в канале. Канал включает в себя одно просверленное отверстие и одну диффузорную часть. Просверленное отверстие открывается, с одной стороны, на уровне внутренней поверхности и, с другой стороны, в диффузорную часть с образованием отверстия. Диффузорная часть расширяется вокруг отверстия, будучи при этом ограниченной стенкой дна и боковой кромкой. Стенка дна имеет первую плоскую часть, в которую открывается просверленное отверстие, и вторую плоскую часть, расположенную перед первой плоской частью в направлении протекания холодного газа. Указанные первая и вторая плоские части наклонены вглубь стенки таким образом, что в срединной плоскости диффузорной части осью сверления (АР) первый угол (β), измеренный между касательной (Т) к внешней поверхности, в точке пересечения (О) внешней поверхности и второй плоской части, и первой плоской частью, и второй угол (α), измеренный между указанной касательной Т и второй плоской частью, таковы, что первый угол β, направленный от указанной касательной Т к указанной первой плоской части, является алгебраически меньше второго угла α, направленного положительно от указанной касательной Т по направлению к указанной второй плоской части, и таким образом, что величина угла (γ) между второй плоской частью (2) и первой плоской частью (1), измеренного в указанной срединной плоскости (М), заключена, при абсолютном значении, между 130° и 170°. Изобретение направлено на увеличение механического сопротивления стенки циклическим нагрузкам при сохранении геометрии диффузорной части. 5 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Элемент стенки, в котором выполнен, но меньшей мере, один канал охлаждения, причем указанный элемент стенки (12) имеет внутреннюю поверхность (16) и внешнюю поверхность (15), которые могут быть охлаждены холодным газом, циркулирующим в указанном канале, причем канал включает в себя одно просверленное отверстие (13) и одну диффузорную часть (10), причем просверленное отверстие (13) открывается, с одной стороны, на уровне внутренней поверхности (16) и, с другой стороны, в диффузорную часть (10) с образованием отверстия (13А), причем диффузорная часть расширяется вокруг отверстия (13А), будучи при этом ограниченной стенкой дна (14) и боковой кромкой (17), отличающийся тем, что указанная стенка дна (14) имеет первую плоскую часть (1), в которую открывается просверленное отверстие (13), и вторую плоскую часть (2), расположенную перед первой плоской частью (1) в направлении протекания холодного газа, причем указанные первая и вторая плоские части (1, 2) наклонены вглубь стенки (12) таким образом, что в срединной плоскости диффузорной части (10) с осью сверления (АР) первый угол (β), измеренный между касательной (Т) к внешней поверхности (15) в точке пересечения (О) внешней поверхности (15) и второй плоской части (2) и первой плоской частью (1), и второй угол (α), измеренный между указанной касательной Т и второй плоской частью (2), таковы, что первый угол β, направленный от указанной касательной Т к указанной первой плоской части (1), является алгебраически меньше второго угла α, направленного положительно от указанной касательной Т по направлению к указанной второй плоской части (2), и таким образом, что величина угла (γ) между второй плоской частью (2) и первой плоской частью (1), измеренного в указанной срединной плоскости (М), заключена при абсолютном значении между 130° и 170°.

2. Элемент стенки по п.1, в котором значение величины второго угла (α) заключено в диапазоне от +10° и +40°.

3. Элемент стенки по любому из пп.1 или 2, в котором первый угол β является строго отрицательным или нулевым.

4. Электрод для формирования полости в стенке (12) путем электроэрозии с главной осью (А), имеющий заостренный свободный краевой участок (100), отличающийся тем, что указанный свободный краевой участок (100) имеет первую и вторую грани (101, 102), последовательные в направлении главной оси (А), причем первая грань (101) находится более близко к свободному краю (100А) электрода (EL), причем угол наклона (α_е) первой грани (101) относительно главной оси (А) больше, чем угол наклона (β_е) второй грани (102) относительно главной оси (А), а значение величины угла (γ_е), измеренного между первой гранью (101) и второй гранью (102) в плоскости с главной осью (А), пересекающей грани (101, 102), проходя через их срединную ось, заключено в диапазоне между 190° и 230°.

5. Электрод по п.4, в котором указанный свободный краевой участок (100) вписывается в двугранный угол (D), направленный по главной оси (А) электрода (EL), причем указанный двугранный угол (D) пересекает обе плоскости, определенные гранями (101, 102).

6. Способ выполнения канала охлаждения в стенке (12), имеющей внутреннюю поверхность (16) и внешнюю поверхность (15), которые могут быть охлаждены холодным газом, циркулирующим в указанном канале, причем канал включает в себя одно просверленное отверстие (13) и одну диффузорную часть (10), причем просверленное отверстие (13) открывается, с одной стороны, на уровне внутренней поверхности (16) и, с другой стороны, в диффузорную часть (10) с образованием отверстия (13А), причем диффузорная часть расширяется вокруг отверстия (13А), будучи при этом ограниченной стенкой дна (14) и боковой кромкой (17), в котором согласно двум различным этапам сверлят стенку (12) для реализации указанного просверленного отверстия (13) и формируют в стенке (12) полость для реализации диффузорной части (10), и в котором указанную полость формируют, применяя электрод электроэрозии (EL) по любому из пп.4 или 5.

7. Способ по п.6, в котором формируют полость, направляя главную ось (А) указанного электрода (EL) параллельно оси (АР) указанного просверленного отверстия (13).

8. Полая лопатка турбомашины, содержащая элемент стенки по п.1.

9. Турбомашина, содержащая лопатку по п.8.