ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СПОСОБ ЕЕ СБОРКИ, НАПРАВЛЯЮЩИЙ СОПЛОВЫЙ АППАРАТ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ТУРБИНА, СОДЕРЖАЩАЯ УКАЗАННЫЙ АППАРАТ, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК F01D5/18 

Настоящее изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности к охлаждаемым направляющим лопаткам.

В газотурбинном двигателе, таком как турбореактивный двигатель с передним турбовентилятором 70 с фиг.7, входящий воздух сжимается в компрессоре перед смешением с топливом и сжигается в камере сгорания. Произведенные в камере горячие газы приводят переднюю турбину или турбины, а затем выбрасываются. Различные ступени турбины 72 разделены направляющими аппаратами, обеспечивающими необходимое направление газа на входе турбины. Учитывая температуру газа, лопатки, образующие направляющий аппарат на входе турбины высокого давления и непосредственно принимающие газ из камеры сгорания, подвергаются очень жестким условиям работы. Средства охлаждения расположены в стенках, находящихся в контакте с горячим газом. Охлаждение осуществляется принудительной конвекцией или поступлением воздушной струи на внутренние поверхности стенок лопаток.

На фиг.1 показана в продольном разрезе лопатка 1, образующая направляющий аппарат согласно уровню техники, в которой охлаждение обеспечивается поступлением воздушной струи из трубчатого вкладыша, образующего внутреннюю продольную перфорированную рубашку 4, расположенную в полости 6 лопатки. Перо лопатки 1 простирается радиально между двумя бандажными полками: одной радиально внутренней бандажной полкой 3 и одной радиально наружной бандажной полкой 2. Обе бандажные полки ограничивают кольцевой канал 5 циркуляции рабочего газа. Канал разделен по окружности перьями лопаток 1. Обе бандажные полки и перо составляют цельную деталь, полученную литьем. Рубашка 4 изготовлена листовой штамповкой и содержит выпуклости 41, выступающие на наружной поверхности. Выпуклости, выполненные вытяжкой, имеют определенную высоту и образуют распорки между наружной поверхностью рубашки и внутренней поверхностью полости 6. Они распределены между концами рубашки. В данном случае имеются две выпуклости возле каждого конца на каждой поверхности, соответственно на внутренней стороне и на наружной стороне. На фиг.2 в продольном разрезе параллельно оси пера показано расположение выпуклостей 41 на рубашке. Они удерживают рубашку на удалении от стенок пера, что обеспечивает одновременно поступление воздушных струй на стенку и циркуляцию воздуха в образованном таким образом пространстве. Через отверстие 7 в наружной бандажной полке в рубашку 4 поступает воздух охлаждения, который отбирается, например, у компрессора.

Часть этого воздуха проходит через отверстия 42 камеры и при падении охлаждает стенку лопатки. Затем этот воздух уходит вниз по потоку, где удаляется в газовый канал через перфорацию, предусмотренную вдоль стенки задней кромки пера. Следует отметить, что внутренняя полость стенки пера может быть снабжена элементами возмущения 61 потока, которые способствуют теплообмену между циркулирующим в полости воздухом и стенкой. Остальной воздух, циркулирующий радиально внутри рубашки, направляется через внутреннюю бандажную полку 3 к трубе 8, которая отводит его к другим частям газотурбинного двигателя, требующим охлаждения, таким как диск рабочего колеса турбины или подшипники.

Лопатка, на позициях 9 и 10, открыта с двух продольных концов пера, соответственно на уровне ее наружной бандажной полки 2 и ее внутренней бандажной полки 3. При монтаже рубашку, которой предварительно придали форму, скольжением помещают внутрь полости 6 лопатки через отверстие 9. Затем рубашку жестко соединяют с лопаткой сваркой или пайкой вдоль по кромке, контактирующей со стенкой отверстия 9. Противоположную часть рубашки направляют во внутреннем отверстии 10 лопатки, образующей полоз, позволяющий совершать относительные перемещения между лопаткой и рубашкой. Эти продольные перемещения обусловлены изменением температуры во время работы газотурбинного двигателя и тем, что обе детали отличаются по свойствам составляющих их материалов и по способу изготовления.

Особый способ исполнения рубашки внутри полости описан в патенте ЕР 1508670, выданном на имя заявителя.

Улучшение рабочих характеристик газотурбинного двигателя осуществляется путем изменения формы направляющих аппаратов. Когда перо выполненного аэродинамическим направляющего аппарата закручено и имеет профиль с закрученностью, например вокруг его продольной оси, и входная и выходная кромки не параллельны одна относительно другой, возникают трудности при монтаже и демонтаже рубашки в полости пера. Изображение геометрических огибающих полости пера и наружной поверхности рубашки с выпуклостями выявляет, в зависимости от предусмотренных вариантов исполнения, зоны интерференции. Наличие таких зон может привести к невозможности заведения рубашки внутрь полости, согласно существующему уровню техники.

Задача настоящего изобретения состоит в устранении этого недостатка.

Ближайшим аналогом изобретения является техническое решение, описанное в документе ВЕ 685320.

Согласно изобретению охлаждаемая лопатка турбомашины, включающая в себя полку и перо и имеющая полость вдоль пера и полки с первым отверстием на одном конце и вторым отверстием на другом конце, трубчатую рубашку, помещенную в полость с первым концом в первом отверстии и вторым концом во втором отверстии, первые распорки на стороне первого конца и вторые распорки на стороне второго конца рубашки, образующие зазор между наружной поверхностью рубашки и стенкой полости, причем лопатка выполнена таким образом, что рубашку заправляют в полость через первое отверстие, отличается тем, что первые распорки жестко соединены с рубашкой и вторые распорки жестко соединены со стенкой полости вдоль пера.

Осуществление изобретения, включающего менее значительные изменения в металлической рубашке и на внутренней поверхности пера, позволяет увеличить боковой зазор между вкладышем и стенкой полости. Таким образом создается большая свобода в выборе геометрии пера в плане его аэродинамики.

Следствием этого является возможность увеличения кпд и улучшения рабочих характеристик турбины.

В частности, первые распорки расположены в направлении, образующем угол с хордой пера. Угол, впрочем, является ничтожно малым.

Предпочтительно, чтобы рубашка была выполнена из металлического листа, а первые распорки представляли собой выпуклости, полученные в результате деформации листа. Выпуклости имеют, например, куполообразную форму.

Первые распорки расположены преимущественно в середине рубашки, находящейся на стороне первого конца, и обеспечивают таким образом возможность максимального бокового перемещения, с учетом занимаемого объема, тем более, что первые распорки не закреплены в полости.

Вторые распорки образуют одиночные выпуклости. Они расположены предпочтительно в ряд параллельно хорде.

Предпочтительно, чтобы вторые распорки имели удлиненную форму параллельно хорде лопатки. В частности, вторые распорки образуют непрерывную рельсовую направляющую, они обеспечивают таким образом дополнительную функцию герметичности, ограничивая утечки воздуха изнутри рубашки через оставшееся свободным пространство между рубашкой и направляющим полозом.

Реализация изобретения представляет особый интерес, когда рубашка имеет перфорацию для охлаждения струйками воздуха стенок пера.

Первое отверстие находится либо с наружной стороны газового тракта, либо с внутренней стороны газового тракта.

Изобретение относится также к способу сборки лопатки, согласно которому рубашку помещают в полость, пропуская ее вторым концом через первое отверстие.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием ограничительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые фигуры, в числе которых:

Фиг.1 изображает продольный разрез охлаждаемой направляющей лопатки согласно уровню техники, с внутренней рубашкой распределения охлаждающего воздуха;

Фиг.2 - продольный разрез лопатки, изображенной на фиг.1, показывающий расположенные на рубашке распорки;

Фиг.3 - пример профиля лопатки сложной геометрии;

Фиг.4 - вид в продольном разрезе лопатки согласно изобретению;

Фиг.5 - этап сборки лопатки, во время которого рубашку заправляют в полость пера;

Фиг.6 - вариант исполнения распорок со стороны второго отверстия пера;

Фиг.7 - двигатель, который может включать в себя лопатку согласно изобретению.

Профиль пера 20 направляющего аппарата на фиг.3 имеет входную кромку 21 и выходную кромку 22, кривизны которых изменяются в промежутке между основанием пера и его носком. Изменяется также кривизна продольных направляющих линий 23 и 24, например, или 26 и 27. Очевидно, что внутренняя трубчатая рубашка, объем которой определяет этот профиль, не может смещаться вдоль продольного направления без создания огибающими помех этому перемещению. Любое взаимодействие означает невозможность движения. В этом случае монтаж и демонтаж становится невозможными. Фиг.3 иллюстрирует эту проблему; скользящее перемещение рубашки в полости может осуществляться лишь в том случае, если лопатка имеет одинаковое направление кривизны между входной кромкой и выходной кромкой. Это не относится к изделию, представленному на фиг.3, где кривизны входной кромки 21 и выходной кромки 28 имеют противоположное направление. На практике поиск предпочтительного направления монтажа/демонтажа осуществляется следующим образом. Если учитывать в каждой точке касательную прямую к кривой входной кромки и касательную прямую к кривой выходной кромки, то предпочтительным направлением была бы биссектриса угла, образованного двумя касательными прямыми, то есть касательной Т2, касательной Т3 и средним направлением D на чертеже. Это означает, что перемещение в предпочтительном направлении невозможно или очень ограничено в представленном случае, учитывая изменение угла и, следовательно, биссектрисы по высоте пера. Это изменение является результатом того, что направление кривизны меняется на противоположное между кривыми 21 и 28, а также между кривыми направляющих лопаток в промежутке 23-24, с одной стороны, и 26-27, с другой стороны.

Огибающую линию рубашки определяют выпуклости, которые выступают на поверхности. Когда выпуклости выполняют функцию распорок и поддержания определенного зазора, их огибающая очень близка к геометрической огибающей внутренней поверхности стенки пера. Поэтому всякое изменение кривизны может помешать их относительному перемещению.

Изобретение реализуется путем изменения распределения распорок между рубашкой и пером. На фиг.4 показана в продольном разрезе лопатка согласно изобретению. Перо 20 простирается между внутренней полкой 23 и наружной полкой 22. Обе полки образуют границы кольцевого тракта, по которому протекает рабочий газ. Рубашка 24 внутри полости 26 пера приварена или припаяна своим первым концом 243 к стенке первого отверстия 29. Отверстие 29 проделано в стенке наружной бандажной полки 22. Другой конец 244 рубашки заправлен во второе отверстие 30, проделанное во внутренней бандажной полке 23. Учитывая жесткое соединение рубашки с пером с одного конца 243 и свободу на втором конце 244, обе детали могут растягиваться независимо одна от другой.

Со стороны первого отверстия 243 рубашка содержит выпуклости, образованные деформацией металлического листа. Выпуклости образуют распорки, которые удерживают стенку рубашки на расстоянии от стенки полости. Они расположены, например, в ряд параллельно направлению хорды лопатки.

Рубашка не содержит других выпуклостей, как это хорошо видно на фиг.4.

Выступы 25, расположенные на внутренней поверхности стенки пера 20, образуют распорки и удерживают рубашку на расстоянии от стенки полости. Эти выступы расположены вблизи от второго отверстия 30. Выступы выполнены литьем за одно с лопаткой. Они образуют распорки такой же высоты, как и выпуклости 241, так что создается то же пространство циркуляции воздуха охлаждения между основанием пера и его носком. В изобретении предусмотрена возможность иного расположения распорок. Указанные выступы могут быть параллельными хорде лопатки. Предпочтительно, чтобы выступы имели удлиненную форму.

Во время работы охлаждающий воздух вводится с первого конца 243 в трубчатый канал рубашки; часть этого воздуха пересекает рубашку через отверстия 242 перфорации и разделяется на тонкие струйки, которые охлаждают стенку пера 20. Затем воздух проходит в зазоре между рубашкой и стенкой и отводится к выходной кромке. Другая часть воздуха стекает со второго конца и направляется во второй контур охлаждения.

На фиг.5 показан сборочный момент реализации. Рубашку заправляют со второго конца 244 в полость 26 через первое отверстие 29 лопатки. Так как нижняя часть рубашки на чертеже не содержит поперечного выступа, то имеется возможность бокового перемещения. Эта возможность сохраняется до тех пор, пока второй конец не заходит в зазор, находящийся между выступами 25. Указанные выступы расположены вблизи от второго отверстия 30. Рубашка в этот момент находится в процессе ее прохождения во второе отверстие. Ее перемещение почти завершено.

На фиг.6 показан вариант осуществления изобретения. Представлена лишь часть пера вблизи второго отверстия 41. Рубашка 34 пропущена ее вторым концом 344 во второе отверстие 41 пера. Выпуклости заменены рельсовой направляющей 35, которая проходит по всему периметру, предпочтительно параллельно плоскости отверстия 41. Ее функция состоит в том, чтобы создать дефлектор, ограничивающий циркуляцию воздуха с одной стороны рельсовой направляющей в другую. Особенность данного варианта осуществления состоит в утечках воздуха, которые происходят между рубашкой 344 и стенкой пера в направляющем полозе отверстия 41. В действительности, чтобы не препятствовать свободному скольжению рубашки в направляющем полозе по причине габаритных изменений между ними, необходимо поддерживать некоторый зазор, который и обуславливает утечки воздуха. Часть F этого воздуха отклоняется от заданного направления D. Проход этого воздуха в зазор между рубашкой и пером не желателен, так как означает потери из-за неучастия в охлаждении. Таким образом, устройство такого дефлектора способствует удержанию воздуха внутри рубашки.

Настоящее изобретение относится к охлаждаемой лопатке, составляющей направляющий аппарат газотурбинного двигателя. Охлаждаемая лопатка включает в себя внутреннюю полку, наружную полку и перо. Перо проходит между внутренней полкой и наружной полкой. Охлаждаемая лопатка имеет полость вдоль пера и полки с первым отверстием на одном конце, выполненным в стенке наружной полки, и вторым отверстием на другом конце, выполненным в стенке внутренней полки, трубчатую рубашку, первые и вторые распорки. Трубчатая рубашка помещена в полость с первым концом в первом отверстии и вторым концом во втором отверстии. Лопатка выполнена таким образом, что рубашку помещают в полость через первое отверстие. Первые распорки расположены на стороне первого конца, а вторые - на стороне второго конца рубашки и образуют зазор между наружной поверхностью рубашки и стенкой полости. Первые распорки жестко соединены с рубашкой, а вторые распорки жестко соединены со стенкой полости вдоль пера вблизи от второго отверстия. Изобретение обеспечивает возможность монтажа и демонтажа рубашки, несмотря на сильно выраженную кривизну профиля пера. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Охлаждаемая лопатка газотурбинного двигателя, включающая в себя внутреннюю полку, наружную полку и перо, проходящее между внутренней полкой и наружной полкой, и имеющая полость вдоль пера и полки с первым отверстием на одном конце, выполненным в стенке наружной полки, и вторым отверстием на другом конце, выполненным в стенке внутренней полки, трубчатую рубашку, помещенную в полость с первым концом в первом отверстии и вторым концом во втором отверстии, первые распорки на стороне первого конца и вторые распорки на стороне второго конца рубашки, образующие зазор между наружной поверхностью рубашки и стенкой полости, причем лопатка выполнена таким образом, что рубашку помещают в полость через первое отверстие, отличающаяся тем, что первые распорки жестко соединены с рубашкой, а вторые распорки жестко соединены со стенкой полости вдоль пера вблизи от второго отверстия.

2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что первые распорки расположены в направлении, образующем угол с хордой лопатки.

3. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что угол является ничтожно малым.

4. Охлаждаемая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что рубашка выполнена из металлического листа, а первые распорки представляют собой выпуклости, полученные в результате деформации листа.

5. Лопатка по п.4, отличающаяся тем, что выпуклости имеют куполообразную форму.

6. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что первые распорки расположены в середине рубашки, находящейся со стороны первого конца.

7. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что вторые распорки образуют отдельные выпуклости.

8. Лопатка по п.7, отличающаяся тем, что вторые распорки расположены в ряд параллельно хорде.

9. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что вторые распорки имеют удлиненную форму параллельно хорде лопатки.

10. Лопатка по п.9, отличающаяся тем, что вторые распорки образуют сплошную рельсовую направляющую.

11. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что рубашка имеет перфорацию для охлаждения струйками воздуха стенок пера.

12. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что первое отверстие находится с наружной стороны газового тракта.

13. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что первое отверстие находится с внутренней стороны газового тракта.

14. Способ сборки лопатки по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что рубашку помещают в полость, пропуская ее вторым концом через первое отверстие.

15. Направляющий сопловый аппарат газотурбинного двигателя, содержащий лопатку по одному из пп.1-13.

16. Турбина, содержащая направляющий аппарат по п.15.

17. Газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одну лопатку по одному из пп.1-13.