ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК F01D9/04 

Данное изобретение относится к газотурбинному двигателю.

В частности, изобретение относится к газотурбинному двигателю, включающему лопатку статора для направлении горячих газов сжигания на роторные лопатки, при этом лопатка статора включает платформу, расположенную на стороне лопатки радиально внутри/снаружи относительно оси вращения двигателя, при этом платформа имеет часть задней кромки относительно потока горячих газов сгорания после лопатки статора.

Часть такого известного двигателя показана на фиг.1-3. Этот известный двигатель раскрыт в US-A-5 252 026. На фиг.1 показан продольный разрез этой части. На фиг.2 показан разрез по линии II-II на фиг.1. На фиг.3 показан разрез по линии III-III на фиг.2. Часть содержит лопатку 1 статора, имеющую радиально внутреннюю и наружную платформы 3 и 5, лопатки 7 ротора, диск 9 ротора, на котором закреплены лопатки 7 ротора, и опорную и охлаждающую систему 11.

Задняя кромка 13 радиально внутренней платформы 3 охлаждается воздухом, подаваемым к кромке через проход между соседними частями 15, 17 опорной и охлаждающей системы 11. Эта подача обозначена на фиг.1 стрелками 19. Вращение ротора газотурбинного двигателя вызывает прохождение подаваемого воздуха по окружности в зону 21 непосредственно радиально внутри задней кромки 13. Это окружное прохождение обозначено стрелками 23 на фиг.2 и 3. При прохождении воздуха по окружности он охлаждает заднюю кромку 13. Затем воздух проходит через проходящий по окружности зазор 25 для соединения с горячими газами сгорания двигателя. Турбулизаторы в виде прямоугольных полос 27 расположены на обращенной радиально внутрь стороне кромки 13 для увеличения переноса тепла с кромки.

Указанное охлаждение в известном двигателе имеет определенные недостатки. Охлаждающий воздух подается мимо имеющих высокую температуру вращающихся частей двигателя, нагревается как за счет температуры этих частей, так и трения с этими частями, и поэтому менее эффективен, когда он приходит для охлаждения задней кромки 13. Форма области 21, в комбинации с природой проходящего через нее потока, способствует образованию зон внутри области, где поток относительно неподвижен, что ухудшает охлаждение. Если разница давления между областью 21 и путем прохождения горячих газов сгорания двигателя относительно высока, то охлаждающий воздух выходит из области 21 через проходящий по окружности зазор 25 относительно быстро, без прохождения длительное время по окружности в области 21 для охлаждения задней кромки 13.

Согласно данному изобретению предлагается газотурбинный двигатель, включающий лопатку статора для направлении горячих газов сжигания на роторные лопатки, при этом лопатка статора включает платформу, расположенную на стороне лопатки радиально внутри/снаружи относительно оси вращения двигателя, при этом платформа имеет часть задней кромки относительно потока горячих газов сгорания после лопатки статора, при этом двигатель включает также опорную и охлаждающую систему для направления охлаждающей текучей среды на верхний по потоку конец обращенной радиально внутрь/наружу стороны части задней кромки платформы, при этом опорная и охлаждающая система также направляет охлаждающую текучую среду для прохождения по стороне в основном в осевом направлении к нижнему по потоку концу стороны, при этом охлаждающая текучая среда охлаждает часть задней кромки при прохождении по стороне, в котором в сторону включены турболизаторы для увеличения переноса тепла с части задней кромки при прохождении потока охлаждающей текучей среды по стороне, при этом обращенная радиально внутрь сторона включает несколько проходящих в осевом направлении стенных перегородок, которые разделяют сторону на несколько раздельных, проходящих в осевом направлении охлаждающих каналов, при этом турболизаторы, включенные в сторону, расположены в охлаждающих каналах.

В двигателе, согласно предыдущему абзацу, предпочтительно, что платформа расположена на стороне лопатки радиально внутри относительно оси вращения двигателя, и опорная и охлаждающая система направляет охлаждающую текучую среду к верхнему по потоку концу обращенной радиально внутрь стороны задней части кромки платформы.

В двигателе, согласно предыдущему абзацу, предпочтительно, что опорная и охлаждающая система включает несущее кольцо, и часть периферии несущего кольца лежит вблизи обращенной радиально внутрь стороны, при этом охлаждающая текучая среда протекает по стороне в основном в осевом направлении посредством прохождения через первую поверхность раздела между стороной и несущим кольцом.

В двигателе, согласно предыдущему абзацу, предпочтительно, что платформа включает проходящий радиально внутрь фланец на верхнем по потоку конце задней части кромки, и часть периферии несущего кольца также лежит вблизи обращенной вниз по потоку стороны фланца, при этом охлаждающая текучая среда проходит к верхнему по потоку концу обращенной радиально внутрь стороны посредством прохождения в основном радиально наружу через вторую поверхность раздела между обращенной вниз по потоку стороной фланца и несущим кольцом.

В двигателе, согласно предыдущему абзацу, предпочтительно, что задана полость для подачи охлаждающей текучей среды между платформой и опорной и охлаждающей системой, и часть периферии несущего диска также лежит вблизи обращенного радиально внутрь конца фланца, при этом охлаждающая текучая среда подается через полость ко второй поверхности раздела посредством выхода из полости в основном в направлении вниз по потоку через третью поверхность раздела между обращенным радиально внутрь концом фланца и несущим кольцом.

В двигателе, согласно предыдущему абзацу, предпочтительно, что полость также подает охлаждающую текучую среду внутрь лопатки статора.

В двигателе, согласно любому из пяти предыдущих абзацев, предпочтительно, что имеется другой поток охлаждающей текучей среды, который охлаждает заднюю часть кромки, и этот другой поток проходит мимо роторного диска двигателя, на котором закреплены роторные лопатки.

В двигателе, согласно предыдущему абзацу, предпочтительно, что турболизаторы проходят в основном поперек охлаждающих каналов.

В двигателе, согласно предыдущему абзацу, предпочтительно, что турболизаторы являются шевронными турболизаторами.

В двигателе, согласно любому из трех предыдущих абзацев, предпочтительно, что в определенные охлаждающие каналы подается больше охлаждающей текучей среды, чем в другие каналы.

Ниже приводится в качестве примера описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг.1 - как указывалось выше, продольный разрез части известного газотурбинного двигателя;

Фиг.2 - как указывалось выше, разрез по линии II-II на фиг.1;

Фиг.3 - как указывалось выше, разрез по линии III-III на фиг.2;

Фиг.4 - продольный разрез части газотурбинного двигателя согласно данному изобретению;

Фиг.5 - путь прохождения потока охлаждающей текучей среды, показанный на фиг.4, в увеличенном масштабе; и

Фиг.6 - определенные признаки охлаждения, включенные в заднюю кромку платформы, показанной на фиг.4.

Показанная на фиг.1 часть содержит лопатку 31 статора, имеющую радиально внутреннюю и наружную платформы 33 и 35, лопатки 37 ротора, диск 39 ротора, на котором закреплены лопатки 37 ротора, и опорную и охлаждающую систему 41. Радиально внутренняя платформа 33 имеет заднюю кромку 33 и на верхнем по потоку конце этой кромки 43 фланец 45, который выступает радиально внутрь. Опорная и охлаждающая система 41 задает между собой и радиально внутренней платформой 33 полость 47, из которой подается охлаждающая текучая среда для охлаждения лопатки 43 статора. Система 41 включает несущее кольцо 49, часть периферии которого лежит вблизи (i) обращенного радиально внутрь конца 51 фланца 45, (ii) обращенной вниз по потоку стороны 53 фланца 45 и (iii) обращенной радиально внутрь стороны 55 задней кромки 43. На фиг.5 показана более детально поверхность раздела между несущим кольцом 49 и фланцем 45 / задней кромкой 43 радиально внутренней платформы 33. Проходящий по окружности зазор 57 предусмотрен между нижним по потоку концом задней кромки 43 и базовой частью 59 лопатки 37 ротора.

Охлаждающая текучая среда проходит следующим образом, как показано стрелками 61. Она выходит из полости 47 в основном в направлении вниз по потоку через поверхность раздела между несущим кольцом 49 и обращенным радиально внутрь концом фланца 45. Затем она проходит в основном радиально наружу через поверхность раздела между несущим кольцом 49 и обращенной вниз по потоку стороной 53 фланца 45. В этой точке охлаждающая текучая среда достигает верхнего по потоку конца задней кромки 43. Затем охлаждающая текучая среда проходит в основном вниз по потоку через поверхность раздела между несущим кольцом 49 и обращенной радиально внутрь стороной 55 задней кромки 43 до достижения нижнего по потоку конца кромки 43. Охлаждающая текучая среда охлаждает заднюю кромку 43 при прохождении по обращенной радиально внутрь стороне 55. Наконец, охлаждающая текучая среда проходит через проходящий по окружности зазор 57 для соединения с горячими газами сгорания газотурбинного двигателя.

Подвод охлаждающей текучей среды для охлаждения задней кромки 43 осуществляется не через имеющие высокую температуру вращающиеся части двигателя, а из полости 47. Таким образом, охлаждающая текучая среда не нагревается как вследствие температуры, так и трения с вращающимися частями, и поэтому охлаждает более эффективно. Поверхность раздела между несущим кольцом 49 и радиально внутренней платформой 33 строго управляет потоком охлаждающей текучей среды по обращенной радиально внутрь стороне 55 задней кромки 43 так, что поток по существу равномерно распределяется по стороне 55 и при своем прохождении от верхнего по потоку конца к нижнему по потоку концу стороны 55 проходит по пути, который проходит по существу параллельно стороне 55. Таким образом, по существу предотвращаются зоны относительно застойного потока на стороне 55, что улучшает охлаждение задней кромки 43. Строгое управление потоком охлаждающей текучей среды с помощью поверхности раздела между несущим кольцом 49 и радиально внутренней платформой 33 обеспечивает, что поток проходит по стороне 55 независимо от разницы давления между поверхностью раздела и путем прохождения горячих газов сгорания газотурбинного двигателя. Таким образом, присутствие относительно высокой разницы давления по существу не оказывает отрицательного влияния на охлаждение задней кромки 43.

В части газотурбинного двигателя, показанной на фиг.4, имеется другой поток охлаждающей текучей среды, который охлаждает заднюю кромку 43. Этот поток обозначен стрелками 63 и соответствует потоку воздуха, присутствующему в двигателе, согласно уровню техники, как обозначено стрелками 19 на фиг.1.

Полость 47 подает охлаждающую текучую среду непосредственно внутрь лопатки 31 статора, как обозначено стрелкой 65 на фиг.4. Эта охлаждающая текучая среда выходит из основной части лопатки 31 статора через заднюю кромку этой основной части, как показано стрелкой 67, для соединения с горячими газами сгорания газотурбинного двигателя.

Как показано на фиг.6, обращенная радиально внутрь сторона 55 задней кромки 43 включает несколько проходящих в осевом направлении стенных перегородок 69, которые разделяют сторону на несколько раздельных, проходящих в осевом направлении охлаждающих каналов 71. Каждый охлаждающий канал 71 содержит последовательность шевронных турболизаторов 73, расположенных на осевом расстоянии друг от друга вдоль длины канала.

Шевронные турболизаторы 73 сильно охлаждают заднюю кромку 43. Расположение шевронных турболизаторов в раздельных охлаждающих каналах приводит к концентрации потока на турболизаторах, что улучшает их действие.

Могут иметься горячие точки в определенных окружных положениях вокруг задней кромки, образованной задней кромкой 43, показанной на фиг.4-6, и соответствующей задним кромкам других таких же лопаток статора газотурбинного двигателя. Усиленное охлаждение можно осуществлять в этих горячих точках посредством подвода большего количества охлаждающей текучей среды к охлаждающим каналам 71, которые снабжают эти горячие точки. Эту подачу большего количества охлаждающей текучей среды можно реализовать за счет образования радиально проходящих канавок в поверхности раздела между несущим кольцом 49 и обращенной вниз по потоку стороной 53 фланца 45. Канавки могут быть образованы так, что они снабжают те охлаждающие каналы 71, которые снабжают горячие точки. В качестве альтернативного решения канавкам могут быть образованы отверстия через фланец 45 из полости 47 к охлаждающим каналам 71. Эти отверстия должны быть предусмотрены в соответствии с теми охлаждающими каналами 71, которые снабжают горячие точки. Таким образом, разделение обращенной радиально внутрь стороны 55 на раздельные охлаждающие каналы 71 обеспечивает целенаправленное охлаждение задней кромки, образованной задней кромкой 43 и соответствующими задними кромками других таких же лопаток статора газотурбинного двигателя.

Приведенное выше описание со ссылками на фиг.4-6 относится к платформе лопатки статора, расположенной на радиально внутренней стороне лопатки. Понятно, что данное изобретение можно также использовать в отношении платформы лопатки статора, расположенной на радиально наружной стороне лопатки. Например, опорная и охлаждающая система, аналогичная опорной и охлаждающей системе 41, расположенная в основном радиально снаружи радиально наружной платформы, может (i) направлять охлаждающую текучую среду 4 к верхнему по потоку концу обращенной радиально наружу стороны задней кромки платформы и (ii) направлять охлаждающую текучую среду для прохождения по этой стороне в основном в осевом направлении к нижнему по потоку концу стороны, и стенные перегородки, такие как стенные перегородки 69, и шевронные турболизаторы, такие как шевронные турболизаторы 73, могут быть включены в сторону.

Газотурбинный двигатель включает лопатку статора для направления горячих газов сжигания на роторные лопатки. Лопатка статора включает платформу, расположенную на радиально внутренней стороне лопатки относительно оси вращения двигателя. Платформа имеет часть задней кромки по потоку ниже относительно потока горячих газов сгорания после лопатки статора. Двигатель включает также опорную и охлаждающую систему для направления охлаждающей текучей среды на верхний по потоку конец стороны части задней кромки платформы. Сторона обращена радиально внутрь относительно оси вращения двигателя. Опорная и охлаждающая система также направляет охлаждающую текучую среду для прохождения по стороне в основном в осевом направлении к нижнему по потоку концу стороны. Охлаждающая текучая среда охлаждает часть задней кромки при прохождении по стороне. В сторону включены турболизаторы для увеличения переноса тепла с части задней кромки при прохождении потока охлаждающей текучей среды по стороне. Турболизаторы проходят поперек осевого направления оси вращения двигателя. Обращенная радиально внутрь сторона включает несколько проходящих в осевом направлении стенных перегородок, которые разделяют сторону на несколько раздельных, проходящих в осевом направлении охлаждающих каналов. Турболизаторы, включенные в сторону, расположены в охлаждающих каналах. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения. 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Газотурбинный двигатель, включающий лопатку (31) статора для направления горячих газов сжигания на роторные лопатки (37), при этом лопатка (31) статора включает платформу (33), расположенную на радиально внутренней стороне лопатки (31) относительно оси вращения двигателя, при этом платформа (33) имеет часть задней кромки (43) по потоку ниже относительно потока горячих газов сгорания после лопатки (31) статора, при этом двигатель включает также опорную и охлаждающую систему (41) для направления охлаждающей текучей среды на верхний по потоку конец стороны (55) части задней кромки (43) платформы (33), при этом сторона (55) обращена радиально внутрь относительно оси вращения двигателя, при этом опорная и охлаждающая система (41) также направляет охлаждающую текучую среду для прохождения по стороне (55) в основном в осевом направлении к нижнему по потоку концу стороны (55), при этом охлаждающая текучая среда охлаждает часть задней кромки (43) при прохождении по стороне (55), причем в сторону (55) включены турболизаторы (73) для увеличения переноса тепла с части задней кромки (43) при прохождении потока охлаждающей текучей среды по стороне (55), при этом турболизаторы (73) проходят поперек осевого направления оси вращения двигателя, причем обращенная радиально внутрь сторона (55) включает несколько проходящих в осевом направлении стенных перегородок (69), которые разделяют сторону (55) на несколько раздельных, проходящих в осевом направлении охлаждающих каналов (71), при этом турболизаторы, включенные в сторону (55), расположены в охлаждающих каналах (71).

2. Двигатель по п.1, в котором платформа (33) расположена на стороне лопатки (31) радиально внутри относительно оси вращения двигателя, причем опорная и охлаждающая система (41) направляет охлаждающую текучую среду к верхнему по потоку концу обращенной радиально внутрь стороны (55) части задней кромки (43) платформы (33).

3. Двигатель по п.2, в котором опорная и охлаждающая система (41) включает несущее кольцо (49), и часть периферии несущего кольца (49) лежит вблизи обращенной радиально внутрь стороны (55), при этом охлаждающая текучая среда протекает по стороне (55) в основном в осевом направлении посредством прохождения через первую поверхность раздела между стороной (55) и несущим кольцом (49).

4. Двигатель по п.3, в котором платформа (33) включает проходящий радиально внутрь фланец (45) на верхнем по потоку конце части задней кромки (43), и часть периферии несущего кольца (49) также лежит вблизи обращенной вниз по потоку стороны (53) проходящего радиально внутрь фланца (45), при этом охлаждающая текучая среда проходит к верхнему по потоку концу обращенной радиально внутрь стороны (55) посредством прохождения в основном радиально наружу через вторую поверхность раздела между обращенной вниз по потоку стороной (53) фланца (45) и несущим кольцом (49).

5. Двигатель по п.4, в котором задана полость (47) для подачи охлаждающей текучей среды между платформой (33) и опорной и охлаждающей системой (41), и часть периферии несущего диска (39) также лежит вблизи обращенного радиально внутрь конца (51) фланца (45), при этом охлаждающая текучая среда подается через полость (47) ко второй поверхности раздела посредством выхода из полости (47) в основном в направлении вниз по потоку через третью поверхность раздела между обращенным радиально внутрь концом (51) фланца (45) и несущим кольцом (49).

6. Двигатель по п.5, в котором полость (47) также подает охлаждающую текучую среду внутрь лопатки (31) статора.

7. Двигатель по любому из пп.2-6, в котором имеется другой поток охлаждающей текучей среды, который охлаждает часть задней кромки (43), и этот другой поток проходит мимо роторного диска (39) двигателя, на котором закреплены роторные лопатки (37).

8. Двигатель по п.1, в котором турболизаторы (73) являются шевронными турболизаторами (73).

9. Двигатель по п.1, в котором в определенные охлаждающие каналы (71) подается больше охлаждающей текучей среды, чем в другие каналы.

10. Двигатель по п.8, в котором в определенные охлаждающие каналы (71) подается больше охлаждающей текучей среды, чем в другие каналы.

11. Двигатель по п.1, в котором платформа расположена на стороне лопатки радиально внутри относительно оси вращения двигателя, причем опорная и охлаждающая система направляет охлаждающую текучую среду к верхнему по потоку концу обращенной радиально внутрь стороны задней части кромки платформы.