ЛОПАТКА ТУРБИНЫ, ДИСК ТУРБИНЫ И ТУРБИНА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2019 года по МПК F01D5/20 

Область техники

Изобретение относится к лопаткам турбины газотурбинного двигателя.

Оно находит свое применение, в частности, в турбинах высокого давления, расположенных за камерой сгорания турбореактивного двигателя.

Уровень техники, к которому относится изобретение

Классически между лопатками турбины газотурбинного двигателя и внутренней стороной кольца, в котором вращается ротор, предусмотрен зазор в вершине лопатки, который обеспечивает вращение упомянутого ротора. Учитывая движение ротора и разность давления между корытцем и спинкой лопаток, возникают потоки утечки на уровне зазора между вершиной каждой из лопаток и внутренней стороной кольца. Эти потоки и завихрения, создаваемые ими на уровне спинки, являются источником многих аэродинамических проблем, которые напрямую влияют на характеристики газотурбинного двигателя.

Зазор между вершинами лопаток и внутренней поверхностью кольца обычно выполняют таким образом, чтобы уменьшить эти потоки. Однако уменьшение этого зазора повышает риск контактов между лопатками и внутренней поверхностью кольца и существенно сокращает срок службы лопаток; кроме того, оно приводит также к повышению температуры лопаток в области вершины, что тоже сказывается на сроке службы лопаток.

Для преодоления этого недостатка, как известно, в вершине лопаток предусматривают полости, что позволяет ограничить поверхность контакта между лопатками и кольцом. Как правило, эти полости образованы бортиком, который ограничивает замкнутый контур и который проходит для этого на уровне вершины лопатки вдоль спинки и корытца от передней кромки к задней кромке.

В частности, были предложены конфигурации полостей, предназначенные для обеспечения оптимизации аэродинамических и аэротермических характеристик лопаток. В частности, известны патентные заявки ЕР1748153 и WO2009/115728, поданные на имя заявителя, в которых предложены, например, конфигурации полостей, содержащих несколько выемок или включающих в себя отражатели для направления потоков утечки на уровне вершины лопатки.

Однако известные в настоящее время решения являются недостаточными, в частности, с точки зрения требований, предъявляемых к характеристикам турбореактивных двигателей нового поколения.

Раскрытие сущности изобретения

Главной задачей изобретения является улучшение аэродинамических/ аэротермических характеристик лопаток турбины.

В частности, изобретением предложена конструкция полости в вершине лопатки, которая позволяет повысить КПД турбины.

Следует отметить, что в случае турбореактивных двигателей повышение КПД турбины напрямую отражается на КПД и удельном расходе самого турбореактивного двигателя. Поэтому предложенное решение находит свое предпочтительное применение в случае лопаток турбины высокого давления турбореактивного двигателя.

В частности, объектом изобретения является лопатка турбины газотурбинного двигателя, содержащая спинку, корытце, переднюю кромку и заднюю кромку, а также полость в своей вершине, при этом указанная полость содержит по меньшей мере одно внутреннее ребро, которое проходит от точки соединения бортика указанной полости со стороны спинки к точке соединения бортика указанной полости со стороны корытца и содержит участок восприятия нагрузки потоков утечки, который проходит от спинки, и участок, образующий отражатель, который продолжает участок восприятия нагрузки с изгибом и направляет потоки утечки в сторону корытца.

Согласно другому признаку, зона участка восприятия нагрузки ребра, которая находится непосредственно напротив передней кромки, является параллельной относительно касательной к передней кромке.

Согласно дополнительному признаку, угол, который образует ребро относительно нормали к спинке на уровне точки соединения, составляет от -20° до +20°, предпочтительно от -18° до 3°.

Согласно дополнительному признаку, криволинейная абсцисса точки соединения вдоль бортика полости со стороны спинки составляет от 10% до 26%, предпочтительно от 13% до 21%.

Согласно другому признаку, криволинейная абсцисса точки соединения вдоль бортика полости со стороны корытца составляет от 18% до 66%, предпочтительно от 26% до 49%.

Согласно дополнительному признаку, угол, который образует ребро относительно нормали к корытцу на уровне точки соединения, составляет от 0° до 50°, предпочтительно от 19° до 43°.

Согласно дополнительному признаку, криволинейная абсцисса точки, где ребро пересекает среднюю линию профиля лопатки, составляет от 13% до 43%, предпочтительно от 21% до 35%.

Согласно другому признаку, отклонение между средней линией профиля и точкой изгиба ребра составляет от -0,8 мм до 1,2 мм, предпочтительно от -0,5 мм до 1,2 мм.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показана вершина лопатки подвижного колеса, на которой выполнена полость, согласно первому варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;

на фиг. 2 - то же, что на фиг. 1, с показом различных участков ребра;

на фиг. 3 - то же, что на фиг. 1, с показом направления ребра на уровне корытца и спинки;

на фиг. 4 - то же, что на фиг. 1-3, с показом положения точки соединения между ребром и спинкой;

на фиг. 5 - то же, что на фиг. 1-4, с показом положения точки соединения между ребром и корытцем;

на фиг. 6 показана лопатка согласно первому варианту осуществления изобретения, вид сверху;

на фиг. 7 - то же, что на фиг. 6, с показом отклонения между точкой изгиба ребра и средней линией профиля лопатки;

на фиг. 8 - то же, что и на фиг.6 и 7, с показом направления ребра в его точке изгиба.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 и на следующих фигурах показана лопатка 1 турбины высокого давления турбореактивного двигателя. В турбореактивном двигателе турбина содержит диск, на котором в окружном направлении установлено множество лопаток 1. Этот диск и лопатки расположены внутри кольца, находящегося на выходе из камеры сгорания. Размеры лопаток турбины и кольца рассчитаны таким образом, чтобы зазор между кольцом и лопатками был ограниченным.

Такая лопатка 1 имеет аэродинамический профиль и содержит выпуклую спинку 11 и вогнутое корытце 12, которые расположены между, с одной стороны закругленным входным краем, который образует переднюю кромку 13, и, с другой стороны, задней кромкой 14.

В своей вершине, которая должна находиться напротив внутренней стороны кольца, лопатка 1 содержит полость 2, образованную бортиком 2а, проходящим вокруг дна 2b указанной полости вдоль спинки 11 и корытца 12 от передней кромки 13 до задней кромки 14.

Внутреннее пространство указанной полости 2 разделено на две выемки 4 и 5 ребром 3, которое имеет такую же высоту, что и бортик 2а.

Как показано на фиг. 2, это ребро 3 проходит между точкой 31 соединения, находящейся на участке этого бортика 2а, проходящем вдоль спинки 11, и точкой 32, находящейся на участке этого бортика 2а, проходящем вдоль корытца 12. Оно имеет:

- участок 3а, который проходит от спинки 11 и создает препятствие для потоков 16 утечки, поступающих в выемку 4 через переднюю кромку 13;

- участок 3b, который продолжает участок 3а с изгибом и служит отражателем для направления выхода потоков утечки со стороны корытца.

Такое ребро 3 принимает на себя часть усилия нагрузки потоков 16 утечки, которые давят на указанное ребро 3; оно позволяет также понижать температуру вершины лопатки 1 и кольца, препятствуя прохождению горячего воздуха по всей полости 2, что позволяет повысить срок службы лопатки 1.

В частности, чтобы обеспечить максимальное восприятие усилия нагрузки, зона участка 3а ребра 3, которая находится непосредственно напротив передней кромки 13 (зона участка 3а, находящаяся ближе всего к передней кромке), является параллельной относительно касательной к передней кромке 13 и, таким образом, является перпендикулярной к направлению потоков 16 утечки, поступающих через указанную переднюю кромку 13.

Таким образом, участок 3а принимает на себя максимальное усилие.

Ориентация ребра 3 на уровне точки 31 соединения тоже является оптимизированной. В частности, угол, который образует ребро 3 относительно перпендикуляра к спинке 11 на уровне точки 31 соединения (на фиг. 3 угол α между касательной Т31 и нормалью NT11, перпендикулярной к касательной Т11 спинки 11 в точке 31), предпочтительно составляет от -20° до +20°, предпочтительнее от -18° до 3° и еще предпочтительнее от -16° до -14° (знак угла α определяют по тригонометрическому направлению от нормали NT11 к касательной Т31).

Положение точки 31 соединения на спинке 11 является компромиссом, выбранным для оптимизации восприятия нагрузки потоков утечки, одновременно позволяющим избегать или ограничивать прохождение горячего воздуха над ребром 3. Действительно, понятно, что, чем ближе точка 31 соединения находится к передней кромке 13, тем выше риск возможности прохождения потоков утечки над ребром 3 в выемку 5, в результате чего восприятие усилия не будет оптимальным.

Следовательно, криволинейное положение точки 31 соединения вдоль линии спинки (криволинейная абсцисса Х на фиг. 4 - определение между передней кромкой 13 (Х=0%) и задней кромкой 14 (Х=100%)) предпочтительно составляет от 10% до 26%, предпочтительнее от 13% до 21% и еще предпочтительнее от 15% до 17%.

Кроме того, за пределами зоны участка 3а, которая находится напротив передней кромки 13, где потоки утечки наталкиваются на ребро 3, ребро 3 выполнено изогнутым и продолжено участком 3b, который служит отражателем. Этот участок 3b, который позволяет направлять потоки утечек, ориентирован таким образом, чтобы указанные потоки утечки выходили из корытца 12, будучи при этом по возможности максимально параллельными главному потоку вдоль корытца 12.

Для этого точка 32 соединения расположена вдоль корытца 12, будучи смещенной в сторону задней кромки 14. Криволинейное положение этой точки 32 соединения вдоль линии корытца (абсцисса Х на фиг. 5 - определение между передней кромкой 13 (Х=0%) и задней кромкой 14 (Х=100%)) предпочтительно составляет от 18% до 66%, предпочтительнее от 26% до 49% и еще предпочтительнее от 32% до 36%.

Следует отметить, что, чем ближе точка 32 соединения к задней кромке 14, тем больше поток утечки, присутствующий в выемке, направляется таким образом, чтобы выходить параллельно главному потоку вдоль корытца, что способствует повышению КПД лопатки. С другой стороны, горячий воздух остается дольше в выемке 4, что имеет отрицательный эффект с точки зрения срока службы для лопатки. Приведенные выше интервалы для значений криволинейных абсцисс точки 32 обеспечивают хороший компромисс между аэродинамическими и аэротермическими свойствами лопатки 1.

Наличие точки изгиба в ребре 3 позволяет, с одной стороны, участку 3а восприятия нагрузки находиться на таком расстоянии от передней кромки 13 и иметь такое направление, при которых восприятие усилий нагрузки является максимальным; и, с другой стороны, позволяет участку 3b, который служит отражателем, находиться на таком расстоянии от стенки корытца и иметь такое направление, которые позволяют оптимизировать аэродинамические и аэротермические свойства лопатки 1. Именно изгиб ребра 3 позволяет получить при помощи единоого ребра форму, обеспечивающую компромисс между разными формами внутренних ребер, которые оптимизируют только один параметр лопатки 1 в ущерб другим параметрам.

Ориентацию ребра 3 на уровне точки 32 соединения тоже можно оптимизировать, в частности, чтобы обеспечивать извлечение из формы полости 2 в случае изготовления лопатки посредством литья (отливка по выплавляемым моделям). По этой причине ребро 3 имеет на уровне точки соединения участок 3с, который, в свою очередь, имеет изгиб по отношению к участку 3b, образующему отражатель в продолжение части 3а. Угол, который образует этот участок 3с относительно перпендикуляра к корытцу 12 (на фиг. 3 угол β между касательной Т32 и нормалью NT12, перпендикулярной к касательной Т12 корытца 13 в точке 32), предпочтительно составляет от 0° до 50°, предпочтительнее от 19° до 43° и еще предпочтительнее от 35° до 40° (при этом знак угла β определяют по тригонометрическому направлению от нормали NT12 в сторону касательной Т32).

Оптимизация формы ребра 3 может также зависеть от того, каким образом это ребро расположено относительно средней линии профиля лопатки 1.

В частности, как показано на фиг. 6, положение точки 33, в которой ребро 3 пересекает среднюю линию S профиля лопатки 1, предпочтительно составляет от 13% до 43%, предпочтительно от 21% до 35% и еще предпочтительнее от 25% до 29% (на фиг. 6 абсцисса Х вдоль средней линии S профиля - определение между передней кромкой 13 (Х=0%) и задней кромкой 14 (Х=100%)).

Средняя линия S профиля является линией, которая состоит из совокупности точек, равноудаленных от корытца 12 и от спинки 11.

Кроме того, отклонение между средней линией S профиля и точкой 34 изгиба ребра 3 можно оптимизировать (фиг. 7) таким образом, чтобы оно составляло от -0,8 мм до 1,2 мм, предпочтительно от 0,5 мм до 1,2 мм и еще предпочтительнее от 1,1 мм до 1,2 мм (при этом знак расстояния является положительным, если точка 34 изгиба находится между средней линией S профиля и корытцем 12, в противном случае он является отрицательным).

Ориентацию участка 3b тоже можно оптимизировать. Для этого угол θ, образованный касательной Т34 (фиг. 8) ребра 3 в точке 34 изгиба и касательной TS средней линии S профиля в точке пересечения между касательной Т34 и средней линий S профиля, составляет, например, от -20° до +20°, предпочтительно от -15,4° до +5,1° и предпочтительнее от -10,8° до -9,7° (при этом знак угла θ определяют по тригонометрическому направлению от касательной Т34 в сторону касательной TS).

Кроме того, на уровне бортика 2а со стороны корытца 12 можно также выполнить отверстия 6 и 7 для облегчения удаления горячего воздуха в выемках 4 и 5. Отверстие 6 выемки 4 находится, например, в непосредственной близости от ребра 3, тогда как отверстие 7 выемки 5 находится в непосредственной близости от задней кромки 14.

Лопатка турбины газотурбинного двигателя содержит спинку, корытце, переднюю кромку, заднюю кромку и полость в своей вершине. Полость в вершине лопатки имеет внутреннее ребро, проходящее от точки соединения бортика указанной полости со стороны спинки к точке соединения бортика указанной полости со стороны корытца. Внутреннее ребро содержит участок восприятия нагрузки потоков утечки, который проходит от спинки, и участок, образующий отражатель, который продолжает участок восприятия нагрузки с изгибом и направляет потоки утечки в сторону корытца. Другие изобретения группы относятся к диску турбины и турбине высокого давления турбореактивного двигателя, содержащим указанные выше лопатки. Группа изобретений позволяет снизить утечки через вершину лопаток газотурбинного двигателя. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Лопатка (1) турбины газотурбинного двигателя, содержащая спинку (11), корытце (12), переднюю кромку (13), заднюю кромку (14) и полость (2) в своей вершине, при этом указанная полость (2) содержит по меньшей мере одно внутреннее ребро (3), отличающаяся тем, что указанное ребро (3) проходит от точки (31) соединения бортика (2а) указанной полости (2) со стороны спинки (11) к точке (32) соединения бортика (2а) указанной полости (2) со стороны корытца (12) и содержит участок (3а) восприятия нагрузки потоков (16) утечки, который проходит от спинки (11), и участок (3b), образующий отражатель, который продолжает участок (3а) восприятия нагрузки с изгибом и направляет потоки (16) утечки в сторону корытца (12).

2. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что зона участка (3а) восприятия нагрузки ребра (3), которая находится непосредственно напротив передней кромки (13), является параллельной относительно касательной к передней кромке (13).

3. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что ребро (3) образует угол (α) относительно нормали (NT11) к спинке (11) на уровне точки (31) соединения, который составляет от -20° до +20°, предпочтительно от -18° до 3°.

4. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что криволинейная абсцисса точки (31) соединения вдоль бортика (2а) полости (2) со стороны спинки (11) составляет от 10% до 26%, предпочтительно от 13% до 21%.

5. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что криволинейная абсцисса точки (32) соединения вдоль бортика (2а) полости (2) со стороны корытца (12) составляет от 18% до 66%, предпочтительно от 26% до 49%.

6. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что ребро (3) образует угол (β) относительно перпендикуляра (NT12) к корытцу (12) на уровне точки (32) соединения, который составляет от 0° до 50°, предпочтительно от 19° до 43°.

7. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что криволинейная абсцисса точки (33), где ребро (3) пересекает среднюю линию (S) профиля лопатки (1), составляет от 13% до 43%, предпочтительно от 21% до 35%.

8. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что отклонение между средней линией (S) профиля и точкой (34) изгиба ребра (3) составляет от -0,8 мм до 1,2 мм, предпочтительно от -0,5 мм до 1,2 мм.

9. Диск турбины, отличающийся тем, что содержит лопатки (1) по одному из пп. 1-8.

10. Турбина высокого давления турбореактивного двигателя, отличающаяся тем, что содержит лопатки (1) по одному из пп. 1-8.