ЛОПАТКА ТУРБИНЫ С КОНЦЕВОЙ КРЫШКОЙ Российский патент 2019 года по МПК F01D5/20 F01D5/14 

Изобретение относится к лопаткам турбины газотурбинного двигателя.

В частности, оно находит свое предпочтительное применение в случае турбин высокого давления на выходе камеры сгорания турбореактивного двигателя.

Область техники и предшествующий уровень техники

Обычно между лопатками турбины газотурбинного двигателя и внутренней стороной кольца, в котором вращается указанный ротор, обеспечен зазор на конце лопатки, который позволяет вращаться указанному ротору. С учетом движения ротора и разности давления между корытом и спинкой лопаток образуются потоки утечки в зазоре между концом каждой из лопаток и внутренней поверхностью кольца. Эти потоки и завихрения, создаваемые ими на спинке, являются источником многих аэродинамических и аэротермических проблем, которые напрямую влияют на характеристики газотурбинного двигателя.

Как правило, зазор между концом лопаток и внутренней поверхностью кольца подгоняют таким образом, чтобы уменьшить эти потоки. Однако уменьшение этого зазора увеличивает риски контактов между лопатками и внутренней поверхностью кольца и значительно сокращает срок службы лопаток; кроме того, оно приводит также к повышению температуры конца лопаток, что тоже сказывается на сроке службы лопаток.

Чтобы преодолеть этот недостаток, как известно, на конце лопаток обеспечивают ванну, что позволяет ограничить поверхность контакта между лопатками и кольцом. Как правило, эта ванна образована бортиком, который ограничивает замкнутый контур и который выполнен для этого на конце лопатки вдоль спинки и корыта от передней кромки до задней кромки.

В частности, были предложены конфигурации ванн, предназначенные для обеспечения оптимизации аэродинамических и аэротермических характеристик лопаток.

Например, известен патентный документ WO2009/115728, в котором предложен пример конфигурации конца лопатки, содержащего ванну. Ванна представляет собой полость, в которой расположена стенка, образующая отражатель, при этом указанная стенка не соединена с бортиком, ограничивающим ванну.

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

Раскрытие изобретения

Основной задачей изобретения является улучшение аэродинамических и аэротермических характеристик лопаток турбины.

В частности, задача решается ванной на конце лопаток, которая позволяет повысить КПД турбины.

Следует отметить, что в случае турбореактивных двигателей повышение КПД турбины напрямую отражается на КПД и на 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, корыто, переднюю кромку и заднюю кромку, а также ванну на своем конце, при этом указанная ванна образована бортиком и содержит внутреннее ребро, которое расположено на расстоянии от бортика, образующего указанную ванну, причем указанное внутреннее ребро выполнено для ограничения внутри ванны полости, внутри которой прохождение потоков утечки ограничено, при этом в бортике на уровне передней кромки выполнен входной проем, а на уровне задней кромки – выходной проем.

Согласно другой особенности внутреннее ребро содержит спинку, корыто, переднюю кромку и заднюю кромку, при этом корыто внутреннего ребра расположено на, по существу, постоянном расстоянии от корыта лопатки, а спинка внутреннего ребра расположена на, по существу, постоянном расстоянии от спинки лопатки.

Согласно дополнительной особенности внутреннее ребро содержит входное продолжение на уровне своей передней кромки.

Согласно дополнительной особенности внутреннее ребро содержит выходное продолжение на уровне своей задней кромки.

Согласно дополнительной особенности входной проем выполнен в бортике на корыте и на концевом участке передней кромки спинки.

Согласно другой особенности выходной проем выполнен в бортике только на корыте.

Согласно дополнительной особенности ванна содержит дно, а полость выполнена на части дна ванны, которая окружена внутренним ребром.

Краткое описание чертежей

Другие особенности, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из последующего подробного описания, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на чертежи.

На фиг. 1 показан конец лопатки рабочего колеса, на котором выполнена ванна согласно первому варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;

на фиг. 2 – конец лопатки рабочего колеса, на котором выполнена ванна согласно второму варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;

на фиг. 3 – конец лопатки рабочего колеса, на котором выполнена ванна согласно третьему варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;

на фиг. 4 – конец лопатки рабочего колеса, на котором выполнена ванна согласно четвертому варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;

на фиг. 5 – лопатка согласно третьему варианту осуществления изобретения, вид сверху;

на фиг. 6 – лопатка согласно четвертому варианту осуществления изобретения, вид сверху;

на фиг. 7 – лопатка согласно пятому варианту осуществления изобретения, вид сверху;

на фиг. 8 – лопатка согласно пятому варианту осуществления изобретения, где показано направление потоков утечки относительно передней кромки лопатки, вид сверху;

на фиг. 9 – лопатка согласно первому варианту осуществления изобретения, где подробна показана структура спинки, вид сверху;

на фиг. 10 – турбина с показанной осью указанной турбины;

на фиг. 11 – лопатка с показанной средней линией указанной лопатки, вид сверху;

на фиг. 12 – лопатки согласно варианту осуществления, вид в разрезе.

Варианты осуществления 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 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 корыто 12, которые расположены между, с одной стороны, закругленным входным краем, который образует переднюю кромку 13, и, с другой стороны, задней кромкой 14.

На своем конце, который должен находиться напротив внутренней поверхности кольца, лопатка 1 содержит ванну 2, образованную бортиком 2а, проходящим вокруг дна 2b указанной ванны вдоль спинки 11 и корыта 12 от передней кромки 13 до задней кромки 14. Согласно варианту бортик 2а ванны 2 содержит по меньшей мере одну часть, на которой он не проходит вдоль спинки 11, корыта 12, передней кромки 13 или задней кромки 14, а отходит от них, например, возвращаясь внутрь конца лопатки 1. Действительно, бортик 2а образован ребром на конце лопатки 1, которое следует контуру лопатки 1 и которое может быть частью указанного контура лопатки 1 или может быть от него удален.

Спинка 11 содержит изгиб 110, находящийся вблизи передней кромки 13 лопатки 1. Спинка 11 содержит две части, разделенных изгибом 110:

– концевую часть 111 передней кромки, которая находится между передней кромкой 13 и изгибом 110;

– центральную часть 112, которая находится после изгиба 110 и отделена от передней кромки 13 концевой частью 111 передней кромки.

Внутри указанной ванны 2 расположено внутреннее ребро 3, имеющее такую же высоту, что и бортик 2а.

Как показано на фиг. 5 и на следующих фигурах, это внутреннее ребро 3 выполнено замкнутым и образует, таким образом, полость 4 внутри ванны 2, ограничивая прохождение потоков 5 утечки внутрь указанной полости 4. Однако, согласно возможному варианту, внутреннее ребро 3 может содержать по меньшей мере одно отверстие в своей стенке. Ограничение прохождения основной части потоков 5 утечки внутри полости 4 позволяет улучшить аэротермические свойства лопатки 1, ограничивая нагрев полости 4 потоками 5 утечки. Ограничение нагрева полости 4 позволяет создать относительно холодную зону на конце лопатки 1, которая предназначена для охлаждения всего конца лопатки, и позволяет увеличить тем самым срок службы лопатки. В частности, внутреннее ребро 3 не останавливает только самую энергетическую часть потоков 5 утечки, которая проходит в полость 4.

Полость 4 не сообщается с контуром охлаждения лопатки, действительно, речь идет о части дна 2b ванны 2, которая окружена внутренним ребром 3. Таким образом, ванна 2 содержит только одно дно 2b, которое является плоским, часть этого дна 2b окружена внутренним ребром 3, образуя таким образом полость 4. Дно этой полости 4 находится на такой же высоте на лопатке 1, что и остальная часть дна 2b ванны 2, которая не окружена внутренним ребром 3.

Как показано на фиг. 12, лопатка 1 содержит внутренний контур 6 охлаждения, который образован полым пространством, находящимся внутри лопатки под ванной 2, при этом воздушный поток, который является более холодным, чем потоки 5 утечки, циркулирует в указанном внутреннем пространстве. Этот внутренний контур охлаждения позволяет охлаждать ванну 2. Ванна 2 отделена от внутреннего контура 6 охлаждения толщиной материала М. Как показано на фиг. 12, толщина материала М является постоянной по всему концу лопатки 1.

Чтобы обеспечивать наилучшее охлаждение конца лопатки, толщина материала М должна быть как можно меньшей. Кроме того, чтобы уменьшить центробежную силу, создаваемую вращением лопатки 1, желательно уменьшить массу указанной лопатки 1 на ее конце. Однако все же минимальное значение толщины материала М является необходимым, чтобы лопатка 1 могла выдерживать температуру и давление, достигаемые во время работы газотурбинного двигателя. Поскольку полость 4 образована частью дна 2b ванны 2, которая окружена внутренним ребром 3, это позволяет уменьшить массу в конце лопатки 1 и эффективно охлаждать всю ванну 2. Кроме того, как показано на каждой из фиг. 1 – 7, внутреннее ребро 3 имеет аэродинамическую форму, то есть внутреннее ребро 3 имеет форму лопатки турбины и, следовательно, содержит:

– выпуклую спинку 31, находящуюся напротив спинки 11 лопатки 1;

– вогнутое корыто 32, находящееся напротив корыта 12 лопатки 1;

– переднюю кромку 33, находящуюся напротив передней кромки 13 лопатки 1 и образующую входную часть внутреннего ребра 3;

– заднюю кромку 34, находящуюся напротив задней кромки 14 лопатки 1 и образующую выходную часть внутреннего ребра 3.

Таким образом, наиболее энергетическая часть потоков 5 утечки, которая прошла в полость 4 над передней кромкой 33 и корытом 32 внутреннего ребра 3, давит на спинку 31 внутреннего ребра 3 и позволяет, таким образом, рекуперировать более значительное усилие нагрузки.

В варианте, согласно которому внутреннее ребро 3 содержит по меньшей мере одно отверстие в своей стенке, это отверстие не должно находиться на передней кромке 33 внутреннего ребра 3, в противном случае потоки 5 утечки беспрепятственно могут проходить в полость 4. Таким образом, предпочтительно, но не ограничительно внутреннее ребро 3 содержит отверстие на своей задней кромке 34.

Спинка 31 внутреннего ребра 3 расположена на постоянном расстоянии от спинки 11 лопатки 1, и корыто 32 внутреннего ребра 3 тоже расположено на постоянном расстоянии от корыта лопатки 1. Таким образом, внутреннее ребро 3 имеет форму, аналогичную бортику 2а, образующему ванну 2, и полость 4 имеет форму, аналогичную ванне 2.

Такое внутреннее ребро 3 позволяет рекуперировать часть усилия нагрузки потоков 5 утечки, которые давят на указанное внутреннее ребро 3. В частности, потоки 5 утечки разделяются на два разных потока 51 и 52 на уровне передней кромки 33 внутреннего ребра 3 (фиг. 5 – 7), при этом первый поток 51 проходит между спинкой 11 лопатки 1 и спинкой 31 внутреннего ребра 3, а второй поток 52 проходит между корытом 12 лопатки 1 и корытом 32 внутреннего ребра 3. Во время своего прохождения первый поток 51 давит на бортик 2а вдоль спинки 11 лопатки 1, а второй поток 52 давит на корыто 31 внутреннего ребра 3, что позволяет рекуперировать усилие нагрузки. Эта рекуперация усилия нагрузки потоков 5 утечки позволяет улучшить аэродинамические характеристики лопатки 1.

Как показано на фиг. 5, потоки 5 утечки имеют направление, по существу, перпендикулярное относительно касательной Δ13 к передней кромке 13.

Согласно варианту осуществления, как показано на фиг. 3 – 7, внутреннее ребро 3 может содержать входное продолжение 331, расположенное на передней кромке 33 внутреннего ребра 3, или выходное продолжение 341, расположенное на задней кромке 34 внутреннего ребра 3. Входное продолжение 331 содержит первый конец, соединенный с передней кромкой 33 внутреннего ребра 3, и второй конец, который находится напротив передней кромки 13 лопатки 1. Аналогично, выходное продолжение 341 содержит первый конец, соединенный с задней кромкой 34 внутреннего ребра 3, и второй конец, который находится напротив задней кромки 14 лопатки 1.

Входное 331 и выходное 341 продолжения являются частями внутреннего ребра 3, которые не участвуют в ограничении полости 4. Согласно предпочтительному варианту ширина входного 331 и выходного 341 продолжений, по существу, равна ширине внутреннего ребра 3 на уровне спинки 31, корыта 32, передней кромки 33 и задней кромки 34. Входное 331 и выходное 341 продолжения продолжают соответственно входную часть и выходную часть внутреннего ребра 3, приближая их к передней кромке 13 и к задней кромке 14 лопатки 1.

Если внутреннее ребро 3 содержит входное продолжение 331, потоки 5 утечки разделяются на два разных потока 51 и 52 на уровне конца входного продолжения 331, который находится напротив передней кромки 13 лопатки 1.

Входное продолжение 331 и выходное продолжение 341 позволяют увеличить поверхность внутреннего ребра 3, на которую давит второй поток 52 во время своего прохождения в ванне 2.

Согласно дополнительному варианту осуществления внутреннее ребро 3 может содержать одновременно входное продолжение 331 и выходное продолжение 341. Таким образом, входное 331 и выходное 341 продолжения позволяют улучшить аэродинамические характеристики лопатки 1, рекуперируя большее усилие нагрузки.

Согласно другому варианту осуществления, как показано на фиг. 2, 4, 6 и 7, бортик 2а конца лопатки 1, который ограничивает ванну 2, содержит входной проем 131, находящийся на уровне передней кромки 13, а также выходной проем 141, находящийся на уровне задней кромки 14. Этот вариант выполнения содержит входной проем 131 и выходной проем 141, но в дополнительном варианте бортик 2а может содержать только входной проем 131 без выходного проема 141 или только выходной проем 141 без входного проема 131.

Входной проем 131 позволяет, с одной стороны, ограничить массу лопатки 1 в ее конце, что имеет значение с учетом скорости вращения лопатки 1, и, с другой стороны, позволяет контролируемо увеличить количество потоков 5 утечки, заходящих в ванну, чтобы увеличить рекуперацию усилий нагрузки лопаткой 1. Предпочтительно входной проем 131 выполнен в основном в части бортика 2а, находящейся на корыте 11 лопатки 1. В частности, входной проем 131 выполнен на бортике 2а на концевом участке 111 передней кромки спинки 11.

Такой входной проем 131 позволяет направлять потоки 5 утечки, заходящие через указанный входной проем 131, одновременно в выемку между корытом 12 лопатки 1 и корытом 32 внутреннего ребра 3 и в выемку между спинкой 11 лопатки 1 и спинкой 31 внутреннего ребра 3. При наличии такого входного проема 131 потоки 5 утечки, заходящие через указанный входной проем 131, в основном направляются в выемку между корытом 12 лопатки 1 и корытом 32 внутреннего ребра 3. Таким образом, входной проем 131 позволяет увеличить рекуперацию усилий нагрузки за счет увеличения расхода второго потока 52, чтобы потоки 5 утечки сильнее давили на корыто 32 ребра 3, а также за счет увеличения расхода первого потока 51, чтобы потоки 5 утечки сильнее давили на спинку 11 лопатки 1.

Предпочтительно выполнять входной проем 131 в бортике 2а на корыте 12 лопатки 1 и на концевом участке 111 передней кромки, так как, учитывая угол наклона потоков 5 утечки относительно передней кромки 13 лопатки 1:

– входной проем 131, выполненный только в бортике 2а на концевом участке 111 передней кромки спинки 11 лопатки 1, позволил бы направлять потоки 5 утечки только в выемку между спинкой 11 лопатки 1 и спинкой 31 внутреннего ребра 3;

– входной проем, выполненный только в бортике 2а на корыте 12, позволил бы направлять потоки 5 утечки только в выемку между корытом 12 лопатки 1 и корытом 32 внутреннего ребра 3.

Выходной проем 141 позволяет, с одной стороны, аналогично входному проему 131, ограничить массу лопатки 1 в ее конце, и, с другой стороны, облегчает удаление потоков 5 утечки через заднюю кромку 14. Хорошее удаление потоков 5 утечки позволяет ограничить нагрев ванны 2, связанный с задержкой потоков 5 утечки в ванне 2. Предпочтительно выходной проем 141 выполнен только в бортике 2а на спинке 11 или на корыте 12 лопатки 1. Согласно возможному предпочтительному варианту, выходной проем 141 выполнен в бортике 2а на корыте 12 лопатки 1. Такой проем позволяет оптимально удалять потоки 5 утечки и сохранять приемлемый зазор между концом лопатки 1 и внутренней стороной кольца, в котором вращается лопатка 1.

Согласно дополнительному варианту, как показано на фиг. 4. 6 и 7, внутреннее ребро 3 содержит входное продолжение 331 или выходное продолжение 341, и бортик 2а, образующий ванну 2, содержит входной проем 131 или выходной проем 141. Разумеется, внутреннее ребро 3 может содержать входное продолжение 331 и выходное продолжение 341, и бортик 2а может содержать входной проем 131 и выходной проем 141. Вариант, в котором бортик 2а содержит входной проем 131 и выходной проем 141, является компромиссом между аэродинамическими и аэротермическими характеристиками лопатки 1, так как это позволяет, с одной стороны, в большей степени ограничить массу лопатки 1 и, с другой стороны, обеспечивает лучшую циркуляцию потоков 5 утечки внутри ванны 2, чтобы больше рекуперировать усилие нагрузки, одновременно ограничивая нагрев конца лопатки 1.

Предпочтительно расстояние между передней кромкой 13 лопатки 1 и передней кромкой 33 внутреннего ребра 3 составляет от 1% до 25% осевой хорды лопатки. Осевая хорда является проекцией хорды лопатки 1 на ось Y турбины, при этом ось Y турбины показана на фиг. 10. В случае, когда внутреннее ребро 3 содержит входное продолжение 331, расстояние между передней кромкой 13 лопатки 1 и концом входного продолжения 331 составляет от 1% до 25% осевой хорды лопатки.

Кроме того, предпочтительно расстояние между задней кромкой 14 лопатки 1 и задней кромкой 34 внутреннего ребра 3 составляет от 1% до 25% осевой хорды лопатки. В случае, когда внутреннее ребро 3 содержит выходное продолжение 341, расстояние между задней кромкой 14 лопатки 1 и концом выходного продолжения 341 составляет от 1% до 25% осевой хорды лопатки.

Согласно предпочтительному варианту, промежуток между спинкой 11 лопатки 1 и спинкой 31 внутреннего ребра 3 составляет от 1% до 30% максимальной толщины Е лопатки, и предпочтительно от 15% до 30%. Такой промежуток обеспечивает, чтобы максимальная часть потоков 5 утечки, которые заходят в ванну, оставалась между спинкой 11 лопатки 1 и спинкой 31 внутреннего ребра 3. Максимальная толщина Е лопатки является максимальным расстоянием между корытом 12 и спинкой 11 лопатки 1, при этом указанное максимальное расстояние Е измеряют ортогонально к осевой линии S лопатки 1, как показано на фиг. 11. Осевая линия S образована совокупностью точек, равноудаленных от корыта 12 и от спинки 11 лопатки 1.

Согласно предпочтительному варианту, промежуток между корытом 12 лопатки 1 и корытом 32 внутреннего ребра 3 составляет от 1% до 30% максимальной толщины Е лопатки, и предпочтительно от 15% до 30%. Такой промежуток обеспечивает, чтобы максимальная часть потоков 5 утечки, которые заходят в полость, оставалась между корытом 12 лопатки 1 и корытом 32 внутреннего ребра 3.

Согласно предпочтительному варианту, площадь поверхности полости 4 составляет от 15% до 40% общей площади поверхности ванны 2, предпочтительно от 20% до 30% общей площади поверхности ванны 2 и еще предпочтительнее - 25% общей площади поверхности указанной ванны 2. Эта особенность обеспечивает хорошую циркуляцию потоков 5 утечки внутри ванны и позволяет ограничить нагрев значительной площади поверхности ванны 2.

Лопатка (1) турбины газотурбинного двигателя содержит спинку (11), корыто (12), переднюю кромку (13) и заднюю кромку (14), а также ванну (2) на своем конце. При этом указанная ванна (2) образована бортиком (2а) и содержит внутреннее ребро (3), которое расположено на расстоянии от бортика (2а), образующего указанную ванну (2). Внутреннее ребро (3) выполнено для ограничения внутри ванны полости (4), внутри которой прохождение потоков (5) утечки ограничено. Ванна (2) содержит дно (2b). Полость (4) ограничена частью дна (2b) ванны, которая окружена указанным внутренним ребром (3). Изобретение направлено на повышение кпд турбины за счет улучшения ее аэродинамических и аэротермических характеристик турбины. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Лопатка (1) турбины газотурбинного двигателя, содержащая спинку (11), корыто (12), переднюю кромку (13) и заднюю кромку (14), а также ванну (2) на своем конце, при этом указанная ванна (2) образована бортиком (2а) и содержит внутреннее ребро (3), которое расположено на расстоянии от бортика (2а), образующего указанную ванну (2), отличающаяся тем, что указанное внутреннее ребро (3) выполнено для ограничения внутри ванны полости (4), внутри которой прохождение потоков (5) утечки ограничено, ванна (2) содержит дно (2b), а полость (4) ограничена частью дна (2b) ванны, которая окружена указанным внутренним ребром (3).

2. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что внутреннее ребро (3) содержит спинку (31), корыто (32), переднюю кромку (33) и заднюю кромку (34), при этом корыто (32) внутреннего ребра (3) расположено на, по существу, постоянном расстоянии от корыта (12) лопатки, а спинка (31) внутреннего ребра (3) расположена на, по существу, постоянном расстоянии от спинки (11) лопатки (1).

3. Лопатка по п. 2, отличающаяся тем, что внутреннее ребро (3) содержит входное продолжение (331) на уровне своей передней кромки (33).

4. Лопатка по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что внутреннее ребро (3) содержит выходное продолжение (341) на уровне своей задней кромки (34).

5. Лопатка по одному из пп. 1-4, отличающаяся тем, что входной проем (131) выполнен в бортике (2а) на уровне передней кромки (13).

6. Лопатка по п. 5, отличающаяся тем, что входной проем (131) выполнен в бортике (2а) на корыте (12) и на концевом участке (111) передней кромки спинки (11).

7. Лопатка по одному из пп. 1-6, отличающаяся тем, что выходной проем (141) выполнен в бортике (2а) на уровне задней кромки (14).

8. Лопатка по п. 7, отличающаяся тем, что выходной проем (141) выполнен в бортике (2а) только на корыте (12).

9. Рабочее колесо турбины, отличающееся 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.