ЛОПАТКА, ОСНАЩЕННАЯ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ, СООТВЕТСТВУЮЩИЕ НАПРАВЛЯЮЩИЙ СОПЛОВОЙ АППАРАТ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2020 года по МПК F01D5/18 F01D9/02 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к лопатке направляющего соплового аппарата газотурбинного двигателя. В частности, изобретение относится к лопатке направляющего соплового аппарата, оснащенной системой охлаждения лопатки и других деталей газотурбинного двигателя.

2. Уровень техники

Как правило, газотурбинный двигатель содержит в направлении от входа к выходу одну или несколько компрессорных ступеней, например, компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, камеру сгорания, одну или несколько турбинных ступеней, например, турбину высокого давления и турбину низкого давления. Вход и выход определяют относительно нормального направления потока газа в проточном тракте (от входа к выходу).

Турбина преобразует тепловую и кинетическую энергию газового потока, поступающего из камеры сгорания, в механическую энергию, необходимую, например, для приведения во вращение компрессора и/или несущего винта в случае вертолета.

Обычно турбина содержит одну или несколько ступеней лопаток, при этом, как известно, каждая ступень обычно содержит решетку неподвижных лопаток, называемую направляющим сопловым аппаратом, и решетку подвижных лопаток. Иногда все лопатки лопаточной решетки обозначают термином «лопаточная система». Лопатки содержат часть, направленную в сторону входа и называемую передней кромкой, и часть, направленную в сторону выхода и называемую задней кромкой.

Как правило, направляющий сопловой аппарат охлаждают за счет принудительной конвекции при помощи контуров, проходящих внутри лопаток и образующих лабиринт. Охлаждающий воздух заходит в лопатки со стороны камеры сгорания турбины на периферии камеры сгорания на уровне части каждой лопатки направляющего соплового аппарата, называемой наружной меридиональной частью. Охлаждающий воздух циркулирует от наружных меридиональных частей и проходит через лопатки, охлаждая лопатки изнутри (в частности, передние кромки лопаток), доходя до части каждой лопатки направляющего соплового аппарата, называемой внутренней меридиональной частью, находящейся со стороны центральной ступицы турбины. Термины «охлаждающий воздух» или «холодный воздух» обозначают воздух, температура которого ниже температуры газа, циркулирующего в проточном тракте газотурбинного двигателя и позволяющего понижать температуру элементов, находящихся в проточном тракте.

Часть охлаждающего воздуха отбирают на уровне этих внутренних меридиональных частей для ее направления на ступицу, чтобы охлаждать другие детали турбины. Однако в системах охлаждения, в которых охлаждение лопаток осуществляют при помощи контуров в виде лабиринта, воздух, передаваемый на ступицу, является воздухом, нагреваемым на уровне передних кромок лопаток, и, следовательно, имеет более высокую температуру, чем охлаждающий воздух. Кроме того, потребляется большое количество охлаждающего воздуха.

Другие системы охлаждения включают в себя вставки или подкладки, расположенные внутри лопаток и позволяющие охлаждать внутреннюю поверхность лопаток. В частности, вставки содержат перфорированную стенку, позволяющую охлаждать передние кромки лопаток при помощи струй холодного воздуха. Эти вставки позволяет снизить потребление воздуха по сравнению с лабиринтными системами охлаждения. Кроме того, коэффициенты конвективного теплообмена являются более высокими, чем коэффициенты конвективного теплообмена в лабиринтной системе. В некоторых случаях эти вставки продолжены таким образом, чтобы проходить через внутреннюю меридиональную часть и доставлять часть отбираемого воздуха к другим деталям турбины через ступицу.

Однако эта конфигурация вставки характеризуется большой утечкой холодного воздуха на границе между вставкой и внутренней меридиональной частью. Воздух при такой утечке теряется (в частности, в проточном газовом тракте) и не служит для охлаждения лопаток или других деталей турбины.

Авторы изобретения поставили перед собой задачу усовершенствования существующих лопаток направляющих сопловых аппаратов.

3. Задачи изобретения

Задачей изобретения является устранение по меньшей мере некоторых из недостатков известных лопаток.

В частности, по меньшей мере в варианте выполнения изобретения предложена лопатка, оснащенная системой охлаждения, которая позволяет эффективно охлаждать лопатку и другие детали газотурбинного двигателя, в котором установлена лопатка.

По меньшей мере в варианте выполнения изобретения предложена также лопатка, оснащенная системой охлаждения, позволяющей ограничить потребление охлаждающего воздуха.

По меньшей мере в варианте выполнения изобретения предложена также лопатка, оснащенная системой охлаждения, позволяющей уменьшить потери охлаждающего воздуха.

По меньшей мере в варианте выполнения изобретения предложена также лопатка, оснащенная системой охлаждения, позволяющей ограничить нагрев воздуха, проходящего через лопатку, чтобы охлаждать другие детали газотурбинного двигателя.

4. Раскрытие изобретения

В связи с вышеизложенным, объектом изобретения является лопатка направляющего соплового аппарата газотурбинного двигателя, оснащенная системой охлаждения, содержащей:

- вставку, расположенную внутри внутренней полости упомянутой лопатки, соединенную с входом охлаждающего воздуха лопатки и выполненную с возможностью охлаждения поверхности внутренней полости лопатки,

- устройство отбора, выполненное с возможностью отбора части охлаждающего воздуха внутри вставки и с возможностью ее направления к центральной ступице газотурбинного двигателя,

отличающаяся тем, что устройство отбора содержит:

- головку отбора, расположенную во внутренней полости лопатки, проходящую через отверстие вставки и выполненную с возможностью отбора части охлаждающего воздуха внутри вставки.

Таким образом, заявленная лопатка обеспечивает, через свою систему охлаждения, прямой отбор части охлаждающего воздуха во вставке до его нагрева охлаждаемыми элементами. Таким образом, охлаждающий воздух доставляется в ступицу центростремительно, сводя к минимуму свой нагрев между поступлением через вход лопатки и доставкой на уровне ступицы. Температура воздуха, поступающего на уровне ступицы, является, таким образом, близкой к температуре воздуха на входе вставки. После поступления части охлаждающего воздуха на ступицу его используют для охлаждения других элементов газотурбинного двигателя.

Кроме того, расположение головки отбора во внутренней полости лопатки позволяет изолировать возможные утечки воздуха на уровне отверстия вставки, в котором расположена головка отбора, и эти утечки остаются во внутренней полости лопатки. Это позволяет контролировать утечки воздуха, которые участвуют в охлаждении лопаток, и избегать потери воздуха по причине утечек.

Предпочтительно, согласно изобретению, устройство отбора содержит трубку отбора, соединенную, с одной стороны, с лопаткой через первую шаровую связь и выполненную с возможностью соединения, с другой стороны, с центральной ступицей газотурбинного двигателя через вторую шаровую связь, а также выполненную с возможностью направления части отбираемого воздуха, поступающего из головки отбора, к ступице газотурбинного двигателя.

Согласно этому отличительному признаку изобретения, механические связи типа шаровой опоры, соединяющие трубку отбора с лопаткой и со ступицей, позволяют направлять часть воздуха, отбираемого головкой отбора, к ступице и одновременно сохранять возможность перемещений между лопаткой направляющего соплового аппарата и ступицей. Эти перемещения связаны, в частности, с действием термомеханических нагрузок и могли бы привести к повреждению трубки отбора в отсутствие этих шаровых связей.

Предпочтительно, согласно этому последнему отличительному признаку изобретения, головка отбора и трубка отбора неподвижно соединены между собой.

Согласно этому отличительному признаку изобретения, головка отбора и трубка отбора образуют единую деталь, называемую органом отбора, которую можно легко изготовить, не прибегая к существенному изменению лопатки. В этом варианте изобретения зазор между головкой отбора и отверстием во вставке рассчитан таким образом, чтобы обеспечивать перемещение головки отбора, так как она неподвижно соединена с трубкой, которая может перемещаться, когда перемещается лопатка и/или ступица, одновременно сводя к минимуму утечки воздуха на уровне отверстия.

Предпочтительно, согласно изобретению, головка отбора и лопатка неподвижно соединены между собой.

Согласно этому отличительному признаку изобретения, головка отбора является неподвижной, что позволяет уменьшить зазор между отверстием вставки и головкой отбора и, следовательно, уменьшить утечки воздуха на уровне отверстия. Головка отбора может представлять собой часть лопатки и может быть изготовлена во время изготовления лопатки.

Объектом изобретения является также направляющий сопловой аппарат, содержащий множество лопаток, расположенных вокруг центральной ступицы газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что по меньшей мере одна лопатка направляющего соплового аппарата является лопаткой в соответствии с изобретением.

Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий центральную ступицу и отличающийся тем, что содержит направляющий сопловой аппарат в соответствии с изобретением.

Объектами изобретения являются также лопатка, направляющий сопловой аппарат и газотурбинный двигатель, характеризующиеся в комбинации всеми или частью вышеупомянутых отличительных признаков.

5. Список фигур

Другие задачи, отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:

Фиг. 1 - схематичный вид в перспективе лопатки направляющего соплового аппарата, оснащенной системой охлаждения согласно первому варианту выполнения изобретения.

Фиг. 2 - схематичный вид в разрезе лопатки направляющего соплового аппарата, оснащенной системой охлаждения согласно первому варианту выполнения изобретения.

Фиг. 3 - схематичный вид в разрезе лопатки направляющего соплового аппарата, оснащенной системой охлаждения согласно второму варианту выполнения изобретения.

6. Подробное описание варианта выполнения изобретения

Нижеследующие варианты выполнения являются всего лишь примерами. Хотя описание ссылается на один или несколько вариантов выполнения, это не обязательно значит, что каждая ссылка относится к одному и тому же варианту выполнения или что отличительные признаки можно применять только для одного варианта выполнения. Отдельные отличительные признаки различных вариантов выполнения может также комбинировать для получения других вариантов выполнения. В целях упрощения и для большей ясности на фигурах масштабы и пропорции строго не соблюдены.

На фиг. 1-3 схематично в перспективе в случае фиг. 1 и в разрезе в случае фиг. 2 и 3 показана лопатка 10 направляющего соплового аппарата газотурбинного двигателя. Лопатка 10, расположенная в газотурбинном двигателе, содержит часть, называемую наружной меридиональной частью 12 и находящуюся со стороны камеры сгорания (не показана), и часть, называемую внутренней меридиональной частью 14 и находящуюся со стороны центральной ступицы 16 газотурбинного двигателя, вокруг которой вращаются вращающиеся детали газотурбинного двигателя. Кроме того, поскольку газ проходит через газотурбинный двигатель от входа к выходу, часть лопатки 10, обращенная к входу называется передней кромкой 18, и часть лопатки 10, обращенная к выходу, называется задней кромкой 20.

Лопатка 10 оснащена системой охлаждения в соответствии с различными описанными ниже вариантами выполнения. На фиг. 1-3 стрелками частично показана циркуляция охлаждающего воздуха в различных элементах лопатки 10 и/или системы охлаждения.

Лопатка 10, показанная на фиг. 1 и 2, оснащена системой охлаждения согласно первому варианту выполнения изобретения.

Система охлаждения содержит вставку 22, называемую также подкладкой, расположенную во внутренней полости 24 лопатки 10 и соединенную с входом 26 охлаждающего воздуха лопатки 10. Вставка содержит микроотверстия 28, позволяющие создавать струи холодного воздуха, обдувающие поверхность внутренней полости 24 лопатки 10, в частности, на уровне передней кромки 18.

Кроме того, система охлаждения содержит устройство отбора, содержащее полую головку 30 отбора, расположенную во внутренней полости 24 лопатки 10 и выполненную с возможностью отбора части охлаждающего воздуха внутри вставки 22. Для этого головка 30 отбора проходит через отверстие 34 вставки 22 таким образом, чтобы часть воздуха, циркулирующего во вставке 22, заходила в головку 30 отбора.

Промежуток между отверстием 34 и головкой 30 отбора является местом утечек 36 охлаждающего воздуха. Поскольку головка 30 отбора расположена во внутренней полости 24 лопатки 10, воздух, уходящий через эти утечки 36, остается во внутренней полости 24 лопатки 10 и, следовательно, участвует в охлаждении лопатки 10.

Устройство отбора содержит также полую трубку 32 отбора, выполненную с возможностью направления части воздуха, обираемого внутри вставки 22 и поступающего из головки 30 отбора, в сторону центральной ступицы 16.

Трубка 32 отбора соединена, с одной стороны, с лопаткой 10 через первую шаровую связь 38 и, с другой стороны, со ступицей 16 через вторую шаровую связь 40. В частности, первая шаровая связь 38 находится на внутренней меридиональной части 14 лопатки 10, так как эта часть лопатки 10 находится вблизи и напротив ступицы 16. Шаровые связи 38, 40 образуют механические соединения, обеспечивающие перемещение лопатки 10 и ступицы 16 относительно друг друга.

В этом первом варианте выполнения головка 30 отбора и трубка 32 отбора неподвижно соединены между собой и образуют единую деталь, называемую также органом отбора.

За счет присутствия первой шаровой связи 38 между трубкой 32 отбора и лопаткой 10, головка 30 отбора может перемещаться в отверстии 34 вставки 22 в случае перемещения лопатки 10 относительно ступицы 16. Таким образом, размеры отверстия 34 предусмотрены для обеспечения этого перемещения головки 30 отбора: зазор между отверстием 34 и головкой 30 отбора является достаточно большим, чтобы обеспечивать перемещение головки 30 отбора, но в то же время достаточно малым, чтобы сводить к минимуму воздушные утечки 36. Как было указано выше, в любом случае эти воздушные утечки 36 контролируются и участвуют в охлаждении лопатки 10, следовательно, они не приводят к потерям охлаждающего воздуха.

Лопатка 10, показанная на фиг. 3, оснащена системой охлаждения согласно второму варианту выполнения изобретения.

Этот вариант выполнения подобен описанному выше первому варианту выполнения, но головка 30 отбора не соединена неподвижно с трубкой 32 отбора: головка 30 отбора неподвижно соединена с лопаткой 10, в частности, на уровне внутренней меридиональной части 14 лопатки напротив ступицы 16 газотурбинного двигателя. Головка 30 отбора может быть, например, образована частью лопатки 10 и может быть изготовлена вместе с лопаткой из одного и того же материала.

Лопатка направляющего соплового аппарата газотурбинного двигателя оснащена системой охлаждения, содержащей вставку, устройство отбора. Вставка расположена внутри внутренней полости лопатки, соединена с входом охлаждающего воздуха лопатки и выполнена с возможностью охлаждения поверхности внутренней полости лопатки. Устройство отбора выполнено с возможностью отбора части охлаждающего воздуха внутри вставки и с возможностью ее направления к центральной ступице газотурбинного двигателя. Устройство отбора также содержит головку отбора и трубку отбора. Головка отбора расположена во внутренней полости лопатки, проходит через отверстие вставки и выполнена с возможностью отбора части охлаждающего воздуха внутри вставки. Трубка отбора соединена, с одной стороны, с лопаткой через первую шаровую связь и выполнена с возможностью соединения, с другой стороны, с центральной ступицей газотурбинного двигателя через вторую шаровую связь, а также выполнена с возможностью направления части отбираемого воздуха, поступающего из головки отбора, к ступице газотурбинного двигателя. Изобретение направлено на снижение утечек охлаждающего воздуха. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лопатка направляющего соплового аппарата газотурбинного двигателя, оснащенная системой охлаждения, содержащей:

- вставку (22), расположенную внутри внутренней полости (24) упомянутой лопатки, соединенную с входом (26) охлаждающего воздуха лопатки и выполненную с возможностью охлаждения поверхности внутренней полости (24) лопатки,

- устройство отбора, выполненное с возможностью отбора части охлаждающего воздуха внутри вставки (22) и с возможностью ее направления к центральной ступице (16) газотурбинного двигателя,

отличающаяся тем, что устройство отбора содержит:

- головку (30) отбора, расположенную во внутренней полости (24) лопатки, проходящую через отверстие (34) вставки и выполненную с возможностью отбора части охлаждающего воздуха внутри вставки (22),

- трубку (32) отбора, соединенную, с одной стороны, с лопаткой через первую шаровую связь (38) и выполненную с возможностью соединения, с другой стороны, с центральной ступицей (16) газотурбинного двигателя через вторую шаровую связь (40), а также выполненную с возможностью направления части отбираемого воздуха, поступающего из головки (30) отбора, к ступице (16) газотурбинного двигателя.

2. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что головка (30) отбора и трубка (32) отбора неподвижно соединены между собой.

3. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что головка (30) отбора и лопатка неподвижно соединены между собой.

4. Направляющий сопловой аппарат, содержащий множество лопаток, расположенных вокруг центральной ступицы (16) газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что по меньшей мере одна лопатка направляющего соплового аппарата является лопаткой (10) по одному из пп. 1-3.

5. Газотурбинный двигатель, содержащий центральную ступицу (16) и отличающийся тем, что содержит направляющий сопловой аппарат по п. 4.