ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ Российский патент 2020 года по МПК F01D5/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к лопатке двигателя летательного аппарата, типа газотурбинного двигателя, такого, как, например, двухконтурный турбореактивный двигатель или двухвальный турбовинтовой двигатель.

Уровень техники

В таком двигателе 1 наружный воздух поступает в воздухозаборник 2 и проходит через вентилятор 3, содержащий ряд вращающихся лопаток, после чего делится на центральный поток первого контура и на поток второго контура, окружающий поток первого контура.

Затем воздух первого контура сжимается при проходе через первый 4 и второй 6 компрессоры, перед поступлением в камеру сгорания 7, после которой он расширяется и проходит через набор турбин 8 и выходит в задней части двигателя, создавая тягу. Поток второго контура напрямую нагнетается вентилятором в сторону выхода, создавая дополнительную тягу.

Расширение газа на турбинах 8, приводящее в действие компрессор 4, 6 и вентилятор 3, протекает при высокой температуре, так как оно происходит непосредственно после сгорания. Турбина 8 сконструирована таким образом и ей заданы такие размеры, что она может работать в жёстких условиях температуры, давления и расхода газа.

Каждая турбина содержит последовательность ступеней, каждая из которых имеет серию лопаток, установленных на валу двигателя, причем лопатками, подверженными наиболее суровым условиям, являются лопатки первых расширительных ступеней, называемых ступенями высокого давления.

В целом возросшие потребности в технико-эксплуатационных показателях и развитие нормативных актов приводят к конструированию двигателей, работающих при постоянно возрастающих тяжёлых условиях, что делает необходимым увеличение температурной стойкости лопаток высокого давления.

Тем не менее, поскольку усовершенствования материалов и покрытий для таких лопаток не являются достаточными для обеспечения стойкости к достигаемым высоким температурам, то это служит причиной для пересмотра условий охлаждения указанных лопаток.

Данное охлаждение достигается путём осуществления циркуляции охлаждающего воздуха внутри этих лопаток, отбираемого перед камерой сгорания, проходящего через ножку лопатки и направляемого по внутреннему контуру лопатки. Этот воздух выводится из лопатки через отверстия в её стенке, которые дополнительно позволяют создать на наружной поверхности лопатки воздушную пленку более холодного воздуха, чем воздух, полученный на выходе из камеры сгорания, чтобы ограничить температуру лопатки.

Для усиления охлаждения, на внутренних участках лопатки, по которым циркулирует воздух, предусмотрены приспособления, а именно внутренние выпуклости, которые нарушают течение охлаждающего воздуха, повышая теплопередачу.

Такие традиционные охлаждающие устройства имеют тот недостаток, что длина внутреннего контура лопатки служит причиной избыточного перегрева воздуха, когда он доходит до конца контура, в результате чего его эффективность оказывается ограниченной на конечных участках траектории.

Задачей изобретения является создание конструкции лопатки, которая позволила бы повысить эффективность её охлаждения.

Раскрытие сущности изобретения

Поставленная задача решена в лопатке турбины газотурбинного двигателя, такого, как турбовинтовой или турбореактивный, при этом данная лопатка имеет ножку, несущую перо, проходящее в направлении размаха и оканчивающееся вершиной, причём это перо имеет переднюю кромку и заднюю кромку, расположенную ниже по потоку относительно передней кромки по отношению к направлению прохождения текучей среды, обтекающей перо во время работы, причём это перо содержит стенку корытца и стенку спинки, разделённые между собой в поперечном направлении и каждая из которых связывает переднюю кромку с задней кромкой, при этом перо содержит:

- входной коллектор охлаждения передней кромки,

- верхний по потоку подводящий канал для сбора воздуха на уровне ножки лопатки и для точно выверенного снабжения входного коллектора воздухом,

- единственную полость спинки, выполненную в виде единой детали, проходящую в стенке спинки и к которой воздух поступает от ножки лопатки, для образования теплового экрана рядом с верхним по потоку каналом,

- контур в форме тромбона, содержащий средний участок, проходящий ниже по потоку относительно верхнего по потоку канала и проходящий поперечно до стенки спинки, причём этот средний участок снабжается воздухом из верхнего по потоку канала на уровне вершины пера.

Следовательно, верхний по потоку канал эффективно изолирован от тепла спинки таким образом, что охлаждающий воздух не перегревается в момент, когда он доходит до среднего участка контура в форме тромбона для дополнительного обеспечения эффективного охлаждения. Предпочтительно длина полости спинки уменьшена для приведения в соответствие с длиной верхнего по потоку канала, что способствует равномерной циркуляции воздуха в этой полости и придаёт ему оптимальную тепловую эффективность.

Также изобретение относится к охарактеризованной выше лопатке, содержащей верхнюю полость на уровне вершины пера, в которой эта верхняя полость снабжается воздухом из верхнего по потоку канала.

Кроме того изобретение относится к охарактеризованной выше лопатке, содержащей единственную, выполненную за одно целое полость корытца, проходящую вдоль стенки корытца и образующую другой тепловой экран, закрывающий средний участок.

Помимо этого изобретение относится к охарактеризованной выше лопатке, в которой единственная полость корытца закрывает верхний по потоку канал кроме закрытия среднего участка контура в форме тромбона.

Также изобретение относится к охарактеризованной выше лопатке, в которой контур в форме тромбона содержит нижний по потоку участок, снабжаемый воздухом средним участком возле ножки лопатки, при этом указанный нижний по потоку участок располагается сбоку от стенки спинки пера до её стенки корытца, а также содержит сверления, выполненные в стенке корытца в направлении к нижнему по потоку участку для образования воздушной пленки на наружной стороне стенки корытца.

Изобретение относится к охарактеризованной выше лопатке, содержащей отверстие для обеспыливания, являющееся общим для верхнего по потоку канала, контура в форме тромбона и верхней полости.

Изобретение относится далее к охарактеризованной выше лопатке, содержащей выходной подводящий коллектор для снабжения воздухом охлаждающих щелей задней кромки лопатки, при этом щели проходят через стенку корытца, и нижний по потоку подводящий канал для точно выверенного снабжения этого выходного коллектора, отличающегося от контура в форме тромбона, причём нижний по потоку канал снабжается воздухом, поступающим от ножки лопатки.

Изобретение относится к охарактеризованной выше лопатке, содержащей выходной подводящий коллектор для снабжения воздухом охлаждающих щелей задней кромки лопатки, при этом указанные щели проходят через стенку корытца, и нижний по потоку канал точно выверенного снабжения этого выходного коллектора, соответствующего нижнему по потоку участку контура в форме тромбона.

Кроме того изобретение относится к литейному устройству для получения лопатки, содержащему рабочую полость формы и совокупность стержней, а также внутренние полости, образующие тепловой экран.

Также изобретение относится к турбине с охарактеризованной выше лопаткой.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематично показан газотурбинный двухконтурный турбореактивный двигатель, вид в сечении по продольной плоскости;

на фиг. 2 показана лопатка турбины согласно изобретению, вид в перспективе;

на фиг. 3 показано перо лопатки согласно изобретению в плоскости, перпендикулярной к направлению размаха лопатки, вид в сечении;

на фиг. 4 показано перо лопатки согласно изобретению с поверхностью сечения, являющейся серединной по отношению к толще пера, вид в сечении.

Осуществление изобретения

Изобретение относится к лопатке, содержащей основной канал снабжения воздухом, термически изолированный посредством полости спинки и обеспечивающий точно выверенное снабжение воздухом охлаждающего коллектора передней кромки и контура в форме тромбона.

Эта лопатка, обозначенная на фиг. 2 позицией 11, имеет ножку Р, несущую перо12, расположенное в радиальном направлении размаха EV по отношению к своей оси вращения АХ. Перо 12 проходит от основания или площадки, с помощью которой она связана с ножкой Р, до вершины S, соответствующей его свободному концу, и содержит стенку спинки 13 и стенку корытца 14.

Эти стенки 13 и 14 соединяются на уровне передней кромки 16 пера, что соответствует верхнему по потоку участку АМ, и на уровне своей задней удлинённой кромки 17, что соответствует нижнему по потоку участку AV. Верхний по потоку и нижний по потоку понимаются по отношению к направлению прохождения текучей среды, обтекающей перо во время работы, при этом задняя кромка располагается ниже по потоку по отношению к передней кромке.

Как видно на фигурах 3 и 4, данная лопатка содержит входной коллектор 18 для охлаждения своей передней кромки 16, ниже по потоку от которой проходит верхний по потоку канал 19 снабжения охлаждающим воздухом, который располагается вдоль входного коллектора 18, проходя по всей высоте пера в направлении размаха EV.

Верхний по потоку канал 19 сообщается с входным коллектором 18 посредством серии калиброванных отверстий 21, равномерно отстоящих друг от друга и ориентированных перпендикулярно к направлению размаха EV для питания этого коллектора точно выверенным образом, одновременно обеспечивая охлаждение передней кромки 16 набегающим потоком.

Как видно из фиг. 3, перо 12 содержит отверстия 22, выполненные в передней кромке для отвода охлаждающего воздуха, поступившего во входной коллектор 18, через верхний по потоку канал 19 через отверстия 22. Другие отверстия 22, выполненные в стенке корытца и стенке спинки, позволяют отводить охлаждающий воздух, циркулирующий по другим частям пера.

Поскольку верхний по потоку канал 19 обеспечивает основное снабжение воздухом, то он отделён от стенки спинки 13 единственной полостью 23 спинки малой толщины, образующей тепловой экран, закрывающий только верхний по потоку канал 19, чтобы защитить его от тепла, получаемого спинкой пера. Эта полость 23 спинки, выполненная за одно целое и не в виде контура в форме тромбона и ему подобного, проходит вдоль спинки пера и имеет малую толщину. Она ограничена в основном прямоугольным контуром и проходит по всей высоте пера и по всей длине верхнего по потоку канала 19 вдоль спинки или оси АХ. Эта полость 23 спинки снабжается воздухом через ножку лопатки непосредственно, т. е. независимо от верхнего по потоку канала 19.

Лопатка содержит расположенные последовательно, ниже по потоку относительно верхнего по потоку канала 19 средний участок 24 канала, расположенный вдоль канала 19, и участок 26 нижнего по потоку канала, расположенный вдоль среднего участка 24 ниже от него по потоку. Средний участок 24 соединён с каналом 19 на уровне вершины пера, обозначенной позицией S, нижний по потоку участок 26 связан со средним участком 24 вблизи ножки пера.

Комплекс, состоящий из верхнего по потоку канала 19 и участков 24 и 26, образует контур в форме тромбона. Воздух, поступающий к верхней части пера, т. е. к его вершине S, по верхнему по потоку каналу 19 движется затем в направлении ножки пера по среднему участку 24, затем снова в направлении к вершине пера по нижнему по потоку участку 26.

Дополнительно единственная полость 27 корытца, расположенная вдоль стенки корытца 14, проходит по всей высоте пера, перекрывая только комплекс, образованный верхним по потоку каналом 19 и средним участком 24, для образования теплового экрана, обеспечивающего изоляцию от тепла, поступающего на корытце.

Полость 27 корытца, образующая также внутреннее пространство, выполненное за одно целое, имеет малую глубину и проходит вдоль от верхнего по потоку канала 19 до нижнего по потоку участка 26. Полость 27 корытца имеет также в целом прямоугольный контур и проходит по всей высоте пера в направлении EV, а также по всей длине комплекса, образованного каналами 19 и 24 вдоль по оси АХ.

В направлении к толще лопатки или в поперечном направлении, которое по существу перпендикулярно к её продольному направлению АХ, средний участок 24 проходит от спинки до полости 27 корытца. Нижний по потоку участок 26 проходит, в соответствии с толщиной лопатки, от стенки спинки 13 до стенки корытца 14.

Таким образом, в примере на фигурах полость 23 спинки обеспечивает тепловую изоляцию канала 19, в то время как полость 27 корытца обеспечивает тепловую защиту верхнего по потоку канала 19 и среднего участка 24.

Наряду с этим нижний по потоку участок 26 контура в форме тромбона, в котором воздух циркулирует от ножки к вершине, содержит отверстия, выполненные в стенке корытца 14, служащие для отвода воздуха, циркулирующего в этом нижнем по потоку участке 26, создавая охлаждающую пленку, закрывающую корытце в этом месте. В таких условиях потеря тепловой эффективности, обусловленная увеличением сечения контура в форме тромбона на его нижнем по потоку участке 26, компенсируется созданием охлаждающей пленки на наружной стороне стенки корытца.

Как видно из фиг. 4, область вершины пера ограничена закрывающей стенкой 28, расположенной по существу перпендикулярно направлению размаха EV пера. Эта закрывающая стенка образует вместе с кромками поверхности спинки 13 пера и с её нижней поверхностью 14 полую форму, называемую ванночкой и обозначенную позицией 29, которой заканчивается перо на своей вершине.

Дополнительно перо имеет верхнюю полость 31, называемую также полостью под ванночкой, предназначенную для улучшения охлаждения вершины пера в зоне ванночки.

Эта верхняя полость 31, простирающаяся вдоль закрывающей стенки 28 от входного канала 19 до задней кромки 17, также снабжается этим входным каналом 19, будучи сообщённой с ним на уровне вершины пера.

Задняя кромка 17 лопатки охлаждается выходным коллектором 32, подающим воздух в серию щелей 34, посредством которых он сообщён с поверхностью корытца. Этот выходной коллектор 32 снабжается точно выверенным образом посредством специального нижнего по потоку канала 33, с которым он сообщён с помощью серии калиброванных отверстий 36, выполненных перпендикулярно направлению размаха EV пера и равномерно разнесённых между собой.

Нижний по потоку канал 33 проходит вдоль нижнего по потоку участка 26 контура в форме тромбона и снабжается непосредственно у ножки лопатки, автономно от верхнего по потоку канала 19. Этот нижний по потоку канал 33 проходит вдоль выходного коллектора 32, который он снабжает воздухом с помощью разных калиброванных отверстий 36.

Как видно из фиг. 4, этот нижний по потоку канал 33 питает большинство щелей 34 на задней кромке. Только щель или щели на вершине S снабжается/снабжаются посредством верхней полости 31 таким образом, что в неё/в них поступает более свежий воздух, повышающий их тепловую эффективность в этой зоне.

В качестве альтернативы и, в частности, при наличии лопатки с меньшей длиной расположения вдоль оси АХ может быть напротив предусмотрено, чтобы нижний участок снабжался непосредственно нижним участком контура в форме тромбона точно выверенным образом. Тогда это позволит упростить общую конструкцию лопатки и, следовательно, её изготовление.

Необходимо отметить, что в целом изобретение позволяет оптимизировать конструкцию лопатки и её охлаждение, полезно используя эффект Кориолиса. В частности, средним участком 24 эффективно охлаждается соответствующий участок спинки пера, так как воздух циркулирует от вершины к ножке пера на этом среднем участке 24 таким образом, что он прижимается под действием эффекта Кориолиса к ближайшей поверхности спинки пера, когда лопатка вращается вокруг оси АХ. Кроме того воздух, поступающий на средний участок 24 вдоль спинки пера незначительно нагревается вследствие того, что он был термически защищён полостью 23 спинки, вдоль которой он протекал.

Вместе с тем может быть также предусмотрено, чтобы единственная полость корытца располагалась продольно на меньшей длине, чем в примере на фигурах, таким образом, чтобы закрывать только средний участок 24 и не закрывать входной канал 19.

Таким образом воздух из верхнего по потоку канала 19 эффективно охлаждает соответствующий участок корытца пера, так как он циркулирует от ножки пера к его вершине внутри верхнего по потоку канала таким образом, что под действием эффекта Кориолиса циркулирующий воздух стремится прижаться к стенке корытца во время вращения лопатки.

Данная альтернатива позволяет облегчить лопатку и полезно использовать эффект Кориолиса.

В целом изобретение позволяет использовать эффективность полости спинки и при необходимости полости корытца, образующей тепловой экран возле передней кромки, т. е. в зоне, сильно нагруженной с термической точки зрения. В зоне, расположенной ниже по потоку смежной с задней кромкой и наименее термически нагруженной, охлаждение обеспечивается контуром в форме тромбона.

Снабжение свежим воздухом контура в форме тромбона, полости под ванночкой и входного коллектора посредством одного и того же верхнего по потоку снабжающего изолированного канала позволяет упростить конструкцию ножки лопатки путём уменьшения числа каналов, подводимых к ножке лопатки для подачи в них воздуха. Это способствует также ограничению числа отверстий для обеспыливания, так как одно и то же отверстие для обеспыливания на вершине пера одновременно достаточно для полости под ванночкой, входного коллектора и контура в форме тромбона.

Изобретение относится к лопатке турбины газотурбинного двигателя. Изобретение позволяет повысить эффективность охлаждения лопаток турбин. Лопатка содержит ножку с пером, имеющим переднюю кромку и заднюю кромку, стенку корытца и стенку спинки, а также коллектор для охлаждения передней кромки, подводящий канал для сбора воздуха на уровне ножки лопатки и снабжения коллектора, боковую полость, проходящую вдоль стенки спинки и снабжаемую воздухом, поступающим от ножки лопатки, для образования теплового экрана напротив подводящего канала. Контур в форме тромбона содержит средний участок, проходящий вдоль подводящего канала и проходящий поперечно до стенки спинки, причём этот средний участок снабжается воздухом при помощи подводящего канала на уровне вершины пера. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вращающаяся лопатка турбины газотурбинного двигателя, такого как турбовинтовой или турбореактивный, содержащая ножку, несущую перо (12), проходящее в направлении размаха EV и заканчивающееся вершиной (S), при этом указанное перо (12) содержит переднюю кромку (16) и заднюю кромку (17), расположенную ниже по потоку от передней кромки (16) относительно направления прохождения текучей среды, обтекающей перо при работе, причём перо (12) содержит стенку корытца (14) и стенку спинки (13), которые в поперечном направлении отделены друг от друга и соединяют, каждая, переднюю кромку (16) с задней кромкой (17), при этом указанное перо (12) содержит:

- входной коллектор (18) для охлаждения передней кромки (16),

- верхний по потоку подводящий канал (19) для сбора воздуха на уровне ножки и для точно выверенного снабжения воздухом входного коллектора (18),

- единственную полость спинки (23), выполненную за одно целое и проходящую вдоль стенки спинки (13), в которую воздух поступает от ножки лопатки для образования теплового экрана рядом с верхним по потоку каналом (19),

- контур в форме тромбона, содержащий средний участок (24), расположенный ниже по потоку от верхнего по потоку канала (19) и проходящий в поперечном направлении до стенки (13) спинки, при этом верхний по потоку канал (19) обеспечивает подвод воздуха к среднему участку (24) на уровне вершины S пера.

2. Лопатка по п. 1, содержащая верхнюю полость (31) на уровне вершины (S) пера (12), при этом к верхней полости (31) воздух поступает из верхнего по потоку канала (19).

3. Лопатка по п. 1 или 2, содержащая единственную полость (27) корытца, выполненную за одно целое и расположенную вдоль стенки корытца для образования другого теплового экрана, закрывающего средний участок (24).

4. Лопатка по п. 3, в которой в дополнение к среднему участку (24) контура в форме тромбона единственная полость (27) корытца закрывает верхний по потоку канал (19).

5. Лопатка по любому из пп. 1–4, в которой контур в форме тромбона содержит нижний по потоку участок (26), к которому поступает питание воздухом от среднего участка (24) вблизи ножки лопатки, причём нижний по потоку участок (26) проходит поперечно от стенки (13) спинки до стенки (14) корытца, при этом отверстия (22) проходят через стенку корытца в направлении к нижнему по потоку участку (26) для образования воздушной пленки на наружной стороне стенки корытца.

6. Лопатка по п. 2, содержащая отверстие для обеспыливания, являющееся общим для верхнего по потоку канала (19), контура в форме тромбона и верхней полости (31).

7. Лопатка по любому из пп. 1–6, содержащая выходной подводящий коллектор (32) для питания воздухом охлаждающих щелей (34), причём эти щели образованы на стенке корытца (14) на уровне задней кромки (17), и нижний по потоку подводящий канал (33) для точно выверенного снабжения воздухом этого выходного коллектора (32), отличного от контура в форме тромбона, причём этот нижний по потоку канал (33) снабжается воздухом, поступающим от ножки лопатки.

8. Лопатка по любому из пп. 1–6, содержащая выходной подводящий коллектор (32) для снабжения воздухом охлаждающих щелей (34), причём эти щели образованы на стенке корытца (14) на уровне задней кромки (17), и нижний по потоку подводящий канал (33) для точно выверенного снабжения воздухом выходного коллектора (32), который соответствует нижнему по потоку участку (26) контура в форме тромбона.

9. Литейное устройство для изготовления лопатки по любому из пп. 1–6, содержащее рабочую полость формы и совокупность стержней для образования внутренних каналов, участков и внутренних полостей, образующих тепловой экран.

10. Газотурбинный двигатель, содержащий турбину с лопаткой по любому из пп. 1–8.