Охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления Российский патент 2022 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к конструкциям охлаждаемых сопловых лопаток, и может найти применение в конструкциях турбин высокого давления.

Известна конструкция охлаждаемой сопловой лопатки турбины, содержащей полое перо лопатки с отверстиями, в которое входит рубашка охлаждения с воротником и просверленными в нем отверстиями (Патент РФ на изобретение №2439334 МПК F01D 5/18. приоритет от 28.03.2007, опубл. 10.01.2012 бюл. №1).

Недостатком данной конструкции охлаждаемой сопловой лопатки турбины является то, что в ней осуществлен односторонний подвод охлаждающего воздуха в верхней части лопатки, также внутри лопатки организована одна полость, из которой охлаждающий воздух поступает в перфорационные отверстия на охлаждение входной кромки, спинки и корыта лопатки. При такой схеме не обеспечивается необходимый перепад давления между охлаждающим воздухом во внутренней полости лопатки и газом в проточной части в районе входной кромки и в нижней части лопатки, что ухудшает тепловое состояние лопатки.

Известна конструкция охлаждаемой сопловой лопатки турбины, которая выполнена за одно целое с большой и малой полками и наделенных каждая радиально ориентированной перегородкой, разделяющей внутренний объем пера лопатки на переднюю и заднюю полости, причем большое воздухозаборное кольцо расположено под фланцем наружного кольца соплового аппарата и выполнено в виде моноэлемента с фронтальным фланцем с приливами, имеющими отверстия под крепежные элементы. (Патент РФ на изобретение №26830530 МПК F01D 5/18 F02C/16 F01D 9/02, приоритет от 24.05.2018, опубл. 26.03.2019, Бюл. №9).

Наиболее близкой является охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления, содержащая верхнюю и нижнюю полки, между которыми расположено полое перо аэродинамического профиля, выполненное за одно целое с верхней и нижней полками, причем перо имеет внутреннюю радиальную перегородку, выполненную за одно целое с пером лопатки, разделяющую полое перо на переднюю и заднюю внутренние полости относительно нагнетаемого потока воздуха, причем задняя внутренняя полость пера снабжена дефлектором, передняя внутренняя полость пера лопатки содержит перфорированные отверстия (Патент РФ на изобретение №2688052 МПК F01D 5/18, приоритет от 24.05.2018, опубл. 17.05.2019 бюл. №14)

Так как в представленных решениях передняя полость снабжена диагонально усеченным дефлектором, который делит переднюю полость на две раздельные полости: полость входной кромки и полость корыта и спинки лопатки, при этом охлаждающий воздух из полостей выбрасывается в проточную часть через перфорированные отверстия, то недостатками описанных выше решений является наличие сложно профилированного дефлектора передней полости, изготовление и постановка которого в лопатку усложняет производство лопаток. Также недостатком являются утечки между полостями в стыках дефлектора и сопловой лопатки, что снижает эффективность охлаждения сопловой лопатки, а так же снижает стабильность теплового состояния за счет низкой точности изготовления лопатки методом литья, а дефлектора методом штамповки. Также недостатком является наличие единой полости спинки и корыта лопатки, так как вследствие того, что перепад давления между полостью и проточной частью со стороны спинки лопатки выше, чем между полостью и проточной частью со стороны корыта лопатки, имеет место неравномерный выдув охлаждающего воздуха, что снижает эффективность охлаждения сопловой лопатки, а так же снижает стабильность теплового состояния.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности теплового состояния, гидравлических характеристик соплового аппарата и эффективности охлаждения пера лопатки, за счет эффективного распределения охлаждающего воздуха идущего в каждую полость благодаря раздельному подводу охлаждающего воздуха к данным полостям и за счет устранения утечек охлаждающего воздуха между полостями охлаждения благодаря образованию с помощью радиальных перегородок внутри полого пера раздельных полостей охлаждения входной кромки, полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта лопатки, и за счет перекрытия полости охлаждения входной кромки пера лопатки, и полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта, и, следовательно, также, поскольку радиальные перегородки выполнены за одно целое с лопаткой и получаются литьем, то снижается трудоемкость изготовления охлаждаемой сопловой лопатки, так как нет необходимости в изготовлении и установке в лопатку сложно профилированного дефлектора для разделения полостей.

Технический результат достигается тем, что охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления, содержащая верхнюю и нижнюю полки, между которыми расположено полое перо аэродинамического профиля, выполненное за одно целое с верхней и нижней полками, причем перо имеет внутреннюю радиальную перегородку, выполненную за одно целое с пером лопатки, разделяющую полое перо на переднюю и заднюю внутренние полости относительно нагнетаемого потока воздуха, причем задняя внутренняя полость пера снабжена дефлектором, передняя внутренняя полость пера лопатки содержит перфорированные отверстия в отличие от известного передняя внутренняя полость пера содержит дополнительные радиальные перегородки, выполненные за одно целое с пером лопатки, расположенные таким образом, что образуют полость охлаждения входной кромки пера, полость охлаждения вдоль спинки пера и полость охлаждения вдоль корыта пера, при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины, полости охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнены с возможностью перекрытия с помощью элемента перекрывания, элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнен в виде удлиненного фланца в верхней части дефлектора, установленного в задней внутренней полости пера, и соединен с помощью неразъемного соединения с верхней частью пера лопатки, а при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины в нижней части, элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнен в виде пластины в нижней части лопатки, установленной в задней внутренней полости пера с помощью неразъемного соединения с нижней частью пера лопатки, а при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины в верхней части пера.

В предложенном техническом решении для организации подвода охлаждающего воздуха к полостям с разных сторон полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи элемента перекрывания, как в верхней, так и в нижней части, также полости охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта пера лопатки выполнены с возможностью перекрытия с помощью элемента перекрывания как в верхней, так и в нижней части пера лопатки. Элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта пера лопатки может быть выполнен в виде удлиненного фланца в верхней части дефлектора, установленного в задней внутренней полости пера, и соединен с помощью неразъемного соединения с верхней частью пера лопатки, а при этом элемент перекрывания полости охлаждения входной кромки пера лопатки может быть выполнен при помощи пластины в нижней части, либо элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта может быть выполнен в виде пластины в нижней части лопатки, установленной в задней внутренней полости пера с помощью неразъемного соединения с нижней частью пера лопатки, а при этом элемент перекрывания полости охлаждения входной кромки пера лопатки в верхней части пера может быть выполнен в виде пластины или удлиненной части дефлектора установленного в задней внутренней полости пера, и соединенного с помощью неразъемного соединения с верхней частью пера лопатки.

На фигурах показаны:

Фиг. 1 - общий вид охлаждаемой сопловой лопатки;

Фиг. 2 - сечение профиля пера охлаждаемой сопловой лопатки;

Фиг. 3 а, б - перекрытие полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта лопатки в верхней части (а), и перекрытие полости охлаждения входной кромки пера лопатки выполнено в нижней части (б);

Фиг. 4 а, б - перекрытие полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта лопатки в нижней части пера лопатки (а), и перекрытие полости охлаждения входной кромки пера лопатки выполнено в верхней части (б).

Охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 полки, между которыми расположено полое перо 3 аэродинамического профиля (Фиг. 1).

Полое перо 3 выполнено за одно целое с верхней 1 и нижней 2 полками, причем перо 3 имеет внутреннюю радиальную перегородку 4.

Радиальная перегородка 4 выполнена за одно целое с пером 3 лопатки, разделяющую полое перо 3 на переднюю 5 и заднюю 6 внутренние полости относительно нагнетаемого потока воздуха (Фиг. 2).

Причем задняя 6 внутренняя полость пера 3 снабжена дефлектором 7, передняя внутренняя полость 5 пера 3 лопатки, в том числе и входная кромка 8 пера 3 лопатки, содержит перфорированные отверстия 9.

Передняя 5 внутренняя полость пера 3 содержит дополнительные радиальные перегородки 10, выполненные за одно целое с пером 3 лопатки, расположенные таким образом, что образуют полость охлаждения 11 входной кромки 8 пера 3, полость охлаждения вдоль спинки 12 пера 3 и полость охлаждения вдоль корыта 13 пера 3. Полости охлаждения вдоль спинки 12 и вдоль корыта 13 выполнены с возможностью перекрытия с помощью элемента перекрывания (Фиг. 2).

При этом полость охлаждения 11 входной кромки 8 пера 3 лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины 14 (Фиг. 3, б). Пластина 14 может быть установлена в нижней части пера 3 лопатки с помощью неразъемного соединения. Тогда элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки 12 и вдоль корыта 13 выполнен в виде удлиненного фланца 15 в верхней части дефлектора 7 (Фиг. 3, а), который установлен в задней 6 внутренней полости пера 3. При этом удлиненный фланец 15 дефлектора 7 соединен с помощью неразъемного соединения с верхней частью пера 3 лопатки.

Возможно исполнение элемента перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки 12 и вдоль корыта 13 в виде пластины 16 в нижней части пера лопатки, установленной с помощью неразъемного соединения (Фиг. 4, а). А пластина 17 для перекрытия полости охлаждения 11 входной кромки 8 может быть установлена с помощью неразъемного соединения для перекрытия входной кромки 8 пера 3 лопатки в верхней части пера 3 лопатки (Фиг. 4, б).

Охлаждаемая сопловая лопатка работает следующим образом.

Охлаждающий воздух из вторичной полости камеры сгорания или иного источника попадает в полость охлаждения 11 входной кромки 8 пера 3 лопатки и в полости охлаждения вдоль спинки 12 и вдоль корыта 13 лопатки.

Охлаждающий воздух из полостей охлаждения 11, 12 и 13 пера 3 лопатки поступает на пленочное и конвективное охлаждение пера сопловой лопатки, через перфорационные отверстия 9.

Благодаря перекрытию полостей 11 с одной стороны, и полостей 12, 13 с другой стороны, а также благодаря тому, что внутренняя радиальная перегородка 4 и дополнительные радиальные перегородки 10 пера 3 лопатки выполнены за одно целое с пером 3 лопатки организуется раздельный подвод охлаждающего воздуха к данным полостям, что позволяет организовать эффективное распределение охлаждающего воздуха идущего в каждую полость, и, следовательно повысить тепловое состояние. При этом устраняются перетечки охлаждающего воздуха между полостями 11, 12 и 13, тем самым между каждой отдельной полостью 11, 12, 13 и проточной частью сохраняется оптимальный перепад давления для эффективной работы перфорации и, следовательно, повышается эффективность охлаждения пера 3 лопатки с обеспечением минимальных потерь давления в турбине высокого давления.

Благодаря тому, что охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления, содержащая верхнюю и нижнюю полки, между которыми расположено полое перо аэродинамического профиля, выполненное за одно целое с верхней и нижней полками, причем перо имеет внутреннюю радиальную перегородку, выполненную за одно целое с пером лопатки, разделяющую полое перо на переднюю и заднюю внутренние полости относительно нагнетаемого потока воздуха, причем задняя внутренняя полость пера снабжена дефлектором, передняя внутренняя полость пера лопатки содержит перфорированные отверстия в отличие от известного передняя внутренняя полость пера содержит дополнительные радиальные перегородки выполненные за одно целое с пером лопатки, расположенные таким образом, что образуют полость охлаждения входной кромки пера, полость охлаждения вдоль спинки пера и полость охлаждения вдоль корыта пера, при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины, полости охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнены с возможностью перекрытия с помощью элемента перекрывания, элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта пера лопатки выполнен в виде удлиненного фланца в верхней части дефлектора, установленного в задней внутренней полости пера, и соединен с помощью неразъемного соединения с верхней частью пера лопатки, а при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины в нижней части, а если элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнен в виде пластины в нижней части пера лопатки, установленной с помощью неразъемного соединения с нижней частью пера лопатки, то при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины в верхней части пера достигается повышение стабильности теплового состояния, гидравлических характеристик соплового аппарата и эффективности охлаждения пера лопатки и снижение трудоемкости изготовления охлаждаемой сопловой лопатки.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к конструкциям охлаждаемых сопловых лопаток. Охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления, содержащая верхнюю и нижнюю полки, между которыми расположено полое перо аэродинамического профиля, выполненное за одно целое с верхней и нижней полками, причем перо имеет внутреннюю радиальную перегородку, выполненную за одно целое с пером лопатки, разделяющую полое перо на переднюю и заднюю внутренние полости относительно нагнетаемого потока воздуха, причем задняя внутренняя полость пера снабжена дефлектором, передняя внутренняя полость пера лопатки содержит перфорированные отверстия, в отличие от известного передняя внутренняя полость пера содержит дополнительные радиальные перегородки, выполненные за одно целое с пером лопатки, расположенные таким образом, что образуют полость охлаждения входной кромки пера, полость охлаждения вдоль спинки пера и полость охлаждения вдоль корыта пера, при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины, полости охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнены с возможностью перекрытия с помощью элемента перекрывания, элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнен в виде удлиненного фланца в верхней части дефлектора, установленного в задней внутренней полости пера, и соединен с помощью неразъемного соединения с верхней частью пера лопатки, а при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины в нижней части, элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнен в виде пластины в нижней части лопатки, установленной в задней внутренней полости пера с помощью неразъемного соединения с нижней частью пера лопатки, а при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины в верхней части пера. Изобретение обеспечивает повышение стабильности теплового состояния, гидравлических характеристик соплового аппарата и эффективности охлаждения пера лопатки, за счет эффективного распределения охлаждающего воздуха. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления, содержащая верхнюю и нижнюю полки, между которыми расположено полое перо аэродинамического профиля, выполненное за одно целое с верхней и нижней полками, причем перо имеет внутреннюю радиальную перегородку, выполненную за одно целое с пером лопатки, разделяющую полое перо на переднюю и заднюю внутренние полости относительно нагнетаемого потока воздуха, причем задняя внутренняя полость пера снабжена дефлектором, передняя внутренняя полость пера лопатки содержит перфорированные отверстия, отличающаяся тем, что передняя внутренняя полость пера содержит дополнительные радиальные перегородки, выполненные за одно целое с пером лопатки, расположенные таким образом, что образуют полость охлаждения входной кромки пера, полость охлаждения вдоль спинки пера и полость охлаждения вдоль корыта пера, при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины, полости охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнены с возможностью перекрытия с помощью элемента перекрывания.

2. Охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления по п. 1, отличающаяся тем, что элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнен в виде удлиненного фланца в верхней части дефлектора, установленного в задней внутренней полости пера, и соединен с помощью неразъемного соединения с верхней частью пера лопатки, а при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины в нижней части.

3. Охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления по п. 1, отличающаяся тем, что элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнен в виде пластины в нижней части лопатки, установленной с помощью неразъемного соединения с нижней частью пера лопатки, а при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины в верхней части пера.