ТРУБЧАТАЯ ВСТАВКА ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2023 года по МПК F01D9/04 F01D5/18 

Техническая область изобретения

Настоящее изобретение относится к области турбомашин, в частности, газотурбинных двигателей, и нацелено более конкретно на турбинные распределители и их вентиляцию.

Уровень техники

В газотурбинном двигателе входящий воздух сжимается, по меньшей мере, в одном компрессоре перед смешиванием с топливом и сжигается в камере сгорания. Горячие газы, создаваемые в камере, приводят в действие нижнюю по потоку турбину или нижние по потоку турбины и затем выбрасывается в сопло. Различные ступени турбины содержат роторные лопастные колеса и статорные распределители. Каждый распределитель содержит две кольцеобразные платформы, внутреннюю и внешнюю соответственно, между которыми проходят практически радиальные лопасти. Вследствие температуры газов, протекающих через турбину, лопасти распределителей подвергаются очень суровым рабочим условиям. Лопасти распределителей должны, следовательно, охлаждаться, чтобы поддерживать приемлемый срок службы.

В текучей технологии лопасть распределителя является трубчатой и содержит внутреннюю полость, в которой устанавливается трубчатая гильза с множеством перфорированных отверстий.

Такие гильзы, например, описываются в документах FR-A1-2 899 271, FR-A1-2 872 541, FR-A1-2 976 616, EP-A1-1 847 687, US-A1-2018/371920, US-A1-2010/129196 и US-A1-2017/067363.

Согласно одному примеру варианта осуществления, две платформы и лопасть формируют единую литейную деталь. Согласно другому примеру варианта осуществления, две платформы и лопасть формируют часть, получаемую пайкой двух литейных одиночных лопастей. Гильза производится посредством формования листового металла и конфигурируется, чтобы удерживаться во внутренней полости лопасти, на расстоянии от стенок лопасти, чтобы предоставлять возможность ударения воздушных потоков о стенку и протекания воздуха через пространство, предоставленное таким образом. Отверстие во внешней платформе снабжает гильзу охлаждающим воздухом от компрессора, например.

Некоторая часть этого воздуха проходит через отверстия, предусмотренные в стенках гильзы, и охлаждает стенку лопасти посредством соударения. Этот воздух затем протекает вниз, где он выпускается в газовый канал через перфорационные отверстия, предусмотренные вдоль стенки задней кромки лопасти. Следует отметить, что внутренняя поверхность стенки лопасти может, в конечном счете, быть снабжена разрушающими поток элементами, которые способствуют теплообмену между воздухом, протекающим в полости, и стенкой. Во время сборки ранее сформированная гильза проскальзывает в полость лопасти через отверстие, предусмотренное во внешней платформе. Гильза затем объединяется с лопастью посредством сварки или пайки по ее кромке в соприкосновении со стенкой отверстия, предусмотренного во внешней платформе. Противоположная часть гильзы направляется через отверстие, предусмотренное во внутренней платформе лопасти, которая формирует направляющую, чтобы предоставлять возможность относительного перемещения между лопастью и гильзой. Эти продольные смещения существуют вследствие колебаний температуры во время работы турбомашины и вследствие того факта, что две части отличаются по природе материалов, из которых они сделаны, и способу их производства.

Конкретный вариант осуществления гильзы внутри полости описывается в патенте на имя Заявителя, EP-A1-1 508 670.

На предшествующем уровне техники способ производства таких гильз требует нескольких этапов, а именно, этап сгибания металлического листа, этап сварки металлического листа, чтобы формировать трубу, и этап механической обработки трубы посредством электроискровой обработки (EDM для "электроискровой обработки"), чтобы перфорировать ее. Однако, этот способ требует времени и является дорогостоящим.

Целью настоящего изобретения является устранение этого недостатка посредством предоставления вентиляционной гильзы, сконфигурированной, чтобы предоставлять возможность ее производства быстрым и экономичным способом, например, посредством аддитивного производства.

Сущность изобретения

С этой целью, изобретение относится к трубчатой вентиляционной гильзе для распределителя турбомашины, в частности, для летательного аппарата, гильза имеет, в целом, удлиненную форму вдоль оси и содержит трубчатую стенку, перфорированную вокруг этой оси, один из осевых концов гильзы является открытым, а другой закрывается донной стенкой, характеризуется тем, что она, кроме того, содержит опорные балки, когда гильза создается посредством аддитивного производства, эти балки проходят внутри гильзы, между трубчатой стенкой и донной стенкой и имеют продольное поперечное сечение, в целом, треугольной формы, две стороны которой соответственно соединяются с трубчатой стенкой и с донной стенкой, и последняя сторона которой является свободной и протягивается внутрь гильзы, перфорационные отверстия в трубчатой стенке предусматриваются между опорными балками.

Такая гильза согласно изобретению, таким образом, имеет компоновки, которые предоставляют возможность ей быть спроектированной посредством аддитивного производства, которое является быстрым и экономичным способом. Действительно, балки, которые протягиваются внутри донной стенки, усиливают эту донную стенку и устраняют ее разрушение во время аддитивного производства (другими словами, дно не имеет плоскую и, следовательно, свободнонесущую форму, которая не может быть произведена методом аддитивного производства на порошковом основании без необходимости в поддерживающем средстве). Гильза согласно изобретению, таким образом, особенно подходит для производства посредством аддитивного производства. Без этих балок гильза согласно изобретению не будет возможной посредством этого способа.

Предпочтительно, каждая балка имеет, на уровне своей стороны, соединенной с донной стенкой, большую толщину материала по сравнению с остальной частью балки.

Преимущественно, балки покрывают практически всю внутреннюю поверхность донной стенки.

Таким образом, балки поддерживают и армируют донную стенку, предоставляя возможность, таким образом, создания гильзы посредством аддитивного производства.

Предпочтительно, балки делятся на две последовательности, которые протягиваются соответственно на той или другой стороне от прямой линии, проходящей в донной стенке, каждая балка имеет конец, частично расположенный на уровне этой прямой линии.

Преимущественно, трубчатая стенка содержит перфорационные отверстия многоугольной формы, например, квадратной или ромбовидной формы.

Преимущественно, перфорационные отверстия являются практически идентичными и позиционируются таким образом, что одна из их вершин ориентируется на стороне донной стенки.

Таким образом, форма и позиционирование перфорационных отверстий предоставляет возможность их создания посредством аддитивного производства.

Преимущественно, донная стенка содержит, снаружи гильзы, канавки для частичного углубления балок.

Таким образом, общая масса гильзы уменьшается.

Настоящее изобретение также относится к турбинному распределителю для турбомашины летательного аппарата, содержащему внутреннюю и внешнюю платформы, соединенные вместе трубчатыми лопастями, в которых устанавливаются гильзы, содержащие какую-либо одну из вышеупомянутых характеристик, также как к турбомашине летательного аппарата, содержащей турбинный распределитель согласно изобретению.

Настоящее изобретение также относится к способу создания трубчатой вентиляционной гильзы для турбомашинного распределителя согласно изобретению, содержащему аддитивное производство этой гильзы на опоре, начиная созданием открытого конца и заканчивая закрытым концом гильзы.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет лучше понято, и другие детали, характеристики и преимущества настоящего изобретения станут яснее из последующего описания, выполненного посредством неограничивающего примера и со ссылкой на присоединенные чертежи, на которых:

Фиг. 1 является схематичным видом в перспективе сектора распределителя предшествующего уровня техники;

Фиг. 2 является видом в поперечном сечении лопасти распределителя согласно предшествующему уровню техники;

Фиг. 3 является видом в перспективе, иллюстрирующим вентиляционную гильзу согласно изобретению;

Фиг. 4 является видом в продольном сечении примера варианта осуществления вентиляционной гильзы согласно изобретению;

Фиг. 5 является подробным видом в перспективе с частичным выдвижением, иллюстрирующим внутреннюю поверхность донной стенки вентиляционной гильзы согласно изобретению;

Фиг. 6a-6c схематично иллюстрируют последовательные этапы в создании посредством аддитивного производства фрагмента вентиляционной гильзы согласно изобретению;

Фиг. 7 является схематичным видом в частичном разрезе примера варианта осуществления донной стенки вентиляционной гильзы согласно изобретению.

Подробное описание изобретения

По определению, в этой заявке, термин "вниз по потоку" определяется относительно направления потока газа в работающей турбомашине. Также, по определению в настоящей заявке, термины "внутренний" и "внешний" определяются в осевом направлении относительно продольной оси гильзы, а термины "внутренний" и "внешний" определяются радиально относительно продольной оси турбомашины.

На фиг. 1 ссылка 10 обозначает турбинный распределитель турбомашины, такой как турбореактивный двигатель летательного аппарата или турбовинтовой двигатель, этот распределитель 10 содержит соосные кольцевые платформы, соответственно внутреннюю 3 и внешнюю 4, которые ограничивают между собой кольцевой проточный канал для газов в турбине, и между которыми проходят радиально лопасти 5.

Фиг. 2 иллюстрирует вид в поперечном сечении лопасти 5 распределителя 10, снабженный вентиляционной гильзой 11 согласно предшествующему уровню техники. Лопасть 5 распределителя 10 содержит внутреннюю полость, в которой устанавливается перфорированная трубчатая гильза 11 для циркуляции вентиляционного воздуха из нагнетающего кожуха, радиально внешнего по отношению к внешней платформе 4 распределителя. Этот воздух проходит частично через перфорированные отверстия гильзы 11, ударяется о внутреннюю стенку лопасти 5 для ее охлаждения и затем выпускается в проточный газовый канал турбины. Вентиляционный воздух захватывается выше по потоку от компрессора турбомашины и заносится в нагнетающий кожух через непоказанные воздуховоды. Радиально внешний конец гильзы 11 является открытым для подачи ее воздуха, и ее радиально внутренний конец может быть открытым, как на фиг. 2. В изобретении, однако, он является закрытым.

Согласно примеру из варианта осуществления, показанному на фиг. 3, трубчатая вентиляционная гильза 1 имеет, в целом, удлиненную форму по продольной оси A-A. Эта гильза содержит периферийную трубчатую стенку 1a вокруг этой продольной оси A-A, снабженную множеством перфорационных отверстий 2. Один из осевых концов гильзы является открытым, в то время как другой закрывается донной стенкой 1b (таким образом, в противоположность гильзе 11 предшествующего уровня техники, показанной на фиг. 2).

Гильза 1 предназначается для оборудования распределителя 10 турбомашины, в частности, летательного аппарата. Гильза 1 согласно изобретению размещается, способом, известным сам по себе, в полости одной из лопастей 5 распределителя 10.

Когда установлена, гильза 1 конфигурируется, чтобы проскальзывать в полость лопасти через отверстие, предусмотренное во внешней платформе 4.

В частности, гильза 1 содержит выступающие выпуклости 6 на внешней поверхности ее периферийной трубчатой стенки (фиг. 3). Эти выпуклости, сформированные способом, известным сам по себе, например, посредством штамповки, размещаются поблизости от закрытого осевого конца гильзы 1 и удерживают гильзу на расстоянии от стенок лопасти, чтобы предоставлять возможность ударения воздушных потоков о стенку и циркуляции воздуха в пространстве, предоставленном таким образом.

Гильза 1 затем объединяется с лопастью посредством сварки или пайки по ее кромке в соприкосновении со стенкой отверстия, предусмотренного во внешней платформе 4. Внешний осевой конец гильзы 1 предпочтительно снабжается фланцем 1c, предоставляющим возможность гильзе и лопасти соединяться вместе.

Способом, известным самим по себе, отверстие, предусмотренное во внешней платформе 4, снабжает гильзу 1 охлаждающим воздухом, например, от компрессора. Этот охлаждающий воздух проходит через перфорационные отверстия 2 гильзы и охлаждает стенку лопасти посредством соударения. Поскольку гильза 1 имеет внутренне радиальный конец, закрытый донной стенкой 1b, весь охлаждающий воздух, протекающий в гильзу 1 через перфорационные отверстия 2, затем протекает вниз по потоку, где он выпускается в газовый канал через перфорационные отверстия, предусмотренные вдоль стенки задней кромки лопасти.

Согласно изобретению, гильза 1 дополнительно содержит опорные балки 7, проходящие внутри гильзы, между периферийной трубчатой стенкой 1a и донной стенкой 1b. Перфорационные отверстия 2 трубчатой стенки 1a гильзы 1 предусматриваются между опорными балками 7.

Со ссылкой на фиг. 4 и 5, каждая балка 7 имеет, в целом, треугольное продольное сечение. Первая сторона 7a, упомянутая горизонтальная сторона, балок 7 соединяется с донной стенкой 1b гильзы 1, вторая сторона 7b, упомянутая вертикальная сторона, балок 7 соединяется с трубчатой стенкой 1a гильзы 1, и третья сторона 7c, упомянутая скошенная сторона, является свободной и проходит внутри гильзы 1. Таким образом, во время аддитивного производства гильзы, донная стенка 1b будет армироваться и поддерживаться балками 7, предоставляя возможность создания гильзы 1. Действительно, вследствие присутствия балок 7, донная стенка 1b гильзы 1 не имеет плоской формы (без неровности уровней), но содержит последовательность зубцов, формирующих практически пилообразный рельеф, облегчающий и упрощающий создание гильзы 1 посредством аддитивного производства на порошковом основании. Действительно, эта форма донной стенки 1b гильзы 1 вследствие присутствия балок 7 предоставляет возможность обходиться без использования опорных элементов во время производства донной стенки 1b.

Действительно, эта треугольная форма балок 7 соответствует углам литейного уклона на свободных сторонах балок 7, протягивающихся внутрь гильзы, равным, по меньшей мере, 30° и, предпочтительно, порядка 45°, гарантирующим производство и наложение последующих слоев посредством аддитивного производства, каждый произведенный слой предоставляет возможность поддержки следующего слоя во время производства.

Преимущественно, в фрагментах трубчатой стенки 1a, с которыми балки 7 соединяются одной из своих сторон, толщина трубчатой стенки 1a является локально большей по сравнению с оставшимся фрагментом трубчатой стенки 1a, и, в частности, в фрагментах трубчатой стенки 1a, расположенных между двумя соседними балками 7, также называемых межбалочными пространствами 8. Таким образом, поскольку перфорационные отверстия 2 предусматриваются между двумя соседними балками 7 (в межбалочном пространстве 8), длина перфорационных отверстий 2 является оптимальной для обеспечения охлаждения лопасти. Кроме того, эти межбалочные пространства предоставляют возможность уменьшения суммарной массы гильзы 1.

Каждая балка 7 имеет, на уровне своей стороны, соединенной с донной стенкой 1b, толщину материала, большую по сравнению с остальной частью балки, и все балки 7 преимущественно покрывают практически всю внутреннюю поверхность донной стенки 1b. Балки 7 делятся на две последовательности, которые протягиваются соответственно на той или другой стороне от прямой линии d, проходящей в донной стенке 1b, каждая балка имеет конец, частично расположенный на уровне этой прямой линии.

Преимущественно, перфорационные отверстия 2 являются многоугольными по форме, например, квадратными или ромбовидными по форме. Перфорационные отверстия 2 являются практически идентичными и позиционируются таким образом, что одна из их вершин ориентируется на стороне донной стенки. Таким образом, форма и позиционирование перфорационных отверстий 2 предоставляет возможность их создания посредством аддитивного производства, каждый произведенный слой предоставляет возможность поддерживать последующий слой во время последовательных этапов аддитивного производства, как детализировано далее в данном документе, со ссылкой на фиг. 6a, 6b и 6c.

Размеры перфорационных отверстий 2 определяются таким образом, чтобы обеспечивать оптимальное охлаждение лопасти.

Преимущественно, как показано на фиг. 7, канавки 9 предусматриваются во внешней поверхности донной стенки 1b, обращенной к сторонам балок 7, соединенным с донной стенкой 1b. Продольная ось канавок 9 является практически параллельной продольной оси сторон балок 7, соединенных с донной стенкой 1b. Эти канавки 9 частично углубляют балки 7 и имеют функцию облегчения гильзы 1. Это дополнительно уменьшает суммарную массу вентиляционной гильзы.

Настоящее изобретение также относится к турбинному распределителю для турбомашины летательного аппарата, содержащему внутреннюю 12 и внешнюю 14 платформы, соединенные вместе посредством трубчатых лопастей, в которых гильзы 1 согласно изобретению устанавливаются, и турбомашина летательного аппарата содержит турбинный распределитель согласно изобретению.

Настоящее изобретение также относится к способу создания трубчатой вентиляционной гильзы 1 для турбомашинного распределителя согласно изобретению, посредством аддитивного производства этой гильзы на опоре, начиная созданием открытого конца и заканчивая закрытым концом гильзы 1.

Согласно способу изобретения, базовый материал для формирования гильзы 1 осаждается на опоре. Этот базовый материал существует, например, в форме жидкости, порошка, ленты или нити, так что он формирует слой. Базовый материал формируется способом, известным самим по себе, например, посредством лазерного спекания. Затем базовый материал снова осаждается на этом первом слое для формования и т.п., так что несколько последовательных слоев материала создаются поверх друг друга.

В качестве первого этапа, базовый материал формируется таким образом, чтобы составлять первый слой, сформированный аналогично сплошной усеченной кольцевой запятой с первой толщиной, формирующей составляющий слой фланца 1c гильзы 1. Фланец 1c полностью формируется после последовательности первого множества сформированных слоев материала, имеющих форму подобно усеченной кольцевой запятой с первой толщиной.

Затем, базовый материал формируется таким образом, чтобы составлять новый слой, сформированный подобно усеченной кольцевой запятой со второй толщиной, меньшей по сравнению с первой толщиной фланца 1c, этот новый слой формирует составляющий слой периферийной трубчатой стенки 1a гильзы 1. Периферийная трубчатая стенка 1a полностью формируется после последовательности второго множества сформированных слоев материала, имеющих форму подобно усеченной кольцевой запятой со второй толщиной. Число слоев для создания периферийной трубчатой стенки 1a, следовательно, больше числа слоев, предоставляющих возможность создания фланца 1c.

Фиг. 6a, 6b, 6c схематично иллюстрируют последовательные этапы в производстве периферийной трубчатой стенки 1a на уровне перфорационного отверстия 2.

Форма и позиционирование перфорационных отверстий являются такими, что каждый произведенный слой предоставляет возможность поддержки следующего слоя на последующих этапах. Причина состоит в том, что придание формы для базового материала в последующих слоях сначала создает V-образное отверстие, начинающееся на конце, имеющим форму, подобную букве V, при этом материал не формируется между двумя ножками буквы V (фиг. 6a). Материал затем последовательно формируется между ножками буквы V, так что каждый новый слой замыкает немного более плотно, отверстие, имеющую форму, подобную букве V (фиг. 6b), до тех пор, пока оно полностью не замкнется и не сформирует многоугольное перфорационное отверстие 2 (фиг. 6c).

Слои, составляющие периферийную трубчатую стенку 1a, имеют, локально, толщину, большую по сравнению со второй толщиной, с тем, чтобы составлять выпуклости 6.

Наконец, базовый слой формируется таким образом, чтобы составлять новый слой в форме усеченной кольцевой запятой, имеющей на внутренней поверхности множество утолщений, составленных фрагментами балок 7, расположенных на пересечении их так называемых вертикальных сторон 7b и скошенных сторон 7c.

Балки 7 полностью формируются после последовательности третьего множества сформированных слоев материала, толщина фрагментов 7 балок увеличивается с каждым новым слоем до достижения прямой линии d, таким образом, создавая донную стенку 1b гильзы 1, также принимая во внимание возможные канавки 9 для частичного углубления балок 7.

Изобретение относится к трубчатой вентиляционной гильзе (1) для распределителя турбомашины, в частности к дефлектору струйного охлаждения соплового аппарата турбины для летательного аппарата. Гильза имеет, в целом, удлиненную форму по оси (A-A) и содержит перфорированную трубчатую стенку (1a) вокруг упомянутой оси, один из осевых концов гильзы является открытым, а другой закрывается донной стенкой (1b), гильза характеризуется тем, что она дополнительно содержит опорные балки (7), когда гильза (1) создается посредством аддитивного производства, упомянутые балки (7) проходят внутри гильзы (1) между трубчатой стенкой (1a) и донной стенкой (1b) и имеют продольное сечение, в целом, треугольной формы, две стороны которого соответственно соединяются с трубчатой стенкой (1a) и с донной стенкой (1b) и последняя сторона которого является свободной и проходит внутри гильзы, перфорационные отверстия (2) в трубчатой стенке (1a) предусматриваются между опорными балками (7). Такая гильза согласно изобретению, таким образом, имеет компоновки, которые предоставляют возможность ей быть спроектированной посредством аддитивного производства, которое является быстрым и экономичным способом. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Трубчатая вентиляционная гильза (1) для распределителя турбомашины, в частности, для летательного аппарата, при этом гильза имеет, в целом, удлиненную форму по оси (A-A) и содержит трубчатую стенку (1a), перфорированную вокруг этой оси, причем один из осевых концов гильзы является открытым, а другой закрыт донной стенкой (1b), отличающаяся тем, что она дополнительно содержит опорные балки (7) при выполнении гильзы (1) посредством аддитивного производства, причем эти балки (7) проходят внутри гильзы (1) между трубчатой стенкой (1a) и донной стенкой (1b) и имеют продольное сечение, в целом, в форме треугольника, две стороны которого соответственно соединены с трубчатой стенкой (1a) и с донной стенкой (1b) и последняя сторона которого является свободной и проходит внутри гильзы, при этом перфорационные отверстия (2) в трубчатой стенке (1a) предусмотрены между опорными балками (7).

2. Гильза (1) по п. 1, в которой каждая балка (7) имеет на уровне своей стороны, соединенной с донной стенкой (1b), большую толщину материала по сравнению с остальной частью балки.

3. Гильза (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой балки (7) покрывают практически всю внутреннюю поверхность донной стенки (1b).

4. Гильза (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой балки (7) разделены на два ряда, которые проходят соответственно по обе стороны от прямой линии (d), проходящей в донной стенке (1b), при этом каждая балка имеет конец, частично расположенный на уровне этой прямой линии.

5. Гильза (1) по любому из предшествующих пунктов, в которой трубчатая стенка (1a) содержит перфорационные отверстия (2) многоугольной формы, например квадратной или ромбовидной формы.

6. Гильза (1) по п. 5, в которой перфорационные отверстия (2) являются по существу идентичными и размещаются так, что одна из их вершин ориентирована на сторону донной стенки (1b).

7. Гильза (1) по п. 6, в которой донная стенка (1b) содержит снаружи гильзы (1) канавки (9) для частичного углубления балок (7).

8. Турбинный распределитель (10) для турбомашины летательного аппарата, содержащий внутреннюю (3) и внешнюю (4) платформы, соединенные вместе трубчатыми лопастями, в которых установлены гильзы (1) по любому из пп. 1-7.

9. Турбомашина летательного аппарата, содержащая турбинный распределитель (10) по п. 8.

10. Способ выполнения гильзы (1) по любому из пп. 1-7, содержащий аддитивное производство упомянутой гильзы на опоре, начиная с выполнения открытого конца и заканчивая закрытым концом гильзы.