РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОНТУРОМ ОХЛАЖДЕНИЯ, СОДЕРЖАЩИМ ДВОЙНОЙ РЯД ВЫПУСКНЫХ ЩЕЛЕЙ Российский патент 2023 года по МПК F01D5/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к общей области лопаток газотурбинного двигателя и, в частности, к удалению на задней кромке воздуха охлаждения лопаток турбины высокого давления газотурбинного двигателя.

Уровень техники

Лопатки турбины высокого давления газотурбинного двигателя подвергаются действию высоких температур газов, выходящих из камеры сгорания и проходящих через турбину высокого давления. Эти температуры достигают значений, намного превышающих значения, которые могут выдерживать лопатки, контактирующие с этими газами, вследствие чего сокращается срок их службы.

Чтобы ограничить последствия воздействия горячих газов на лопатки, как известно, их оснащают внутренними контурами охлаждения, предназначенными для понижения температуры этих лопаток. Благодаря таким контурам, охлаждающий воздух, который обычно поступает в лопатку через ее замковую часть, проходит через лопатку по пути, образованному полостями, выполненными в лопатке, после чего выходит через щели, выходящие на поверхность лопатки между ее ножкой и вершиной.

Все возрастающие потребности в улучшении характеристик, повышении КПД, увеличении срока службы и повышении надежности заставляют разрабатывать все более эффективные контуры охлаждения. Действительно, повышение эффективности контуров охлаждения обеспечивает ряд преимуществ. В частности, допустимый тепловой уровень в проточном тракте будет более высоким, и двигатель будет более производительным при изорасходе охлаждения. Кроме того, расход охлаждения, необходимый для обеспечения целостности деталей, охлаждаемых этими контурами охлаждения, будет меньшим для данной рабочей точки. Наконец, срок службы этих деталей увеличится при одном и том же расходе вентиляции и при одинаковых термодинамических условиях.

С учетом этого стремления повысить эффективность контуров охлаждения отмечается, что задняя кромка рабочей лопатки является критической зоной с термической и механической точек зрения, поскольку ее эффективное охлаждение затруднено. Это в основном связано с недостаточностью пространства, в частности, по причине минимальных толщин материала, необходимых для изготовления лопатки, и, в частности, на соединении стенок корытца и спинки с задней кромкой.

Чтобы эффективно охлаждать заднюю кромку, как известно, во время литья выполняют выпускные щели контуров охлаждения со стороны корытца лопатки. Эти щели обеспечивают охлаждение материала на задней кромке посредством нагнетания и при помощи пленки охлаждения (“film cooling” на английском языке) с выходом, почти касательным к профилю лопатки, что значительно повышает ее эффективность.

С другой стороны, зона лопатки, находящаяся выше по потоку относительно выпускных щелей, является трудно охлаждаемой зоной, которая регулярно показывает высокий термический уровень. Это связано, в частности, с недостаточным пространством, чтобы получать промоторы завихрений для охлаждения и чтобы иметь две полости охлаждения в толщине лопатки.

Раскрытие сущности изобретения

Данное изобретение призвано предложить рабочую лопатку газотурбинного двигателя, которая не имеет вышеупомянутых недостатков.

Согласно изобретению, эта задача решена в рабочей лопатке газотурбинного двигателя, содержащей перо, расположенное в радиальном направлении между ножкой лопатки и вершиной лопатки и в осевом направлении между передней кромкой и задней кромкой, и по меньшей мере один контур охлаждения, содержащий по меньшей мере одну полость, проходящую в радиальном направлении между ножкой и вершиной, по меньшей мере одно отверстие впуска воздуха, расположенное на радиальном конце полости, множество первых выпускных щелей, выполненных вдоль задней кромки между ножкой и вершиной, и множество вторых выпускных щелей, отличных от первых щелей и выполненных вдоль задней кромки между ножкой и вершиной, при этом вторые выпускные щели смещены в осевом направлении выше по потоку относительно первых выпускных щелей, и каждая из первых выпускных щелей смещена в радиальном направлении относительно каждой из вторых выпускных щелей без перекрывания между первыми и вторыми выпускными щелями.

Изобретение примечательно тем, что предусматривает дополнительный ряд выпускных щелей выше по потоку, смещенный в радиальном направлении без перекрывания относительно обычного ряда выпускных щелей. Таким образом, этот дополнительный ряд позволяет использовать охлаждение выше по потоку от обычных щелей. Сторона корытца лопатки охлаждается при этом по более значительной криволинейной абсциссе на уровне задней кромки лопатки. Кроме того, выше по потоку от этого дополнительного ряда выпускных щелей толщина профиля лопатки является более значительной, что позволяет получить полость, оснащенную промоторами охлаждения, или получить две разные полости. Наконец, это радиально смещенное расположение щелей двух рядов без перекрывания между ними позволяет повысить эффективность охлаждения, в частности, для охлаждения ребер жесткости щелей, находящихся ниже по потоку.

Первые выпускные щели и вторые выпускные щели могут открываться в одну и ту же полость контура охлаждения.

В альтернативном варианте первые выпускные щели и вторые выпускные щели могут открываться в две разные полости контура охлаждения.

В этом случае полость, в которую открываются вторые выпускные щели, предпочтительно смещена в осевом направлении выше по потоку относительно полости, в которую открываются первые выпускные щели.

Первые выпускные щели выходят на уровне задней кромки, и вторые выпускные щели могут выходить на уровне стороны корытца лопатки.

В альтернативном варианте первые выпускные щели и вторые выпускные щели могут открываться на уровне стороны корытца лопатки.

Первые выпускные щели и вторые выпускные щели могут быть расположены столбцами. Вторые выпускные щели могут точно занимать, каждая, радиальные пространства, оставленные между первыми выпускными щелями.

Объектом изобретения является также способ изготовления посредством литья описанной выше лопатки, включающий в себя выполнение керамического литейного стержня посредством аддитивной технологии, при этом стержень позволяет выполнить первые выпускные щели и вторые выпускные щели. Это решение изготовления позволяет выполнять литейные стержни, необходимые, чтобы оставлять места для полостей контура охлаждения. Объектом изобретения является также турбина высокого давления газотурбинного двигателя, содержащая диск, имеющий множество ячеек, которые открыты на периферию диска, и множество описанных выше лопаток.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан пример лопатки, для которой применено изобретение, вид в перспективе;

на фиг. 2 показана лопатка согласно варианту осуществления изобретения с показом контура охлаждения задней кромки лопатки, вид в поперечном разрезе;

на фиг. 3 представлена часть лопатки со стороны корытца лопатки согласно другому варианту осуществления изобретения с показом выпускных щелей контура охлаждения задней кромки лопатки, вид в перспективе.

на фиг. 4 показана часть лопатки со стороны корытца лопатки согласно еще одному варианту осуществления изобретения, вид в перспективе.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 в перспективе показана лопатка 2 турбины, например, рабочая лопатка турбины высокого давления газотурбинного двигателя. Лопатка 2 закреплена на роторе турбины (не показан) при помощи замка 4, как правило, елочного типа.

Как известно, лопатка 2 содержит перо 6, которое расположено в радиальном направлении между ножкой 8 лопатки и вершиной 10 лопатки и в осевом направлении между передней кромкой 12 и задней кромкой 14. Таким образом, перо 6 лопатки образует корытце 6а и спинку 6b лопатки.

Лопатка 2, которая подвержена действию высоких температур газообразных продуктов горения, проходящих через турбину, нуждается в охлаждении. Для этого, как известно, лопатка 2 содержит один или несколько внутренних контуров охлаждения и, в частности, внутренний контур охлаждения задней кромки.

Как показано на фиг. 2, внутренний контур охлаждения задней кромки лопатки содержит по меньшей мере одну полость 16, расположенную в радиальном направлении между ножкой 8 и вершиной 10. Полость 16 получает питание охлаждающим воздухом на одном из своих радиальных концов через отверстие впуска воздуха (не показано), которое обычно предусмотрено на уровне замка 4 лопатки.

В примере, представленном на фиг. 2, внутренний контур охлаждения задней кромки лопатки содержит две отдельные полости 16а, 16b, которые смещены относительно друг друга в осевом направлении.

Согласно изобретению, контур охлаждения задней кромки содержит также множество первых выпускных щелей 18, которые выполнены вдоль задней кромки 14 лопатки между ножкой 8 и вершиной 10, и множество вторых выпускных щелей 20, отличных от первых выпускных щелей 18 и тоже выполненных вдоль задней кромки между ножкой и вершиной лопатки.

В примере осуществления, представленном на фиг. 2, первые выпускные щели 18 открыты в полость 16b контура охлаждения и выходят на сторону 6а корытца лопатки вблизи ее задней кромки 14. Что касается вторых выпускных щелей 20, то они открыты в полость 16а контура охлаждения и тоже выходят на сторону 6а корытца лопатки вблизи ее задней кромки 14.

Кроме того, как показано, в частности, на фиг. 3, вторые выпускные щели 20 смещены в осевом направлении выше по потоку относительно первых выпускных щелей 18 и расположены таким образом, что смещены в радиальном направлении относительно первых выпускных щелей без перекрывания между ними, то есть нижняя стенка данной щели не перекрывает верхнюю стенку радиально смещенной смежной щели и наоборот.

Таким образом, первые и вторые выпускные щели 18, 20 расположены таким образом, что образуют два разных ряда щелей, которые смещены относительно друг друга в осевом направлении и в радиальном направлении.

На фиг. 3 представлен второй вариант осуществления изобретения, в котором первые выпускные щели 18 и вторые выпускные щели 20 открыты в одну и туже полость 16 контура охлаждения задней кромки лопатки. В частности, в этом примере, который может не ограничиваться этим питанием через единственную полость, нижние стенки первых щелей 18 совпадают с верхними стенками смежных вторых щелей 20, и верхние стенки первых щелей 18 совпадают с нижними стенками смежных вторых щелей 20, поэтому вторые щели точно занимают, каждая, радиальные пространства, оставленные между первыми щелями.

На фиг. 4 представлен третий вариант осуществления изобретения, в котором первые выпускные щели 18 контура охлаждения задней кромки выходят на уровне задней кромки 14 лопатки, тогда как вторые выпускные щели 20 выходят на уровне стороны 6а корытца лопатки 2.

Заявленную лопатку 2 получают непосредственно путем литья. Для этого лопатку выполняют, разливая металл в форму, содержащую керамический стержень, который должен оставлять место для контура охлаждения лопатки и, в частности, для полости 16 и для первых и вторых выпускных щелей 18, 20 контура охлаждения задней кромки лопатки.

Чтобы на выходе литейного процесса напрямую получить двойной ряд выпускных щелей, керамический стержень предпочтительно выполняют путем аддитивной технологии.

Изобретение относится к рабочей лопатке (2) газотурбинного двигателя, содержащей по меньшей мере один контур охлаждения, содержащий по меньшей мере одну полость (16; 16а, 16b), проходящую в радиальном направлении между ножкой и вершиной, по меньшей мере одно отверстие впуска воздуха, расположенное на радиальном конце полости, множество первых выпускных щелей (18), выполненных открытыми вдоль задней кромки между ножкой и вершиной, и множество вторых выпускных щелей (20), отличных от первых выпускных щелей и выполненных вдоль задней кромки (14) между ножкой и вершиной, при этом вторые выпускные щели (20) смещены в осевом направлении выше по потоку относительно первых выпускных щелей (18), и каждая из первых выпускных щелей смещена в радиальном направлении относительно каждой из вторых выпускных щелей без перекрывания между первыми и вторыми выпускными щелями. Это радиально смещенное расположение щелей двух рядов без перекрывания между ними позволяет повысить эффективность охлаждения, в частности, для охлаждения ребер жесткости щелей, находящихся ниже по потоку. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Рабочая лопатка (2) газотурбинного двигателя, содержащая:

перо (6), расположенное в радиальном направлении между ножкой (8) лопатки и вершиной (10) лопатки и в осевом направлении между передней кромкой (12) и задней кромкой (14); и

по меньшей мере один контур охлаждения, содержащий по меньшей мере одну полость (16; 16а, 16b), проходящую в радиальном направлении между ножкой (8) и вершиной (10), по меньшей мере одно отверстие впуска воздуха, расположенное на радиальном конце полости (16; 16а, 16b), множество первых выпускных щелей (18), выполненных открытыми вдоль задней кромки между ножкой (8) и вершиной (10), и множество вторых выпускных щелей (20), отличных от первых выпускных щелей и выполненных вдоль задней кромки (14) между ножкой (8) и вершиной (10), при этом вторые выпускные щели (20) смещены в осевом направлении выше по потоку относительно первых выпускных щелей (18), и каждая из первых выпускных щелей (18) смещена в радиальном направлении относительно каждой из вторых выпускных щелей (20) без перекрывания между первыми и вторыми выпускными щелями.

2. Лопатка (2) по п. 1, в которой первые выпускные щели (18) и вторые выпускные щели (20) открыты в одну и ту же полость (16) контура охлаждения.

3. Лопатка (2) по п. 1, в которой первые выпускные щели (18) и вторые выпускные щели (20) открыты в две разные полости (16а, 16b) контура охлаждения.

4. Лопатка (2) по п. 3, в которой полость (16а), в которую открыты вторые выпускные щели (20), смещена в осевом направлении выше по потоку относительно полости (16b), в которую открыты первые выпускные щели (18).

5. Лопатка (2) по любому из пп. 1-4, в которой первые выпускные щели (18) выходят на уровне задней кромки (14), а вторые выпускные щели (20) выходят на уровне стороны (6а) корытца лопатки.

6. Лопатка (2) по любому из пп. 1-4, в которой первые выпускные щели (18) и вторые выпускные щели (20) выходят на уровне стороны (6а) корытца лопатки.

7. Лопатка (2) по любому из пп. 1-6, в которой первые выпускные щели (18) и вторые выпускные щели (20) расположены столбцами.

8. Лопатка (2) по любому из пп. 1-6, в которой вторые выпускные щели (20) точно занимают каждое из радиальных пространств, оставленных между первыми выпускными щелями (18).

9. Способ изготовления лопатки по любому из пп. 1-6 посредством литья, включающий выполнение керамического литейного стержня посредством аддитивной технологии, при этом стержень позволяет выполнить первые выпускные щели (18) и вторые выпускные щели (20).

10. Турбина высокого давления газотурбинного двигателя, содержащая диск, имеющий множество ячеек, открытых на периферию диска, и множество лопаток (2) по любому из пп. 1-7, при этом замок каждой лопатки (2) установлен в соответствующей ячейке диска.