ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С УЛУЧШЕННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 2024 года по МПК F01D5/18 F01D25/12 F02K3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к лопатке газотурбинного двигателя, такого как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель, и применимо, в частности, к лопатке турбины высокого давления.

Уровень техники

В турбореактивном двигателе, обозначенном на фиг. 1 ссылочной позицией 1, воздух входит во впускной канал 2, чтобы пройти через вентилятор, содержащий ряд вращающихся лопаток 3, прежде чем разделиться на центральный, основной поток и вторичный поток, окружающий основной поток.

Основной поток сжимается компрессором 4 низкого давления и компрессором 5 высокого давления, прежде чем попасть в камеру 6 сгорания, после которой он расширяется, проходя через турбину 7 высокого давления и турбину 8 низкого давления, после которой он сбрасываться в атмосферу, создавая вспомогательную тягу. В свою очередь вторичный поток непосредственно продвигается вентилятором для создания главной тяги.

Каждая турбина 7, 8 содержит ряд радиально ориентированных лопаток, расположенных равномерно вокруг оси АХ вращения, при этом весь двигатель окружен внешним кожухом 9.

Охлаждение лопаток турбины обеспечивается за счет циркуляции воздуха в каждой лопатке, отбираемого выше по потоку относительно камеры сгорания и впускаемого в хвостовик лопатки, при этом этот воздух выпускается через высверленные отверстия и/или щели в стенках этих лопаток.

В целом, эффективность охлаждения и, в частности, сокращение расхода воздуха, требуемого для охлаждения лопаток турбины высокого давлениям, позволяют уменьшить потребление топлива турбореактивным двигателем и увеличить срок службы лопаток.

Тем не менее, как представляется, охлаждение лопаток турбин высокого давления требует постоянных усилий по его улучшению, особенно в связи с постоянно меняющимися условиями работы, производственными процессами и эксплуатационными требованиями.

В этом контексте задача изобретения состоит в том, чтобы предложить новую конструкцию лопатки с улучшенной схемой охлаждения.

Раскрытие сущности изобретения

С этой целью одним из объектов изобретения является лопатка турбины газотурбинного двигателя, такого как турбовинтовой или турбореактивный двигатель, включающая в себя хвостовик, на котором расположено перо, продолжающееся в направлении размаха, причем упомянутое перо имеет выходную кромку с охлаждающими выходными отверстиями, а также первый змеевидный контур и второй змеевидный контур, при этом:

- каждый змеевидный контур содержит несколько каналов, продолжающихся в направлении размаха и связанных друг с другом изогнутыми участками;

- каждый змеевидный контур снабжается воздухом из входного отверстия, расположенного в хвостовике, посредством своего канала, наиболее удаленного от выходной кромки;

- выходные отверстия снабжаются охлаждающим воздухом из первого змеевидного контура и второго змеевидного контура.

При такой схеме расположения количество контуров лопатки ограничено, поскольку нет необходимости создавать контур, предназначенный для охлаждения выходной кромки, что позволяет облегчить изготовление лопатки, особенно ее хвостовика.

Настоящее изобретение также относится к вышеуказанной лопатке, в которой первый змеевидный контур снабжает воздухом ближайшие к хвостовику выходные отверстия, а второй змеевидный контур снабжает воздухом другие выходные отверстия.

Настоящее изобретение также относится к вышеуказанной лопатке, в которой второй змеевидный контур снабжает воздухом ближайшие к концевой части лопатки выходные отверстия, а первый змеевидный контур снабжает воздухом другие выходные отверстия.

Настоящее изобретение также относится к вышеуказанной лопатке, в которой первый змеевидный контур имеет четное количество каналов, а второй змеевидный контур имеет нечетное количество каналов, или наоборот, при этом первый и второй змеевидные контуры заканчиваются первым и вторым концевыми каналами соответственно, причем эти два концевых канала продолжаются вдоль выходной кромки в качестве продолжения друг друга и отделены друг от друга внутренней разделительной стенкой пера.

Настоящее изобретение также относится к вышеуказанной лопатке, в которой первый змеевидный контур включает в себя первый верхний по потоку канал, первый средний канал и первый концевой канал, а второй змеевидный контур включает в себя второй верхний по потоку канал, второй средний канал, второй нижний по потоку канал и второй концевой канал, причем эти каналы являются удлиненными.

Настоящее изобретение также относится к вышеуказанной лопатке, в которой каналы первого змеевидного контура продолжаются со стороны корытца, проходя вдоль корытца лопатки, а каналы второго змеевидного контура продолжаются со стороны спинки, проходя вдоль спинки.

Настоящее изобретение также относится к вышеуказанной лопатке, которая содержит корытце, имеющее охлаждающие отверстия, снабжаемые воздухом из первого змеевидного контура.

Настоящее изобретение также относится к вышеуказанной лопатке, полученной путем литья металлического материала.

Настоящее изобретение также относится к вышеуказанной лопатке, изготовленной посредством аддитивной технологии.

Настоящее изобретение также относится к вышеуказанной лопатке, выполненной из композиционного или керамического материала.

Настоящее изобретение также относится к вышеуказанной лопатке, имеющей входную кромку и верхний по потоку контур, предназначенный для охлаждения этой входной кромки.

Настоящее изобретение также относится к турбине, содержащей лопатку по одному из предшествующих пунктов.

Настоящее изобретение также относится к авиационному газотурбинному двигателю, содержащему вышеуказанную турбину.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показано сечение известного турбореактивного двигателя;

на фиг. 2 - внешний вид в перспективе лопатки согласно настоящему изобретению;

на фиг. 3 - внутреннее строение лопатки согласно настоящему изобретению в трех плоскостях поперечного сечения, проходящих в нижней, средней и верхней частях лопатки, а также ее внутренние контуры охлаждения.

Осуществление изобретения

Предлагаемая в настоящем изобретении лопатка, обозначенная на фиг. 2 ссылочной позицией 11, содержит хвостовик P, с помощью которого она крепиться в пазу диска ротора, и перо 12, которое расположено на упомянутом хвостовике P, с полкой 13, соединяющей хвостовик P с пером 12. Упомянутая лопатка 11, являющаяся полой, имеет внутренние контуры, в которых движется охлаждающий воздух, впускаемый через входные отверстия, расположенные на радиально внутренней поверхности 14 хвостовика P.

В примере, показанном на чертежах, такая лопатка представляет собой цельную деталь, изготовленную путем литья металлического материала, которую изготавливают с использованием набора сердечников для образования ее внутренних каналов охлаждения, причем упомянутые сердечники удаляют после литья и охлаждения, например, посредством химического травления. Лопатка может изготавливаться также из композиционных или керамических материалов или посредством аддитивной технологии.

Перо 12 продолжается вдоль так называемой оси EV размаха, по существу перпендикулярной оси АХ вращения ротора, на котором расположена лопатка, являющейся продольной осью двигателя. Перо имеет входную кромку 16, по существу параллельную направлению оси EV размаха и расположенную в верхней по потоку части AM или спереди лопатки относительно общего направления движения газа в двигателе. Она имеет выходную кромку 17, по существу параллельную входной кромке 16 и отстоящую от нее вдоль оси АХ, чтобы располагаться в нижней по потоку части AV или сзади лопатки. У него также имеется концевая часть S, по существу параллельная основанию В и отстоящая от основания B в направлении оси EV размаха.

Двумя главными стенками этой лопатки являются ее корытце 19, видимое на фиг. 2, и ее спинка 21, которые отстоят друг от друга, соединяясь при этом на входной кромке 16, на выходной кромке 17 и в области концевой части S, которая включает в себя стенку, ориентированную перпендикулярно направлению оси EV размаха.

Входная кромка 16 является изогнутой и имеет охлаждающие отверстия 22, проходящие через ее стенку. Эти отверстия 22 снабжаются воздухом из верхнего по потоку контура А лопатки, схематично показанного на фиг. 3. На фиг. 3 представлена внутренняя структура лопатки, показанной на фиг. 2, в виде трех поперечных сечений в плоскостях, нормальных к направлению оси EV размаха. Первое поперечное сечение I-I находится вблизи основания B, второе поперечное сечение II-II расположено по существу посередине между основанием B и концевой частью S, а третье поперечное сечение III-III расположено вблизи концевой части S.

Как видно из фиг. 3, верхний по потоку контур, главным образом состоит из канала A1, продолжающегося вдоль внутренней поверхности входной кромки и снабжаемого воздухом из входного отверстия, расположенного на внутренней поверхности 14 лопатки. Воздух, проходящий по этому каналу A1, выходит наружу через отверстия 22 для образования пленки охлаждающего воздуха на внешней поверхности входной кромки.

Корытце содержит первый ряд отверстий 23 и второй ряд отверстий 24, которые проходят сквозь него и снабжаются воздухом из первого змеевидного контура T1 для образования пленки на внешней поверхности корытца 19, чтобы защищать ее от перегрева. Первый ряд отверстий 23 продолжается в направлении размаха и расположен ниже по потоку относительно входной кромки, а второй ряд отверстий 24 расположен ниже по потоку относительно первого ряда и выше по потоку относительно выходной кромки 17.

Отверстия 22, 23, 24, являющиеся дополнительными, могут быть цилиндрическими, продолговатыми, расширяющимися или иной формы, имеют соответствующие размеры и расположены с соответствующим шагом друг от друга. Они оптимизированы для обеспечения оптимальной с точки зрения охлаждения внешней воздушной пленки.

Первый змеевидный контур T1 включает в себя верхний по потоку канал CA1, средний канал CM1, соединенный с верхним по потоку каналом CA1 изогнутым участком, расположенным вблизи концевой части S, и концевой канал CT1, связанный со средним каналом изогнутым участком, расположенным вблизи основания B. Эти три канала CA1, CM1 и CT1 продолжаются в направлении EV размаха и проходят вдоль внутренней поверхности корытца, чтобы охлаждать его, при этом они ограничены внутренними стенками лопатки. Верхний по потоку канал CA1 расположен непосредственно ниже по потоку относительно канала A1 верхнего по потоку контура A, средний канал CM1 расположен непосредственно ниже по потоку относительно верхнего по потоку канала CA1, а концевой канал CT1 расположен непосредственно ниже по потоку относительно среднего канала CM1, то есть вблизи выходной кромки.

Верхний по потоку канал CA1 снабжается воздухом из входного отверстия, расположенного на радиально внутренней поверхности 14 лопатки, причем радиальное направление соответствует направлению EV размаха, когда лопатка установлена на диске. Таким образом, воздух движется в этой лопатке от основания до концевой части и, необязательно, поступает в первый ряд отверстий 23. Средний канал CM1 снабжается воздухом из верхнего по потоку канала CA1 через изогнутый участок, так что воздух движется от концевой части S к основанию B и, необязательно, поступает во второй ряд отверстий 24. Концевой канал CT1 снабжается воздухом из среднего канала CM1 через соответствующий изогнутый участок, так что воздух движется там от основания B к концевой части S.

Аналогично, спинка может иметь охлаждающие отверстия, которые проходят сквозь нее для образования охлаждающей пленки на ее радиально внешней поверхности, причем эти отверстия снабжаются воздухом из второго змеевидного контура T2.

Упомянутый второй змеевидный контур T2 включает в себя верхний по потоку канал CA2, средний канал CM2, связанный с верхним по потоку каналом CA2 изогнутым участком, расположенным вблизи концевой части S, нижний по потоку канал CV2, связанный со средним каналом CM2 изогнутым участком, расположенным вблизи основания B, и концевой канал CT2, связанный с нижним по потоку каналом CV2 изогнутым участком, расположенным вблизи концевой части S. Эти четыре канала CA2, CM2, CV2 и CT2 продолжаются в направлении EV размаха, причем они проходят вдоль внутренней поверхности спинки, чтобы охлаждать ее, при этом они ограничены внутренними стенками лопатки.

Верхний по потоку канал CA2 расположен непосредственно ниже по потоку относительно канала A1 верхнего по потоку контура A, средний канал CM2 расположен непосредственно ниже по потоку относительно верхнего по потоку канала CA2, нижний по потоку канал CV2 расположен непосредственно ниже по потоку относительно среднего канала CM2, а концевой канал CT1 расположен непосредственно ниже по потоку относительно нижнего по потоку канала CV2, то есть вблизи выходной кромки.

Верхний по потоку канал CA2 снабжается воздухом из входного отверстия, расположенного на радиально внутренней поверхности 14 хвостовика лопатки, так что воздух движется там от основания до концевой части. Средний канал CM2 снабжается воздухом из верхнего по потоку канала CA2 через изогнутый участок, так что воздух движется там от концевой части S к основанию B. Нижний по потоку канал CV2 снабжается воздухом из среднего канала CM2 через другой изогнутый участок, так что воздух движется там от основания B к концевой части S. Концевой канал CT2 снабжается воздухом из нижнего по потоку канала CV2 через соответствующий изогнутый участок, так что воздух движется там от концевой части до основания B.

В дополнение к снабжению воздухом охлаждающих отверстий и охлаждению корытца и спинки, два змеевидных контура T1 и T2 также обеспечивают снабжение охлаждающим воздухом выходной кромки.

Сужающаяся выходная кромка 17 имеет ряд охлаждающих выходных отверстий небольшой длины, которые продолжаются параллельно направлению EV размаха и разнесены друг от друга в направлении EV размаха, то есть в радиальном направлении, когда лопатка установлена на диске, продолжающемся вдоль главной оси. Отверстия расположены на небольшом удалении от самой выходной кромки.

Эти выходные отверстия разделяются, с одной стороны, на радиально внутренние выходные отверстия 26, расположенные со стороны основания лопатки между первым поперечным сечением I-I и вторым поперечным сечением II-II, и, с другой стороны, на радиально внешние выходные отверстия 27, расположенные между вторым поперечным сечением II-II и третьим поперечным сечением III-III. Радиально внутренние выходные отверстия 26 являются, таким образом, самыми близкими к основанию B, в то время как радиально внешние выходные отверстия являются самыми близкими к концевой части S. Каждое выходное отверстие обдувает воздухом выходную кромку 17, которая снабжена внешними ребрами, направляющими этот воздух параллельно оси АХ.

Радиально внутренние выходные отверстия 26 снабжаются воздухом из концевого канала CT1 первого змеевидного контура T1, в то время как радиально внешние выходные отверстия 27 снабжаются воздухом из концевого канала CT2 второго змеевидного контура T2.

Как видно из фиг. 3, концевой канал CT1 первого змеевидного контура T1 продолжается по существу на половину высоты лопатки от ее основания B ко второму поперечному сечению II-II. Этот концевой канал CT1 снабжает охлаждающим воздухом радиально внутренние выходные отверстия 26 выходной кромки.

Точно так же концевой канал CT2 второго змеевидного контура T2 также продолжается по существу на половину высоты лопатки от концевой части S ко второму поперечному сечению II-II. Как видно из фиг. 3, концевой канал CT2 второго змеевидного контура T2 представляет собой продолжение концевого канала CT1 первого змеевидного контура T1.

Таким образом, эти два концевых канала CT1 и CT2 выполнены в виде продолжения друг друга, продолжаясь в направлении размаха и проходя вдоль выходных отверстий 26 и 27, которые они снабжают воздухом. Они отделены друг от друга разделительной стенкой 28, разграничивающей их соответствующие концы, расположенные напротив друг друга. Как можно видеть из фиг. 3, упомянутая разделительная стенка 28 расположена в поперечном сечении II-II, то есть посередине лопатки в рассматриваемом примере.

Разделительная стенка 28 может располагаться в другом месте, при этом ее расположение обусловлено размерами самой лопатки, то есть, в частности, желаемым распределением расхода воздушного потока, движущегося в первом и втором змеевидных контурах. Упомянутая разделительная стенка 28 может, таким образом, располагаться на высоте одной трети или двух третей высоты лопатки, в зависимости от рассматриваемого варианта.

Величина и распределение расхода воздуха в первом змеевидном контуре T1 и во втором змеевидном контуре T2 также обусловлены размером охлаждающих выходных отверстий выходной кромки, то есть их площадью проходного поперечного сечения, которая является другим измеряемым параметром.

В примере, показанном на чертежах, первый змеевидный контур T1 включает в себя три канала, а второй - четыре канала. Для этих змеевидных контуров возможны другие количества каналов, при условии, что у одного из змеевидных контуров будет четное количество каналов, в то время как у другого змеевидного контура будет нечетное количество каналов. Такое различие в количестве каналов в первом и втором змеевидных контурах учитывает концевые каналы, которые будут располагаться друг напротив друга, чтобы гарантировать, что обеспечивается снабжение всех охлаждающих выходных отверстий выходной кромки. Более конкретно, змеевидный контур с четным количеством каналов (исключая концевой канал) снабжает воздухом радиально внутренние выходные отверстия, тогда как змеевидный контур с нечетным количеством каналов (исключая концевой канал) снабжает воздухом радиально внешние выходные отверстия.

В целом, предлагаемая в настоящем изобретении лопатка имеет множество входных отверстий на радиально внутренней поверхности 14 своего хвостовика, которое может быть ограничено тремя отверстиями, а именно: одно отверстие для верхнего по потоку контура A, одно отверстие для первого змеевидного контура T1 и еще одно отверстие для второго змеевидного контура T2, - что упрощает изготовление хвостовика P. При необходимости может быть добавлен дополнительный охлаждающий воздух через хвостовик в каналы CM1 и CM2 для компенсации воздуха, испускаемого охлаждающими отверстиями, когда они присутствуют.

Настоящее изобретение относится к лопатке турбины, содержащей хвостовик, перо (12), которое содержит входную кромку, выходную кромку (17), спинку и корытце, а также содержит охлаждающие выходные отверстия (26, 27) на выходной кромке (17), причем упомянутое перо также содержит первый (T1) и второй (T2) змеевидные контуры, причем каждый змеевидный контур (T1, T2) содержит несколько каналов (CA1, CM1, CT1, CA2, CM2, CV2, CT2), продолжающихся в направлении (EV) размаха и связанных друг с другом изогнутыми участками, при этом каждый змеевидный контур (T1, T2) снабжается воздухом посредством своего канала (CA1, CA2), расположенного ближе всего к входной кромке (16), причем выходные отверстия (26, 27) снабжаются воздухом из первого и второго змеевидных контуров (T1, T2). Достигается улучшение охлаждения. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лопатка (11) турбины газотурбинного двигателя, содержащая хвостовик (P), на котором расположено перо (12), продолжающееся в направлении (EV) размаха, причем перо (12) содержит выходную кромку (17), имеющую охлаждающие выходные отверстия (26, 27), а также первый змеевидный контур (T1) и второй змеевидный контур (T2), при этом:

- каждый змеевидный контур (T1, T2) включает в себя несколько каналов (CA1, CM1, CT1, CA2, CM2, CV2, CT2), продолжающихся вдоль направления (EV) размаха и соединенных друг с другом изогнутыми участками;

- каждый змеевидный контур (T1, T2) снабжается воздухом через входное отверстие, расположенное в хвостовике (P), посредством своего канала (CA1, CA2), который наиболее удален от выходной кромки (17);

- выходные отверстия (26, 27) снабжаются охлаждающим воздухом из первого змеевидного контура (T1) и второго змеевидного контура (T2);

- первый змеевидный контур (T1) имеет четное количество каналов, а второй змеевидный контур (T2) имеет нечетное количество каналов, или наоборот, при этом первые и вторые змеевидные контуры (T1, T2) заканчиваются первым и вторым концевыми каналами (CT1, CT2) соответственно, причем эти два концевых канала (CT1, CT2) проходят вдоль выходной кромки (17) как продолжение друг друга и отделены друг от друга внутренней разделительной стенкой (28) пера (12).

2. Лопатка по п. 1, в которой первый змеевидный контур (T1) снабжает воздухом выходные отверстия (26), расположенные наиболее близко к хвостовику (P), при этом второй змеевидный контур (T2) снабжает воздухом другие выходные отверстия (27).

3. Лопатка по п. 1, в которой второй змеевидный контур (T2) снабжает воздухом выходные отверстия (27), которые расположены наиболее близко к концевой части (S) пера (12), при этом первый змеевидный контур (T1) снабжает воздухом другие выходные отверстия (26).

4. Лопатка по п. 1, в которой первый змеевидный контур (T1) включает в себя первый верхний по потоку канал (CA1), первый средний канал (CM1) и первый концевой канал (CT1), при этом второй змеевидный контур (T2) включает в себя второй верхний по потоку канал (CA2), второй средний канал (CM2), второй нижний по потоку канал (CV2) и второй концевой канал (CT2), причем эти каналы являются удлиненными.

5. Лопатка по п. 1, в которой упомянутые каналы (CA1, CM1, CT1) первого змеевидного контура (T1) продолжаются со стороны корытца, проходя вдоль корытца (19) пера (12), при этом упомянутые каналы (CA2, CM2, CV2, CT2) второго змеевидного контура (T2) продолжаются со стороны спинки, проходя вдоль спинки (21) пера (12).

6. Лопатка по п. 1, которая содержит корытце (19), имеющее охлаждающие отверстия (23, 24), снабжаемые воздухом из первого змеевидного контура (T1).

7. Лопатка по п. 1, которая содержит входную кромку (16) и верхний по потоку контур (A), предназначенный для охлаждения этой входной кромки (16).

8. Лопатка по п. 1, которая изготовлена посредством аддитивной технологии.

9. Лопатка по п. 1, которая изготовлена из композиционного или керамического материала.

10. Турбина, содержащая лопатку по п. 1.

11. Авиационный газотурбинный двигатель, содержащий турбину по п. 10.