ОХЛАЖДАЕМАЯ РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ
COOLED TURBOMACHINE ROTOR BLADE

Изобретение относится к охлаждаемым рабочим лопаткам турбомашин газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.
Известна охлаждаемая рабочая лопатка турбомашины, перо и хвостовик которой выполнены с радиальными каналами для прохода охлаждающего воздуха (С.А. Вьюнов. «Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей». Москва, «Машиностроение», 1981 г., стр. 166, рис. 4, 27.)
Недостатком известной конструкции является ее низкая надежность из-за низкой эффективности канальной системы охлаждения.
Наиболее близкой к заявляемой является охлаждаемая рабочая лопатка турбомашины, перо которой выполнено с внутренней щелевой полостью для прохода охлаждающего воздуха, соединенной на входе с внутренней щелевой полостью хвостовика лопатки (патент RU №1625078, МПК F01D 5/18).
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность из-за повышенной температуры замкового соединения хвостовика рабочей лопатки вследствие увеличенных тепловых потоков от пера охлаждаемой лопатки в ее замковое соединение при работе турбомашины.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении надежности охлаждаемой рабочей лопатки турбомашины путем снижения температуры замкового соединения хвостовика рабочей лопатки за счет уменьшения тепловых потоков от пера лопатки в замковое соединение хвостовика.
Указанный технический результат достигается тем, что в охлаждаемой рабочей лопатке турбомашины, внутренняя щелевая полость пера которой соединена на входе с внутренней щелевой полостью хвостовика, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ между замковым соединением хвостовика и пером лопатки выполнена удлиненная ножка, внутренняя щелевая полость которой выполнена увеличенной высоты по отношению к высоте внутренней щелевой полости замкового соединения хвостовика лопатки, при этом щелевая полость удлиненной ножки соединена с щелевыми полостями замкового соединения и пера лопатки переходными щелевыми полостями с плавным изменением проходных площадей, причем отношение Н/h=2…6 и α=10…30°, где
H - высота внутренней щелевой полости удлиненной ножки,
h - высота внутренней щелевой полости замкового соединения хвостовика лопатки,
α - угол наклона стенки переходной щелевой полости между щелевой полостью замкового соединения и щелевой полостью удлиненной ножки к радиальной плоскости рабочей лопатки турбомашины.
Охлаждаемые рабочие лопатки современных турбомашин работают при повышенных температурах газа, существенно превышающих температуру плавления металла этих лопаток. Выполнение рабочей лопатки с удлиненной ножкой хвостовика позволяет увеличить расстояние между пером и замковым соединением хвостовика, что снижает его температуру, повышая тем самым надежность замкового соединения и лопатки в целом. Снижению тепловых потоков от пера лопатки в ее замковое соединение способствует также увеличенная высота щелевой полости удлиненной ножки, что способствует уменьшению толщины стенок ножки и повышению их теплового сопротивления с соответствующим уменьшением теплового потока в замковое соединение.
При H/h<2 - снижается надежность охлаждаемой рабочей лопатки турбомашины из-за повышения температуры замкового соединения лопатки и увеличения нагрузки от центробежных сил на это соединение вследствие увеличения массы удлиненной ножки.
При H/h>6 - снижается надежность охлаждаемой рабочей лопатки турбомашины из-за уменьшения прочности удлиненной ножки.
Охлаждающий воздух, поступающий в рабочую лопатку со стороны подошвы замкового соединения, поступает в щелевую полость пера лопатки с минимальными гидравлическими потерями, что способствует повышению эффективности охлаждения пера лопатки и повышению ее надежности.
Для уменьшения гидравлических потерь, а также для снижения напряжений в хвостовике лопатки между щелевой полостью удлиненной ножки, а также щелевыми полостями замкового соединения и пера лопатки выполнены переходные щелевые полости с плавным изменением проходных площадей.
Максимальные гидравлические потери могут возникнуть в переходной диффузорной полости между щелевой полостью замкового соединения и щелевой полостью удлиненной ножки.
При α<10° - снижается надежность охлаждаемой рабочей лопатки турбомашины из-за увеличения массы хвостовика лопатки и увеличения нагрузки на замковое соединение.
При α>30° - снижается надежность охлаждаемой рабочей лопатки турбомашины из-за повышенного гидравлического сопротивления переходной щелевой полости со стороны замкового соединения и повышения температуры пера рабочей лопатки.
На фиг. 1 изображена охлаждаемая рабочая лопатка турбомашины.
На фиг. 2 - сечение Α-A на фиг 1.
Охлаждаемая рабочая лопатка 1 турбомашины включает в себя охлаждаемое перо 2, а также хвостовик 3 с полкой 4 хвостовика.
На хвостовике 3 последовательно размещены замковое соединение 5 и удлиненная ножка 6, внутренняя щелевая полость 7 пера 2 лопатки 1 на входе соединена с щелевой полостью 8 замкового соединения 5, последовательно, через переходную нижнюю диффузорную щелевую полость 9, щелевую полость 10 удлиненной ножки 6 и периферийную переходную щелевую полость 11.
Охлаждающий воздух 12 поступает в рабочую лопатку 1 со стороны подошвы 13 замкового соединения 5, охлаждая стенки 14 и 15 удлиненной ножки 6. Поверхности 16 и 17 нижней переходной щелевой полости 9 выполнены под углом наклона α к радиальной оси 18 рабочей лопатки 1.
Работает устройство следующим образом.
При работе охлаждаемой рабочей лопатки 1 турбомашины охлаждающий воздух 12, поступающий из щелевой полости 8 замкового соединения 5 в диффузорную нижнюю переходную щелевую полость 9, тормозится и турбулизируется, что улучшает охлаждение стенок 14 и 15 удлиненной ножки 6, снижая таким образом тепловой поток от пера 2 в замковое соединение 5, что повышает надежность рабочей лопатки 1.
При изготовлении рабочей лопатки 1 методом литья внутренние щелевые полости пера и хвостовика лопатки формируются с помощью керамического стержня, механическая прочность которого существенно увеличивается за счет увеличенной высоты щелевой полости 10 удлиненной ножки 6, что снижает коробление керамического стержня при заливке лопатки, уменьшает вероятность его поломки и отклонение стенок пера лопатки по толщине, повышая тем самым надежность лопатки 1 и увеличивая процент получения годных отливок рабочих лопаток.