РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
WORKING BLADE OF THE GAS TURBINE

Изобретение относится к области газотурбиностроения, а именно к охлаждаемым рабочим лопаткам турбин, применяемым в авиационных газотурбинных двигателях, а также в стационарных газотурбинных установках.
Известна рабочая лопатка осевой газовой турбины (Патент Великобритании N 2123489, НКИ FIV, МКИ, F01D 5/28, 1984), состоящая из пера в виде металлического несущего стержня, полки, замка, соединяющего металлический несущий стержень с вращающимся рабочим колесом, и одной-единственной по длине стержня керамической моно-супер-оболочки, внутри которой проходит несущий стержень, причем на периферии стержня установлена соединенная с ним полка, которая при вращении рабочего колеса выполняет роль шарнирной опоры для прижатой к ней (центробежной силой) керамической моно-супер-оболочки.
Известна лопатка (Патент РФ №2506429 С1, 31.05.2012 г., F01D 5/18), которая содержит хвостовик и перо, выполненные с внутренним трактом охлаждения в виде продольного канала от хвостовика к торцу пера и связанным с этим каналом комплексом поперечных каналов, ориентированных в направлении выходной кромки пера. Перо выполнено в виде центрального несущего стержня, имеющего наружный рельеф в виде поперечных канавок, и содержит накладные пластинчатые элементы, соединенные с центральным несущим стержнем таким образом, что формируют своей внешней стороной конфигурацию пера рабочей лопатки, а своей внутренней стороной - конфигурацию каналов внутреннего тракта охлаждения.
Упомянутые выше лопатки имеют ряд недостатков. Первая лопатка сложна по конструкции и технологии изготовления. Применение второй конструкции осложняется обеспечением стабильности характеристик при производстве. Кроме того, известные конструкции не решают вопрос повышения надежности лопатки за счет снижения напряжений в поле центробежных сил.
В качестве прототипа выбрана конструкция рабочей лопатки турбомашины (Патент РФ №2118462 С1, 20.07.1995 г., F01D 5/18), направленная на повышение надежности лопатки путем снижения действующих в ней напряжений, сформированных полем центробежных сил.
Лопатка содержит замок, перо, внутреннюю полку, периферийную полку, соединенные с ними короткие супер оболочки с локальным закреплением или опиранием на полку каждой короткой супер оболочки только в зоне ее периферийного сечения. Как вариант супер оболочка по толщине выполнена составной в виде пакета вставленных одна в другую преимущественно металлических мини-оболочек с локальным закреплением или опиранием на полку по периметру пера каждой мини-оболочки только в зоне ее периферийного сечения. Как вариант супер оболочка содержит скользящие боковые опоры в виде дискретных выступов на ее внутренней поверхности. Как вариант по меньшей мере одна мини-оболочка и перо имеют на своих поверхностях защитные покрытия.
Прототип имеет ряд недостатков, которые существенно снижают возможность повышения надежности лопатки, и даже напротив - делают лопатку более уязвимой к воздействию центробежных сил и высоких температур.
Использование пакета мини-оболочек, в том числе с «термобарьерными» покрытиями, в качестве теплозащитной конструкции пера (силового стержня), не повышает эффективности теплозащиты. При отсутствии отвода тепла из лопатки за счет подачи и отвода охлаждающей среды конструкция насыщается поступающим извне теплом, температуры внешней поверхности супер оболочки и стержня стремятся к выравниванию. Наличие теплоотвода только по перу (силовому стержню) к диску турбины не позволяет поднять температуру газа перед турбиной до уровня, обеспечивающего достаточно высокую эффективность термодинамического цикла из-за ограничений прочностных свойств материала пера (силового стержня).
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании рабочей лопатки, обладающей повышенной надежностью за счет выполнения элементов лопатки таким образом, чтобы обеспечить уменьшение механических напряжений от центробежных сил, действующих в ее профильной рабочей части.
Технический результат, заключающийся в повышении надежности рабочих лопаток и повышении эффективности термодинамического цикла турбины, достигается тем, что в охлаждаемой рабочей лопатке турбины, состоящей из хвостовика, рабочей профильной части, состоящей из полого профиля с выпуклой и вогнутой тонкими стенками, между которыми расположен силовой стержень, выполненный за одно целое с хвостовиком, и интенсификаторов охлаждения, согласно предлагаемому изобретению рабочая профильная часть выполнена разделенной на две части, из которых прикорневая часть выполнена за одно целое с хвостовиком, а периферийная часть - за одно целое с силовым стержнем.
Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, где:
1 - хвостовик лопатки;
2 - выпуклая тонкая стенка рабочей профильной части лопатки;
3 - вогнутая тонкая стенка рабочей профильной части лопатки;
4 - силовой стержень;
5 - прикорневая часть рабочей профильной части лопатки;
6 - периферийная часть рабочей профильной части лопатки.
Охлаждаемая рабочая лопатка турбины состоит из хвостовика 1, рабочей профильной части, имеющей полую охлаждающую полость с выпуклой 2 и вогнутой 3 тонкими стенками, между которыми расположен силовой стержень 4. Рабочая профильная часть лопатки разделена и состоит из двух частей:  прикорневой части 5, выполненной за одно целое с хвостовиком 1, и периферийной части 6, выполненной за одно целое с силовым стержнем 4.
Лопатка работает следующим образом.
При обтекании профиля лопатки создается аэродинамическая сила, которая в свою очередь создает крутящий момент на валу турбины. При этом тепловой поток от рабочего тела разогревает конструктивные элементы лопатки. Одновременно на конструктивные элементы лопатки действуют центробежные силы. Возможность повышения эффективности термодинамического цикла газотурбинного двигателя зависит от возможности повышения температуры газа перед турбиной. С учетом изложенного возникает необходимость обеспечения работоспособности конструктивных элементов лопатки в условиях определенного уровня напряжений от центробежных сил и температур.
Тепловой поток направлен от рабочей профильной части к силовому стержню 4. Охлаждающая среда подается через хвостовик 1 и направляется в охлаждающую полость между стенками 2 и 3 рабочей профильной части и силовым стержнем 4, что обеспечивает допустимую температуру конструктивных элементов лопатки.
Полная нагрузка от центробежных сил на прикорневую часть 5, выполненную за одно целое с хвостовиком 1, воспринимается хвостовиком 1. При этом напряженное состояние существенно снижается за счет ее укорочения по сравнению с полной высотой рабочей профильной части лопатки. Полная нагрузка от центробежных сил, действующих на периферийную часть 6, выполненную за одно целое с силовым стержнем 4, воспринимается силовым стержнем 4. При этом напряженное состояние каждой из двух частей рабочей профильной части (прикорневой части 5 и периферийной части 6) существенно снижается за счет уменьшения высоты каждой из них по сравнению с полной высотой рабочей профильной части лопатки.
Температура несущего стержня 4 существенно ниже температуры рабочей профильной части. Вследствие этого несущая способность материала силового стержня выше, чем несущая способность материала рабочей профильной части лопатки, что позволяет полнее использовать свойства материала и за счет этого дополнительно повысить надежность лопатки.
Таким образом, за счет снижения напряженного состояния каждой из двух частей разделенной рабочей профильной части лопатки и снижения температуры силового стержня 4 по сравнению с температурой рабочей профильной части лопатки достигается повышение надежности лопатки.