Охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления турбореактивного двигателя
COOLED NOZZLE BLADE OF A HIGH-PRESSURE TURBINE OF A TURBOJET ENGINE

Изобретение, представляющее из себя охлаждаемую сопловую лопатку турбины высокого давления, относится к области авиадвигателестроения, в частности, к стендовым испытаниям газогенератора авиационного двигателя или полноразмерного авиационного двигателя, предназначено для измерения параметров рабочего тела за камерой сгорания (на входе в турбину высокого давления).
Лопатки соплового аппарата турбины высокого давления турбореактивного двигателя работают в условиях высоких температур, давлений и скоростей газового потока. Конструкция системы охлаждения сопловых лопаток должна обеспечивать ее работоспособность во всем диапазоне режимов работы газогенератора авиационного двигателя или полноразмерного авиационного двигателя, возможность регулирования параметров охлаждения, технологичность производства.
Литые сопловые лопатки, из-за необходимости постановки дефлектора, имеют ограничения по сложности получаемой геометрии пера.
Процесс стендовых испытаний газогенератора авиационного двигателя или полноразмерного авиационного двигателя включает измерение параметров рабочего тела при помощи датчиков. Процесс установки датчиков в проточной части, сопровождающийся их креплением на поверхностях лопатки и дальнейшим выводом проводников подключения, называется препарированием. Датчики устанавливают в штампованных или точеных диффузорах, закрепленных на лопатке, а вывод проводников подключения датчиков закрывается фольговыми накладками. Большинство технологических операций, связанных с препарированием лопаток, выполняется вручную.
Аддитивные технологии позволяют изготовить сопловые лопатки практически любой геометрии, в том числе под препарирование, и избавиться от лишних технологических операций, например, в виде ручного создания фольговых накладок препарирования. Кроме того, монолитная геометрия сопловой лопатки, получаемая при помощи данной технологии, позволяет избавиться от утечек, которые невозможно смоделировать и учесть при разработке.
Известна конструкция лопатки соплового аппарата (патент SU 1036090, МПК F01D 9/02, опубл. 10.12.2005) содержащая полое перфорированное перо, термопары, установленные в его отверстиях, и снабженные цилиндрическими экранами. С целью повышения точности измерений, отверстия выполнены в зоне входной кромки пера, термопары снабжены трубками, имеющими выступающие над ее поверхностью участки, а экраны размещены эксцентрично последним и закреплены на пере.
Недостатком известной конструкции является отсутствие системы охлаждения, что накладывает ограничение на температурный диапазон применения изделия.
Известна конструкция пера лопатки (патент GB2452026A, МПК F01D 17/02; F01D 5/14; G01F 1/46, опубл. 05.05.2010), аддитивно изготовленная со встроенными каналами для вывода препарирования и встроенными местами под установку датчиков давления и/или температуры непосредственно на поверхности. Перо предназначено для установки в газотурбинный двигатель, в том числе на экспериментальную установку. Предложен метод определения температуры продуктов сгорания путем отбора образца газа со входной кромки сопловой лопатки по трубкам, охлаждаемым в полостях лопатки и далее в системе отбора, и подачи образца газа в анализатор. Анализ отобранного газа подразумевает определение концентрации одного и более его компонентов. По значению концентрации и данным о составе и параметрах топлива и воздуха, вычисляется температура продуктов сгорания в области отбора образца.
Недостатком известной конструкции является отсутствие системы охлаждения, что накладывает ограничение на температурный диапазон применения изделия.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция лопатки (патент RU 2740069, МПК F01D 25/12, F01D 5/18, опубл. 31.12.2020) содержащая перфорированные наружную и внутреннюю полку, полое перфорированное перо, полость с возможностью установки дефлектора.
Недостатком известной конструкции является отсутствие возможности постановки датчиков на входной кромке пера и внутренних каналов для вывода их проводников подключения.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является отсутствие возможности установки датчиков, например, приемников давления, термопар и др. на входной кромке пера лопатки, а также невозможность вывода проводников подключения датчиков внутри пера при препарировании сопловой лопатки датчиками с целью измерения параметров, например, полного давления, полной температуры и др. при стендовых испытаниях газогенератора авиационного двигателя или полноразмерного авиационного двигателя, а также на экспериментальных установках.
Технической задачей является возможность установки датчиков на входной кромке пера лопатки, а также возможность вывода проводников подключения датчиков через внутренние каналы внутри пера, что повышает надежность и технологичность используемой при препарировании сопловой лопатки датчиками для измерения параметров.
Техническая задача решается тем, что в охлаждаемой сопловой лопатке турбины высокого давления турбореактивного двигателя, содержащей полое перфорированное перо с возможностью установки дефлекторов, перфорированные наружную и внутреннюю полку, согласно изобретению, в полом перфорированном пере организованы три полости (передняя, средняя и задняя) с индивидуальными системами охлаждения, дополнительно в передней полости пера расположено не менее пяти каналов вывода проводников подключения датчиков, выполненных зацело с дефлектором и полым перфорированным пером лопатки, на входной кромке пера лопатки расположено не менее пяти диффузоров, выполненных, в виде цилиндрических экранов, с возможностью установки в них датчиков, например, приемников давления, термопар и др. для измерения параметров, например, полного давления, полной температуры и др.
В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, организация внутри пера сопловой лопатки трех полостей (передней, средней и задней) с индивидуальными системами охлаждения позволяет эффективно охлаждать лопатку, что увеличивает надежность, исключает прогары при проведении испытаний в условиях высоких температур.
Выполнение не менее пяти каналов для вывода проводников в передней полости пера сопловой лопатки позволяет защитить проводники подключения датчиков от воздействия внешней среды с высокой температурой, что снижает вероятность выхода их из строя при испытаниях. Также размещение проводников подключения датчиков в каналах позволяет исключить их размещение в проточной части, обеспечивая расчетное обтекание профиля сопловой лопатки и корректное функционирование системы охлаждения, исключая прогары.
Выполнение в передней полости пера лопатки каналов вывода проводников подключения датчиков зацело с дефлектором и полым пером позволяет не только разместить проводники подключения датчиков внутри него, но и организовать систему охлаждения передней полости в условиях ограниченного пространства (одна часть которого занята каналами вывода проводников, а другая системой охлаждения), что приводит к снижению появления прогаров в цельновыращенной конструкции сопловой лопатки, повышая надежность при проведении испытаний в условиях высоких температур.
В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, выполнение не менее пяти диффузоров, реализованных, в виде цилиндрических экранов, на входной кромке пера сопловой лопатки позволяет не только установить датчик, например, приемник давления, термопару и др. на входной кромке лопатки, но и изолировать его от контакта с выдуваемым охлаждающим воздухом через отверстия перфорации, расположенные рядом на входной кромке лопатки, что повышает точность измерения параметров, например, полного давления, полной температуры и др. Также выполнение не менее пяти диффузоров на входной кромке каждой сопловой лопатки позволяет получить большое количество замеров параметров, что повышает качество измеряемого поля параметров.
На фиг. 1 изображено перо сопловой лопатки в разрезе.
На фиг. 2 изображено перо сопловой лопатки вид сверху.
На фиг. 3 изображено перо сопловой лопатки в области передней полости.
Охлаждаемая сопловая лопатка (без позиции) турбины высокого давления турбореактивного двигателя, содержащая полое перфорированное перо 1, перфорированную наружную 2 и внутреннюю 3 полки, в пере выполнено три полости: передняя 4, средняя 5 и задняя 6. Полости 5 и 6 выполнены с возможностью установки в них дефлекторов. В каждой из полостей 4, 5 и 6 организованы индивидуальные системы охлаждения (без позиции), включающие в себя: способ подвода охлаждающего воздуха, дефлектор и отверстия в пере лопатки.
Сопловая лопатка изготовлена по аддитивной технологии методом лазерного спекания.
В передней полости 4 имеется не менее пяти каналов вывода проводников 7, которые выполнены зацело с дефлектором 9 и пером сопловой лопатки 1.
В переднюю полость 4 охлаждающий воздух подводится сверху, распределяется в ней и выпускается в отверстия перфорации 14 в перелопатки 1, расположенные на входной кромке 10, корыте 11 и спинке 12. В среднюю полость 5 охлаждающий воздух подводится снизу, распределяется в ней и выпускается в отверстия перфорации 14 на корыте 11. Охлаждающий воздух в заднюю полость 6 подводится сверху, распределяется в ней и выпускается в отверстия перфорации 14 на корыте 11 и в щель 13 в области выходной кромки 15.
На входной кромке 10 сопловой лопатки (без позиции) выполнено не менее пяти диффузоров 8, реализованных, в виде цилиндрических экранов, с равным шагом по высоте, в которых с двух сторон, со стороны спинки 12 и со стороны корыта 11 выполнены отверстия 16 для сброса набегающего потока рабочего тела. Диффузоры 8, выполнены с возможностью установки в них датчиков, например, приемников давления, термопар и др.
Описанная сопловая лопатка предназначена для измерения параметров рабочего тела за камерой сгорания (на входе в турбину высокого давления) в стендовых испытаниях газогенератора или полноразмерного двигателя, а также на экспериментальных установках. Лопатка препарируется приемниками давления и/или датчиками термопар для определения полного давления и/или полной температуры, установка которых происходит при помощи вспомогательных растворов, позволяющих закрепить как датчики, так и проводники их подключения.
Предлагаемое изобретение успешно показало свою работоспособность в составе полноразмерного газогенератора авиационного двигателя на всех режимах испытаний, как при работе при атмосферных условиях, так и с имитацией условий работы полноразмерного авиационного двигателя.
Таким образом, предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками, позволяет повысить надежность и технологичность сопловой лопатки при препарировании.