ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE COOLED VANES, METHOD OF PRODUCING VANES

Настоящее изобретение относится к охлаждению лопаток газотурбинного двигателя, в частности лопаток сопла турбины.
В газотурбинном двигателе воздух сжимается в компрессоре и смешивается с топливом в камере сгорания. Поток, выходящий из камеры сгорания, вращает одну или несколько ступеней турбины, прежде чем попадет в выпускное сопло.
Ступени турбины содержат роторы, разделенные соплами или распределителями, для ориентации потока газа. Из-за температуры проходящего через них газа лопатки работают в очень тяжелых условиях, поэтому их необходимо охлаждать, обычно путем принудительной конвекции или даже подавая воздух внутрь лопаток.
Одно техническое решение для охлаждения лопаток описано в документе ЕР №1191189.
На фиг.1 показана лопатка 1 распределителя по предшествующему уровню техники, где охлаждение обеспечивается продольной втулкой 4 с множеством перфораций. Лопатка 1 проходит между двумя платформами: внутренней платформой 3 и внешней платформой 2, которые определяют канал 5 циркуляции газа внутри турбины. Этот канал по окружности разделяется лопатками 1.
Втулка 4 с множеством перфораций вставлена в продольном направлении в центральную полость 6 лопатки 1. На уровне внешней платформы 2 по каналу 7 во втулку 4 подается холодный воздух, отобранный, например, от компрессора. Благодаря перепаду давления между внутренней полостью втулки 4 и периферийной зоной полости 6, ограниченной внешней стенкой втулки 4 и внутренней стенкой лопатки 1, часть воздуха проходит сквозь перфорации втулки 4 на внутреннюю стенку лопатки 1, тем самым обеспечивая ее охлаждение. Этот воздух затем откачивается в газовые потоки 5 вдоль задней кромки лопатки 1 через калиброванные отверстия. Остальной воздух откачивается через внутреннюю платформу 3 во второй канал 8, который направляет его к другим частям двигателя, которые необходимо охладить, таким как диск турбины или подшипники турбины.
Центральная полость 6 лопатки 1 содержит два отверстия 9, 10 на уровне внешней платформы 2 и внутренней платформы 3 соответственно. При сборке лопатки втулку 4 вставляют через внешнее отверстие 9 лопатки 1 и прочно крепят к внешней платформе 2 обычно пайкой твердым припоем вдоль стенки внешнего отверстия 9. Противоположная часть втулки 4 входит во внутреннее отверстие 10 лопатки 1, образующее направляющую во внутреннюю платформу 3, чтобы обеспечить возможность относительного перемещения между втулкой и лопаткой. Конечно, из-за разницы в материалах и в технологиях изготовления между лопаткой 1 и втулкой 4, а также из-за разницы в рабочих температурах, возникает разница в тепловом удлинении между лопаткой 1 и втулкой 4. Направляющая 10 обеспечивает прочность узла.
Лопатка 1 изготовлена методом литья, тогда как втулку 4 изготавливают обработкой давлением металлического листа. Учитывая разницу в способах изготовления лопатки 1 и втулки 4, зазор вдоль направляющей 10 является относительно существенным, и этот зазор возникает главным образом из-за производственных допусков. Это приводит к утечке воздуха на уровне выхода из втулки 4, поскольку давление в периферийной зоне полости 6 ниже, чем в центральном канале, образованном втулкой 4.
Как показано на фиг.2, утечка воздуха, представленная стрелкой F, является первым недостатком, влияющим на создание избыточного давления в периферийной зоне полости 6. Это избыточное давление препятствует внутреннему охлаждению лопатки 1 и особенно на уровне зоны передней кромки, являющейся наиболее горячей зоной, поскольку воздух, проходящий в центральной полости втулки 4, в меньшей степени стремится выйти через перфорации втулки 4 на внутреннюю стенку лопатки 1. Более того, воздух, поступающий в результате утечки, не участвует в охлаждении лопатки, поскольку он направляется прямо к выпускным отверстиям, расположенным на задней кромке. Кроме того, количество воздуха, направляемого в канал 8 для охлаждения других узлов двигателя, уменьшается в результате утечки.
Предлагалось устранять такую утечку системами уплотнения, но такие системы неблагоприятно влияют на скольжение втулки 4 в направляющей 10, необходимое для компенсации разницы в расширении, которая была упомянута выше.
Настоящее изобретение направлено на устранение указанных недостатков.
Для этого согласно настоящему изобретению предлагается охлаждаемая лопатка газотурбинного двигателя, содержащая литую часть и продольную втулку для направления потока охлаждающего воздуха, полученную путем обработки давлением металлического листа, при этом литая часть содержит продольный корпус, снабженный продольной полостью с первым отверстием для подачи и вторым отверстием для эвакуации воздуха на своих концах, при этом втулка установлена в полости путем ее крепления к стенке первого отверстия, одна концевая часть которой выполнена с возможностью свободного скольжения во втором отверстии, образующем направляющую, отличающаяся тем, что указанная концевая часть, направляемая направляющей, содержит ограничитель его проходного сечения для потока воздуха.
Решение, предлагаемое в настоящем изобретении, является простым и экономичным. Оно обладает дополнительным преимуществом, которое состоит в том, что появляется возможность калибровать охлаждающий поток воздуха на дисках.
Ниже следует более подробное описание настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
Фиг.1 - продольное сечение лопатки по предшествующему уровню техники;
Фиг.2 - продольное сечение втулки в направляющей лопатки по фиг.1;
Фиг.3 - продольное сечение первого варианта лопатки по настоящему изобретению;
Фиг.4 - продольное сечение втулки в направляющей лопатки по фиг.3;
Фиг.5 - продольное сечение втулки по второму варианту лопатки по настоящему изобретению;
Фиг.6 - продольное сечение втулки по третьему варианту лопатки по настоящему изобретению.
Хотя настоящее изобретение относится к лопаткам всех типов, оно будет описано со ссылками на лопатки сопла торбины.
Как показано на фиг.3, распределительная лопатка 11 по настоящему изобретению проходит между внешней платформой 12 и внутренней платформой 13 сопла газотурбинного двигателя, что определяет кольцевой канал 15 циркуляции газа в турбине. Она содержит центральную продольную полость 16, имеющую отверстия - внешнее 19 и внутреннее 20 на уровне внешней платформы 12 и внутренней платформы 13 соответственно.
Втулка 14 вставлена в центральную полость 16 лопатки и определяет периферийную охлаждающую полость между внешней стенкой втулки 14 и внутренней стенкой лопатки 11. Втулка 14 прикреплена к стенке внешнего отверстия 19 лопатки 11, например, пайкой твердым припоем или сваркой. Кроме того, она направляется у конца 21 во внутреннее отверстие 20, образующее для этой цели направляющую скольжения. Соответственно, втулка имеет возможность скользить внутри направляющей 20, сохраняя целостность узла лопатки независимо от разных коэффициентов теплового расширения его отдельных деталей.
На внешнюю платформу 12 и втулку 14 по каналу 17 подается воздух, поступающий от охлаждающих ступеней газотурбинного двигателя. Из-за перепада давления, имеющегося между центральной полостью втулки 14 и периферийной охлаждающей полостью 16, часть этого воздуха выбрасывается из центральной полости втулки 14 к внутренней стенке лопатки через перфорации, выполненные для этой цели во втулке 14, особенно со стороны ведущей кромки лопатки 11. Этот воздух затем эвакуируется через калиброванные перфорации задней кромки лопатки 11.
Часть воздуха, не выброшенная на внутреннюю стенку лопатки 11, эвакуируется из втулки 14 через канал 18, проходящий на уровне внутренней платформы 13, после направляющей 20.
Как показано на фиг.4, втулка 14 лопатки 11 по фиг.3, выполненная методом сгибания листового металла, отбортована в зоне своего концевого участка 21, входящего в направляющую 20 для получения сужения 22 для потока воздуха, который направляется в ее полость. Более конкретно, сужение 22 выполнено в зоне концевой части 21 втулки 14, предназначенной для размещения внутри направляющей 20. В варианте по фиг.4 этот сгиб имеет криволинейный профиль.
Фактически задачей является создание на концевой части 21 втулки 14, размещенной в направляющей 20, зоны 22, поперечные размеры которой являются четко ограниченными относительно поперечного размера направляющей 20.
Соответственно, благодаря сгибу втулки 14 снимается нагрузка на согнутом конце 22 втулки 14. Это приводит к падению статического давления на выходе втулки 14. Следовательно, благодаря формированию специально созданного для этой цели сгиба имеется возможность регулировать статическое давление на выходе из втулки 14 относительно статического давления в охлаждающей зоне полости 16 лопатки таким образом, чтобы устранить или по меньшей мере уменьшить в направляющей 20 утечку воздуха на выходе из втулки 14 в направлении зоны охлаждения.
Соответственно, благодаря настоящему изобретению имеется возможность устранить утечку воздуха, не меняя ни конструкцию, ни технологию изготовления корпуса лопатки 11, а просто придавая соответствующую форму концевой части 21 втулки 14, без дополнительных производственных затрат.
На фиг.5 показан второй вариант втулки 14' лопатки 1. В этом случае для получения результатов, аналогичных вышеописанным, рекомендуется к концевой части 21' втулки 14', вводимой в направляющую 20, припаивать твердым припоем или приваривать калиброванную пластину 23', перфорированную на большей части ее поверхности, в данном случае с образованием сквозного отверстия 24'. Таким образом, возникает часть 22', имеющая ограниченные поперечные размеры относительно поперечных размеров направляющей 20.
На фиг.6 показан третий вариант втулки 14" лопатки 1. В этом последнем случае предлагается к концевой части 21" втулки 14", предназначенной для ввода в направляющую 20, припаивать твердым припоем коническую трубку 23", поперечный размер которой сужается по мере удаления от конца втулки 14". Таким образом, образуется часть 22", имеющая ограниченные поперечные размеры относительно поперечных размеров направляющей 20.
Третий вариант втулки по настоящему изобретению имеет преимущества по сравнению со вторым вариантом, поскольку позволяет минимизировать нагрузочные потери на входе в конус.