ЛОПАТКА ТУРБИНЫ С УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ СТРУКТУРОЙ И ГАЗОВАЯ ТУРБИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКУЮ ЛОПАТКУ
TURBINE BLADE WITH IMPROVED STRUCTURE AND GAS TURBINE CONTAINING SUCH A BLADE

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к области лопаток авиационных газовых турбин высокого давления и, в частности, к внутренней структуре этих лопаток, а также к газовой турбине, содержащей такие лопатки.
Уровень техники
Рабочие лопатки газовой турбины авиационного двигателя и, в частности, турбины высокого давления, подвергаются воздействию сверхвысоких температур газообразных продуктов сгорания во время работы двигателя. Эти температуры достигают значений, намного выше температур, которые могут выдерживать без риска повреждения различные детали, входящие в контакт с этими газами, в результате чего их срок службы сокращается.
Кроме того, повышение температуры газов на турбине высокого давления позволяет повысить КПД двигателя, то есть соотношение между тягой двигателя и весом самолета, приводимого в движение этим двигателем. Следовательно, были приложены усилия для получения лопаток турбины, которые могут выдерживать все более высокие температуры, и для оптимизации охлаждения этих лопаток.
Как известно, в этих лопатках выполняют контур охлаждения, предназначенный для снижения их температуры. Благодаря таким контурам, охлаждающий воздух (или «холодный» воздух), который, как правило, поступает в лопатку через ее ножку, проходит через нее по пути, образованном полостями, выполненными в толщине лопатки, после чего выходит через отверстия, открывающиеся на поверхность лопатки.
Такие контуры охлаждения называются «продвинутыми», когда они состоят из нескольких независимых полостей в толщине лопатки или когда некоторые из этих полостей специально предназначены для локального охлаждения. Эти полости позволяют получить лопатку, совместимую с требованиями улучшенной работы двигателей и увеличения срока службы деталей. В качестве примера можно упомянуть продвинутый контур охлаждения, раскрытый в документе ЕР 1741875.
Недостатком таких продвинутых контуров является большой перепад температуры между наружными стенками лопатки, входящими в контакт с проточным трактом, и стенками в центре лопатки. Это большие температурные перепады приводят к расширениям и к напряжениям, которые могут сказаться на механической прочности лопатки во время работы и, следовательно, на сроке ее службы. Расширения стенок в орторадиальной плоскости создают, в частности, напряжения вокруг зон соединения между центром лопатки и стенками лопатки, которые могут привести к поломке.
Предложенные решения для преодоления этих проблем обычно состоят в увеличении толщины различных стенок, чтобы повысить их прочность. Однако понятно, что это сказывается на общих характеристиках лопатки.
Раскрытие сущности изобретения
Объектом изобретения является лопатка авиационной турбины, проходящая в радиальном направлении от ножки лопатки до верхней перегородки, при этом указанная лопатка содержит множество внутренних полостей, образующих по меньшей мере один контур охлаждения, при этом указанные внутренние полости ограничены, каждая, стенками среди внутренних стенок, стенкой корытца, стенкой спинки, ножкой лопатки и верхней перегородкой, при этом указанная лопатка отличается тем, что содержит по меньшей мере первую полость корытца и первую полость спинки, каждая из которых расположена смежно с первой сквозной полостью и с второй сквозной полостью, при этом первая полость спинки является смежной со стенкой спинки, первая полость корытца является смежной со стенкой корытца, при этом каждая из указанных первой и второй сквозных полостей проходит от стенки корытца до стенки спинки, при этом вторая сквозная полость содержит первую внутреннюю стенку, проходящую от стенки спинки до первой сквозной полости, и вторую внутреннюю стенку, проходящую от стенки корытца до первой сквозной полости, при этом первая внутренняя стенка и вторая внутренняя стенка отделены друг от друга.
Согласно примеру, вторая сквозная полость содержит участок, расположенный между первой полостью корытца и первой полостью спинки.
Согласно примеру, первая полость корытца соединена по текучей среде с первой сквозной полостью, и первая полость спинки соединена по текучей среде с второй сквозной полостью.
Согласно примеру, лопатка содержит вторую полость корытца, вторую полость спинки и третью сквозную полость,
в которой третья сквозная полость проходит от стенки корытца до стенки спинки, при этом вторая полость корытца и вторая полость спинки являются, каждая, смежными с второй сквозной полостью и с третьей сквозной полостью, вторая полость спинки является смежной со стенкой спинки, вторая полость корытца является смежной со стенкой корытца, и в которой третья сквозная полость содержит третью внутреннюю стенку, проходящую от стенки спинки до второй сквозной полости, и четвертую внутреннюю стенку, проходящую от стенки корытца до второй сквозной полости, при этом указанные третья внутренняя стенка и четвертая внутренняя стенка отделены друг от друга.
Третья сквозная полость обычно содержит участок, расположенный между второй полостью корытца и второй полостью спинки.
Вторая полость корытца обычно соединена по текучей среде с первой полостью спинки, и вторая полость спинки соединена по текучей среде с третьей сквозной полостью.
Согласно варианту осуществления, лопатка содержит третью полость корытца, третью полость спинки и четвертую сквозную полость, в которой четвертая сквозная полость проходит от стенки корытца до стенки спинки, третья полость корытца и третья полость спинки являются смежными, каждая, с третьей сквозной полостью и с четвертой сквозной полостью, третья полость спинки является смежной со стенкой спинки, третья полость корытца является смежной со стенкой корытца, и в которой третья сквозная полость содержит пятую внутреннюю стенку, проходящую от стенки спинки до четвертой сквозной полости, и шестую внутреннюю стенку, проходящую от стенки корытца до четвертой сквозной полости, при этом указанные пятая внутренняя стенка и шестая внутренняя стенка отделены друг от друга.
Все или часть сквозных полостей могут содержать по меньшей мере одну усилительную стойку, расположенную внутри одной из указанных сквозных полостей и соединяющую ножку лопатки с верхней перегородкой, при этом указанная усилительная стойка отделена от внутренних стенок, от стенки корытца и от стенки спинки.
Объектом изобретения является также газовая турбина, содержащая заявленные лопатки.
Краткое описание чертежей
Изобретение и его преимущества будут более понятны из нижеследующего подробного описания различных вариантов осуществления изобретения, представленных в качестве неограничивающих примеров. Это описание представлено со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
на фиг. 1 показан пример лопатки авиационной турбины, вид в перспективе;
на фиг. 2 показан пример такой лопатки, вид в разрезе;
на фиг. 3 показан другой пример такой лопатки, вид в разрезе.
На всех фигурах общие элементы имеют одинаковые цифровые обозначения.
Осуществление изобретения
Далее следует описание изобретения со ссылками на фиг. 1-3.
На фиг. 1 показана рабочая лопатка 10, например, металлическая лопатка турбины высокого давления газотурбинного двигателя. Разумеется, настоящее изобретение можно также применять для других рабочих лопаток или лопаток статора газотурбинного двигателя.
Лопатка 10 содержит аэродинамическую поверхность 12 (или перо), которая расположена радиально между ножкой 14 лопатки и вершиной 16 лопатки.
Ножка 14 лопатки выполнена с возможностью установки в диске ротора турбины высокого давления, при этом вершина 16 лопатки расположена противоположно ножке 14 лопатки в радиальном направлении.
Аэродинамическая поверхность 12 имеет четыре разные зоны: переднюю кромку 18, расположенную напротив потока горячих газов, выходящих из камеры сгорания газотурбинного двигателя, заднюю кромку 20, противоположную к передней кромке 18, стенку 22 корытца и стенку 24 спинки, при этом стенки корытца 22 и спинки 24 соединяют переднюю кромку 18 с задней кромкой 20.
На уровне вершины 16 лопатки аэродинамическая поверхность 12 лопатки закрыта поперечной стенкой 26. Кроме того, аэродинамическая поверхность 12 проходит в радиальном направлении слегка за пределы этой поперечной стенки, образуя кювету 28, называемую в дальнейшем ванночкой лопатки. Эта ванночка 28 имеет дно, образованное поперечной стенкой 26, бортик, образованный аэродинамической поверхностью 12, и открыта в сторону вершины 16 лопатки. Обычно в стенке 22 корытца и/или в стенке 24 спинки выполнены отверстия 30, обеспечивающие впуск и/или нагнетание воздуха между внутренними полостями лопатки и наружной средой.
Как правило, лопатка 10 содержит один или несколько контуров охлаждения, образованных внутренней структурой лопатки 10, описание которой следует ниже.
На фиг. 2 и 3 в разрезе показаны два варианта лопатки, показанной на фиг. 1, например, по плоскости сечения Р, показанной на фиг. 1.
Как показано на этих фигурах, лопатка 10 является полой, и ее внутренний объем состоит из множества внутренних полостей, разделенных внутренними стенками.
В примере, представленном на фиг. 2, лопатка 10 содержит 11 внутренних полостей, обозначенных позициями С1-С11.
Как показано на фиг. 2, в представленном примере часть этих внутренних полостей, в данном случае внутренние полости С1, С4, С7, С10 и С11 расположены между стенкой 22 корытца и стенкой 24 спинки; таким образом, их можно обозначить как сквозные внутренние полости. Внутренние полости С1, С4, С7, С10 и С11 называются соответственно первой, второй, третьей, четвертой и пятой сквозными внутренними полостями. Первая сквозная внутренняя полость С1 образует переднюю кромку 18 лопатки 10, тогда как пятая сквозная полость С11 расположена в продолжении внутренней полости С10 и образует заднюю кромку 20 лопатки 10.
Остальные внутренние полости, то есть внутренние полости С2, С3, С5, С6, С8 и С9, не являются сквозными, то есть каждая из них является смежной с одной среди стенок 22 корытца или 24 спинки, но они не доходят до другой среди стенок 22 корытца или 24 спинки.
Среди этих несквозных внутренних полостей внутренние полости С3, С6 и С9 являются смежными со стенкой 24 спинки; их называют соответственно первой, второй и третьей полостями спинки. Внутренние полости С2, С5 и С8 являются смежными со стенкой 22 корытца; соответственно их называют первой, второй и третьей полостями корытца. Понятно, что такой пример внутренней структуры лопатки 10 является чисто иллюстративным и что настоящее изобретение можно применять для любой внутренней структуры лопатки 10.
Как было указано во вступительной части настоящей патентной заявки, одной из главных проблем при создании такой лопатки 10 является ее прочность во время работы, в частности, с учетом расширений, происходящих в различных областях лопатки 10, и, в частности, вытекающих отсюда напряжений в орторадиальной плоскости лопатки 10.
Для решения этой проблемы настоящим изобретением предложена особая структура для стенок, ограничивающих сквозные полости и полости корытца и спинки.
Как показано на фиг. 2, вторая, третья и четвертая сквозные внутренние полости С4, С7 и С10 имеют специфическую структуру, при которой их стенки доходят до другой сквозной внутренней полости.
В частности, что касается второй сквозной внутренней полости С4, то она ограничена первой внутренней стенкой Р1, которая проходит от стенки 24 спинки до первой сквозной полости С1, и второй внутренней стенкой Р2, которая проходит от стенки 22 корытца до первой сквозной полости С1. Первая внутренняя стенка Р1 и вторая внутренняя стенка Р2 отделены друг от друга. Такая структура позволяет второй сквозной полости С4 располагаться между первой полостью С2 корытца и первой полостью С3 спинки, поэтому текучая среда, которая нагревается при прохождении через вторую полость С5 корытца и затем через первую полость С3 спинки, циркулирует во второй сквозной полости С4 и обдувает стенки первой полости С2 корытца и первой полости С3 спинки, уменьшая, таким образом, термический градиент между наружными стенками лопатки 10 (то есть стенкой 22 корытца и стенкой 24 спинки) и внутренними стенками (в данном случае первой внутренней стенкой Р1 и второй внутренней стенкой Р2). Кроме того, разделение первой внутренней стенки Р1 и второй внутренней стенки Р2 позволяет уменьшить напряжения вокруг их соответствующих соединений со стенками спинки и корытца, например, по сравнению со структурой, в которой эти внутренние стенки Р1 и Р2 совпадают.
Третья сквозная полость С7 имеет по существу другую структуру. В частности, эта третья сквозная полость С7 ограничена третьей внутренней стенкой Р3, которая проходит от стенки 24 спинки до второй сквозной полости С4, четвертой внутренней стенкой Р4, которая проходит от стенки 22 корытца до второй сквозной полости С4, при этом третья внутренняя стенка Р3 и четвертая внутренняя стенка Р4 отделены друг от друга, а также ограничена пятой внутренней стенкой Р5, которая проходит от стенки 24 спинки до четвертой сквозной полости С10, шестой внутренней стенкой Р6, которая проходит от стенки 22 корытца до четвертой сквозной полости С10, при этом пятая внутренняя стенка Р5 и шестая внутренняя стенка Р6 отделены друг от друга и образуют соответственно третью полость С9 спинки со стенкой 24 спинки и третью полость С8 корытца со стенкой 22 корытца. Такая структура позволяет третьей сквозной полости С7 располагаться между второй полостью С5 корытца и второй полостью С6 спинки, с одной стороны, и между третьей полостью С8 корытца и третьей полостью С9 спинки, с другой стороны, поэтому текучая среда, которая нагревается при прохождении через третью полость С8 корытца, затем через вторую полость С6 спинки, циркулирует в третьей сквозной полости С7 и обдувает стенки второй и третьей полостей С5 и С8 корытца и второй и третьей полостей С6 и С9 спинки, уменьшая, таким образом, термический градиент между наружными стенками лопатки 10 (то есть стенкой 22 корытца и стенкой 24 спинки) и внутренними стенками (в данной случае третьей внутренней стенкой Р3, четвертой внутренней стенкой Р4, пятой внутренней стенкой Р5 и шестой внутренней стенкой Р6). Кроме того, разделение внутренних стенок Р3 и Р4, с одной стороны, и внутренних стенок Р5 и Р6, с другой стороны, позволяет уменьшить напряжения вокруг их соответствующих соединений со стенками спинки и корытца, например, по сравнению со структурой, в которой эти стенки попарно совпадают.
Таким образом, каждая полость корытца и спинки является смежной с двумя сквозными полостями и не является смежной с другой полостью корытца или спинки. Под термином «смежные» следует понимать, что рассматриваемые полости имеют по меньшей мере одну общую стенку.
Преимуществом лопатки 10, имеющей структуру, показанную на фиг. 2, является, в частности, то, что она позволяет уменьшить термический градиент между различными внутренними и наружными стенками лопатки 10 и, следовательно, ограничить разность расширения между стенками, которая является важным фактором при создании усилий во время работы. Кроме того, возможность циркуляции воздуха между различными внутренними стенками, в частности, между первой внутренней стенкой Р1 и второй внутренней стенкой Р2 через вторую сквозную полость С4, позволяет контролировать температуру этих внутренних стенок и удерживать их в температурном диапазоне, при котором рассматриваемые материалы имеют оптимальные механические свойства. Это же относится и к другим внутренним стенкам Р3-Р6.
Направление циркуляции текучей среды в различных полостях лопатки, образующих контур охлаждения, может быть определено в зависимости от нескольких конфигураций, при этом геометрия внутренних стенок Р1-Р6 не имеет значения. Например, можно указать конфигурацию, в которой каждая полость корытца соединена по текучей среде по меньшей мере с одной сквозной полостью, и каждая полость спинки соединена по текучей среде по меньшей мере с одной сквозной полостью. Каждая полость корытца и спинки может быть также соединена по текучей среде с другой полостью корытца или спинки. Все или часть полостей корытца, спинки и сквозных полостей могут быть также соединены с отверстиями 30, выполненными в стенке 22 корытца и/или в стенке 24 спинки лопатки 10.
Кроме того, лопатка 10, содержащая описанные внутренние стенки Р1-Р6, обладает улучшенной технологической гибкостью по сравнению с лопаткой 10, внутренние стенки которой проходят линейно от стенки 22 корытца до стенки 24 спинки, как, например, в случае, представленном в патентной заявке ЕР 1741875. Действительно, если рассматривать лопатку 10, показанную на фиг. 2 и 3, можно отметить, что она содержит ограниченное число поперечных стенок (то есть стенок, проходящих по существу линейно между стенкой 22 корытца и стенкой 24 спинки) по сравнению с лопаткой, раскрытой в патентной заявке ЕР 1741875 и содержащей эквивалентное число внутренних полостей.
В примере, представленном на фиг. 3, пятая внутренняя стенка Р5 исключена, поэтому полости С9 и С10 объединены и образуют единую полость С12. Такой вариант осуществления обеспечивает прямое охлаждение стенки 24 спинки, смежной с задней кромкой 20, и позволяет при этом сохранить механически гибкую структуру и избежать осуществления поперечной стенки, проходящей между стенкой 22 корытца и стенкой 24 спинки внутри полости С12. Такой вариант осуществления является предпочтительным в случаях, когда температура текучей среды или проточного тракта, в котором работает лопатка, значительно отличается от температуры охлаждающей текучей среды, циркулирующей внутри лопатки 10.
В примерах, представленных на фиг. 2 и 3, лопатка 10 содержит усилительные стойки, расположенные внутри сквозных полостей лопатки 10 и проходящие от ножки лопатки 10 до верхней перегородки, то есть до поперечной стенки 26, образующей дно ванночки 28 лопатки 10.
В примерах, представленных на фиг. 2 и 3, лопатка 10 содержит две усилительные стойки 50 и 60, расположенные соответственно внутри второй сквозной полости С4 и третьей сквозной полости С7.
Каждая из этих усилительных стоек 50 и 60 проходит от ножки лопатки 10 до ее верхней перегородки и расположена внутри сквозной полости, оставаясь отделенной от стенки 22 корытца, от стенки 24 спинки и от внутренних стенок, ограничивающих сквозные полости.
Таким образом, усилительные стойки 50 и 60 полностью находятся, каждая, в канале охлаждения лопатки 10 и, следовательно, имеют температуру воздуха, циркулирующего в рассматриваемом охлаждающем канале, то есть на них напрямую не влияет температура стенки 22 корытца и стенки 24 спинки. Действительно, ножка лопатки находится под воздушным каналом и работает при температуре воздуха, охлаждающего лопатку 10.
Наличие таких усилительных стоек 50 и 60 позволяет сдерживать центробежное усилие без создания усилий в орторадиальной плоскости. Поскольку усилительные стойки 50 и 60 сдерживают центробежные усилия, другие стенки лопатки 10 можно выполнить более тонкими, что позволяет свести к минимуму и даже устранить влияние усилительных стоек на вес лопатки 10 и на ее контур охлаждения.
Как правило, усилительные стойки 50 и 60 центрованы по осевой линии профиля лопатки 10, если рассматривать вид в разрезе в радиальном направлении, как показано на фиг. 2 и 3, что улучает восприятие центробежного усилия усилительными стойками 50 и 60.
Число и место расположения усилительных стоек могут меняться в зависимости от геометрии лопатки 10 и от условий, в которых она должна работать. Действительно, понятно, что варианты осуществления, представленные на фиг. 2 и 3, каждый из которых содержит две усилительные стойки, не являются ограничивающими, и лопатка 10 может содержать единственную усилительную стойку или 3, 4, 5 или более 5 усилительных стоек, расположенных в разных сквозных полостях, или же несколько усилительных стоек, которые могут быть расположены внутри одной сквозной полости.
Усилительные стойки могут быть полнотелыми или полыми. На каждой из фиг. 2 и 3 представлен вариант осуществления, в котором усилительные стойки 50 и 60 являются полнотелыми.
В случае, когда усилительные стойки являются полыми, они могут иметь отверстия в виде щелей и/или круглых отверстий, чтобы обеспечивать циркуляцию воздуха внутри усилительных стоек, например, чтобы обеспечивать поток охлаждающей текучей среды, который должен быть направлен к критической зоне лопатки 10, поскольку такой поток термически изолирован по отношению к стенке 22 корытца или к стенке 24 спинки.
Как правило, усилительные стойки имеют круглое, овальное или яйцевидное сечение, при этом понятно, что в случае лопатки 10, содержащей несколько усилительных стоек, они могут иметь разные геометрические формы. Кроме того, усилительные стойки могут иметь постоянное сечение или переменное сечение по высоте лопатки 10.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на конкретные примеры осуществления, в эти примеры можно, разумеется, вносить изменения, не выходя за пределы общего объема изобретения, определенного формулой изобретения. В частности, число контуров охлаждения и полостей, образующих каждый из этих контуров, не ограничивается числом, указанным в этом примере. Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать как иллюстративные, а не ограничивающие.
Очевидно также, что все признаки, описанные в связи со способом, можно транспонировать отдельно или в комбинации на устройство, и, наоборот, все признаки, описанные в связи с устройством, можно транспонировать отдельно или в комбинации на способ.