Охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления
COOLED HIGH PRESSURE TURBINE VANE

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к конструкциям охлаждаемых сопловых лопаток, и может найти применение в конструкциях турбин высокого давления.
Известна конструкция охлаждаемой сопловой лопатки турбины, содержащей полое перо лопатки с отверстиями, в которое входит рубашка охлаждения с воротником и просверленными в нем отверстиями (Патент РФ на изобретение №2439334 МПК F01D 5/18. приоритет от 28.03.2007, опубл. 10.01.2012 бюл. №1).
Недостатком данной конструкции охлаждаемой сопловой лопатки турбины является то, что в ней осуществлен односторонний подвод охлаждающего воздуха в верхней части лопатки, также внутри лопатки организована одна полость, из которой охлаждающий воздух поступает в перфорационные отверстия на охлаждение входной кромки, спинки и корыта лопатки. При такой схеме не обеспечивается необходимый перепад давления между охлаждающим воздухом во внутренней полости лопатки и газом в проточной части в районе входной кромки и в нижней части лопатки, что ухудшает тепловое состояние лопатки.
Известна конструкция охлаждаемой сопловой лопатки турбины, которая выполнена за одно целое с большой и малой полками и наделенных каждая радиально ориентированной перегородкой, разделяющей внутренний объем пера лопатки на переднюю и заднюю полости, причем большое воздухозаборное кольцо расположено под фланцем наружного кольца соплового аппарата и выполнено в виде моноэлемента с фронтальным фланцем с приливами, имеющими отверстия под крепежные элементы. (Патент РФ на изобретение №26830530 МПК F01D 5/18 F02C/16 F01D 9/02, приоритет от 24.05.2018, опубл. 26.03.2019, Бюл. №9).
Наиболее близкой является охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления, содержащая верхнюю и нижнюю полки, между которыми расположено полое перо аэродинамического профиля, выполненное за одно целое с верхней и нижней полками, причем перо имеет внутреннюю радиальную перегородку, выполненную за одно целое с пером лопатки, разделяющую полое перо на переднюю и заднюю внутренние полости относительно нагнетаемого потока воздуха, причем задняя внутренняя полость пера снабжена дефлектором, передняя внутренняя полость пера лопатки содержит перфорированные отверстия (Патент РФ на изобретение №2688052 МПК F01D 5/18, приоритет от 24.05.2018, опубл. 17.05.2019 бюл. №14)
Так как в представленных решениях передняя полость снабжена диагонально усеченным дефлектором, который делит переднюю полость на две раздельные полости: полость входной кромки и полость корыта и спинки лопатки, при этом охлаждающий воздух из полостей выбрасывается в проточную часть через перфорированные отверстия, то недостатками описанных выше решений является наличие сложно профилированного дефлектора передней полости, изготовление и постановка которого в лопатку усложняет производство лопаток. Также недостатком являются утечки между полостями в стыках дефлектора и сопловой лопатки, что снижает эффективность охлаждения сопловой лопатки, а так же снижает стабильность теплового состояния за счет низкой точности изготовления лопатки методом литья, а дефлектора методом штамповки. Также недостатком является наличие единой полости спинки и корыта лопатки, так как вследствие того, что перепад давления между полостью и проточной частью со стороны спинки лопатки выше, чем между полостью и проточной частью со стороны корыта лопатки, имеет место неравномерный выдув охлаждающего воздуха, что снижает эффективность охлаждения сопловой лопатки, а так же снижает стабильность теплового состояния.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности теплового состояния, гидравлических характеристик соплового аппарата и эффективности охлаждения пера лопатки, за счет эффективного распределения охлаждающего воздуха идущего в каждую полость благодаря раздельному подводу охлаждающего воздуха к данным полостям и за счет устранения утечек охлаждающего воздуха между полостями охлаждения благодаря образованию с помощью радиальных перегородок внутри полого пера раздельных полостей охлаждения входной кромки, полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта лопатки, и за счет перекрытия полости охлаждения входной кромки пера лопатки, и полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта, и, следовательно, также, поскольку радиальные перегородки выполнены за одно целое с лопаткой и получаются литьем, то снижается трудоемкость изготовления охлаждаемой сопловой лопатки, так как нет необходимости в изготовлении и установке в лопатку сложно профилированного дефлектора для разделения полостей.
Технический результат достигается тем, что охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления, содержащая верхнюю и нижнюю полки, между которыми расположено полое перо аэродинамического профиля, выполненное за одно целое с верхней и нижней полками, причем перо имеет внутреннюю радиальную перегородку, выполненную за одно целое с пером лопатки, разделяющую полое перо на переднюю и заднюю внутренние полости относительно нагнетаемого потока воздуха, причем задняя внутренняя полость пера снабжена дефлектором, передняя внутренняя полость пера лопатки содержит перфорированные отверстия в отличие от известного передняя внутренняя полость пера содержит дополнительные радиальные перегородки, выполненные за одно целое с пером лопатки, расположенные таким образом, что образуют полость охлаждения входной кромки пера, полость охлаждения вдоль спинки пера и полость охлаждения вдоль корыта пера, при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины, полости охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнены с возможностью перекрытия с помощью элемента перекрывания, элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнен в виде удлиненного фланца в верхней части дефлектора, установленного в задней внутренней полости пера, и соединен с помощью неразъемного соединения с верхней частью пера лопатки, а при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины в нижней части, элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнен в виде пластины в нижней части лопатки, установленной в задней внутренней полости пера с помощью неразъемного соединения с нижней частью пера лопатки, а при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины в верхней части пера.
В предложенном техническом решении для организации подвода охлаждающего воздуха к полостям с разных сторон полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи элемента перекрывания, как в верхней, так и в нижней части, также полости охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта пера лопатки выполнены с возможностью перекрытия с помощью элемента перекрывания как в верхней, так и в нижней части пера лопатки. Элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта пера лопатки может быть выполнен в виде удлиненного фланца в верхней части дефлектора, установленного в задней внутренней полости пера, и соединен с помощью неразъемного соединения с верхней частью пера лопатки, а при этом элемент перекрывания полости охлаждения входной кромки пера лопатки может быть выполнен при помощи пластины в нижней части, либо элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта может быть выполнен в виде пластины в нижней части лопатки, установленной в задней внутренней полости пера с помощью неразъемного соединения с нижней частью пера лопатки, а при этом элемент перекрывания полости охлаждения входной кромки пера лопатки в верхней части пера может быть выполнен в виде пластины или удлиненной части дефлектора установленного в задней внутренней полости пера, и соединенного с помощью неразъемного соединения с верхней частью пера лопатки.
На фигурах показаны:
Фиг. 1 - общий вид охлаждаемой сопловой лопатки;
Фиг. 2 - сечение профиля пера охлаждаемой сопловой лопатки;
Фиг. 3 а, б - перекрытие полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта лопатки в верхней части (а), и перекрытие полости охлаждения входной кромки пера лопатки выполнено в нижней части (б);
Фиг. 4 а, б - перекрытие полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта лопатки в нижней части пера лопатки (а), и перекрытие полости охлаждения входной кромки пера лопатки выполнено в верхней части (б).
Охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 полки, между которыми расположено полое перо 3 аэродинамического профиля (Фиг. 1).
Полое перо 3 выполнено за одно целое с верхней 1 и нижней 2 полками, причем перо 3 имеет внутреннюю радиальную перегородку 4.
Радиальная перегородка 4 выполнена за одно целое с пером 3 лопатки, разделяющую полое перо 3 на переднюю 5 и заднюю 6 внутренние полости относительно нагнетаемого потока воздуха (Фиг. 2).
Причем задняя 6 внутренняя полость пера 3 снабжена дефлектором 7, передняя внутренняя полость 5 пера 3 лопатки, в том числе и входная кромка 8 пера 3 лопатки, содержит перфорированные отверстия 9.
Передняя 5 внутренняя полость пера 3 содержит дополнительные радиальные перегородки 10, выполненные за одно целое с пером 3 лопатки, расположенные таким образом, что образуют полость охлаждения 11 входной кромки 8 пера 3, полость охлаждения вдоль спинки 12 пера 3 и полость охлаждения вдоль корыта 13 пера 3. Полости охлаждения вдоль спинки 12 и вдоль корыта 13 выполнены с возможностью перекрытия с помощью элемента перекрывания (Фиг. 2).
При этом полость охлаждения 11 входной кромки 8 пера 3 лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины 14 (Фиг. 3, б). Пластина 14 может быть установлена в нижней части пера 3 лопатки с помощью неразъемного соединения. Тогда элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки 12 и вдоль корыта 13 выполнен в виде удлиненного фланца 15 в верхней части дефлектора 7 (Фиг. 3, а), который установлен в задней 6 внутренней полости пера 3. При этом удлиненный фланец 15 дефлектора 7 соединен с помощью неразъемного соединения с верхней частью пера 3 лопатки.
Возможно исполнение элемента перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки 12 и вдоль корыта 13 в виде пластины 16 в нижней части пера лопатки, установленной с помощью неразъемного соединения (Фиг. 4, а). А пластина 17 для перекрытия полости охлаждения 11 входной кромки 8 может быть установлена с помощью неразъемного соединения для перекрытия входной кромки 8 пера 3 лопатки в верхней части пера 3 лопатки (Фиг. 4, б).
Охлаждаемая сопловая лопатка работает следующим образом.
Охлаждающий воздух из вторичной полости камеры сгорания или иного источника попадает в полость охлаждения 11 входной кромки 8 пера 3 лопатки и в полости охлаждения вдоль спинки 12 и вдоль корыта 13 лопатки.
Охлаждающий воздух из полостей охлаждения 11, 12 и 13 пера 3 лопатки поступает на пленочное и конвективное охлаждение пера сопловой лопатки, через перфорационные отверстия 9.
Благодаря перекрытию полостей 11 с одной стороны, и полостей 12, 13 с другой стороны, а также благодаря тому, что внутренняя радиальная перегородка 4 и дополнительные радиальные перегородки 10 пера 3 лопатки выполнены за одно целое с пером 3 лопатки организуется раздельный подвод охлаждающего воздуха к данным полостям, что позволяет организовать эффективное распределение охлаждающего воздуха идущего в каждую полость, и, следовательно повысить тепловое состояние. При этом устраняются перетечки охлаждающего воздуха между полостями 11, 12 и 13, тем самым между каждой отдельной полостью 11, 12, 13 и проточной частью сохраняется оптимальный перепад давления для эффективной работы перфорации и, следовательно, повышается эффективность охлаждения пера 3 лопатки с обеспечением минимальных потерь давления в турбине высокого давления.
Благодаря тому, что охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления, содержащая верхнюю и нижнюю полки, между которыми расположено полое перо аэродинамического профиля, выполненное за одно целое с верхней и нижней полками, причем перо имеет внутреннюю радиальную перегородку, выполненную за одно целое с пером лопатки, разделяющую полое перо на переднюю и заднюю внутренние полости относительно нагнетаемого потока воздуха, причем задняя внутренняя полость пера снабжена дефлектором, передняя внутренняя полость пера лопатки содержит перфорированные отверстия в отличие от известного передняя внутренняя полость пера содержит дополнительные радиальные перегородки выполненные за одно целое с пером лопатки, расположенные таким образом, что образуют полость охлаждения входной кромки пера, полость охлаждения вдоль спинки пера и полость охлаждения вдоль корыта пера, при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины, полости охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнены с возможностью перекрытия с помощью элемента перекрывания, элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта пера лопатки выполнен в виде удлиненного фланца в верхней части дефлектора, установленного в задней внутренней полости пера, и соединен с помощью неразъемного соединения с верхней частью пера лопатки, а при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины в нижней части, а если элемент перекрывания полостей охлаждения вдоль спинки и вдоль корыта выполнен в виде пластины в нижней части пера лопатки, установленной с помощью неразъемного соединения с нижней частью пера лопатки, то при этом полость охлаждения входной кромки пера лопатки выполнена с возможностью перекрытия при помощи пластины в верхней части пера достигается повышение стабильности теплового состояния, гидравлических характеристик соплового аппарата и эффективности охлаждения пера лопатки и снижение трудоемкости изготовления охлаждаемой сопловой лопатки.