РЕГУЛИРУЕМАЯ ЛОПАТКА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ, ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ADJUSTABLE VANE OF TURBOJET ENGINE, TURBOJET ENGINE, GAS TURBINE ENGINE

Настоящее изобретение относится к области охлаждения регулируемых лопаток турбореактивного двигателя, в частности лопаток турбин высокого давления.
Известно, что оснащение регулируемых лопаток турбины газотурбинного двигателя, а именно турбин высокого и низкого давления, внутренними контурами охлаждения позволяет выдерживать, не подвергаясь разрушению, высокие температурные режимы во время эксплуатации турбореактивного двигателя. Так, в турбине высокого давления температура газов, истекающих из камеры сгорания, достигает показателей, значительно превышающих значения, которые без повреждений могут выдерживать регулируемые лопатки турбины, что, соответственно, приводит к ограничению их срока эксплуатации.
При использовании таких контуров охлаждения воздух подается в лопатку через ее ножку, проходит сквозь лопатку по имеющимся внутри нее каналам, а затем выводится наружу через расположенные на поверхности лопатки отверстия.
Существует множество различных вариантов изготовления подобных контуров охлаждения. Так, используемые в некоторых контурах полости, предназначенные для охлаждения, размещаются по всей ширине лопатки, что является негативным моментом, снижающим тепловую эффективность процесса охлаждения. Для устранения данного недостатка в других контурах, как это показано в патентах ЕР 1288438 и ЕР 1288439, предлагается использовать располагаемые вдоль кромок полости охлаждения, которые занимают лишь одну сторону лопатки (внутреннюю или внешнюю) или две стороны лопатки с дополнительным задействованием большой центральной полости, размещаемой между расположенными вдоль кромок полостями. Такие контуры являются эффективными с точки зрения решения температурных аспектов проблемы, однако они остаются дорогостоящими и сложными в процессе их отливки. Кроме того, такие лопатки имеют большой вес.
Задачей настоящего изобретения является устранение отмеченных недостатков и разработка центрального контура охлаждения регулируемой лопатки, позволяющего получить эффективное охлаждение лопатки при одновременном снижении затрат по ее изготовлению.
В связи с этим предлагается регулируемая лопатка турбореактивного двигателя, центральная часть которой разделена геометрическими линиями на четыре граничащие друг с другом внутренние зоны, располагаемые вдоль внутреннего выгиба, и на четыре граничащие друг с другом внешние зоны, располагаемые вдоль спинки лопатки; при этом внутренняя и внешняя зоны размещаются по обе стороны от линии вогнутости профиля лопатки, отличающаяся тем, что в своей центральной части она содержит независящие друг от друга внутренний контур охлаждения и внешний контур охлаждения, при этом внутренний контур охлаждения включает в себя три радиально расположенные полости, занимающие три граничащие друг с другом внутренние зоны, а внешний контур охлаждения включает в себя три радиально расположенные полости, занимающие четыре внешние зоны и одну оставшуюся внутреннюю зону.
Определенные таким образом внутренний и внешний контуры охлаждения имеют ассиметричную конфигурацию относительно внутренней и внешней поверхностей и располагаются ближе к соответствующим стенкам (внутренней и внешней) лопатки. Таким образом, имеется возможность учитывать различие уровней теплообмена, которые на внутренней поверхности лопатки ниже, чем на внешней. Представляется также возможным учитывать эффект кориолисовой силы, которая имеет тенденцию резко направлять воздушный поток на одну из стенок лопатки в зависимости от того, носит ли истечение воздуха центростремительный или центробежный характер. В связи с этим можно создать лопатку, в которой оптимально соотносятся масса, средняя температура и сроки ее эксплуатации при одновременно небольшой стоимости ее изготовления.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, внешний контур охлаждения может содержать первую полость и вторую полость, которые располагаются вдоль внешней стороны лопатки; третью полость, размещаемую между внутренней и внешней сторонами лопатки; впускное отверстие подачи воздуха на радиально расположенную оконечность первой полости; первый переходной канал, соединяющий другую радиально расположенную оконечность первой полости с соседней радиально расположенной оконечностью второй полости; второй переходной канал, соединяющий другую радиально расположенную оконечность второй полости с соседней радиально расположенной оконечностью третьей полости; выпускные отверстия, выводящие воздух из третьей полости и проходящие сквозь внутреннюю сторону лопатки.
Третья полость такого внешнего контура охлаждения может размещаться со стороны ребра атаки или ребра обтекания лопатки.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, внешний контур охлаждения может содержать первую полость и вторую полость, располагаемые вдоль внешней стороны лопатки; третью полость, располагаемую вдоль внутренней стороны лопатки; первый переходной канал, соединяющий другую радиально расположенную оконечность первой полости с соседней радиально расположенной оконечностью второй полости; второй переходный канал, соединяющий другую радиально расположенную оконечность второй полости с соседней радиально расположенной оконечностью третьей полости; выпускные отверстия, выводящие воздух из третьей полости и проходящие сквозь внутреннюю сторону лопатки.
Третья полость такого внешнего контура охлаждения может располагаться со стороны ребра атаки или ребра обтекания лопатки.
В изобретении предусматривается особая конструкция, в соответствии с которой внутренний контур охлаждения может содержать первую, вторую и третью полости, которые располагаются вдоль внутренней стороны лопатки; впускное отверстие подачи воздуха на радиально расположенную оконечность первой полости; первый переходной канал, соединяющий другую радиально расположенную оконечность первой полости с соседней радиально расположенной оконечностью второй полости; второй переходной канал, соединяющий другую радиально расположенную оконечность второй полости с соседней радиально расположенной оконечностью третьей полости; выпускные отверстия, выводящие воздух из третьей полости и проходящие сквозь внутреннюю сторону лопатки.
Лопатка также может содержать контур охлаждения ребра атаки и контур охлаждения ребра обтекания лопатки.
Объектом данного изобретения также является газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одну регулируемую лопатку, описанную ранее.
Объектом настоящего изобретения также является турбореактивный двигатель, который включает в себя, по меньшей мере, одну регулируемую лопатку, описанную ранее.
Краткое описание чертежей
Другие свойства и преимущества настоящего изобретения будут видны из приводимого ниже описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют один пример его осуществления, не имеющий при этом ограничительного характера, в числе которых:
- фиг.1 изображает вид поперечного сечения регулируемой лопатки турбореактивного двигателя, на котором обозначены геометрические очертания различных зон в центральной части лопатки;
- фиг.2 - вид в разрезе регулируемой лопатки в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
- фиг.3 и 4 - вид в разрезе лопатки, показанной на фиг.2, соответственно, в плоскостях III-III и IV-IV;
- фиг.5-7 изображает вид поперечного сечения регулируемых лопаток согласно другим вариантам осуществления изобретения.
На фиг.1 представлена регулируемая лопатка 10 турбореактивного двигателя, в частности регулируемая лопатка, установленная на турбине высокого давления. Изобретение также применимо и к другим регулируемым лопаткам турбореактивного двигателя, например, смонтированным на его турбинах низкого давления.
Лопатка 10 содержит аэродинамическую поверхность (или перо лопатки), которая вытянута в радиальном направлении от ножки лопатки 12 до ее вершины 14 (фиг.3 и 4). Такая аэродинамическая поверхность включает в себя ребро атаки 16, располагаемое против направления потока теплых газов, истекающих из камеры сгорания турбореактивного двигателя; ребро обтекания 18, располагаемое на стороне, противоположной ребру атаки 16; боковую внутреннюю сторону 20 и боковую внешнюю сторону 22, при этом боковые стороны 20 и 22 соединяют ребро атаки 16 и ребро обтекания 18.
С
Лопатка 10 имеет центральную часть , представляющую собой геометрическую зону, в которой расстояние между ее внутренней 20 и внешней 22 сторонами является максимальным.
С
S
Как это показано на фиг.1, центральная часть  лопатки геометрически разделена на четыре граничащие друг с другом внутренние зоны Z1-Z4, располагаемые вдоль внутренней стороны лопатки, и четыре граничащие друг с другом внешние зоны Z5-Z8, располагаемые вдоль внешней стороны, при этом внутренние и внешние зоны размещены по обе стороны от линии вогнутости профиля  лопатки.
S
Под линией вогнутости профиля лопатки понимается геометрическая линия . При этом расположенные на ней точки равноудалены от внутренней 20 и внешней 22 боковых сторон лопатки.
S
С
Линия вогнутости профиля  лопатки выделяет две основные зоны центральной части  лопатки, каждая из которых, в свою очередь, разделена на четыре граничащие друг с другом зоны тремя геометрическими линиями L1-L3, радиально разрезающими лопатку в направлении ее толщины.
2
Образующиеся таким образом внутренние Z1-Z4 и внешние Z5-Z8 геометрические зоны представляют собой наименьшие элементы, в которых могут содержаться полости для охлаждения. Площадь поперечного сечения таких зон обычной лопатки турбины высокого давления, как правило, составляет 3-10 мм.
С
Согласно настоящему изобретению, в центральная части лопатки  содержится внутренний контур охлаждения и внешний контур охлаждения, при этом внутренний контур охлаждения включает в себя три радиально расположенные полости, занимающие три граничащие друг с другом внутренние зоны, а внешний контур охлаждения включает в себя три радиально расположенные полости, занимающие четыре внешние зоны и одну оставшуюся внутреннюю зону.
Под радиально расположенной полостью, согласно описанию, понимается полость, вытянутая в радиальном направлении от ножки 12 до вершины 14 лопатки.
Рассматриваются и другие варианты изготовления внутреннего и внешнего контуров охлаждения лопатки.
Согласно варианту осуществления изобретения, изображенному на фиг.2-4, внутренний контур охлаждения лопатки 10а включает в себя три радиально расположенные полости 24а, 26а и 28а, занимающие, соответственно, три граничащие друг с другом внутренние зоны Z3, Z2 и Z1, показанные на фиг.1.
Внешний контур охлаждения лопатки содержит три радиально расположенные внешние полости 30а, 32а, 34а, которые занимают четыре внешние зоны Z5-Z8 и оставшуюся внутреннюю зону Z4.
Внешний контур лопатки содержит первую полость 30а, которая располагается вдоль внешней стороны лопатки и занимает внешнюю зону Z5; вторую полость 32а, которая располагается вдоль внешней стороны лопатки и занимает внешние зоны Z6-Z7; третью полость 34а, которая располагается между внутренней 20 и внешней 22 сторонами лопатки и занимает внешнюю зону Z8 и внутреннюю зону Z4.
S
Под полостью, располагаемой вдоль внешней стороны лопатки, понимается полость, которая вытянута относительно толщины лопатки от внешней стороны 22 лопатки до линии вогнутости ее профиля .
2
Площадь поперечного сечения полостей 30а и 34а внешнего контура охлаждения составляет более 4 мм.
Кроме того, третья полость 34а данного внешнего контура, вытянутая от внутренней стороны 20 до внешней стороны 22 лопатки, расположена ближе к ребру обтекания 18 лопатки.
Как это показано на фиг.3, внешний контур охлаждения также включает в себя впускное отверстие 36 (в данном случае на уровне ножки 12 лопатки) подачи воздуха через радиально расположенную оконечность первой полости 30а для снабжения им внешнего контура.
Первый переходной канал 38 соединяет другую радиально расположенную оконечность первой полости 30а (т.е. на уровне вершины 14 лопатки) с соседней радиально расположенной оконечностью второй полости 32а. Таким же образом второй переходной канал 40 соединяет другую радиально расположенную оконечность второй полости 32а с соседней радиально расположенной оконечностью третьей полости 34а.
Кроме того, выпускные отверстия 42а выводят воздух из третьей полости 34а через внутреннюю сторону 20 лопатки. Эти выпускные отверстия 42а равномерно распределены по всей радиальной высоте лопатки.
Из вышесказанного становится понятным процесс циркуляции охлаждающего воздуха по данному внешнему контуру. Используемый для охлаждения воздух поступает в контур через впускное отверстие 36. Воздух сначала проходит через первую полость 30а (движение потока носит центробежный характер), затем через вторую внутреннюю полость 32а (движение потока носит центростремительный характер) и, наконец, через центральную полость 34а (движение потока носит центробежный характер), а затем подается на внутреннюю сторону 20 лопатки через выпускные отверстия 42а.
Внутренний контур охлаждения лопатки включает в себя первую полость 24а, которая занимает внутреннюю зону Z3; вторую полость 26а, занимающую внутреннюю зону Z2, и третью полость 28а, которая занимает внутреннюю зону Z1.
S
Полости 24а-28а располагаются вдоль внутренней стороны лопатки, т.е. они вытянуты относительно толщины лопатки от внутренней стороны 20 лопатки до линии вогнутости профиля  лопатки.
2
Площадь поперечного сечения полостей 24а-28а составляет менее 15 мм.
Как это показано на фиг.4, внутренний контур охлаждения также содержит впускное отверстие 44 (в данном случае на уровне ножки 12 лопатки) подачи воздуха через радиально расположенную оконечность первой полости 24а для снабжения воздухом внутреннего контура.
Первый переходной канал 46 соединяет другую радиально расположенную оконечность (на уровне вершины 14 лопатки) первой полости 24а с соседней радиально расположенной оконечностью второй полости 26а. Аналогичным образом второй переходной канал 48 соединяет другую радиально расположенную оконечность второй полости 26а с соседней радиально расположенной оконечностью третьей полости 28а. Выпускные отверстия 50а выводят воздух из третьей полости 28а через внутреннюю сторону 20 лопатки.
Из вышесказанного становится понятным процесс циркуляции охлаждающего воздуха по данному внутреннему контуру. Предназначенный для охлаждения воздух поступает в контур через впускное отверстие 44. Затем воздух проходит через первую 24а, вторую 26а и третью 28а полости, после чего подается на внутреннюю сторону 20 лопатки через выпускные отверстия 50а.
Внутренние стенки полостей 24а, 26а, 28а, 30а, 32а и 34а внутреннего и внешнего контуров охлаждения преимущественно могут быть оснащены препятствующими истечению воздуха элементами 52, которые предназначены для усиления процесса теплообмена вдоль этих стенок.
Этими препятствующими истечению воздуха элементами могут быть ребра жесткости, располагаемые перпендикулярно или под углом относительно оси вращения лопатки, или клинья, или другие имеющие аналогичные формы детали.
На фиг.5 представлен вариант изготовления внутреннего и внешнего контуров охлаждения лопатки.
Внешний контур охлаждения лопатки 10b, согласно этому варианту осуществления изобретения, включает в себя первую полость 34b, занимающую внешнюю зону Z8; вторую полость 36b, занимающую внешние зоны Z6 и Z7; третью полость 38b, занимающую внешнюю зону Z5 и внутреннюю зону Z1.
В зависимости от вариантов изготовления, показанных на фиг.2-4, внешний контур отличается, в частности, тем, что третья полость 38b располагается со стороны ребра атаки 16 лопатки, а не со стороны ребра обтекания.
На радиально расположенной оконечности (на уровне ножки лопатки) первой полости 34b предусматривается наличие впускного отверстия подачи воздуха (не показано), а переходные каналы (не показаны) позволяют соединять различные полости 34b, 36b, 38b аналогично варианту изготовления внешнего контура, изображенному на фиг.2-4. Выпускные отверстия 42b выводят воздух из третьей полости 38b через внутреннюю сторону 20 лопатки. В этом внешнем контуре воздух циркулирует в направлении, обратном направлению движения воздуха в варианте изготовления, изображенном на фиг.2-4.
Внутренний контур охлаждения лопатки 10b, согласно варианту осуществления, включает в себя первую полость 24b, занимающую внутреннюю зону Z2; вторую полость 26b, занимающую внутреннюю зону Z3; третью полость 28b, занимающую внутреннюю зону Z4.
Как и в предыдущем варианте изготовления, на радиально расположенной оконечности (на уровне ножки лопатки) первой полости 24b предусматривается впускное отверстие подачи воздуха (не показано), а переходные каналы (не показаны) позволяют соединять различные полости 24b, 26b, 28b аналогично варианту изготовления внешнего контура, изображенному на фиг.2-4. Выпускные отверстия 50b выводят воздух из третьей полости 28b через внутреннюю сторону 20 лопатки. Во внутреннем контуре воздух циркулирует в направлении, обратном направлению движения воздуха в варианте изготовления, изображенном на фиг.2-4.
На фиг.6 представлен другой вариант изготовления внутреннего и внешнего контуров охлаждения лопатки.
Внешний контур охлаждения лопатки 10с согласно данному варианту осуществления включает в себя первую полость 34с, занимающую внешние зоны Z7 и Z8; вторую полость 36с, занимающую внешние зоны Z5 и Z6; третью полость 38с, занимающую внутреннюю зону Z1. Третья полость 38с внешнего контура охлаждения располагается со стороны ребра атаки 16 лопатки.
Согласно варианту осуществления, который аналогичен варианту изготовления внешнего контура, изображенному на фиг.2-4, охлаждающий воздух поступает в первую полость 34с через впускное отверстие подачи воздуха (не показано), при этом переходные каналы (не показаны) обеспечивают сообщение между различными полостями 34с, 36с, 38с. Выпускные отверстия 42с выводят воздух из третьей камеры 38с через внутреннюю сторону 20 лопатки.
Внутренний контур охлаждения аналогичен варианту, представленному на фиг.5.
На фиг.7 изображен другой практический вариант изготовления внутреннего и внешнего контуров охлаждения лопатки.
Внешний контур охлаждения лопатки 10с, согласно варианту осуществления, включает в себя первую полость 34d, занимающую внешние зоны Z5 и Z6; вторую полость 36d, занимающую внешние зоны Z7 и Z8; третью полость 38d, занимающую внутреннюю зону Z4.
По сравнению с вариантом изготовления внешнего контура охлаждения, изображенным на фиг.6, третья полость 38d данного внешнего контура размещена ближе к ребру обтекания 18 лопатки, чем к ребру атаки.
Охлаждающий воздух поступает в первую полость 34d через впускное отверстие подачи воздуха (не показано), при этом переходные каналы (не показаны) обеспечивают сообщение между различными полостями 34d, 36d, 38d, согласно варианту, аналогичному варианту изготовления внешнего контура, изображенному на фиг.2-4. Выпускные отверстия 42d выводят воздух из третьей камеры 38d через внутреннюю сторону 20 лопатки. В данном внешнем контуре воздух циркулирует в направлении, обратном направлению движения воздуха согласно варианту, изображенному на фиг.2-4.
Внутренний контур охлаждения аналогичен варианту, представленному на фиг.2-4.
Следует отметить, что независимо от варианта осуществления и внутренний, и внешний контуры охлаждения содержат собственные впускные отверстия подачи воздуха, при этом воздух из одного контура не поступает в другой, поскольку эти контуры полностью независимы друг от друга.
Со ссылкой на фиг.2-4 будет представлено краткое описание варианта осуществления дополнительных контуров охлаждения, предназначенных для охлаждения ребра атаки 16 и ребра обтекания 18 лопатки.
С
Контур охлаждения ребра атаки лопатки включает в себя первую радиально расположенную полость 54, которая размещается рядом с ребром атаки 16 лопатки; вторую радиально расположенную полость 56, вытянутую от внутренней стороны 20 до внешней стороны 22 лопатки, при этом данная вторая полость 56 размещается между первой полостью 54 и центральной частью  лопатки.
По меньшей мере, одно впускное отверстие подачи воздуха 58 выходит во вторую полость 56 для снабжения воздухом контура охлаждения ребра атаки. Вдоль всей радиальной высоты лопатки предусмотрено наличие определенного количества отверстий 60, предназначенных для сообщения, которые соединяют вторую полость 56 с первой полостью 54. И, наконец, имеются выпускные отверстия 62, выводящие воздух из первой полости 54 на ребро атаки 16, а также на внутреннюю 20 и внешнюю 22 стороны лопатки.
С
Контур охлаждения ребра обтекания лопатки содержит первую радиально расположенную полость 64, размещенную рядом с ребром обтекания 18 лопатки; вторую радиально расположенную полость 66, вытянутую от внутренней стороны 20 до внешней стороны 22 лопатки, при этом данная вторая полость 66 размещается между первой полостью 64 и центральной частью  лопатки.
По меньшей мере, одно впускное отверстие подачи воздуха 68 выходит во вторую полость 66 для снабжения воздухом контура охлаждения ребра обтекания. Вдоль всей радиальной высоты лопатки предусмотрено наличие определенного количества отверстий 70, предназначенных для сообщения, которые соединяют вторую полость 66 с первой полостью 64. Кроме того, имеются выпускные отверстия 72, выводящие воздух из первой полости 64 на внутреннюю 20 и внешнюю 22 стороны лопатки на уровне ребра обтекания 18.