Охлаждаемая лопатка турбины с теплозащитным покрытием

Полезная модель относится к авиадвигателестроению, а именно к охлаждаемым лопаткам турбины с теплозащитным покрытием и может быть использована при изготовлении высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей (ГТД).
Необходимо отметить, что в настоящее время активное использование теплозащитных покрытий на лопатках современных ГТД позволяет снизить температуру лопатки на 50-100°С за счет снижения теплового потока, поступающего в лопатку от газового потока, что позволяет значительно увеличить работоспособность лопаток.
Известна охлаждаемая лопатка турбины, содержащая оболочку с нанесенным на внешнюю поверхность оболочки теплозащитным покрытием, и интенсификаторы охлаждения, выполненные в виде вставок высокой теплопроводности с развитой поверхностью охлаждения, включающей ребра, и контактирующие с внутренними стенками оболочки (RU 2457334, 2010 г.).
В известном техническом решении геометрия вставок определяется конкретными размерами лопаток, при этом вставки располагаются по всему профилю пера лопатки в определенных местах. Известное техническое решение позволяет повысить эффективность конвективного охлаждения за счет частичного отказа от пленочного охлаждения.
Существенным недостатком известного технического решения является сложность его реализации.
Известна охлаждаемая лопатка турбины, содержащая хвостовик с каналами, сообщенными по крайней мере с одной магистралью подвода охлаждающего воздуха, и перо, включающее входную и выходную кромки, соединенные корытом и спинкой, перекрытое в торце поперечной стенкой, расположенные в радиальном направлении сквозной канал входной кромки, по крайней мере один сквозной центральный канал, и по крайней мере по одному сквозному щелевому каналу, выполненному соответственно со стороны спинки и корыта и сообщенному с выходной кромкой при помощи выпускного канала, расположенного вдоль поверхности спинки вблизи выходной кромки, причем центральный канал, канал входной кромки и щелевые каналы сообщены с соответствующими каналами хвостовика (US 7845906, 2010 г.).
В известном техническом решении выход воздуха из канала входной кромки выполняется через отверстия перфорации, а выходной кромки - через сообщенный с центральным каналом соответствующий выпускной канал.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и назначению к заявляемому техническому решению является охлаждаемая лопатка турбины, содержащая хвостовик с каналами, сообщенными по крайней мере с одной магистралью подвода охлаждающего воздуха, и перо, включающее входную и выходную кромки, соединенные корытом и спинкой, перекрытое в торце поперечной стенкой с выступающей над ней по обводу пера ребордой, выполненной с разрывом вблизи выходной кромки, расположенные в радиальном направлении сквозной канал входной кромки, по крайней мере один центральный канал, и по крайней мере по одному сквозному щелевому каналу, выполненному соответственно со стороны спинки и корыта и сообщенному с выходной кромкой при помощи поперечного выпускного канала, расположенного вдоль поверхности спинки вблизи выходной кромки, причем обводы внешней стороны сквозных щелевых каналов выполнены вблизи обвода внутренней стороны реборды, центральный канал сообщен с соответствующими каналами хвостовика, а канал входной кромки и щелевые каналы сообщены с центральным каналом. (RU 177804, 2017 г.).
В известном техническом решении выход воздуха из канала входной кромки выполняется аналогичным образом через отверстия перфорации, а выходной кромки при помощи сообщенного с центральным каналом поперечного выпускного канала, расположенного вдоль поверхности спинки вблизи выходной кромки.
В известных технических решениях щелевые каналы и поперечный выпускной канал охватывают только часть периметра внутренней поверхности корыта и спинки, что определяет низкую эффективность конвективного охлаждения и необходимость выполнения отверстий в стенках для реализации пленочного охлаждения. При этом использование теплозащитного покрытия ограничено, поскольку отверстия перфорации нарушают его целостность, что снижет прочность и ресурс теплозащитного покрытия.
Кроме того, отверстия пленочного охлаждения являются концентраторами напряжений в стенках и снижают прочностные характеристики непосредственно лопатки, а изготовление отверстий требует дополнительной оснастки, инструментов и оборудования.
Таким образом, общим существенным недостатком известных технических решений, указанных выше, является низкая эффективность конвективного охлаждения входной и выходной кромкок лопатки, вследствие чего организовано пленочное охлаждение путем выполнения в стенках отверстий, усложняющих процесс изготовления и снижающих прочностные характеристики лопатки.
Техническая проблема, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно в создании охлаждаемой лопатки турбины с теплозащитным покрытием, обеспечивающей повышение эффективности использования лопатки.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящей полезной модели, заключается в реализации ее назначения, т.е. в создании охлаждаемой лопатки турбины с теплозащитным покрытием, обеспечивающей повышение эффективности за счет обеспечения развитого конвективного охлаждения по всей поверхности лопатки и повышение прочности и ресурса теплозащитного покрытия.
Заявленный технический результат достигается тем, что в охлаждаемой лопатке турбины с теплозащитным покрытием, содержащей хвостовик с каналами, сообщенными по крайней мере с одной магистралью подвода охлаждающего воздуха, и перо, включающее входную и выходную кромки, соединенные корытом и спинкой, перекрытое в торце поперечной стенкой с выступающей над ней по обводу пера ребордой, выполненной с разрывом вблизи выходной кромки, расположенные в радиальном направлении сквозной канал входной кромки, по крайней мере один центральный канал, и по крайней мере по одному сквозному щелевому каналу, выполненному соответственно со стороны спинки и корыта и сообщенному с выходной кромкой при помощи поперечного выпускного канала, расположенного вдоль поверхности спинки вблизи выходной кромки, причем обводы внешней стороны сквозных щелевых каналов выполнены вблизи обвода внутренней стороны реборды, центральный канал сообщен с соответствующими каналами хвостовика, а канал входной кромки и щелевые каналы сообщены с центральным каналом, согласно предлагаемому техническому решению сквозной канал входной кромки и поперечный выпускной канал выполнены щелевыми и расположены вдоль поверхности пера, сквозной канал входной кромки охватывает внутреннюю поверхность последней, а сквозные щелевые каналы и поперечный выпускной канал расположены соответственно по всему периметру внутренней поверхности корыта и спинки.
Существенность отличительных признаков технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающих полезную модель, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, заключающегося в создании охлаждаемой лопатки турбины с теплозащитным покрытием, обеспечивающей повышение эффективности за счет обеспечения развитого конвективного охлаждения по всей поверхности лопатки и повышение прочности и ресурса теплозащитного покрытия.
Полезная модель поясняется иллюстрациями, где:
- на фигуре 1 изображено продольное сечение охлаждаемой лопатки турбины с теплозащитным покрытием;
- на фигуре 2 изображено поперечное сечение охлаждаемой лопатки турбины с теплозащитным покрытием;
- на фигуре 3 изображен торец охлаждаемой лопатки турбины с теплозащитным покрытием.
На фигурах 1-3 приняты следующие обозначения:
1 - хвостовик;
2 - каналы хвостовика 1;
3 - перо;
4 - входная кромка пера 3;
5 - выходная кромка пера 3;
6 - корыто;
7 - спинка;
8 - поперечная стенка;
9 - реборда;
10 - разрыв реборды 9;
11 - сквозной канал входной кромки 4 пера 3;
12 - центральный канал;
13 - сквозной щелевой канал со стороны спинки 7;
14 - сквозной щелевой канал со стороны корыта 6;
15 - поперечный выпускной канал;
16 - подводящие отверстия;
17 - выходные отверстия сквозных каналов 11, 13, 14;
18 - выходные отверстия поперечного выпускного канала 15;
19 - выходные отверстия центрального канала 12.
Охлаждаемая лопатка турбины с нанесенным на наружную поверхность теплозащитным покрытием (на чертеже не показано), содержит хвостовик 1 с каналами 2, сообщенными по крайней мере с одной магистралью (на чертеже не показана) подвода охлаждающего воздуха, и перо 3 (см. фиг. 1), включающее входную кромку 4 и выходную кромку 5 (см. фиг. 2, 3). Последние соединены корытом 6 и спинкой 7. Перо 3 перекрыто в торце поперечной стенкой 8 с выступающей над ней по ободу пера 3 ребордой 9, выполненной с разрывом 10 вблизи выходной кромки 5. В пере 3 лопатки расположены в радиальном направлении сквозной канал 11 входной кромки 4 пера 3, по крайней мере один центральный канал 12, по крайней мере один сквозной щелевой канал 13 со стороны спинки 7, и по крайней мере один сквозной щелевой канал 14 со стороны корыта 6, причем сквозные щелевые каналы 13 и 14 сообщены с центральным каналом 12 при помощи подводящих отверстий 16. При этом центральный канал 12 сообщен с выходной кромкой 5 пера 3 при помощи поперечного выпускного канала 15, расположенного вдоль поверхности спинки 7 вблизи выходной кромки 5 пера, а обводы внешней стороны сквозных щелевых каналов 13 и 14 выполнены вблизи обвода внутренней стороны реборды 9. Сквозной канал 11 входной кромки 4 пера 3 и поперечный выпускной канал 15 выполнены щелевыми и расположены вдоль поверхности пера 3, при этом щелевой сквозной канал 11 охватывает внутреннюю поверхность входной кромки 4 пера 3, а сквозные щелевые каналы 13 и 14 и щелевой поперечный выпускной канал 15 расположены соответственно по всему периметру внутренней поверхности корыта 6 и спинки 7. Центральный канал 12 сообщен с каналами 2 хвостовика 1, а щелевой сквозной канал 11 входной кромки 4 пера 3 и сквозные щелевые каналы 13 и 14 сообщены с центральным каналом 12 при помощи подводящих отверстий 16. В поперечной стенке 8 выполнены соответственно выходные отверстия 17 щелевого сквозного канала 11 выходной кромки 4 пера 3 и сквозных щелевых каналов 13, 14, и выходные отверстия 19 центрального канала 12, а на выходной кромке 5 пера 3 расположены соответствующие выходные отверстия 18 щелевого поперечного выпускного канала 15.
Охлаждаемая лопатка турбины с теплозащитным покрытием работает следующим образом.
Охлаждающий воздух от магистрали подвода охлаждающего воздуха через каналы 2 хвостовика 1 поступает в центральный канал 12, откуда через подводящие отверстия 16 по частям попадает соответственно в щелевой сквозной канал 11 входной кромки 4 пера 3, щелевые каналы 13 и 14 со стороны спинки 7 и корыта 6, и в щелевой поперечный выпускной канал 15. Поскольку щелевой сквозной канал 11 входной кромки 4 пера 3 не содержит перфорационных отверстий для выхода воздуха и охватывает внутреннюю поверхность входной кромки 4 пера 3, а сквозные щелевые каналы 13 и 14 и щелевой поперечный выпускной канал 15 расположены по всему периметру внутренней поверхности корыта 6 и спинки 7, реализуется конвективный способ охлаждения пера 3 лопатки. При этом отсутствие перфорационных отверстий для выхода воздуха из щелевого сквозного канала 11 входной кромки 4 пера 3, представляющих собой концентраторы напряжений, позволяет повысить прочностные характеристики лопатки и теплозащитного покрытия, и ресурс последнего. Далее воздух из щелевого сквозного канала 11 входной кромки 4 пера 3, сквозных щелевых каналов 13 и 14 со стороны спинки 7 и корыта 6 через выходные отверстия 17, расположенные в поперечной стенке 8, поступает в торцевую часть лопатки, охлаждает внутреннюю поверхность реборды 9, и сбрасывается в проточную часть через разрыв 10 реборды 9 в области выходной кромки 5 пера 3. Часть охлаждающего воздуха из центрального канала 12, поступившая в щелевой поперечный выпускной канал 15 охлаждает область выходной кромки 5 пера 3 лопатки, после чего сбрасывается в проточную часть через выходные отверстия 18. Остальная часть воздуха через выходные отверстия 19 центрального канала 12, выполненные в поперечной стенке 8, сбрасывается полость реборды 9.
Таким образом, выполнение сквозного канала входной кромки и поперечного выпускного канала щелевыми и расположение последних вдоль поверхности пера, охватывание сквозным щелевым каналом внутренней поверхности входной кромки лопатки, и расположение сквозных щелевых каналов и поперечного выпускного канала соответственно по всему периметру внутренней поверхности корыта и спинки с нанесенным на наружную поверхность пера лопатки теплозащитным покрытием обеспечивает повышение эффективности за счет развитого конвективного охлаждения по всей поверхности лопатки и повышение прочности и ресурса теплозащитного покрытия.