ПОДВИЖНАЯ ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ТУРБИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКУЮ ЛОПАТКУ, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE ENGINE MOVING BLADE, TURBINE WITH SAID BLADE AND GAS TURBINE ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к подвижной лопатке газотурбинного двигателя и предназначено для использования в газотурбинных двигателях, разных типов, например в турбореактивных двигателях, турбовинтовых двигателях, в используемых в наземных условиях газовых турбинах и т.п.
Более конкретно, предлагаемое изобретение относится к так называемой подвижной лопатке, не имеющей верхней платформы. Подвижную лопатку обычно называют лопаткой, не имеющей верхней платформы, в том случае, когда эта лопатка не содержит платформы на своем верхнем конце.
На фиг.1-3 схематически представлена подвижная лопатка, не имеющая верхней платформы, известного типа, установленная на диске ротора турбины (или на диске ротора компрессора) турбореактивного двигателя.
Эта лопатка 8 известного типа содержит корневую часть 10 крепления, поверх которой располагается лопасть 12, причем лопасть 12 имеет концевую поверхность 14 и боковые поверхности, а именно корыто 16 и спинку 18, причем корневая часть 10 крепления лопатки и концевая поверхность 14 размещаются соответственно на нижнем и верхнем концах этой лопатки, располагающихся противоположно друг по отношению к другу вдоль главного направления А лопатки, а на верхнем краю корыта лопасти 12 предусмотрено выступающее ребро 20, сформированное между частью 24 концевой поверхности 14 лопасти и верхней частью 22 ее корыта 16, причем части 22 и 24 образуют между собой средний угол В ребра. Указанный средний угол ребра рассчитывается путем определения среднего значения углов ребра, измеренных в различных точках этого ребра между частями 22, 24, причем каждый угол измеряется в плоскости, перпендикулярной к касательной к этому ребру в рассматриваемой точке. Как это можно видеть на фиг.2, по соображениям упрощения чертежа, считается, что угол ребра между частями 22 и 24, измеренный в плоскости фиг.2, равен среднему углу В этого ребра.
Турбореактивный двигатель содержит диск ротора 26, имеющий ось вращения R, и его лопатки 8 распределены в окружном направлении вокруг диска 26 и проходят в радиальном направлении наружу от этого диска. Главное направление А каждой лопатки 8 соответствует радиальному направлению по отношению к упомянутой оси R. Лопатки 8 охвачены снаружи кольцом 28 кожуха, причем между концевой поверхностью 14 лопатки и кольцом 28 предусмотрен зазор I (см. фиг.2).
В дальнейшем в заявке такие понятия как "передний по потоку" и "задний по потоку" определяются по отношению к направлению течения потока F воздуха, проходящего через турбореактивный двигатель. При этом позициями F1 и F2 обозначают соответственно компоненты потока F, располагающиеся в плоскости, перпендикулярной по отношению к главному направлению А лопатки, такой как плоскость сечения III-III, показанная на фиг.3, и в плоскости, параллельной по отношению к главному направлению А этой лопатки, такой как плоскость сечения II-II, показанная на фиг.2.
Позади по потоку от выступающего ребра 20 создается зона турбулентности С в упомянутом потоке F (см. фиг.2). Таким образом, поток F, для того, чтобы пройти сквозь зазор I, должен обтекать ребро 20 и зону турбулентности С. Для того чтобы квалифицировать это явление, говорят об отрыве потока F на уровне упомянутого ребра.
Обычно стремятся в максимально возможной степени содействовать отрыву потока F в зазоре I, поскольку чем более значительной оказывается степень этого отрыва потока, тем в большей степени уменьшается эффективное проходное сечение потока F через зазор I и, таким образом, тем в большей степени уменьшается пропорция потока F, проходящая через этот зазор. Однако поток F, проходящий через зазор I, не принимает участия в формировании коэффициента полезного действия данного турбореактивного двигателя. Таким образом, содействуя упомянутому отрыву потока, обеспечивают повышение коэффициента полезного действия турбореактивного двигателя и, следовательно, снижают расход топлива для этого двигателя.
Для того чтобы содействовать отрыву потока, известен прием, который состоит в выборе величины среднего угла В ребра, строго меньшей 90°, как это представлено на фиг.1-3 или в примерах реализации известных лопаток, описанных в патенте US 6672829.
Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы в еще большей степени содействовать отрыву потока на уровне упомянутого ребра.
Для решения этой технической задачи предложена подвижная лопатка газотурбинного двигателя, не имеющая верхней платформы и содержащая корневую часть крепления, поверх которой располагается лопасть, причем эта лопасть имеет концевую поверхность и боковые поверхности, а именно корыто и спинку, причем корневая часть крепления лопатки и упомянутая концевая поверхность размещаются соответственно на нижнем и верхнем концах лопатки, располагающихся противоположно друг по отношению к другу вдоль главной оси лопатки, и упомянутая лопасть имеет на верхнем краю корыта выступающую кромку, формируемую между частью концевой поверхности этой лопасти и верхней частью ее корыта, причем указанные части образуют между собой средний угол ребра, имеющий величину, строго меньшую 90°, способствующий, на уровне упомянутого ребра, отрыву потока текучей среды, проходящей через данный газотурбинный двигатель, отличающаяся тем, что верхняя часть ее корыта выполнена волнистой таким образом, что в любой плоскости сечения, перпендикулярной главной оси лопатки и пересекающей верхнюю часть ее корыта, упомянутая верхняя часть корыта имеет волнистый контур, образованный последовательностью кривых, попеременно вогнутых и выпуклых.
Верхняя часть корыта лопатки газотурбинного двигателя является выступающей по отношению к остальной части корыта этой лопатки. При этом лопатка содержит на своем верхнем конце открытую полость, ограниченную донной стенкой, выступом корыта и выступом спинки, в которой выступающая кромка сформирована на выступе корыта, между концевой поверхностью и внутренней волнистой поверхностью выступа корыта лопатки. Лопатка содержит также внутренний проход охлаждения и по меньшей мере один канал охлаждения, сообщающийся с этим внутренним проходом охлаждения, причем канал открывается на части концевой поверхности на уровне выпуклых зон волнистости верхней части корыта лопатки. Выступ корыта выполнен волнистым и отклонен от главной оси лопатки.
В соответствии с другим вариантом изобретения лопатка газотурбинного двигателя содержит внутренний проход охлаждения и по меньшей мере один канал охлаждения, сообщающийся с этим внутренним проходом охлаждения, причем указанный канал открывается в основании выступа корыта на уровне зон вогнутостей волнистости этого выступа.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения другая выступающая кромка лопатки газотурбинного двигателя расположена между упомянутой концевой поверхностью и внутренней поверхностью выступа спинки лопатки, причем эти части образуют между собой средний угол кромки, величина которого строго меньше 90°, способствующий отрыву потока текучей среды, проходящей через газотурбинный двигатель, на уровне этой другой кромки, и в которой внутренняя поверхность выступа спинки выполнена волнистой таким образом, что в любой плоскости сечения, перпендикулярной главной оси лопатки и пересекающей внутреннюю поверхность выступа спинки, упомянутая внутренняя поверхность выступа спинки имеет волнистый контур, образованный последовательностью кривых, попеременно вогнутых и выпуклых.
В предлагаемой заявке на патент упомянутая кривая рассматривается как вогнутая в том случае, когда ее выгнутая часть ориентирована в направлении спинки лопатки. И наоборот, кривая рассматривается как выпуклая в том случае, когда ее выгнутая часть ориентирована в направлении, противоположном спинке этой лопатки.
Таким образом, упомянутое корыто имеет выпуклые зоны, определяемые пакетом упомянутых кривых, являющихся выпуклыми вдоль главного направления лопатки, и вогнутые зоны, определяемые пакетом упомянутых кривых, являющихся вогнутыми вдоль главного направления лопатки.
Таким образом, упомянутая линия контура представляет чередование сегментов, имеющих малый наклон и большой наклон по отношению к составляющим потока текучей среды в упомянутой плоскости сечения (в условиях нормального функционирования газотурбинного двигателя), и упомянутая верхняя часть стенки корыта лопатки имеет зоны, имеющие малый наклон и большой наклон по отношению к потоку, причем эти зоны определяются пакетом упомянутых сегментов, слабо наклоненных и сильно наклоненных, вдоль главного направления лопатки.
Упомянутые зоны с малым наклоном направляют поток в сторону сильно наклоненных зон. Таким образом, преобладающая часть потока проходит через зоны с большим наклоном перед тем, как преодолеть упомянутое ребро. Однако для потока, проходящего через зоны с большим наклоном, угол ребра, который ему предстоит преодолеть (то есть угол ребра, который "виден" со стороны потока), имеет несколько меньшую величину, чем если бы упомянутая верхняя часть была гладкой (то есть не содержала волнистости). При этом поскольку отрыв потока является тем более значительным, чем меньшей является величина угла ребра, которое необходимо преодолеть этому потоку, при использовании упомянутой волнистой верхней части получают отрыв потока, более благоприятный, чем при использовании гладкой верхней части. Таким образом, снижаются потери потока в зазоре I.
Предпочтительно, чтобы упомянутые сегменты с малым наклоном были ориентированы вдоль составляющих потока в плоскости сечения (в нормальных условиях функционирования газотурбинного двигателя) таким образом, чтобы они формировали с этими составляющими угол, близкий к 0°. Таким образом, поток не проходит через зоны с малым наклоном перед тем, как преодолеть упомянутое ребро (то есть поток как бы не "видит" эти зоны), и практически исключительно проходит через зоны с большим наклоном.
Предпочтительно, чтобы сегменты с большим наклоном были ориентированы поперечно по отношению к составляющим потока в плоскости сечения (в нормальных условиях функционирования газотурбинного двигателя) таким образом, чтобы они формировали с этими составляющими угол, величина которого близка к 90°. Именно вследствие такой ориентации угол ребра, который предстоит преодолеть потоку, является наименьшим и отрыв потока в зазоре, таким образом, оказывается наиболее значительным. Иначе говоря, отрыв потока является наибольшим в том случае, когда зоны с большим наклоном располагаются против составляющих потока текучей среды в упомянутой плоскости сечения.
Объектом данного изобретения является также турбина, содержащая описанную выше лопатку, и газотурбинный двигатель, содержащий такую турбину.
Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из подробного описания примеров его осуществления, приводимого со ссылками на фигуры, в числе которых:
Фиг.1 представляет собой схематический вид в изометрии части турбореактивного двигателя, оборудованного подвижной лопаткой известного типа;
Фиг.2 представляет собой схематический вид лопатки, показанной на фиг.1, в разрезе, выполненном по плоскости II-II, располагающейся перпендикулярно по отношению к касательной к ребру лопатки и проходящей через точку D;
Фиг.3 представляет собой схематический вид лопатки, показанной на фиг.1, в разрезе, выполненном по плоскости III-III, располагающейся перпендикулярно по отношению к главному направлению А лопатки, секущей верхнюю часть корыта лопатки и проходящей через точку D;
Фиг.4 представляет собой схематический вид в изометрии части турбореактивного двигателя, оборудованного подвижной лопаткой, в соответствии с первым примером реализации предлагаемого изобретения;
Фиг.5 представляет собой схематический вид лопатки, показанной на фиг.4, в разрезе, выполненном по плоскости V-V, располагающейся перпендикулярно по отношению к касательной к ребру лопатки и проходящей через точку D;
Фиг.6 представляет собой схематический вид лопатки, показанной на фиг.4, в разрезе, выполненном по плоскости VI-VI, располагающейся перпендикулярно по отношению к главному направлению А лопатки, секущей верхнюю волнистую часть корыта лопатки и проходящей через точку D;
Фиг.7 представляет собой схематический вид в разрезе, аналогичный виду, показанному на фиг.6, иллюстрирующий второй пример реализации лопатки в соответствии с предлагаемым изобретением;
Фиг.8 представляет собой схематический вид в разрезе, аналогичный виду, показанному на фиг.5, иллюстрирующий третий пример реализации лопатки в соответствии с предлагаемым изобретением;
Фиг.9 представляет собой схематический вид в разрезе, аналогичный виду, показанному на фиг.5, иллюстрирующий в разрезе по плоскости IX-IX четвертый пример реализации лопатки в соответствии с предлагаемым изобретением;
Фиг.10 представляет собой схематический вид в разрезе, аналогичный виду, показанному на фиг.5, иллюстрирующий в разрезе по плоскости Х-Х пример реализации лопатки, показанной на фиг.9;
Фиг.11 представляет собой схематический вид в разрезе, аналогичный виду, показанному на фиг.5, иллюстрирующий пятый пример реализации лопатки в соответствии с предлагаемым изобретением.
В дальнейшем со ссылками на фиг.4-6 будет описан первый пример реализации лопатки 108 в соответствии с предлагаемым изобретением. Элементы, имеющие аналогию между этой лопаткой 108 и лопаткой, показанной на фиг.1-3, обозначены теми же цифровыми позициями, но увеличенными на 100.
Лопатка 108 отличается от лопатки 8 в том, что касается верхней части 122 стенки ее корыта 116.
Лопатка 108 содержит корневую часть 110 крепления, поверх которой располагается лопасть 112, причем эта лопасть имеет концевую поверхность 114 и боковые поверхности, а именно корыто 116 и спинку 118. При этом корневая часть 110 крепления лопатки и концевая поверхность 114 располагаются соответственно на нижнем и верхнем концах лопатки 108, располагающихся противоположно друг по отношению к другу вдоль главного направления А лопатки. Лопасть 112 снабжена на верхнем краю своего корыта выступающим ребром 120, определяемым между частью 124 концевой поверхности 114 и верхней частью 122 ее корыта 116. Части 122 и 124 образуют между собой средний угол В этого ребра, имеющий величину, строго меньшую 90°.
В соответствии с предлагаемым изобретением верхняя часть 122 корыта лопатки выполнена волнистой таким образом, чтобы она проходила в любой плоскости сечения, перпендикулярной по отношению к главному направлению А лопатки, в частности в плоскости сечения VI-VI, вдоль контурной линии 130, сформированной последовательностью кривых, попеременно вогнутых 129 и выпуклых 131. Таким образом, эта контурная линия 130 представляет чередование сегментов с малым и большим наклоном соответственно 130а и 130b по отношению к составляющим F1 потока F в рассматриваемой плоскости сечения, которая в данном случае представляет собой плоскость VI-VI.
Сегменты 130b с малым наклоном ориентированы по большей части вдоль составляющих F1 потока в плоскости сечения VI-VI, тогда как сегменты 130а с большим наклоном по большей части ориентированы поперечно по отношению к составляющим F1 потока в этой плоскости. Таким образом, поток F проходит практически исключительно вдоль сегментов 130а перед тем, как пройти через зазор I. Поскольку сегменты 130а с большим наклоном располагаются против потока F (или, более конкретно, против составляющих F1 этого потока), отрыв потока F на уровне ребра 120 оказывается более благоприятным по сравнению с отрывом потока, получаемым в примере реализации, представленном на фиг.1-3.
В примере реализации, схематически представленном на фиг.5-7, лопатка 108 содержит на своем верхнем конце открытую полость 132, ограниченную донной стенкой 134, выступом корыта 136 и выступом спинки 138. Упомянутое выступающее ребро 120 сформировано на выступе корыта 136 лопатки между концевой поверхностью этого выступа (которая соответствует упомянутой части 124 концевой поверхности 114) и поверхностью внутренней стороны этого выступа (которая принадлежит упомянутой верхней части 122 корыта 116).
Здесь также следует отметить, что в соответствии с данным вариантом выполнения лопатка содержит внутренний проход 142, предназначенный для охлаждения, и по меньшей мере один канал 140 охлаждения, сообщающийся с этим проходом 142 охлаждения.
Предпочтительно, чтобы канал 140 открывался на упомянутую часть 124 концевой поверхности на уровне выпуклых зон волнистости верхней части 122 корыта, то есть на уровне выпуклых кривых 131, образующих контурную линию 130 (см. фиг.6). Действительно, именно в этих выпуклых зонах имеется наибольшее количество материала и в этих зонах, таким образом, проще выполнить (например, при помощи сверления) канал 140.
Далее со ссылками на фиг.7 будет описан второй вариант выполнения лопатки 208 в соответствии с предлагаемым изобретением. Здесь элементы, имеющие аналогию между этой лопаткой 208 и лопаткой, показанной на фиг.4-6, обозначены теми же цифровыми позициями, но увеличенными на 100.
Лопатка 208, показанная на фиг.7, отличается от лопатки, показанной на фиг.4-6, выполнением верхней волнистой части 222 корыта 216. Указанная верхняя часть 222 здесь начинается довольно далеко от передней кромки лопатки.
Это обстоятельство учитывает тот факт, что лишь незначительная часть потока проходит через зазор I в зоне J, ближайшей к передней кромке лопатки. Действительно, как это можно видеть на фиг.7, приблизительно считается, что 20% потока проходит через зазор I на уровне зоны J и, соответственно, оставшиеся 80% этого потока проходят через зазор I на уровне зоны К. Следовательно, наличие волнистости в соответствии с предлагаемым изобретением (то есть последовательности кривых, чередующимся образом вогнутых 229 и выпуклых 231, вдоль контурной линии 230) оказывается особенно полезным именно в зоне К.
Зона J приблизительно покрывает четверть корыта лопатки, начиная с ее передней кромки, тогда как зона К покрывает оставшиеся три четверти этой поверхности.
Ниже со ссылками на фиг.8 будет описан третий вариант выполнения лопатки 308 в соответствии с предлагаемым изобретением. Здесь элементы, имеющие аналогию между этой лопаткой 308 и лопаткой, показанной на фиг.4-6, обозначены теми же цифровыми позициями, но увеличенными на 200.
Пример реализации лопатки 308, показанный на фиг.8, отличается от примера реализации лопатки, показанного на фиг.4-6, тем, что лопатка 308 не содержит открытой полости на своем верхнем конце и, следовательно, не содержит ни выступа корыта, ни выступа спинки лопатки.
Ниже со ссылками на фиг.9 будет описан четвертый вариант выполнения лопатки 408 в соответствии с предлагаемым изобретением. Здесь элементы, имеющие аналогию между этой лопаткой 408 и лопаткой, показанной на фиг.4-6, обозначены теми же цифровыми позициями, но увеличенными на 300.
Лопатка 408, показанная на фиг.9, отличается от лопатки, показанной на фиг.4-6, тем, что в ней выступ корыта 436 содержит отступ по отношению к остальной части корыта лопатки. Верхняя часть 422 корыта 416 лопатки соответствует внутренней поверхности выступа корыта 436.
Таким образом, при том, что в трех первых примерах верхняя часть 122, 222, 322 корыта 116, 216, 316 лопатки была выступающей по отношению к остальной части корыта лопатки, в этом четвертом варианте выполнения верхняя часть 422 корыта 416 содержит отступ по отношению к остальной части корыта лопатки.
Верхняя часть 422 образует с частью 424 концевой поверхности лопатки средний угол В ребра, величина которого строго меньше 90°.
В то же время следует отметить, что согласно данному четвертому варианту выполнения выступ корыта 436 лопатки на всей его длине выполнен волнистым и наклонен в направлении этого корыта (таким образом, даже наружная стенка 423 этого выступа 436 является волнистой). Выступ корыта 436 может быть волнистым по всей своей длине, то есть от передней кромки и до задней кромки лопатки, или только на части своей длины.
Аналогично варианту, представленному на фиг.5, лопатка, выполненная согласно варианту, представленному на фиг.9, содержит внутренний проход охлаждения 440 и каналы охлаждения 442, сообщающиеся с этим проходом. Каналы охлаждения 440 не открываются на части 424 концевой поверхности лопатки, но открываются в основании выступа 436 корыта лопатки, на уровне зон вогнутой волнистости этого выступа, то есть на уровне вогнутых кривых 429 контурной линии 430. Действительно, реализовать каналы охлаждения 440 оказалось проще именно в этом месте. Кроме того, охлаждающий воздух, подводимый через каналы 440, поднимается вдоль верхней части 422 стенки корыта (и позволяет, таким образом, обеспечить охлаждение этой стенки) перед тем, как пройти через зазор I.
Ниже со ссылками на фиг.11 будет описан пятый вариант выполнения лопатки 508 в соответствии с предлагаемым изобретением. Здесь элементы, имеющие аналогию между этой лопаткой 508 и лопаткой, показанной на фиг.4-6, обозначены теми же цифровыми позициями, но увеличенными на 400.
Лопатка 508, показанная на фиг.11, отличается от лопатки, показанной на фиг.9 и 10, тем, что в этой лопатке выступ спинки 538 выполнен волнистым и наклоненным в направлении ее корыта, наподобие выступа корыта 536 этой лопатки. Таким образом, другое выступающее ребро 550 расположено между концевой поверхностью 554 и внутренней поверхностью 556 выступа спинки 538. Эти части образуют между собой средний угол G ребра, имеющий величину, строго меньшую 90°, таким образом, чтобы содействовать отрыву потока F текучей среды, проходящего через газотурбинный двигатель, на уровне ребра 550. Внутренняя поверхность 556 выступа спинки 538 выполнена волнистой и проходит в любой плоскости сечения, перпендикулярной к главной оси А лопатки, вдоль контурной линии, образованной последовательностью кривых, попеременно вогнутых и выпуклых, таким образом, чтобы эта контурная линия представляла чередование сегментов, имеющих малый и большой наклон по отношению к составляющим F1 потока F в этой плоскости сечения.
В представленных выше вариантах выполнения была описана лопатка ротора турбины турбореактивного двигателя. Тем не менее, представляется понятным, что предлагаемое изобретение применимо и к другим типам газотурбинных двигателей, поскольку потери коэффициента полезного действия, связанные с прохождением потока F через зазор I, имеют место и в других типах газотурбинных двигателей.