ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СОДЕРЖАЩИЕ ЕЕ ТУРБИНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
BLADE OF GAS TURBINE ENGINE, AND HIGH PRESSURE TURBINE AND GAS TURBINE ENGINE, WHICH CONTAIN IT

Изобретение относится к лопатке газотурбинного двигателя, и в частности к лопатке, находящейся в потоке горячих газов, требующих использования специальных средств, несмотря на температурные условия и часто высокое давление. Газотурбинный двигатель может быть наземным либо авиационным, например турбореактивным, либо турбовинтовым.
В таком газотурбинном двигателе лопатки находятся в газовом потоке, который циркулирует иногда при повышенных скоростях, например сверхзвуковых. Температуры, которым подвергаются лопатки, сильно изменяются, для самолетных газотурбинных двигателей между -50ºС и более 1000ºС. Лопатки, таким образом, подвергаются значительному воздействию давления и температурным перепадам.
В связи с тем, что высокие температуры и соответствующие им температурные перепады вызывают внутри лопаток значительные напряжения, эти напряжения могут приводить к появлению трещин, локализованных, в частности, в задних кромках лопаток. Такие трещины требуют, естественно, замены лопаток.
Для придания лопаткам механического сопротивления таким напряжениям известно использование ребер, размещенных вблизи задней кромки. Эти ребра позволяют увеличить механическую жесткость задней кромки без значительного увеличения толщины, которое привело бы к ухудшению аэродинамических характеристик лопатки. Обычно эти ребра практически оканчиваются на одном расстоянии от задней кромки.
На фиг.2 изображен пример лопатки, раскрытой в документе ЕР 1826361 А2, МПК F01D 5/18, 29.08.2007, содержащей ребра вблизи от ее задней кромки, размещенные известным образом, описанным ниже детально. Фиг.2 схематично изображает лопасть 140 лопатки 110. Эта лопасть содержит ребра 150, размещенные вдоль ее задней кромки 142. Эти ребра 150 расположены от платформы 130 до противоположного края 131 лопасти 140. Они практически параллельны верхней поверхности 132 платформы, то есть поверхности, направленной поперек лопасти. Концы 153 ребер 150, размещенные со стороны задней кромки, расположены на одинаковом расстоянии А от последней. Впрочем, концы 155 ребер, размещенные с другой стороны задней кромки, также, как ступень 158, образованная между основной поверхностью 156 и внутренней поверхностью 154 задней кромки, расположены на одном расстоянии В, постоянном или практически постоянном от задней кромки 142.
Однако оказывается, что такие ребра не позволяют эффективно стабилизировать положение задних кромок лопатки; и при работе наблюдают нежелательные деформации лопастей, в частности, задней кромки и в районе соединения лопасти с платформой. Действительно, температурные перепады, существующие между внешней и внутренней поверхностями лопатки, вызывают нелинейные перемещения в направлении, практически перпендикулярном задней кромке.
Кроме того, несмотря на эти ребра, задняя кромка лопатки остается слабой зоной лопатки, в области которой могут появляться трещины из-за весьма высоких уровней термомеханических напряжений, возникающих при работе. Такие трещины приводят, естественно, к возможности более или менее быстрого разрушения лопатки. Задняя кромка из-за этой возможности появления дефектов является также фактором, ограничивающим средний срок службы лопатки. Первой целью изобретения является разработка лопатки газотурбинного двигателя, содержащей ребра, образованные вблизи задней кромки, которая легко изготавливается промышленным способом и не обладает указанными недостатками.
Эта цель достигается тем, что на большей части задней кромки концы ребер расположены ближе к краю задней кромки и/или площадь сечения ребер в зонах с высокой рабочей температурой выполнена большого размера.
В связи с этим на большей части задней кромки размеры ребер коррелируются в зависимости от локальной рабочей температуры лопатки или, другими словами, ребра имеют большие или меньшие размеры в зависимости от локальной температуры лопатки. Это приводит к тому, что вдоль задней кромки ребра больше или меньше вытянуты в направлении задней кромки, или имеют более или менее значительное сечение.
В действительности было отмечено, что температура является основным параметром, влияющим на деформации задней кромки в связи с термическими расширениями и, таким образом, напряжениями, которые она вызывает в материале. Первой функцией ребер является, таким образом, придание жесткости задней кромке для стабилизации ее положения. Ребра, таким образом, способствуют снижению уровня напряжения в материале. Изменяя размеры ребер в зависимости от этого температурного параметра, возможно оптимизировать конструкцию лопаток таким образом, чтобы обеспечить стабилизацию последних без чрезмерного ухудшения аэродинамических качеств.
Локальная рабочая температура лопатки является рабочим параметром, который принимается в расчет при определении расстояния между ребрами и задней кромкой. Во всяком случае, следует отметить, что в расчет могут быть приняты и другие параметры, что приводит иногда к иному расположению небольшой части ребер, чем указано выше.
В соответствии с вариантом осуществления на большей части задней кромки размеры ребер увеличены вблизи края задней кромки в зонах, в которых рабочая температура лопатки особенно повышена. Так, задняя кромка является более жесткой в горячих зонах, в то время как в более холодных зонах она не является таковой, что позволяет поддерживать число и размеры ребер на минимальном, но достаточном уровне для обеспечения жесткости задней кромки и уменьшения деформаций последней.
В соответствии с вариантом осуществления на большей части задней кромки концы ребер размещены ближе к краю задней кромки в зонах, где рабочая температура значительно повышена.
Собственно задняя кромка является, в действительности, наиболее критической зоной: именно здесь стенка лопасти является наиболее тонкой, и риск деформации является наибольшим. Удлиняя ребра до непосредственной близости к задней кромке, предпочтительно, в горячих зонах обеспечивают, таким образом, увеличение жесткости задней кромки без ущерба для аэродинамических качеств лопатки.
В соответствии с вариантом осуществления на большей части задней кромки ребра расположены ближе друг к другу в зонах с повышенной рабочей температурой. Этот вариант осуществления позволяет усилить эффект увеличения жесткости ребер без необходимости увеличения площади их сечения или длины, что приблизило бы их концы к краю задней кромки. По этим причинам увеличение жесткости достигается без ухудшения аэродинамических качеств лопатки.
В соответствии с вариантом осуществления на большей части задней кромки площадь сечения ребер в зонах, в которых рабочие температуры особенно повышены, является большей. Ребра с большой площадью сечения, в действительности, обеспечивают гораздо большее сопротивление на изгиб задней кромки, чем ребра малого сечения.
Следует, впрочем, отметить, что в представленных выше вариантах осуществления было показано, как усилить жесткость горячей зоны задней кромки лопатки. Естественно, для исключения излишней жесткости холодных зон задней кромки лопатки могут быть приняты противоположные решения.
В соответствии с вариантом осуществления лопатка содержит платформу и совокупность коротких ребер вблизи последней. Действительно, было отмечено, что часто существует концентрация напряжений в задней кромке лопаток вблизи их платформ. Для ограничения этих напряжений, предпочтительно, короткие ребра могут быть размещены вблизи платформы, например первое ребро короткое, и даже два или три ребра более короткие, чем другие.
Второй целью является исключение указанных недостатков путем предложения турбины высокого давления газотурбинного двигателя, содержащей, по меньшей мере, одну лопатку в соответствии с одним из вариантов осуществления.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает вид в аксонометрии лопатки газотурбинного двигателя в соответствии с изобретением;
фиг.2 и 3 являются частичными видами спереди лопатки газотурбинного двигателя, снабженной ребрами на задней кромке, в соответствии с известным уровнем техники и по изобретению;
фиг.4 изображает температурную кривую вдоль задней кромки лопатки газотурбинного двигателя, представленной на фиг.3; и
фиг.5 изображает возможные различные профили ребер лопатки газотурбинного двигателя по изобретению.
Далее будет описана лопатка газотурбинного двигателя по изобретению со ссылкой на фиг.1.
Лопатка 10 содержит хвостовик 20, платформу 30 и лопасть 40. Лопасть 40 имеет внутреннюю поверхность 46 и внешнюю поверхность 48. Они соединены в области передней кромки 44 и задней кромки 42. Лопасть содержит, кроме того, внутренние каналы для инжекции воздуха, которые открываются на уровне отверстий 52. Эти каналы позволяют подводить свежий воздух в область лопатки для исключения увеличения ее температуры и охлаждения, а также обеспечения ее использования даже в потоке газа с чрезвычайно высокими температурами.
В области задней кромки внутренняя и внешняя поверхности сближаются, образуя стенку 54 малой толщины. Эта стенка 54 укреплена ребрами 50. Эти ребра образованы на внутренней стенке 46.
Форма внутренней поверхности 46 вблизи ее задней кромки 42 является следующей. Внутренняя поверхность содержит основную поверхность 56 в целом равномерной и выгнутой формы. Эта основная поверхность внутренней поверхности прерывается ступенью 58 и продолжается на выходе этой ступени 58 поверхностью 57, которая является поверхностью стенки 54, размещенной со стороны внутренней поверхности. Ребра 50 расположены от ступени 58 до стенки 54. Между ребрами последовательно выполнены выемки 60. Предпочтительно, отверстия 41 для инжекции воздуха образованы в этих выемках 60, обеспечивая охлаждение задней кромки 42.
Со ссылками фиг.3 и 4 далее описывается работа и расположение ребер в лопатке газотурбинного двигателя по фиг.1. Лопасть 40 лопатки 10 газотурбинного двигателя, изображенная на фиг.3, представляет совокупность ребер 50, практически параллельных верхней поверхности 32 платформы 30 лопатки 10. Эти ребра 50 обеспечивают охлаждение стенки 54 задней кромки лопасти 40. Ребра 50 располагаются на входной стороне между ступенью 58, которая разделяет основную поверхность 56 внутренней поверхности и поверхность 57 задней кромки лопасти.
На фиг.3 эта ступень 58 представлена как расположенная на практически постоянном расстоянии С от задней кромки 42. Другими словами, это расстояние С между ступенью 58 и задней кромкой 42 могло бы изменяться, например, в зависимости от расстояния между ребром и верхней поверхностью 32 платформы 30.
i
i
i
С другой стороны, концы 53 ребер 50 со стороны задней кромки размещены на разных расстояниях D от задней кромки 42 (для упрощения все расстояния D не представлены). Эти расстояния D могут быть уточнены путем их сравнения с температурным профилем, представленным на фиг.4. Фиг.4 изображает кривую, представляющую локальное изменение температуры Тº на задней кромке лопатки в зависимости от расстояния Х от платформы лопатки. Сравнение фиг.3 и 4 показывает, что чем больше повышена температура Тº вблизи задней кромки, тем ближе концы 53 ребер к задней кромке для придания большей жесткости последней в горячих зонах.
Например, в части лопатки, расположенной на расстоянии Х0 от платформы 32, показанном на фиг.4, температурная кривая проходит через локальный максимум. Для придания жесткости задней кромке в зоне повышенной температуры в этой зоне ребра особенно длинны и простираются практически до задней кромки, то есть, точнее говоря, расстояние между концом ребер и задней кромкой сведено к минимуму, как показано на фиг.3.
Напротив, в более холодных зонах ребра 50 могут иметь конец 53, размещенный на некотором или на большем расстоянии от задней кромки: это, например, расстояние X1 между частью лопатки 40 и платформой 32. В этой области температурная кривая переходит к минимуму; соответственно расстояние между задней кромкой и концом ребер со стороны задней кромки увеличено и доходит, например, до максимума.
Отметим, однако, что вышеозначенная корреляция между расстоянием концов ребер и краем задней кромки и локальной температурой задней кромки лопатки необязательно является единственным параметром, принимаемым в расчет для определения расстояния, которое должно быть между концом ребер и задней кромкой.
Например, как изображено на фиг.1, можно локально отдать приоритет другому критерию, и, например, вблизи платформы локально уменьшить длину ребер (ребра 501, 502, 503) таким образом, чтобы они заканчивались на некотором расстоянии от задней кромки для придания последней гибкости вблизи платформы. Эта гибкость является особенно полезной в области задней стенки из-за имеющейся здесь большой концентрации энергии.
Фиг.5 изображает различные профили ребер, используемых в лопатке по изобретению. Позиция Е соответствует равномерно расположенным ребрам одинакового сечения. Это может соответствовать варианту осуществления изобретения, в котором подбирают размеры ребер, просто изменяя расстояние между концом ребер и задней кромкой. Отсюда ясно, что каждое ребро индивидуально может иметь сечение с более или менее острыми срезами, или более или менее скругленными.
Позиция F соответствует ребрам, сечения которых изменяются в зависимости от температурного профиля, при этом площади сечений более значительны в зонах с повышенной температурой (например, в точке Х0), и менее значительны в зонах с меньшей температурой (например, в точке X1).
Позиция G соответствует ребрам, попарное разделение которых изменяется в зависимости от температурного профиля, при этом ребра более сближены в зонах с высокой температурой (например, в точке Х0), и более удалены одна от другой в зонах с невысокой температурой (например, в точке X1).
Различные вышеописанные комбинации могут быть, естественно, скомбинированы одни с другими.