ЛОПАТКИ ЛОПАТОЧНОГО КОЛЕСА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ОСНАЩЕННЫЕ КАНАВКАМИ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ
BLADES OF BLADED WHEEL OF GAS-TURBINE ENGINE, WHICH ARE EQUIPPED WITH COOLING GROOVES

Предлагаемое изобретение относится к лопатке лопаточного колеса газотурбинного двигателя, причем эта лопатка содержит аэродинамический профилированный элемент, имеющий нижнюю поверхность, и платформу, проходящую на одном из концов упомянутого профилированного элемента в направлении, в целом перпендикулярном к продольному направлению этого профилированного элемента, причем эта платформа содержит по меньшей мере один канал впрыскивания воздуха и, говоря более конкретно, содержит средства, предназначенные для использования в целях оптимизации условий охлаждения лопатки при помощи потока воздуха, впрыскиваемого через один или несколько каналов впрыскивания воздуха.
Известным образом такая лопатка обычно предназначается для размещения, совместно с множеством других по существу идентичных лопаток, с целью формирования венца лопаток вокруг оси этого венца, причем в этом венце аэродинамические профилированные элементы располагаются по существу в радиальном направлении и участки поверхностей платформ двух примыкающих друг к другу лопаток, располагающиеся между их соответствующими профилированными элементами, определяют межлопаточную поверхность. Эта межлопаточная поверхность связывает нижнюю поверхность одного аэродинамического профилированного элемента лопатки с соседней верхней поверхностью другой лопатки в межлопаточном канале.
Объединение лопаток вокруг оси упомянутого венца позволяет сформировать лопаточное колесо. Это лопаточное колесо может быть выполнено подвижным и может воспринимать, таким образом, энергию, создаваемую течением потока газов, или же может сообщать энергию потоку газов, движущемуся через это лопаточное колесо. Такое лопаточное колесо также может быть неподвижным и в этом случае его функция состоит в изменении направления движения потока газов.
Предлагаемое изобретение относится к лопаткам, используемым в потоках газов, имеющих высокую температуру, в частности, очень высокую температуру, которая может составлять, например, более 1000К. Это относится, например, к случаю, когда лопатки используются в ступенях турбин высокого или низкого давления турбореактивных двигателей, располагающихся по потоку позади камер сгорания этих двигателей.
Эти высокие температуры (и связанные с ними градиенты температур), которые в ряде случаев могут превышать температуру плавления лопаток, порождают различные проблемы для лопаток, такие, например, как опасность их расплавления, тепловое расширение, деформации, возникновение механических напряжений и т.п.
Известным образом охлаждение подвергающихся таким температурным воздействиям аэродинамических профилированных элементов и платформ лопаток реализуется при помощи воздушных каналов, выполненных в собственном объеме лопаток. Эти каналы обеспечивают подведение потоков охлаждающего воздуха к тем частям лопаток, которые подвергаются наиболее значительным тепловым или термомеханическим воздействиям.
Задняя кромка профилированного аэродинамического элемента, и в особенности область соединения этой задней кромки аэродинамического профилированного элемента с поверхностью платформы лопатки, которая подвергается весьма мощным механическим воздействиям, представляет собой одну из наиболее подверженных внешним воздействиям частей лопатки и называется критической частью лопатки.
Действительно, форма и местоположение этой части лопатки делает ее охлаждение при помощи потока воздуха особенно затруднительным для практической реализации. Вследствие этого на практике охлаждение этой критической части обеспечивается не вполне удовлетворительным образом и ее температура достигает высоких значений одновременно с высоким уровнем механических напряжений. Все это приводит к деформациям и образованию с течением времени трещин, что обусловливает, таким образом, уменьшение срока службы лопатки.
Упомянутые выше трудности обеспечения надлежащего охлаждения задней кромки лопатки путем впрыскивания потока воздуха схематически проиллюстрированы, в частности, на фиг.3.
На фиг.3 представлен вид в разрезе лопатки определенного в предшествующем изложении типа, демонстрирующий поведение потоков охлаждающего воздуха, впрыскиваемого через каналы впрыскивания воздуха, располагающиеся в непосредственной близости от аэродинамического профилированного элемента лопатки со стороны ее нижней поверхности.
Лопатка, схематически изображенная на фиг.3, представляет собой лопатку 10, содержащую аэродинамический профилированный элемент 50, платформу 60 и основание 66. Эта лопатка представлена здесь в разрезе по плоскости, перпендикулярной по отношению к продольной оси аэродинамического профилированного элемента 50.
Воздушные каналы 16 сформированы в платформе 60. Эти каналы используются для подведения потока охлаждающего воздуха, который впрыскивается, в частности, для охлаждения критической части упомянутого профилированного элемента. Эти каналы 16 впрыскивания воздуха проходят сквозь платформу лопатки и открываются на поверхности этой платформы 62 вдоль нижней поверхности 56 упомянутой лопатки 10.
Здесь следует отметить, что в последующем изложении термин "воздух" представляет собой обобщающий термин, который может означать как поток собственно воздуха, так и поток любой другой в основном газообразный поток, например, поток выхлопных газов.
На фиг.3 схематически представлена траектория движения потоков воздуха, подаваемого через отверстия 16 впрыскивания воздуха. Эти потоки воздуха не обтекают плавно нижнюю стенку 56, а быстро отрываются от нее и направляются по некоторой косой траектории в направлении по потоку движения газов и частично в направлении верхней поверхности 58 соседнего аэродинамического профилированного элемента 50.
В результате следования по этой косой траектории упомянутые потоки воздуха обеспечивают лишь незначительное охлаждение зоны 12 присоединения задней кромки лопатки к ее платформе. При этом только потоки охлаждающего воздуха, подаваемого через каналы 16, располагающиеся в наиболее задней по потоку части профилированного элемента 50, в незначительной степени содействуют охлаждению, в ряде случаев совершенно недостаточному, этой критической части 12 лопатки 10. При этом потоки охлаждающего воздуха, подводимые через другие каналы 16, отклоняются от нижней поверхности 56 аэродинамического профилированного элемента и не способствуют сколько-нибудь существенным образом охлаждению этой критической части 12 лопатки.
Первая техническая задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить лопатку ранее описанного типа, которая будет пригодна для использования в потоке воздуха с высокой температурой, которая будет относительно простой в изготовлении при относительно небольшой себестоимости, и критическая часть которой будет охлаждаться надлежащим образом.
Эта техническая задача решается благодаря тому обстоятельству, что в лопатке предлагаемой конструкции платформа содержит канавку, проходящую вдоль нижней поверхности в непосредственной близости от, по меньшей мере, задней по потоку части этой поверхности, причем в этой канавке выполнен, по меньшей мере, один канал впрыскивания охлаждающего воздуха.
Упомянутая выше канавка образует канал, в который впрыскивается поток воздуха через один или несколько каналов впрыскивания воздуха, выходные отверстия которых располагаются в этой канавке. При этом подаваемый поток воздуха направляется стенками этой канавки вдоль нижней поверхности аэродинамического профилированного элемента лопатки. Вследствие этого устраняется явление отрыва потока воздуха от нижней стенки и обеспечивается достаточно эффективное охлаждение зоны присоединения задней кромки аэродинамического профилированного элемента лопатки к ее платформе.
Таким образом, в процессе функционирования обеспечивается возможность определенного снижения температуры критической части лопатки. Вследствие этого срок службы лопатки увеличивается. И наоборот, можно выгодно использовать повышение коэффициента полезного действия охлаждения для того, чтобы уменьшить количество охлаждающего воздуха, впрыскиваемого через один или несколько каналов впрыскивания воздуха, или сократить количество этих каналов впрыскивания воздуха.
Кроме того, здесь следует отметить, что такой результат достигается просто вследствие придания платформе лопатки специфической формы, то есть предпочтительным образом с предельно малым увеличением стоимости (и даже при снижении этой стоимости в случае уменьшения количества каналов впрыскивания воздуха) изготовления лопатки.
В общем случае, поскольку упомянутая канавка сформирована в платформе, раскрытие этой канавки ориентировано по существу в радиальном направлении наружу по отношению к лопаточному колесу и оказывается по существу параллельным продольной оси лопатки. Таким образом, один или несколько каналов впрыскивания воздуха в тех точках, где они открываются в упомянутую канавку, не ориентированы в выходящем направлении, по существу перпендикулярном по отношению к нижней стенке лопатки. В частности, они могут быть ориентированы таким образом, чтобы формировать угол, составляющий по меньшей мере 45°, предпочтительным образом составляющий примерно 90°, и еще более предпочтительным образом превышающий 90°, по отношению к упомянутому направлению.
В соответствии с одним из способов реализации диаметр отверстий впрыскивания воздуха является относительно небольшим по сравнению с размерами поперечного сечения канавки в плоскости, перпендикулярной основному направлению этой канавки.
С другой стороны, предлагаемое изобретение может быть реализовано в соответствии с одним из двух способов его реализации, описанных в последующем изложении, а также в соответствии с любым другим способом реализации, являющимся промежуточным между двумя этими способами.
В соответствии с первым способом реализации поверхность платформы, находящаяся в непосредственной близости от задней по потоку части нижней поверхности лопатки, по существу представляет собой поверхность тела вращения по отношению к оси упомянутого венца лопаток и упомянутая канавка выполнена в углублении с понижением уровня по отношению к этой поверхности.
В соответствии с вторым способом реализации упомянутая канавка выполнена между нижней поверхностью и приливом, сформированным на поверхности платформы на некотором небольшом расстоянии от задней по потоку части нижней поверхности аэродинамического профилированного элемента. Упомянутый прилив выполнен выступающим по отношению к окружающей поверхности платформы и, таким образом, эта канавка не сформирована в углублении по отношению к поверхности платформы.
Здесь под выражением "небольшое расстояние" следует понимать расстояние, которое будет составлять малую часть ширины межлопаточного канала. Из этого следует, например, что упомянутый прилив не будет удален от нижней поверхности больше, чем на треть ширины межлопаточного канала, и предпочтительным образом, больше, чем на четверть этой ширины межлопаточного канала.
С другой стороны, упомянутый прилив предпочтительным образом выполнен на по существу постоянном расстоянии от нижней поверхности таким образом, чтобы эта канавка определяла канал, имеющий в целом постоянное поперечное сечение.
Таким образом, в целом упомянутая канавка может находиться либо во впадине, либо по существу на том же уровне (и даже выступающим образом) по отношению к остальной прилегающей поверхности платформы, причем два эти случая соответствуют двум способам реализации, упомянутым в предшествующем изложении. В случае устройства канавки на том же уровне, что и поверхность платформы, имеется необходимость реализовать на платформе выступающий прилив, причем канавка формируется, таким образом, между этим приливом и нижней стенкой лопатки.
В соответствии с усовершенствованием этого второго способа реализации упомянутая канавка ограничивается с одной стороны нижней поверхностью лопатки и с другой стороны упомянутым приливом. Таким образом, эффект этой канавки усиливается.
В том, что касается расположения канавки по направлению течения потока, в соответствии с предпочтительным способом реализации упомянутая канавка проходит, по отношению к нейтральной линии профилированного элемента лопатки, между ее первой четвертью и наиболее задней по потоку точкой аэродинамического профилированного элемента. При этом было отмечено, что канавка, проходящая в таком интервале, оказывается особенно эффективной.
И наконец, в соответствии с одним из способов реализации предлагаемая лопатка содержит множество каналов впрыскивания воздуха, распределенных вдоль упомянутой канавки. При этом наличие многочисленных каналов впрыскивания воздуха снижает опасность завихрений, которые могли бы возникать вследствие массированного притока воздуха, впрыскиваемого через один единственный канал впрыскивания воздуха. В этом случае, в частности, поперечное сечение канавки может быть возрастающим в направлении по потоку таким образом, чтобы обеспечить возможность прохождения с возрастающим расходом потока воздуха, постепенно впрыскиваемого через различные каналы впрыскивания воздуха.
Вторая техническая задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить лопаточное колесо, которое может быть использовано в потоке газов, имеющих высокую температуру, при сохранении умеренной себестоимости такого лопаточного колеса.
Эта техническая задача решается благодаря тому обстоятельству, что такое лопаточное колесо содержит множество лопаток описанного в предшествующем изложении типа.
Третья техническая задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить газотурбинный двигатель с высоким коэффициентом полезного действия при сохранении умеренной себестоимости такого газотурбинного двигателя.
Эта техническая задача решается благодаря тому обстоятельству, что такой газотурбинный двигатель содержит по меньшей мере одно лопаточное колесо описанного в предшествующем изложении типа. Здесь следует отметить, что такое лопаточное колесо может представлять собой как подвижное рабочее лопаточное колесо, так и лопаточное колесо с неподвижными лопатками типа направляющего аппарата высокого давления в турбореактивном двигателе.
Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже подробного описания способов его реализации, использованных здесь в качестве не являющихся ограничительными примеров, где даются ссылки на приведенные в приложении фигуры, среди которых:
Фиг.1 представляет собой перспективный вид трех лопаток известного типа, располагающихся в своем относительном положении в том случае, когда они установлены в лопаточное колесо;
Фиг.2 схематический перспективный вид лопаточного колеса, содержащего лопатки, показанные на фиг.1;
Фиг.3, уже описанная ранее, и фиг.4 представляют собой перспективные виды лопатки в окрестности задней кромки ее аэродинамического профилированного элемента и со стороны ее нижней поверхности, демонстрирующие траекторию движения потока воздуха, впрыскиваемого через каналы впрыскивания воздуха, соответственно в случае лопатки известного типа и в случае лопатки, выполненной в соответствии с предлагаемым изобретением;
Фиг.5, 6 и 7 представляют собой виды в разрезе лопатки в соответствии с предлагаемым изобретением и в трех различных вариантах ее реализации;
Фиг.8 и 9 представляют собой виды межлопаточного канала между двумя аэродинамическими профилированными элементами в окрестности задней кромки аэродинамического профилированного элемента и со стороны нижней поверхности этого элемента в соответствии с двумя способами реализации, представленными соответственно на фиг.5 и 6.
Для упрощения понимания приведенных в приложении чертежей в том случае, когда тот или иной элемент появляется на различных фигурах идентичным образом или в аналогичной форме, ему присваивается на этих различных фигурах одна и та же цифровая позиция и этот элемент подробно описывается здесь только при его первом упоминании.
Теперь более подробно и со ссылками на фиг.1 и 2 будет описана общая форма лопатки, предназначенной для использования в лопаточном колесе газотурбинного двигателя.
На фиг.1 можно видеть три идентичных лопатки 10, составляющих часть лопаточного колеса 100, представленного на фиг.2. Каждая лопатка 10 спроектирована таким образом, чтобы быть соединенной с другими идентичными лопатками 10 с целью формирования лопаточного колеса 100. Это лопаточное колесо образовано в основном лопатками 10, установленными на диске 20 ротора. В этом лопаточном колесе 100 лопатки 10 располагаются в виде венца, являющегося симметричным относительно оси А этого лопаточного колеса.
Каждая лопатка 10 содержит аэродинамический профилированный элемент 50, платформу 60 и основание 66. Аэродинамический профилированный элемент содержит переднюю кромку 52, заднюю кромку 54, нижнюю поверхность 56 и верхнюю поверхность 58. Основание 66 предназначена для крепления лопатки на ступице, например, на диске ротора 20. Платформа 60 проходит в направлении, в целом перпендикулярном по отношению к продольному направлению аэродинамического профилированного элемента 50, и содержит верхнюю поверхность 62, располагающуюся со стороны этого аэродинамического профилированного элемента 50. Поскольку лопатки 10 присоединены друг к другу, верхние поверхности 62 их платформ определяют межлопаточные пространства 70, которые проходят от нижней поверхности 56 одного аэродинамического профилированного элемента до верхней поверхности 58 соседнего аэродинамического профилированного элемента. В лопаточном колесе 100 каждая межлопаточная поверхность 70 сформирована первой частью 63 верхней поверхности платформы, располагающейся со стороны нижней поверхности аэродинамического профилированного элемента, и второй частью 64 верхней поверхности платформы, располагающейся со стороны верхней поверхности аэродинамического профилированного элемента. Две эти части 63 и 64 располагаются в непрерывном примыкании друг к другу таким образом, чтобы обеспечить по существу герметичное соединение между двумя смежными лопатками 10. Поверхность платформы 62 связана с наружными поверхностями аэродинамического профилированного элемента 50 при помощи соединительных поверхностей 18 (которые по существу представляют собой закругленные переходы с эволютивным радиусом кривизны).
Кроме того, для охлаждения критической зоны 12 аэродинамического профилированного элемента 50, то есть части задней кромки 54, располагающейся в непосредственной близости от платформы 60, поверхность 62 этой платформы содержит каналы 16 впрыскивания воздуха, выполненные в объеме самой лопатки.
И еще, здесь следует отметить, что в примерах реализации, представленных на фиг.1-3, межлопаточная поверхность 70 представляет собой поверхность тела вращения, то есть это означает, что упомянутая поверхность представляет собой часть по существу поверхности вращения относительно оси А лопаточного колеса (здесь поверхностью вращения называется поверхность, образованная вращением некоторой кривой относительно некоторой оси). Такая форма является обычной для межлопаточных поверхностей лопаток, используемых в лопаточных колесах газотурбинных двигателей.
Теперь более подробно и со ссылками на фиг.3 и 4 будет описан эффект, обеспечиваемый лопаткой в соответствии с предлагаемым изобретением.
В лопатке, представленной на фиг.4, прилив 42 выполнен на, по существу, постоянном расстоянии от нижней поверхности 56 аэродинамического профилированного элемента 50. Вследствие наличия этого прилива 42 канавка 40 сформирована на поверхности 62 платформы. Эта канавка 40 проходит вдоль нижней поверхности 56 аэродинамического профилированного элемента в его задней по потоку части и размещается между этой нижней поверхностью 56 и приливом 42, который ограничивает эту канавку.
Благодаря наличию этой канавки 40 поток воздуха, впрыскиваемый через каналы 16 впрыскивания воздуха, предусмотренные в донной части канавки, отводится вдоль этой канавки и проходит, таким образом, вдоль нижней поверхности 56, обеспечивая тем самым эффективное охлаждение критической части 12 лопатки. И наоборот, в отсутствие такой канавки 40, как это показано на фиг.3, поток впрыскиваемого охлаждающего воздуха стремится, после выхода из каналов впрыскивания, отклониться от нижней поверхности 56. Таким образом, этот поток воздуха оказывается не в состоянии обеспечивать эффективное охлаждение критической части 12 лопатки, то есть зоны соединения между ее задней кромкой 54 и поверхностью платформы 62.
Теперь более подробно будут описаны три способа реализации предлагаемого изобретения, где будут даваться ссылки на фиг.5 и 8, с одной стороны, на фиг.6 и 9, с другой стороны, и, наконец, на фиг.7.
На фиг.5-7 представлены виды в разрезе лопаток в соответствии с предлагаемым изобретением, причем эти разрезы выполнены вдоль оси аэродинамического профилированного элемента и в направлении, по существу перпендикулярном к общему направлению течения потока газов. На фиг.8 и 9 представлена плоскость разреза (которая является одной и той же для всех трех фиг.5-7) для фиг.5 и 6 с позициями V и V1.
На фиг.5-7 пунктирная кривая представляет вид в разрезе средней поверхности вращения, которая аппроксимирует часть поверхности платформы 62, располагающейся в непосредственной близости от канавки 40.
На фиг.5 представлен вид в разрезе лопатки, показанной на фиг.4. Здесь прилив 42 выполнен выступающим по отношению к поверхности платформы 62 за счет добавления материала. Вследствие наличия прилива 42 упомянутая канавка 40 сформирована между этим приливом 42 и нижней поверхностью 56. В представленном здесь случае прилив 42 располагается в непосредственной близости от упомянутой нижней поверхности для отведения потока впрыскиваемого воздуха возможно ближе к этой нижней стенке. Поток воздуха впрыскивается через канал 16 впрыскивания воздуха, который имеет выходное отверстие, располагающееся в донной части канавки 40.
На фиг.6 представлена лопатка, в которой канавка 140 выполнена в виде выемки с понижением уровня по отношению к общей форме поверхности платформы 62, представленной пунктирной линией. В этом случае упомянутый прилив отсутствует.
На фиг.7 представлена лопатка, выполненная в соответствии со способом реализации, являющимся промежуточным между двумя способами реализации, представленными на фиг.5 и 6. Здесь канавка 240 выполнена в виде выемки с понижением уровня по отношению к общей форме поверхности платформы 62, однако эффект канавки, направляющей и отводящей поток впрыскиваемого воздуха, усиливается при помощи прилива 242, сформированного выступающим образом по отношению к общей форме поверхности платформы 62.
В соответствии с этим способом реализации канал 16 впрыскивания воздуха открывается в стенке прилива 242, располагающейся со стороны нижней поверхности 56 лопатки, и ориентирован в направлении этой нижней поверхности для того, чтобы направлять поток впрыскиваемого воздуха в сторону этой поверхности.
На фиг.8 и 9 представлены виды лопаток, уже продемонстрированных на фиг.5 и 6, но в разрезах, выполненных перпендикулярно по отношению к оси аэродинамического профилированного элемента 50. Эти виды в разрезе демонстрируют поперечное сечение аэродинамического профилированного элемента 50, выполненное в непосредственной близости от платформы 60 лопатки со стороны течения потока газов и на расстоянии от этой платформы, достаточном для того, чтобы это поперечное сечение представляло собой именно поперечное сечение упомянутого аэродинамического профилированного элемента и не затрагивало соединительных поверхностей 18, существующих между этим аэродинамическим профилированным элементом 50 и платформой 60.
В соответствии с двумя представленными здесь способами реализации канавка 40, 140 расположена вдоль нижней поверхности 56.
Распространение канавки 40, 140 прежде всего может оцениваться в направлении течения потока. Можно, в частности, определять количественные характеристики по отношению к нейтральной линии 55 аэродинамического профилированного элемента, которая проходит от передней кромки 52 к задней кромке 54 этого профиля по существу на одинаковом расстоянии от двух сторон этого профиля: эта канавка проходит по отношению к нейтральной линии 55 аэродинамического профилированного элемента между первой четвертью этой линии и наиболее задней по потоку точкой аэродинамического профилированного элемента (в направлении по потоку, то есть, если рассматривать упомянутые выше фигуры, от положения, располагающегося сверху и справа, к положению, располагающемуся снизу и слева). В частности, эта канавка проходит по меньшей мере на уровне задней по потоку части 57 упомянутой нижней поверхности 56.
Эта задняя по потоку часть по существу соответствует 40% нейтральной линии 55 аэродинамического профилированного элемента, если считать с ее задней по потоку стороны.
Кроме того, как это можно видеть на фиг.5-7, канавка 40, 140, 240 проходит на по существу постоянном расстоянии от нижней поверхности 56 и в непосредственной близости от нее. В разрезе эта линия представляет по существу форму дуги или полуокружности. Эта дуга или эта полуокружность связана на одной из своих сторон с нижней стенкой аэродинамического профилированного элемента. На другой стороне эта линия связана, через соединительную поверхность (которая содержит поверхность прилива 42, 242 на лопатках, представленных на фиг.5 и 7), с поверхностью платформы 62.
В соответствии с представленными здесь способами реализации поверхность платформы 62 в непосредственной близости от канавки (за исключением прилива, если он в данном случае имеется) представляет собой весьма слабо искривленную поверхность, форма которой представляет собой по существу форму тела вращения.
И наконец, в соответствии со способами реализации, представленными на фиг.8 и 9, вдоль канавки 40, 140 предусматривается размещение нескольких каналов 16 впрыскивания воздуха, предназначенных для подачи охлаждающего воздуха в межлопаточный канал и обеспечения таким образом охлаждения лопаток.
Эти каналы 16 впрыскивания воздуха располагаются по существу на одной линии, один за другим и на небольшом расстоянии от стенки нижней поверхности 56.
По отношению к нейтральной линии 55 аэродинамического профилированного элемента эти каналы проходят на наибольшей ее части: первый канал впрыскивания воздуха располагается примерно на уровне 20% этой нейтральной линии, считая от передней кромки 52, тогда как последний канал 16 впрыскивания воздуха располагается примерно на уровне 90% этой нейтральной линии 55. Как это можно видеть на фиг.8 и 9, каналы впрыскивания воздуха могут быть распределены на некоторой амплитуде по отношению к нейтральной линии аэродинамического профилированного элемента 50, выступающей за пределы амплитуды канавки 40, 140.