ЛОПАТКА С УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМ КОНТУРОМ ОХЛАЖДЕНИЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКУЮ ЛОПАТКУ
BLADE WITH IMPROVED COOLING CIRCUIT AND GAS TURBINE ENGINE CONTAINING SUCH A BLADE

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к лопатке, например, к лопатке турбины, которая может быть установлена внутри авиационного газотурбинного двигателя, и, в частности, относится к внутреннему охлаждению такой лопатки.
Уровень техники
Авиационный газотурбинный двигатель обычно содержит камеру сгорания, производимые газообразные продукты сгорания которой, приводят во вращение одну или несколько турбин. Известно, что для защиты лопаток турбины от действующих на них высоких температур, в частности рабочих лопаток, их выполняют полыми для циркуляции внутри лопаток охлаждающей текучей среды, например, относительно холодного воздуха, отбираемого на входе камеры сгорания.
В международной заявке WO 2015/162389 А1, поданной на имя заявителя, описана лопатка турбины газотурбинного двигателя, содержащая контур охлаждения с улучшенной однородностью. В частности, эта лопатка содержит несколько полостей, выполненных в толщине пера.
Однако, возрастающие потребности в повышении эффективности заставляют увеличивать КПД газотурбинного двигателя и, следовательно, повышать температуру газообразных продуктов сгорания, поступающих на турбины, без увеличения расхода охлаждающей текучей среды внутри лопаток. Таким образом, хотя вышеупомянутая лопатка дает удовлетворительные результаты, все же существует потребность в лопатке, еще более стойкой к высоким температурам.
Раскрытие сущности изобретения
Даная техническая задача решена в лопатке для турбины, содержащей хвостовик лопатки, образующий радиально внутренний конец лопатки, и перо, проходящее радиально наружу от хвостовика лопатки и имеющее стенку корытца и стенку спинки, соединенную со стенкой корытца на передней кромке и на задней кромке пера, при этом перо содержит по меньшей мере первый внутренний контур охлаждения, содержащий по меньшей мере одну полость корытца, проходящую радиально вдоль стенки корытца и первой внутренней стенки, расположенной между стенкой корытца и стенкой спинки, по меньшей мере одну полость спинки, проходящую радиально вдоль стенки спинки и второй внутренней стенки, расположенной между стенкой корытца и стенкой спинки, при этом в лопатке согласно изобретению первый контур охлаждения дополнительно содержит по меньшей мере одну сквозную внутреннюю полость, образованную между двумя сквозными стенками, каждая из которых проходит между стенкой корытца и стенкой спинки на расстоянии от передней кромки и от задней кромки, при этом сквозная внутренняя полость проходит радиально вдоль стенки корытца и стенки спинки, в которой полость корытца, полость спинки и сквозная внутренняя полость последовательно соединены по текучей среде.
В данном описании, если только не указано иное, вход и выход определены относительно направления нормального прохождения газа по газотурбинному двигателю (от входа к выходу). Вход и выход следует рассматривать относительно газа, обтекающего лопатку снаружи, как правило, от передней кромки к задней кромке, а не относительно охлаждающей текучей среды, проходящей внутри лопатки. Для упрощения и без ущерба для обобщения в дальнейшем речь будет идти равнозначно об охлаждающей текучей среде или просто о воздухе.
Кроме того, осью турбины называют ось вращения ротора турбины. Осевое направление соответствует направлению оси турбины, а радиальное направление, в котором проходит перо, является направлением, перпендикулярным к этой оси и пересекающим эту ось. Таким образом, радиальное направление соответствует продольному направлению пера. Точно так же, осевая плоскость, является плоскостью, содержащей ось турбины, и радиальная плоскость является плоскостью, перпендикулярной к этой оси. Поперечная плоскость является плоскостью, ортогональной к радиальному или продольному направлению. Периферию следует понимать как круг, принадлежащий к радиальной плоскости, центр которого принадлежит к оси турбины. Тангенциальное или окружное направление является направлением, касательным к периферии; оно является перпендикулярным к оси компрессора, но не проходит через ось.
В рамках данного описания полость проходит радиально вдоль стенки, если полость является смежной со стенкой по меньшей мере на половине ее длины, предпочтительно по существу по всей ее длине в радиальном направлении. Кроме того, полость считается отделенной от другой полости, если обе полости разделены стенкой по меньшей мере на половине длины пера в радиальном направлении, предпочтительно по существу по всей длине пера.
Благодаря присутствию вышеупомянутой сквозной внутренней полости, сквозные стенки могут свободно деформироваться, чтобы следовать относительному расширению между относительно горячими наружными частями лопатки, такими как стенки корытца и спинки, и относительно холодными внутренними частями лопатки, такими как первая и вторая внутренние стенки. Таким образом, внутренняя структура лопатки становится более гибкой, что ограничивает появление напряжений в лопатке и, следовательно, повышает ее стойкость к температурным перепадам и увеличивает срок ее службы. Тот факт, что полость корытца, полость спинки и сквозная внутренняя полость последовательно соединены между собой по текучей среде, позволяет также максимизировать работу охлаждающей текучей среды и сделать более однородной температуру внутри лопатки, что тоже способствует снижению напряжений в лопатке.
Вторая внутренняя стенка может быть отдельной или может совпадать с первой внутренней стенкой. В случае, когда вторая внутренняя стенка совпадает с первой внутренней стенкой, полость корытца и полость спинки являются смежными. В этих вариантах осуществления направление прохождения охлаждающего воздуха может делать разворот между полостью корытца и полостью спинки в толщине пера. Толщина пера соответствует направлению, перпендикулярному к средней линии между стенкой корытца и стенкой спинки в поперечной плоскости.
Кроме того, каждая из первой внутренней стенки и второй внутренней стенки могут быть соединены с одной из указанных сквозных стенок; при этом первая и вторая внутренние стенки могут быть соединены с одной и той же из сквозных стенок или с разными сквозными стенками.
В некоторых вариантах осуществления полость корытца, полость спинки и сквозная внутренняя полость соединены по текучей среде в этом порядке. Соединение указанных полостей в вышеупомянутом порядке позволяет еще больше оптимизировать работу воздуха для рабочей лопатки. Действительно, с учетом вращения лопаточного колеса сила Кориолиса прижимает охлаждающий воздух вдоль стенок корытца или спинки лопатки в зависимости от того, является воздушный поток восходящим или нисходящим внутри пера. Вышеупомянутый порядок позволяет прижимать воздух к стенке корытца в полости корытца и к стенке спинки в полости спинки, затем опять к стенке корытца в сквозной внутренней полости. Таким образом, взаимодействие воздуха со стенками корытца и спинки является максимизированным, тогда как взаимодействие воздуха с внутренними стенками является ограниченным, что позволяет соответственно и одновременно улучшить охлаждение стенок корытца и спинки и ограничить температурный градиент внутри лопатки между стенками корытца и спинки, с одной стороны, и внутренними стенками, с другой стороны. Кроме того, как будет более детально показано ниже, механические свойства стенки корытца, стенки спинки и внутренних стенок могут зависеть от температуры; в частности, механические свойства могут быть по существу постоянными до пороговой температуры, затем постепенно ухудшаться сверх пороговой температуры. Таким образом, бесполезно охлаждать внутренние стенки при температуре сверх пороговой температуры.
В некоторых вариантах осуществления полость корытца и/или полость спинки имеет поперечное сечение, уменьшающееся в радиальном направлении. Предпочтительно полость корытца может иметь поперечное сечение, уменьшающееся от радиально внутреннего конца пера к радиально наружному концу пера. Альтернативно или дополнительно полость спинки может иметь поперечное сечение, уменьшающееся от радиально наружного конца пера к радиально внутреннему концу пера. Тот факт, что полости корытца и/или спинки являются радиально сходящимися, улучшает поток в полостях и позволяет ограничить и даже устранить рециркуляционные завихрения. Кроме того, когда полость корытца и полость спинки являются смежными с двух сторон от одной и той же внутренней стенки, наклон разделяющей их стенки относительно радиального направления позволяет получить конструктивно просто вышеупомянутую конфигурацию, независимо от того, сообщаются полости по текучей среде или нет. Кроме того, эта конфигурация облегчается за счет слабого взаимодействия воздуха с внутренними стенками, в частности, когда воздух прижимается к стенке корытца в волости корытца или к стенке спинки в полости спинки.
В некоторых вариантах осуществления первая внутренняя стенка соединена с первой из указанных сквозных стенок, и вторая внутренняя стенка соединена с второй из указанных сквозных стенок. Первая сквозная стенка отделена от второй сквозной стенки. Это значит, что первая внутренняя стенка и вторая внутренняя стенки являются разными. Таким образом, полости корытца и спинки расположены с двух сторон от сквозной внутренней полости.
В некоторых вариантах осуществления лопатка содержит третью сквозную стенку, соединенную с первой внутренней стенкой или с второй внутренней стенкой, при этом внутренний контур охлаждения содержит вторую сквозную полость, проходящую радиально вдоль стенки корытца, стенки спинки и третьей сквозной стенки. Вторая сквозная полость может быть внутренней, то есть проходить на расстоянии от передней кромки или от задней кромки, или может быть образована между третьей сквозной стенкой и стенками корытца и спинки, соединяясь с передней кромкой или с задней кромкой. Присутствие второй сквозной полости позволяет сделать еще более гибкой внутреннюю структуру лопатки.
В некоторых вариантах осуществления, поскольку третья сквозная стенка соединена с первой внутренней стенкой (соответственно с второй внутренней стенкой), полость корытца (соответственно полость спинки) является смежной с первой сквозной полостью и с второй сквозной полостью. Таким образом, первая и вторая сквозные полости могут быть предусмотрены с двух сторон от полости корытца (соответственно полости спинки). В этих вариантах осуществления первая и вторая сквозные полости разделены единственной полостью корытца (соответственно полостью спинки), которая проходит радиально вдоль первой сквозной полости, второй сквозной полости, первой внутренней стенки (соответственно второй внутренней стенки) и стенки корытца (соответственно стенки спинки).
В некоторых вариантах осуществления полость корытца и полость спинки выполнены с двух сторон от сквозной внутренней полости, и проход соединяет по текучей среде полость корытца с полостью спинки, не проходя через сквозную внутреннюю полость. Полость спинки, в свою очередь, может быть соединена по текучей среде со сквозной внутренней полостью. В этих вариантах осуществления полость корытца, полость спинки и сквозная внутренняя полость выполнены в виде петли. Указанный проход предпочтительно находится на радиально наружном конце пера.
В некоторых вариантах осуществления полость корытца выполнена со стороны задней кромки, а полость спинки - со стороны передней кромки по отношению к сквозной внутренней полости. Таким образом, охлаждающий воздух циркулирует между полостью корытца и полостью спинки от задней кромки к передней кромке, то есть противотоком по отношению к воздуху, вращающему турбину. Относительно холодный охлаждающий воздух можно удалять из пера со стороны передней кромки, где он проходит в сторону выхода вдоль пера и образует защитный охлаждающий слой при помощи пленки текучей среды, что будет описано ниже.
В некоторых вариантах осуществления первая внутренняя стенка и вторая внутренняя стенка ограничены, каждая, двумя сквозными стенками, при этом каждая сквозная стенка проходит между стенкой корытца и стенкой спинки. Каждая внутренняя стенка, ограниченная двумя сквозными стенками, может образовать внутреннюю структуру общей Н-образной формы. Таким образом, в этих вариантах осуществления лопатка содержит внутреннюю структуру общей формы в виде двойного Н, боковыми ветвями которой являются сквозные стенки. Аналогично, можно предусмотреть внутреннюю структуру общей формы в виде тройного Н или четверного или более Н с необходимым количеством внутренних стенок и сквозных стенок. Две последовательные сквозные стенки, если они не соединены первой или второй внутренней стенкой, могут быть разделены вышеупомянутой сквозной внутренней полостью.
В некоторых вариантах осуществления стенка корытца имеет по меньшей мере одно отверстие, предпочтительно множество отверстий, соединяющих сквозную внутреннюю полость с наружным пространством пера. Это отверстие может выполнять роль, возможно в комбинации с другими подобными или разными отверстиями, выхода воздуха для сквозной внутренней полости. Отверстие позволяет удалять вдоль стенки корытца воздух, прошедший в сквозной внутренней полости. Таким образом, образуется защитный слой охлаждения пленкой текучей среды, известный под английским названием “film-cooling”, который способствует не только понижению температуры стенки корытца, но также уменьшению нагрева охлаждающего воздуха в полостях, что является преимуществом, когда полость корытца находится со стороны задней кромки относительно сквозной внутренней полости. Факультативно, отверстие может быть направлено к задней кромке, что улучшает равномерность воздушного потока и усиливает защитный слой.
В некоторых вариантах осуществления лопатка содержит второй внутренний контур охлаждения, идентичный первому внутреннему контуру охлаждения, в частности, в которой первая внутренняя стенка первого внутреннего контура охлаждения совпадает с второй внутренней стенкой второго внутреннего контура охлаждения.
Под «идентичным» следует понимать, что второй внутренний контур охлаждения может содержать по меньшей мере одну полость корытца, проходящую радиально вдоль стенки корытца и первой внутренней стенки, расположенной между стенкой корытца и стенкой спинки, по меньшей мере одну полость спинки, проходящую радиально вдоль стенки спинки и второй внутренней стенки, расположенной между стенкой корытца и стенкой спинки, при этом второй внутренний контур охлаждения может дополнительно содержать по меньшей мере одну сквозную внутреннюю полость, образованную между двумя сквозными стенками, проходящими, каждая, между стенкой корытца и стенкой спинки на расстоянии от передней кромки и от задней кромки, при этом внутренняя сквозная полость проходит радиально вдоль стенки корытца и стенки спинки, при этом полость корытца, полость спинки и сквозная внутренняя полость последовательно соединены по текучей среде. Факультативно, второй внутренний контур охлаждения может иметь все или часть признаков, подробно описанных в связи с первым внутренним контуром охлаждения.
Кроме того, эта конфигурация может быть предусмотрена повторяющейся: так, некоторые варианты осуществления содержат третий внутренний контур охлаждения, идентичный второму внутреннему контуру охлаждения, в частности, первая внутренняя стенка второго внутреннего контура охлаждения совпадает с второй внутренней стенкой третьего внутреннего контура охлаждения и так далее. По этой же схеме можно предусмотреть несколько других внутренних контуров охлаждения.
В некоторых вариантах осуществления лопатка содержит ванночку на своем радиально наружном конце, и первый внутренний контур охлаждения содержит вспомогательную полость спинки, проходящую радиально вдоль стенки спинки и выполненную с возможностью питания полости охлаждения ванночки, как правило, расположенной под ванночкой. Ванночка является полостью, находящейся в концевой части лопатки, то есть на ее радиально наружном конце, открытой в направлении указанного конца и ограниченной стенкой дна и бортиком, при этом указанный бортик проходит между передней кромкой и задней кромкой. Полость охлаждения ванночки предназначена для улучшения охлаждения концевой части лопатки, которая является традиционно горячим местом лопатки во время работы, имеет ограниченный срок службы и является трудно охлаждаемой.
В некоторых вариантах осуществления перо содержит контур охлаждения передней кромки, содержащий верхнюю по потоку полость, проходящую радиально вдоль стенки корытца и стенки спинки и смежную с передней кромкой, и первую полость питания, соединенную по текучей среде с верхней по потоку полостью для ее питания охлаждающим воздухом. Благодаря тому, что питание верхней по потоку полости происходит опосредованно через первую полость питания, еще относительно холодный и мало проработавший воздух может быть доставлен до радиально наружного конца верхней по потоку полости, что улучшает охлаждение на уровне передней кромки в концевой части пера. Гидравлическое соединение между верхней по потоку полостью и первой полостью питания может быть реализовано при помощи устройства обдува. Такое устройство обдува может содержать множество каналов. Эти каналы могут иметь небольшое сечение по сравнению с размером полости и/или могут быть расположены по существу в радиальном направлении. Эти каналы могут быть выполнены с возможностью ускорять проходящий по ним воздух, чтобы получить струю, обдувающую находящуюся напротив стенку, в данном случае стенку верхней по потоку полости, и локально улучшить, таким образом, теплообмены.
В некоторых вариантах осуществления перо содержит контур охлаждения задней кромки, содержащий нижнюю по потоку полость, проходящую радиально вдоль стенки корытца и стенки спинки и смежную с задней кромкой, и вторую полость питания, соединенную по текучей среде с нижней по потоку полостью для ее питания охлаждающим воздухом. Благодаря тому, что питание нижней по потоку полости происходит опосредованно через вторую полость питания, еще относительно холодный и мало проработавший воздух может быть доставлен до радиально наружного конца нижней по потоку полости, что улучшает охлаждение на уровне задней кромки в концевой части пера. Гидравлическое соединение между нижней по потоку полостью и второй полостью питания может быть реализовано при помощи множества отверстий, предусмотренных в основном по всей длине, в радиальном направлении, стенки, отделяющей нижнюю по потоку полость от второй полости питания. Такое множество отверстий иногда называют «калибровочными отверстиями».
Объектом настоящего изобретения является также лопатка для турбины, содержащая хвостовик лопатки, образующий радиально внутренний конец лопатки, и перо, проходящее радиально наружу от хвостовика лопатки и имеющее стенку корытца и стенку спинки, соединенную со стенкой корытца на передней кромке и на задней кромке пера, при этом перо содержит по меньшей мере первый внутренний контур охлаждения, содержащий по меньшей мере первую сквозную стенку, вторую сквозную стенку, третью сквозную стенку и четвертую сквозную стенку, при этом указанные сквозные стенки проходят, каждая, между стенкой корытца и стенкой спинки на расстоянии от передней кромки и от задней кромки, по меньшей мере одну внутреннюю стенку, расположенную между стенкой корытца и стенкой спинки и соединенную с второй сквозной стенкой и с третьей сквозной стенкой, образуя первую сквозную внутреннюю полость, проходящую радиально вдоль стенки корытца и стенки спинки между первой сквозной стенкой и второй сквозной стенкой, полость корытца, проходящую радиально вдоль стенки корытца, внутренней стенки и второй и третьей сквозных стенок, полость спинки, проходящую радиально вдоль стенки спинки, внутренней стенки и второй и третьей сквозных стенок, и вторую сквозную внутреннюю полость, проходящую радиально вдоль стенки корытца и стенки спинки между третьей сквозной стенкой и четвертой сквозной стенкой. Такая лопатка может иметь все или часть описанных выше признаков.
Объектом настоящего изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий описанную выше лопатку. Термин «газотурбинный двигатель» обозначает все газотурбинные аппараты, производящие движущую энергию, среди которых, в частности, различают турбореактивные двигатели, обеспечивающие тягу, необходимую для реактивного движения за счет выброса на высокой скорости горячих газов, и газотурбинные двигатели, в которых движущую энергию получают при вращении ведущего вала. Например, газотурбинные двигатели находят применение в качестве двигателей для вертолетов, судов, поездов или в качестве промышленных двигателей. Газотурбинными двигателями, используемыми в качестве авиационных двигателей, являются также турбовинтовые двигатели (газотурбинные двигатели, вращающие воздушный винт).
Краткое описание чертежей
Изобретение и его преимущества будут более понятны из нижеследующего подробного описания различных вариантов осуществления изобретения, представленных в качестве не ограничительных примеров. Это описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлена лопатка для турбины согласно первому варианту осуществления вид в перспективе;
на фиг. 2 представлена лопатка согласно первому варианту осуществления в сечении по плоскости II-II, показанной на фиг. 1;
на фиг. 3 представлена лопатка согласно первому варианту осуществления в сечении по плоскости III-III, показанной на фиг. 1;
на фиг. 4 представлена лопатка согласно первому варианту осуществления в сечении по плоскости IV-IV, показанной на фиг. 1;
на фиг. 5 представлена лопатка согласно первому варианту осуществления в сечении по плоскости V-V, показанной на фиг. 1;
на фиг. 6 представлена лопатка согласно первому варианту осуществления в сечении по плоскости VI-VI, показанной на фиг. 1.
на фиг. 7 приведена схема прохождения охлаждающей текучей среды внутри лопатки согласно первому варианту осуществления;
на фиг. 8 схематично проиллюстрированы деформации лопатки согласно первому варианту осуществления во время использования, в сечении по плоскости III-III, показанной на фиг. 1;
на фиг. 9 представлена лопатка согласно первому варианту осуществления в сечении по плоскости IХ-IХ, показанной на фиг. 1;
на фиг. 10 приведена схема прохождения охлаждающей текучей среды внутри лопатки согласно второму варианту осуществления;
на фиг. 11 приведена схема прохождения охлаждающей текучей среды внутри лопатки согласно третьему варианту осуществления;
на фиг. 12 приведена схема прохождения охлаждающей текучей среды внутри лопатки согласно четвертому варианту осуществления;
на фиг. 13 схематично показан газотурбинный двигатель, содержащий лопатку согласно одному из вариантов осуществления, вид в разрезе.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 представлен вид в перспективе примера полой лопатки 10 ротора газовой турбины согласно первому варианту осуществления. Охлаждающий воздух (не показан) проходит внутри лопатки от низа хвостовика 12 лопатки в перо 13 вдоль продольного направления R-R’ пера 13 (вертикальное направление на фигуре и радиальное направление относительно оси X-X’ вращения ротора) к концевой части 14 лопатки (вверху на фиг. 1), затем этот охлаждающий воздух выходит через выход и смешивается с основным газовым потоком. Хвостовик 12 образует радиально внутренний конец лопатки 10, а концевая часть 14 образует радиально наружный конец лопатки 10.
В частности, указанный охлаждающий воздух циркулирует во внутреннем контуре охлаждения, который находится внутри пера 13 и некоторые ветви которого доходят до концевой части 14 лопатки на уровне сквозных отверстий 15, выполненных в ванночке.
Тело пера профилировано таким образом, что образует стенку 16 корытца и стенку 18 спинки. Стенка 16 корытца имеет общую вогнутую форму и первой подвергается воздействию потока горячих газов, то есть подвергается действию давления газов со своей наружной стороны, обращенной в направлении входа. Стенка 18 спинки является выпуклой, и поток горячих газов обтекает ее со стороны пониженного давления, то есть с наружной стороны, обращенной к выходу.
Стенки 16 корытца и 18 спинки соединяются в месте передней кромки 20 и в месте задней кромки 22, которые проходят радиально между концевой частью 14 лопатки и верхней частью хвостовика 12 лопатки.
Как было указано выше, перо 13 содержит первый внутренний контур охлаждения, подробно описанный ниже со ссылками на фиг. 2-9. В частности, на фиг. 2-6 показаны последовательные сечения от радиально внутреннего конца пера 13 до его радиально наружного конца.
На фиг. 3 показано перо 13 в сечении по поперечной плоскости. Плоскость III-III предпочтительно находится между 10% и 90% размера пера 13 в продольном направлении, предпочтительно между 20% и 80% и еще предпочтительнее между 25% и 75%.
Как показано на фиг. 3, лопатка содержит полости 31-41, отделенные друг от друга проходящими радиально стенками. В частности, лопатка 10 содержит сквозные стенки, проходящие, каждая, между стенкой 16 корытца и стенкой 18 спинки на расстоянии от передней кромки 20 и от задней кромки 22. В этом варианте осуществления лопатка содержит семь сквозных стенок 51, 53, 55, 57, 59, 61, 63. Как показано на фигуре, сквозные стенки могут быть по существу прямолинейными в поперечном сечении.
Кроме того, лопатка 10 содержит внутренние стенки, расположенные, каждая, между стенкой 16 корытца и стенкой 18 спинки и на расстоянии от стенки 16 корытца и от стенки 18 спинки, в данном случае три внутренние стенки 43, 45, 47. Как показано на фигуре, внутренние стенки могут быть по существу прямолинейными в поперечном сечении.
Внутренние стенки попарно соединяют сквозные стенки, образуя структуры общей Н-образной формы. В частности, в этом варианте осуществления внутренняя стенка 43 соединяет сквозные стенки 51 и 53, внутренняя стенка 45 соединяет сквозные стенки 55 и 57, и внутренняя стенка 47 соединяет сквозные стенки 59 и 61, в результате чего образуются три структуры общей Н-образной формы, при этом указанные три структуры соединены друг с другом только стенками корытца и спинки 16, 18.
Как показано на фиг. 3, вышеупомянутые структуры общей Н-образной формы попарно разделены сквозной внутренней полостью. Так, в этом варианте осуществления лопатка 10 содержит две сквозные внутренние полости 35, 38. Сквозная внутренняя полость 35 (соответственно сквозная внутренняя полость 38) образована между двумя сквозными стенками 57, 59 (соответственно между двумя сквозными стенками 53, 55), принадлежащими к разным Н-образным структурам, и проходит радиально вдоль стенки 16 корытца и стенки 18 спинки.
Таким образом, стенка 16 корытца, стенка 18 спинки, внутренние стенки 43, 45, 47 и сквозные стенки 51, 53, 55, 57, 59, 61, 63 образуют множество полостей, характеристики и роли которых подробно описаны ниже.
Верхняя по потоку полость 31 проходит радиально вдоль стенки 16 корытца и стенки 18 спинки и ограничена сквозной стенкой 51. Верхняя по потоку полость 31 является смежной с передней кромкой 20.
Первая полость 32 питания образована между стенкой 16 корытца, сквозной стенкой 51, внутренней стенкой 43 и сквозной стенкой 53. Поскольку первая полость 32 питания проходит радиально вдоль стенки 16 корытца и внутренней стенки, ее можно также называть полостью корытца. Первая полость 32 питания соединена по текучей среде с верхней по потоку полостью 31 для ее питания охлаждающим воздухом, например, через упомянутое выше устройство обдува. Что касается первой полости 32 питания, то она может получать питание охлаждающим воздухом через вход воздуха, выполненный в хвостовике 12 лопатки, например, в виде канала.
Верхняя по потоку полость 31 и первая полость 32 питания образуют контур охлаждения передней кромки, обеспечивающий охлаждение пера 13 на уровне его передней кромки 20.
Аналогично, нижняя по потоку полость 40 проходит радиально вдоль стенки 16 корытца и стенки 18 спинки и ограничена сквозной стенкой 63. Нижняя по потоку полость 40 является смежной с задней кромкой 22.
Вторая полость 39 питания образована между стенкой 16 корытца, сквозной стенкой 61, стенкой 18 спинки и сквозной стенкой 63. Вторая полость 39 питания соединена по текучей среде с нижней по потоку полостью 40 для ее питания охлаждающим воздухом, например, через упомянутые выше калибровочные отверстия. Что касается второй полости 39 питания, то она может получать питание охлаждающим воздухом через вход воздуха, выполненный в хвостовике 12 лопатки, например, в виде канала.
Нижняя по потоку полость 40 и вторая полость 39 питания образуют контур охлаждения задней кромки, обеспечивающий охлаждение пера 13 на уровне его задней кромки 22.
Перо 13 содержит также первый внутренний контур охлаждения, содержащий по меньшей мере одну полость корытца, которая в данном случае может быть выбрана среди двух полостей 33, 36 корытца. Полость 33 корытца (соответственно полость 36 корытца) проходит радиально вдоль стенки 16 корытца и внутренней стенки 47 (соответственно внутренней стенки 45), расположенной между стенкой 16 корытца и стенкой 18 спинки. Указанную внутреннюю стенку 47 (соответственно внутреннюю стенку 45), образующую полость 33 корытца (соответственно полость 36 корытца), можно назвать первой внутренней стенкой. Кроме того, полость 33 корытца (соответственно полость 36 корытца) ограничена сквозными стенками 59, 61 (соответственно сквозными стенками 55, 57), при этом первая внутренняя стенка 47 (соответственно первая внутренняя стенка 45) соединены с указанными сквозными стенками 59, 61 (соответственно с указанными сквозными стенками 55, 57).
Кроме того, первый внутренний контур охлаждения содержит по меньшей мере одну полость спинки, которую в данном случае можно выбрать среди трех полостей 37, 41, 34 спинки. Полость 37 спинки (соответственно полость 41 спинки, соответственно полость 34 спинки) проходит радиально вдоль стенки 18 спинки и внутренней стенки 43 (соответственно внутренней стенки 45, соответственно внутренней стенки 47), расположенной между стенкой 16 корытца и стенкой 18 спинки. Указанную внутреннюю стенку 43 (соответственно внутреннюю стенку 45, соответственно внутреннюю стенку 47), образующую полость 37 спинки (соответственно полость 41 спинки, соответственно полость 34 спинки) можно называть второй внутренней стенкой. Вторая внутренняя стенка может быть выполнена отдельно или может совпадать с вышеупомянутой первой внутренней стенкой. В случае, когда первая внутренняя стенка и вторая внутренняя стенка совпадают, соответствующие полости корытца и спинки могут находиться с двух сторон от указанной первой и второй внутренней стенки. Например, речь может идти о полости 33 корытца, о полости 34 спинки и о внутренней стенке 47. Если же первая и вторая внутренние стенки выполнены отдельно, соответствующие полости корытца и спинки не находятся с двух сторон от одной и той же внутренней стенки. Этот пример относится к полости 36 корытца, образованной первой внутренней стенкой 45, и о полости 37 спинки, образованной второй внутренней стенкой 43.
Кроме того, полость 37 спинки (соответственно полость 41 спинки, соответственно полость 34 спинки) ограничена сквозными стенками 51, 53 (соответственно сквозными стенками 55, 57, соответственно сквозными стенками 59, 61), при этом вторая внутренняя стенка 43 (соответственно вторая внутренняя стенка 45, соответственно вторая внутренняя стенка 47) соединена с указанными сквозными стенками 51, 53 (соответственно с указанными сквозными стенками 55, 57, соответственно с указанными сквозными стенками 59, 61).
Кроме того, первый контур охлаждения дополнительно содержит по меньшей мере одну сквозную внутреннюю полость, которую в данном случае можно выбрать среди трех сквозных внутренних полостей 38, 35, 39. Сквозная внутренняя полость 38 (соответственно 35, соответственно 39) образована между двумя сквозными стенками 51, 53 (соответственно 55, 57 соответственно 59, 61) и проходит радиально вдоль стенки 16 корытца и стенки 18 спинки.
Таким образом, в этом первом варианте осуществления можно обозначить первый внутренний контур охлаждения, содержащий по меньшей мере одну полость 33 корытца, проходящую радиально вдоль стенки 16 корытца и первой внутренней стенки 47, расположенной между стенкой 16 корытца и стенкой 18 спинки, по меньшей мере одну полость 34 спинки, проходящую радиально вдоль стенки 18 спинки и второй внутренней стенки 47, расположенной между стенкой 16 корытца и стенкой 18 спинки и в данном случае совпадающей с первой внутренней стенкой, при этом первый контур охлаждения дополнительно содержит по меньшей мере одну сквозную внутреннюю полость 35, образованную между двумя сквозными стенками 57, 59, проходящими, каждая, между стенкой 16 корытца и стенкой 18 спинки на расстоянии от передней кромки 20 и от задней кромки 22, при этом сквозная внутренняя полость 35 проходит радиально вдоль стенки 16 корытца и стенки 18 спинки. Первая внутренняя стенка 47 (и, следовательно, вторая внутренняя стенка) соединена с одной из указанных сквозных стенок, то есть со сквозной стенкой 59.
В этом варианте осуществления перо 13 содержит другой первый внутренний контур охлаждения, содержащий по меньшей мере одну полость 36 корытца, проходящую радиально вдоль стенки 16 корытца и первой внутренней стенки 45, расположенной между стенкой 16 корытца и стенкой 18 спинки, по меньшей мере одну полость 37 спинки, проходящую радиально вдоль стенки 18 спинки и второй внутренней стенки 43, расположенной между стенкой 16 корытца и стенкой 18 спинки, при этом первый контур охлаждения дополнительно содержит по меньшей мере одну сквозную внутреннюю полость 38, образованную между двумя сквозными стенками 53, 55, проходящими, каждая, между стенкой 16 корытца и стенкой 18 спинки на расстоянии от передней кромки 20 и от задней кромки 22, при этом сквозная внутренняя полость 38 проходит радиально вдоль стенки 16 корытца и стенки 18 спинки. Первая внутренняя стенка 45 и вторая внутренняя стенка 43 соединены, каждая, со сквозными стенками 53, 55.
На фиг. 2 показано сечение пера 13 радиально дальше в направлении внутрь, чем сечение, показанное на фиг. 3 (см. фиг. 1). Как показано на фиг. 2, в радиально внутренней части пера в сквозной стенке 53 выполнен проход 53а, чтобы соединить по текучей среде полость 37 спинки со сквозной внутренней полостью 38. Кроме того, в сквозной стенке 59 выполнен проход 59а, чтобы соединить по текучей среде полость 34 спинки со сквозной внутренней полостью 35. Таким образом, полость 34 спинки (соответственно полость 37 спинки) и сквозная внутренняя полость 35 (соответственно сквозная внутренняя полость 38) соединены по текучей среде последовательно, как показано стрелками, символизирующими прохождение текучей среды между полостями 34-35 (соответственно полостями 37-38).
В целом, проход 59а (соответственно 53а) выполнен в радиально внутренней части пера 13 таким образом, чтобы соединять по текучей среде полость 34 спинки (соответственно полость 37 спинки) и сквозную внутреннюю полость 35 (соответственно сквозную внутреннюю полость 38).
На фиг. 4 показано сечение пера 13 радиально дальше наружу, чем сечение, показанное на фиг. 3 (см. фиг. 1). Как показано на фиг. 4, в радиально наружной части пера во внутренней стенке 47 выполнен проход 47b, чтобы соединить по текучей среде полость 33 корытца с полостью 34 спинки. Таким образом, полость 33 корытца и полость 34 спинки последовательно соединены по текучей среде, как показано стрелкой, символизирующей прохождение текучей среды между указанными полостями. В целом, проход 47b выполнен в радиально наружной части пера 13 таким образом, чтобы соединять по текучей среде полость 33 корытца и полость 34 спинки.
Из вышеизложенного следует, что полость 33 корытца, полость 34 спинки и сквозная внутренняя полость 35 последовательно соединены по текучей среде именно в этом порядке.
На фиг. 5 показано сечение пера 13 радиально дальше наружу, чем сечение, показанное на фиг. 4 (см. фиг. 1). Как показано на фиг. 5, стенка 64 дна перекрывает радиально наружный конец полости 33 корытца, полости 34 спинки, сквозной внутренней полости 35, второй полости 39 питания и нижней по потоку полости 40. Кроме того, стенка 66 дна перекрывает радиально наружный конец сквозной внутренней полости 38. С другой стороны, верхняя по потоку полость 31, первая полость 32 питания, полость 36 корытца, полость 37 спинки и полость 41 спинки продолжены радиально за пределы стенок 64, 66 дна.
На фиг. 6 показано сечение пера 13 радиально дальше наружу, чем сечение, показанное на фиг. 5 (см. фиг. 1). Как показано на фиг. 6, проход 68 соединяет по текучей среде полость 36 корытца с полостью 37 спинки, не проходя через сквозную внутреннюю полость 38, благодаря наличию стенки 66 дна. Таким образом, полость 36 корытца и полость 37 спинки последовательно соединены по текучей среде, как показано стрелкой, символизирующей прохождение текучей среды между указанными полостями. В данном случае проход 68 находится над сквозной внутренней полостью 38. В целом, проход 68 выполнен в радиально наружной части пера 13 таким образом, чтобы соединять полость по текучей среде 36 корытца и полость 37 спинки.
Из вышеизложенного следует, что полость 36 корытца, полость 37 спинки и сквозная внутренняя полость 38 последовательно соединены по текучей среде именно в этом порядке.
Кроме того, полость 41 спинки может выполнять роль вспомогательной полости спинки для питания полости 42 охлаждения ванночки, расположенной под ванночкой в радиальном направлении. Расположение вспомогательной полости 41 спинки со стороны спинки на расстоянии от передней кромки и от задней кромки, предпочтительно в промежуточном положении между передней кромкой 20 и задней кромкой 22, позволяет ограничить нагрев охлаждающего воздуха во время его прохождения во вспомогательной полости 41 спинки и доставлять в полость 42 охлаждения ванночки как можно более холодную текучую среду для эффективного охлаждения концевой части 14. С учетом стенки 64 дна полость 42 охлаждения питается только через вспомогательную полость 41 спинки и отделена по текучей среде от полости 33 корытца, от полости 34 спинки, от сквозной внутренней полости 35, от второй полости 39 питания и от нижней по потоку полости 40.
На фиг. 7 при помощи сечения, представленного на фиг. 3, схематично показана циркуляция охлаждающего воздуха в описанном выше варианте осуществления. Полости, последовательно соединенные по текучей среде между собой, показаны с одинаковой плотностью нанесения точек. Стрелками показано возможное направление циркуляции текучей среды, причем это направление определено, как указано ниже.
В данном варианте осуществления в хвостовике 12 лопатки имеются входы воздуха для питания полостей охлаждающим воздухом. Например, вход воздуха может быть образован по меньшей мере для одной из следующих полостей: первой полости 32 питания, полости 33 корытца, полости 36 корытца, второй полости 39 питания, вспомогательной полости 41 спинки.
Направление циркуляции охлаждающей текучей среды, полученное в этих условиях, показано на фиг. 8. Как следует из фиг. 8, охлаждающая текучая среда проходит от хвостовика 12 к концевой части 14 в полостях 32, 38 питания, в полостях 33, 36 корытца, в сквозных внутренних полостях 35, 38 и в нижней по потоку полости 40 и от концевой части 14 к хвостовику 12 в полостях 34 и 37 спинки.
Когда ротор, на котором установлена лопатка 10, вращается в направлении S, показанном на фиг. 8, охлаждающий воздух подвергается также действию силы Кориолиса. Учитывая указанное выше направление циркуляции, в полостях 32, 39 питания, в полостях 33, 36 корытца, в сквозных внутренних полостях 35, 38 и в выходной полости 40 воздух прижимается к стороне корытца указанных полостей, что показано на фиг. 8 жирными линиями. С другой стороны, в полостях 34, 37 спинки воздух прижимается к стороне спинки указанных полостей.
Благодаря этому охлаждению и расположению сквозных стенок и внутренних стенок, термомеханические напряжения внутри пера 13 во время работы значительно снижаются. Действительно, на фиг. 8 схематично показаны также деформации, которым подвергается структура пера 13. Как видно на фиг. 8, стенки корытца и спинки 16, 18 деформируются больше, чем внутренние стенки 43, 45, 47, учитывая их более высокие температуры во время работы. Наличие сквозных внутренних полостей, таких как полости 35, 38, и в некоторой мере второй полости 39 питания, которая отвечает также определению сквозной внутренней полости в рамках настоящего изобретения, позволяет компенсировать это относительное расширение и минимизировать напряжения внутри пера 13, что можно констатировать из кривизны, принимаемой сквозными стенками.
Кроме того, присутствие и относительно слабая деформация внутренних стенок 43, 45, 47 позволяют надлежащим образом поддерживать расположенные поперечно стенки 64, 66 дна. Действительно, при всех прочих равных условиях, внутренние стенки 43, 45, 47, находясь при более низкой температуре, чем стенки корытца и спинки 16, 18, имеют лучшие механические характеристики, являются более жесткими и лучше выдерживают напряжения, возникающие под действием центробежной силы, связанной с вращением турбины. Это восприятие усилий внутренними стенками 43, 45, 47 разгружает также стенки корытца и спинки 16, 18, вследствие чего срок их службы увеличивается.
Фиг. 9 является по существу идентичной с фиг. 3, если не считать того, что рассматриваемое сечение пера 13 (плоскость IX-IX на фиг. 1) выбрано таким образом, чтобы показать присутствие отверстий, обеспечивающих циркуляцию воздуха внутри пера 13 и наружу пера 13.
Отверстие 62, предпочтительно множество отверстий выполнены в сквозной стенке 51 между первой полостью 32 питания и верхней по потоку полостью 31. Как было указано выше, отверстие 62 опосредованно обеспечивает питание верхней по потоку полости 31 охлаждающим воздухом.
Отверстие 69, предпочтительно множество отверстий выполнены в сквозной стенке 63 между второй полостью 39 питания и нижней по потоку полостью 40. Как было указано выше, отверстие 69 опосредованно обеспечивает питание нижней по потоку полости 40 охлаждающим воздухом.
Кроме того, в стенке 16 корытца выполнены выходные отверстия, такие как отверстия 31с, 35с, 38с, 40с, сообщающиеся соответственно с верхней по потоку полостью 31, сквозными внутренними полостями 35, 38 и нижней по потоку полостью 40. Выходные отверстия 31с, 35с, 38с, 40с могут быть выполнены таким образом, чтобы создавать защитную пленку текучей среды на наружной поверхности пера 13 на выходе указанных отверстий. Для этого отверстия 31с, 35с, 38с, 40с могут быть ориентированы в сторону задней кромки 22. В данном случае указанные отверстия создают соответственно защитные пленки 32’, 33’, 36’ и 40’, защищающие соответственно полости 32, 33, 36, 40.
Точно также, в стенке 18 спинки, в частности, на уровне передней кромки, могут быть выполнены выходные отверстия 31d. В данном случае выходные отверстия 31d соединяют верхнюю по потоку полость 31 с наружным пространством пера 13 и обеспечивают создание защитной пленки 37’ текучей среды, предохраняющей полость 37 спинки.
Как видно на фиг. 9, полости и выходные отверстия выполнены так, чтобы контур защищал сам себя. Например, воздух, заходящий через полость 36 корытца, проходит в полость 37 спинки, затем в сквозную внутреннюю полость 38, после чего удаляется через выходное отверстие 38с, где он участвует в создании защитной пленки 36’ текучей среды, которая защищает полость 36 корытца. Для этого, предпочтительно воздух в целом должен циркулировать в полостях противотоком, то есть от задней кромки к передней кромке. Именно это происходит в данном примере, поскольку полость выхода воздуха, то есть сквозная внутренняя полость 38, находится выше по потоку, чем полость входа воздуха, то есть полость 36 корытца. Это же относится и к контуру охлаждения передней кромки и к внутреннему контуру охлаждения, образованному полостями 33-35.
Лопатка 10 может быть изготовлена при помощи известного способа литья по выплавляемым моделям. Для этого предварительно изготавливают литейные стержни, при этом во время выполнения пресс-формы указанные стержни занимают пространство, которое должно быть оставлено для полостей.
Стержни, соответствующие полостям 33-35 и 36-38 могут быть изготовлены любым соответствующим способом, например, посредством формования с возможным использованием вставок в пресс-форме или посредством аддитивного изготовления.
Удержание стержней во время изготовления пресс-формы осуществляют при помощи способа, известного специалисту в данной области. Стержни, соответствующие полостям 33-35 и 36-38 могут поддерживаться двумя опорами, расположенными в хвостовике 12. Чтобы предотвратить использование слишком большого числа опор и упростить конструкцию хвостовика 12, можно предусмотреть только один хвостовик на стержень, при этом удержание дополняют при помощи смещенной приставки. Предпочтительно эта приставка выполнена с возможностью образовать в готовой лопатке отверстие, которое можно затем закрыть при помощи запаиваемого шарика.
После разливки металла и разрушения стержней можно произвести операции удаления пыли из полостей. Для этого в теле пера можно предусмотреть отверстие для удаления пыли, например, в концевой части лопатки. В случае необходимости, для удаления пыли из сквозных полостей 35, 38, соответственно перекрытых стенками 64, 66 дна, форму полости 42 охлаждения ванночки и/или прохода 68 можно предусмотреть для обеспечения пропускания штыря, неподвижно соединенного со стержнем, и выполнить отверстие удаления пыли непосредственно в процессе литья, и/или для обеспечения осуществления указанного отверстия посредством механической обработки после отливки пера. В случае необходимости, отверстие удаления пыли может также позволять удалять осколки во время работы.
На фиг. 10-12 показана лопатка для турбины в других вариантах осуществления. На этих фигурах элементы, соответствующие или идентичные элементам из первого варианта осуществления, имеют такие же цифровые обозначения, отличающиеся на сотни, и их повторное описание опускается.
На фиг. 10-12 представлены схематичные виды, аналогичные виду на фиг. 7, и соответствующие тем же условиям, которые были описаны выше.
Согласно второму варианту осуществления, представленному на фиг. 10, в пере 113 полость 137 используют в качестве вспомогательной полости спинки. Полость 141 используют в качестве полости спинки, последовательно соединенной по текучей среде между полостью 136 корытца и сквозной внутренней полостью 138. Стенка 66 дна, описанная со ссылками на фиг. 5, может быть продолжена для перекрывания полости 136 корытца и полости 141 спинки, учитывая, что в этом варианте осуществления нет необходимости в выполнении прохода, аналогичного проходу 68, описанному со ссылками на фиг. 6.
Таким образом, в этом варианте осуществления перо содержит первый внутренний контур охлаждения, содержащий полость 133 корытца, полость 134 спинки и сквозную внутреннюю полость 135, и второй внутренний контур охлаждения, содержащий полость 136 корытца, полость 141 спинки и сквозную внутреннюю полость 138. В рамках настоящей заявки первый и второй внутренние контуры охлаждения этого варианта осуществления являются идентичными. Кроме того, полости 131, 132, 139, 140 контуров охлаждения передней кромки и задней кромки остаются без изменения.
Этот вариант осуществления позволяет выполнить полость охлаждения ванночки большего размера, чем описанная выше полость 42 охлаждения, и обеспечивает аналогичное изготовление стержней внутренних контуров охлаждения.
В пере 213 согласно третьему варианту осуществления, представленному на фиг. 11, первый внутренний контур охлаждения, образованный полостями 236-238, является идентичным с первым внутренним контуром охлаждения согласно первому варианту осуществления (полости 36-38). При этом полость 234 используют в качестве вспомогательной полости спинки. Полость 241 используют в качестве полости спинки, последовательно соединенной по текучей среде между полостью 233 корытца и сквозной внутренней полостью 235. Следовательно, чтобы оставить между полостью 233 корытца и полостью 241 спинки проход, который не проходит через сквозную внутреннюю полость 235 (проход, аналогичный проходу 68, описанному со ссылками на фиг. 6), необходимо, по сравнению с первым вариантом осуществления, изменить стенку 64 дна, описанную со ссылками на фиг. 5, чтобы продолжить полость 233 корытца и вспомогательную полость 234 спинки через указанную стенку дна.
Таким образом, в этом варианте осуществления перо содержит первый внутренний контур охлаждения, содержащий полость 233 корытца, полость 241 спинки и сквозную внутреннюю полость 235, и второй внутренний контур охлаждения, содержащий полость 236 корытца, полость 237 спинки и сквозную внутреннюю полость 238. В рамках настоящей заявки первый и второй внутренние контуры охлаждения этого варианта осуществления являются идентичными. Кроме того, первая внутренняя стенка 245 первого внутреннего контура охлаждения совпадает с второй внутренней стенкой второго внутреннего контура охлаждения.
Этот вариант осуществления позволяет совместить вход воздуха вспомогательной полости 234 спинки со входом воздуха второй полости 239 питания, что упрощает конструкцию хвостовика лопатки и облегчает его изготовление.
Перо 313 согласно четвертому варианту осуществления, представленному на фиг. 12, аналогично перу 213 согласно третьему варианту осуществления, если не считать того, что оно содержит только первый внутренний контур охлаждения, образованный в данном случае полостями 336, 337 и 338. Этот вариант осуществления предпочтительно можно применять для перьев меньшего размера, чем описанные выше. Чтобы уменьшить размер пера 313, можно объединить верхнюю по потоку полость 331 с первой полостью 332 питания и/или нижнюю по потоку полость 340 со второй полостью 339 питания. В то время как предыдущие варианты осуществления имели внутренние и сквозные стенки, выполненные с возможностью образовать структуру в виде тройного Н, внутренние и сквозные стенки лопатки 313 согласно четвертому варианту осуществления образуют структуру в виде двойного Н. Эффекты, достигаемые при помощи такой структуры и описанные в связи с другими вариантами осуществления, можно совмещать друг с другом с учетом возможных изменений.
Лопатка 10 согласно любому из описанных вариантов осуществления может быть рабочей лопаткой турбины газотурбинного двигателя 100, схематично показанного на фиг. 13.
Хотя данное изобретение было описано со ссылками на конкретные примеры осуществления, в эти примеры можно вносить изменения, не выходя за пределы общего объема изобретения, определенного в формуле изобретения. Например, хотя прохождение текучей среды в полостях было описано в определенном направлении, соответствующем предпочтительному варианту осуществления, специалист в данной области может изменить радиальное положение проходов между полостями и/или по-другому расположить вход воздуха хвостовика лопатки, чтобы получить направление циркуляции охлаждающей текучей среды, отличное от направления, описанного в данном описании.
Кроме того, хотя полости были представлены гладкими и пустыми, можно предусмотреть в них препятствия для потока, чтобы увеличить теплообмен.
В целом, отдельные признаки различных показанных на фигурах/описанных вариантов осуществления можно комбинировать в дополнительных вариантах осуществления, Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать как иллюстративные, а не ограничивающие.