ЛОПАТКА ТУРБИНЫ С ОПТИМИЗИРОВАННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
TURBINE BLADE WITH OPTIMIZED COOLING

Область техники
Изобретение относится к лопатке авиационного двигателя турбинного типа такого, как, например, двухконтурный турбинный двигатель или двухконтурный турбореактивный двигатель.
Предшествующий уровень техники
В таком двигателе наружный воздух поступает во входной патрубок, чтобы пройти через нагнетатель, содержащий ряд поворотных лопаток перед тем, как разделиться на центральный поток внутреннего контура и поток наружного контура, окружающий поток внутреннего контура.
Поток внутреннего контура затем сжимают перед тем, как он поступит в камеру сгорания, после которой он расширяется, проходя через набор турбин, перед выпуском его назад с созданием тяги. Поток наружного контура нагнетатель перемещает непосредственно назад для создания дополнительной тяги.
Расширение в турбинах, которое позволяет приводить в действие компрессор и нагнетатель, происходит при высокой температуре вследствие того, что его выполняют сразу после возгорания. Эта турбина сконструирована так и имеет такие размеры, чтобы работать в сложных температурных условиях, при экстремальных значениях давления и потока текучей среды.
Каждая турбина содержит последовательность ступеней, каждая из которых содержит ряд лопаток, направленных радиально и равномерно распределенных вокруг вращающегося вала двигателя. На этом центральном валу находятся вращающиеся элементы турбины, а также вращающиеся элементы компрессора и нагнетателя.
Конкретно, лопатки турбины, подверженные воздействию наиболее суровых условий, - это лопатки первых ступеней расширения этой турбины, а именно, ступеней, находящихся ближе всех к зоне возгорания, и которые обычно называют ступенями высокого давления.
В общем, возросшие потребности в производительности и изменения нормативных документов приводят к конструированию двигателей меньших размеров, которые работают во все более жестких условиях. Это подразумевает увеличение стойкости и производительности лопаток турбин высокого давления, в частности, касательно их стойкости по отношению к температуре.
Тем не менее существующие усовершенствования касательно материалов и покрытий этих лопаток не являются достаточными, чтобы они могли выдерживать высокие температуры, которые могут быть достигнуты в потоке после камеры сгорания. Эта ситуация приводит к пересмотру охлаждения этих лопаток, чтобы усовершенствовать их так, чтобы они могли выдерживать эти новые условия работы.
Это охлаждение обеспечивают циркуляцией холодного воздуха внутри этих лопаток, забираемого в турбинный двигатель выше по потоку от камеры сгорания. Этот воздух забирают у хвостовика лопатки, чтобы провести его вдоль внутреннего контура лопатки для ее охлаждения, и его выводят за пределы лопатки через отверстия, проходящие через стенку этой лопатки и распространенные по этой стенке. Эти отверстия используют для вывода охлаждающего воздуха, но они также создают на наружной поверхности лопатки слой воздуха, который является более прохладным, чем воздух, поступающий из камеры сгорания, что также вносит вклад в ограничение температуры лопатки.
Чтобы увеличить эффективность охлаждения, внутренние области лопатки, в которых циркулирует охлаждающий воздух, содержат средства, т.е. внутренние выступы, которые распределяют поток охлаждающего воздуха, чтобы увеличить теплопередачу от стенки лопатки к этому охлаждающему воздуху, циркулирующему во внутренних каналах лопатки.
Недостаток такой известной структуры охлаждения заключается в том, что длина внутреннего контура лопатки приводит к тому, что, когда воздух достигает конца этой цепи, он является избыточно нагретым, так что эффективность охлаждения ограничена в конечных областях и, в частности, на вершине лопатки, где желательно, наоборот, получить более высокую эффективность охлаждения.
Задачей изобретения является создание такой конструкции лопатки, которая позволит повысить эффективность охлаждения этой лопатки.
Раскрытие изобретения
Для этого, объектом изобретения является лопатка турбины турбинного двигателя, такого как турбовинтовой или турбореактивный двигатель, включающая в себя хвостовик, перо, поддерживаемое хвостовиком, проходящее по направлению размаха, заканчиваясь концом, и содержащее переднюю кромку и заднюю кромку, расположенную ниже по потоку от передней кромки, стенку стороны нагнетания и стенку стороны всасывания, расположенные на расстоянии друг от друга, которые соединяют переднюю кромку с задней кромкой, при этом это перо содержит:
- по меньшей мере один канал, выполненный с возможностью собирать охлаждающий воздух в хвостовике лопатки и осуществлять его циркуляцию в пере для его охлаждения;
- отверстия и/или щели, выполненные в его стенках, чтобы выпускать охлаждающий воздух из пера;
- верхнюю внутреннюю полость, расположенную на конце пера, чтобы охлаждать этот конец пера;
и при этом по меньшей мере один из указанных каналов непосредственно подает охлаждающий воздух, собранный в хвостовике, в верхнюю полость.
Изобретение также относится к лопатке, такой, как определена выше, в которой верхняя полость проходит от передней до задней части пера, чтобы подавать воздух по меньшей мере в одну охлаждающую щель задней кромки пера.
Изобретение также относится к лопатке, такой, как определена выше, в которой стенка стороны нагнетания содержит по меньшей мере одно сквозное отверстие или сквозную щель, которая выходит в верхнюю полость.
Изобретение также относится к лопатке, такой, как определена выше, содержащей первую внутреннюю боковую полость, которая проходит вдоль стенки стороны нагнетания, будучи при этом отделенной от канала непосредственной подачи, чтобы образовать тепловой экран, который термически изолирует этот канал непосредственной подачи от стенки стороны нагнетания.
Изобретение также относится к лопатке, такой, как определена выше, дополнительно содержащей вторую внутреннюю боковую полость, проходящую вдоль стенки стороны всасывания, будучи при этом отделенной от канала непосредственной подачи, чтобы образовать тепловой экран, который термически изолирует этот канал непосредственной подачи от стенки стороны всасывания.
Изобретение также относится к лопатке, такой, как определена выше, в которой каждая внутренняя боковая полость содержит усилители турбулентности и/или дефлекторы, чтобы увеличить там теплообмен, и в которой каждый канал непосредственной подачи имеет гладкие стенки, чтобы ограничить нагрузочные потери.
Изобретение также относится к лопатке, такой, как определена выше, в которой канал непосредственной подачи в верхнюю полость представляет собой расположенный выше по потоку охлаждающий скос передней кромки лопатки.
Изобретение также относится к лопатке, такой, как определена выше, в которой канал непосредственной подачи представляет собой центральный канал, предназначенный исключительно для подачи охлаждающего воздуха в верхнюю полость.
Изобретение также относится к лопатке, такой, как определена выше, в которой две боковые полости сходятся друг с другом посредством зоны соединения, расположенной ниже по потоку от канала непосредственной подачи, чтобы образовать единственную полость, окружающую три четверти периметра этого канала непосредственной подачи, проходя по большей части протяженности этого канала непосредственной подачи.
Изобретение также относится к лопатке, такой, как определена выше, содержащей расположенный ниже по потоку скос для подачи воздуха в охлаждающие щели задней кромки, расположенные в стенке стороны нагнетания, и расположенный ниже по потоку канал для выверенной подачи воздуха в этот расположенный ниже по потоку скос, который термически изолирован каждой боковой полостью.
Изобретение также относится к лопатке, такой, как определена выше, содержащей расположенный выше по потоку скос для подачи воздуха в охлаждающие отверстия передней кромки и расположенный выше по потоку канал с выверенной подачей в расположенный выше по потоку скос, который термически изолирован с помощью каждой боковой полости.
Изобретение также относится к средству формовки для изготовления лопатки по одному из п.п. 1-7, содержащее штампы и набор сердечников, предназначенные для формирования внутренних каналов и скосов и, возможно, внутренних полостей, образующих экран.
Изобретение также относится к турбине турбинного двигателя, содержащей лопатки как таковые, определенные выше.
Изобретение также относится к турбинному двигателю, содержащему турбину как таковую, определенную выше.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показан двухконтурный турбинный двигатель, вид в продольном разрезе;
на фиг. 2 - лопатка турбины турбинного двигателя, показанного на фиг. 1, вид в перспективе;
на фиг. 3 - внутренние полые части лопатки турбины в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг. 4 - внутренние полые части лопатки турбины в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг. 5 - внутренние полые части лопатки турбины в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг. 6 - внутренние полые части лопатки турбины в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг. 7 - внутренние полые части лопатки турбины в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг. 8 - внутренние полые части лопатки турбины в соответствии с шестым вариантом осуществления изобретения, вид в перспективе.
Варианты осуществления изобретения
Как видно на фиг. 1, передняя часть двухконтурного турбинного двигателя 1 содержит входной патрубок 2, в который забирают воздух перед тем, как его засосут лопасти нагнетателя 3. После прохождения области нагнетателя воздух разделяют на центральный поток внутреннего контура (первичный поток) и поток наружного контура (вторичный поток), который окружает поток внутреннего контура.
Поток воздуха внутреннего контура затем проходит через первый компрессор 4, расположенный непосредственно после нагнетателя 3, в то время как поток внутреннего контура перемещают назад, продувая вокруг внутреннего контура, чтобы непосредственно создавать дополнительную тягу.
Затем поток внутреннего контура проходит через вторую ступень 6 сжатия до достижения камеры 7, в которой происходит возгорание после впрыска и испарения топлива. После сгорания этот поток внутреннего контура расширяется в турбине 8 высокого давления, затем в турбине низкого давления, которая не показана, чтобы привести во вращение ступени сжатия и нагнетатель до того, как он будет вытолкнут в сторону задней части двигателя для создания тяги.
Двигатель 1 и его компоненты имеют форму вращения вокруг продольной оси AX. Он содержит внешний корпус 9, также имеющий форму вращения и проходящий от передней части двигателя, где он ограничивает впускной патрубок, до задней части, где он ограничивает канал, через который выпускают основной и вторичный потоки, при этом части являются передней и задней относительно направления вперед воздушного судна, оборудованного этим турбинным двигателем. Этот корпус 9 поддерживает вращающиеся компоненты, расположенные в центре двигателя, которые содержат вращающийся вал, на котором установлены лопасти нагнетателя, а также ступени сжатия и турбина со своими лопатками.
Такая лопатка, указанная ссылочным обозначением 11 на фиг. 2, содержит хвостовик P, посредством которого ее прикрепляют к вращающемуся телу, которое не показано, называемому диском турбины, и перо 12, опирающееся на этот хвостовик P и составляющее аэродинамическую часть этой лопатки. Как видно на фиг. 2, между хвостовиком P и пером 12 лопатка 11 содержит промежуточную область 13, называемую полкой.
Узел, образованный хвостовиком P и пером 12, представляет собой одну полую единую деталь, получаемую литьем и содержащую внутренние каналы, через которые циркулирует охлаждающий воздух. Эти внутренние каналы, не показанные на фиг. 2, содержат впускные отверстия, открытые на нижней стороне 14 хвостовика P, через которые в эти каналы подают холодный воздух. Полая стенка пера 12 содержит сквозные отверстия и щели, через которые выпускают охлаждающий воздух.
Перо 12 имеет изогнутую влево форму, имеющую по существу прямоугольный контур, приближающийся к параллелепипеду. Оно содержит основание 16, посредством которого соединено с хвостовиком P, и которое проходит примерно параллельно оси АХ вращения. Оно также содержит переднюю кромку 17, направленную радиально относительно оси АХ и расположенную на стороне AM лопатки выше по потоку, т.е. в передней области этой лопатки относительно направления вперед двигателя, установленного в рабочем положении. Эта лопатка также содержит заднюю кромку 18, ориентированную примерно параллельно передней кромке 17 и находящуюся на некотором расстоянии от последней вдоль оси АХ, так что она расположена в области AV ниже по потоку или в задней части лопатки. Она также содержит конец S, примерно параллельный основанию 16 и находящийся на некотором расстоянии от последнего в радиальном направлении относительно оси АХ.
Две основные стенки этой лопатки представляют собой стенку 21 стороны нагнетания, которая является видимой стенкой на фиг. 2, и стенку стороны всасывания, которая противоположна стенке стороны нагнетания и находится от нее на расстоянии, и которая не видна на фиг. 2 из-за того, что ее закрывает стенка 21 стороны нагнетания. Стенка стороны нагнетания и стенка стороны всасывания сходятся на передней кромке 17, на задней кромке 18, а также в области конца S этой лопатки. Эти стенки находятся на расстоянии друг от друга у основания 16, чтобы можно было впустить охлаждающий воздух во внутреннюю область пера.
Передняя кромка 17 имеет выпуклую форму и снабжена рядом охлаждающих отверстий 22, проходящих через стенку лопатки в этой области. Задняя кромка 18 имеет сужающуюся форму, и она содержит ряд охлаждающих щелей 23. Эти щели 23 представляют собой щели небольшой длины, проходящие вдоль направления размаха, которые находятся на расстоянии друг от друга и параллельно друг другу на небольшом расстоянии от задней кромки.
Каждая щель 23 проходит через стенку лопатки, чтобы забрать охлаждающий воздух внутрь этой лопатки и выдуть его на стенку стороны нагнетания на задней кромке. Дополнительно, на задней кромке выполнены внешние ребра, направленные параллельно оси АХ, чтобы направлять этот охлаждающий воздух, поступающий из этих щелей.
Во время работы текучая среда, в которой расположена эта лопатка 11, смещается относительно последней от передней кромки 17 к задней кромке 18, проходя вдоль стороны 21 нагнетания и стороны всасывания. Стенка стороны нагнетания, подверженная во время работы значительному нагреву, содержит ряд отверстий 24, по существу параллельный передней кромке 17, расположенных ниже по потоку от этой передней кромки, и другой ряд отверстий 26, по существу параллельный задней кромке 18, расположенных выше по потоку от этой задней кромки 18 и щелей 23, которые она содержит. Ряды отверстий 24 и 26 проходят по направлению EV размаха пера, которое является радиальным направлением относительно оси АХ.
Область конца S лопатки 11 в отличие от передней кромки 17 и задней кромки 18 имеет определенную толщину, и, более того, эта область конца имеет форму, которая определяет полую часть, называемую «ванной».
Более конкретно, этот конец S имеет замыкающую стенку, которая соединяет стенку стороны нагнетания и стенку стороны всасывания, при этом эта замыкающая стенка направлена, в общем, перпендикулярно стенке стороны нагнетания и стенке стороны всасывания и параллельно оси АХ, что соответствует направлению, перпендикулярному направлению EV размаха. Эта замыкающая стенка, не видимая на фиг. 2, вогнута в сторону оси АХ относительно свободной кромки стенки стороны нагнетания и свободной кромки стенки стороны всасывания, так что она составляет вместе с этими кромками открытую полую часть в направлении противоположном оси АХ.
Ряд дополнительных отверстий 27, проходящих через стенку стороны нагнетания, выполнен вдоль конца S, чтобы гарантировать значительное охлаждение этого конца пера, который подвергается существенным нагрузкам из-за того, что составляет часть, обладающую наибольшей скоростью относительно текучей среды.
Ряд отверстий 27 проходит параллельно замыкающей стенке, а перо дополнительно содержит отверстия, которые не видны на фиг. 2, и которые проходят через замыкающую стенку, чтобы выходить в полую часть, называемую «ванной», расположенную на конце пера.
Как указано выше, такая лопатка представляет собой полую единую деталь. Ее изготавливают путем литья металлического материала с использованием ряда сердечников для ограничения внутренних каналов полой части, а также частей стержней для формирования сквозных отверстий. Сердечники, стержни и прочее удаляют после завершения литья, обычно посредством процесса химического воздействия, который может растворить эти элементы, не затрагивая отлитый материал.
На следующих фигурах показаны внутренние области лопатки в соответствии с изобретением, которые показаны формами сердечников, которые позволяют изготовить эту лопатку. Другими словами, формы, которые являются рельефными на последующих фигурах, составляют полые формы лопатки в соответствии с изобретением.
Идея в основе изобретения заключается в том, чтобы улучшить охлаждение лопатки в области стенки стороны нагнетания, которая расположена вблизи от задней кромки и вершины лопатки, на практике эта область первой изнашивается в процессе эксплуатации лопатки.
Этого достигают посредством выполнения в области конца лопатки верхней полости, проходящей от передней до задней части лопатки, и в которую подают воздух, поступающий непосредственно из хвостовика лопатки через канал подачи в эту верхнюю полость.
Воздух, взятый из хвостовика, передают без отклонений, по существу по прямому пути в верхнюю полость. Длина перемещения этого воздуха в канале подачи для достижения верхней полости меньше или равна длине пера в направлении EV размаха. Другими словами, выполняя прямую подачу, этот канал позволяет минимизировать нагрев воздуха, подаваемого в верхнюю полость.
В первом варианте осуществления, соответствующем фиг. 3, этот канал подачи образован охлаждающим скосом передней кромки, расположенной выше по потоку. В других вариантах осуществления, соответствующих фиг. 4-8, этот канал подачи состоит из центрального канала лопатки, т.е. расположенного по существу посередине между ее передней кромкой и задней кромкой.
В первом варианте осуществления изобретения лопатка, указанная на фиг. 3, на которой она изображена, ссылочным обозначением 31, содержит внутренние каналы, предназначенные для подачи охлаждающего воздуха, который является настолько холодным, насколько это возможно, в область конца лопатки со стороны нагнетания, так, чтобы повысить эффективность охлаждения.
Внутри этой лопатки 31 как таковой в области выше по потоку, обозначенной через AM, имеется расположенный выше по потоку скос 32, направленный по направлению EV размаха, который проходит вдоль ее передней кромки. Этот расположенный выше по потоку скос 32 непосредственно подает воздух в верхнюю полость 33 лопатки, при этом подавая холодный воздух в охлаждающие отверстия, проходящие через часть стенки, образующей переднюю кромку лопатки. Этот расположенный выше по потоку скос 32 проходит от хвостовика лопатки, обозначенного через P, через который в него непосредственно подают воздух, до конца лопатки, обозначенного через S.
Верхняя полость 33, расположенная вблизи от конца, проходит вдоль замыкающей стенки этой лопатки 31 и вдоль ее стенки стороны нагнетания от передней до задней части лопатки, обозначенной через AV. Эти две стенки не видно на фиг. 3, так как на ней приведено представление полых областей этой лопатки.
Во все части конца S лопатки 31, расположенные на стороне нагнетания по существу по всей ее протяженности и, в частности, до расположенного ниже по потоку края конца S, подают воздух из верхней полости 33, в которую воздух подается передним скосом 32, образующим канал.
Верхняя полость 33 достигает задней кромки лопатки в расположенной ниже по потоку области AV, чтобы подавать холодный воздух по меньшей мере в одну охлаждающую щель этой задней кромки, а именно, в наиболее близкую к концу щель, в одну из наиболее востребованных областей лопатки.
Эта верхняя полость 33 проходит вдоль стенки стороны нагнетания на ширину меньше, чем ширина или толщина пера, т.е. ее ширина меньше, чем расстояние, разделяющее стенку стороны нагнетания и стенку стороны всасывания. Она ограничена сбоку первой поверхностью 34, которая проходит вдоль стенки стороны нагнетания, и второй поверхностью 36, расположенной на расстоянии от первой. Первая поверхность 34 и вторая поверхность 36 сходятся друг с другом в передней и задней частях этой верхней полости.
Верхняя полость 33 вертикально ограничена нижней поверхностью 37, параллельной замыкающей стенке и находящейся от нее на расстоянии, и верхней поверхностью 38, которая представляет собой нижнюю поверхность замыкающей стенки.
В области конца S пера стенка стороны нагнетания может содержать сквозные отверстия, не показаны, которые позволяют верхней полости 33 также охлаждать внешнюю поверхность стенки стороны нагнетания в этой области.
Внутри лопатки 31 также имеется расположенный ниже по потоку скос 41, проходящий вдоль задней кромки от хвостовика Р до области конца S, и заканчивающийся под задней частью верхней полости 33. Этот расположенный ниже по потоку скос 41 подает воздух в ряд охлаждающих щелей задней кромки, которые не видно на фиг. 3.
В большинство охлаждающих щелей задней кромки подают воздух расположенным ниже по потоку скосом 41, но в щель или щели, расположенные ближе всего к концу S, то есть в область, подверженную наиболее существенным тепловым напряжениям, воздух подают из верхней полости. В щели, близкие к концу, подают более холодный воздух и/или с более существенной скоростью потока, чем в остальные.
Лопатка, показанная на фиг. 3, также содержит первый центральный канал 42, второй центральный канал 43 и расположенный ниже по потоку канал 44, направленные по направлению размаха и сообщающиеся друг с другом в соответствии с так называемой конфигурацией канцелярской скрепки. Первый центральный канал 42, который проходит вдоль расположенного выше по потоку скоса 32, собирает воздух в хвостовике лопатки, а на конце S он сообщается со вторым центральным каналом 43, чтобы подавать в него воздух.
Этот второй центральный канал 43 соединен у основания лопатки с расположенным ниже по потоку каналом 44, чтобы подавать в него воздух. Этот расположенный ниже по потоку канал 44 проходит прямо от хвостовика P до конца S параллельно расположенному ниже по потоку скосу 41, и при этом проходит выше по потоку от этого расположенного ниже по потоку скоса 41.
Как видно на фигуре, край расположенного ниже по потоку канала 44 заканчивается в области конца S, проходя вдоль второй поверхности 36 верхней полости 33, чтобы обойти ее. Стенка стороны нагнетания может иметь сквозные отверстия, которые позволяют каналам 42, 43, 44 подавать охлаждающий воздух на внешнюю поверхность стенки, чтобы охлаждать ее, образуя на ней внешний слой.
Стенка стороны нагнетания в районе расположенного ниже по потоку канала 44 может содержать сквозные отверстия, в которые этот расположенный ниже по потоку канал 44 подает воздух, охлаждающий внешнюю поверхность стенки стороны нагнетания выше по потоку от задней кромки пера.
Дополнительно или в качестве альтернативы к этим охлаждающим отверстиям стенки стороны нагнетания выше по потоку от задней кромки, расположенный ниже по потоку канал 44 может подавать воздух к расположенному ниже по потоку скосу 41 через ряд калиброванных каналов, которые не показаны, расположенных равномерно на расстоянии друг от друга вдоль направления EV размаха. В этом случае вместо подачи воздуха из второго канала 43 расположенный ниже по потоку канал 44, затем, собирает охлаждающий воздух непосредственно в хвостовике лопатки, так что воздух, который он подает к расположенному ниже по потоку скосу, является настолько холодным, насколько возможно.
Фактически, в соответствии с проектным решением к расположенному ниже по потоку скосу 41 выверенным образом может подаваться воздух из расположенного ниже по потоку канала 44, либо, наоборот, воздух к нему может подаваться непосредственно в области хвостовика лопатки.
Эти каналы калибруют, чтобы приблизительно получить скорость потока воздуха, требуемую в каждой охлаждающей щели задней кромки. Скорость потока воздуха, требуемая для заданной щели, определяется термическим напряжением передней кромки в области, охлаждаемой этой щелью.
Во втором варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 4, лопатка, указанная ссылочным обозначением 51, содержит верхнюю полость 52, воздух в которую подают непосредственно из центрального канала 53, полностью предназначенного для этой верхней полости 52. Фактически, в отличие от первого варианта осуществления, показанного на фиг. 3, канал подачи для верхней полости не участвует в охлаждении передней кромки.
В этой лопатке 51, показанной на фиг. 4, дополнительно была выполнена первая боковая полость 54, проходящая вдоль стенки стороны нагнетания, и вторая боковая полость 56, проходящая вдоль стенки стороны всасывания. Эти две боковые полости термически изолируют центральный канал, а также расположенный выше по потоку канал для выверенной подачи воздуха в лопатку, на стенку стороны нагнетания и стенку стороны всасывания, которые нагревают потоки газа, окружающие перо.
Верхняя полость 52 этой лопатки 51 имеет форму, по существу, идентичную форме лопатки 31, показанной на фиг. 3. Она расположена вблизи конца S, проходит вдоль замыкающей стенки и стенки стороны всасывания от передней до задней части пера. Здесь также на все части конца S, расположенные на стороне нагнетания, подают воздух из верхней полости 52 по существу по всей протяженности до заднего края. Эта верхняя полость 52 также проходит до задней кромки, чтобы подавать холодный воздух по меньшей мере в ближайшую к концу S щель, обозначенную через 55, и, возможно, в несколько соседних щелей.
Толщина этой верхней полости 52 здесь также меньше, чем толщина пера. Она ограничена сбоку первой поверхностью 57, которая проходит вдоль стороны нагнетания, и второй поверхностью 58, расположенной на расстоянии от первой поверхности, причем эти поверхности сходятся друг с другом спереди и сзади. В вертикальном направлении верхняя полость 52 ограничена нижней поверхностью 59, параллельной замыкающей стенке и нижней поверхностью 61 этой замыкающей стенки.
В области конца S пера стенка стороны нагнетания также может содержать сквозные отверстия, чтобы охлаждать внешнюю поверхность стенки стороны нагнетания в области конца.
Центральный канал 53 подает воздух в эту верхнюю полость 52, проходя от хвостовика Р лопатки, через который в него поступает воздух, к концу этой лопатки, где он полностью выходит в нижнюю поверхность 59 этой верхней полости 52.
Переднюю кромку лопатки 51 охлаждают посредством расположенного выше по потоку скоса 62, который проходит от основания пера до конца S, но в который воздух подают непосредственно не из хвостовика, а из расположенного выше по потоку канала 63 регулируемым образом. Эту выверенную подачу обеспечивают калиброванными каналами 64, которые расположены на равном расстоянии вдоль направления EV размаха лопатки, и каждый из которых соединяет расположенный выше по потоку канал 63 с расположенным выше по потоку скосом 62. Каждый канал 64 имеет калиброванный диаметр, т.е выбранный при проектировании так, чтобы в зоне скоса 62, в который он подает воздух, получить требуемый поток воздуха, обусловленный теплотой лопатки в этой области.
Стенка лопатки в области передней кромки содержит отверстия, которые не показаны, через которые воздух, циркулирующий в скосе, проходит через стенку, чтобы охладить внешнюю поверхность передней кромки.
Как видно на фиг. 4, первая боковая полость 54 имеет малую толщину, и она проходит от хвостовика P до области конца S, имея в целом прямоугольный контур. Эта первая боковая полость 54 заканчивается под верхней полостью 52 так, чтобы не закрывать ее. Она имеет толщину, достаточную для того, чтобы закрыть или охватить расположенный выше по потоку канал 63, который проходит вдоль центрального канала.
Аналогично, вторая боковая полость 56 также имеет малую толщину, и она проходит от хвостовика P до области конца S, но закрывая верхнюю полость 52. Эта вторая боковая полость имеет, в целом, прямоугольный контур, при этом ее ширина достаточна для того, чтобы закрыть или охватить центральный канал, а также расположенный выше по потоку канал 63 и верхнюю полость 52 со стороны всасывания.
Благодаря этим двум боковым полостям, воздух, подаваемый в верхнюю полость 52 из центрального канала 53, остается холодным во время перемещения в этом канале, благодаря тепловым экранам, которые образуют боковые полости 54 и 56. Аналогично, воздух, который подают из расположенного выше по потоку канала 63, также остается холодным во время перемещения его в расположенном выше по потоку канале.
Как было указано выше, в охлаждающую щель или щели на задней кромке, расположенные в области конца S, подают воздух из верхней полости 52. В другие щели задней кромки, обозначенные через 67, подают воздух посредством расположенного ниже по потоку скоса 66, который проходит от хвостовика P, где в него непосредственно подают воздух из хвостовика, до области конца S, заканчиваясь под задней частью верхней полости 52.
В щели 67 подают воздух посредством расположенного ниже по потоку скоса 66, но в щель или щели, расположенные ближе всего к концу S, воздух, который является более холодным и/или имеет существенно большую скорость потока, подают из верхней полости 52.
В третьем варианте осуществления изобретения, который показан на фиг. 5, лопатка, указанная ссылочным обозначением 71, также содержит верхнюю полость 72, в которую подают воздух из специального предназначенного для этого центрального канала 73, который термически изолирован двумя боковыми полостями 74 и 76. Эти две боковые полости также изолируют расположенный выше по потоку канал, из которого выверенным образом подают воздух в охлаждающий скос переднего края лопатки. Но в третьем варианте осуществления две боковые полости 74 и 76 сходятся друг с другом сзади или в расположенной ниже по потоку части лопатки, чтобы окружить этот центральный канал 73 на три четверти его периметра, так чтобы обеспечить более хорошую термическую изоляцию этого канала 73.
Верхняя полость 72 имеет форму по существу идентичную форме лопаток, показанных на фиг. 3 и 4. Она расположена вблизи от конца S, проходит вдоль замыкающей стенки и стенки стороны нагнетания от передней до задней части пера. На все части конца S, расположенные на стороне нагнетания, подают воздух из верхней полости 72 по всей протяженности до заднего края. Эта верхняя полость 72 также проходит до задней кромки, чтобы подавать холодный воздух по меньшей мере в ближайшую к концу S щель, обозначенную через 75, и, возможно, в несколько соседних щелей.
Толщина этой верхней полости 72 здесь также меньше, чем толщина пера. Она ограничена сбоку первой поверхностью 77, которая проходит вдоль стороны нагнетания, и второй поверхностью 78, расположенной на расстоянии от первой, причем эти поверхности сходятся друг с другом спереди и сзади. В вертикальном направлении верхняя полость 72 ограничена нижней поверхностью 79, параллельной замыкающей стенке, и нижней поверхностью 81 этой замыкающей стенки. В области конца S пера стенка стороны нагнетания также может содержать сквозные отверстия, чтобы охлаждать внешнюю поверхность стенки стороны нагнетания в области конца.
Центральный канал 73 подает воздух в эту верхнюю полость 72, проходя от хвостовика лопатки, через который в него поступает воздух, к концу S, где он полностью выходит в нижнюю поверхность 79 верхней полости.
Переднюю кромку лопатки 71 охлаждают посредством расположенного выше по потоку скоса 82, который проходит от основания пера до конца S, и в который подают воздух из расположенного выше по потоку канала 83 выверенным образом с помощью равномерно расположенных каналов по направлению EV размаха лопатки, и которые соединяют расположенный выше по потоку канал с расположенным выше по потоку скосом. Стенка лопатки в области передней кромки содержит отверстия, которые не показаны, через которые воздух из скоса проходит через стенку, чтобы охладить внешнюю поверхность передней кромки.
Первая боковая полость 74 имеет малую толщину и проходит от хвостовика до области конца S, имея в целом прямоугольный контур. Она заканчивается под верхней полостью 72, не закрывая ее. Она имеет толщину, достаточную для того, чтобы закрыть или охватить центральный канал 73, а также расположенный выше по потоку канал 83, который проходит вдоль этого центрального канала.
Вторая боковая полость 76 также имеет малую толщину, и она проходит от хвостовика до области конца S, но закрывая верхнюю полость 72. Она имеет, в целом, прямоугольный контур, при этом ее ширина достаточна для того, чтобы закрыть или охватить центральный канал 73 и расположенный выше по потоку канал 83 и верхнюю полость 72 со стороны всасывания.
В отличие от второго варианта осуществления, две боковые полости 74 и 76 не разделены, а сходятся друг с другом в задней части или в расположенной ниже по потоку части. Таким образом, эти две боковые полости окружают центральный канал 73 на три четверти его периметра так, чтобы дополнительно усилить его термическую изоляцию от окружающей среды, чтобы по нему можно было подавать в верхнюю полость 72, которую он обеспечивает воздухом, еще более холодный воздух.
Как видно на фиг. 5, эти две полости сходятся друг с другом в зоне соединения, расположенной ниже по потоку относительно центрального канала, и которая проходит на большей части высоты этого центрального канала. Эти две полости с их зоной соединения составляют по сути единую полость, окружающую центральный канал на большей части его внешней поверхности. На практике, как видно на фиг. 5, высота или длина зоны соединения вдоль направления EV размаха соответствует высоте или длине первой боковой полости вдоль направления EV размаха.
Подачу воздуха в эти две боковые полости можно выполнить по отдельности через два канала подачи, забирающих воздух по отдельности в хвостовике лопатки, при этом эти боковые полости сходятся друг с другом только в области пера. Также может быть обеспечен один канал подачи для двух боковых полостей, имеющий форму поперечного сечения, соответствующую U-образной форме.
В охлаждающую щель или щели на задней кромке, расположенные в области конца S, подают воздух из верхней полости 72. В другие щели задней кромки, обозначенные через 86, подают воздух посредством расположенного ниже по потоку скоса 87, который проходит от хвостовика, где в него непосредственно подают воздух из хвостовика, до области конца S, заканчиваясь под задней частью верхней полости 72.
В четвертом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 6, лопатка, указанная ссылочным обозначением 91, также содержит верхнюю полость 92, в которую подают воздух из центрального канала 93, который изолирован двумя боковыми полостями 94 и 96. Но в четвертом варианте осуществления изобретения заднюю кромку охлаждают посредством расположенного ниже по потоку скоса, в который подают воздух выверенным образом из расположенного ниже по потоку канала.
Верхняя полость 92 имеет форму, по существу, идентичную форме лопаток, показанных на фиг. 3-5. Она расположена вблизи от конца S, проходит вдоль замыкающей стенки и стенки стороны нагнетания от передней до задней части пера. На все части конца S, расположенные на стороне нагнетания, подают охлаждающий воздух из верхней полости 92 по всей протяженности до заднего края. Эта верхняя полость 92 также проходит до задней кромки, чтобы подавать холодный воздух по меньшей мере в ближайшую к концу S щель, обозначенную через 95, и, возможно, в несколько соседних щелей.
Эта верхняя полость 92 ограничена сбоку первой поверхностью 97, которая проходит вдоль стороны нагнетания, и второй поверхностью 98, расположенной на расстоянии от первой, причем эти поверхности сходятся друг с другом спереди и сзади. В вертикальном направлении она ограничена нижней поверхностью 99, параллельной замыкающей стенке, и нижней поверхностью 101 этой замыкающей стенки. В области конца S стенка стороны нагнетания также может содержать сквозные отверстия, чтобы охлаждать внешнюю поверхность стенки стороны нагнетания в области конца. Центральный канал 93 подает воздух в эту верхнюю полость 92, проходя от хвостовика лопатки, через который в него поступает воздух, к концу S, где он полностью выходит в нижнюю поверхность 99.
Переднюю кромку лопатки 91 охлаждают посредством расположенного выше по потоку скоса 102, который проходит от основания пера до конца S, и в который подают воздух посредством расположенного выше по потоку канала 103 выверенным образом с помощью равномерно расположенных калиброванных каналов 105 по направлению EV размаха лопатки, и которые соединяют расположенный выше по потоку канал 103 с расположенным выше по потоку скосом 102. Стенка лопатки в области передней кромки содержит отверстия, которые не показаны, через которые воздух из скоса проходит через стенку, чтобы охладить внешнюю поверхность передней кромки.
Первая боковая полость 94 имеет малую толщину и проходит от хвостовика до области конца S, имея в целом прямоугольный контур. Она заканчивается под верхней полостью 92, не закрывая ее. Она имеет толщину, достаточную для того, чтобы закрыть или охватить центральный канал 93, а также расположенный выше по потоку канал 103, который проходит вдоль этого центрального канала 93.
Вторая боковая полость 96 также имеет малую толщину, и она проходит от хвостовика до области конца S, но закрывая верхнюю полость 92. Она имеет, в целом, прямоугольный контур, при этом ее ширина достаточна для того, чтобы закрыть или охватить центральный канал 93 и расположенный выше по потоку канал 103 и верхнюю полость 92 со стороны всасывания.
В охлаждающую щель или щели на задней кромке, расположенные в области конца S, подают воздух из верхней полости 92. В другие щели на задней кромки, указанные ссылочным обозначением 106, воздух подают из расположенного ниже по потоку скоса 107, который проходит от хвостовика до области конца S.
В этот расположенный ниже по потоку скос 107 воздух подают выверенным образом из расположенного ниже по потоку канала 108, который проходит от хвостовика лопатки до области ее конца S, где он обходит заднюю часть верхней полости 92. Этот расположенный ниже по потоку канал 108 расположен между центральным каналом 93 и расположенным ниже по потоку скосом 107, и он не закрыт боковой полостью 94 или боковой полостью 96. Расположенного ниже по потоку канал 108 выверенным образом подает воздух в расположенный ниже по потоку скос 107 посредством ряда калиброванных каналов 109, которые расположены на равном расстоянии друг от друга вдоль направления EV размаха, и каждый из которых соединяет задний канал со скосом 107.
В пятом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 7, лопатка, указанная ссылочным обозначением 111, также содержит верхнюю полость 112, в которую подают воздух из центрального канала 113, который изолирован двумя боковыми полостями 114 и 116. Здесь заднюю кромку также охлаждают с помощью расположенного ниже по потоку скоса, в который подают воздух выверенным образом из расположенного ниже по потоку канала, но этот расположенный ниже по потоку канал термически защищен посредством боковых полостей лопатки так, чтобы подавать более холодный воздух для охлаждения задней кромки.
Верхняя полость 112 имеет форму, по существу, идентичную форме лопаток, показанных на фиг. 3-6. Она расположена вблизи от конца S, проходит вдоль замыкающей стенки и стенки стороны нагнетания от передней до задней части пера. На все части конца S, расположенные на стороне нагнетания, подают охлаждающий воздух из верхней полости 112 по всей протяженности до заднего края. Эта верхняя полость 112 также проходит до задней кромки, чтобы подавать холодный воздух по меньшей мере в ближайшую к концу S щель, обозначенную через 115, и, возможно, в несколько соседних щелей.
Эта верхняя полость 112 ограничена сбоку первой поверхностью 117, которая проходит вдоль стороны нагнетания, и второй поверхностью 118, расположенной на расстоянии от первой, причем эти поверхности сходятся друг с другом спереди и сзади. В вертикальном направлении она ограничена нижней поверхностью 119, параллельной замыкающей стенке, и нижней поверхностью 121 этой замыкающей стенки. Центральный канал 113 подает воздух в эту верхнюю полость 112, проходя от хвостовика лопатки, через который в него поступает воздух, к концу S, где он полностью выходит в нижнюю поверхность 119.
Переднюю кромку лопатки 111 охлаждают посредством расположенного выше по потоку скоса 122, который проходит от основания пера до конца S, в который подают воздух из расположенного выше по потоку канала 123 выверенным образом, благодаря равномерно расположенным по направлению EV размаха лопатки калиброванных каналам 124, которые соединяют расположенный выше по потоку канал 103 с расположенным выше по потоку скосом 122.
Стенка лопатки в области передней кромки содержит отверстия, которые не показаны, через которые воздух из скоса проходит через стенку, чтобы охладить внешнюю поверхность передней кромки. Первая боковая полость 114 имеет малую толщину и проходит от хвостовика до области конца S, имея в целом прямоугольный контур. Она заканчивается под верхней полостью 112, не закрывая ее, и имеет ширину, достаточную для того, чтобы закрыть или охватить центральный канал 113, а также расположенный выше по потоку канал 123, который проходит вдоль этого центрального канала 113, и расположенный ниже по потоку канал, предназначенный для регулируемой подачи воздуха в расположенный ниже по потоку скос.
Вторая боковая полость 116 также имеет малую толщину, и она проходит от хвостовика до области конца S, но закрывая верхнюю полость 112. Она имеет, в целом, прямоугольный контур, при этом ее ширина достаточна для того, чтобы закрыть или охватить центральный канал 113, расположенный выше по потоку канал 123 и верхнюю полость 112 со стороны всасывания, а также расположенный ниже по потоку канал, предназначенный для выверенной подачи воздуха в расположенный ниже по потоку скос.
В охлаждающую щель 115 на задней кромке, расположенную в области конца S, подают воздух из верхней полости 112. В другие щели на задней кромке, указанные ссылочным обозначением 126, воздух подают посредством расположенного ниже по потоку скоса 127, который проходит от хвостовика до области конца S.
В этот расположенный ниже по потоку скос 127 воздух подают выверенным образом из расположенного ниже по потоку канала 128, который проходит от хвостовика лопатки до области ее конца, заканчиваясь на конце S, обходя верхнюю полость 112. Этот расположенный ниже по потоку канал 128 расположен между центральным каналом 113 и расположенным ниже по потоку скосом 127. Расположенный ниже по потоку канал 128 выверенным образом подает воздух в расположенный ниже по потоку скос 127 посредством ряда калиброванных каналов 129, которые расположены на равном расстоянии друг от друга, и каждый из которых соединяет расположенный ниже по потоку канал 128 со скосом 127.
Как видно на фиг. 7, боковые полости 114 и 116 расположены здесь так, чтобы, охватывать расположенный выше по потоку канал 123, центральный канал 113, а также расположенный ниже по потоку канал 128, так чтобы покрывать эти три элемента вместе, чтобы термически изолировать их от стенки стороны и от стенки стороны всасывания.
В шестом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 8, лопатка, указанная ссылочным обозначением 131, также содержит верхнюю полость 132, в которую подают воздух из центрального канала 133, но последний изолирован одной боковой полостью 134, расположенной на стороне нагнетания. Это позволяет упростить изготовление лопатки, обеспечивая при этом удовлетворительную эффективность охлаждения, благодаря тому, что на практике стенка стороны нагнетания имеет тенденцию к более значительному нагреву, чем стенка стороны всасывания.
Верхняя полость 132 имеет форму, по существу, идентичную форме лопаток, показанных на фиг. 3-7. Она расположена вблизи от конца S, проходит вдоль замыкающей стенки и стенки стороны нагнетания от передней до задней части пера. На все части конца S, расположенные на стороне нагнетания, подают охлаждающий воздух из верхней полости 132 по всей протяженности до заднего края. Эта верхняя полость 132 также проходит до задней кромки, чтобы подавать холодный воздух по меньшей мере в ближайшую к концу S щель, обозначенную через 135, и, возможно, в несколько соседних щелей.
Эта верхняя полость 132 ограничена сбоку первой поверхностью 137, которая проходит вдоль стороны нагнетания, и второй поверхностью 138, расположенной на расстоянии от первой, причем эти поверхности сходятся друг с другом спереди и сзади. В вертикальном направлении она ограничена нижней поверхностью 139, параллельной замыкающей стенке, и нижней поверхностью 141 этой замыкающей стенки. Центральный канал 133 подает воздух в эту верхнюю полость 132, проходя от хвостовика лопатки, через который в него поступает воздух, к концу S, где он полностью выходит в нижнюю поверхность 139.
Переднюю кромку лопатки 131 охлаждают посредством расположенного выше по потоку скоса 142, который проходит от основания пера до конца S, и в который подают воздух из расположенного выше по потоку канала 143 выверенным образом посредством калиброванных каналов 144, которые равномерно расположены по направлению EV размаха лопатки, и которые соединяют расположенный выше по потоку канал 143 с расположенным выше по потоку скосом 142. Стенка лопатки в области передней кромки содержит отверстия, которые не показаны, через которые воздух из скоса проходит через стенку, чтобы охладить внешнюю поверхность передней кромки.
Боковая полость 134 имеет малую толщину и проходит от хвостовика до области конца S, имея в целом прямоугольный контур. Она заканчивается под верхней полостью 132, не закрывая ее. Она имеет толщину, достаточную для того, чтобы закрыть или охватить центральный канал 133, а также расположенный выше по потоку канал 143, который проходит вдоль этого центрального канала 133.
В охлаждающую щель 135 на задней кромке, расположенную в области конца S, подают воздух из верхней полости 132. В другие щели на задней кромке, указанные ссылочным обозначением 146, воздух подают из расположенного ниже по потоку скоса 147, который проходит от хвостовика до области конца S.
В этот расположенный ниже по потоку скос 147 воздух подают выверенным образом из расположенного ниже по потоку канала 148, который проходит от хвостовика лопатки до области ее конца, заканчиваясь на конце S, обходя верхнюю полость 132. Этот расположенный ниже по потоку канал 148 расположен между центральным каналом 133 и расположенным ниже по потоку скосом 147. Расположенный ниже по потоку канал 148 выверенным образом подает воздух в расположенный ниже по потоку скос 147 посредством ряда калиброванных каналов 149, которые расположены на равном расстоянии друг от друга вдоль направления EV размаха, и каждый из которых соединяет этот расположенный ниже по потоку канал 148 со скосом 147.
Как видно на фиг. 8, боковая полость 134 покрывает расположенную выше по потоку канал 143, а также центральный канал 133, и расположенный ниже по потоку канал 148, так чтобы термически изолировать эти три элемента от стенки стороны нагнетания, чтобы сократить нагрев воздуха, который по ним передается.
Как понятно, в общем, в каждом из вариантов осуществления изобретения в область конца подают воздух из верхней полости относительно всех частей конца, которые проходят вдоль стороны нагнетания. В другие части конца подают воздух через другие каналы, скосы или полости лопатки, например, в частности, через расположенный выше по потоку скос и, возможно, расположенный выше по потоку канал, расположенный ниже по потоку скос и, возможно, расположенный ниже по потоку канал, и, где возможно, через вторую боковую полость, проходящую вдоль стороны нагнетания.
В примерах, которые были описаны, верхняя полость имеет толщину меньше, чем толщина пера, т.е. чем расстояние, отделяющее сторону нагнетания от стороны всасывания. На практике толщину этой полости можно уменьшить до менее половины толщины пера.
В различных вариантах осуществления охлаждение лопатки также оптимизируют посредством минимизации нагрузочных потерь в каждом внутреннем канале, чтобы сократить там теплообмен, и, наоборот, посредством выполнения усилителей турбулентности в каждой боковой полости, чтобы увеличить там теплообмен.
Боковые полости как таковые обладают повышенной эффективностью в качестве теплового экрана из-за того, что они поглощают теплоту, поступающую от внешних стенок, вдоль которых они проходят, а воздух, циркулирующий во внутренних каналах, испытывает небольшие потери нагрузки, чтобы быстро циркулировать, чтобы как можно меньше нагреваться.
Внутренние каналы, такие как расположенный выше по потоку канал, центральный канал и расположенный ниже по потоку канал, имеют гладкие внутренние стенки, чтобы способствовать быстрой циркуляции охлаждающего воздуха посредством минимизации теплообмена между этим воздухом и стенками канала, в котором этот воздух проходит. Каждая боковая полость предпочтительно имеет дефлекторы, которые способствуют циркуляции воздуха во всех областях полости. Кроме того, внутренние поверхности полости имеют элементы возмущения и/или опрокидывания, чтобы создавать турбулентность при циркуляции воздуха для того, чтобы способствовать высокому уровню теплообмена между воздухом и стенками, вдоль которых он проходит.
В общем, описанная лопатка может быть выполнена посредством непосредственного изготовления, посредством технологии послойной печати или посредством литья.