Охлаждаемая направляющая лопатка турбины и турбина, снабженная такими лопатками
Направляющая лопатка газотурбинного двигателя имеет переднюю и заднюю кромки, корыто и спинку пера, а также открытый перфорированный вкладыш, впускное отверстие для подачи охлаждающего воздуха внутрь вкладыша и выходное отверстие для вывода части охлаждающего воздуха из лопатки. Вкладыш ограничивает кольцевую полость, расположенную между его наружной боковой стенкой и внутренней стенкой лопатки. Перемычки расположены в части полости между вкладышем и внутренней поверхностью задней кромки для придания лопатке жесткости. Один конец вкладыша жестко соединен с лопаткой. Другой конец вкладыша установлен с возможностью скольжения по внутреннему краю лопатки вследствие относительного теплового расширения вкладыша и внутренней стенки лопатки. В открытом вкладыше выполнены отверстия, расположенные только в двух зонах вкладыша. Отверстия первой группы расположены напротив внутренней поверхности передней кромки. Отверстия второй группы расположены напротив внутренней поверхности задней кромки таким образом, чтобы исключить соударения струй воздуха с перемычками. Изобретение повышает эффективность охлаждения. 2 н. и 3 з.п ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к лопаткам турбины газотурбинного двигателя, в частности к направляющим лопаткам турбины, снабженным встроенным контуром охлаждения.
Уровень техники
Известные газотурбинные двигатели содержат камеру сгорания, в которой топливо смешивается с воздухом, после чего получившаяся смесь сгорает. Газы, образовавшиеся в результате этого сгорания, текут в направлении заднего конца камеры сгорания, а затем поступают в турбину высокого давления и в турбину низкого давления. Каждая из турбин содержит один или несколько рядов неподвижных (направляющих) лопаток (образующих сопловой аппарат), перемежающихся с одним или несколькими рядами подвижных (рабочих) лопаток (установленных на роторных дисках), причем все эти лопатки распределены по окружности вокруг ротора турбины. Лопатки турбины подвержены воздействию высоких температур газов сгорания, достигающих уровней, значительно превосходящих предельные значения, которые лопатки, непосредственно соприкасающиеся с газами, могут выдерживать без повреждений, что приводит к сокращению срока их службы.
Известный метод разрешения этой проблемы заключается в снабжении таких лопаток внутренними контурами охлаждения, предназначенными для понижения температуры лопаток путем организации направленной циркуляции охлаждающего воздуха внутри лопаток. При этом в стенках лопаток предусматриваются отверстия, предназначенные для создания на поверхности лопаток защитного воздушного слоя.
На фиг.4 и 5 изображена направляющая лопатка известной конструкции, охлаждаемая при помощи открытого вкладыша, которая используется в настоящее время в сопловых аппаратах некоторых авиационных двигателей.
Лопатка 10, содержащая полое перо 12, расположенное между внешней (бандажной) полкой 14 и внутренней полкой 16 (полкой замка), содержит также вкладыш 18, который ограничивает периферическую кольцевую полость 20, расположенную между внутренней стенкой пера и внешней боковой поверхностью вкладыша. Наружная торцевая часть 18А этого вкладыша герметично прикреплена к внешней полке лопатки методом сварки или пайки, а его внутренняя часть 18В вставлена в направляющую зону 16А внутренней полки лопатки с определенным зазором, необходимым для установки вкладыша и его скользящего смещения под воздействием теплового расширения. Распорки 22, предусмотренные на внутренней стенке или образованные выступами во вкладыше, обеспечивают постоянное расстояние между вкладышем и внутренней стенкой, а перемычки 23 придают лопатке жесткость в оставшейся части полости 20.
Открытый вкладыш 18 снабжен множественными отверстиями. При этом охлаждающий воздух, поступающий от источника воздуха под давлением, как правило, от компрессора газотурбинного двигателя, поступает внутрь внешней полки 14 через входное отверстие 24. Далее воздух попадает внутрь вкладыша 18, и часть его выходит через множественные отверстия вкладыша, образуя в периферической полости 20 воздушные струи. Эти струи охлаждают внутреннюю стенку пера 12 в результате столкновений с ней, сталкиваются с перемычками 23 и выводятся через калиброванные выпускные отверстия 26, предусмотренные в задней кромке или в корыте (внутренней вогнутой поверхности) пера, образуя защитный воздушный слой по всей длине этой задней кромки. Оставшаяся часть охлаждающего воздуха выводится через внутреннюю полку 16, проходя через нее и охлаждая ее, а затем выходя из лопатки через выходное отверстие 28 и поступая к другим элементам двигателя, например, к дискам, также требующим охлаждения.
Такая известная конструкция в целом является удовлетворительной. Однако ограничение напора воздуха отверстиями вкладыша и, косвенно, сечением утечки снижает эффективность охлаждения. Кроме того, на стенках лопатки, в частности, вблизи ее передней кромки возникают значительные локальные вариации температурного градиента, приводящие к появлению радиальных напряжений. Подобные напряжения в условиях предельных режимов эксплуатации негативно сказываются на работе лопатки.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении недостатков, связанных с отмеченными значительными вариациями температурного градиента путем создания направляющей лопатки газотурбинного двигателя, охлаждаемой при помощи открытого вкладыша и характеризующейся существенно уменьшенными радиальными напряжениями, воздействующими на лопатку. Изобретение также охватывает турбину газотурбинного двигателя, оборудованную такими направляющими лопатками, охлаждаемыми при помощи открытого вкладыша.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается созданием направляющей лопатки газотурбинного двигателя, имеющей переднюю кромку, заднюю кромку, корыто и спинку пера, а также открытый перфорированный вкладыш, который ограничивает кольцевую полость, расположенную между наружной стенкой данного вкладыша и внутренней стенкой лопатки, и перемычки, расположенные в части полости между вкладышем и внутренней поверхностью задней кромки для придания лопатке жесткости. Имеются также впускное отверстие для подачи охлаждающего воздуха внутрь вкладыша и выходное отверстие для вывода части охлаждающего воздуха из лопатки. При этом один конец вкладыша жестко соединен с лопаткой, а другой его конец может скользить по внутреннему краю лопатки вследствие относительного теплового расширения вкладыша и внутренней стенки лопатки. Лопатка по изобретению характеризуется тем, что в открытом вкладыше выполнены отверстия, расположенные только в двух определенных зонах вкладыша. Отверстия первой группы расположены напротив внутренней поверхности передней кромки, а отверстия второй группы расположены напротив внутренней поверхности задней кромки. При этом отверстия второй группы расположены так, чтобы исключить соударения струй воздуха с перемычками лопатки.
Таким образом, усиливая охлаждение передней и задней кромок лопатки и ограничивая соударения струй воздуха с перемычками, достигают значительного уменьшения локальных температурных градиентов и снижения уровня аксиальных механических напряжений в лопатке.
В оптимальном варианте каждая из первой и второй групп отверстий содержит не более чем по три ряда отверстий вкладыша, а в типичном варианте по одному ряду отверстий вкладыша.
Вторая группа отверстий предпочтительно расположена в зоне вкладыша, соответствующей, для струй воздуха, выходящих из указанных отверстий, кратчайшей траектории между вкладышем и внутренней поверхностью задней кромки. Кроме того, в предполагаемой конфигурации вторая группа отверстий может быть расположена в зоне вкладыша, соответствующей, для струй воздуха, выходящих из указанных отверстий, кратчайшей траектории между вкладышем и калиброванными выпускными отверстиями, выполненными в корыте пера для образования защитного воздушного слоя по всей длине задней кромки.
Краткое описание чертежей
Другие свойства и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие пример осуществления изобретения, не вносящий каких-либо ограничений. На чертежах:
- фиг.1 изображает в продольном разрезе направляющую лопатку турбины по изобретению,
- на фиг.1А представлена в увеличенном масштабе часть фиг.1,
- фиг.2 изображает в поперечном разрезе лопатку по фиг.1,
- на фиг.3 представлен график изменения температуры внешней части лопатки по фиг.2,
- фиг.4 и 5 изображают в двух перпендикулярных разрезах известную направляющую лопатку турбины.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг.1 и 2 изображена охлаждаемая лопатка 10, являющаяся, например, направляющей лопаткой турбины газотурбинного двигателя по настоящему изобретению. Лопатка, образованная полым пером 12, установленным между внешней (бандажной) полкой 14 и внутренней полкой 16 (полкой замка), прикреплена к корпусу (не представлен) турбины при помощи внешней полки, которая образует внешнюю стенку канала течения газов сгорания через турбину. Внутренняя стенка канала течения газов образована внутренней полкой этой лопатки.
Относительно направления течения газов, обозначенного на фиг.1 стрелкой, обычно определяют переднюю кромку 12А, заднюю кромку 12В, корыто (внутреннюю вогнутую сторону) 12С и спинку (внешнюю выпуклую сторону) 12D этого пера.
Такая направляющая лопатка подвержена воздействию газов сгорания, имеющих крайне высокие температуры, в связи с чем требуется ее охлаждение. Для этого лопатка 10 по изобретению, как и известные лопатки, содержит, по меньшей мере, один открытый перфорированный вкладыш 18, в который с одного из его радиальных концов поступает охлаждающий воздух и который ограничивает периферическую кольцевую полость 20, расположенную между внутренней стенкой лопатки и наружной боковой стенкой вкладыша. Внешняя радиальная часть 18А вкладыша герметично прикреплена к внешней полке 14 методом сварки или пайки, а ее внутренняя радиальная часть 18В вставлена в направляющую зону 16А внутренней полки 16 с определенным кольцевым зазором. Данный зазор необходим для установки вкладыша и его скользящего смещения в процессе работы с учетом неодинакового изменения температуры различных компонентов лопатки и, следовательно, их относительного расширения, а также для образования зоны утечки охлаждающего воздуха. Охлаждающий воздух после прохождения через вкладыш выводится, кроме того, через калиброванные выпускные отверстия 26, выполненные в корыте пера для образования защитного воздушного слоя по всей длине задней кромки 12В. Во внешней и внутренней полках предусмотрены соответственно впускное отверстие 24 для воздуха и выходное отверстие 28 для вывода воздуха, обеспечивающие циркуляцию охлаждающего воздуха.
В соответствии с изобретением предлагается сосредоточить отверстия, предусмотренные во вкладыше, в двух зонах, особенно чувствительных к воздействию горячих газов сгорания, движущихся в канале течения газов, а именно, в зонах вкладыша, расположенных напротив передней и задней кромок пера лопатки.
Как показано на фиг.2, передняя кромка 12А охлаждается струями воздуха, выходящими из первой группы отверстий 30 вкладыша, расположенных напротив передней кромки и, таким образом, обеспечивающих охлаждение этой зоны внутренней поверхности пера обдувом. В оптимальном варианте эта первая группа отверстий содержит один ряд отверстий.
Задняя кромка 12В охлаждается воздухом при помощи калиброванных выпускных отверстий 26, в которые воздух поступает из второй группы отверстий 32 вкладыша, расположенных, по существу, напротив внутренней поверхности 12 Bi задней кромки и, таким образом, обеспечивающих охлаждение этой зоны внутренней стенки пера обдувом. В оптимальном варианте эта вторая группа отверстий также содержит один ряд отверстий. При этом, как показано в увеличенном масштабе на фиг.1А, эти отверстия расположены так, чтобы, для струй воздуха, выходящих из указанных отверстий, обеспечивалась кратчайшая траектория между ними и калиброванными выпускными отверстиями 26 и предотвращались соударения струй воздуха с внутренней стенкой лопатки и с перемычками 23 лопатки. Таким образом, воздух, проходящий через калиброванные выпускные отверстия, остается относительно холодным, т.к. только его часть, образованная струями, проходящими через первую группу отверстий 30, нагревается от соприкосновения с горячей внутренней стенкой вблизи передней кромки, а также с корытом и спинкой пера. В то же время другая его часть образуется струями, выходящими прямо через вторую группу отверстий 32 и не испытывающими нагревания благодаря отсутствию столкновений с внутренней стенкой и с перемычками до их попадания в калиброванные выпускные отверстия.
Результаты осуществления изобретения с точки зрения изменения температур представлены на фиг.3, соответствующей развертке радиального сечения изображенной на фиг.1 и 2 лопатки направляющего аппарата низкого давления. Плоскость сечения проходит через среднюю часть канала течения газов, т.е. в зоне максимальной температуры газов сгорания.
Первая кривая 34 соответствует гипотетической конфигурации, в которой число отверстий вкладыша крайне мало и, следовательно, практически весь охлаждающий воздух выходит через зону утечки, имеющуюся между вкладышем и внутренней полкой (т.е. эквивалентное сечение отверстий вкладыша много меньше сечения утечки). Можно отметить, что в этой предельной конфигурации адекватное охлаждение стенки обеспечивается только вблизи задней кромки (ЗК), а стенка вблизи передней кромки (ПК) практически не охлаждается. Вследствие этого температура в этой зоне крайне близка к температуре газов сгорания и, следовательно, выходит за пределы допустимого для данного материала диапазона.
Вторая кривая 36 соответствует известной конфигурации, в которой отверстия вкладыша распределены по всей поверхности вкладыша. В этой конфигурации передняя кромка охлаждается адекватно, причем ее температура находится ниже предела разрушения пера лопатки. Однако наблюдаются значительные колебания температуры, создающие значительные температурные градиенты, которые порождают локальные механические напряжения, снижающие прочность лопатки и, следовательно, сокращающие срок ее службы.
Напротив, при использовании настоящего изобретения (третья, сплошная кривая 38) эти колебания значительно уменьшаются, причем температура передней кромки и задней кромки снижается на несколько градусов. Характерные значения этого снижения составляют от 4 до 8 градусов. Кроме того, с обеих сторон от передней кромки, на расстоянии, не превышающем половины расстояния между передней и задней кромками (т.е. для значений приведенной абсциссы <0,5), может быть достигнуто весьма значительное улучшение температурного градиента лопатки. Точнее, для значений приведенной абсциссы в диапазоне приблизительно от 0,2 до 0,4 наблюдается улучшение Δ температурного градиента для корыта пера, доходящее до 60 градусов.
Таким образом, при данной конфигурации отверстий вкладыша части, чрезмерно охлаждаемые при использовании известных технологий, нагреваются сильнее, а части, охлаждаемые недостаточно, дополнительно охлаждаются. Благодаря этому достигается лучшее равновесие в отношении температурных градиентов. Хотя приведенное описание относилось, по существу, только к направляющей лопатке турбины газотурбинного двигателя, очевидно, что такая конструкция направляющей лопатки, охлаждаемой при помощи открытого вкладыша, легко может быть использована в статоре компрессора газотурбинного двигателя, а также в лопастях корпуса газотурбинного двигателя.
1. Направляющая лопатка газотурбинного двигателя, имеющая переднюю кромку (12А), заднюю кромку (12В), корыто (12С) и спинку (12D) пера, а также открытый перфорированный вкладыш (18), который ограничивает кольцевую полость (20), расположенную между его наружной боковой стенкой и внутренней стенкой лопатки (10), перемычки (23), расположенные в части полости между вкладышем и внутренней поверхностью (12Bi) задней кромки для придания лопатке жесткости, впускное отверстие (24) для подачи охлаждающего воздуха внутрь вкладыша и выходное отверстие (28) для вывода части охлаждающего воздуха из лопатки, причем один конец (18А) вкладыша жестко соединен с лопаткой, а другой его конец (18В) установлен с возможностью скольжения по внутреннему краю (16А) лопатки вследствие относительного теплового расширения вкладыша и внутренней стенки лопатки, отличающаяся тем, что в открытом вкладыше выполнены отверстия, расположенные только в двух зонах вкладыша, причем отверстия (30) первой группы расположены напротив внутренней поверхности (12Ai) передней кромки, а отверстия (32) второй группы расположены напротив внутренней поверхности задней кромки таким образом, чтобы исключить соударения струй воздуха с перемычками.
2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что каждая из первой и второй групп отверстий вкладыша содержит не более, чем по три ряда отверстий (30А, 30В, 30С) вкладыша.
3. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что каждая из первой и второй групп отверстий вкладыша содержит по одному ряду отверстий вкладыша.
4. Лопатка по п.2 или 3, отличающаяся тем, что вторая группа отверстий расположена в зоне вкладыша, соответствующей для струй воздуха, выходящих из указанных отверстий, кратчайшей траектории между вкладышем и внутренней поверхности задней кромки.
5. Лопатка по п.2 или 3, отличающаяся тем, что вторая группа отверстий расположена в зоне вкладыша, соответствующей для струй воздуха, выходящих из указанных отверстий, кратчайшей траектории между вкладышем и калиброванными выпускными отверстиями (26), выполненными в корыте пера для образования защитного воздушного слоя по всей длине задней кромки.
6. Турбина газотурбинного двигателя, отличающаяся тем, что содержит направляющие лопатки, охлаждаемые при помощи открытого вкладыша, выполненные по любому из пп.1-5.
