Направляюча лопатка газотурбінного двигуна і турбіна газотурбінного двигуна

1. Направляюча лопатка газотурбінного двигуна, що має передню кромку (12А), задню кромку (12В), корито (12С) і спинку (12D) пера, а також відкритий вкладиш (18), який має перфорацію і обмежує кільцеву порожнину (20), розташовану між його зовнішньою бічною стінкою і внутрішньою стінкою лопатки (10), впускний отвір (24) для подачі охолоджувального повітря всередину вкладиша і вихідний отвір (28) для виходу частини охолоджувального повітря з лопатки, причому один кінець (18А) вкладиша жорстко сполучений з лопаткою, а інший його кінець (18В) встановлений з можливістю ковзання по внутрішньому краю (16А) лопатки внаслідок відносного теплового розширення вкладиша і внутрішньої стінки лопатки, яка відрізняє ться тим, що у відкритому вкладиші ви C2 2 (19) 1 3 84281 На Фіг.5 і 6 зображена направляюча лопатка відомої конструкції, яка охолоджується за допомогою відкритого вкладиша. Ця конструкція використовується в даний час в соплових апаратах деяких авіаційних двигунів. Лопатка 10, що містить порожнисте перо 12, яке розташоване між зовнішньою (бандажною) полицею 14 і внутрішньою полицею 16 (полицею замка), містить також вкладиш 18, який обмежує периферичну кільцеву порожнину 20, розташовану між внутрішньою стінкою пера і зовнішньою бічною поверхнею вкладиша. Зовнішня торцева частина 18А цього вкладиша герметично прикріплена до зовнішньої полиці лопатки методом зварювання або паяння, а його внутрішня частина 18В вставлена в направляючу зону 16А внутрішньої полиці лопатки з заздалегідь визначеним зазором, необхідним для встановлення вкладиша і його ковзного зсовування під впливом теплового розширення. Розпірки 22, що передбачені на внутрішній стінці або утворені виступами у вкладиші, забезпечують постійну відстань між вкладишем і внутрішньою стінкою, а перемички 23 додають лопатці жорсткості в частині порожнини 20, що залишилася. Відкритий вкладиш 18 забезпечений багатьма отворами. При цьому охолоджувальне повітря, що надходить від джерела повітря під тиском, наприклад від компресора газотурбінного двигуна, надходить всередину зовнішньої полиці 14 через впускний отвір 24. Далі повітря потрапляє всередину вкладиша 18 і частина його виходить через множинні отвори вкладиша, утворюючи в периферичній порожнині 20 повітряні струмені. Ці струмені охолоджують внутрішню стінку пера 12 в результаті зіткнень з нею, стикаються з перемичками 23 і виводяться через випускні калібровані отвори 26, які передбачені в задній кромці або в кориті - внутрішній увігнутій поверхні пера, утворюючи захисний повітряний шар по всій довжині цієї задньої кромки. Частина охолоджувального повітря, що залишилося виводиться через внутрішню полицю 16, проходячи через неї і охолоджуючи її, а потім виходить з лопатки через вихідний отвір 28 і надходить до інших елементів двигуна, наприклад до дисків, що також потребують охолодження. Така відома конструкція в цілому є задовільною. Проте, обмеження натиску повітря отворами вкладиша і, побічно, перерізом витоку знижує ефективність охолоджування. Крім того, на стінках лопатки, зокрема поблизу її передньої кромки виникають значні локальні варіації температурного градієнта, що призводять до появи радіальних напружень. Подібні напруження в умовах граничних режимів експлуатації негативно позначаються на роботі лопатки. Задача, на вирішення якої направлений винахід, полягає в усуненні недоліків, пов'язаних з вище вказаними значними варіаціями температурного градієнта, шляхом створення направляючої лопатки газотурбінного двигуна, що о холоджується за допомогою відкритого вкладиша і характеризується істотно зменшеними радіальними напруженнями, що впливають на лопатку. Винахід також охоплює турбіну газотурбінного двигуна, обладна 4 ну такими направляючими лопатками, що охолоджуються за допомогою відкритого вкладиша. Вирішення поставленої задачі досягається створенням направляючої лопатки газотурбінного двигуна, що має передню кромку, задню кромку, корито і спинку пера, а також відкритий перфорований вкладиш, який обмежує кільцеву порожнину, яка розташована між зовнішньою стінкою даного вкладиша і внутрішньою стінкою лопатки. Є також отвір впускання для подачі охолоджувального повітря всередину вкладиша і вихідний отвір для виводу частини охолоджувального повітря з лопатки. При цьому один кінець вкладиша жорстко сполучений з лопаткою, а інший його кінець може ковзати по внутрішньому краю лопатки внаслідок відносного теплового розширення вкладиша і внутрішньої стінки лопатки. Лопатка, згідно з винаходом, характеризується тим, що у відкритому вкладиші виконані дві групи отворів, які розташовані тільки в двох певних зонах вкладиша. Отвори першої групи розташовані напроти внутрішньої поверхні передньої кромки, а отвори другої групи розташовані напроти внутрішньої поверхні задньої кромки. При цьому отвори другої групи розташовані так, щоб виключити зіткнення струменів повітря з перемичками лопатки. Таким чином, підсилюючи охолоджування передньої і задньої кромок лопатки і обмежуючи зіткнення струменів повітря з перемичками, досягають значного зменшення локальних температурних градієнтів і зниження рівня аксіальних механічних напруг в лопатці. В оптимальному варіанті кожна з першої і другої гр уп отворів містить не більше ніж по три ряди отворів вкладиша, а зазвичай - по одному ряду отворів вкладиша. Друга група отворів розташована в тій зоні вкладиша, де струмені повітря, що виходять з указаних отворів, мають найкоротшу траєкторію між вкладишем і внутрішньою поверхнею задньої кромки. Крім того, в передбачуваній конфігурації друга група отворів розташована в тій зоні вкладиша, де струмені повітря, що виходять з вказаних отворів, мають найкоротшу траєкторію між вкладишем і каліброваними випускними отворами, виконаними в кориті пера, що утворюють захисний повітряний шар по всій довжині задньої кромки. Інші властивості і переваги даного винаходу стануть зрозумілі з нижченаведеного опису, що містить посилання на прикладені креслення, які ілюструють приклад здійснення винаходу, що не вносить яких-небудь обмежень. На кресленнях: на Фіг.1 зображено в подовжньому розрізі направляючу лопатку турбіни за винаходом, на Фіг.2 представлена в збільшеному масштабі частина Фіг.1, на Фіг.3 зображено в поперечному розрізі лопатку по Фіг.1, на Фіг.4 представлений графік зміни температури зовнішньої частини лопатки по Фіг.3, на Фіг.5 і 6 зображено в двох перпендикулярних розрізах відому направляючу лопатку турбіни. Відомості, які підтверджують можливість здійснення винаходу 5 84281 На Фіг.1 і 3 зображена охолоджувана лопатка 10, яка є, наприклад, направляючою лопаткою турбіни газотурбінного двигуна за цим винаходу. Лопатка, що утворена порожнистим пером 12, яке встановлене між зовнішньою (бандажною) полицею 14 і внутрішньою полицею 16 (полицею замка), прикріплена до корпусу (не представлений на кресленні) турбіни за допомогою зовнішньої полиці, яка утворює зовнішню стінку каналу для руху через турбіну газів згоряння. Внутрішня стінка каналу руху газів утворена внутрішньою полицею цієї лопатки. За напрямком руху газів, позначеного на Фіг.1 стрілкою, звичайно визначають передню кромку 12А, задню кромку 12В, корито (внутрішню увігн уту сторону) 12С і спинку (зовнішню опуклу сторону) 12D цього пера. Лопатка, яка задає напрям, підпорядкована дії газів згоряння, що мають досить високі температури, у зв'язку з чим лопатка потребує охолодження. Для цього лопатка 10 за винаходом, як і відомі лопатки, містить щонайменше один відкритий перфорований вкладиш 18, в який з одного з його радіальних кінців надходить охолоджувальне повітря і який обмежує периферичну кільцеву порожнину 20, розташовану між внутрішньою стінкою лопатки і зовнішньою бічною стінкою вкладиша. Зовнішня радіальна частина 18А вкладиша герметично прикріплена до зовнішньої полиці 14 методом зварювання або паяння, а її внутрішня радіальна частина 18В вставлена в направляючу зону 16А внутрішньої полиці 16 з певним кільцевим зазором. Цей зазор необхідний для установлення вкладиша і його ковзного зсуву в процесі роботи з урахуванням неоднакової зміни температури різних компонентів лопатки і, відповідно, їх відносного розширення, а також для утворення зони витоку охолоджувального повітря. Охолоджувальне повітря після проходження через вкладиш виводиться, крім того, через калібровані випускні отвори 26, що виконані в кориті пера для утворення захисного повітряного шару по всій довжині задньої кромки 12В. В зовнішній і внутрішній полицях передбачені впускний отвір 24 для повітря і вихідний отвір 28 для виходу повітря, які забезпечують циркуляцію охолоджувального повітря. Відповідно до винаходу пропонується зосередити отвори, передбачені у вкладиші, в двох зонах, особливо чутливи х до дії гарячих газів згоряння, що рухаються в каналі для руху газів, а саме, в зонах вкладиша, які розташовані навпроти передньої і задньої кромок пера лопатки. Як показано на Фіг.3, передня кромка 12А охолоджується струменями повітря, що виходять з першої групи отворів 30 вкладиша, які розташовані напроти внутрішньої поверхні 12Ai передньої кромки і, таким чином забезпечують охолодження цієї зони внутрішньої поверхні пера обдуванням. В оптимальному варіанті ця перша група отворів містить один ряд отворів. Задня кромка 12В охолоджується повітрям за допомогою каліброваних випускних отворів 26, в які повітря надходить з другої групи отворів вкладиша 32, що розташовані, по суті, напроти внутрішньої поверхні 12Bi задньої кромки і, таким чином, 6 забезпечуючи охолоджування цієї зони внутрішньої стінки пера обдуванням. В оптимальному варіанті ця друга група отворів також містить один ряд отворів. При цьому, як показано в збільшеному масштабі на Фіг.2, ці отвори розташовані так, щоб для стр уменів повітря, що ви ходять з вказаних отворів, забезпечити найкоротшу траєкторію між ними і випускними каліброваними отворами 26 і запобігати зіткнення струменів повітря з внутрішньою стінкою лопатки і з перемичками 23 лопатки. Таким чином, повітря, що проходить через випускні калібровані отвори залишається відносно холодним, оскільки тільки його частина, утворена струменями, що проходять через першу гр упу отворів 30, нагрівається від зіткнення з гарячою внутрішньою стінкою поблизу передньої кромки, а також з коритом і спинкою пера. В той же час інша його частина утворюється струменями, що ви ходять прямо через другу груп у отворів 32 і не нагріваються завдяки відсутності зіткнень з внутрішньою стінкою і з перемичками до їх попадання у випускні калібровані отвори. Результати здійснення винаходу з погляду зміни температур представлені на Фіг.4, відповідає розгортці радіального перерізу зображеної на Фіг.1 і 3 лопатки направляючого апарату низького тиску. Площина перерізу проходить через середню частину каналу проходження газів, тобто в зоні максимальної температури газів згоряння. Перша крива 34 відповідає гіпотетичній конфігурації, в якій число отворів вкладиша дуже мале і, отже, практично все охолоджуюче повітря виходить через зону витоку, що знаходиться між вкладишем і внутрішньою полицею (тобто еквівалентний перетин отворів вкладиша на багато менший перерізу витоку). Можна відзначити, що в цій граничній конфігурації адекватне охолоджування стінки забезпечується тільки поблизу задньої кромки (ЗK), а стінка поблизу передньої кромки (ПК) практично не охолоджується. Внаслідок цього температура в цій зоні дуже близька до температури газів згоряння і виходить за межі допустимого діапазону для даного матеріалу. Друга крива 36 відповідає відомій конфігурації, в якій отвори вкладиша розподілені по всій поверхні вкладиша. В цій конфігурації передня кромка охолоджується адекватно, причому її температура знаходиться нижче від меж руйнування пера лопатки. Проте спостерігаються значні коливання температури, що створюють значні температурні градієнти, які породжують локальні механічні напруження, що знижують міцність лопатки і скорочують термін її служби. Навпаки, при використанні цього винаходу (третя, суцільна крива 38) ці коливання значно зменшуються, причому температура передньої кромки і задньої кромки знижується на декілька градусів. Характерні значення цього зниження складають від 4 до 8 градусів. Крім того, з обох боків від передньої кромки, на відстані, яка не перевищує половини відстані між передньою і задньою кромками (тобто для значень наведеної абсциси