Лопатка газової турбіни з удосконаленими контурами охолодження

1. Лопатка (1) газової турбіни для авіаційного двигуна, яка відрізняється тим, що вона обладнана принаймні першим охолоджуючим контуром (А), який містить принаймні одну порожнину (2) на увігнутому боці пера лопатки, витягнуту у радіальному напрямку поблизу увігнутої поверхні (1а) пера, принаймні другим охолоджуючим контуром (В), який не залежить від першого охолоджуючого контуру (А) і містить принаймні одну порожнину (4) на опуклому боці пера, витягнуту в радіальному напрямку поблизу опуклої поверхні пера, третім охолоджуючим контуром (С), який не залежить від першого і другого охолоджуючих контурів і містить принаймні одну центральну порожнину (6), розташовану у центральній частині пера лопатки між порожниною (2) на увігнутому боці пера і порожниною (4) на опуклому боці пера, принаймні одну порожнину (8) поблизу вхідної крайки (1с) пера, з'єднувальні отвори (10), що зв'язують центральну порожнину та порожнину поблизу вхідної крайки пера, а також випускні отвори (12), що сполучаються з указаною порожниною поблизу вхідної крайки пера та виходять на вхідну крайку (1с) пера. 2 (19) 1 3 6. Лопатка за будь-яким з попередніх пунктів, яка відрізняється тим, що вона додатково обладнана принаймні одним п'ятим охолоджуючим контуром (Е), незалежним від першого, другого, третього і четвертого охолоджуючих контурів і таким, що містить принаймні одну порожнину (38), розташовану поблизу вихідної крайки пера лопатки (1), впускний отвір для повітря на радіальному кінці указаної порожнини поблизу вихідної крайки пера для подачі охолоджуючого повітря до п'ятого охолоджуючого контуру (D) і випускні отвори (42), які сполучаються з указаною порожниною і виходять на вихідну крайку (1d) пера. 80669 4 8. Лопатка за будь-яким з попередніх пунктів, яка відрізняється тим, що порожнина (2) на увігнутому боці пера першого охолоджуючого контуру (А) і порожнина (4) на опуклому боці пера другого охолоджуючого контуру (В) мають високе характеристичне відношення для збільшення внутрішнього теплоперенесення. 9. Лопатка за будь-яким з попередніх пунктів, яка відрізняється тим, що порожнина (4) на опуклому боці пера другого охолоджуючого контуру (В) обладнана дефлекторами (44), розташованими на її зовнішній опуклій боковій стінці для підсилення теплоперенесення уздовж її стінок. 7. Лопатка за п. 6, яка відрізняється тим, що порожнина (38) поблизу вихідної крайки пера обладнана дефлекторами (50), розташованими напроти один одного на її увігнутій та опуклій бокових стінках для підсилення теплоперенесення уздовж указаних стінок. 10. Лопатка за будь-яким з попередніх пунктів, яка відрізняється тим, що порожнина (2) на увігнутому боці пера першого охолоджуючого контуру (А) обладнана дефлекторами (46), розташованими на її зовнішній стінці поблизу увігнутої поверхні пера для підсилення теплоперенесення уздовж указаної стінки при одночасному зниженні втрат напору. Даний винахід належить до удосконалення лопаток газової турбіни для авіаційного двигуна. Більш конкретно, винахід стосується контуру охолодження таких лопаток. Відомо, що лопатки газової турбіни авіаційного двигуна, що обертаються, особливо лопатки турбіни високого тиску, піддаються під час роботи турбіни дії дуже великих температур газів згоряння. Ці температури досягають значень, які суттєво перевищують температури, що здатні витримувати без пошкоджень різні деталі, що входять в контакт з цими газами. Ця обставина обмежує строк роботи подібних деталей. З іншого боку, відомо, що підвищення температури газів в турбіні високого тиску підвищує ефективність двигуна і, отже, відношення тяги двигуна до ваги літака, який приводять до руху цим двигуном. У зв'язку з цим роблять спроби створити турбінні лопатки, здатні витримувати все більш високі температури. Відомий підхід до рішення цієї проблеми шляхом обладнання лопаток контурами охолодження, призначеними для зниження температури лопаток. При використанні таких контурів охолодне повітря, як правило, подається усередину пера лопатки через її кореневу частину (хвостовик), проходить через лопатки за траєкторією, яку визначають порожнини сформовані усередині пера, і виходить через випускні (перфораційні) отвори в поверхні пера. Як приклад може бути указаний відомий метод, який полягає у виконанні лопатки з центральною порожниною, в яку через кореневу частину подається охолодне повітря для того, щоб здійснити "ударну дію" (тобто, створити швидкісний напір) на вхідну крайку лопатки. Проте, оскільки указана порожнина віддалена від гарячих газів тільки стінкою лопатки, повітря, яке проходить через указану порожнину, нагрівається з наближенням до вихідної кромки. У [патенті США №5720431] описана лопатка, обладнана центральною порожниною, навколо якої є радіальні порожнини, розташовані на опуклому та угнутому боках лопатки. У названому документі описані також отвори, які дають змогу повітрю проходити між центральною порожниною та радіальними порожнинами. В результаті повітря, яке проходить через радіальні порожнини, нагрівається у незначній мірі і майже не втрачає своєї ефективності щодо захисту вхідної крайки лопатки від гарячих газів. Даний винахід спрямований на вирішення задачі зменшення недоліків відомих вирішень шляхом удосконалення лопаток газових турбін, точніше, їх контурів охолодження таким чином, щоб знизити температуру передньої крайки пера лопатки. Цим досягається підвищення строку роботи лопаток. В рамках вирішення названої задачі винахід передбачає створення лопатки газової турбіни для авіаційного двигуна. Лопатка за винаходом характеризується тим, що вона обладнана: - принаймні першим охолодним контуром, який містить принаймні одну порожнину на угнутому боці пера лопатки, витягнуту у радіальному напрямку поблизу угнутої поверхні пера; - принаймні другим охолодним контуром, який не залежить від першого охолодного контуру і містить принаймні одну порожнину на опуклому боці пера, витягнуту в радіальному напрямку поблизу опуклої поверхні пера; - принаймні одним третім охолодним контуром, який не залежить від першого і другого охолодних контурів і містить принаймні одну центральну порожнину, розташовану у центральній частині пера лопатки між порожниною 5 на угнутому боці пера і порожниною на опуклому боці пера, принаймні одну порожнину поблизу вхідної крайки пера, з'єднувальні отвори, що зв'язують центральну порожнину та порожнину поблизу вхідної крайки пера, а також випускні отвори, що сполучаються з указаною порожниною поблизу вхідної крайки пера та виходять на вхідну крайку пера. Наявність порожнин навколо центральної порожнини, а також використання незалежних охолодних контурів для різних порожнин дозволяє забезпечити по суті однорідний захист пера лопатки по усій її висоті. В результаті вхідна крайка пера одержує ефективне охолодження більш холодним повітрям. Додатково, охолодження опуклої та угнутої поверхонь в центральній частині пера лопатки забезпечується двома повністю незалежними охолодними контурами. Завдяки цьому стає можливим незалежне керування температурами угнутої та опуклої поверхонь пера шляхом керування витратою охолодного повітря, яке подається до кожного з цих контурів. Крім того, відсутня радіальна циркуляція повітря у порожнині, розташованій поблизу вхідної кромки пера. Охолодне повітря випускається безпосередньо в потік газів згоряння через випускні отвори, розташовані у вхідній крайці. Це дозволяє уникнути збурювального впливу поперечного потоку на дію струменів повітря, які подаються зі швидкісним напором. Перелік Фігур креслень Інші особливості та преваги даного винаходу будуть зрозумілі з наступного докладного опису з посиланнями на креслення , що додаються, на яких поданий один з можливих варіантів здійснення винаходу. На Фіг.1 в перерізі подана обертова лопатка газової турбіни, виконана згідно з винаходом. На Фіг.2 та ж лопатка подана в перерізі за лінією II-II на Фіг.1. На Фіг.3 та ж лопатка подана в перерізі за лінією III-III на Фіг.1. На Фіг.4 у збільшеному масштабі показані отвори, які з'єднують центральну порожнину і порожнину поблизу вхідної крайки пера лопатки за винаходом. На Фіг.5 – діаграма циркуляції охолодного повітря. Відомості, які підтверджують можливість здійснення винаходу Як показано на Фіг.1, лопатка газової турбіни для авіаційного двигуна, виконана відповідно до винаходу, містить в центральній частині свого пера перший та другий охолодні контури А і В, виконані незалежними один від одного. Перший контур А містить принаймні одну порожнину на угнутому боці пера, але найкраще групу порожнин, наприклад, три порожнини 2а, 2b і 2с на угнутому боці пера. Ці порожнини витягнуті в радіальному напрямку поблизу угнутої поверхні 1а (ночов) пера лопатки 1. Другий охолодний контур В містить принаймні одну порожнину на опуклому боці пера, але найкраще групу порожнин, наприклад, чотири порожнини 4а - 4d на опуклому боці пера. Ці порожнини витягнуті в радіальному 80669 6 напрямку поблизу опуклої поверхні 1b (спинки) пера лопатки 1. Указані контури призначені для охолодження, відповідно, угнутої і опуклої поверхонь пера у режимі, якій буде докладно описаний далі. Як більш наочно подане на Фіг.2, впускний отвір 14 для повітря, який забезпечує доступ повітря до першого охолодного контуру А, передбачений на тому радіальному кінці першої порожнини 2а на угнутому боці пера, який прилягає до кореневої частини лопатки. Перший канал 16 з'єднує другий радіальний кінець порожнини 2а, що прилягає до зовнішнього краю лопатки, із суміжним радіальним кінцем другої порожнини 2b на угнутому боці пера. Поблизу кореневої частини лопатки передбачений також другий канал 18, який з'єднує другий радіальний кінець порожнини 2b з суміжним радіальним кінцем третьої порожнини 2с на угнутому боці пера. При цьому випускні (перфораційні) отвори (20) з'єднують указану порожнину 2с з угнутою поверхнею 1а пера. Порожнини 2а, 2b і 2с на угнутому боці пера, які входять до першого охолодного контуру А, у найкращому варіанті обладнані дефлекторами 46, розташованими на їх зовнішній стінці, суміжній з угнутою поверхнею пера, які збільшують теплоперенос уздовж указаної стінки та зменшують втрати напору. Дефлектори виконані у формі рельєфних ділянок на стінках порожнин, розташованих на траєкторії потоку охолодного повітря. Отже, вони служать для внесення збурень у повітряний потік, який протікає через порожнини, і цим підсилюють теплообмін. Живлення другого охолодного контуру В здійснюється незалежно від першого контуру А. Як показано на Фіг. 1 та 5, другий контур В містить чотири порожнини 4а, 4b, 4с і 4d на опуклому боці пера лопатки та принаймні два впускних отвори 22а та 22b на тих радіальних кінцях порожнин 4а та 4b, які прилягають до кореневої частини лопатки. При цьому перший та другий канали 24, 26 з'єднують протилежні радіальні кінці порожнин 4а і 4b на опуклому боці пера, відповідно, із суміжним радіальним кінцем третьої порожнини 4с. Третій канал 28 з'єднує другий радіальний кінець порожнини 4с із суміжним радіальним кінцем четвертої порожнини 4d на опуклому боці пера. У опуклій поверхні 1b лопатки, поблизу її вхідної крайки, також виконані перфораційні отвори 30, які з'єднуються з указаною порожниною 4d на опуклому боці пера. Порожнини 4а та 4d на опуклому боці пера у найкращому варіанті обладнані дефлекторами 44, розташованими на їх зовнішніх стінках, суміжних з опуклою поверхнею лопатки, які збільшують теплоперенос уздовж указаних стінок. У найкращому варіанті порожнини 2а - 2с на угнутому боці пера, які входять до першого охолодного контуру А, і порожнини 4а - 4d на опуклому боці пера, які входять до другого охолодного контуру В, мають високе характеристичне відношення для збільшення 7 внутрішнього теплопереносу. Охолодна порожнина розглядається як така, що має високе характеристичне відношення, якщо у своєму поперечному перерізі її найбільший розмір (довжина) принаймні втричі перевищує її інший розмір (ширину). Отже, відповідно до винаходу угнута та опукла поверхні пера охолоджуються абсолютно незалежно, з використанням двох окремих контурів А і В, тобто відсутнє перетікання повітря із одного контуру до іншого. Завдяки цьому забезпечується можливість незалежно керувати температурою угнутої і опуклої поверхонь пера лопатки з використанням потоку повітря, що тече у кожному з цих контурів. Додатково до першого і другого охолодних контурів А і В, лопатка 1 має також третій охолодний контур С, незалежний від двох інших і розташований між ними. Цей третій охолодний контур С містить принаймні одну центральну порожнину 6, розташовану в центральній частині лопатки між порожнинами 2а - 2с на угнутому боці пера та порожнинами 4а - 4d на опуклому боці пера. З центральною порожниною 6 за допомогою з'єднувальних отворів 10 зв'язана порожнина 8, яка має гладкі стінки і розташована поблизу вхідної кромки 1с лопатки. Передбачені також випускні (перфораційні) отвори 12, які з'єднують порожнину 8 біля вхідної кромки лопатки з указаною вхідною кромкою охолодного контуру, тобто таким чином, щоб оптимізувати теплообмін як результат швидкісного напору з боку повітря на вхідну крайку 1с. З'єднувальні отвори виконані так, щоб уникнути гострих крайок і цим усунути ризик утворення тріщин при формуванні охолодного контуру в процесі лиття. При цьому охолодне повітря, яке надходить до центральної порожнини, подається тільки через з'єднувальні отвори, які є в цій порожнині, до передньої крайки лопатки. Завдяки цьому витрата повітря, яке проходить через цей контур, не залежить від статичного тиску на перо лопатки. Розподілення потоку, який проходить через з'єднувальні отвори, є рівномірним уздовж його висоти. При цьому центральна порожнина 6 захищена від гарячих газів завдяки тому, що вона розташована між двома іншими охолодними контурами Α ι В. В результаті повітря, яке проходить через цю порожнину, нагрівається тільки у незначній мірі. Як наслідок, вхідна крайка лопатки ефективно охолоджується повітрям при більш низькій температурі. Лопатка у описуваному варіанті виконання додатково обладнана у своїй задній частині четвертим охолодним контуром D. Цей контур є незалежним від першого, другого і третього контурів А, В і С Він утворений принаймні однією порожниною, але у найкращому варіанті - групою порожнин 32, 32', 32", розташованих у задній частині пера лопатки 1 (див. Фіг.1). Відповідний впускний отвір для повітря (не показане) знаходиться на тому радіальному кінці порожнини 32, який прилягає до кореневої частини лопатки, а 80669 8 випускні отвори 36 з'єднують порожнину 32" з угнутою поверхнею 1а пера. У найкращому варіанті порожнини 32, 32', 32" четвертого охолодного контуру D обладнані дефлекторами 48, розташованими напроти один одного на угнутій та опуклій бокових стінках названих порожнин для підсилення теплопереносу уздовж указаних стінок. Нарешті, передбачений також п'ятий охолодний контур Е, який є незалежним від інших чотирьох контурів А - D. Цей контур служить для охолодження вихідної крайки 1d лопатки 1. П'ятий охолодний контур Ε містить принаймні одну порожнину 38 поблизу вихідної крайки 1d лопатки та впускний отвір (не показаний) для подачі охолодного повітря у даний контур Е, розташований на тому радіальному кінці порожнини 38, який прилягає до кореневої частини лопатки. Є також випускні отвори 42, які з'єднують указану порожнину 38 і вихідну крайку 1d лопатки. Порожнина 38 біля вихідної крайки у найкращому варіанті обладнана дефлекторами, розташованими напроти один одного на угнутій та опуклій бокових стінках лопатки для підсилення теплопереносу уздовж указаних стінок. Спосіб охолодження лопатки з очевидністю витікає із наведеного опису її конструкції, тому він буде описаний дуже коротко, в основному з посиланням на Фіг.5. Фіг.5 - це діаграма циркуляції охолодного повітря, яке протікає через різні охолодні контури А - Е, виконані в лопатці за цим винаходом. Як уже згадувалося, всі ці контури виконані незалежними один від одного, оскільки кожний з них має свій власний впускний отвір для охолодного повітря. До першого охолодного контуру А охолодне повітря надходить через порожнину 2а на угнутому боці пера. Після цього охолодне повітря проходить уздовж порожнини 2b на угнутому боці пера, а після цього - уздовж третьої порожнини 2с на цьому ж боці пера, перш ніж воно виходить через випускні отвори 20, які є на даному боці. Одночасно охолодне повітря подається у другий охолодний контур В через дві камери 4а, 4b на опуклому боці пера. Відхилення обох повітряних потоків біля зовнішньої крайки пера спрямовує ці потоки уздовж порожнини 4с. Після цього повітря надходить до порожнини 4d, перш ніж воно виходить з цієї порожнини по випускним отворам 30 через опуклу поверхню 1Ь лопатки. У третьому охолодному контурі С повітря подається у центральну порожнину 6 безпосередньо із кореневої частини лопатки та використовується для живлення порожнини 8 біля вхідної крайки лопатки по з'єднувальним отворам 10. Можливість охолодження вхідної крайки 1с забезпечується також наявністю отворів 12, які виведені на цю крайку. Задня частина лопатки 1 охолоджується за допомогою четвертого контуру D, який містить три порожнини 32, 32', 32". Як показано на Фіг.5, охолодне повітря подається до однієї з порожнин (порожнина 32), після чого відхиляється біля зовнішньої крайки пера, проходить через порожнину 32', після чого надходить до порожнини 9 32", перш ніж воно виходить з цієї порожнини по випускним отворам 36. І, нарешті, вихідна (задня) крайка 1d лопатки охолоджується за допомогою п'ятого охолодного контуру Е, причому охолодне повітря подається безпосередньо у порожнину 38 даного контуру. Із наведеного опису ясно, що даний винахід має цілий ряд переваг. Особливо важливе, що невеликі порожнини навколо центральної порожнини дозволяють ізолювати її від гарячих газів. За таких умов повітря, яке проходить уздовж центральної порожнини, нагрівається у меншій мірі, ніж у відомих пристроях, отже зовнішні частини лопатки охолоджуються більш холодним повітрям, тобто з більшою ефективністю. Оскільки температура вхідної крайки пера лопатки стає більш низькою, збільшується строк роботи лопатки та досягається підвищена опірність до оксидації металевої стінки лопатки, а також лущення покриття, яке утворює тепловий бар'єр, у зоні, яка особливо піддається зовнішнім діянням. У контурах які служать для охолодження центральної частини лопатки, дефлектори передбачені тільки на зовнішніх боках порожнин Дефлектори служать, перш за все, для підсилення теплообміну через стінки і, отже, для зниження температур на зовнішніх стінках лопатки. Додатково вони сприяють одержанню оптимальних значень втрат напору. Перелічені переваги дозволяють одержати виграш від рівномірного охолодження вхідної крайки пера уздовж її висоти у вигляді витрати охолодного повітря і рівня температур. Оскільки досягаються більш низькі значення температур, стає можливим підвищити строк роботи лопатки. Очевидно, що даний винахід не обмежується тільки описаним варіантом здійснення, але охоплює будь-які можливі модифікації Наприклад, описані охолодні контури можуть бути передбачені як у нерухомих, так і у обертових лопатках. 80669 10 11 80669 12