Порожниста лопатка ротора турбіни для газотурбінного двигуна

1. Порожниста лопатка (10) ротора для турбіни газотурбінного двигуна, що має внутрішній прохід (24) охолодження, відкриту порожнину (30), розташовану на вільному кінці (14) лопатки (10) і обмежену донною стінкою (26), що проходить по всьому кінцю (14) даної лопатки, оперізуючий виступ (28), що проходить між передньою кромкою (20) і задньою кромкою (22) лопатки вздовж зовнішньої стінки (18) і внутрішньої стінки (16) цієї лопатки, і канали (32) охолодження, що сполучають внутрішній прохід (24) охолодження із зовнішньою поверхнею внутрішньої стінки (16), причому канали охолодження (32) нахилені відносно цієї внутрішньої стінки (16) лопатки з можливістю їхнього відкривання на зовнішній поверхні внутрішньої стінки (16) у напрямку вершини (28а) оперізуючого виступ у, яка відрізняє ться тим, що оперізуючий виступ (28) утворює тонку стінку, а стовщення матеріалу (34) утворене між оперізуючим виступом (28) і донною стінкою (26) порожнини (30), уздовж принаймні частини внутрішньої стінки (16) лопатки, причому поверхня (34а) оперізуючого виступу (34), обернена в бік порожнини (30), є плоскою, в результаті чого оперізуючий виступ (28) розширюється у своїй основі в зоні прилягання до донної стінки (26) з можливістю відкривання каналів (32) охолодження в безпосередній C2 2 (19) 1 3 82059 даної лопатки й обмежена донною стінкою, що проходить по всьому кінці лопатки, і оперізуючим виступом, що проходить між передньою кромкою і задньою кромкою лопатки вздовж зовнішньої стінки і внутрішньої стінки цієї лопатки, а також канали охолодження, що сполучають згаданий внутрішній прохід охолодження із зовнішньою поверхнею внутрішньої стінки, причому згадані канали охолодження нахилені стосовно до внутрішньої стінки лопатки таким чином, щоб ці канали відкривалися на рівні їхніх ви ходів на зовнішній поверхні цієї внутрішньої стінки в напрямку вершини згаданого оперізуючого виступу. Канали охолодження подібного типу призначені для охолодження вільного зовнішнього кінця лопатки, оскільки ці канали дозволяють забезпечити нагнітання потоку охолодного повітря від внутрішнього проходу охолодження в напрямку кінця лопатки на рівні верхнього кінця зовнішньої поверхні внутрішньої стінки лопатки. Цей потік повітря створює "теплове накачування", а саме зниження температури металу в результаті поглинання тепла в надрах металевої стінки, і формує плівку охолодного повітря, яка захищає кінці лопаток з їхніх вн утрішні х сторін. Справді, внаслідок значних робочих швидкостей руху кінців лопаток і високих температур, впливу яких ці лопатки піддаються в процесі експлуатації, необхідно забезпечити їхнє охолодження з тим, щоб їхня температура залишалася нижчою за температур у навколишніх газів. Саме з цих міркувань лопатки звичайно виконуються порожнистими так, щоб забезпечити можливість їхнього охолодження за допомогою повітря, що знаходиться у вн утрішньому проході охолодження. Крім того, відомий прийом, який полягає у формуванні на кінці лопатки відкритої порожнини, називаної ще "ванночкою": така форма кінця лопатки обмежує розташовані одна проти одної поверхні між кінцем лопатки і кільцевою поверхнею, яка відповідає кожуху турбіни, для того, щоб захистити корпус лопатки від ушкоджень, причиною яких є можливий контакт з кільцевим сегментом кожуха. У [патентах US 6231307 і ЕР 0816636] представлена така порожниста лопатка, додатково постачена каналами охолодження, що сполучають вищезгаданий внутрішній прохід охолодження і зовнішню поверхню оперізуючого виступу порожнини на рівні внутрішньої стінки лопатки. Ці канали охолодження, що розташовуються з боку внутрішньої стінки лопатки, дозволяють, таким чином, забезпечити вихід із внутрішнього проходу охолодження струменя повітря, холоднішого за повітря, що оточує внутрішню стінку лопатки, причому цей струмінь повітря утворює плівку о холодного повітря, локалізовану на зовнішній поверхні внутрішньої стінки лопатки, і ця плівка відсмоктується в напрямку згаданої внутрішньої стінки. 4 У [патенті US 6231307] ці нахилені канали охолодження сполучають внутрішній прохід охолодження й зовнішню поверхню оперізуючого виступу порожнини на рівні внутрішньої стінки лопатки, розташовуючись при цьому (див. Фіг.2 згаданого документа) таким чином, щоб проходити крізь донну стінку порожнини й оперізуючий виступ цієї порожнини на рівні внутрішньої стінки лопатки, перетинаючи при цьому згадану порожнину. Це технічне рішення потребує, таким чином, значної товщини матеріалу як для донної стінки згаданої порожнини, так і для оперізуючого виступу цієї порожнини, з тим, щоб не погіршити характеристики термомеханічної міцності на кінці лопатки. Крім того, таке технічне рішення істотно обмежує потік охолодного повітря, яке сягає вершини оперізуючого виступу, оскільки переважна частина потоку повітря виходить із внутрішнього проходу охолодження через першу ділянку каналів охолодження і потрапляє безпосередньо в порожнину без завершення його руху на зовнішній поверхні внутрішньої стінки лопатки. Технічне рішення, описане в [патенті ЕР 0816636] і схематично подане на Фіг.5 цього документа, полягає в розміщенні каналів охолодження таким чином, щоб вони проходили крізь внутрішню стінку лопатки, відкриваючись на зовнішній поверхні цієї внутрішньої стінки на рівні основи оперізуючого виступ у згаданої порожнини. Крім того, це технічне рішення потребує значної товщини матеріалу як для донної стінки порожнини, так і для оперізуючого виступ у цієї порожнин, з тим, щоб не погіршити характеристики термомеханічної міцності на кінці лопатки. Проте, беручи до уваги дедалі вищі температури функціонування турбін, описані вище технічні рішення в даний час не дозволяють забезпечити реалізацію такої порожнистої лопатки, для якої охолодження на її вільному кінці виявляється достатнім. Дійсно, використання для підтримки достатньої термомеханічної міцності навколо каналів охолодження значної товщини матеріалу спричиняє істотне обважнення одного або декількох робочих коліс турбіни. Отже, що значнішою є товщина матеріалу, то в більшому ступені зростає температура в результаті повільнішого охолодження, й ці ділянки значної товщини не дозволяють реалізувати достатнє охолодження на кінці лопатки для того, щоб забезпечити функціонування турбіни при необхідних більш високих температурах. Слід зазначити, що якщо охолодження на кінці лопатки виявляється недостатнім, можуть відбуватися локальні вигоряння, які спричиняють втрати металу, що призводить до збільшення зазорів і погіршує аеродинамічний коефіцієнт корисної дії турбіни. Також у випадку, коли температура оперізуючого виступ у порожнини збільшується занадто сильно, відзначають небезпеку пропалів з ушкодженням металевої стінки. В даному винаході робиться спроба розв'язати вищезгадані проблеми. 5 82059 Внаслідок цього технічна задача даного винаходу полягає в розробці полів лопатки ротора турбіни для газотурбінного двигуна згаданого вище типу, із забезпеченням охолодження кінця цієї лопатки достатнім для того, щоб підвищити її надійність без зниження аеродинамічних і термомеханічних характеристик цієї лопатки. Для вирішення цієї задачі згаданий оперізуючий виступ відповідно до даного винаходу утворює тонку стінку і стовщення матеріалу передбачене між оперізуючим виступом і донною стінкою порожнини вздовж принаймні певної частини внутрішньої стінки лопатки, причому поверхня згаданого оперізуючого виступу обернена вбік порожнини, є по суті плоскою, в результаті чого цей оперізуючий виступ розширюється у своїй основі в зоні прилягання до донної стінки порожнини таким чином, щоб канали охолодження відкривалися в безпосередній близькості від вершини згаданого виступ у без зниження механічної міцності кінця лопатки. Таким чином зрозуміло, що внаслідок наявності стовщення матеріалу канали охолодження можуть відкриватися ближче до вершини оперізуючого виступу, без зміни відстані між цими каналами охолодження й донною стінкою порожнини. Справді, це стовщення матеріалу утворює надлишкову товщину в тій частині кінця лопатки, де оперізуючий виступ і донна стінка з'єднуються між собою із внутрішньої сторони згаданої порожнини. Таке стовщення матеріалу також можна легко застосовувати без зміни способу виготовлення лопатки, оскільки для цього достатньо передбачити в цьому місці значнішу кількість металу на етапі виготовлення відливки, зокрема в процесі проектування ливарної форми, яка відповідає цій частині виготовлюваної лопатки. Таке технічне рішення також дає додаткову перевагу, яка полягає в тому, що в даному випадку не відбувається істотного обважнення конструкції лопатки. В цілому завдяки технічному рішенню згідно з даним винаходом можна поліпшити охолодження, створюване на кінці лопатки, зокрема, на рівні вершини оперізуючого виступу вн утрішньої стінки лопатки, за допомогою повітря, що надходить з каналів охолодження, без зміни термомеханічних і аеродинамічних характеристик цієї лопатки. Краще, щоб поверхня згаданого стовщення матеріалу, обернена вбік порожнини, утворювала з поверхнею донної стінки, оберненою в напрямку цієї порожнини, певний кут a, що має величину в діапазоні від 170° до 100° і переважно в діапазоні від 135° до 110°. Відповідно до кращого конструктивного рішення цей кут a по суті дорівнює 112°. Таке конструктивне рішення дозволяє оптимізувати явище термічного накачування й підсилити охолодження вертикальної стінки згаданої "ванночки", тобто оперізуючого виступу відкритої порожнини. Краще, щоб поверхня стовщення матеріалу, обернена вбік порожнини, розташовувалася по 6 суті паралельно до напрямку каналів охолодження. Цей кращий варіант виконання дозволяє забезпечити найкраще механічне підкріплення з використанням мінімальної кількості матеріалу на рівні цього стовщення. Відповідно до іншого кращого конструктивного рішення відстань (А) між виходом каналів охолодження і вершиною оперізуючого виступу менша, ніж відстань (В) між виходом каналів охолодження і згаданою поверхнею стовщення матеріалу, оберненою вбік згаданої порожнини. Це конструктивне рішення дозволяє розташовувати вихід каналів охолодження найближче до вершини оперізуючого виступ у, яка при цьому ефективно охолоджується. Відповідно до кращого способу здійснення даного винаходу відстань (В) між виходом каналів охолодження і згаданою поверхнею стовщення, оберненою вбік порожнини, принаймні дорівнює і, зокрема, в точності дорівнює відстані (С), яка відокремлює точку перетинання (С1) між внутрішньою поверхнею оперізуючого виступу на рівні зовнішньої стінки лопатки і поверхнею донної стінки, оберненою вбік згаданої порожнини, від точки перетинання (С2) між зовнішньою поверхнею зовнішньої стінки лопатки і поверхнею донної стінки, оберненою в бік, протилежний до згаданої порожнини. Справді, таким чином реалізують у зоні стовщення, тобто з боку внутрішньої стінки кінця лопатки, таку ж міцну конструкцію, як і конструкція, що розташовується на кінці цієї лопатки з боку зовнішньої її стінки. Інші характеристики й переваги даного винаходу пояснюються наведеним нижче описом приклада його здійснення, в якому даються посилання на подані в додатку фігури, серед яких: Фіг.1 являє собою схематичний перспективний вигляд відомої з існуючого рівня техніки порожнистої лопатки ротора для газової турбіни; Фіг.2 являє собою схематичний перспективний вигляд у збільшеному масштабі вільного кінця лопатки, показаної на Фіг.1; Фіг.3 являє собою схематичний перспективний вигляд, подібний до вигляду, показаного на Фіг.2, після того, як задня кромка цієї лопатки була віддалена шляхом подовжнього розрізу; Фіг.4 являє собою схематичний вигляд у подовжньому розрізі в напрямку IV-IV, показаному на Фіг.3; Фіг.5 являє собою схематичний вигляд у подовжньому розрізі, аналогічний до вигляду, показаного на Фіг.4, який ілюструє зміни в конструкції лопатки відповідно до даного винаходу. На Фіг.1 поданий схематичний перспективний вигляд приклада виконання відомої з існуючого рівня техніки порожнистої лопатки 10 ротора для газової турбіни. Охолодне повітря (на Фіг.1 не показане) надходить у вн утрішню порожнину лопатки з нижньої частини основи 12 цієї лопатки в радіальному (вертикальному на Фіг.1) напрямку вбік вільного кінця 14 лопатки (або в напрямку вгору на Фіг.1), після чого це охолодне повітря 7 82059 виходить через вихідні отвори й об'єднується з основним газовим потоком. Зокрема, це охолодне повітря рухається у внутрішньому проході охолодження, який розташовується всередині лопатки і закінчується на вільному кінці 14 цієї лопатки на рівні вихідних отворів 15. Корпус лопатки профільований таким чином, щоб він формував внутрішню стінку 16 лопатки (розташовано ліворуч на всіх наведених у додатку фігурах) і зовнішню стінку 18 лопатки (розташовано праворуч на всіх наведених у додатку фігурах). Внутрішня стінка 16 лопатки має в цілому увігн уту форму і першою опиняється проти потоку гарячих газів, тобто розташовується з боку тиску ци х газів, тоді як зовнішня стінка 18 лопатки має опуклу форму і вже згодом опиняється під впливом потоку гарячих газів, тобто розташовується з боку відсмоктування цих газів. Внутрішня стінка 16 і зовнішня стінка 18 з'єднуються одна з одною в місці розташування передньої кромки 20 і в місці розташування задньої кромки 22, які проходять у радіальному напрямку між вільним кінцем 14 лопатки і верхньою частиною основи 12 цієї лопатки. Як можна бачити на збільшених виглядах, поданих на Фіг.2-5, на рівні вільного кінця 14 лопатки внутрішній прохід охолодження 24 обмежений внутрішньою поверхнею 26а донної стінки 26, яка проходить по всьому вільному кінці 14 лопатки між внутрішньою стінкою 16 і зовнішньою стінкою 18, тобто від передньої кромки 20 до задньої кромки 22 лопатки. На рівні вільного кінця 14 лопатки внутрішня і зовнішня стінки 16, 18 лопатки утворюють виступ 28, що оперізує порожнину 30, відкриту в напрямку, протилежному до внутрішнього проходу охолодження 24, або назовні в радіальному напрямку (тобто в напрямку вгору на всіх наведених у додатку фігура х). Таким чином, як це можна бачити на наведених у додатку фігурах, ця відкрита порожнина 30 обмежена в бічному напрямку внутрішньою поверхнею цього оперізуючого виступу 28 і обмежена у своїй нижній частині зовнішньою поверхнею 26b донною стінкою 26. Таким чином, цей оперізуючий виступ 28 утворює тонку стінку вздовж профілю лопатки, яка захищає вільний кінець 14 лопатки 10 від можливого контакту з відповідною кільцевою поверхнею кожуха турбіни. Як докладніше показано на виглядах у розрізі, поданих на Фіг.4 і 5, похилі канали охолодження 32 проходять крізь внутрішню стінку 16 лопатки для того, щоб з'єднати внутрішній прохід охолодження 24 із зовнішньою поверхнею цієї внутрішньої стінки 16. Ці канали охолодження 32 виконані похиленими таким чином, щоб вони відкривалися в напрямку вершини 28а оперізуючого виступ у з тим, щоб у якнайбільшому ступені охолодити цю вершину 28а вздовж внутрішньої стінки 16. Як це показано на Фіг.4 і 5 стрілками 33, на виході з каналів охолодження струмінь повітря 8 направляється вбік вершини 28а оперізуючого виступу вздовж внутрішньої стінки 16 лопатки. В разі лопаток відомої конструкції, як це докладніше показано на Фіг.4, з метою підтримування достатньої термомеханічної міцності на вільному кінці 14 лопатки варто залишити достатню відстань В між виходом каналів охолодження 32 (причому точкою відліку в даному випадку є ось цих каналів) і перерізом (В1) між внутрішньою поверхнею оперізуючого виступу 28 на рівні внутрішньої стінки 16 лопатки і зовнішньою поверхнею 26b донної стінки 26, оберненої вбік порожнини 30. Вищевказана умова, яка є наслідком механічних конструктивних вимог, призводить до того, що відстань А, виміряна між виходом каналів охолодження 32 (причому точкою відліку в даному випадку також є ось цих каналів) і вершиною 28а оперізуючого виступ у 28 з боку внутрішньої стінки, яка істотно перевищує ви щезгадану відстань В, виявляється недостатньою для забезпечення задовільного охолодження вершини 28а. Для того, щоб усунути цей недолік, відповідно до даного винаходу, і як це схематично показано на Фіг.5, передбачене стовщення 34 матеріалу між поверхнею оперізуючого виступу 28, оберненою вбік порожнини 30, уздовж внутрішньої стінки 16 лопатки і поверхнею 26b донної стінки 26, оберненою вбік порожнини 30. Це стовщення матеріалу 34 переважно реалізоване таким чином, щоб сформува ти поверхню 34а, обернену в напрямку порожнини 30, яка буде по суті плоскою так, щоб перехід між зовнішньою поверхнею 26b донної стінки 26, оберненої вбік порожнини 30, і внутрішньою поверхнею оперізуючого виступу 28 здійснювався поступово. Таким чином, як це можна бачити на Фіг.5, завдяки цьому стовщенню матеріалу 34 вищезгадана відстань В, яка має підтримуватися на певному рівні для забезпечення необхідної термомеханічної міцності на кінці лопатки, перетворюється на відстань В', виміряну між виходом каналів охолодження 32 (причому точкою відліку в даному випадку є ось цих каналів) і згаданою поверхнею 34а стовщення 34 матеріалу. Оскільки ця відстань В' підтримується на рівні величини відстані В, показаної на Фіг.4, наявність стовщення 34 матеріалу дозволяє істотно наблизити вихід каналів охолодження до вершини 28а оперізуючого виступу 28 уздовж внутрішньої стінки 16 лопатки, оскільки вищезгадана відстань А тепер виявляється меншою за відстань В' (див. Фіг.5). Стовщення 34 матеріалу розміщене вздовж принаймні частини внутрішньої стінки. Стовщення 34 може бути утворене суцільною смугою або сукупністю виступів, сформованих таким чином, щоб це стовщення 34 було наявне в кожній поперечній площині, яка проходить через канал охолодження 32. Відповідно до приклада виконання, схематично поданого на Фіг.5, і для турбіни високого тиску двигуна типу М88 була виготовлена лопатка 10 зі сплаву на основі нікелю типу AM1 9 82059 (NTa8GKWA), в якій згадане стовщення матеріалу реалізується безпосередньо на етапі виконання відливки шляхом формування валика вздовж усієї внутрішньої стінки 16 лопатки. Зокрема, лопатка відповідно до цього приклада реалізації має такі розмірні параметри: висота оперізуючого виступ у 28 (від його вершини 28а і до зовнішньої поверхні 26b донної стінки 26) складає 1мм; товщина оперізуючого виступ у 28, а також внутрішньої 16 і зовнішньої 18 стінок лопатки складає 0,65мм; постійна товщина донної стінки 26 складає 0,8мм; діаметр каналів охолодження 32 складає 0,3мм (може бути розглянутий діаметр цих каналів, величина якого знаходиться в діапазоні від 0,25мм до 0,35мм); відстань А становить 1,7мм; відстань В становить 1,2мм. Використовуючи технічне рішення, згідно з даним винаходом, шляхом додавання стовщення матеріалу 34 на ширині 0,5мм, виміряній на верхній поверхні 26b донної стінки 26, одержують, як показано на Фіг.5, відстань В=В '=1,2мм, тоді як відстань А становить у даному випадку тільки 1мм. Це наближення на 0,7мм виходу каналів охолодження 32 до вершини 28а дозволяє виграти 40°С при охолодженні, реалізованому в процесі функціонування турбіни високого тиску. В даному випадку поверхня згаданого стовщення, обернена в напрямку порожнини, є по суті плоскою й утворює з поверхнею донної стінки, оберненою вбік згаданої порожнини, кут a, рівний 112°. Оперізуючий виступ 28, який переважно утворює тонку стінку, має, таким чином, невеличку товщин у, а саме товщину меншу за 1,5мм і переважно меншу за 1мм, а найбільш переважно товщин у, величина якої знаходиться в діапазоні від 0,3мм до 0,8мм. Крім того, як випливає з Фіг.5, що ілюстр ує переважний спосіб здійснення даного винаходу: на рівні порожнини 30 оперізуючий виступ 28, зокрема кінець цього виступ у, має в цілому напрямок, перпендикулярний стосовно до донної стінки 26 згаданої порожнини або, точніше кажучи, перпендикулярний до зовнішньої поверхні 26b цієї донної стінки 26, що є по суті плоскою (і горизонтальною, як це можна бачити на Фіг.5); згадане стовщення 34 розташовується в основі оперізуючого виступу 28; канали охолодження 32 мають постійний поперечний переріз по всій своїй довжині. 10 11 82059 12