полая лопатка ротора турбины для газотурбинного двигателя

Формула изобретения

1. Полая лопатка (10) ротора для турбины газотурбинного двигателя, содержащая внутренний проход (24) охлаждения, открытую полость (30), располагающуюся на свободном конце (14) лопатки (10) и ограниченную донной стенкой (26), проходящей по всему концу (14) данной лопатки, опоясывающий выступ (28), проходящий между передней кромкой (20) и задней кромкой (22) лопатки вдоль наружной стенки (18) и внутренней стенки (16) этой лопатки, и каналы (32) охлаждения, связывающие внутренний проход (24) охлаждения с наружной поверхностью внутренней стенки (16), причем упомянутые каналы охлаждения (32) наклонены по отношению к этой внутренней стенке (16) лопатки с возможностью их открывания на наружной поверхности внутренней стенки (16) в направлении вершины (28а) упомянутого опоясывающего выступа, отличающаяся тем, что опоясывающий выступ (28) образует тонкую стенку, утолщение материала (34) предусмотрено между опоясывающим выступом (28) и донной стенкой (26) полости (30) вдоль, по меньшей мере, части внутренней стенки (16) лопатки, причем поверхность (34а) упомянутого опоясывающего выступа (34), обращенная в сторону полости (30), является, по существу, плоской, в результате чего опоясывающий выступ (28) расширяется в своем основании в зоне примыкания к донной стенке (26) с возможностью открывания каналов (32) охлаждения в непосредственной близости от вершины (28а) опоясывающего выступа (28) без снижения механической прочности конца (14) лопатки (10).

2. Лопатка (10) турбины по п.1, отличающаяся тем, что поверхность (34а) утолщения (34), обращенная в сторону полости (30), образует с поверхностью (26b) донной стенки (26), обращенной в направлении этой полости (30), некоторый угол ( ), имеющий величину в диапазоне от 170° до 100° и предпочтительно в диапазоне от 135° до 110°.

3. Лопатка (10) турбины по п.2, отличающаяся тем, что упомянутый угол ( ), по существу, равен 112°.

4. Лопатка (10) турбины по любому из пп.2 и 3, отличающаяся тем, что упомянутая поверхность (34а) утолщения (34) располагается, по существу, параллельно направлению каналов охлаждения (32).

5. Лопатка (10) турбины по п.1, отличающаяся тем, что расстояние (А) между выходом каналов охлаждения (32) и вершиной (28а) опоясывающего выступа (28) меньше чем расстояние (В ) между выходом этих каналов охлаждения (32) и упомянутой поверхностью (34а) утолщения (34).

6. Лопатка (10) турбины по п.1, отличающаяся тем, что расстояние (В ) между выходом каналов охлаждения (32) и упомянутой поверхностью (34а) утолщения (34), по меньшей мере, равно расстоянию (С), отделяющему точку пересечения (С1) между внутренней поверхностью опоясывающего выступа (28) на уровне наружной стенки (18) лопатки и поверхностью (26b) донной стенки (26), обращенной в сторону упомянутой полости (30), от точки пересечения (С2) между наружной поверхностью наружной стенки (18) лопатки и поверхностью (26а) донной стенки (26), обращенной в сторону, противоположную упомянутой полости (30).

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к полой лопатке ротора турбины для газотурбинного двигателя, в частности для так называемой турбины высокого давления.

Предлагаемое изобретение относится, в частности, к выполнению полой лопатки, которая содержит внутренний проход охлаждения, открытую полость, располагающуюся на свободном конце данной лопатки и ограниченную донной стенкой, проходящей по всему концу лопатки, и опоясывающим выступом, проходящим между передней кромкой и задней кромкой лопатки вдоль наружной стенки и внутренней стенки этой лопатки, а также каналы охлаждения, связывающие упомянутый внутренний проход охлаждения с наружной поверхностью внутренней стенки, причем упомянутые каналы охлаждения наклонены по отношению к внутренней стенке лопатки таким образом, чтобы эти каналы открывались на уровне их выходов на наружной поверхности этой внутренней стенки в направлении вершины упомянутого опоясывающего выступа.

Каналы охлаждения подобного типа предназначены для охлаждения свободного наружного конца лопатки, поскольку эти каналы позволяют обеспечить нагнетание потока охлаждающего воздуха от внутреннего прохода охлаждения в направлении конца лопатки на уровне верхнего конца наружной поверхности внутренней стенки лопатки. Этот поток воздуха создает "тепловую накачку", а именно снижение температуры металла в результате поглощения тепла в недрах металлической стенки, и формирует пленку охлаждающего воздуха, которая защищает концы лопаток с их внутренних сторон.

Действительно, вследствие значительных рабочих скоростей движения концов лопаток и высоких температур, воздействию которых эти лопатки подвергаются в процессе эксплуатации, необходимо обеспечить их охлаждение с тем, чтобы их температура оставалась ниже температуры окружающих газов.

Именно по этим соображениям лопатки обычно выполняются полыми так, чтобы обеспечить возможность их охлаждения при помощи воздуха, находящегося во внутреннем проходе охлаждения.

Кроме того, известен прием, который заключается в формировании на конце лопатки открытой полости, называемой еще "ванночкой": такая форма конца лопатки ограничивает располагающиеся друг против друга поверхности между концом лопатки и кольцевой поверхностью, соответствующей кожуху турбины, для того чтобы защитить корпус лопатки от повреждений, причиной которых является возможный контакт с кольцевым сегментом кожуха.

В патентах US 6231307 и ЕР 0816636 представлена такая полая лопатка, дополнительно снабженная каналами охлаждения, связывающими упомянутый выше внутренний проход охлаждения и наружную поверхность опоясывающего выступа полости на уровне внутренней стенки лопатки.

Эти каналы охлаждения, располагающиеся со стороны внутренней стенки лопатки, позволяют таким образом обеспечить выход из внутреннего прохода охлаждения струи воздуха, более холодного, чем воздух, окружающий внутреннюю стенку лопатки, причем эта струя воздуха образует охлаждающую воздушную пленку, локализованную на наружной поверхности внутренней стенки лопатки, и эта воздушная пленка отсасывается в направлении упомянутой внутренней стенки.

В патенте US 6231307 эти наклонные каналы охлаждения связывают внутренний проход охлаждения и наружную поверхность опоясывающего выступа полости на уровне внутренней стенки лопатки, располагаясь при этом (см. фиг.2 упомянутого документа) таким образом, чтобы проходить сквозь донную стенку полости и опоясывающий выступ этой полости на уровне внутренней стенки лопатки, пересекая при этом упомянутую полость.

Это техническое решение требует таким образом значительной толщины материала как для донной стенки упомянутой полости, так и для опоясывающего выступа этой полости, с тем чтобы не ухудшить характеристики термомеханической прочности на конце лопатки. Кроме того, такое техническое решение существенно ограничивает поток охлаждающего воздуха, который достигает вершины опоясывающего выступа, поскольку преобладающая часть потока воздуха выходит из внутреннего прохода охлаждения через первый участок каналов охлаждения и попадает непосредственно в полость без завершения его движения на наружной поверхности внутренней стенки лопатки.

Техническое решение, описанное в патенте ЕР 0816636 и схематически представленное на фиг.5 этого документа, состоит в размещении каналов охлаждения таким образом, чтобы они проходили сквозь внутреннюю стенку лопатки, открываясь на наружной поверхности этой внутренней стенки на уровне основания опоясывающего выступа упомянутой полости.

Кроме того, это техническое решение требует значительной толщины материала как для донной стенки полости, так и для опоясывающего выступа этой полости, с тем чтобы не ухудшить характеристики термомеханической прочности на конце лопатки.

Однако, принимая во внимание все более высокие температуры функционирования турбин, описанные выше технические решения в настоящее время не позволяют обеспечить реализацию такой полой лопатки, для которой охлаждение на ее свободном конце оказывается достаточным.

Действительно, использование для поддержания достаточной термомеханической прочности вокруг каналов охлаждения значительной толщины материала влечет за собой существенное утяжеление одного или нескольких рабочих колес турбины. Следовательно, чем более значительной является толщина материала, тем в большей степени возрастает температура в результате более медленного охлаждения, и эти участки значительной толщины не позволяют реализовать достаточное охлаждение на конце лопатки для того, чтобы обеспечить функционирование турбины при требуемых более высоких температурах.

Следует отметить, что если охлаждение на конце лопатки оказывается недостаточным, могут происходить локальные выгорания, вызывающие потери металла, что приводит к увеличению зазоров и ухудшает аэродинамический коэффициент полезного действия турбины. Также в случае, когда температура опоясывающего выступа полости увеличивается слишком сильно, отмечают опасность прожогов с повреждением металлической стенки.

В предлагаемом изобретении делается попытка решить описанные выше проблемы.

Вследствие этого техническая задача данного изобретения состоит в разработке полей лопатки ротора турбины для газотурбинного двигателя упомянутого выше типа с обеспечением охлаждения конца этой лопатки достаточным для того, чтобы повысить ее надежность без снижения аэродинамических и термомеханических характеристик этой лопатки.

Для решения этой задачи упомянутый опоясывающий выступ в соответствии с предлагаемым изобретением образует тонкую стенку и утолщение материала предусмотрено между опоясывающим выступом и донной стенкой полости вдоль, по меньшей мере, некоторой части внутренней стенки лопатки, причем поверхность упомянутого опоясывающего выступа, обращенная в сторону полости, является по существу плоской, в результате чего этот опоясывающий выступ расширяется в своем основании в зоне примыкания к донной стенке полости таким образом, чтобы каналы охлаждения открывались в непосредственной близости от вершины упомянутого выступа без снижения механической прочности конца лопатки.

Таким образом понятно, что вследствие наличия утолщения материала каналы охлаждения могут открываться ближе к вершине опоясывающего выступа без изменения расстояния между этими каналами охлаждения и донной стенкой полости.

Действительно, это утолщение материала создает избыточную толщину в той части конца лопатки, где опоясывающий выступ и донная стенка соединяются между собой с внутренней стороны упомянутой полости.

Такое утолщение материала также можно легко применять без изменения способа изготовления лопатки, поскольку для этого достаточно предусмотреть в этом месте более значительное количество металла на этапе изготовления отливки, в частности в процессе проектирования литейной формы, соответствующей этой части изготавливаемой лопатки.

Такое техническое решение также представляет дополнительное преимущество, которое состоит в том, что в данном случае не происходит существенного утяжеления конструкции лопатки.

В целом благодаря техническому решению в соответствии с предлагаемым изобретением можно улучшить охлаждение, создаваемое на конце лопатки, в частности на уровне вершины опоясывающего выступа внутренней стенки лопатки, при помощи воздуха, поступающего из каналов охлаждения, без изменения термомеханических и аэродинамических характеристик этой лопатки.

Предпочтительно, чтобы поверхность упомянутого утолщения материала, обращенная в сторону полости, образовывала с поверхностью донной стенки, обращенной в направлении этой полости, некоторый угол , имеющий величину в диапазоне от 170 до 100° и предпочтительно в диапазоне от 135 до 110°.

В соответствии с предпочтительным конструктивным решением этот угол по существу равен 112°.

Такое конструктивное решение позволяет оптимизировать явление термической накачки и усилить охлаждение вертикальной стенки упомянутой "ванночки", то есть опоясывающего выступа открытой полости.

Предпочтительно, чтобы поверхность утолщения материала, обращенная в сторону полости, располагалась по существу параллельно направлению каналов охлаждения.

Этот предпочтительный вариант выполнения позволяет обеспечить наилучшее механическое подкрепление с использованием минимального количества материала на уровне этого утолщения.

В соответствии с другим предпочтительным конструктивным решением расстояние (А) между выходом каналов охлаждения и вершиной опоясывающего выступа меньше, чем расстояние (В) между выходом каналов охлаждения и упомянутой поверхностью утолщения материала, обращенной в сторону упомянутой полости.

Это конструктивное решение позволяет располагать выход каналов охлаждения наиболее близко к вершине опоясывающего выступа, которая при этом эффективно охлаждается.

В соответствии с предпочтительным способом осуществления предлагаемого изобретения расстояние (В) между выходом каналов охлаждения и упомянутой поверхностью утолщения, обращенной в сторону полости, по меньшей мере, равно и, в частности, в точности равно расстоянию (С), отделяющему точку пересечения (С1) между внутренней поверхностью опоясывающего выступа на уровне наружной стенки лопатки и поверхностью донной стенки, обращенной в сторону упомянутой полости, от точки пересечения (С2) между наружной поверхностью наружной стенки лопатки и поверхностью донной стенки, обращенной в сторону, противоположную упомянутой полости.

Действительно, таким образом реализуют в зоне утолщения, то есть со стороны внутренней стенки конца лопатки, такую же прочную конструкцию, как и конструкция, располагающаяся на конце этой лопатки со стороны наружной ее стенки.

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения поясняются приводимым ниже описанием примера его осуществления, в котором даются ссылки на приведенные в приложении фигуры, в числе которых:

фиг.1 представляет собой схематический перспективный вид известной из существующего уровня техники полой лопатки ротора для газовой турбины;

фиг.2 представляет собой схематический перспективный вид в увеличенном масштабе свободного конца лопатки, показанной на фиг.1;

фиг.3 представляет собой схематический перспективный вид, подобный виду, показанному на фиг.2, после того как задняя кромка этой лопатки была удалена путем продольного разреза;

фиг.4 представляет собой схематический вид в продольном разрезе в направлении IV-IV, показанном на фиг.3;

фиг.5 представляет собой схематический вид в продольном разрезе, аналогичный виду, показанному на фиг.4, и иллюстрирующий изменения в конструкции лопатки в соответствии с предлагаемым изобретением.

На фиг.1 представлен схематический перспективный вид примера выполнения известной из существующего уровня техники полой лопатки 10 ротора для газовой турбины. Охлаждающий воздух (на фиг.1 не показан) поступает во внутреннюю полость лопатки из нижней части основания 12 этой лопатки в радиальном (вертикальном на фиг.1) направлении в сторону свободного конца 14 лопатки (или в направлении вверх на фиг.1), после чего этот охлаждающий воздух выходит через выходные отверстия и соединяется с основным газовым потоком.

В частности, этот охлаждающий воздух движется во внутреннем проходе охлаждения, располагающемся внутри лопатки и заканчивающемся на свободном конце 14 этой лопатки на уровне выходных отверстий 15.

Корпус лопатки профилирован таким образом, чтобы он формировал внутреннюю стенку 16 лопатки (располагается слева на всех приведенных в приложении фигурах) и наружную стенку 18 лопатки (располагается справа на всех приведенных в приложении фигурах). Внутренняя стенка 16 лопатки имеет в целом вогнутую форму и первой оказывается против потока горячих газов, то есть располагается со стороны давления этих газов, тогда как наружная стенка 18 лопатки имеет выпуклую форму и уже впоследствии оказывается под воздействием потока горячих газов, то есть располагается со стороны отсоса этих газов.

Внутренняя стенка 16 и наружная стенка 18 соединяются друг с другом в месте расположения передней кромки 20 и в месте расположения задней кромки 22, которые проходят в радиальном направлении между свободным концом 14 лопатки и верхней частью основания 12 этой лопатки.

Как можно видеть на увеличенных видах, представленных на фиг.2-5, на уровне свободного конца 14 лопатки внутренний проход охлаждения 24 ограничен внутренней поверхностью 26а донной стенки 26, которая проходит по всему свободному концу 14 лопатки между внутренней стенкой 16 и наружной стенкой 18, то есть от передней кромки 20 до задней кромки 22 лопатки.

На уровне свободного конца 14 лопатки внутренняя и наружная стенки 16, 18 лопатки образуют выступ 28, опоясывающий полость 30, открытую в направлении, противоположном внутреннему проходу охлаждения 24, или наружу в радиальном направлении (то есть в направлении вверх на всех приведенных в приложении фигурах).

Таким образом, как это можно видеть на приведенных в приложении фигурах, эта открытая полость 30 ограничена в боковом направлении внутренней поверхностью этого опоясывающего выступа 28 и ограничена в своей нижней части наружной поверхностью 26b донной стенки 26.

Таким образом, этот опоясывающий выступ 28 образует тонкую стенку вдоль профиля лопатки, которая защищает свободный конец 14 лопатки 10 от возможного контакта с соответствующей кольцевой поверхностью кожуха турбины.

Как более подробно показано на видах в разрезе, представленных на фиг.4 и 5, наклонные каналы охлаждения 32 проходят сквозь внутреннюю стенку 16 лопатки для того, чтобы соединить внутренний проход охлаждения 24 с наружной поверхностью этой внутренней стенки 16.

Эти каналы охлаждения 32 выполнены наклонными таким образом, чтобы они открывались в направлении вершины 28а опоясывающего выступа с тем, чтобы в возможно большей степени охладить эту вершину 28а вдоль внутренней стенки 16.

Как это показано на фиг.4 и 5 стрелками 33, на выходе из каналов охлаждения струя воздуха направляется в сторону вершины 28а опоясывающего выступа вдоль внутренней стенки 16 лопатки.

В случае лопаток известной конструкции, как это более подробно показано на фиг.4, с целью поддержания достаточной термомеханической прочности на свободном конце 14 лопатки следует оставить достаточное расстояние В между выходом каналов охлаждения 32 (причем точкой отсчета в данном случае является ось этих каналов) и пересечением (В1) между внутренней поверхностью опоясывающего выступа 28 на уровне внутренней стенки 16 лопатки и наружной поверхностью 26b донной стенки 26, обращенной в сторону полости 30.

Вышеуказанное условие, которое является следствием механических конструктивных требований, приводит к тому, что расстояние А, измеренное между выходом каналов охлаждения 32 (причем точкой отсчета в данном случае также является ось этих каналов) и вершиной 28а опоясывающего выступа 28 со стороны внутренней стенки, которое существенно превышает упомянутое выше расстояние В, оказывается недостаточным для обеспечения удовлетворительного охлаждения вершины 28а.

Для того чтобы устранить этот недостаток, в соответствии с предлагаемым изобретением и как это схематически показано на фиг.5, предусмотрено утолщение 34 материала между поверхностью опоясывающего выступа 28, обращенной в сторону полости 30, вдоль внутренней стенки 16 лопатки и поверхностью 26b донной стенки 26, обращенной в сторону полости 30.

Это утолщение материала 34 предпочтительно реализовано таким образом, чтобы сформировать поверхность 34а, обращенную в направлении полости 30, которая будет по существу плоской так, чтобы переход между наружной поверхностью 26b донной стенки 26, обращенной в сторону полости 30, и внутренней поверхностью опоясывающего выступа 28 осуществлялся постепенно.

Таким образом, как это можно видеть на фиг.5, благодаря этому утолщению материала 34 упомянутое выше расстояние В, которое должно поддерживаться на определенном уровне для обеспечения требуемой термомеханической прочности на конце лопатки, превращается в расстояние В , измеренное между выходом каналов охлаждения 32 (причем точкой отсчета в данном случае является ось этих каналов) и упомянутой поверхностью 34а утолщения 34 материала.

Поскольку это расстояние В поддерживается на уровне величины расстояния В, показанного на фиг.4, наличие утолщения 34 материала позволяет существенно приблизить выход каналов охлаждения к вершине 28а опоясывающего выступа 28 вдоль внутренней стенки 16 лопатки, поскольку упомянутое выше расстояние А теперь оказывается меньше расстояния В (см. фиг.5).

Утолщение 34 материала размещено вдоль, по меньшей мере, части внутренней стенки. Утолщение 34 может быть образовано сплошной полосой или совокупностью выступов, сформированных таким образом, чтобы это утолщение 34 присутствовало в каждой поперечной плоскости, проходящей через канал охлаждения 32.

В соответствии с примером выполнения, схематически представленным на фиг.5, и для турбины высокого давления двигателя типа М88 была изготовлена лопатка 10 из сплава на основе никеля типа АМ1 (NTa8GKWA), в которой упомянутое утолщение материала реализуется непосредственно на этапе изготовления отливки путем формирования валика вдоль всей внутренней стенки 16 лопатки. В частности, лопатка в соответствии с этим примером реализации имеет следующие размерные параметры:

высота опоясывающего выступа 28 (от его вершины 28а и до наружной поверхности 26b донной стенки 26) составляет 1 мм;

толщина опоясывающего выступа 28, а также внутренней 16 и наружной 18 стенок лопатки составляет 0,65 мм;

постоянная толщина донной стенки 26 составляет 0,8 мм;

диаметр каналов охлаждения 32 составляет 0,3 мм (может быть рассмотрен диаметр этих каналов, величина которого заключена в диапазоне от 0,25 до 0,35 мм);

расстояние А имеет величину 1,7 мм;

расстояние В имеет величину 1,2 мм.

Используя техническое решение в соответствии с предлагаемым изобретением, путем добавления утолщения материала 34 на ширине 0,5 мм, измеренной на верхней поверхности 26b донной стенки 26, получают, как показано на фиг.5, расстояние В=В =1,2 мм, тогда как расстояние А составляет в данном случае только 1 мм.

Это приближение на 0,7 мм выхода каналов охлаждения 32 к вершине 28а позволяет получить выигрыш в 40°С при охлаждении, реализуемом в процессе функционирования турбины высокого давления.

В данном случае поверхность упомянутого утолщения, обращенная в направлении полости, является по существу плоской и образует с поверхностью донной стенки, обращенной в сторону упомянутой полости, угол , равный 112°.

Опоясывающий выступ 28, который предпочтительно образует тонкую стенку, имеет таким образом небольшую толщину, а именно толщину менее 1,5 мм и предпочтительно менее 1 мм, а наиболее предпочтительно толщину, величина которой заключена в диапазоне от 0,3 до 0,8 мм.

Кроме того, как следует из фиг.5, иллюстрирующей предпочтительный способ осуществления предлагаемого изобретения:

на уровне полости 30 опоясывающий выступ 28, в частности конец этого выступа, имеет в целом направление, перпендикулярное по отношению к донной стенке 26 упомянутой полости или, точнее говоря, перпендикулярное к наружной поверхности 26b этой донной стенки 26, которая является по существу плоской (и горизонтальной, как это можно видеть на фиг.5);

упомянутое утолщение 34 располагается в основании опоясывающего выступа 28;

каналы охлаждения 32 имеют постоянное поперечное сечение по всей их длине.