RU2688090C2

RU2688090C2 - Лопатка турбины с оптимизированным охлаждением ее задней кромки, содержащая расположенные выше и ниже по потоку каналы и внутренние боковые полости

Info

Publication number: RU2688090C2
Application number: RU2016151765A
Authority: RU
Inventors: Шарлот Мари ДЮЖОЛЬ; Патрис Эно
Original assignee: Сафран Эркрафт Энджинз
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2019-05-17
Also published as: US20170191368A1; CA2949920A1; EP3149282A1; BR112016027014B1; US10662789B2; CA2949920C; FR3021699B1; CN106470782A; RU2016151765A; BR112016027014A8; CN106470782B; BR112016027014A2; FR3021699A1; WO2015181488A1; RU2016151765A3

Abstract

Лопатка турбины турбинного двигателя, такого как турбовинтовой или турбореактивный двигатель, включает в себя хвостовик, перо, поддерживаемое хвостовиком, содержащее переднюю кромку и заднюю кромку, расположенную ниже по потоку от передней кромки, стенку стороны нагнетания и стенку стороны всасывания, расположенные на расстоянии друг от друга, которые соединяют переднюю кромку с задней кромкой. Перо содержит по меньшей мере один расположенный выше по потоку канал для охлаждения передней кромки, по меньшей мере один расположенный ниже по потоку канал, отделенный от расположенного выше по потоку канала для охлаждения задней кромки и внутреннюю боковую полость. Внутренняя боковая полость проходит вдоль стенки стороны нагнетания, чтобы образовать тепловой экран, проходящий от хвостовика лопатки до ее конца. Тепловой экран имеет ширину, достаточную для того, чтобы одновременно изолировать расположенный выше по потоку канал и расположенный ниже по потоку канал от стенки стороны нагнетания. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к лопатке авиационного двигателя турбинного типа такого, как, например, двухконтурный турбинный двигатель или двухконтурный турбореактивный двигатель.

Предшествующий уровень техники

В таком двигателе наружный воздух поступает во входной патрубок, чтобы пройти через нагнетатель, содержащий ряд поворотных лопаток перед тем, как разделиться на центральный поток внутреннего контура и поток наружного контура, окружающий поток внутреннего контура.

Поток внутреннего контура затем сжимают перед тем, как он поступит в камеру сгорания, после которой он расширяется, проходя через набор турбин, перед выпуском его назад с созданием тяги. Поток наружного контура нагнетатель перемещает непосредственно назад для создания дополнительной тяги.

Расширение в турбинах, которое позволяет приводить в действие компрессор и нагнетатель, происходит при высокой температуре вследствие того, что его выполняют сразу после возгорания. Эта турбина сконструирована так и имеет такие размеры, чтобы работать в сложных температурных условиях, при экстремальных значениях давления и потока текучей среды.

Каждая турбина содержит последовательность ступеней, каждая из которых содержит ряд лопаток, направленных радиально и равномерно распределенных вокруг вращающегося вала двигателя. На этом центральном валу находятся вращающиеся элементы турбины, а также вращающиеся элементы компрессора и нагнетателя.

Конкретно, лопатки турбины, подверженные воздействию наиболее суровых условий, - это лопатки первых ступеней расширения этой турбины, а именно, ступеней, находящихся ближе всех к зоне возгорания, и которые обычно называют ступенями высокого давления.

В общем, возросшие потребности в производительности и изменения нормативных документов приводят к конструированию двигателей меньших размеров, которые работают во все более жестких условиях. Это подразумевает увеличение стойкости и производительности лопаток турбин высокого давления, в частности, касательно их стойкости по отношению к температуре.

Тем не менее, существующие усовершенствования касательно материалов и покрытий этих лопаток не являются достаточными, чтобы они могли выдерживать высокие температуры, которые могут быть достигнуты в потоке после камеры сгорания. Эта ситуация приводит к пересмотру охлаждения этих лопаток, чтобы усовершенствовать их так, чтобы они могли выдерживать эти новые условия работы.

Это охлаждение обеспечивают циркуляцией холодного воздуха внутри этих лопаток, забираемого в турбинный двигатель выше по потоку от камеры сгорания. Этот воздух забирают у хвостовика лопатки, чтобы провести его вдоль внутреннего контура лопатки для ее охлаждения, и его выводят за пределы лопатки через отверстия, проходящие через стенку этой лопатки и распространенные по этой стенке. Эти отверстия используют для вывода охлаждающего воздуха, но они также создают на наружной поверхности лопатки слой воздуха, который является более прохладным, чем воздух, поступающий из камеры сгорания, что также вносит вклад в ограничение температуры лопатки.

Чтобы увеличить эффективность охлаждения, внутренние области лопатки, в которых циркулирует охлаждающий воздух, содержат средства, т.е. внутренние выступы, которые распределяют поток охлаждающего воздуха, чтобы увеличить теплопередачу от стенки лопатки к этому охлаждающему воздуху, циркулирующему во внутренних каналах лопатки.

Недостаток такой структуры охлаждения заключается в том, что длина внутреннего контура лопатки приводит к тому, что, когда воздух достигает конца этой цепи, он является избыточно нагретым, так что эффективность охлаждения ограничена в конечных областях и, в частности, на вершине лопатки, где желательно, наоборот, получить более высокую эффективность охлаждения.

Задачей изобретения является создание такой конструкции лопатки, которая позволит повысить эффективность охлаждения этой лопатки.

Раскрытие изобретения

Для этого, объектом изобретения является лопатка турбины турбинного двигателя, такого как турбовинтовой или турбореактивный двигатель, включающая в себя хвостовик, перо, поддерживаемое хвостовиком, содержащее переднюю кромку и заднюю кромку, расположенную ниже по потоку от передней кромки, стенку стороны нагнетания и стенку стороны всасывания, расположенные на расстоянии друг от друга, которые соединяют

переднюю кромку с задней кромкой, при этом это перо содержит:

– по меньшей мере один расположенный выше по потоку канал, собирающий охлаждающий воздух у хвостовика, чтобы охлаждать переднюю кромку посредством вывода этого воздуха через отверстия, проходящие через стенку пера на его передней кромке;

– по меньшей мере один расположенный ниже по потоку канал, отделенный от расположенного выше по потоку канала, собирающий охлаждающий воздух у хвостовика, чтобы охлаждать заднюю кромку посредством вывода этого воздуха через отверстия, проходящие через стенку стороны нагнетания выше по потоку от задней кромки;

– внутреннюю боковую полость, проходящую вдоль стенки стороны нагнетания, чтобы образовать тепловой экран, термически изолирующий расположенный ниже по потоку канал от стенки стороны нагнетания.

При такой конструкции охлаждение задней кромки по существу улучшается посредством формирования охлаждающего слоя на внешней поверхности стенки стороны нагнетания выше по потоку от этой задней кромки. Благодаря подаче воздуха из расположенного ниже по потоку канала, который является теплоизолированным, этот слой воздуха также имеет низкую температуру.

Изобретение также относится к лопатке как таковой, дополнительно содержащей охлаждающие щели, проходящие через ее стенку стороны нагнетания вдоль ее задней кромки и расположенного ниже по потоку скоса для подачи в эти охлаждающие щели охлаждающего воздуха, а также верхнюю полость, расположенную на конце лопатки, чтобы подавать воздух в ближайшую к концу щель задней кромки, причем эта верхняя полость отделена от расположенного ниже по потоку скоса, а воздух в нее подают посредством расположенного ниже по потоку канала.

Изобретение также относится к лопатке как таковой, содержащей другую внутреннюю боковую полость, проходящую вдоль стенки стороны всасывания, чтобы образовать тепловой экран, который термически изолирует расположенный выше по потоку канал от стенки стороны всасывания.

Изобретение также относится к лопатке как таковой, содержащей расположенный выше по потоку скос для подачи воздуха в охлаждающие отверстия передней кромки, и расположенный выше по потоку канал для регулируемой подачи воздуха в этот расположенный выше по потоку скос, и в которой каждая внутренняя боковая полость образует тепловой экран такой ширины, которой достаточно для изоляции этого расположенного выше по потоку канала и расположенного ниже по потоку канала.

Изобретение также относится к лопатке как таковой, в которой каждая внутренняя

боковая полость имеет усилители турбулентности и/или дефлекторы, чтобы повысить теплообмен, и в которой расположенный выше по потоку канал и расположенный ниже по потоку канал имеют гладкие стенки для ограничения нагрузочных потерь.

Изобретение также относится к средству формовки для изготовления лопатки как таковой, содержащему штампы и сердечники, предназначенные для формирования внутренних каналов и скосов и, возможно, внутренних полостей, образующих экран.

Изобретение также относится к турбине турбинного двигателя, содержащей лопатки как таковые, определенные выше.

Изобретение также относится к турбинному двигателю, содержащему турбину как таковую, определенную выше.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематично показан двухконтурный турбинный двигатель, вид в продольном разрезе;

на фиг. 2 - лопатка турбины турбинного двигателя, показанного на фиг. 1, вид в перспективе;

на фиг. 3 - внутренние полые части лопатки турбины в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, вид в перспективе;

на фиг. 4 - внутренние полые части лопатки турбины в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, вид в перспективе;

на фиг. 5 - внутренние полые части лопатки турбины в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения, вид в перспективе;

на фиг. 6 внутренние полые части лопатки турбины в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения, вид в перспективе.

Варианты осуществления изобретения

Как видно на фиг. 1, передняя часть двухконтурного турбинного двигателя 1 содержит входной патрубок 2, в который забирают воздух перед тем, как его засосут лопасти нагнетателя 3. После прохождения области нагнетателя воздух разделяют на центральный поток внутреннего контура (первичный поток) и поток наружного контура (вторичный поток), который окружает поток внутреннего контура.

Поток воздуха внутреннего контура затем проходит через первый компрессор 4, расположенный непосредственно после нагнетателя 3, в то время как поток внутреннего контура перемещают назад продувая вокруг внутреннего контура, чтобы непосредственно создавать дополнительную тягу.

Затем поток внутреннего контура проходит через вторую ступень 6 сжатия до достижения камеры 7, в которой происходит возгорание после впрыска и испарения топлива. После сгорания этот поток внутреннего контура расширяется в турбине 8 высокого давления, затем в турбине низкого давления, которая не показана, чтобы привести во вращение ступени сжатия и нагнетатель до того, как он будет вытолкнут в сторону задней части двигателя для создания тяги.

Двигатель 1 и его компоненты имеют форму вращения вокруг продольной оси АХ. Он содержит внешний корпус 9, также имеющий форму вращения и проходящий от передней части двигателя, где он ограничивает впускной патрубок, до задней части, где он ограничивает канал, через который выпускают основной и вторичный потоки, при этом части являются передней и задней относительно направления вперед воздушного судна, оборудованного этим турбинным двигателем. Этот корпус 9 поддерживает вращающиеся компоненты, расположенные в центре двигателя, которые содержат вращающийся вал, на котором установлены лопасти нагнетателя, а также ступени сжатия и турбина со своими лопатками.

Такая лопатка, указанная ссылочным обозначением 11 на фиг. 2, содержит хвостовик Р, посредством которого ее прикрепляют к вращающемуся телу, которое не показано, называемому диском турбины, и перо 12, опирающееся на этот хвостовик Р и составляющее аэродинамическую часть этой лопатки. Как видно на фиг. 2, между хвостовиком Р и пером 12 лопатка 11 содержит промежуточную область 13, называемую полкой.

Узел, образованный хвостовиком Р и пером 12, представляет собой одну полую единую деталь, получаемую литьем и содержащую внутренние каналы, через которые циркулирует охлаждающий воздух. Эти внутренние каналы, не показанные на фиг. 2, содержат впускные отверстия, открытые на нижней стороне 14 хвостовика Р, через которые в эти каналы подают холодный воздух. Полая стенка пера 12 содержит сквозные отверстия и щели, через которые выпускают охлаждающий воздух.

Перо 12 имеет изогнутую влево форму, имеющую по существу прямоугольный контур, приближающийся к параллелепипеду. Оно содержит основание 16, посредством которого соединено с хвостовиком Р, и которое проходит примерно параллельно оси АХ вращения. Оно также содержит переднюю кромку 17, направленную радиально относительно оси АХ и расположенную на стороне AM лопатки выше по потоку, т.е. в передней области этой лопатки относительно направления вперед двигателя, установленного в рабочем положении. Эта лопатка также содержит заднюю кромку 18, ориентированную примерно параллельно передней кромке 17 и находящуюся на некотором расстоянии от последней вдоль оси АХ, так что она расположена в области AV ниже по потоку или в задней части лопатки. Она также содержит конец S, примерно параллельный основанию 16 и находящийся на некотором расстоянии от последнего в радиальном направлении относительно оси АХ.

Две основные стенки этой лопатки представляют собой стенку 21 стороны нагнетания, которая является видимой стенкой на фиг. 2, и стенку стороны всасывания, которая противоположна стенке стороны нагнетания и находится от нее на расстоянии, и которая не видна на фиг. 2 из-за того, что ее закрывает стенка 21 стороны нагнетания. Стенка стороны нагнетания и стенка стороны всасывания сходятся на передней кромке 17, на задней кромке 18, а также в области конца S этой лопатки. Эти стенки находятся на расстоянии друг от друга у основания 16, чтобы можно было впустить охлаждающий воздух во внутреннюю область пера.

Передняя кромка 17 имеет выпуклую форму и снабжена рядом охлаждающих отверстий 22, проходящих через стенку лопатки в этой области. Задняя кромка 18 имеет сужающуюся форму, и она содержит ряд охлаждающих щелей 23. Эти щели 23 представляют собой щели небольшой длины, расположенные на расстоянии друг от друга и параллельно друг другу, образуя часть, проходящую вдоль конца задней кромки 18.

Каждая щель 23 проходит через стенку лопатки, чтобы забрать охлаждающий воздух внутрь этой лопатки и выдуть его на стенку стороны нагнетания на задней кромке. Дополнительно, на задней кромке выполнены внешние ребра, направленные параллельно оси АХ, чтобы направлять этот охлаждающий воздух.

Во время работы текучая среда, в которой расположена эта лопатка 11, смещается относительно последней от передней кромки 17 к задней кромке 18, проходя вдоль стороны 21 нагнетания и стороны всасывания. Стенка стороны нагнетания, подверженная во время работы значительному нагреву, содержит ряд отверстий 24, по существу параллельный передней кромке 17, расположенных ниже по потоку от этой передней кромки, и другой ряд отверстий 26, по существу параллельный задней кромке 18, расположенных выше по потоку от этой задней кромки 18 и щелей 23, которые она содержит. Ряды отверстий 24 и 26 проходят по направлению EV размаха пера, которое является радиальным направлением относительно оси АХ.

Область конца S лопатки 11 в отличие от передней кромки 17 и задней кромки 18 имеет определенную толщину, и, более того, эта область конца имеет форму, которая определяет полую часть, называемую «ванной».

Более конкретно, этот конец S имеет замыкающую стенку, которая соединяет стенку стороны нагнетания и стенку стороны всасывания, при этом эта замыкающая стенка направлена, в общем, перпендикулярно стенке стороны нагнетания и стенке стороны всасывания и параллельно оси АХ, что соответствует направлению, перпендикулярному направлению EV размаха. Эта замыкающая стенка, не видимая на фиг. 2, вогнута в сторону оси АХ относительно свободной кромки стенки стороны нагнетания и свободной кромки стенки стороны всасывания, так что она составляет вместе с этими кромками открытую полую часть в направлении противоположном оси АХ.

Ряд дополнительных отверстий 27, проходящих через стенку стороны нагнетания, выполнен вдоль конца S, чтобы гарантировать значительное охлаждение этого конца пера, который подвергается существенным нагрузкам из-за того, что составляет часть, обладающую наибольшей скоростью относительно текучей среды.

Ряд отверстий 27 проходит параллельно замыкающей стенке, а перо дополнительно содержит отверстия, которые не видны на фиг. 2, и которые проходят через замыкающую стенку, чтобы выходить в полую часть, называемую «ванной», расположенную на конце пера.

Как указано выше, такая лопатка представляет собой полую единую деталь. Ее изготавливают путем литья металлического материала титанового или другого типа с использованием ряда сердечников для ограничения внутренних каналов полой части, а также частей стержней для формирования сквозных отверстий. Сердечники, стержни и прочее удаляют после завершения литья, обычно посредством процесса химического воздействия, который может растворить эти элементы, не затрагивая отлитый материал.

На следующих фигурах показаны внутренние области лопатки в соответствии с изобретением, которые показаны формами сердечников, которые позволяют изготовить эту лопатку. Другими словами, формы, которые являются рельефными на последующих фигурах, составляют полые формы лопатки в соответствии с изобретением.

Идея в основе изобретения заключается в том, чтобы улучшить охлаждение лопатки со стороны нагнетания в области задней кромки и конца, эта область первой изнашивается в процессе эксплуатации лопатки.

Это обеспечивают благодаря расположенному ниже по потоку каналу, который проходит внутри лопатки, и который термически защищен от стенки стороны нагнетания, и отверстиям, проходящим через стенку стороны нагнетания к этому каналу, выше по потоку от заднего края, чтобы образовать слой охлаждающего воздуха от задней кромки на стороне внешней поверхности стенки стороны нагнетания.

Этот расположенный ниже по потоку канал проходит по направлению размаха от хвостовика к концу лопатки, чтобы в него подавали воздух непосредственно в хвостовике, так что этот воздух проводят в лопатке без нагрева во время перемещения до его возвращения через охлаждающие отверстия.

Лопатка в соответствии с изобретением, указанная ссылочным обозначением 31 на фиг. 3, содержит расположенный выше по потоку скос 32, проходящий от основания пера к концу S. Расположенный выше по потоку скос 32 охлаждает переднюю кромку посредством сквозных отверстий, выполненных на части стенки, соответствующей передней кромке.

Этот расположенный выше по потоку скос 32 регулируемым образом снабжают воздухом через расположенный выше по потоку канал 33, который проходит вдоль этого скоса 32 и расположен ниже по потоку относительно последнего, и который собирает охлаждающий воздух в хвостовике. Регулируемую подачу обеспечивают калиброванными каналами 34, которые расположены на равном расстоянии вдоль направления EV размаха лопатки, и каждый из которых соединяет расположенный выше по потоку канал 33 с расположенным выше по потоку скосом 32.

Каждый канал 34 калиброван, чтобы приблизительно получать поток воздуха, требуемый в охлаждающих отверстиях, расположенных в области скоса, снабжаемого через рассматриваемый канал. Скорость потока воздуха, требуемая для заданного отверстия или области, определяется термическим напряжением передней кромки в области, охлаждаемой этим отверстием.

Другой канал, называемый расположенным ниже по потоку каналом, указанный ссылочным обозначением 36, проходит вдоль расположенного выше по потоку канала, также проходя по существу прямо от хвостовика Р лопатки к концу S. Стенка стороны нагнетания лопатки содержит ряд сквозных отверстий 37, распределенных по прямой в направлении размаха, расположенных в области ниже по потоку от расположенного ниже по потоку канала 36. Каждое сквозное отверстие 37 само по себе соединяет расположенный ниже по потоку канал 36 с внешней поверхностью стенки стороны нагнетания выше по потоку от задней кромки, чтобы сформировать охлаждающий слой на внешней поверхности этой стенки.

Стенка стороны нагнетания содержит в области задней кромки ряд охлаждающих щелей 38, находящихся на равном расстоянии друг от друга и проходящих параллельно друг другу в направлении размаха, чтобы доставлять охлаждающий воздух к задней кромке.

В эти щели подают воздух от расположенным ниже по потоку скоса 39 лопатки, который проходит от хвостовика лопатки к области конца S, и который расположен между расположенным ниже по потоку каналом 36 и задней кромкой лопатки. Этот расположенный ниже по потоку скос 39 собирает воздух своим нижним концом, расположенным в хвостовике лопатки, и возвращает этот воздух на охлаждающие щели 38, которые он обеспечивает воздухом.

Дополнительно, лопатка в соответствии с изобретением содержит внутреннюю боковую полость 41 малой толщины, которая проходит вдоль стенки стороны нагнетания внутренней стороны лопатки, чтобы образовывать тепловой экран, который защищает расположенный выше по потоку канал 33 и расположенный ниже по потоку канал 36 от теплоты, воздействующей на стенку стороны нагнетания.

Как видно на фиг. 3, эта внутренняя полость 41 имеет малую толщину и контур прямоугольной формы. Она проходит по высоте, т.е. вдоль направления размаха, от хвостовика лопатки до ее конца и имеет достаточную протяженность в боковом направлении, чтобы образовывать экран, который покрывает расположенный выше по потоку и расположенный ниже по потоку каналы.

Эта боковая полость, в которой можно установить циркуляцию воздуха, позволяет термически изолировать расположенный выше по потоку канал и расположенный ниже по потоку канал от стенки стороны нагнетания, чтобы сократить нагрев проходящего по ним воздуха.

В этих условиях охлаждение задней кромки лопатки со стороны нагнетания существенно улучшается из-за наличия внешнего слоя охлаждающего воздуха, который сам по себе обладает существенной эффективностью охлаждения вследствие того, что в него подают воздух из расположенного ниже по потоку канала, который термически защищен, и который, поэтому, имеет низкую температуру.

В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, соответствующим лопатке 51, показанной на фиг. 4, из расположенного ниже по потоку канала, который является термически защищенным, чтобы охлаждать сторону нагнетания выше по потоку от задней кромки, также подают охлаждающий воздух в охлаждающую щель задней кромки, которая наиболее близка к концу, так чтобы улучшить охлаждение этой области.

В этом втором варианте осуществления лопатка 51 также содержит расположенным выше по потоку скос 52, в который регулируемым образом подают воздух из расположенного выше по потоку канала 53 через калиброванные каналы 54. Она также содержит расположенный ниже по потоку канал 56, а ее стенка стороны нагнетания снабжена рядом сквозных отверстий 57, распределенных по направлению EV размаха в расположенной ниже по потоку области канала 56, чтобы этот канал сообщался с внешней поверхностью стенки стороны нагнетания выше по потоку от задней кромки. Воздух, циркулирующий в расположенном ниже по потоку канале 56, выпускают через эти отверстия 57, чтобы здесь также образовать охлаждающий слой выше по потоку от задней кромки.

Стенка стороны нагнетания этой лопатки 51 также содержит охлаждающие щели 58 на задней кромке, воздух в которые подают из расположенного ниже по потоку скоса 59, который также проходит от хвостовика Р до области, расположенной до конца S. Она также содержит внутреннюю боковую полость 61, имеющую малую толщину, которая проходит вдоль стенки стороны нагнетания, чтобы сформировать тепловой экран, который защищает расположенный выше по потоку канал 53 и расположенный ниже по потоку канал 56.

Все эти элементы 52-61 идентичны элементам 32-41 лопатки 31 за исключением того, что расположенный ниже по потоку скос 59 имеет меньшую длину, чем расположенный ниже по потоку скос 39, и что из расположенного ниже по потоку канала 56 подают воздух в верхнюю полость 63, которая расположена на конце S лопатки.

Верхняя полость 63 расположена в продолжение конца расположенного ниже по потоку скоса 59, и в нее подают воздух из расположенного ниже по потоку канала, так чтобы подавать охлаждающий воздух в щель 64 на задней кромке, которая находится ближе к вершине, чем щели 58, чтобы еще больше улучшить охлаждение лопатки на конце ее задней кромки.

Эта верхняя полость 63 проходит вдоль замыкающей стенки лопатки, которая соединяет сторону нагнетания и сторону всасывания, будучи направленной перпендикулярно направлению EV размаха. Эта верхняя полость 63 расположена ниже по потоку от расположенного ниже по потоку канала 56, будучи отделенной замыкающей стенкой, стенкой стороны нагнетания и стенкой стороны всасывания, чтобы проходить до заднего края. Она соединена с верхним концом заднего канала 56 посредством внутреннего соединительного канала 66.

Благодаря этой верхней полости 63 конец задней кромки лопатки эффективно охлаждают в результате подачи в эту зону холодного воздуха со скоростью потока, соответствующей потребности.

В соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения, который показан на фиг. 5, расположенный выше по потоку канал и расположенный ниже по потоку канал, которые являются термически изолированными посредством внутренней полости, проходящей вдоль стенки стороны нагнетания, также термически изолированы посредством другой внутренней полости лопатки, которая проходит вдоль стенки стороны всасывания.

В этом третьем варианте осуществления, который показан на фиг. 5, лопатка 71 также содержит расположенный выше по потоку скос 72, в который регулируемым образом подают воздух из расположенного выше по потоку канала 73 через калиброванные каналы 74, каждый из которых соединяет расположенный выше по потоку канал с расположенным выше по потоку скосом.

Она также содержит расположенный ниже по потоку канал 76 и отверстия 77, проходящие через ее стенку стороны нагнетания, распределенные по направлению EV размаха в расположенной ниже по потоку области канала 76, чтобы этот канал сообщался с внешней поверхностью стенки стороны нагнетания выше по потоку от задней кромки. Поэтому, воздух, циркулирующий в расположенном ниже по потоку канале 76, также выпускают через эти отверстия 77, чтобы сформировать охлаждающий слой выше по потоку от задней кромки, что существенно улучшает охлаждение этой задней кромки.

Стенка стороны нагнетания также содержит охлаждающие щели 78 на задней кромке, воздух в которые подают из расположенного ниже по потоку скоса 79, причем этот расположенный ниже по потоку скос также проходит от хвостовика Р до области конца S лопатки. Лопатка также содержит внутреннюю боковую полость 81, имеющую малую толщину, которая проходит вдоль стенки стороны нагнетания, чтобы сформировать тепловой экран, который защищает расположенный выше по потоку канал 73 и расположенный ниже по потоку канал 76 от теплоты стенки стороны нагнетания.

Все эти элементы 72-81 идентичны элементам 32-41 лопатки 31 и элементам 52-61 лопатки 51 за исключением того, что расположенный выше по потоку канал 73 и расположенный ниже по потоку канал 76 имеют меньшую толщину, и что в дополнение к первой боковой полости 81, проходящей вдоль стороны нагнетания, эта лопатка 71 также содержит вторую внутреннюю боковую полость 82, которая проходит вдоль стороны всасывания. Наличие двух внутренних боковых полостей 81 и 82, которые проходят соответственно вдоль стороны нагнетания и стороны всасывания, обеспечивает повышенную термическую изоляцию расположенным выше по потоку канала 73 и расположенного ниже по потоку канала 76.

Вторая внутренняя боковая полость 82 также имеет меньшую толщину и также проходит от хвостовика Р до области конца S, имея при этом по существу прямоугольный контур, ширина которого достаточна для того, чтобы закрыть или охватить расположенный выше по потоку канал, а также расположенный ниже по потоку канал.

Благодаря этим двум внутренним боковым полостям, воздух, перемещаемый в расположенном выше по потоку канале и в расположенном ниже по потоку канале, очень слабо нагревается во время перемещения, что дополнительно способствует повышению эффективности охлаждения выше по потоку от задней кромки стороны нагнетания и передней кромки.

В соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения, который показан на фиг. 6, из расположенного ниже по потоку канала, который является термически защищенным, чтобы охлаждать сторону нагнетания выше по потоку от задней кромки, также подают охлаждающий воздух в охлаждающую щель задней кромки, которая наиболее близка к концу, чтобы улучшить охлаждение этой области.

В этом четвертом варианте осуществления, который показан на фиг. 6, лопатка 91 также содержит расположенный выше по потоку скос 92, в который регулируемым образом подают воздух из расположенного выше по потоку канала 93 через калиброванные каналы 94.

Она также содержит расположенный ниже по потоку канал 96, а ее стенка стороны нагнетания снабжена сквозными отверстиями 97, распределенными по направлению EV размаха в расположенной ниже по потоку области канала 96, чтобы этот канал сообщался с внешней поверхностью стенки стороны нагнетания выше по потоку от задней кромки. Воздух, циркулирующий в расположенном ниже по потоку канале 96, выпускают через эти отверстия 97, чтобы так же сформировать охлаждающий слой выше по потоку от задней кромки, так чтобы существенно улучшить охлаждение этой задней кромки.

Стенка стороны нагнетания также содержит охлаждающие щели 98 на задней кромке, воздух в которые подают из расположенного ниже по потоку скоса 99, который также проходит от хвостовика Р до области конца S. Эта лопатка также содержит внутреннюю боковую полость 101, имеющую малую толщину, которая проходит вдоль стенки стороны нагнетания, и другую внутреннюю боковую полость 102, имеющую малую толщину, которая проходит вдоль стенки стороны всасывания, чтобы сформировать два тепловых экрана, которые защищают расположенный выше по потоку канал 93 и расположенный ниже по потоку канал 96.

Все эти элементы 92-102 идентичны элементам 72-82 лопатки 71 за исключением того, что расположенный ниже по потоку скос 99 имеет меньшую длину, чем расположенный ниже по потоку скос 79, и что из расположенного ниже по потоку канала 96 подают воздух в верхнюю полость 103, которая расположена на конце S лопатки.

Верхняя полость 103 расположена в продолжение конца расположенного ниже по потоку скоса 99, и в нее подают воздух из расположенного ниже по потоку канала 96, так чтобы подавать охлаждающий воздух в щель 104 на задней кромке, которая находится наиболее близко к концу, чтобы улучшить охлаждение лопатки на конце ее задней кромки.

Эта верхняя полость 103 проходит вдоль замыкающей стенки лопатки, которая соединяет сторону нагнетания и сторону всасывания, будучи направленной перпендикулярно направлению EV размаха. Эта верхняя полость 103 расположена ниже по потоку от расположенного ниже по потоку канала 96, будучи отделенной замыкающей стенкой, стенкой стороны нагнетания и стенкой стороны всасывания, чтобы проходить до задней кромки. Она соединена с верхним концом расположенного ниже по потоку канала 96 посредством внутреннего соединительного канала 106.

Благодаря этой верхней полости 103 конец задней кромки лопатки эффективно охлаждают в результате подачи в эту зону холодного воздуха со скоростью потока, соответствующей потребности.

В общем, верхняя полость согласно второму и четвертому вариантам осуществления изобретения позволяет подавать холодный охлаждающий воздух в область позади или ниже по потоку конца лопатки, чтобы улучшить его охлаждение. Эта полость также позволяет подавать воздух в щель на задней кромке, которая находится ближе всего к концу, и, возможно, в соседние щели.

Дополнительно, могут быть выполнены отверстия, проходящие через стенку стороны нагнетания на уровне верхней полости, выходящие в эту верхнюю полость, чтобы улучшить охлаждение внешней поверхности стенки стороны нагнетания в области конца лопатки. Затем, из верхней полости подают свежий воздух, который проходит через стенку стороны нагнетания, чтобы охладить ее внешнюю поверхность в дополнение к подаче воздуха в ближайшую к концу щель и в дополнение к охлаждению посредством теплопроводных стенок лопатки, которые отделяют эту верхнюю полость.

Более того, могут быть выполнены отверстия, проходящие через стенки лопатки и выходящие во внутренние боковые полости, образующие тепловой экран, чтобы установить оптимальную циркуляцию воздуха в этих полостях. Каждое из этих отверстий преимущественно расположено в зоне низкого давления, чтобы способствовать циркуляции воздуха. Каждое из этих отверстий гарантирует, что воздух, собираемый у хвостовика лопатки, который передают в полость, образующую тепловой экран, высасывается из лопатки после прохождения в этой полости.

В различных вариантах осуществления охлаждение лопатки также оптимизируют посредством минимизации нагрузочных потерь в каждом внутреннем канале, чтобы сократить там теплообмен, и, наоборот, посредством выполнения усилителей турбулентности в каждой боковой полости, чтобы увеличить там теплообмен.

Боковые полости как таковые обладают повышенной эффективностью в качестве теплового экрана из-за того, что они поглощают теплоту, поступающую от внешних стенок, вдоль которых они проходят, а воздух, циркулирующий во внутренних каналах, небольшие потери нагрузки, чтобы быстро циркулировать, чтобы как можно меньше нагреваться.

Внутренние каналы, такие как расположенный выше по потоку канал, центральный канал и расположенный ниже по потоку канал, имеют гладкие внутренние стенки, чтобы способствовать быстрой циркуляции охлаждающего воздуха посредством минимизации теплообмена между этим воздухом и стенками канала, в котором этот воздух проходит. Каждая боковая полость предпочтительно имеет дефлекторы, которые способствуют циркуляции воздуха во всех областях полости. Кроме того, внутренние поверхности полости имеют элементы возмущения и/или опрокидывания, чтобы создавать турбулентность при циркуляции воздуха для того, чтобы способствовать высокому уровню теплообмена между воздухом и стенками, вдоль которых он проходит.

Claims

1. Лопатка (31, 51, 71, 91) турбины турбинного двигателя, такого как турбовинтовой или турбореактивный двигатель, включающая в себя хвостовик (Р), перо, поддерживаемое хвостовиком (Р), содержащее переднюю кромку и заднюю кромку, расположенную ниже по потоку от передней кромки, стенку стороны нагнетания и стенку стороны всасывания, расположенные на расстоянии друг от друга, которые соединяют переднюю кромку с задней кромкой, при этом перо содержит:

– по меньшей мере один расположенный выше по потоку канал (33; 53; 73; 93), собирающий охлаждающий воздух у хвостовика (Р), чтобы охлаждать переднюю кромку посредством вывода этого воздуха через отверстия, проходящие через стенку пера на его передней кромке;

– по меньшей мере один расположенный ниже по потоку канал (36; 56; 76; 96), отделенный от расположенного выше по потоку канала (33; 53; 73; 93), собирающий охлаждающий воздух у хвостовика (Р), чтобы охлаждать заднюю кромку посредством вывода этого воздуха через отверстия (37; 57; 77; 97), проходящие через стенку стороны нагнетания выше по потоку от задней кромки;

– внутреннюю боковую полость (41; 61; 81; 101), проходящую вдоль стенки стороны нагнетания, чтобы образовать тепловой экран, проходящий от хвостовика лопатки до ее конца, при этом имеющую ширину, достаточную для того, чтобы одновременно изолировать расположенный выше по потоку канал (33; 53; 73; 93) и расположенный ниже по потоку канал (36; 56; 76; 96) от стенки стороны нагнетания.

2. Лопатка по п. 1, дополнительно содержащая охлаждающие щели (58; 98), проходящие через ее стенку стороны нагнетания вдоль ее задней кромки и расположенного ниже по потоку скоса (59; 99) для подачи в эти охлаждающие щели (58; 98) охлаждающего воздуха, а также верхнюю полость (63; 103), расположенную на конце (S) лопатки, чтобы подавать воздух в ближайшую к концу (S) щель (64; 104) задней кромки, причем эта верхняя полость (63; 103) отделена от расположенного ниже по потоку скоса (59; 99), а воздух в нее подают посредством расположенного ниже по потоку канала (56; 96).

3. Лопатка по п. 1 или 2, содержащая другую внутреннюю боковую полость (82; 102), проходящую вдоль стенки стороны всасывания, чтобы образовать тепловой экран, имеющий достаточную ширину для того, чтобы одновременно изолировать расположенный выше по потоку канал (33; 53; 73; 93) и расположенный ниже по потоку канал (76; 96) от стенки стороны всасывания.

4. Лопатка по одному из пп. 1–3, содержащая расположенный выше по потоку скос (32; 52; 72; 92) для подачи воздуха в охлаждающие отверстия передней кромки и расположенный выше по потоку канал (33; 53; 73; 93) с регулируемой подачей в расположенный выше по потоку скос (32; 52; 72; 92).

5. Лопатка по одному из пп. 1–4, в которой каждая внутренняя боковая полость (41; 61; 81, 82; 101, 102) содержит усилители турбулентности и/или дефлекторы, чтобы увеличить теплообмен, и в которой расположенный выше по потоку канал (33; 53; 73; 93) и расположенный ниже по потоку канал (36; 56; 76; 96) имеют гладкие стенки, чтобы ограничить нагрузочные потери.

6. Средство формовки для изготовления лопатки по одному из пп. 1–5, содержащее штампы и набор сердечников, предназначенные для формирования внутренних каналов, скосов и образующих экран внутренних полостей.

7. Турбина турбинного двигателя, содержащая лопатку по любому из пп. 1–5.

8. Турбинный двигатель, содержащий турбину по п. 7.