UA79936C2

UA79936C2 - Лопатка турбіни турбомашини

Info

Publication number: UA79936C2
Application number: UA2004021199A
Authority: UA
Inventors: Eric Schvartz; Laurent Dubois; Damien Redon
Original assignee: Снекма Мотерс
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2007-08-10
Also published as: JP4315829B2; JP2004251280A; US20040208748A1; US7011492B2; ES2270300T3; DE602004002004D1; CA2456696C; RU2004104123A; CA2456696A1; EP1452695A1; FR2851286A1; EP1452695B1; DE602004002004T2; FR2851286B1

Abstract

Лопатка турбіни турбомашини містить дефлектор (18) з множинною перфорацією, що обмежує кільцеву порожнину (20) між зовнішньою стінкою дефлектора і внутрішньою стінкою лопатки (10), впускний отвір (24) для подачі охолодного повітря всередину дефлектора і випускний отвір (28) для виведення частини охолодного повітря з лопатки. Один кінець (18А) дефлектора жорстко з'єднаний з лопаткою, а інший його кінець (18В) вільно встановлений з можливістю ковзання вздовж внутрішнього каналу (16А) лопатки під дією відносного термічного розширення дефлектора і внутрішньої стінки лопатки. Кільцева зона, сформована між вільним кінцем дефлектора і внутрішнім каналом лопатки, утворює зону витоку охолодного повітря. У внутрішньому каналі виконане заглиблення (30), що забезпечує зниження тиску в зоні витоку й зменшує витрату охолодного повітря, що проходить через зону витоку.

Description

Опис винаходу

Даний винахід належить до галузі лопаткових апаратів турбін турбомашин і, більш конкретно, до лопаток 2 турбін, постачених інтегрованими в них контурами охолодження.

Відповідно до відомих технологій турбомашина містить камеру згорання, в якій відбувається змішування повітря й палива і наступне згорання цієї суміші. Газ, що утворюється в результаті цього згорання, рухається до виходу камери згорання і використовується потім у турбіні високого тиску й у турбіні низького тиску. Кожна турбіна містить один або декілька рядів нерухомих (напрямних) лопаток, що чергуються з одним або декількома 70 рядами рухливих лопаток (названих робочими лопатками), причому ці лопатки розподілені по всій окружності ротора турбіни. Ці турбінні лопатки піддаються впливу газів згорання, нагрітих до вкрай високих температур, що сягають значень, які значно перевищують граничні температури, при яких прямий контакт лопаток з цими газами не викликає ушкодження лопаток. Внаслідок цього термін служби лопаток скорочується.

Відомий спосіб вирішення цієї проблеми полягає в постачанні турбінних лопаток внутрішніми контурами 72 охолодження, призначення яких полягає у зниженні температури лопаток шляхом створення всередині них спрямованої циркуляції повітря й у виконанні в стінках лопаток отворів, призначених для формування на цих лопатках захисної плівки.

На фіг.5 і 6 зображена побудова лопатки з традиційною системою охолодження дефлекторного типу, використовуваною в даний час у деяких типах авіаційних двигунів.

Лопатка 10, що містить порожнисте перо 12, розташована між зовнішньою полицею 14 і внутрішньою полицею 16, містить вставний дефлектор 18, що обмежує периферичну кільцеву порожнину 20, укладену між внутрішньою стінкою пера і зовнішньою стінкою дефлектора. Верхня частина 18А цього дефлектора герметично прикріплена до зовнішньої полиці лопатки методом пайки або зварювання, а його нижня частина 188 установлена у внутрішню полицю лопатки в напрямній зоні 16А таким чином, щоб залишити зазор, необхідний с 29 для установки дефлектора, з можливістю його ковзання під дією термічного розширення. Відповідно до Ге) розглянутої конфігурації виступи 22, жорстко зв'язані зі стінками або утворені стовщеннями дефлектора, забезпечують постійний розмір зазору між дефлектором і цими внутрішніми стінками.

Дефлектор 18 постачений множинною перфорацією таким чином, що охолодне повітря, подаване під тиском джерелом повітря, в якості якого звичайно використовується компресор турбомашини, надходить у зовнішню о полицю 14 через впускний отвір 24. Звідти повітря потрапляє всередину дефлектора 18 і частково виходить крізь се множинні отвори дефлектора, створюючи в периферичній порожнині 20 повітряні потоки, що охолоджують з шляхом обдування внутрішню стінку пера 12. Потім повітря виводиться через калібровані отвори 25 у кориті о (тобто у внутрішній поверхні пера), створюючи захисну повітряну плівку (всередині пера можуть бути Ге») передбачені перемички 26, що забезпечують керування циркуляцією охолодного повітря). Решта повітря виходить через внутрішню полицю 16, охолоджуючи її і проходячи крізь неї до випускного отвору 28, з якого в воно надходить на зовнішню сторону лопатки і до інших потребуючих охолодження елементів двигуна.

Наявність зазору між нижньою частиною 188 дефлектора й каналом 16А внутрішньої полки, по якому ковзає цей дефлектор, неминуче призводить до витоку охолодного повітря. Наслідки такого витоку залежать від « балансу тисків на виході з дефлектора на рівні його нижньої частини 188 і в периферичній порожнині 20. Так, З 70 якщо тиск на виході з дефлектора перевищує тиск усередині порожнини, повітря надходитиме в цю порожнину. с Це викличе відповідне зменшення кількості повітря, що надходить для вентиляції зовнішніх елементів і лопаток. з» Навпаки, якщо тиск на виході з дефлектора нижчий за такий усередині порожнини, повітря, що брало участь в охолодженні внутрішньої стінки дефлектора, додаватиметься до потоків, що здійснюють вентиляцію зовнішніх елементів. Така ситуація може призвести до значного скорочення терміну служби двигуна внаслідок підвищення температури стінок лопаток. це. Задача, на вирішення якої спрямовано даний винахід, полягає, таким чином, в усуненні недоліків, (се) пов'язаних з вищеописаними витоками охолодного повітря, шляхом створення конструкції турбінної лопатки, в якій такі витоки були б значно скорочені без уведення додаткової системи герметизації, що заважала б ковзанню ее, дефлектора, що було б серйозним недоліком. Інша задача, на вирішення якої спрямовано даний винахід, со 20 полягає у створенні лопатки, геометрія і процес виготовлення якої вкрай мало відрізнялися б від відомого процесу виготовлення методом лиття, що дозволило б уникнути погіршення загальної механічної міцності такої с лопатки. Нарешті, даний винахід також спрямовано на створення будь-яких турбін турбомашин, обладнаних такими охолоджуваними лопатками.

Згідно з винаходом вирішення поставленої задачі досягається створенням турбінної лопатки турбомашини, 29 що містить дефлектор із множинною перфорацією, що обмежує кільцеву порожнину між зовнішньою стінкою

ГФ) дефлектора і внутрішньою стінкою лопатки, впускний отвір для подачі охолодного повітря всередину дефлектора і випускний отвір для виведення частини охолодного повітря з лопатки. При цьому один кінець о дефлектора жорстко зв'язаний з лопаткою, а інший його кінець вільно встановлений із можливістю ковзання вздовж внутрішнього каналу під дією відносного термічного розширення дефлектора і внутрішньої стінки 60 лопатки. Кільцева порожнина, сформована між вільним кінцем дефлектора і внутрішнім каналом лопатки, утворює зону витоку охолодного повітря. Лопатка за винаходом характеризується тим, що у внутрішньому каналі виконане поглиблення, що забезпечує зниження тиску в зоні витоку і тим самим зменшує витрати охолодного повітря, що проходить через зону витоку.

Таким чином, шляхом зниження тиску в зоні витоку досягається значне скорочення витрат охолодного бо повітря, що проходить через цю зону. Зокрема, дана геометрія зони ковзання дефлектора дозволяє скоротити приблизно на 2595 витрати внаслідок витоку, що звичайно має місце в лопатках, що мають такі дефлектори, без зміни процесу виготовлення лопаток (потрібна тільки незначна модифікація стрижня ливарної форми для внутрішньої полиці). Крім того, відсутність хоч би яких елементів ущільнення дозволяє уникнути погіршення

Ковзання дефлектора всередині лопатки.

Відповідно до кращого варіанта здійснення винаходу вказане поглиблення може бути виконане на всій периферії внутрішнього каналу і має геометрію тіла обертання. Воно може бути утворене пазом прямокутного перетину або ж фігурним пазом, що переважно містить принаймні одну комірку.

Даний винахід також охоплює будь-які турбіни турбомашин, обладнані вищеописаними лопатками з 7/0 системою охолодження.

Стислий опис креслень

Інші властивості й переваги даного винаходу стануть ясні з нижченаведеного опису, що містить посилання на додані креслення, які ілюструють приклад здійснення винаходу, що не вносить яких-небудь обмежень. На кресленнях: - фіг. 1 подає, у поздовжньому перетині, напрямну лопатку турбіни відповідно до даного винаходу, - на фіг. 2 у збільшеному масштабі показана частина, що відповідає зоні витоку, лопатки, зображеної на фіг. 1, відповідно до першого варіанта здійснення винаходу, - на фіг. З у збільшеному масштабі показана частина, що відповідає зоні витоку, лопатки, зображеної на фіг. 1, відповідно до другого варіанта здійснення винаходу, - фіг. 4 зображує у збільшеному вигляді фрагмент фіг. З, - фіг. 5 подає, у поздовжньому перетині, відому лопатку розподільника турбіни, - на фіг. 6 показаний поперечний перетин лопатки, зображеної на фіг. 5.

Здійснення винаходу

На фіг. 1 зображена, в поздовжньому перетині охолоджувана лопатка 10, а саме напрямна (нерухома) сч ов турбінна лопатка турбомашини відповідно до даного винаходу. Ця лопатка, утворена порожнистим пером 12, розташованим між зовнішньою полицею 14 і внутрішньою полицею 16, прикріплена до корпуса турбіни (не і) показаного на кресленні) за допомогою зовнішньої полиці, яка обмежує із зовнішньої сторони канал течії газів згорання через об'єм турбіни. З внутрішньої сторони даний канал обмежений внутрішньою полицею лопатки.

Така лопатка піддається впливу вкрай високих температур газів згорання й, отже, потребує охолодження. З «о зо цією метою, відповідно до конструкцій, які самі по собі відомі, лопатка 10 містить щонайменше один перфорований дефлектор 18, у який подається з боку одного з її радіальних кінців охолодне повітря. При цьому о дефлектор 18 обмежує периферичну кільцеву порожнину 20, розташовану між внутрішньою стінкою лопатки і Ге! зовнішньою стінкою (поверхнею) дефлектора. Верхній кінець (верхня частина) 18А даного дефлектора герметично прикріплена до зовнішньої полиці 14 лопатки методом пайки або зварювання. Нижній кінець (нижня ме) частина) 188 вільно встановлена (вставлена) у внутрішню полицю 16 лопатки, в її внутрішній канал 16А ї- (відповідний зоні ковзання), утворюючи тим кільцеву порожнину 21. Кільцева порожнина 21 утворює зазор, необхідний для установки дефлектора і його ковзання в процесі експлуатації з урахуванням різноманітного характеру зміни температури в різноманітних складових елементах лопатки й, отже, їхнього зсуву один щодо одного. Кільцева порожнина 21 утворює також зону витоку охолодного повітря. На рівні зовнішньої і внутрішньої « полиць передбачені, відповідно, впускний отвір 24 для повітря й випускний отвір 28 для повітря, що з с забезпечують циркуляцію охолодного повітря.

Й Відповідно до даного винаходу пропонується створити засоби зниження тиску в зоні витоку з тим, щоб и?» скоротити втрати охолодного повітря, що проходить через неї. Для цього, як показано на фіг. 2 і З, в зоні ковзання нижньої частини дефлектора 18 по внутрішній полиці 16 (тобто у внутрішньому каналі 16А) передбачене поглиблення 30. Воно виконано на всій периферичній поверхні внутрішнього каналу або на його -І частині у вигляді невеличкої виїмки (паза), розмір і форма якої залежать від необхідного розміру 8 витоку. У кращому варіанті це поглиблення має геометрію тіла обертання, наприклад, з перетином у формі ік окружності або еліпса.

Ге) На фіг.2 це поглиблення здійснене у вигляді простого паза 32, що має в перетині прямокутну форму. 5р Експериментально було виявлено, що за використання такої елементарної геометрії зниження тиску даним о пазом призводить до помітного скорочення витрат охолодного повітря в зоні витоку порівняно до геометрії без

Ф поглиблення, що використовувалася у відомих рішеннях. Так, для паза шириною 2 мм і глибиною 0,6 мм це скорочення становить порядку 1290.

На фіг.3 це поглиблення виконане у вигляді фігурного паза, точна форма якого показана на фіг. 4. Він утворений трьома комірками 34, 36, 38, що дозволяють викликати три послідовні розщеплення потоку витоку повітря. Використана кількість комірок і їхня форма, очевидно, не накладають жодних обмежень на обсяг

Ф) винаходу, й фахівець у даній галузі може визначити кількість і форму комірок залежно від необхідних ка характеристик руху повітря. Стосовно до поданої геометрії зниження тиску даним пазом призводить до помітного скорочення витрат охолодного повітря в зоні витоку не тільки порівняно до геометрії без поглиблення, що бор Використовувалася у відомих рішеннях, але й порівняно до геометрії, що використовує прямокутний паз тих самих розмірів. Скорочення витрат повітря склало в цьому випадку, при використанні трьох комірок глибиною

О,бмм (із радіусом кривизни, що дорівнює 0,2мм) у пазу шириною 2мм, порядку 2595 (тобто приблизно вдвічі більше, ніж у попередньому випадку).

Відповідно до даного винаходу немає необхідності у зміні процесу виготовлення лопаток; потрібна лише 65 Незначна модифікація стрижня ливарної форми, використовуваної для виготовлення внутрішньої полиці лопаток, відповідно до заданої форми поглиблення. Крім того, відсутність необхідності введення в зону витоку ущільнення або яких-небудь інших засобів герметизації дозволяє уникнути небезпеки заклинювання дефлектора при його ковзанні під дією розширення.

Claims

2 Формула винаходу

1. Лопатка турбіни турбомашини, яка містить дефлектор (18) з множинною перфорацією, що обмежує кільцеву порожнину (20) між зовнішньою стінкою дефлектора і внутрішньою стінкою лопатки (10), впускний отвір 70 (24) для подачі охолодного повітря всередину дефлектора і випускний отвір (28) для виведення частини охолодного повітря з лопатки, причому один кінець (18А) дефлектора жорстко з'єднаний з лопаткою, а інший його кінець (188) вільно встановлений з можливістю ковзання вздовж внутрішнього каналу (16А) лопатки під дією відносного термічного розширення дефлектора і внутрішньої стінки лопатки, кільцеву порожнину (21), сформовану між вільним кінцем дефлектора і внутрішнім каналом лопатки, що утворює зону витоку охолодного повітря, яка відрізняється тим, що у внутрішньому каналі виконане заглиблення (30), що забезпечує зниження тиску в зоні витоку й тим самим зменшує витрату охолодного повітря, що проходить через зону витоку.

2. Лопатка за п. 1, яка відрізняється тим, що заглиблення виконане на всій периферії внутрішнього каналу або на його частині.

3. Лопатка за п. 2, яка відрізняється тим, що заглиблення має геометрію тіла обертання.

4. Лопатка за п. 1, яка відрізняється тим, що заглиблення містить паз (32) прямокутного перерізу.

5. Лопатка за п. 1, яка відрізняється тим, що заглиблення містить фігурний паз (34, 36, 38).

6. Лопатка за п. 5, яка відрізняється тим, що фігурний паз містить щонайменше одну комірку.

7. Турбіна турбомашини, яка відрізняється тим, що містить множину охолоджуваних лопаток (10), виконаних відповідно до будь-якого з попередніх пунктів. сч щі 6) (Се) (зе) (о) (о) і -

- . и? -і се) се) (95) 4) іме) 60 б5