Охлаждающее устройство профильной части лопатки газотурбинного двигателя

 

Охлаждающее устройство профильной части лопатки газотурбинного двигателя содержит стенку с областью передней кромки с наружной искривленной поверхностью, имеющий центр кривизны, расположенный внутри профильной части лопатки. В стенке в области передней кромки выполнено несколько каналов охлаждающего воздуха, образующих систему каналов. Каждый из каналов содержит прямой цилиндрический калиброванный участок с отверстием и диффузорную зону, формирующую выходное отверстие на пересечении с искривленной поверхностью стенки. Диффузорная зона выполнена в виде части конуса. Ось конуса совпадает в основном с осью канала и расположена на части стенки, расположенной ниже по потоку охлаждающего воздуха у выходного отверстия канала. Изобретение позволяет повысить эффективность охлаждения. 5 з. п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и, более конкретно, к профильной части сопловых и рабочих лопаток турбинной секции двигателя и охлаждающим устройствам таких профильных частей.

Высокопроизводительные газотурбинные двигатели работают при очень высоких температурах. Для защиты профильной части лопаток, подвергающихся воздействию высоких температур, требуется предусматривать системы охлаждения. Для отвода избыточного тепла от профильной части лопатки типовые системы охлаждения профильных частей лопаток включают в себя полую профильную часть, содержащую полость, в которую вставляется трубка (в случае сопловой лопатки) для подвода в полость охлаждающего воздуха из компрессора двигателя. Трубка имеет отверстия в форме сопел для обдува охлаждающим воздухом внутренних поверхностей стенки профильной части лопатки. В полости профильной части лопатки охлаждающий воздух направляется по каналам, что повышает интенсивность отвода тепла конвекцией от внутренней стенки профильной части лопатки. Однако тепловая нагрузка неоднородно распределяется по лопатке, максимальной нагрузке подвергается область вблизи передней кромки профильной части лопатки.

Наиболее эффективный способ охлаждения состоит в формировании защитной изолирующей пленки на наружной поверхности профильной части лопатки. Для охлаждения с помощью пленки применяется охлаждающий воздух, распыляемый через отдельные каналы, сформированные в стенке профильной части лопатки. Пленка на наружной поверхности профильной части лопатки формируется из того же охлаждающего воздуха, который ранее использовался для обдува внутренней поверхности профильной части лопатки. Далее этот же охлаждающий воздух при впрыскивании через отдельные каналы отводит от профильной части дополнительное тепло, поэтому охлаждающий эффект указанных различных способов суммируется.

Однако внутреннее охлаждение путем обдува, распределения по каналам и распыления, известное как конвекционное охлаждение, является функцией скорости потока воздуха. При увеличении скорости потока повышается отвод тепла, такой же результат обеспечивает увеличение скорости струи охлаждающего воздуха при его распылении из отдельных каналов, что приводит к более глубокому проникновению охлаждающего воздуха в поток горячего газа и к смешению большего количества воздуха с горячими газами, что мешает образованию защитной изолирующей пленки на поверхности профильной части лопатки.

Более того, вблизи выходного отверстия канала будут образовываться завихрения. Эти завихрения способствуют вытягиванию горячих газов из потока горячих газов к поверхности профильной части лопатки вблизи выходного отверстия канала, что приводит к возрастанию локальных тепловых нагрузок. Наиболее подвержены указанным недостаткам обычные каналы цилиндрической формы, расположенные перпендикулярно наружной поверхности профильной части лопатки.

Известно несколько попыток усовершенствовать процесс формирования изолирующей защитной пленки на лопатке. К таким попыткам относится патент США N 3527543, выданный Говальду (Howald) 8 сентября 1970 года. В патенте, выданном Говальду, отверстия охлаждения в профильной части лопатки направлены вниз по потоку. Другими словами, отверстия в устройстве Говальда хотя и наклонены в радиальном направлении, выполнены в плоскостях, нормальных к наружной поверхности профильной части лопатки. Это приводит к слабой диффузии охлаждающего воздуха в область, расположенную ниже по потоку относительно отверстия, что, таким образом, способствует проникновению струи охлаждающего воздуха в поток горячих газов в газовом тракте на глубину в зависимости от скорости потока охлаждающего воздуха, а не к формированию пленки ниже по потоку относительно отверстия. Этот способ в некоторой степени не пригоден для передней кромки профильной части лопатки, для охлаждения которой важно формирование эффективной защитной пленки на поверхности профильной части. Более того, отверстия в устройстве Говальда имеют относительно небольшой размер, поскольку они расположены под прямыми углами к наружной поверхности профильной части лопатки и, таким образом, не обеспечивают достаточное конвекционное охлаждение при высоких температурах газов.

В патенте США N 4684323, выданном Филду (Field) 4 августа 1987 года, большинство отверстий каналов были ориентированы по направлению потока без радиальной составляющей. Прямоугольная диффузорная зона, описанная в прототипе Филда, подвергается разделению, что может привести к проникновению горячих газов в канал. Предложенное Филдом решение состоит в том, чтобы скруглить боковые стенки диффузорной зоны, что приводит к увеличению угла отклонения вблизи боковых стенок. Однако очевидно, что если бы в устройстве Филда ориентация каналов включала радиальный компонент, то в диффузорной зоне превалировало бы разделение.

В документе US-A-5 326244, выданном Ли (Lee) и др. , описаны каналы охлаждения вблизи передней кромки, выполненные в стенке полой изнутри профильной части лопатки, каналы имеют прямой калиброванный участок и выпуклый диффузорный участок на наружной стенке, который может иметь коническую, двухмерную и/или трехмерную форму.

Задачей настоящего изобретения является создание канала охлаждающего воздуха усовершенствованной конструкции, позволяющего устранить недостатки предшествующего уровня техники, представленного в патентах Говальда и Филда, и усовершенствовать процесс формирования защитной изолирующей пленки, в первую очередь, на передней кромке профильной части лопатки.

Другой задачей настоящего изобретения является создание канала охлаждающего воздуха с повышенной эффективностью конвекционного охлаждения стенок профильной части лопатки по сравнению с предшествующим уровнем техники.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание на лопатке усовершенствованной системы каналов, позволяющей формировать на поверхности профильной части лопатки, в частности на передней кромке профильной части, более однородную защитную изолирующую пленку.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство по настоящему изобретению содержит профильную часть, расположенную в радиальном направлении относительно потока горячего газа, и содержит стенку с областью передней кромки с наружной искривленной поверхностью, имеющей центр кривизны, расположенный внутри профильной части лопатки. При этом радиальная ось передней кромки проходит через застойную зону потока горячего газа в области передней кромки стенки (20), а задняя кромка стенки профильной части лопатки расположена ниже по указанному потоку горячего газа. Профильная часть лопатки имеет внутреннюю полость подачи охлаждающего воздуха, несколько каналов охлаждающего воздуха, выполненных в стенке в области передней кромки и образующих систему каналов, в которой каждый из каналов содержит прямой цилиндрический калиброванный участок с отверстием и диффузорную зону, формирующую выходное отверстие на пересечении с искривленной поверхностью стенки. Для решения указанных выше задач диффузорная зона выполнена в виде части конуса, ось которого в основном совпадает с осью канала и расположена на части стенки, расположенной ниже по потоку (охлаждающего воздуха) у выходного отверстия канала.

В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения осевая линия канала содержит радиальную составляющую, определяемую углом α = 15-60° и осевую составляющую, определяемую углом Θ = 10-45°, причем угол α представляет собой угол, имеющий радиальное направление относительно оси передней кромки, а угол Θ представляет собой угол между осевой линией канала и линией, проходящей через центр кривизны стенки, и точку пересечения осевой линии канала и участка поверхности передней кромки на стенке.

В другом дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения линия, проходящая через центр кривизны и точку пересечения осевой линии канала и участка передней кромки на стенке, направлена по потоку от оси передней кромки под углом β, находящемся в диапазоне от -90^o до +90^o.

В следующем варианте осуществления настоящего изобретения отношение площади A_o выходного отверстия к площади A_j поперечного сечения прямой цилиндрической части канала составляет 2,5 - 3,6.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения система каналов состоит, по крайней мере, из двух расположенных в радиальном направлении рядов, выполненных по обеим сторонам оси (LE) передней кромки таким образом, что выходные отверстия (30) одного из двух рядов расположены в шахматном порядке относительно выходных отверстий (30) другого из этих двух рядов.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения угол расхождения конуса составляет 2ω, причем угол ω = 5-20°. Конфигурация каналов для охлаждающего воздуха в зоне передней кромки способствует увеличению длины канала в стенке, таким образом, повышая эффективность конвекционной теплопередачи с помощью охлаждающего воздуха, проходящего через канал. Диффузорная зона в виде части конуса способствует более эффективному формированию защитной изолирующей пленки на поверхности профильной части лопатки ниже по потоку относительно выходного отверстия канала при всех возможных скоростях охлаждающего воздуха, подаваемого через канал. Также выявлено, что указанная форма диффузорной зоны в виде части конуса позволяет устранить разделение потока на выходе. Сочетание более длинного канала в стенке профильной части лопатки и более высокой допустимой скорости потока охлаждающего воздуха дополнительно усиливает конвекционный отвод тепла от стенки профильной части лопатки. Также установлено, что форма выходного отверстия и диффузорной зоны способствуют увеличению области действия пленки, созданной каждым из каналов, в результате чего для покрытия данного участка профильной части лопатки пленкой требуется меньшее количество каналов охлаждающего воздуха.

Более того, форма диффузорной зоны выходного отверстия приводит к замедлению скорости потока хладагента у выходного отверстия, что в сочетании с наклоненным под меньшим углом α каналом приводит к тому, что поток рассеивается практически тангенциально по отношению к поверхности профильной части лопатки; этот эффект дополнительно усиливается за счет конической формы диффузорной зоны у выходного отверстия.

Таким образом, приведя общее описание сущности изобретения, рассмотрим в качестве примера предпочтительный вариант осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 представляет собой общий вид лопатки направляющего аппарата турбины по настоящему изобретению; фиг. 2 представляет собой вид сбоку лопатки, показанной на фиг. 1, с частично выполненным разрезом; фиг. 3 представляет собой горизонтальный частичный разрез, выполненный вдоль плоскости 3-3 по фиг. 2; фиг. 3a представляет собой увеличенный схематичный вид детали по фиг. 3; фиг. 4 представляет собой частичный общий вид части конструкции по изобретению; фиг. 5 представляет собой увеличенный частичный общий вид детали, показанной на фиг. 4; фиг. 6 представляет собой увеличенный схематичный вид системы формирующих пленку каналов в соответствии с настоящим изобретением и фиг. 7 представляет собой увеличенный частичный вертикальный разрез, выполненный вдоль линий 7-7 фиг. 3.

Обратимся к фиг. 1 и 2, на которых показана лопатка 10 направляющего аппарата, которая может быть использована для первой ступени турбинной секции газотурбинного двигателя. Лопатка 10 содержит внешнюю полку 12 и внутреннюю полку 14. Профильная часть 16 лопатки расположена в радиальном направлении между внешней и внутренней полками. Профильная часть включает в себя переднюю кромку 24 и заднюю кромку 25.

Конструкция вращающейся профильной части лопатки, такой как рабочая лопатка, отличается от конструкции неподвижной статорной лопатки. Однако специалист в данной области техники поймет, каким образом адаптировать настоящее изобретение для применения во вращающейся профильной части лопатки с воздушным охлаждением.

На фиг. 3 приведено поперечное сечение профильной части лопатки, на котором показана внутренняя полость 18 и наружная стенка 20 профильной части лопатки. В полости 18 предусмотрена трубка 22 для прохождения охлаждающего воздуха, который подается из компрессора двигателя. Как показано стрелками 23, охлаждающий воздух выдувается на внутреннюю поверхность стенки 20.

Можно определить застойную зону на участке передней кромки 24 профильной части 16 лопатки в области потока, указанного стрелками 27. Для удобства настоящего описания ось передней кромки LE проходит в радиальном направлении через застойную зону. На фиг. 3a упомянутая ось передней кромки показана в виде линии LE.

В области передней кромки 24 профильной части 16 лопатки имеются каналы 26 охлаждающего воздуха. На фиг. 6 показана типовая система каналов по настоящему изобретению, которые располагаются с каждой стороны оси LE передней кромки. Подробно канал 26 показан на фиг. 3, За, 4, 5 и 7. Канал 26 обычно содержит цилиндрическое прямое "калиброванное" отверстие 28, которое, как показано ниже, проходит под некоторым углом от стенки 20 внутренней поверхности к наружной поверхности. Как наглядно показано на фиг. 7, угловая составляющая оси канала 26 в радиальном направлении относительно поверхности передней кромки и осевой линии канала 28 задается углом α. Угол α предпочтительно задается маленьким так, чтобы длина канала 26 в стенке 20 была максимально возможной. Радиальная составляющая оси канала 26 может быть направлена непосредственно наружу, в направлении полки 12, или внутрь, в направлении полки 14. Для профильной части вращающейся лопатки предпочтительно направить радиальную составляющую наружу.

Канал 26 относительно оси LE передней кромки имеет осевую составляющую в направлении движения потока, как описано ниже в связи с угловыми составляющими указанного канала в плоскости, перпендикулярной оси LE. На фиг. 3а центр кривизны области передней кромки 24 обозначен точкой А. Точка пересечения осевой линии канала 26 с наружной поверхностью области передней кромки 24 обозначена точкой С. Угол β представляет собой угол между линией, проведенной между точками А и С, и линией LE. Угол Θ представляет собой угол между линией АС и осевой линией канала 26.

Угол Θ должен быть максимально большим, однако его величина ограничена конфигурацией стенки 20 и, в частности, радиусом кривизны. При заданной толщине стенки чем больше радиус, тем большее значение может принимать угол Θ. Также следует учесть, что выходное отверстие 30 канала может находиться в наиболее удаленной точке от оси LE передней кромки, то есть чем больше угол β, тем большее значение может принимать угол Θ. Однако при этом желательно, чтобы канал 26 и выходное отверстие 30 располагались как можно ближе к оси LE передней кромки и, следовательно, угол β должен быть относительно небольшим, в результате чего угол Θ принимает некоторое компромиссное значение.

Конструктор должен стремиться к тому, чтобы максимально уменьшить угол α и максимально увеличить угол Θ. Следует учесть, что по мере стремления значения угла Θ к нулю угол между плоскостью, в которой лежит канал 26, и наружной поверхностью области передней кромки 24 стремится к 90^o. Таким образом, угловую ориентацию канала 26 относительно оси LE и центра кривизны А можно задать следующим образом: 15^o ≅ α ≅ 60^o и 10^o ≅ Θ ≅ 45^o.

Выходное отверстие 30 и диффузорная зона 30a формируются на станке в виде выходного отверстия 30, выполненного в форме, приближенной к конической. Угол расхождения конуса может быть равен 2ω, где ω = 5 - 20^o. Ось конуса совпадает или параллельна осевой линии канала 26. Конусообразная часть отверстия выполняется в стенке таким образом, чтобы она располагалась ниже по потоку относительно оси LE передней кромки, а глубина конуса определяется формой пересечения конуса и наружной кромки канала 26 вблизи оси LE передней кромки. Таким образом, конус формируется в стенке 20 только со стороны, расположенной ниже по потоку, а с точки зрения угловой ориентации канала 26 конус будет находиться, главным образом, в квадранте, наиболее удаленном от оси передней кромки. Если продлить канал 26 в направлении внешней полки, то диффузорная зона 30a будет находиться в наружном квадранте, расположенном ниже по потоку. Желательно, чтобы отношение площади А_o выходного отверстия 30, включая диффузорную зону 30a, к площади поперечного сечения A_j цилиндрической части канала 28 составляло 2,5 ≅ A_o/A_j ≅ 3,6.

Выходные отверстия 30 каналов 26, как показано на фиг. 6, расположены в два ряда в радиальном направлении, при этом выходные отверстия 30 располагаются в шахматном порядке по отношению к выходным отверстиям соседнего ряда. Таким образом, охлаждающий воздух, выходящий из каналов 26, образует пленку, равномерно распределяющуюся по всей поверхности профильной части лопатки в области передней кромки 24.

Хотя настоящее описание относится к неподвижным статорным лопаткам, указанные каналы охлаждения могут также использоваться и во вращающихся лопатках (например, в рабочих лопатках турбины), при этом их ориентация должна быть адаптирована к геометрической форме внешней и внутренней поверхности профильной части лопатки.

Канал 26 в стенке 20 профильной части лопатки может быть выполнен с помощью электроразрядных или лазерных технологий, хорошо известных в технике. С технологической точки зрения для изготовления конической диффузорной части выходного отверстия 30 может понадобиться просверлить в профильной части лопатки несколько канавок или углублений, расположенных вблизи каналов 26 в наружном квадранте ниже по потоку в направлении центральной части и/или расположенных вблизи каналов 26 во внутреннем квадранте ниже по потоку и ориентированных в направлении внутренней полки.

Формула изобретения

1. Охлаждающее устройство профильной части (16) лопатки газотурбинного двигателя, в котором профильная часть (16) расположена в радиальном направлении относительно потока (27) горячего газа и содержит стенку (20) с областью (24) передней кромки с наружной искривленной поверхностью, имеющей центр кривизны (А), расположенный внутри профильной части (16) лопатки, при этом радиальная ось (LE) передней кромки расположена проходящей через застойную зону потока (27) горячего газа в области (24) передней кромки стенки (20), а задняя кромка стенки (20) профильной части лопатки расположена ниже по указанному потоку (27) горячего газа, причем профильная часть (16) лопатки имеет внутреннюю полость (18) подачи охлаждающего воздуха, несколько каналов (26) охлаждающего воздуха, выполненных в стенке (20) в области (24) передней кромки и образующих систему каналов, в которой каждый из каналов (26) содержит прямой цилиндрический калиброванный участок (28) с отверстием и диффузорную зону, формирующую выходное отверстие (30) на пересечении с искривленной поверхностью стенки (20), отличающееся тем, что диффузорная зона выполнена в виде части конуса, ось которого в основном совпадает с осью канала (26) и расположена на части стенки (20), расположенной ниже по потоку (охлаждающего воздуха) у выходного отверстия (30) канала (26).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что осевая линия канала (26) содержит радиальную составляющую, определяемую углом α = 15-60°, и осевую составляющую, определяемую углом Θ = 10-45°, причем угол α представляет собой угол, имеющий радиальное направление относительно оси (LE) передней кромки, а угол Θ представляет собой угол между осевой линией канала (26) и линией, проходящей через центр кривизны (А) стенки (20) и точку (С) пересечения осевой линии канала (26) и участка поверхности передней кромки на стенке (20).

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что линия, проходящая через центр кривизны (А) и точку (С) пересечения осевой линии канала (26) и участка передней кромки (24) на стенке (20), направлена по потоку от оси (LE) передней кромки под углом β, находящимся в диапазоне от -90^o до +90^o.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что отношение площади А_о выходного отверстия к площади А_j поперечного сечения прямой цилиндрической части канала составляет 2,5 - 3,6.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что система каналов состоит по крайней мере из двух расположенных в радиальном направлении рядов, выполненных по обеим сторонам оси (LE) передней кромки, а выходные отверстия (30) одного из двух рядов расположены в шахматном порядке относительно выходных отверстий (30) другого из этих двух рядов.

6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что угол расхождения конуса составляет 2ω, причем угол ω = 5-20°.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7