Устройство против обледенения лопаток входного направляющего колеса аппарата газотурбинного двигателя (варианты), лопатка при таком устройстве против обледенения и двигатель летательного аппарата, оборудованный такими лопатками - RU2347924C2

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройствам против обледенения входного направляющего колеса газотурбинного двигателя. Оно также относится к лопатке входного направляющего колеса газотурбинного двигателя, оборудованного таким устройством против обледенения. Оно также относится к двигателю летательного аппарата, оборудованному такими лопатками.

Уровень техники

Известны, например, из документа FR 2607188 лопатки входного направляющего колеса газотурбинного двигателя с изменяемым углом установки, соединяющие входной кожух с обтекателем передней опоры. Каждая из этих лопаток имеет неподвижный участок и подвижной щиток. Неподвижные участки - это детали, конструктивно расположенные радиально по отношению к обтекателю передней опоры и служащие опорой для входного кожуха. Их называют также стойками входного кожуха. Подвижные щитки расположены на выходе неподвижного участка, с которым они соединены, и установлены шарнирно по отношению к нему, по существу, в радиальном направлении по отношению к обтекателю передней опоры посредством радиальной внутренней цапфы и радиальной наружной цапфы. Ориентация подвижных щитков позволяет регулировать поток воздуха, поступающего в ступени компрессора, который расположен на выходе (т.е. за направляющим колесом).

Во время работы газотурбинного двигателя при некоторых условиях окружающей среды, например, когда он установлен на летательном аппарате, который летит при высокой влажности атмосферных условий и низких температурах, на входных лопатках может образовываться наледь, особенно на передней кромке неподвижного участка и на сторонах подвижных щитков. Если кусочки льда, образовавшиеся на поверхности входных лопаток, отделятся от них, то они имеют возможность проникнуть в газотурбинный двигатель и вызвать там повреждения. Возможно также снижение характеристик газотурбинного двигателя из-за плохого питания рабочих колес на выходе.

Классически стремятся удалить лед, который образуется на входных лопатках, а преимущественно помешать образованию льда на этих лопатках.

Существуют различные устройства против обледенения лопаток входного колеса, в которых отбирают горячий воздух из компрессора высокого давления, подводят этот воздух до воздушного коллектора, затем используют для подогрева лопаток входного колеса и поддержания у этих лопаток достаточно высокой температуры для того, чтобы помешать образованию льда.

Документ FR 2631386 раскрывает один тип устройства против обледенения неподвижного участка лопатки, а именно ее передней кромки. Неподвижный участок - полый; горячий воздух, отбираемый от компрессора, нагнетают в вышеупомянутый неподвижный участок, где он циркулирует внутри ее.

На фиг.3 показано устройство против обледенения, согласно уровню техники. Лопатка 110 входного направляющего колеса включает неподвижный участок 112 и подвижный щиток 118, расположенный за неподвижным участком 112 с возможностью поворота вокруг оси 122 по существу относительно радиального направления. Образованию наледи на подвижном щитке 118 препятствует горячий воздух, выходящий из расположенного рядом неподвижного участка. Наружный воздух, формирующий основной воздушный поток, показанный стрелками 130, поступает в газотурбинный двигатель с одной и с другой стороны передней кромки 114 неподвижного участка 112. Далее вследствие существующей разности давлений между внутренним выгибом I и спинкой Е входной лопатки 110 наружный воздух перетекает от внутреннего выгиба I к спинке Е около стыка неподвижного участка 112 и подвижного щитка 114, как показано стрелкой 140. С другой стороны неподвижный участок 112 - полый. Горячий воздух, отбираемый от компрессора и нагнетаемый в вышеупомянутый неподвижный участок 112, циркулирует внутри него, препятствуя образованию наледи на передней кромке 114 и на поверхности, как это описано выше со ссылкой на документ FR 2631386. Неподвижный участок 112 снабжен выходной кромкой 116, имеющей в поперечном сечении U-образную форму, причем ветви «U» направлены в сторону выхода к подвижному щитку. В основании «U» выполнены сквозные отверстия 120, через которые горячий воздух, нагнетаемый в неподвижный участок 112, образуя поток вторичного воздуха, может быть направлен на подвижный щиток 118, как показывают стрелки 150. Этот поток 140 горячего вторичного воздуха засасывается потоком основного холодного воздуха 130, как показано стрелкой 160, далее он протекает в форме тонкого слоя 170 вдоль спинки Е подвижного щитка 118. Предупреждение образования наледи на подвижном щитке 118 происходит, следовательно, следующим образом: ее спинка Е нагревается непосредственно слоем 170 посредством конвективного теплообмена, в то время как ее внутренний выгиб I нагревается за счет эффекта теплопроводности через толщу вышеупомянутого подвижного щитка 118 от спинки Е к внутреннему выгибу I, как это показано стрелкой 180.

Известно, что вследствие изменения положения подвижного щитка во время работы наледь имеет тенденцию образовываться преимущественно со стороны внутреннего выгиба. Поэтому ищут пути сделать более совершенным предохранение против обледенения подвижного щитка именно со стороны внутреннего выгиба.

Устройство против обледенения, которое только что было описано, обладает, однако, некоторыми недостатками.

Первый недостаток заключается в способах изготовления сквозных отверстий в основании U-образного сечения задней кромки неподвижного участка. Эти отверстия выполняют после операции формирования U-образного сечения и перед операцией пайки задней кромки. Если эти отверстия выполнять посредством электроэрозии или прошивки, то эти способы требуют применения дорогостоящего инструмента, который сложно модифицировать при изменении характеристик детали. Если эти отверстия выполнять посредством лазерной обработки, то на их кромке остаются нежелательные термические напряжения. Во время операции пайки задней кромки может оказаться, что отверстия будут заделаны.

Второй недостаток основан на том факте, что теплопроводность тем эффективнее, чем тоньше подвижный щиток. У более толстого подвижного щитка предотвращение появления наледи со стороны внутреннего выгиба менее эффективно, что требует увеличения отбора горячего воздуха и направления его на подвижный щиток, что является нежелательным.

Третий недостаток проявляется, если подвижный щиток имеет увеличенную хорду. В этом случае предотвращение образования наледи на подвижном щитке осуществляется не полным образом, потому что слой горячего воздуха, направляемый на спинку подвижного щитка, не достигает достаточным образом задней кромки вышеупомянутого подвижного щитка.

Четвертый недостаток связан с природой материала, из которого состоит подвижный щиток. Действительно, все чаще и чаще подвижной щиток изготавливают не из металла, а из композиционного материала, в частности, по причине снижения массы. Из-за плохой теплопроводности композиционного материала не может быть применено устройство против обледенения, которое использует теплопередачу через стенку подвижного щитка.

Следовательно, необходимо иметь в распоряжении устройство против обледенения, которое могло бы предотвратить образование наледи на лопатке входного направляющего колеса газотурбинного двигателя такого типа, которая имеет неподвижный участок, являющийся стойками входного кожуха, и подвижный щиток с изменяемым углом установки, которое могло бы быть использовано, даже когда подвижный щиток имеет относительно большую толщину или имеет увеличенную хорду и/или когда он выполнен из композитного материала, и его изготовление более просто и менее дорого на производственной линии.

Описание изобретения.

Настоящее изобретение предлагает устройство против обледенения лопатки входного направляющего колеса газотурбинного двигателя, которое не имеет недостатков, упомянутых выше.

Согласно первому аспекту изобретение относится к устройству против обледенения лопатки входного направляющего колеса газотурбинного двигателя, причем вышеупомянутая лопатка включает неподвижный участок, расположенный впереди, соединенный с ней подвижный щиток, расположенный на выходе. Неподвижный участок - это деталь, конструктивно радиально выходящая из обтекателя передней опоры и служащая опорой для кожуха направляющего входного колеса. Он включает полый корпус и заднюю кромку, профиль которой имеет по существу U-образную форму, с ветвями, направленными по существу назад, причем одна из ветвей расположена со стороны внутреннего выгиба, а другая расположена со стороны спинки. Подвижный щиток имеет возможность поворота вокруг по существу радиального направления по отношению к обтекателю передней опоры посредством центральной цапфы, установленной на обтекателе передней опоры, и периферийной цапфы, установленной на внутренней стороне кожуха.

Согласно первому варианту изготовления первого аспекта вышеупомянутое устройство против обледенения включает, по меньшей мере, одно выпускное окно, ориентированное по существу по направлению вход-выход и расположенное только вдоль ветви «U», находящейся со стороны внутреннего выгиба задней кромки неподвижного участка.

Согласно второму варианту изготовления первого аспекта вышеупомянутое устройство против обледенения включает, по меньшей мере, одно выпускное окно, ориентированное по существу по направлению вход-выход и расположенное вдоль ветви «U», находящейся со стороны внутреннего выгиба задней кромки неподвижного участка, и по меньшей мере, одно выпускное окно, ориентированное по существу по направлению вход-выход и расположенное вдоль ветви «U», находящейся со стороны спинки задней кромки неподвижного участка.

Необязательно устройство против обледенения может содержать, кроме того, отверстия, проходящие сквозь основание «U», образующее заднюю кромку, по существу в направлении вход-выход, причем вышеупомянутые отверстия локализованы, по меньшей мере, в зоне, находящейся в процессе работы со стороны соединения подвижного щитка с одной из цапф.

Преимущественно устройство против обледенения содержит, кроме того, средства подвода горячего воздуха к кожуху входного направляющего колеса от одной из ступеней компрессора, расположенного за вышеупомянутым входным колесом.

Согласно второму аспекту изобретение имеет отношение к лопатке входного направляющего колеса газотурбинного двигателя такого типа, которая имеет неподвижный участок и подвижный щиток, имеющий возможность поворота вокруг по существу радиальной направляющей, выходящей из обтекателя передней опоры, причем вышеупомянутая лопатка оборудована устройством против обледенения согласно первому аспекту изобретения.

Согласно третьему аспекту изобретение имеет отношение к газотурбинному двигателю, содержащему входное направляющее колесо, оборудованное лопатками согласно второму аспекту изобретения. Этот газотурбинный двигатель содержит, по меньшей мере, одно устройство против обледенения согласно первому аспекту изобретения.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более понятно из детального описания, которое следует далее, частных способов реализации изобретения, представленных чисто иллюстративно, ни в коей мере не ограничительно, со ссылками на прилагаемые схематичные чертежи, на которых:

фиг.1 представляет продольный разрез газотурбинного двигателя, показывающий местоположение устройства против обледенения;

фиг.2 представляет лопатку входного направляющего колеса, вид сбоку, показывая неподвижный участок, подвижный щиток, и коллектор, причем часть задней кромки неподвижного участка удалена;

фиг.3, уже описанная, представляет в поперечном разрезе лопатку входного направляющего колеса и ее устройство против обледенения согласно уровню техники;

фиг.4 представляет в поперечном разрезе лопатку входного направляющего колеса и ее устройство против обледенения по первому варианту изготовления;

фиг.5 аналогична фиг.4 для второго варианта изготовления устройства против обледенения;

фиг.6 - это аксонометрическое изображение второй формы второго варианта изготовления устройства против обледенения и

фиг.7а, 7b, 7с, 7d схематично показывают в разрезе в продольной плоскости различные формы изготовления выпускных окон.

Подробное изложение частных способов изготовления.

Обратимся прежде всего к фиг.1, на которой упрощенно представлен газотурбинный двигатель 2, содержащий впереди входное направляющее колесо 4, образованное входным кожухом 6, по существу концентричным относительно обтекателя 8 передней опоры, и лопатками 10. Лопатки 10 в свою очередь состоят из неподвижного участка 12 и подвижного щитка 18. На выходе из входного направляющего колеса 4 расположены классически одна или несколько ступеней компрессора 92, камера сгорания 94 и турбина 96.

Устройство против обледенения согласно изобретению включает средства подвода горячего воздуха, показанные на фиг.1. Они состоят из коллектора 300, распложенного по периферии вокруг кожуха 6 входного направляющего колеса 4. Они включают также, по меньшей мере, один канал 400 подвода, который соединяет вышеупомянутой коллектор 300 с одной из ступеней 920 компрессора, от которой отбирают вышеупомянутый горячий воздух. Если предусмотрено несколько каналов 400 подвода, то они преимущественно распределены равномерно по периферии газотурбинного двигателя 2. Горячий воздух, отобранный от вышеупомянутой ступени 920 компрессора, идет по каналу 400 подвода (стрелка 500) и поступает в коллектор 300, откуда он затем проникает в неподвижные участки лопаток 10.

На фиг.2 более точно показана лопатка 10 входного направляющего колеса, имеющая на входе неподвижный участок 12 и на выходе поворотный щиток 18. Неподвижный участок 12 - это структурная деталь, которая жестко соединена с одной стороны с обтекателем 8 передней опоры и с другой стороны - с кожухом 6, который на ней закреплен. Она включает полый корпус 13, переднюю кромку 14 и заднюю кромку 16, которая имеет U-образную форму с основанием 15 и ветвями 162, 164, которые вытянуты в направлении выхода. Для лучшего понимания ветвь 164 U-образной задней кромки 16 со стороны спинки удалена и на фиг.2 видна только ветвь 162 U-образной кромки 16 со стороны внутреннего выгиба. Поворотный щиток имеет возможность поворота вокруг по существу радиальной направляющей 22, идущей от обтекателя 8 передней опоры, при помощи центральной цапфы 24, установленной на вышеупомянутом обтекателе 8 передней опоры, и периферийной цапфы 26, установленной на входном кожухе 6, причем вышеупомянутые цапфы 24, 26 расположены поблизости от передней кромки 20 подвижного щитка 18.

Первый и второй варианты выполнения устройства против обледенения показаны соответственно на фиг.4 и фиг.5. На этих фигурах дан поперечный разрез неподвижного участка 12, подвижного щитка 18 лопатки 10 входного направляющего колеса.

Поток основного воздуха, поступающий снаружи в газотурбинный двигатель и обозначенный на фигурах стрелками 30, приходит на переднюю кромку 14 неподвижного участка 12.

Поток вторичного воздуха, горячего, отбираемого из одной из ступеней 920 компрессора, расположенного за входным направляющим колесом в газотурбинном двигателе 2, поступает через средства подвода 300, 400 во входной кожух 6 и затем в каждый полый корпус 13 неподвижного участка 12.

По первому варианту выполнения устройства против обледенения, показанному на фиг.4, ветвь 162, которая расположена со стороны внутреннего выгиба задней кромки 16 неподвижного участка 12, содержит, по меньшей мере, одно выпускное окно 202, через которое вторичный воздух вытекает из полого корпуса 13, как показано стрелкой 50. Этот горячий воздух обтекает затем внутренний выгиб подвижного щитка 18, как показано стрелкой 62. Таким образом, внутренний выгиб подвижного щитка 18 нагревается непосредственно за счет конвекции. Вследствие этого предотвращается образование наледи на внутреннем выгибе подвижного щитка 18. По первому варианту выполнения только ветвь 162, расположенная со стороны внутреннего выгиба, содержит такое выпускное окно 202.

По второму варианту выполнения устройства против обледенения, показанному на фиг.5:

- ветвь 162, которая расположена со стороны внутреннего выгиба задней кромки 16 неподвижного участка 12, содержит, по меньшей мере, одно выпускное окно 202, через которое вторичный воздух вытекает из полого корпуса 13, как показано стрелкой 52,

- ветвь 164, которая расположена со стороны спинки задней кромки 16 неподвижного участка 12, содержит, по меньшей мере, одно выпускное окно 204, через которое вторичный воздух вытекает из полого корпуса 13, как показано стрелкой 54.

Аналогично первому варианту выполнения горячий воздух, вытекая через выпускное окно 202, расположенное на ветви 162 со стороны внутреннего выгиба неподвижного участка 12, обтекает затем внутренний выгиб подвижного щитка 18, как показано стрелкой 62. Таким образом, внутренний выгиб подвижного щитка 18 нагревается непосредственно за счет конвекции. Кроме того горячий воздух, вытекая через выпускное окно 204, расположенное на ветви 164 со стороны спинки неподвижного участка 12, обтекает затем спинку подвижного щитка 18, как показано стрелкой 64. Таким образом, спинка подвижного щитка 18 нагревается непосредственно за счет конвекции. Далее внутренний выгиб подвижного щитка 18 нагревается косвенно вследствие эффекта теплопроводности через толщу подвижного щитка 18, как показано стрелкой 80. Следовательно предотвращение образования наледи на внутреннем выгибе подвижного щитка 18 происходит благодаря комбинации конвекции (стрелки 62, 64) и теплопроводности (стрелка 80). Этот второй вариант изготовления лучше всего подходит для подвижных щитков 18, выполненных из теплопроводного материала и имеющих по существу малую толщину, для того чтобы эффект теплопроводности был бы существенным. Согласно второму варианту выполнения одновременно ветви 162, расположенные со стороны внутреннего выгиба, и ветви 164, расположенные со стороны спинки, содержат выпускные окна 202, 204.

Согласно первой форме второго варианта выполнения устройства против обледенения выпускные окна 202, расположенные со стороны внутреннего выгиба, и выпускные окна 204, расположенные со стороны спинки, расположены друг против друга, как это показано на фиг.5.

Согласно второй форме второго варианта выполнения устройства против обледенения выпускные окна 202, находящиеся со стороны внутреннего выгиба, и выпускные окна 204, находящиеся со стороны спинки, расположены в шахматном порядке, как это видно на фиг.6, на которой показана в аксонометрии задняя кромка 16 U-образной формы неподвижного участка 12 для этой второй формы.

Согласно первому или второму варианту выполнения устройства против обледенения выпускные окна 202, 204, расположенные на соответствующей ветви 162, 164 «U», преимущественно распределены равномерно вдоль вышеупомянутых ветвей 162, 164 «U» и преимущественно вдоль всей задней кромки 16 неподвижного участка 12.

Выпускные окна 202 и соответственно 204, показанные на фигурах 4, 5 и 6, получены примыканием к ветви «U» со стороны внутреннего выгиба гофрированного листа 152 и соответственно со стороны спинки гофрированного листа 154, при этом вышеупомянутые гофрированные листы 152, 154 расположены в продолжении дна 15 задней кромки 16 и перпендикулярно вышеупомянутому дну 15. Этот гофрированный лист 152, 154 получен путем механической обработки или литьем или, предпочтительным образом, путем резки и штамповки из плоского листа. В тех местах, где гофрированный лист 162, 163 не имеет контакта с ветвями «U», образуются созданные таким образом выпускные окна 202, 204, предназначенные для прохода горячего воздуха из внутренней полости корпуса 13 неподвижного участка 12 к подвижному щитку 18.

С точки зрения выполнения преимущественно изготавливать заднюю кромку 16 неподвижного участка 12 таким образом, потому что уменьшается число необходимых операций и достаточно только одной производственной линии для изготовления неподвижного участка в целом. Вследствие этого стоимость изготовления также снижается.

Выпускные окна 202, 204 могут иметь различную форму. Примеры выполнения этих различных форм показаны на фигурах 7а, 7b, 7c, 7d, на которых схематично (вид сбоку) показан гофрированный лист 152, 154. Вышеупомянутой гофрированный лист 152, 154 включает выступающие зоны 166, предназначенные для примыкания к ветвям 162, 164 «U», и углубленные зоны 168, предназначенные для формирования стенок выпускных окон 202, 204, определяя форму вышеупомянутых выпускных окон 202, 204. На фигурах 7а, 7b, 7c, 7d стрелки 58 схематично иллюстрируют истечение горячего воздуха, который должен проходить через выпускные окна 202, 204.

Согласно первой форме изготовления, показанной на фиг.7а, геометрия углубленных зон 168 придает выпускным окнам 202, 204 постоянное прямое сечение.

Согласно второй форме изготовления, показанной на фиг.7b, геометрия углубленных зон 168 придает выпускным окнам 202, 204 постоянное сечение с наклоном вверх в направлении стрелки 58 истечения горячего воздуха.

Согласно третьей форме изготовления, показанной на фиг.7с, геометрия углубленных зон 168 придает выпускным окнам 202, 204 постоянное сечение с наклоном вниз в направлении стрелки 58 истечения горячего воздуха.

Согласно четвертой форме изготовления, показанной на фиг.7d, геометрия углубленных зон 168 придает выпускным окнам 202, 204 переменное сечение, например, в форме трапеции.

Конечно, предусмотрены и другие геометрические формы выпускных окон. Кроме того, можно комбинировать вдоль ветви 162 со стороны внутреннего выгиба и/или вдоль ветви 164 со стороны спинки последовательность выпускных окон разной формы, например: по меньшей мере, одно выпускное окно, имеющее постоянное прямое сечение, и/или, по меньшей мере, одно выпускное окно, имеющее постоянное сечение с наклоном вверх, и/или по меньшей мере, одно выпускное окно, имеющее постоянное сечение с наклоном вниз, и/или по меньшей мере, одно выпускное окно, имеющее переменное сечение.

Как показано на фиг.2 соединение подвижного щитка 18 с каждой из цапф 24, 26 осуществлено в зонах 186, 188 вышеупомянутого подвижного щитка 18, которые имеют наклонную геометрическую форму по отношению к остальной зоне передней кромки 20 вышеупомянутого подвижного щитка 18. Напротив этих зон 186, 188 с наклонной геометрией задняя кромка 16 неподвижного участка 12 в свою очередь имеет зоны 156, 158 с наклонной геометрией по отношению к геометрии остальной зоны вышеупомянутой задней кромки 16, называемые S-образными зонами. Необязательно устройство против обледенения включает, по меньшей мере, в одной из S-образных зон 156, 158 отверстия 206, проходящие по существу в направлении вход-выход через основание «U», образующее вышеупомянутую заднюю кромку 16. Вышеупомянутые отверстия выполнены, например, посредством лазерной обработки. Таким образом, рассматриваемые вышеупомянутые зоны 186, 188 передней кромки 20 подвижного щитка 18 могут быть также доступны для горячего воздуха.

Преимущество этих необязательных отверстий основано на том факте, что они позволяют подвести более точно горячий воздух к передней кромке щитка около цапф вследствие эффекта конвекции, затем до соединения между щитком и каждой из цапф вследствие теплопроводности. Вследствие этого возможно избежать блокировки движения поворота щитка, избегая появления наледи около этого соединения между щитком и каждой из цапф.

Реферат

Устройство против обледенения лопатки входного направляющего колеса газотурбинного двигателя, включающего неподвижный участок, расположенный на входе, и подвижный щиток, расположенный на выходе. Вышеупомянутый неподвижный участок содержит заднюю кромку, имеющую по существу U-образную форму, одна из которой ветвью расположена со стороны внутреннего выгиба, а другая ветвь расположена со стороны спинки. Указанное устройство содержит, по меньшей мере, одно выпускное окно, ориентированное по существу по направлению вход-выход и расположенное только вдоль ветви «U», находящейся со стороны внутреннего выгиба задней кромки. Лопатка входного направляющего колеса оборудована, по меньшей мере, одним таким устройством против обледенения. Газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одну лопатку, оборудованную таким устройством против обледенения. 5 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула