Микроконтур для протекания потока охлаждающего газа через деталь и способ изготовления детали с каналами охлаждения - RU2261995C2
Код документа: RU2261995C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к звеньевому микроконтуру, предназначенному для отвода тепла и пленочной защиты в движущихся деталях. В частности, настоящее изобретение относится к звеньевому микроконтуру, конструкция которого обеспечивает устойчивость засорению, а также простоту и высокое качество изготовления.
Уровень техники
В движущихся деталях, например турбинах, движение с высокой скоростью сквозь газ используется различным образом для отвода внутреннего тепла, а также для создания защитной охлаждающей пленки на поверхности детали. В одном из таких способов используется введение внутрь детали каналов охлаждения, через которые может протекать охлаждающий газ, поглощая энергию тепла и выходя наружу таким образом, чтобы образовывать защитную пленку.
На Фиг.1 и 2 показаны известные в уровне техники каналы охлаждения. Охлаждающий газ 27 циркулирует внутри детали и выходит из отверстия 22 как выходящий газ 28, проходя сквозь поверхность 12 детали. Поток 24 газа тянется вдоль поверхности 12 детали и на приведенном чертеже показан перемещающимся слева направо вдоль поверхности 12 детали. Поток 24 газа обычно образуется в результате движения детали сквозь газ, часто этим движением является вращение. Выходящий газ 28 выходит через отверстие 22 в направлении, приблизительно перпендикулярном поверхности 12 детали. Выходя из отверстия 22, выходящий газ взаимодействует с потоком 24 газа и продолжает двигаться в целом в направлении, соответствующем направлению, в котором двигается поток 24 газа. В результате выходящий газ 28 направляется вдоль поверхности 12 детали и стремится плотно к ней прижаться, образуя пленку 26.
Поэтому целесообразно расположить отверстия 22 по поверхности 12 детали таким образом, чтобы образующаяся пленка 26, состоящая из холодного воздуха, образовывала защитную оболочку вокруг детали. Одна из известных в уровне техники конфигураций изображена на Фиг.3. Вдоль оси 20 расположено несколько отверстий 22, причем ось 20 проходит приблизительно перпендикулярно направлению потока 24 газа. Каждое отверстие имеет ширину, равную выходной части 16 (разрыв в поверхности). Шаг 18 определяется как расстояние вдоль оси 20 между соседними отверстиями 22. Таким образом, линейное перекрытие, обеспечиваемое при такой схеме расположения отверстий, равно отношению размера выходной части 16 к шагу 18. В соответствии с этим определением перекрытие возрастает, если отверстия располагаются ближе друг к другу (уменьшается шаг) или, при постоянном шаге, ширина отверстий 22 увеличивается (увеличивается выходная часть 16). Поэтому в предпочтительном варианте выполнения схема расположения отверстий 22 такова, чтобы обеспечивалось максимальное перекрытие. При таком расположении отверстий обеспечивается наибольшее перекрытие пленкой 26 поверхности 12 детали.
Помимо создания посредством простых отверстий каналов охлаждения, образованные в детали микроконтуры могут использоваться для повышения способности охлаждающего газа поглощать внутреннее тепло детали.
Использование микроконтуров позволяет обеспечить охлаждение с высокой конвективной эффективностью, при различных конфигурациях деталей и технологической простоте. Для современных схем охлаждения, помимо высокой конвективной эффективности, требуется и высокая эффективность пленки. На Фиг.4 и 5 показан микроконтур 5. Микроконтуры 5 могут быть выполнены в детали механической обработкой либо отформованы иным способом.
В тех случаях, когда для перекрытия поверхности детали используется совокупность микроконтуров, путем изменения геометрии каналов контуров можно добиться улучшения характеристик охлаждения. На Фиг.7 показано несколько змеевидных микроконтуров 6. Один из вариантов подобных и описанных выше конструкций для охлаждения турбинных лопаток раскрыт в публикации ЕР 1063388, представляющей ближайший аналог настоящего изобретения. В настоящем описании термин "змеевидный микроконтур" обычно относится к микроконтуру, прохождение которого в каком-либо направлении происходит за счет поперечных смещений с небольшими отклонениями, причем это поперечное смещение с чередующимися изгибами, сначала вправо, потом влево, в целом перпендикулярно общему направлению прохождения. Для увеличения перекрытия было бы желательно уменьшить шаг 18 в данной схеме расположения. В наиболее предпочтительном варианте выполнения шаг уменьшается до такой степени, чтобы соседние змеевидные микроконтуры 6 соприкасались. Однако при таком уменьшении шага 18 проявляется нежелательный эффект, состоящий в том, что охлаждающий газ из одного змеевидного микроконтура 6 будет смешиваться с охлаждающим газом другого змеевидного микроконтура 6, двигающегося с другой скоростью и имеющего другие плотность и температуру. Подобное несоответствие охлаждающих газов является результатом того, что смешиваются потоки газа, прошедшие пути разной длины и геометрии.
Например, охлаждающий газ, входящий в точке А, распространяется справа налево по змеевидному микроконтуру 6 по изгибу влево через точку В, затем по прямой и далее, поворачивая направо, к точке D. Если шаг змеевидных микроконтуров уменьшить настолько, что они будут соприкасаться, точка D' на самом верхнем микроконтуре 6 коснется точки В смежного змеевидного микроконтура 6. Как было упомянуто, охлаждающий газ, проходящий мимо точки D, а значит и точки D', пройдет больше поворотов и большее расстояние, чем охлаждающий газ, проходящий точку В. В результате свойства газов, проходящих точки В и D', различаются.
Таким образом, требуется разработка способа формирования микроконтура, составленного из группы соприкасающихся или взаимно налагающихся змеевидных микроконтуров, благодаря чему обеспечивается максимальное перекрытие с одновременным уменьшением несоответствия свойств охлаждающего газа, находящегося на стыках змеевидных микроконтуров, входящих в составной микроконтур.
Сущность изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной конструкции микроконтура для охлаждения деталей, в частности летательного аппарата.
Согласно настоящему изобретению, микроконтур для обеспечения протекания потока охлаждающего газа через деталь содержит, по крайней мере, одно впускное отверстие для ввода охлаждающего газа, канал контура, расположенный отходящим от впускного отверстия с возможностью протекания через него охлаждающего газа и образованный взаимным наложением и соединением группы чередующихся змеевидных контуров, и, по крайней мере, одно выпускное отверстие на концевой части канала контура, расположенное с возможностью выхода через него охлаждающего газа из канала контура.
Упомянутая деталь может быть изготовлена из металла, выбранного из группы, состоящей из сплавов на основе никеля и сплавов на основе кобальта, и, представлять собой тип детали из следующей группы: внутренняя облицовка камеры сгорания, рабочие и сопловые лопатки турбины, внешнее воздухонепроницаемое уплотнение лопаток турбины, стенки торцевых частей сопловых лопаток и кромки аэродинамических поверхностей.
Предпочтительно, если выпускное отверстие представляет собой щелевое отверстие образования пленки.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ изготовления детали с улучшенным с охлаждением потоком охлаждающего газа, в котором изготавливают группу микроконтуров под поверхностью детали, которые содержат, по крайней мере, одно впускное отверстие для ввода охлаждающего газа, канал контура, отходящий от впускного отверстия с возможностью протекания через него охлаждающего газа и образованный наложением группы чередующихся змеевидных контуров, и, по крайней мере, одно выпускное отверстие на концевой части канала контура, расположенное с возможностью выхода через него охлаждающего газа из канала контура, и при этом обеспечивают возможность пропускания охлаждающего газа через впускное отверстие, через канал контура и из выпускного отверстия.
Предпочтительно, если при изготовлении группы микроконтуров сначала формуют тугоплавкий металл по форме микроконтуров, затем вводят упомянутый тугоплавкий металл в литьевую форму и отливают упомянутую деталь, а после отливки извлекают тугоплавкий металл из детали.
Перечень фигур чертежей и иных материалов
Фиг.1. Вид поперечного сечения отверстия для охлаждения, известного в уровне техники.
Фиг.2. Аксонометрическое изображение отверстия для охлаждения, известного в уровне техники.
Фиг.3. Аксонометрическое изображение группы отверстий для охлаждения, известных в уровне техники.
Фиг.4. Вид поперечного сечения микроконтура для охлаждения, известного в уровне техники.
Фиг.5. Аксонометрическое изображение микроконтура для охлаждения, известного в уровне техники.
Фиг.6. Аксонометрическое изображение змеевидного микроконтура, в котором имеется щелевое отверстие образования пленки.
Фиг.7. Вид группы змеевидных микроконтуров, известных в уровне техники.
Фиг.8. Вид группы чередующихся змеевидных контуров.
Фиг.9. Вид звеньевого микроконтура в соответствии с настоящим изобретением.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Микроконтуры могут быть отформованы из тугоплавких металлов и заключены в пресс-форму детали перед ее отливкой. Ряд тугоплавких металлов, включая молибден (Мо) и вольфрам (W), имеют температуру плавления, превосходящую обычные температуры литья суперсплавов на основе никеля. Эти тугоплавкие металлы могут выпускаться в виде допускающих пластическую деформацию тонких листов или форм с размерами, требуемыми для создания каналов охлаждения, характерных для конструкций, используемых для охлаждения турбин и камер сгорания. В частности, подобные микроконтуры могут быть сделаны внутри деталей, к которым относятся внутренняя облицовка камеры сгорания, рабочих и сопловых лопаток турбины, внешнего воздухонепроницаемого уплотнения лопаток турбины, стенок торцевых частей сопловых лопаток и кромок аэродинамических поверхностей, а также и иных деталей. В предпочтительном варианте выполнения подобные детали выполняются частично или целиком из сплавов на основе никеля или сплавов на основе кобальта. Тонкие листы и фольга из тугоплавкого металла достаточно пластичны для того, чтобы их можно было изгибать и придавать им сложные формы. Пластичность обеспечивает прочность конструкции, которая в состоянии выдержать цикл вощения/отслаивания.
После отливки тугоплавкий металл может быть удален, например, химическим процессом, термическим отсосом или окислением, в результате чего остается полость, образующая микроконтур 5.
На Фиг.6 показан змеевидный микроконтур 6, содержащий щелевое отверстие 30 образования пленки. Щелевое отверстие 30 образования пленки образует щель в поверхности детали, внутри которой сделан змеевидный микроконтур 6, через которую может выходить охлаждающий газ. В предпочтительном варианте выполнения щелевое отверстие 30 образования пленки имеет, в основном, линейную протяженность и вытянуто вдоль части канала 29 контура. Поскольку площадь поверхности щелевого отверстия 30 образования пленки превышает площадь поперечного сечения канала 29 контура, скорость, с которой охлаждающий газ выходит сквозь щелевое отверстие 30 образования пленки, меньше скорости его движения по каналу 29 контура. В результате выходящий охлаждающий газ выходит с пониженной скоростью, что способствует предотвращению его сдувания. Кроме того, щелевое отверстие 30 образования пленки обладает большей выходной частью 16, чем отверстие с диаметром, приблизительно равным диаметру канала 29 контура.
На Фиг.8 представлен вариант выполнения группы чередующихся змеевидных (извилистых) микроконтуров 6, имеющих выпускные отверстия, представляющие собой щелевые отверстия 30 образования пленки. Чередующиеся змеевидные микроконтуры 6 расположены вдоль оси 20 таким образом, что каждый центральный змеевидный микроконтур 6 граничит с двумя змеевидными микроконтурами 6, каждый из которых представляет собой зеркальное отражение центрального змеевидного микроконтура 6. В результате, если шаг сократится настолько, что произойдет соприкосновение смежных змеевидных микроконтуров 6, сходные элементы окажутся наложенными друг на друга. Например, точка В совпала бы с точкой В'. Точка D совпала бы с точкой D'. Поскольку при такой схеме сходные точки на канале 29 контура совпадут, свойства охлаждающих газов, находящихся в любой из этих точек после прохождения по смежным каналам 29 контура, будут почти одинаковыми. В итоге, при смешивании газов не возникнет неприемлемых несоответствий в температуре или давлении газа.
На Фиг.9 изображен предпочтительный вариант выполнения звеньевого (из нескольких соединенных звеньев) микроконтура 7 в соответствии с настоящим изобретением. Звеньевой микроконтур 7 образован посредством взаимного наложения чередующихся змеевидных микроконтуров, причем шаг чередующихся змеевидных микроконтуров уменьшен настолько, что смежные чередующиеся змеевидные микроконтуры соприкасаются. Степень уменьшения шага для осуществления взаимного наложения чередующихся змеевидных контуров при создании звеньевого микроконтура 7 может меняться в зависимости от требуемых характеристик потока охлаждающего газа.
Звеньевые микроконтуры могут быть использованы для того, чтобы перекрыть поверхность движущейся детали, например турбины или аэродинамической поверхности, сетью мелких каналов. Параметры этих каналов могут быть согласованы с тепловой нагрузкой в данном месте и геометрией детали. Геометрия звеньевых микроконтуров обеспечивает получение ряда преимуществ по сравнению с разделенными микроконтурами.
Звеньевые микроконтуры снижают вероятность засорения. Повороты в каналах микроконтура в существующих микроконтурах образуют места скопления загрязнений, особенно в условиях вращения вращающихся лопаток. В звеньевых контурах эти повороты исключены, благодаря чему отпадает опасность такого скопления.
Преимущества звеньевых микроконтуров проявляются и в процессе изготовления. Поскольку посредством соединения объединены микроконтуры, то также оказываются объединенными и оправки, используемые для их формования. Благодаря этому объединению образуется более жесткая структура для процесса литья, что значительно снижает вероятность брака при литье.
Очевидно, что в соответствии с настоящим изобретением описаны звеньевой микроконтур, отличающийся высокой технологичностью и не подверженный засорению, и способ введения таких микроконтуров в детали, полностью отвечающие целям, средствам и преимуществам, изложенным выше. Хотя настоящее изобретение было описано на примере конкретных вариантов его выполнения, для специалиста, ознакомившегося с приведенным описанием, будут очевидны и другие варианты, модификации и изменения. Соответственно, данное изобретение охватывает все варианты, модификации и изменения, попадающие в широкую область притязаний приложенной формулы.
Реферат
Изобретение относится к микроконтуру, предназначенному для отвода тепла и пленочной защиты в движущихся деталях. Микроконтур для протекания потока охлаждающего газа через деталь содержит, по крайней мере, одно впускное отверстие для ввода охлаждающего газа, канал контура, расположенный отходящим от упомянутого впускного отверстия с возможностью протекания через него упомянутого охлаждающего газа, и, по крайней мере, одно выпускное отверстие на концевой части упомянутого канала контура, расположенное с возможностью выхода через него упомянутого охлаждающего газа из упомянутого канала контура. Канал контура образован взаимным наложением и соединением группы чередующихся змеевидных контуров. Изобретение повышает эффективность охлаждения, снижает вероятность засорения микроконтура и повышает технологичность изготовления. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 9 ил.
