ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 1995 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано в охлаждаемых турбинных установках, в особенности высокотемпературных.

Известна охлаждаемая лопатка турбины, содержащая полое перо с отверстиями для выпуска охлаждающего воздуха, с продольными ребрами - перегородками внутри полости и с поперечными ребрами снаружи на входной кромке, причем к поперечным ребрам снаружи примыкает накладка, а между поперечными ребрами на входной кромке пера выполнены сопла-отверстия для подачи охлаждающего воздуха в виде струй из близлежащей к входной кромке полости пера в зазор между полым пером и накладкой [1].

Недостаток такой конструкции - относительно низкая эффективность охлаждения накладки из-за отсутствия на ней собственного оребрения и входной кромки в целом из-за большого термического сопротивления пограничного слоя, формирующегося при ее обтекании стационарным стабилизированным потоком струй охлаждающего воздуха.

Известна также охлаждаемая лопатка турбины, содержащая полое перо с отверстиями для выпуска охлаждающего воздуха, с продольным ребром на внутренней поверхности входной кромки и с размещенными по обе стороны от продольного ребра поперечными выступами (ребрами). В полости пера установлен дефлектор, который касается продольного ребра и имеет по обе стороны от него отверстия для подачи охлаждающего воздуха из дефлектора в зазор между ним и пером.

Охлаждающий воздух в такой лопатке подается во внутреннюю полость дефлектора, затем через отверстия в нем попадает в зазор между дефлектором и внутренней поверхностью полого пера в виде струй. Струи воздуха, истекающие из отверстий, расположенных по обе стороны от продольного ребра, на входной кромке после обтекания ребра разворачиваются на 90^о, в поперечном направлении, перемешиваются и, далее воздух сплошным потоком протекает в зазоре вместе с подмешенным воздухом из других отверстий дефлектора. Перо лопатки при этом охлаждается, а воздух через отверстия в перо для его выпуска выбрасывается в проточную часть турбины.

Недостаток такой конструкции - относительно низкая эффективность охлаждения входной кромки пера лопатки из-за относительно большого термического сопротивления пограничного слоя на внутренней поверхности входной кромки, формирующегося при ее обтекании стационарным стабилизированным потоком струй охлаждающего воздуха.

Целью изобретения является повышение эффективности охлаждения в лопатках при использовании струйно-акустического генератора.

Поставленная цель достигается тем, что в охлаждаемой лопатке турбомашины, содержащей полое перо с продольным ребром на внутренней поверхности его входной кромки, по обе стороны от которого выполнены поперечные ребра, и отверстиями в выходной кромке, и установленный в полости пара дефлектор с соплами на его входной кромке, сопла расположены в плоскости симметрии продольного ребра, поперечные ребра примыкают к стенкам входной кромки дефлектора между соплами с образованием по высоте пера автономных камер, каждая из которых разделена продольным ребром на две резонирующие полости.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез предложенной охлаждаемой лопатки турбомашины; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрезы предлагаемой лопатки.

Лопатка содержит полое перо 1 и дефлектор 2. В выходной кромке лопатки в ее полом пере выполнены отверстия 3 для выпуска охлаждающего воздуха из лопатки. Внутри входной кромки пера примерно в месте пересечения средней линии профиля с внутренним его контуром выполнено продольное ребро 4. Вершина ребра может быть клиновидной или округленной в поперечном сечении лопатки. Торец 5 дефлектора 2 выполнен перпендикулярным плоскости симметрии ребра 4. Напротив ребра и в плоскости его симметрии стенками дефлектора образованы сопла 6 питания, соединяющие полость 7 дефлектора и камеру, разделенную ребром 4 на две резонирующие полости 8 и 9 (резонаторы). Сопло 6 в направлении высоты лопатки соответствует протяженности ребра 4.

Струйно-акустический генератор образован разделительным ребром 4, торцом 5 дефлектора, соплом 6 и внутренней поверхностью пера входной кромки лопатки от мест соединения пера 1 с ребром 4 до торца 5 дефлектора в пределах расстояния между поперечными ребрами 10.

По высоте лопатки в ней выполнено несколько таких генераторов в зоне наименьших запасов прочности по высоте лопатки и камера каждого в таком случае автономного генератора отделяется смежными поперечными ребрами 10 развитыми по их высоте на входной кромке до торца 5 дефлектора. Поперечные ребра на остальной части профиля, формирующие охлаждающие каналы 11 и 12 и фиксирующие положение дефлектора в оболочке, могут являться продолжением ребер 10 (фиг.2), а могут быть выполнены на внешней поверхности дефлектора.

При выполнении в лопатке струйно-акустического генератора колебаний с резонаторами все геометрические соотношения его проточной части выдерживаются в пределах известных для таких генератора рекомендаций.

Охлаждающий воздух в предложенной лопатке подается через один или оба торца лопатки во внутреннюю полость 7 дефлектора, откуда через сопла 6 питания в виде плоской дозвуковой струи подается в автономные камеры с резонаторами в каждой из них и попадает на вершину разделительного ребра 4. После прохождения через резонаторы воздух двумя потоками проходит по охлаждающим каналам 11 и 12, соединяется снова вместе и через отверстия 3 в выходной кромке выбрасывается в проточную часть турбомашины.

При натекании струи на ребро 4 в условиях действия запаздывающей отрицательной обратной связи, осуществляемой волнами давления, распространяющимися в резонаторах в течение становится неустойчивым. В динамической системе "струя-резонатор" самовозбуждаются интенсивные колебания (колебания струи и колебания потока в резонаторах), частота которых близка к резонаторной частоте резонаторов, которые при малой величине отношения ширины каналов 11 и 12 к ширине резонаторов работают в режиме четвертьволновых резонаторов. Амплитуда колебаний струи превышает ширину струи (ширину сопла 6), при этом в резонаторах устанавливается высокотурбулентное течение с наложением акустических волн. Обычный стационарный пограничный слой на поверхности резонатора отсутствует. Происходит его отрыв с образованием вихрей, что вызывает интенсификацию теплоотдачи непосредственно от поверхностей охлаждения внутри резонаторов.

Использование: в газотурбостроении для охлаждаемых лопаток турбин. Сущность изобретения: при натекании струи на ребро в условиях действия запаздывающей отрицательной обратной связи, осуществляемой волнами давления, распространяющимися в резонаторах, течение становится неустойчивым и в динамической системе "струя-резонатор" самовозбуждается интенсивные колебания, частота которых близка к резонансной частоте резонаторов. 3 ил.

ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ, содержащая полое перо с продольным ребром на внутренней поверхности его входной кромки, по обе стороны от которого выполнены поперечные ребра, и отверстиями в выходной кромке, и установленный в полости пера дефлектор с соплами на его входной кромке, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения лопаток с малой относительной толщиной при использовании струйно-акустического генератора, сопла расположены в плоскости симметрии продольного ребра, поперечные ребра примыкают к стенкам входной кромки дефлектора между соплами с образованием по высоте пера автономных камер, каждая из которых разделена продольным ребром на две резонирующие полости.