ПОЛАЯ ЛОПАТКА "ВИХРЕПОР" Российский патент 1997 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к газотурбинной технике и может быть использовано для охлаждения таких деталей ГТД, как лопатки, камеры сгорания, жаровые трубы.

Известна конструкция полой лопатки, содержащая в профильной стенке каналы для прохода охлаждающей среды со сквозными отверстиями.

Недостатком этого решения является невысокая эффективность охлаждения лопатки, обусловленная малым коэффициентом теплоотдачи между материалом и охлаждающей средой.

Известно наиболее близкое техническое решение в виде полой лопатки, содержащей в стенке две решетчатые системы пересекающихся попарно параллельных каналов со сквозными отверстиями.

Для образования на всей наружной поверхности профильной части лопатки теплозащитной пленки с равномерными в направлении, перпендикулярном омывающему горячему потоку, характеристиками необходимо выдержать определенное отношение между шагом и диаметром выходных отверстий, а именно: 2,2 <h / d <7,5.

Недостатком данного решения является малый коэффициент теплоотдачи между материалом лопатки и охлаждающей средой ввиду нарастания пограничного слоя в каналах.

Техническим результатом предложенного решения является повышение коэффициента теплоотдачи между материалом лопатки и охлаждающей средой за счет разрушения пограничного слоя на поверхности каналов в стенке лопатки и повышение технологичности изготовления.

Технический результат предложенного решения достигается тем, что в профильной стенке лопатки, внутри, подобно ее профилю, расположены две системы попарно параллельных и попарно пересекающихся каналов, причем в точках пересечений осей каналов одной системы с другой расположены отверстия, соединяющие обе системы, и в точках пересечения осей каналов каждой из систем расположены отверстия, соединяющие одну систему с внешней стороной лопатки, а другую с внутренней, при этом точки пересечения осей каналов одной системы размещены со смещением относительно точек пересечения осей каналов другой системы.

Сопоставительный анализ предложенного технического решения с прототипом выявил в первом наличие новых существенных признаков, а именно: смещение точек пересечения осей каналов одной системы относительно точек пересечения осей каналов другой системы.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ патентной и научно-технической информации в области газотурбинной техники не позволил обнаружить совокупность признаков, являющуюся отличительной в заявленном изобретении.

Необходимо отметить, что вышеуказанные признаки являются необходимыми и достаточными для получения положительного эффекта, указанного в техническом результате изобретения, а именно: повышения величины коэффициента теплоотдачи между материалом стенки и охлаждающей средой. Наличие смещения точек пересечения осей каналов одной системы относительно точек пересечения осей каналов другой системы обеспечивает эффективное разрушение пограничного слоя в каналах оболочки лопатки за счет турбулизации газового потока.

Следовательно, можно сделать вывод о том, что предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Что же касается вопроса о промышленной применяемости заявленного изобретения, то необходимо отметить следующие факторы.

1. Изобретение может быть использовано в газотурбинной технике для охлаждения лопаток, камер сгорания и жаровых труб газотурбинных авиационных и транспортных двигателей и стационарных газотурбинных установок.

2. Описание изобретения в том виде, как оно представлено, раскрывает его с достаточной полнотой для осуществления. Описание составлено так, что экспертизе ясно, какого рода известные знания и опыт должны быть найдены и использованы наряду с тем, что изложено в материалах самой заявки.

3. Доказывая возможность достижимости технического результата, приводим в подтверждение результаты экспериментальных исследований, полученных в процессе отработки заявляемой конструкции.

Для рабочего диапазона удельных расходов охлаждающей среды, встречающегося в конструкциях охлаждаемых лопаток газовых турбин, коэффициент теплоотдачи по сравнению с прототипом возрос в 1,8.2 раза.

Это доказывает соответствие заявленного технического решения критерию "промышленная применимость".

На фиг.1 изображен общий вид поперечного сечения профиля полой лопатки; на фиг.2 часть стенки лопатки в изометрии; на фиг.3 и 4 виды разрезов лопатки в плоскостях Ж-Ж и 3-3 (фиг.8), перпендикулярных стенке лопатки и проходящих через два последовательных горизонтальных ряда сквозных отверстий; на фиг.5 и 6 виды разрезов лопатки в плоскостях И-И и К-К (фиг.8), перпендикулярных стенке лопатки и проходящих через два последовательных вертикальных ряда сквозных отверстий; на фиг.7 и 8 виды разрезов лопатки в плоскостях B-B и E-E (фиг.3).

Стенка 1 лопатки содержит расположенные подобно ее профилю на двух уровнях А и Б (см. фиг.3) две системы попарно параллельных и попарно пересекающихся каналов 2, 3 и 4, 5 (см. фиг. 7 и 8). Каналы 4, 5 нижнего уровня Б смещены (в данном случае на шаг h_г/2) относительно каналов 2, 3 верхнего уровня А вдоль горизонтального ряда точек пересечения осей каналов 2, 3 (см. фиг. 7). В точках пересечения осей каналов 2 и 3 верхнего уровня А перпендикулярно плоскости пересечения осей каналов 2 и 3 в чередующихся вертикальных рядах расположены сквозные отверстия 8 (см. фиг.5 и 7), соединенные с одной внешней поверхностью стенки (входные), и сквозные отверстия 9 (см. фиг.6 и 7), соединенные с другой внешней поверхностью слоя (выходные). В точках пересечения осей каналов 4 и 5 нижнего уровня Б перпендикулярно плоскости пересечения осей этих каналов в чередующихся вертикальных рядах также расположены отверстия 6 (см. фиг.5 и 8), соединенные с внешней поверхностью стенки (входные), и сквозные отверстия 7 (см. фиг.6 и 8), соединенные с другой внешней поверхностью стенки (выходные).

Основания Г и Д каналов 2, 3 и 4, 5 на двух уровнях являются плоскими и расположены параллельно плоскости уровня А (Б). В месте прохождения каналов 2, 3 над каналами 4, 5 они сообщаются между собой.

Расположенные на одной внешней поверхности стенки входные отверстия 6, 8 имеют вертикальный шаг, равный h_в/2, и горизонтальный шаг h_г, где h_в вертикальный шаг точек пересечения осей каналов на уровнях А и Б, h_г горизонтальный шаг точек пересечения осей каналов на тех же уровнях.

Расположенные на другой внешней поверхности стенки выходные отверстия 7, 9 имеют также вертикальный шаг, равный h_в/2, а горизонтальный шаг - h_г.

Полая лопатка работает следующим образом.

Охлаждающий газ поступает из внутренней полости через входные отверстия 6 и 8 в каналы 4, 5 и 2, 3. При движении газа, например, по каналам 4 и 5 в направлении выходных отверстий 7 и 9 в месте сообщения указанных каналов (4, 5) с каналами 2, 3 потоки газа соприкасаются, что приводит к их турбулизации и связанной с ней интенсификации теплообмена между горячими стенками каналов 2, 3, 4 и 5 и охлаждающим газом.

Взаимодействие потоков газа, проходящих по каналам 2, 3 и 4, 5, находящимся на верхнем и нижнем уровнях, происходит в области смешения (в месте прохождения каналов 2, 3 над каналами 4, 5), в которой из-за взаимодействия потоков возрастает интенсивность турбулентных пульсаций. Это ведет к увеличению обмена количеством движения между соприкасающимися потоками, что в свою очередь приводит к возрастанию касательных напряжений в сопряженной области и интенсификации теплообмена между потоками, вызванной увеличением глубины проникновения турбулентных молей из области смешения в ядро потока. Увеличение касательных напряжений в сопряженной области каналов приводит к усилению взаимной подкрутки потоков. В результате образуется турбулентный поток кручения с высокими нормальными и тангенциальными переносными свойствами. Энергия турбулентности, вырабатываемая в области смешения потоков, переносится к теплоотдающей поверхности с молями теплоносителя как по нормали, так и тангенциально потоку кручения в результате взаимной подкрутки. Таким образом, вблизи теплоотдающей поверхности происходит непрерывное разрушение пограничного слоя, интенсифицируется массообмен пристенных слоев потока с его ядром, что является причиной значительного увеличения коэффициента теплоотдачи.

На внешней, омываемой горячим газом поверхности стенки лопатки образуется теплозащитный слой за счет поступающего из выходных отверстий 7 и 9 охлаждающего газа.

Использование изобретения обеспечивает повышение коэффициента теплоотдачи материала лопатки к охладителю за счет эффективного разрушения пограничного слоя на поверхности каналов в стенке лопатки и интенсификации теплообмена между потоками, проходящими по каналам, расположенным на разных уровнях.

Использование: в газотурбинной технике для охлаждения лопаток, камер сгорания и жаровых труб. Сущность изобретения: внутри профильной стенки лопатки расположены две системы попарно пересекающихся и попарно параллельных каналов. В точках пересечений осей каналов одной системы с другой расположены отверстия, соединяющие одну систему с внешней стороной лопатки, а другую - с внутренней стороной лопатки. Точки пересечения осей каналов одной системы размещены со смещением относительно точек пересечения осей каналов другой системы. 8 ил.

Полая лопатка, содержащая профильную стенку, внутри которой подобно ее профилю расположены две системы с попарно параллельными и попарно пересекающимися каналами, причем в точках пересечения осей каналов одной системы с другой расположены отверстия, соединяющие обе системы, и в точках пересечения осей каналов каждой из систем расположены отверстия, соединяющие одну систему с внешней стороной лопатки, а другую с внутренней стороной лопатки, отличающаяся тем, что точки пересечения осей каналов одной системы размещены со смещением относительно точек пересечения осей каналов другой системы.