СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ И УСТРОЙСТВО, РЕАЛИЗУЮЩЕЕ СПОСОБ Российский патент 1997 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к газовым турбинам, в частности, к охлаждению лопаток высокотемпературных газовых турбин.

Известная полая охлаждаемая лопатка, выбранная в качестве прототипа (пат. Англии N 1240765), состоит из двух корпусов, расположенных один внутри другого. Во внутреннюю полость лопатки подается охлаждающий воздух, часть которого выдувается во входную кромку, а другая часть в выходную. Поток, натекающий на внутреннюю часть входной кромки лопатки, разделяясь на два, охлаждает участки корытца и спинки, прилегающие ко входной кромке, и через отверстия в наружной части лопатки выдувается в газовый тракт. Остальные участки профиля со стороны спинки и корытца охлаждаются воздухом, выдуваемым через отверстия во внутреннем корпусе в зазор между корпусами. Подогретый воздух, смешиваясь с холодным, выпускаемым из задней части внутреннего корпуса, охлаждает выходную кромку и через отверстия на спинке и корытце наружного корпуса выдувается в проточную часть турбины. При этом выдув охладителя в проточную часть турбины через выходную кромку отсутствует.

Выпуск охлаждающего воздуха на спинку и корытце лопатки приводит к дополнительным потерям энергии. Воздух, выдуваемый в газовый тракт в непосредственной близости от входной кромки, мог бы еще использоваться для конвективного охлаждения. Выдув охладителя на корытце профиля существенно снижает перепад давления воздуха, используемый для охлаждения лопатки, и приводит к увеличению расхода охладителя. Кроме того, в данной конструкции охлаждение выходной кромки происходит в основном за счет пленочного охлаждения, в то время как конвективное охлаждение гораздо эффективнее.

Целью изобретения является повышение экономичности и надежности работы турбины.

Указанная цель достигается тем, что охлаждающий воздух, поступающий во внутреннюю однополостную часть лопатки, выдувается в пространство между наружной и внутренней частями лопатки в зонах входной и выходной кромки. Далее воздух, охладив входную кромку, по наклонным пазам корытной и спиночной части лопатки движется в направлении периферии и корня лопатки, по пути охлаждая профиль пера. Выдув охладителя из лопатки осуществляется в пространство над периферийным и под корневым сечениях.

Воздух, выдуваемый в зону выходной кромки, разделяется на 3 потока, один из которых идет на охлаждение выходной кромки, другие на охлаждение спинки и корытца лопатки. При этом хладоагент, поступающий на охлаждение выходной кромки, охлаждает ее и через нее выдувается в проточную часть турбины. Охладитель, поступающий на охлаждение спинки и корытца, по наклонным пазам корытной и спиночной части лопатки двинется к периферии и корню лопатки, по пути охлаждая перо. Выдув охладителя из лопатки, как и в предыдущем случае, осуществляется в пространство над периферийным и под корневым сечениях.

Отметим, что воздушные потоки, охлаждающие спинку и корытную часть профиля и текущие со стороны входной и выходной кромки, движутся в противоположные стороны.

Устройство, реализующее предлагаемый способ охлаждения, содержит наружный и внутренний корпус, расположенный один внутри другого. Для выдува отработанного охладителя в проточную часть турбины предусмотрена щель в выходной кромке лопатки. Транспортировка охлаждающего воздуха к корневому и периферийному сечениям лопатки производится по пазам, образованным наклоненными диагонально ребрами корытной и спиночной части, принадлежащей одному корпусу и контактирующей с ними стенкой, образованной другим корпусом.

На фиг. 1 дано предлагаемое устройство; на фиг. 2 разрез A-A фиг. 1; на фиг. 3 разрез B-B фиг. 1.

Охлаждаемая лопатка турбины представляет собой тракт, состоящий из наружной 1 и внутренней 2 частей лопатки. Во внутреннюю однополостную часть 2 поступает весь воздух, используемый для охлаждения лопатки, который, распределяясь на два потока, через отверстия в передней и задней ее части выдувается на входную 3 и в выходную 4 часть профиля. Часть воздуха выдувается в проточную часть турбины через выходную кромку лопатки, другая часть, по пути охлаждая спинку и корытце лопатки, двигаясь в зазоре 5 между ребрами 6, наклоненными диагонально по перу корытной и спиночной части лопатки, вытекает над и под охлаждаемой лопаткой. При этом потоки, охлаждающие спинку и корытце лопатки, со стороны входной и выходной кромки двигаются в противоположном направлении навстречу друг другу.

Благодаря применению этого устройства появляется возможность полнее использовать энергетические возможности и хладоресурс охладителя.

Однополостная конструкция внутренней части лопатки позволяет подвести большие расходы воздуха как на охлаждение всей лопатки, так и ее хвостовой части, сохранив параметры охлаждающего воздуха.

Выпуск холодного охладителя непосредственно в самые напряженные участки профиля входную и выходную кромки дает возможность охладить их минимальным расходом воздуха и до более низких температур.

Хладоагент, поступающий на охлаждение выходной кромки, обладает наивысшим для данной конструкции хладо- и энергоресурсом, что позволяет использовать его минимальный расход и применить дальнейший тракт с повышенными потерями давления с целью получения высоких уровней коэффициентов теплоотдачи со стороны воздуха.

Воздух, текущий по наклонным каналам, как со стороны входной, так и выходной кромки, не использует полностью хладо- и энергоресурс, что дает возможность применить его для охлаждения других деталей.

Предлагаемое устройство может быть использовано при существенно более высоких температурах газа, позволяет снизить расход охлаждающего воздуха, уменьшить температуру металла, что в конечном итоге приводит к повышению экономичности и надежности как турбины, так и всей установки в целом.

Использование: в турбостроении для охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин. Сущность: охлаждающий воздух выдувают к входной и выходной кромкам с непосредственным выпуском его из лопатки. При этом потоки со стороны входной и выходной кромок, охлаждающие спинку и корытце лопатки, двигаясь в противоположных направлениях, вытекают в проточную часть турбины под корневой и над периферийной зонах охлаждаемой лопатки. В выходной кромке лопатки выполнена щель, а между корпусами лопатки по корытной и спиночной частям выполнены ребра 6, наклоненные диагонально. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ охлаждения лопатки турбины, включающий подачу потоков охлаждающего воздуха в полую вставку, из которой вытекает в зазор на внутреннюю поверхность входной и выходной кромок и через щель в выходной кромке в проточную часть турбины, отличающийся тем, что потоки со стороны входной и выходной кромок, охлаждающие спинку и корытце лопатки, двигаясь в противоположных направлениях, вытекают в пространство под корневой и над периферийной зонами лопатки. 2. Устройство для охлаждения лопатки турбины, содержащее наружный и внутренний корпус, отличающееся тем, что, с целью повышения экономичности и надежности работы турбины, в выходной кромке лопатки выполнена щель, а между корпусами по корытной и спиночной части выполнены ребра, наклоненные диагонально.