ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 1998 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к турбостроению, а более точно к охлаждаемой лопатке газовой турбины, предназначенной преимущественно для работы в области высоких температур.

Известны охлаждаемые лопатки газовых турбин с тонкостенным полым пером, через которое организуют пропускание охлаждающей среды для обеспечения конвективного теплообмена. Такие лопатки имеют наиболее широкое распространение из-за простоты достижения охлаждающего эффекта. Однако они могут применяться для работы в относительно невысоком диапазоне температур, не превышающем 1500 1800 К. В области более высоких температур необходимо использовать дополнительные средства, обеспечивающие интенсификацию теплообмена при относительно небольшом расходе охлаждающей среды. В этом отношении эффективным решением является организация узких каналов в виде вихревой матрицы с помощью параллельных ребер на внутренней поверхности спинки и корыта пера лопатки, проходящих с наклоном к оси лопатки в противоположных направлениях и контактирующих вершинами в местах пересечения [1]
Вместе с тем, учитывая, что различные зоны лопатки газовой турбины находятся в разных условиях взаимодействия с рабочим газом, для обеспечения равномерного температурного поля необходимо организовывать различные средства теплообмена для отдельных зон. При этом наиболее отличаются по условиям теплообмена зоны у входной и выходной кромок пера лопатки и зона в средней части хорды профиля лопатки. В последней из указанных зон условия теплообмена наиболее благоприятны, а зона у входной кромки находится в наиболее тяжелых рабочих условиях. Равномерное температурное поле по профилю лопатки при наименьшем расходе охлаждающей среды по одному из решений обеспечивают за счет того, что полость пера лопатки выполнена с одной или более перегородками, разделяющими ее на отсеки, и с турболизаторами потока в переднем и заднем отсеках для обеспечения последовательного прохождения охлаждающей среды через переднюю зону, зону в средней части хорды профиля лопатки и заднюю зону с выходом охлаждающей среды в направлении потока рабочего газа [2] Известными и другие решения, в которых используют иные средства интенсификации теплообмена в переднем и заднем отсеках пера лопатки и обеспечивают равномерность температурного поля путем подачи дополнительного параллельного потока охлаждающей среды в задний отсек.

К числу таких решений, являющихся ближайшим аналогом изобретения, относится охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо с входной и выходной кромками и продольной перегородкой, расположенной с зазором относительно периферии пера и примыкающей к корневой части пера, разделяя его полость на передний и задний отсеки, из которых в переднем со стороны спинки и корыта выполнены параллельные ребра, наклоненные к оси лопатки со стороны спинки и корыта в противоположных направлениях, образуя межреберные каналы с контактированием вершин ребер в местах пересечения, а задний отсек выполнен со щелями для выхода охлаждающей среды [3]
Недостатком такой лопатки является необходимость повышенного расхода охлаждающей среды, которую подают параллельными потоками в передний и задний отсеки примерно с одинаковым расходом. Это обусловлено тем, что при сплошной перегородке между этими отсеками не удается обеспечить эффективное охлаждение заднего отсека пера лопатки с поддержанием в ней равномерного температурного поля в радиальном направлении.

В основу изобретения поставлена задача создания такой охлаждаемой лопатки газовой турбины, в которой при обеспечении интенсивного охлаждения входной кромки с использованием вихревой матрицы были бы созданы условия и для равномерного охлаждения в радиальном направлении заднего отсека пера лопатки с преимущественным направлением основной части потока охлаждающей среды через передний отсек пера лопатки.

Эта задача решена в охлаждаемой лопатке газовой турбины, содержащей полое перо с разделенными продольной перегородкой передним и задним отсеками, из которых первый выполнен с вихревой матрицей, а второй со щелями для выхода охлаждающей среды из пера лопатки, в которой в соответствии с сущностью изобретения продольная перегородка выполнена прерывистой в виде отдельных перемычек, которые перекрывают часть межреберных каналов, оставляя открытыми в задний отсек их другую часть.

Такое решение обеспечивает равномерный в радиальном направлении перепуск охлаждающей среды из переднего отсека в задний и тем самым поддержание в нем равномерного температурного поля. Для повышения степени равномерности температурного поля по перу лопатки целесообразно, чтобы прерывистая перегородка проходила в направлении ее протяжения с уклоном от корневой зоны к входной кромке. При этом условия охлаждения заднего отсека могут корректироваться относительно небольшим дополнительным потоком охлаждающей среды, подаваемым через дроссельное отверстие в корневой зоне.

Сущность изобретения и его преимущества поясняются следующим далее подробным описанием одного из примеров его реализации, изображенного на прилагаемых чертежах.

На фиг. 1 показана охлаждаемая лопатка газовой турбины, продольный разрез; на фиг 2. сечение лопатки А-А на фиг.1.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит перо 1 и замковую часть 2 (фиг. 1). Перо 1 выполнено полым с расположенными в передней и задней зонах вихревыми матрицами 3 и 4 соответственно Каждая из этих вихревых матриц представляет собой систему ребер 5 и 6 на спинке 7 и корыте 8 пера лопатки (фиг.2). Эти ребра на спинке 7 и корыте 8 расположены параллельно, но с наклоном к оси лопатки. При этом ребра 5 на спинке 7 и ребра 6 на корыте 8 имеют противоположные направления наклона к оси лопатки, пересекаясь друг с другом и контактируя своими вершинами в местах пересечения. Эти ребра образуют системы межреберных каналов 9.

Матрицы 3 и 4 (фиг.1) разделены узким каналом 10, проходящим в радиальном направлении вдоль всего пера и имеющим наклон от замковой части 2 к входной кромке II пера лопатки. Аналогичные радиальные каналы 12 и 13 проходят между матрицей 3 и входной кромкой II и между матрицей 4 и выходной кромкой 14 пера лопатки. Однако ширина этих каналов или зазоров между матрицами и кромками пера лопатки различна и устанавливается расчетным путем.

Передняя и задняя зоны пера 1 лопатки представляют собой отдельные отсеки 15 и 16, сообщенные у периферии пера, но разделенные от корневой зоны прерывистой перегородкой, образованной рядом перемычек 17, перекрывающих часть межреберных каналов 9 матрицы 3. Перемычки 17 расположены ступенчато в соответствии с положением ребер 5 и 6, являясь их продолжением по высоте в местах перекрытия межреберных каналов 9. Линия протяжения перемычек 17 вдоль пера имеет наклон от корневой зоны к входной кромке 11 (фиг.1).

В замковой части 2 лопатки выполнена полость 18 для ввода охлаждающей среды, в частности воздуха. От этой полости 18 задний отсек 16 отделен перегородкой 19, имеющей дроссельное отверстие 20. Для выпуска из заднего отсека воздуха в выходной кромке 14 выполнены щелевые каналы 21, разделенные ребрами 22.

При работе описанной лопатки основной поток охлаждающего воздуха из полости 18 проходит к вихревой матрице 3, поступая в передний отсек 15. Протекая через межреберные каналы 9, скрещивающиеся струи охлаждают внутреннюю поверхность передней зоны пера 1 лопатки и, соударяясь при выходе из каналов с входной кромкой 11, осуществляют ее охлаждение. При этом радиальный поток воздуха в канале 12 позволяет исключить образование застойных вихревых зон при таком струйном обдуве. От основного потока отделяется определенная часть, которая проникает между перемычками 17 в задний отсек 16. Двигаясь вдоль переднего отсека 15, воздушный поток сужается, благодаря чему его напор уменьшается незначительно. У периферии пера 1 воздушный поток поворачивает и поступает в задний отсек 16. После прохождения вихревой матрицы 4 воздух выходит через щелевые каналы 16 в проточную часть турбины.

Для корректировки распределения температурного поля в заднем отсеке 16 при стендовых испытаниях определяется необходимость дроссельного отверстия 20 и его размер.

Источники информации
1.Патент Великобритании N 1410014, F 01 D 5/18, 1975.

2.Патентная заявка Великобритании N 2061400, F 01 D 5/18, 1981.

3.Патент США N 3370829, F 01 D 5/18, 1968.

Использование: в турбостроении, а более точно - в охлаждаемой лопатке газовой турбины, предназначенной преимущественно для работы в области высоких температур. Сущность: охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо с входной и выходной кромками и продольной перегородкой, расположенной с зазором относительно периферии пера и примыкающей к корневой части, разделяя его полость на передний и задний отсеки, из которых в переднем со стороны стенки и корыта выполнены параллельные ребра, наклоненные к оси лопатки в противоположных направлениях и контактирующие между собой вершинами в местах пересечения с образованием каналов, при этом передний отсек сообщен с источником охлаждающей среды, а в выходной кромке выполнены щели для выпуска охлаждающей среды, перегородка выполнена прерывистой в виде разделенных перемычек, которые, перекрывая часть межреберных каналов, оставляют открытыми их другую часть для прохода охлаждающей среды из переднего в задний отсек. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо с входной и выходной кромками и продольной перегородкой, расположенной с зазором относительно периферии пера и примыкающей к корневой части пера, разделяя его полость на передний и задний отсеки, из которых в переднем со стороны спинки и корыта выполнены параллельные ребра, наклоненные к оси лопатки в противоположных направлениях по отношению друг к другу с указанных сторон и контактирующие между собой вершинами в местах пересечения с образованием межреберных каналов, при этом передний отсек в корневой части пера сообщен с источником охлаждающей среды, а в выходной кромке пера выполнены щели для выпуска охлаждающей среды из заднего отсека, отличающаяся тем, что перегородка выполнена прерывистой в виде разделенных перемычек, которые, перекрывая часть межреберных каналов, оставляют открытыми их другую часть для прохода охлаждающей среды из переднего в задний отсек. 2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что прерывистая перегородка проходит с наклоном в направлении входной кромки. 3. Лопатка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что перемычки выполнены в виде продолжений по высоте ребер между спинкой и корытом пера в местах их пересечений. 4. Лопатка по любому из пп.1 3, отличающаяся тем, что в перемычке, расположенной в корневой части пера, выполнено дроссельное отверстие.