ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 1998 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к охлаждаемым лопаткам турбомашин высокотемпературных газотурбинных двигателей.

Известна охлаждаемая лопатка турбомашины, содержащая полое перо с центральной полостью и радиальным каналом, расположенным в зоне входной кромки и сообщен входными и выходными каналами с центральной полостью и внешней поверхностью пера [1]. Охлаждающий воздух, поступающий в радиальный канал, натекает на внутреннюю поверхность входной кромки и через перфорационные отверстия вытекает на наружную поверхность входной кромки, создавая на ней пленочное охлаждение. Для создания надежного охлаждения это решение требует довольно большого расхода охлаждающего воздуха.

Известна также охлаждаемая лопатка турбомашины, содержащая перо с центральной полостью и радиальным каналом, расположенным в зоне входной кромки и сообщенным чередующимися по высоте входными и выходными каналами с центральной полостью и внешней поверхностью выпуклой части пера, причем выходные каналы выполнены тангенциальными относительно радиального канала [2] . Охлаждающий воздух, поступая из центральной полости, охлаждает входную кромку, поворачивается и через тангенциальные отверстия попадает на внешнюю поверхность выпуклой части пера, создавая на ней пленочное охлаждение.

К положительным моментам такого решения следует отнести и более малый расход охлаждающего воздуха и возможность работать с охлаждающим воздухом, имеющим низкое давление. Однако эффективность такого охлаждения довольно низка, так как охлаждение входной кромки пера организовано довольно плохо. Такая лопатка для высокотемпературных турбин непригодна.

Задача изобретения увеличение эффективности охлаждения лопатки.

Эта задача достигается тем, что в охлаждаемой лопатке турбомашины, содержащей перо с центральной полостью и радиальным каналом, расположенным в зоне входной кромки и сообщенным чередующимися по высоте входными и выходными каналами с центральной полостью и внешней поверхностью выпуклой части пера, причем выходные каналы выполнены тангенциальными относительно радиального канала, входные каналы выполнены тангенциальными относительно радиального канала и направлены вдоль внутренней поверхности вогнутой части пера, а отношение площадей проходных сечений выходных (F_вых.) и входных F_вх. каналов выбрано в интервале
4,2 > F_вых. / F_вх. > 1,7
Выполнение входных каналов тангенциальными относительно радиального канала позволяет охлаждающему воздуху двигаться наиболее оптимально с точки зрения охлаждения входной кромки лопатки, а именно, разгоняясь до высоких значений скоростей во входных тангенциальных каналах, охлаждающий воздух поступает в радиальный канал, вращаясь вокруг его оси, образует интенсивное вихревое течение. В результате чего происходит интенсивный отвод тепла от горячей входной кромки к охлаждающему воздуху и более холодным частям лопатки, после чего подогретый охлаждающий воздух через тангенциальные выходные каналы вытекает на внешнюю поверхность выпуклой части пера. Вихревое течение охлаждающего воздуха значительно повышает охлаждающую способность воздуха. Кроме того, направление входного канала вдоль внутренней поверхности вогнутой части пера позволяет направить самый холодный воздух в самое теплонапряженное место лопатки.

По доводу интервала значений F_вых. / F_вх. следует отметить следующее. Величина эффективности охлаждения по данным экспериментальных исследований напрямую связана с величиной относительной скорости во входных каналах. Назначение F_вых. / F_вх. < 1,7 неприемлемо, так как приводит к уменьшению относительной скорости во входных каналах, следствием чего явится снижение эффективности охлаждения входной кромки ниже требуемого уровня. Назначение F_вых. / F_вх. > 4,3 нерентабельно в силу того, что при дальнейшем возрастании отношения площадей F_вых./F_вх. повышения эффективности охлаждения практически не происходит, а зато возрастают профильные потери в решетке рабочего колеса турбины.

На фиг. 1 показан продольный разрез охлаждаемой рабочей лопатки газовой турбины; на фиг. 2 - сечение А-А по оси входного канала.

Охлаждаемая рабочая лопатка газовой турбины содержит полое перо 1 с центральной полостью 2 и радиальным каналом 3 круглого сечения, расположенным в зоне входной кромки 4 пера 1 и сообщенным чередующимся по высоте входными 5 и выходными 6 каналами с центральной полостью 2 и внешней поверхностью выпуклой части 7 пера 1. Входные каналы 5 и выходные 6 каналы выполнены тангенциальными относительно радиального канала 3. Входные каналы 5 направлены вдоль внутренней поверхности 8 вогнутой части 9 пера 1. Отношение площадей проходных сечений выходных 6 и входных 5 каналов выполнено равным 2,9. В центральной полости 2 перед выходной кромкой 10 выполнены штырьки 11 для интенсификации охлаждения. Поверхность 12 радиального канала 3, находящаяся между входными 5 и выходными 6 каналами, расположена в зоне входной кромки 4 пера 1 лопатки.

Лопатка турбомашины охлаждается следующим образом. Охлаждающий воздух, поступающий в центральную полость 2, разделяется на два потока. Одна часть охлаждающего воздуха проходит между штырьками 11 к выходной кромке 10. Другая часть, предназначенная для охлаждения входной кромки 4 пера 1, разгоняется во входных каналах 5, поступая с относительно высокой скоростью в радиальный канал 3, внутри которого образуется интенсивное вихревое течение, вызывающее активную теплоотдачу от входной кромки 4 к охлаждающему воздуху через поверхности радиального 3, входных 5 и выходных 6 каналов. Через выходные каналы 6 подогретый воздух поступает на внешнюю поверхность выпуклой части 7 пера 1, создавая на ней пленочное охлаждение.

Таким образом, такая лопатка имеет высокую эффективность охлаждения при минимальных расходах охлаждающего воздуха.

Источники информации:
1. Патент Франции N 2592092, МКИ F 01 D 5/18, опубл. 1987 г.

2. Патент США N 4507051, МКИ 116-97, опубл. 1985 г.

Охлаждающий воздух, поступающий в центральную полость (2), разделяется на два потока. Один из них проходит между штырьками (11) к выходной кромке (10). Другой поток, предназначенный для охлаждения входной кромки (4) пера (1), разгоняется во входных каналах (5), поступая с относительно высокой скоростью в радиальный канал (3), внутри которого образуется интенсивное вихревое течение, вызывающее активную теплоотдачу от входной кромки (4) к воздушному потоку. Через выходные каналы (6) подогретый воздух поступает на внешнюю поверхность выпуклой части пера (1), создавая на ней пленочное охлаждение. Использование изобретения позволит увеличить эффективность охлаждения лопатки. 2 ил.

Охлаждаемая лопатка турбомашины, содержащая перо с центральной полостью и радиальным каналом, расположенным в зоне входной кромки и сообщенным чередующимися по высоте входными и выходными каналами с центральной полостью и внешней поверхностью выпуклой части пера, причем выходные каналы выполнены тангенциальными относительно радиального канала, отличающаяся тем, что входные каналы выполнены тангенциальными относительно радиального канала и направлены вдоль внутренней поверхности вогнутой части пера, а отношение площадей проходных сечений выходных и входных каналов выбрано в интервале 4,2 > F_выхода / F_входа > 1,7.