ОХЛАЖДАЕМАЯ СОПЛОВАЯ ЛОПАТКА С ВИХРЕВОЙ МАТРИЦЕЙ Российский патент 1998 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к высокотемпературным газовым турбинам, применяемым в энергетических установках и авиационных ГТД.

На современном этапе развития газотурбинной техники разработка эффективных систем охлаждения высокотемпературных турбин является одной из актуальных проблем, решение которой имеет большое практическое значение. В настоящее время ведется интенсивная работа по усовершенствованию систем охлаждения горячих частей турбины, и в первую очередь, сопловых, рабочих лопаток, камер сгорания и дисков.

Известно, что в высокотемпературных турбинах сопловые лопатки I-ой и II-ой ступеней охлаждаемые. Широкое распространение получил конвективно-пленочный метод охлаждения сопловых лопаток I-ой ступени и конвективное охлаждение сопловых лопаток II-й ступени. В высокотемпературных авиационных ГТД наиболее широко применяются сопловые лопатки со вставным дефлектором и поперечным течением охлаждающего воздуха (см. В.П.Лукачев, В.П.Данильченко и др. "Выбор параметров и инженерные основы проектирования систем охлаждения элементов турбин авиационных ГТД", Куйбышев, 1983, с. 32, рис. 2.11).

В качестве ближайшего аналога предлагается устройство сопловой лопатки, представленной в патенте США N 3628880, кл. F 01 D 25/12, 1971 и содержащей в зоне дефлектора на внутренней поверхности стенок лопатки поперечные (относительно пера) ребра, обеспечивающие заданные проходные сечения каналов охлаждения, в зоне за дефлектором - штырьковые турболизаторы потока воздуха и в зоне выходной кромки - поперечные относительно пера ребра для уменьшения разности температур по профилю.

Ребра в зоне выходной кромки обеспечивают, кроме того, истечение охлаждающего воздуха из внутренней полости лопатки в направлении основного потока рабочего тела (газа), что существенно снижает потери его энергии на смешение.

Однако такой лопатке свойственны недостатки, снижающие надежность конструкции. При длительных испытаниях на лопатках в зоне штырьковых турболизаторов (вихревой матрицы) развиваются термоусталостные трещины. Сопловые лопатки приходится разбирать и заменять бракованные.

Целью изобретения является обеспечение надежности лопатки и повышение КПД ступени.

Указанная цель достигается выполнением вихревой матрицы в виде ребер, которые с одной стороны соединяются с ребрами в зоне дефлектора, а с другой стороны - с ребрами в зоне выходной кромки (см. фиг. 1).

На фиг. 2 и 3 представлена охлаждаемая сопловая лопатка с вихревой матрицей.

Во внутренней полости охлаждаемой сопловой лопатки 1 имеются:
- вихревая матрица 2;
- ребра 3, 4 на корыте и спинке лопатки;
- короткие ребра 5.

Ребра 3 на корыте лопатки переходят в ребра матрицы на корыте и переходят в короткие ребра 5. Ребра 4 на спинке лопатки переходят в ребра вихревой матрицы на спинке и переходят в короткие ребра 5.

Ребра вихревой матрицы на корыте и спинке лопатки расположены на расстоянии друг от друга и образуют каналы вихревой матрицы для прохода охлаждающего воздуха. Расположение ребер 3, 4 и 5 относительно друг друга зависит от выбранных геометрических параметров вихревой матрицы (шага ребер, угла наклона и т.д.).

Охлаждающий воздух по каналам между ребрами 3 на корыте и 4 на спинке поступает в каналы вихревой матрицы и выбрасывается в выходную кромку лопатки через каналы между ребрами 5.

Соединение ребер выходной матрицы с ребрами в зоне выходной кромки необходимо по следующим причинам:
- при наличии технологических ограничений на минимальную толщину стержня в зоне выходной кромки лопатки ~0,6 мм. В случае отсутствия ребер в зоне выходной кромки, площадь канала для охлаждающего воздуха после выхода из вихревой матрицы резко увеличивается в 2 раза. При этом падает скорость течения охлаждающего воздуха и уменьшается глубина охлаждения. Наличие ребер в зоне выходной кромки позволяет обеспечить требуемую площадь канала. Кроме того, в результате сохранения высокой скорости истечения воздуха и направления его по газовому потоку повышается КПД ступени.

В лопатке поперечные ребра в дефлекторной зоне на спинке и корыте переходят (соединены) в ребра вихревой матрицы и на выходе переходят (соединены) в поперечные короткие ребра в зоне выходных кромок. Охлаждающий воздух, проходя через систему каналов, образованных ребрами, выбрасывается в выходную кромку лопатки в направлении основного газового потока благодаря поперечным коротким ребрам в зоне выходной кромки. Использование изобретения позволит повысить надежность лопатки и КПД ступени. 3 ил.

Охлаждаемая сопловая лопатка с вихревой матрицей, содержащая ребра в дефлекторной зоне и в зоне выходной кромки, отличающаяся тем, что вихревая матрица выполнена в виде ребер, соединенных с ребрами в зоне дефлектора и с ребрами в зоне выходной кромки.