ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С СИСТЕМОЙ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛОЙ ПРОФИЛЬНОЙ ЧАСТИ ЛОПАТКИ Российский патент 2002 года по МПК F01D5/18 

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к охлаждению газотурбинного двигателя и, в частности, к усовершенствованию охлаждения профильной части и полок лопатки турбины высокого давления.

Уровень техники
Охлаждение профильных частей и полок турбинных лопаток с использованием комбинации охлаждения направленным потоком и пленочного охлаждения хорошо известно. Например, в качестве охлаждающего воздуха берется сжатый воздух, поступающий от компрессора двигателя, и направляется как на внешнюю (верхнюю), так и на внутреннюю (нижнюю) полки турбинной лопатки либо на одну из них, а также вводится во внутренний канал, расположенный в полости лопатки, для обеспечения направления охлаждающей среды на внутренние стенки лопатки или для обеспечения пленочного охлаждения по поверхности профильной части. Такие системы охлаждения описываются в патенте США N 5 352 091 от 4 октября 1994 г. на имя Силвестро (Sylvestro).

В патенте США N 5 142 859 от 4 октября 1992 г. на имя Глезер и др. (Giezer et аl.) описывается введение охлаждающего наружную полку воздуха во вставку в полости и направление его через отверстия во вставке на внутреннюю поверхность полости профильной части лопатки. Часть этой охлаждающей среды выводится в основной газовый поток через отверстия в задней кромке профильной части. Остальная часть этой охлаждающей среды (по оценкам Глезер и др. составляющая около 20%) удаляется из полости через отверстия во внутренней полке лопатки, смешивается с другим потоком охлаждающей среды и окончательно выводится в основной газовый поток в точке вблизи части уплотнения бандажа внутренней полки лопатки. Часть использованного охлаждающего воздуха выбрасывается в основной газовый поток с задней кромки профильной части под малым углом к направлению основного потока при обтекании им профильной части и с высоким числом Маха, что приводит лишь к малым потерям энергии от смешения охлаждающего воздуха и газов основного потока. Однако часть охлаждающей среды, выводимая в основной газовый поток вблизи части уплотнения бандажа внутренней полки лопатки или в другом подобном месте, при таком способе смешивания приведет к энергетическим потерям.

С учетом высокотемпературного окружения, в котором, как правило, работают такие лопатки, одной из сложных задач, стоящих при создании систем охлаждения профильной части таких лопаток, является введение относительно больших количеств использованного охлаждающего воздуха в поток газа с минимальными потерями и таким образом, чтобы обеспечивалось эффективное охлаждение стороны повышенного давления лопатки.

Другой задачей является повышение запаса давления, препятствующего противотоку, у заднего края внутреннего канала лопатки, особенно в случае осуществления пленочного местного охлаждения наружной поверхности лопатки, для того, чтобы снизить вероятность засасывания горячего газа в полость лопатки, что может привести к перегреву профильной части.

Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание профильной части лопатки для турбин высокого давления с улучшенной аэродинамической эффективностью и, следовательно, увеличение эффективности работы ступеней с рабочими и сопловыми лопатками за счет уменьшения потерь энергии из-за перемешивания вторичного потока, как было описано выше.

Другой задачей настоящего изобретения является решение вышеупомянутых проблем за счет повышения запаса сопротивления давлению противотока, которое может иметь место у выходных отверстий в профильной части.

Еще одной задачей настоящего изобретения является уменьшение объема охлаждающего воздуха, необходимого для охлаждения профильной части, за счет замещения, после изменения направления, части сжатого воздуха от компрессора, предназначенного для охлаждения профильной части, охлаждающим воздухом, использованным для направленного охлаждения полки.

Другой задачей настоящего изобретения является улучшение температурного градиента по высоте (от внутренней полки до внешней) профильной части лопатки, особенно в задней зоне, продлевая тем самым срок службы профильной части лопатки.

Конструкция устройства в соответствии с настоящим изобретением включает в себя газотурбинный двигатель с системой воздушного охлаждения профильной части лопатки турбинной секции, имеющий проходящий через него основной газовый тракт и включающий средства подачи охлаждающего воздуха от компрессорной секции газотурбинного двигателя к профильной части лопатки. Причем профильная часть лопатки включает стенку профильной части, имеющую внешний аэродинамический профиль и формирующую внутреннюю полость, и имеет по торцам полки, а также имеет заднюю зону, заканчивающуюся задней кромкой, и внутренний канал в полости, простирающейся от полки и связанной со средствами подачи охлаждающего воздуха таким образом, что обеспечивается прохождение части охлаждающего воздуха через внутренний канал в полость, и имеются выпускные щели для воздуха у задней кромки и вдоль профильной части в направлении, перпендикулярном пути основного потока газа, для выпуска газа из полости в основной газовый поток, причем профильная часть лопатки также связана со средствами подачи охлаждающего воздуха таким образом, чтобы направлять другую часть охлаждающего воздуха на полку, при этом усовершенствование заключается в наличии сформированного в полке отверстия так, чтобы осуществлялась связь с полостью в задней ее части между каналом и выходными щелями в задней зоне профильной части лопатки для выпуска охлаждающего воздуха, уже использованного для охлаждения полки, вместе с использованным охлаждающим воздухом из внутреннего канала.

Преимущество такой конструкции заключается в том, что весь охлаждающий воздух из внутренней полости профильной части, который не использован для пленочного охлаждения стороны повышенного давления профильной части, вводится в основной газовый поток с задней кромки лопатки с оптимальным числом Маха и под нужным углом, что уменьшает потери энергии двигателя за счет смешения газов.

Весь охлаждающий воздух, который направлялся на полку, а затем поступил в полость внутри профильной части, увеличит давление в зоне относительно низкого давления в задней зоне полости профильной части, таким образом препятствуя всасыванию горячих газов из основного потока, особенно при наличии пленочного охлаждения.

Кроме того, так как воздух, уже использованный для охлаждения полки, имеет более высокую температуру, он улучшит температурный градиент по высоте лопатки.

Перечень фигур чертежей
Фиг. 1 представляет вид сбоку поперечного сечения профильной части турбинной лопатки первой ступени турбины в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 представляет поперечное сечение в горизонтальной плоскости по линии 2-2 на фиг. 1.

Фиг. 3 представляет схематический вид части камеры сгорания, турбины и первой лопатки, а также компрессорной секции газотурбинного двигателя, на котором показаны движение потоков охлаждающего воздуха и основного газового потока относительно профильной части и полок лопатки турбины высокого давления.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Как показано на чертежах, профильная часть 10 лопатки первой ступени газовой турбины газотурбинного двигателя 1 имеет внутреннюю полку 12 и внешнюю полку 14. Профильная часть 10 включает стенку 16, формирующую, по крайней мере, одну полость 18. Стенка имеет переднюю кромку 20 по отношению к основному потоку газов, поступающему из камеры сгорания и обозначенному как газовый поток GF в газовом тракте. Как показано на фиг. 1, лопатки 10 первой ступени размещены в радиальной сотовой конструкции и крепятся с помощью крепежного элемента 40 за внутреннюю полку и с помощью бандажа 38 за внешнюю полку.

Полость 18 ограничена стенкой 16, которая имеет сторону 24 повышенного давления и сторону 26 низкого давления. Хотя на чертежах и не показано, стенка 16 должна иметь отверстия, связанные с полостью 18, для обеспечения пленочного охлаждения внешней поверхности стенки 16. Охлаждающий воздух подается в полость 18 по внутренним каналам 32 и 34, причем внутренний канал 34 расположен в передней зоне 28 профильной части лопатки, а внутренний канал 32 в задней зоне 30.

Охлаждающий воздух (CA на фиг. 3) от компрессорной секции 8 проходит через кольцевой воздушный канал 9, окружающий турбину, и через отверстия 42 в бандаже 38 поступает во внутренний канал 32. На сторонах повышенного и низкого давления внутреннего канала 32 могут быть выполнены выходные отверстия 44 для обеспечения направления воздуха на стенку 16, на ее внутреннюю поверхность соответственно и, возможно, для дальнейшего прохождения воздуха через отверстия в стенке 16 для образования охлаждающей пленки на внешней поверхности стенки 16. В любом случае направленный поток в полости 18, который не пошел на формирование пленочного охлаждения, будет проходить в заднюю зону 30 профильной части лопатки, обтекая выступы 36, и через выпускные щели 54 к задней кромке 22 профильной части. Выступы 36, расположенные на пути охлаждающего воздуха, поступающего из отверстий 44, повышают коэффициенты теплообмена стенки 16.

Воздушный поток, обтекая внутренний канал 32, образует у заднего края 33 канала 32 область низкого давления.

Охлаждающий воздух от компрессора направляется также через отверстия 46 в бандаже 38 на внешнюю полку 14. Аналогично, охлаждающий воздух от компрессора может быть направлен через отверстия 48 в крепежном элементе 40 так, чтобы он падал на внутреннюю полку 12. Хотя представленный вариант выполнения изобретения предусматривает попадание охлаждающей среды как на внутреннюю 12, так и на наружную 14 полки, другие варианты реализации, согласно настоящему изобретению, могут ограничиваться направлением охлаждающей среды только на одну из полок. В представленном варианте выполнения изобретения, когда охлаждающая среда направляется на обе полки, в обеих полках 14 и 12 имеются отверстия 50 и 52 соответственно, расположенные ниже по направлению потока основного газа в непосредственной близости от заднего края 33 внутреннего канала 32, для того, чтобы направить поток охлаждающего воздуха в заднюю часть полости 18 профильной части лопатки 10. Предпочтительно, чтобы отверстия 50 или 52 или и те и другие располагались вблизи заднего края 33 канала 32, чтобы за счет этого потока воздуха, который попадает в полость при относительно более высоком давлении, повысить давление в области с обычно низким давлением, расположенной за задним краем 33 внутреннего канала 32, и таким образом повысить общее давление в этой зоне для того, чтобы предотвратить засасывание горячих газов из потока газа GF, особенно в случаях, когда в конструкции турбинной лопатки используется пленочное охлаждение стороны повышенного давления профильной части. Это улучшает условия в отдельной области потока, сформированной непосредственно у заднего края канала, усиливая теплопередачу непосредственно в этой области. Однако отверстия 50 и 52 могут быть расположены и в другом месте за пределами внутреннего канала 32 в задней полости 18.

Охлаждающий воздух, который направляется на полки 12 и 14, имеет более высокую температуру, чем охлаждающие газы, проходящие через внутренний канал 32. Как известно из предшествующего уровня техники, включая патент США N 4 293 275 от 6 октября 1981 г. на имя Кобайачи и др. (Kobayashi et al.), температурный градиент вдоль размаха профильной части лопатки в промежутке между внутренней и наружной полками достигает существенного значения, причем наиболее высокие температуры образуются в средней части, а более низкие в области внутренней и наружной полок. За счет введения отработанного более горячего воздуха, использованного для охлаждения полок, через отверстия 50 и 52 в области наружной и внутренней полок соответственно температурный градиент стенок профильной части от входных отверстий 50 и 52 до выпускных щелей 54 будет сглаживаться, то есть уменьшаться, так как температура в области наружной полки и в области внутренней полки повысится и будет ближе к температуре воздуха в средней зоне.

При введении охлаждающей полки среды в основной газовый поток через полость 18 профильной части лопатки 10, а не через выходные отверстия в полке прямо в основной газовый тракт или за полкой лопатки вблизи уплотнения бандажа (как у Глейзер) давление внутри полости 18 может поддерживаться более высоким, чем высокое давление на стороне повышенного давления профильной части лопатки, что обеспечивает возможность размещения отверстий для формирования пленочного охлаждения на стороне повышенного давления профильной части выше по направлению потока, чем это может быть достигнуто для лопаток, описанных в предшествующем уровне техники.

Газотурбинный двигатель с системой воздушного охлаждения лопаток турбины, в частности профильной части лопаток, содержит проходящий через него основной газовый тракт и средства подачи охлаждающего воздуха от компрессорной секции газотурбинного двигателя к профильной части лопатки. Полки лопаток имеют отверстия, расположенные ниже внутреннего канала по направлению потока газа, для прохождения воздуха, использованного для охлаждения полки направленным потоком, в полость профильной части ниже внутреннего канала с целью увеличения давления в задней зоне профильной части. Осуществление изобретения позволяет улучшить температурный градиент по высоте профильной части лопатки. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газотурбинный двигатель с системой воздушного охлаждения лопаток турбины, в частности профильной части (10) лопатки, содержащий проходящий через него основной газовый тракт и средства подачи охлаждающего воздуха от компрессорной секции газотурбинного двигателя к профильной части (10) лопатки, имеющей стенку (16) профильной части, образующую внешний аэродинамический профиль и внутреннюю полость (18), полку (14), расположенную с торца профильной части, заднюю зону (30), заканчивающуюся задней кромкой (22), и внутренний канал (32) во внутренней полости (18), выполненной отходящей от полки (14) и связанной со средствами подачи охлаждающего воздуха с возможностью прохождения части охлаждающего воздуха через внутренний канал (32) и полость (18) к задней кромке (22), причем у задней кромки (22) вдоль профильной части (10) в направлении поперек пути основного потока газа выполнены выпускные щели (54) для выхода газа (воздуха) из полости (18) в основной газовый тракт, а профильная часть (10) лопатки также связана со средствами подачи охлаждающего воздуха с возможностью направления другой части охлаждающего воздуха на полку (14), при этом в полке (14) между внутренним каналом (32) и выпускными щелями (54) выполнено отверстие (50), связанное с полостью (18), отличающийся тем, что отверстие (50) расположено по направлению основного потока в области задней зоны (30) полости (18) профильной части (10) лопатки непосредственно за задним краем (33) внутреннего канала (32) с возможностью направления охлаждающего воздуха в указанную область полости (18) с повышением в данной области давления и выпуска через выпускные щели (54) части использованного на охлаждение полки (12) потока воздуха вместе с частью охлаждающего воздуха, поступившего в полость (18) из внутреннего канала (32). 2. Газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит вторую полку (12), расположенную с внутренней части профильной части лопатки, и второе отверстие (52), выполненное во второй полке (12) в области задней зоны профильной части лопатки, между внутренним каналом и выпускными щелями. 3. Способ охлаждения полой профильной части (10) лопатки, расположенной в основном газовом тракте в турбинной секции газотурбинного двигателя и имеющей по крайней мере одну полку (12 или 14), заднюю кромку (22) с выпускными щелями (54), при котором сначала направляют часть потока сжатого охлаждающего воздуха в полость (18) полой профильной части (10) лопатки через канал (32) в полой профильной части (10) к выпускным щелям в задней кромке профильной части лопатки и далее в основной газовый тракт под углом и с числом Маха, подобным соответствующим характеристикам потока в газовом тракте, а вторую часть потока направляют на полку (12 или 14), отличающийся тем, что после охлаждения полки вторую часть потока сжатого охлаждающего воздуха направляют в полую профильную часть (10) ниже по направлению потока канала (32) в полой профильной части (10) непосредственно за его задним краем с повышением давления в области задней зоны (30) профильной части (10) лопатки, затем направляют охлаждающий воздух первой и второй частей потока охлаждающего воздуха через выпускные щели (54) в задней кромке (22) профильной части (10) в основной газовый тракт со снижением температурного градиента вдоль размаха профильной части (10) лопатки.