ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ Российский патент 2003 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано в высокотемпературных газовых турбинах.

Наиболее близкой охлаждаемой лопаткой турбины того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является охлаждаемая лопатка турбины, включающая полость подвода охлаждающего воздуха к передней кромке охлаждаемой лопатки турбины, полость выпуска охлаждающего воздуха, ребра перфорации, очистительные отверстия, полость подвода охлаждающего воздуха к задней кромке охлаждаемой лопатки турбины (см. Локай В.И. и др. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. Теория, конструирование, расчет. - М.: Машиностроение, 1991, с. 280, рис. 9.13 а) и принятая за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной охлаждаемой лопатки турбины, принятой за прототип, относится то, что в известной охлаждаемой лопатке турбины ее охлаждение осуществляется двумя методами, а именно: осуществляется внутреннее конвективное и внешнее пленочное охлаждение охлаждаемой лопатки турбины потоком сжатого охлаждающего воздуха. При охлаждении охлаждаемой лопатки турбины этими методами не используется энергия сжатого потока охлаждающего воздуха, а следовательно, такое охлаждение не может быть максимально эффективным.

Сущность изобретения заключается в обеспечении интенсивного охлаждения охлаждаемой лопатки турбины.

Технический результат - обеспечение эффективного охлаждения охлаждаемой лопатки турбины.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в предлагаемой охлаждаемой лопатке турбины, содержащей полость подвода охлаждающего воздуха к передней кромке охлаждаемой лопатки турбины, полость выпуска охлаждающего воздуха, ребра перфорации, очистительные отверстия, полость подвода охлаждающего воздуха к задней кромке охлаждаемой лопатки турбины, для охлаждения охлаждаемой лопатки турбины используется поверхность охлаждающих каналов и пленка охлаждающего воздуха, образованная его выходом через полости выпуска охлаждающего воздуха на внешнюю поверхность охлаждаемой лопатки турбины.

Особенность заключается в том, что для обеспечения более эффективного охлаждения охлаждаемой лопатки турбины полость подвода воздуха к передней кромке охлаждаемой лопатки турбины выполнена в виде тангенциального улиточного завихрителя, имеющего с одной стороны ограничительную диафрагму с отверстием в центральной части, соединяющим полость с каналом конвективного охлаждения передней кромки охлаждаемой лопатки турбины, а с другой стороны - цилиндрическую камеру разделения потока охлаждающего воздуха с ребром регулирования, площадь поперечного сечения которого равна 60% от площади поперечного сечения цилиндрической камеры разделения потока, соединенной с каналом пленочного охлаждения передней кромки охлаждаемой лопатки турбины, полость подвода воздуха задней кромки охлаждаемой лопатки турбины также выполнена в виде тангенциального улиточного завихрителя, имеющего с одной стороны ограничительную диафрагму с отверстием в центральной части, соединяющим полость с каналом конвективного охлаждения задней кромки охлаждаемой лопатки турбины, а с другой стороны - цилиндрическую камеру разделения потока охлаждающего воздуха с ребром регулирования, площадь поперечного сечения которого равна 60% от площади поперечного сечения цилиндрической камеры разделения потока, соединенной с каналом пленочного охлаждения задней кромки охлаждаемой лопатки турбины.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому результату отличительных признаков в заявленной установке, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности и пр.);
- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
- выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены, исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "'изобретательский уровень".

На чертежах представлено:
на фиг.1 изображена охлаждаемая лопатка турбины (прототип);
на фиг.2 представлена охлаждаемая лопатка турбины, предложенная авторами.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного результата, заключается в следующем.

Охлаждаемая лопатка турбины содержит полость подвода охлаждающего воздуха 1 к передней кромке охлаждаемой лопатки турбины, полость выпуска охлаждающего воздуха 2, ребра перфорации 3, 4, очистительные отверстия 5, полость подвода охлаждающего воздуха 6 к задней кромке охлаждаемой лопатки турбины, полость 1 выполнена в виде тангенциального улиточного завихрителя, имеющего с одной стороны ограничительную диафрагму 7 с отверстием 8 в центральной части, соединяющим полость с каналом конвективного охлаждения 9 передней кромки охлаждаемой лопатки турбины, а с другой стороны - цилиндрическую камеру разделения потока охлаждающего воздуха 10 передней кромки охлаждаемой лопатки турбины с ребром регулирования 11, площадь поперечного сечения которого равна 60% от площади поперечного сечения цилиндрической камеры разделения потока, соединенной с каналом пленочного охлаждения 12 передней кромки охлаждаемой лопатки турбины, полость подвода охлаждающего воздуха 6 задней кромки охлаждаемой лопатки турбины также выполнена в виде тангенциального улиточного завихрителя, имеющего с одной стороны ограничительную диафрагму 13 с отверстием 14 в центральной части, соединяющим полость 6 с каналом конвективного охлаждения 15 задней кромки охлаждаемой лопатки турбины, а с другой стороны - цилиндрическую камеру разделения потока охлаждающего воздуха 16 задней кромки с ребром регулирования 17, площадь поперечного сечения которого равна 60% от площади поперечного сечения цилиндрической камеры разделения потока, соединенной с каналом пленочного охлаждения 18 задней кромки охлаждаемой лопатки турбины.

Работа по охлаждению охлаждаемой лопатки турбины осуществляется следующим образом.

Охлаждаемая лопатка турбины имеет внутреннее конвективное и внешнее пленочное охлаждение. Охлаждающий сжатый воздух поступает в полость подвода 1 к передней кромке охлаждаемой лопатки турбины воздуха, выполненную в виде тангенциального улиточного завихрителя, где поток охлаждающего сжатого воздуха закручивается и в цилиндрической камере температурного разделения потока 10 охлаждающий воздух разделяется на холодный поток, движущийся через отверстие 8 в диафрагме 7 в канал конвективного охлаждения 9 передней кромки охлаждаемой лопатки турбины, при этом холодный поток имеет температуру ниже подаваемого охлаждающего потока воздуха, а горячий, направляемый из камеры разделения 10 в канал пленочного охлаждения 12 передней кромки охлаждаемой лопатки турбины через полость, образованную регулирующим ребром 11, ребром охлаждаемой лопатки турбины 3 и ее корнем, имеет температуру выше температуры исходного охлаждающего потока воздуха, но ниже температуры газа в межлопаточном пространстве. Эффективность охлаждения задней кромки охлаждаемой лопатки турбины, как и передней кромки, повышена за счет того, что в полости подвода к задней кромке охлаждаемой лопатки турбины воздуха 6, выполненной в виде тангенциального улиточного завихрителя, где поток охлаждающего сжатого воздуха, подаваемого на охлаждение задней кромки охлаждаемой лопатки турбины, закручивается, и в цилиндрической камере температурного разделения потока 16 воздух разделяется на холодный поток, движущийся через отверстие 14 в диафрагме 13 в канал конвективного охлаждения 15 задней кромки охлаждаемой лопатки турбины, при этом холодный поток имеет температуру ниже температуры подаваемого на охлаждение задней кромки охлаждаемой лопатки турбины охлаждающего потока воздуха, а горячий, направляемый из камеры разделения 16 в канал пленочного охлаждения 18 задней кромки охлаждаемой лопатки турбины, имеет температуру выше температуры исходного потока охлаждающего сжатого воздуха, но ниже температуры газа в межлопаточном пространстве. Так что температура лопатки стабилизируется, а охлаждение охлаждаемой лопатки турбины осуществляется более эффективно.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной установки следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленную установку при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в турбостроении, и может быть использовано в высокотемпературных газовых турбинах;
- для заявленной установки в том виде, как она охарактеризована в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Охлаждаемая лопатка турбины содержит полости подвода охлаждающего воздуха соответственно к передней и задней кромкам охлаждаемой лопатки турбины, полость выпуска охлаждающего воздуха, ребра перфорации, очистительные отверстия. Полость подвода воздуха к передней кромке охлаждаемой лопатки турбины выполнена в виде тангенциального улиточного завихрителя, имеющего с одной стороны ограничительную диафрагму с отверстием в центральной части, соединяющим полость с каналом конвективного охлаждения передней кромки охлаждаемой лопатки турбины, а с другой стороны - цилиндрическую камеру разделения потока охлаждающего воздуха передней кромки охлаждаемой лопатки с ребром регулирования, площадь поперечного сечения которого равна 60% площади поперечного сечения цилиндрической камеры разделения потока, соединенной с каналом пленочного охлаждения передней кромки охлаждаемой лопатки турбины. Полость подвода воздуха задней кромки охлаждаемой лопатки турбины также выполнена в виде тангенциального улиточного завихрителя, имеющего с одной стороны ограничительную диафрагму с отверстием в центральной части, соединяющим полость с каналом конвективного охлаждения задней кромки охлаждаемой лопатки турбины, а с другой стороны - цилиндрическую камеру разделения потока охлаждающего воздуха задней кромки охлаждаемой лопатки с ребром регулирования, площадь поперечного сечения которого равна 60% площади поперечного сечения цилиндрической камеры разделения потока, соединенной с каналом пленочного охлаждения задней кромки охлаждаемой лопатки турбины. Изобретение повышает эффективность охлаждения охлаждаемой лопатки турбины. 2 ил.

Охлаждаемая лопатка турбины, содержащая полость подвода охлаждающего воздуха к передней кромке охлаждаемой лопатки турбины, полость выпуска охлаждающего воздуха, ребра перфорации, очистительные отверстия, полость подвода охлаждающего воздуха к задней кромке охлаждаемой лопатки турбины, отличающаяся тем, что полость подвода воздуха к передней кромке охлаждаемой лопатки турбины выполнена в виде тангенциального улиточного завихрителя, имеющего с одной стороны ограничительную диафрагму с отверстием в центральной части, соединяющим полость с каналом конвективного охлаждения передней кромки охлаждаемой лопатки турбины, а с другой стороны - цилиндрическую камеру разделения потока охлаждающего воздуха передней кромки охлаждаемой лопатки с ребром регулирования, площадь поперечного сечения которого равна 60% площади поперечного сечения цилиндрической камеры разделения потока, соединенной с каналом пленочного охлаждения передней кромки охлаждаемой лопатки турбины, полость подвода воздуха задней кромки охлаждаемой лопатки турбины также выполнена в виде тангенциального улиточного завихрителя, имеющего с одной стороны ограничительную диафрагму с отверстием в центральной части, соединяющим полость с каналом конвективного охлаждения задней кромки охлаждаемой лопатки турбины, а с другой стороны - цилиндрическую камеру разделения потока охлаждающего воздуха задней кромки охлаждаемой лопатки с ребром регулирования, площадь поперечного сечения которого равна 60% площади поперечного сечения цилиндрической камеры разделения потока, соединенной с каналом пленочного охлаждения задней кромки охлаждаемой лопатки турбины.