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

Изобретение относится к охлаждаемым лопаткам турбомашин высокотемпературных газотурбинных двигателей.

Известна охлаждаемая лопатка турбомашины, содержащая полое перо с выпуклой и вогнутой наружными поверхностями, сопряженными между собой входной и выходной кромками [1].

Данная лопатка имеет центральную полость и сообщенный с ней тангенциальными отверстиями радиальный канал, расположенный в зоне входной кромки пера, и обладает достаточно высокой эффективностью охлаждения, особенно зоны входной кромки и выпуклой поверхности пера, благодаря сообщению радиального канала через отверстия выходных каналов с зоной пониженного давления, расположенной на выпуклой наружной поверхности пера лопатки.

Основным недостатком известной лопатки является разница температур на выпуклой и вогнутой наружных поверхностях пера, которая приводит к дополнительным термическим напряжениям в конструкции лопатки. Кроме того, пелена воздуха, выходящего через отверстия выходных каналов на выпуклую поверхность пера лопатки, порождает дополнительный температурный градиент между выпуклой и вогнутой поверхностями пера, что еще более увеличивает термические напряжения в лопатке, и, как следствие, напряжения в целом.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение надежности и долговечности лопаток турбомашин за счет уменьшения уровня термических напряжений, возникающих в конструкции лопатки, путем уменьшения температурного градиента между выпуклой и вогнутой наружными поверхностями пера.

Технический результат достигается тем, что в охлаждаемой лопатке турбомашины, содержащей полое перо с выпуклой и вогнутой наружными поверхностями, сопряженными между собой входной и выходной кромками, вогнутая поверхность пера и зоны входной кромки и выходной кромки со стороны вогнутой поверхности пера выполнены с теплозащитным покрытием, причем длина зоны покрытия на входной кромке пера со стороны выпуклой поверхности вдоль его хорды не превышает 0,12 длины хорды.

Кроме того, в зоне входной кромки со стороны выпуклой поверхности пера и в зоне выходной кромки теплозащитное покрытие выполнено с толщиной, плавно убывающей до наружной поверхности пера, а для лопатки с охлаждающими отверстиями на выпуклой поверхности пера теплозащитное покрытие в зоне входной кромки выполнено до первого ряда охлаждающих отверстий.

Выполнение наиболее нагретых частей лопатки, а именно вогнутой поверхности пера, зоны входной кромки (несмотря на то, что выше отмечалась достаточно высокая эффективность охлаждения входной кромки в известной лопатке [1], температура в этой зоне осталась выше, чем в других зонах, особенно на выпуклой поверхности пера) и зоны выходной кромки, с теплозащитным покрытием позволяет снизить температуру этих элементов и приблизить их температурный уровень к температурному уровню выпуклой поверхности пера лопатки.

Ограничение зоны покрытия на входной кромке на выпуклой поверхности пера вдоль его хорды до 0,12 длины хорды обусловлено тем, что дальнейшее увеличение зоны покрытия повлечет снижение температуры на выпуклой поверхности пера и увеличению температурного градиента между выпуклой и вогнутой поверхностями.

Выполнение теплозащитного покрытия в зоне выходной кромки только со стороны вогнутой поверхности пера обусловлено тем, что на этом участке выходной кромки температура приближена по значению к температуре вогнутой поверхности пера, тогда как на других участках она более низкая, и, кроме того, большинство современных лопаток турбомашин выполнены с щелевым каналом на задней кромке для выпуска охлаждающего воздуха, так что торцевая часть кромки охлаждается воздушным потоком, выходящим через щелевой канал задней кромки.

Выполнение теплозащитного покрытия в зоне входной кромки со стороны выпуклой поверхности пера и в зоне выходной кромки с толщиной, плавно убывающей до наружной поверхности пера, усиливает эффект снижения термических напряжений, поскольку изменение температуры от покрытых теплозащитным покрытием элементов лопатки к непокрытым элементам будет протекать более плавно.

Для лопаток, имеющих охлаждающие отверстия на выпуклой поверхности пера (например, известной [1]), нанесение теплозащитного покрытия в зоне входной кромки целесообразно до первого ряда охлаждающих отверстий, размещенных, как правило, на расстоянии, не превышающем 0,12 длины хорды пера, поскольку через эти отверстия выходит воздух, охлаждающий выпуклую часть пера.

На фиг. 1 показан общий вид лопатки турбомашины; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.

Охлаждаемая лопатка турбомашины содержит полое перо 1 с центральной полостью 2 и радиальным каналом 3, расположенным в зоне входной кромки 4 пера 1 и сообщенным входными и выходными каналами 5 и 6 с центральной полостью 2 и выпуклой наружной поверхностью 7 пера 1. Вогнутая наружная поверхность 8 пера 1 и зоны входной кромки 4 и выходной кромки 9 со стороны вогнутой поверхности 8 покрыты теплозащитным покрытием 10. Толщина покрытия 10 в зоне входной кромки 4 со стороны выпуклой поверхности 7 пера 1 и в зоне выходной кромки 9 плавно убывает и сходит "на нет" до наружной поверхности пера.

Со стороны выпуклой поверхности 7 пера 1 входная кромка 4 покрыта теплозащитным покрытием 10 до первого ряда отверстий выходных каналов 6, что по хорде b не превышает 0,12 ее длины.

Лопатка турбомашины охлаждается следующим образом.

Охлаждающий воздух поступает из системы охлаждения турбины в центральный канал 2, из которого через входные отверстия 5 поступает в радиальный канал 3, внутри которого образуется интенсивное вихревое течение, вызывающее активный теплоотвод от входной кромки 4 по всей высоте радиального канала к охлаждающему воздуху. Через отверстия выходных каналов 6 воздух поступает на выпуклую наружную поверхность 7 пера 1, создавая на ней дополнительное пленочное охлаждение.

Одновременно воздух из центральной полости 2 поступает в щелевой канал 11 задней кромки 9, охлаждая при этом зону выходной кромки 9, и далее выпускается в газовоздушный тракт турбины.

Реализация такого охлаждения значительно снижает температуру на выпуклой поверхности 7 пера 1 и в зонах входной и выходной кромок 4, 9 со стороны выпуклой поверхности 7 пера 1.

Теплозащитное покрытие, покрывающее вогнутую поверхность 8 пера 1, зону входной кромки 4 и зону выходной кромки 9 со стороны вогнутой поверхности 8 пера 1, снижает температуру на этих участках, тем самым приближая уровень температуры пера со стороны вогнутой поверхности 8 и входной и выходной кромок 4, 9 к температуре пера со стороны его выпуклой поверхности 7. Это снижает термические напряжения в конструкции лопатки. Эффект снижения термических напряжений усиливается выполнением теплозащитного покрытия с плавно убывающей до наружной поверхности пера толщиной в зоне входной кромки со стороны выпуклой поверхности пера и в зоне выходной кромки, поскольку изменение температуры от покрытых теплозащитным покрытием элементам лопатки к непокрытым элементам протекает более плавно.

Дополнительный эффект от реализации теплозащитного покрытия проявляется в том, что снижается общий температурный уровень всей лопатки, что увеличивает уровень допустимых напряжений в ее конструкции, тем самым повышая запас прочности. Это, с одной стороны, увеличивает ресурс лопатки, а с другой - повышает ее надежность.

Литература
1. Патент RU 2117768 C1, кл. F 01 D 5/18, 1998.

Охлаждаемая лопатка турбомашины газотурбинного двигателя содержит полое перо с выпуклой и вогнутой наружными поверхностями, сопряженными между собой входной и выходной кромками. Вогнутая поверхность пера и зоны входной кромки и выходной кромки со стороны вогнутой поверхности выполнены с теплозащитным покрытием. Длина зоны покрытия на входной кромке пера со стороны выпуклой поверхности пера вдоль его хорды не превышает 0,12 длины хорды. Теплозащитное покрытие в зоне входной кромки со стороны выпуклой поверхности пера и в зоне выходной кромки выполнено с толщиной, плавно убывающей до наружной поверхности пера. Изобретение позволяет повысить надежность и ресурс охлаждаемых лопаток турбомашин за счет уменьшения температурного градиента между выпуклой и вогнутой поверхностями пера. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Охлаждаемая лопатка турбомашины, содержащая полое перо с выпуклой и вогнутой наружными поверхностями, сопряженными между собой входной и выходной кромками, отличающаяся тем, что вогнутая поверхность пера и зоны входной и выходной кромок со стороны вогнутой поверхности пера выполнены с теплозащитным покрытием, причем длина зоны покрытия на входной кромке пера со стороны выпуклой поверхности вдоль его хорды не превышает 0,12 длины хорды. 2. Охлаждаемая лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что теплозащитное покрытие в зоне входной кромки со стороны выпуклой поверхности пера и в зоне выходной кромки выполнено с толщиной, плавно убывающей до наружной поверхности пера. 3. Охлаждаемая лопатка по любому из пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что для лопатки с охлаждающими отверстиями на выпуклой поверхности пера теплозащитное покрытие в зоне входной кромки выполнено до первого ряда охлаждающих отверстий.