ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2004 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может найти применение в конструкции охлаждаемых лопаток.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является лопатка газовой турбины, содержащая полое перо, состоящее из передней и задней полостей, разделенных перегородкой и имеющих дефлекторы с отверстиями; положение дефлекторов зафиксированы ребрами, а в стенке пера передней полости выполнены отверстия [1].

Недостатком данной конструкции является высокая неравномерность температурного поля в поперечном сечении пера, вызванная тем, что разделительная перегородка имеет низкую температуру по сравнению со стенками, контактирующими с газовым потоком. Это приводит к значительным термическим напряжениям в материале лопатки и, как следствие, к ее разрушению по малоцикловой усталости.

Задачей изобретения является уменьшение неравномерности температурного поля поперечного сечения пера и, соответственно, уменьшение величины термических напряжений в конструкции.

Эта задача решается тем, что предлагаемая охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо, состоящее из передней и задней полостей, разделенных перегородкой и снабженных дефлекторами с отверстиями, в стенке передней полоти пера выполнены отверстия, а на разделительной перегородке, со стороны задней полости, выполнено радиальное ребро с отверстиями, причем соотношение площадей отверстий в дефлекторе задней полости лопатки со стороны корыта и площади отверстий со стороны спинки находится в пределах от 0,5 до 0,65.

На фиг.1 изображен продольный разрез лопатки; на фиг.2 - разрез А-А фиг.1.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо 1, состоящее из передней полости 2 и задней полости 3, разделенных между собой перегородкой 4. В передней полости 2 и задней полости 3 установлены дефлекторы 5 и 6. В дефлекторах 5 и 6 выполнены отверстия 7 и 8 для струйного охлаждения стенок пера 1. Стенки пера 1 в передней полости 2 имеют отверстия для 9 для пленочного охлаждения наружных стенок пера 1. Положение дефлектора 5 в передней полости 2 фиксируется поперечными ребрами 10 и 11, а положение дефлектора 6 в задней полости 3 фиксируется поперечными ребрами 12 и 13, выполненными соответственно со стороны спинки и корыта, и радиальным ребром 14, выполненным на перегородке 4 в задней полости 3. Радиальное ребро 14 обеспечивает фиксированную геометрию канала между дефлектором 6 и поверхностью перегородки 4. В радиальном ребре 14 выполнены отверстия 15. Площадь поперечного сечения отверстий 15 обеспечивает сохранение требуемого распределения расхода воздуха в каналах охлаждения по высоте пера 1. Соотношение площадей отверстий 8 в дефлекторе задней полости лопатки со стороны корыта и спинки находится в пределах от 0,5 до 0,65. В выходной щели 16 пера установлены три ряда цилиндрических штырей 17.

Система охлаждения лопатки работает следующим образом. Воздух поступает в дефлекторы 5 и 6. Через отверстия 7 в стенках дефлектора 5 воздух струями натекает на внутреннюю поверхность стенок пера 1, охлаждает их, движется между стенками дефлектора 5 и пера 1 и вытекает в проточную часть турбины через отверстия 9. В задней полости 3 воздух через отверстия 8 осуществляет струйное охлаждение стенок пера 1. Далее со стороны корыта воздух движется по каналам между ребрами 13 в сторону выходной кромки 16. Со стороны спинки часть воздуха движется в каналах между ребрами 12 в сторону перегородки 4, нагревает ее и через отверстия 15 поступает в каналы корыта, расположенные между ребрами 13. Другая часть воздуха движется по каналам между ребрами 12 в щель выходной кромки 16. В выходной щели 16 воздух проходит через три ряда штырей 17 и вытекает в проточную часть турбины.

Соотношение площадей отверстий дефлектора 8 со стороны корыта и спинки 0,5-0,65 обеспечивает движение нагретого воздуха по поверхности перегородки 4, из каналов со стороны спинки. Таким образом, достигается увеличение температуры перегородки 4 и, соответственно, выравнивание температурного поля.

Выбор соотношения площадей отверстий со стороны корыта S_от.кор и спинки S_от.сп обусловлен необходимостью уменьшения температуры перегородки при сохранении требуемого уровня эффективности охлаждения θ, прилежащего к выходной кромке (θ=(Т*г

-Т_л)/(Т*г-Т_в), где Т_г* - температура газа, Т_л - температура поверхности лопатки, Т_в - температура воздуха). При этом суммарный расход воздуха через лопатку должен оставаться неизменным. Расчеты и эксперименты (фиг.3) позволили определить диапазон S_от.кор/S_от.сп, обеспечивающий максимальное уменьшение неравномерности температурного поля поперечных сечений пера.

Экспериментальные исследования на турбине показали, что обеспечивается уменьшение неравномерности температурного поля поперечного сечения лопатки на 70К и, соответственно, уменьшение термических напряжений на 23%.

Источник информации

1. Копелев С.З. Проектирование проточной части турбин авиационных двигателей. - М.: Машиностроение, 1984, стр.172, рис.7.2.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо, состоящее из передней и задней полостей, разделенных перегородкой и снабженных дефлекторами с отверстиями. В стенке передней полости пера выполнены отверстия. На разделительной перегородке со стороны задней полости выполнено радиальное ребро с отверстиями. Соотношение площадей отверстий в дефлекторе задней полости лопатки со стороны корыта и спинки находится в пределах от 0,5 до 0,65. Изобретение позволяет уменьшить неравномерность температурного поля поперечного сечения лопатки и, соответственно, уменьшить термические напряжения. 3 ил.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо, состоящее из передней и задней полостей, разделенных перегородкой и снабженных дефлекторами с отверстиями, в стенке передней полости пера выполнены отверстия, отличающаяся тем, что на разделительной перегородке со стороны задней полости выполнено радиальное ребро с отверстиями, а соотношение площадей отверстий в дефлекторе задней полости лопатки со стороны корыта и спинки находится в пределах от 0,5 до 0,65.