ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК F01D5/18 

Изобретения относятся к охлаждаемым лопаткам турбомашин высокотемпературных газотурбинных двигателей.

Известна охлаждаемая лопатка турбомашины, содержащая перо с центральной полостью и радиальным каналом, расположенным в зоне входной кромки и сообщенным с центральной полостью и внешней поверхностью пера соответственно входными, выполненными относительно радиального канала тангенциальными, и выходными каналами [1].

В известной лопатке входные каналы направлены вдоль вогнутой поверхности пера, и воздух, поступая по ним из центральной полости в радиальный канал, охлаждает входную кромку, поворачивается и из выходных каналов попадает на внешнюю поверхность выпуклой части пера, создавая на ней пленочное охлаждение.

Недостатком известной лопатки является недостаточная эффективность ее охлаждения. Из-за выпуска воздуха из выходных каналов на выпуклую поверхность пера, ухудшается обтекание лопатки основным газом и за счет потерь воздуха уменьшается коэффициент полезного действия турбины. Пелена воздуха, выходящего через отверстия выходных каналов на выпуклую поверхность пера лопатки, порождает дополнительный температурный градиент между выпуклой и вогнутой поверхностями пера, что увеличивает термические напряжения в лопатке, снижая при этом ее ресурс. Кроме того, отверстия выходных каналов имеют острые кромки, которые являются концентраторами напряжения, также снижающими ресурс лопатки.

Задачей, на решение которой направлены варианты заявленного изобретения, является увеличение эффективности охлаждения лопатки и повышение КПД турбины, за счет уменьшения расхода охлаждающего воздуха, а также увеличение ресурса лопатки.

Технический результат достигается тем, что в охлаждаемой лопатке турбомашины, содержащей перо с центральной полостью и радиальным каналом, расположенным в зоне входной кромки и сообщенным с центральной полостью и внешней поверхностью пера соответственно входными, выполненными по отношению к радиальному каналу тангенциальными, и выходными каналами, по первому варианту ее выполнения, входные каналы выполнены вдоль выпуклой поверхности пера, а выходные каналы выполнены вдоль вогнутой поверхности пера и сообщены с внешней поверхностью пера в зоне выходной кромки, причем лопатка снабжена дополнительными выходными каналами, выполненными вдоль выпуклой поверхности пера и соединенными своими входами с центральной полостью, а выходами - с внешней поверхностью пера в зоне выходной кромки.

Кроме того, все выходные каналы могут быть выполнены с наклоном относительно продольной оси пера, часть выходных каналов может быть сообщена с внешней поверхностью пера в выходной кромке посредством по меньшей мере одного общего канала, соединенного своими входами с выходными каналами, а выходом - с выходной кромкой пера, лопатка может содержать радиальную перегородку, разделяющую центральную полость на переднюю и заднюю по потоку полости, причем передняя полость сообщена с радиальным каналом, а задняя полость сообщена с внешней поверхностью пера, а также задняя по потоку полость может быть дополнительно сообщена каналами с выходной кромкой пера.

По второму варианту выполнения изобретения в охлаждаемой лопатке турбомашины, содержащей перо с центральной полостью и радиальным каналом, расположенным в зоне входной кромки и сообщенным входными и выходными каналами соответственно с центральной полостью и внешней поверхностью пера, входные каналы выполнены вдоль выпуклой поверхности пера, а выходные каналы выполнены вдоль вогнутой поверхности пера и сообщены с внешней поверхностью пера в зоне выходной кромки, при этом каналы выполнены с наклоном относительно продольной оси пера, а лопатка снабжена дополнительными выходными каналами, выполненными вдоль выпуклой поверхности пера также с наклоном относительно его продольной оси и соединенными своими входами с центральной полостью, а выходами - с внешней поверхностью пера, причем одна часть этих выходов сообщена с внешней поверхностью пера в его выходной кромке, а другая часть - в радиальном торце пера.

Кроме того, лопатка может содержать радиальную перегородку, разделяющую центральную полость на переднюю и заднюю по потоку полости, причем передняя полость сообщена с радиальным каналом, а задняя полость сообщена с внешней поверхностью пера, а также задняя по потоку полость может быть дополнительно сообщена каналами с выходной кромкой пера.

В заявленных изобретениях выпуск воздуха, охлаждающего выпуклую поверхность пера, по выходным каналам, сообщающим центральную полость с внешней поверхностью пера в зоне выходной кромки, уменьшая расход охлаждающего воздуха, повышает эффективность охлаждения выпуклой поверхности пера, и увеличивает коэффициент полезного действия турбины. Выполнение этих каналов вдоль выпуклой поверхности пера позволяет производить отбор тепла близко к поверхности лопатки. Выполнение входных каналов вдоль выпуклой поверхности пера, а выходных каналов вдоль вогнутой поверхности пера и сообщение их с внешней поверхностью лопатки в зоне выходной кромки позволяет, благодаря сообщению радиального канала с зоной пониженного давления, произвести эффективное охлаждение наиболее нагретых частей лопатки, а именно входной кромки и вогнутой поверхности пера. Кроме того, за счет снижения температурного градиента между выпуклой и вогнутой поверхностями пера уменьшается уровень термических напряжений, возникающих в конструкции лопатки. Выпуск воздуха через заднюю кромку пера позволяет избежать наличия на поверхности пера отверстий выходных каналов, имеющих острые кромки и являющихся концентраторами напряжения, снижающими ресурс лопатки.

Разделение центральной полости радиальной перегородкой на переднюю и заднюю по потоку полости, соответственно связанных с радиальным каналом и с внешней поверхностью пера, приводит к образованию в лопатке двух самостоятельных каналов охлаждения. При этом увеличивается активная теплоотдача от входной кромки к охлаждающему воздуху через поверхность радиального канала, за счет более интенсивного вихревого течения в нем.

Дополнительное сообщение центральной полости лопатки каналами с выходной кромкой пера организует более эффективное охлаждение этой кромки.

Выполнение выходных каналов с наклоном относительно продольной оси пера предохраняет полости каналов от застревания в них посторонних примесей воздуха, таких как пыль или песок, что также в конечном итоге увеличивает ресурс лопатки.

Наличие общего канала, сообщенного своими входами с выходными каналами, а выходом - с задней кромкой пера лопатки, позволяет при наклонном выполнении каналов организовать вывод всех выходных каналов на заднюю кромку пера.

Вариант выведения части выходных каналов на торцевую поверхность пера предусматривает защиту торцевой кромки лопатки от прогаров.

Изобретение поясняется графически, где на фиг.1 показан продольный разрез охлаждаемой рабочей лопатки газовой турбины по первому варианту ее выполнения, на фиг.2 - продольный разрез охлаждаемой рабочей лопатки газовой турбины по второму варианту ее выполнения; на фиг.3 - поперечный разрез лопатки с центральной полостью без радиальной перегородки; на фиг.4 - поперечный разрез лопатки с центральной полостью с радиальной перегородкой.

Охлаждаемая рабочая лопатка газовой турбины содержит полое перо, образованное выпуклой 1 и вогнутой 2 поверхностями и входной 3 и выходной 4 кромками. Внутри пера выполнены центральная полость 5 и радиальный канал 6 круглого сечения, расположенный в зоне входной кромки 3 пера и сообщенный чередующимися по высоте входными 7 и выходными 8 каналами с центральной полостью 5 и внешней поверхностью пера в зоне выходной кромки 4. Входные каналы 7 направлены вдоль выпуклой 1 поверхности пера, а выходные каналы 8 выполнены вдоль его вогнутой поверхности 2. Центральная полость 5 сообщена также с выходной кромкой 4 выходными каналами 9, выполненными вдоль выпуклой поверхности 1. Выходные каналы 8 и 9 наклонены по отношению к продольной оси пера.

Центральная полость 5 посредством радиальной перегородки 10 может быть разделена на две независимых полости 11, 12, одна из которых (передняя полость 11) соединена с радиальным каналом 6, а другая (задняя полость 12) соединена с выходной кромкой 4. Полость 12 со стороны выходной кромки 4 соединена с этой кромкой 4 дополнительными каналами 13.

По одному варианту выполнения лопатки, из-за наклона выходных каналов 8 и 9 относительно продольной оси пера и для обеспечения сообщения всех каналов 8 и 9 с внешней поверхностью пера в его выходной кромке 4, часть этих каналов может быть выведена в общий канал 14, выполненный вблизи торцевой поверхности 15 пера лопатки и сообщенный с выходной кромкой 4.

По другому варианту выполнения лопатки часть наклонных выходных каналов 9 непосредственно выведена на торцевую поверхность 15 пера.

Лопатка турбомашины охлаждается следующим образом,

Охлаждающий воздух, поступающий в центральную полость 5, разделяется на два потока. Одна часть охлаждающего воздуха, предназначенная для охлаждения входной кромки 3, поступает по входным каналам 7 в радиальный канал 6, внутри которого образуется интенсивное вихревое течение, вызывающего активную теплоотдачу от входной кромки 3 и вогнутой поверхности 2 пера к охлаждающему воздуху через поверхности радиального канала 6 и входных 7 и выходных 8 каналов, и выпускается в газовоздушный тракт турбины через отверстие 16 в выходной кромке 4. Другая часть охлаждающего воздуха, проходя по каналам 9, охлаждает выпуклую поверхность 1 пера и выходную кромку 4 и выпускается в газовоздушный тракт турбины также через отверстие 16 в выходной кромке 4. При выполнении лопатки с наклонными по отношению к продольной оси пера выходными каналами 8 и 9, воздух из части этих каналов поступает в канал 14, а уже из него через отверстие 16 в газовоздушный тракт турбины.

Возможен вариант выполнения лопатки с выпуском воздуха из части выходных каналов 9 на торцевую поверхность 15 пера, при этом выпущенный воздух будет охлаждать эту поверхность 15, предохраняя тем самым кромку торцевой поверхности лопатки от перегрева.

Центральная полость 5 может быть разделена на две отдельные полости 11, 12. При таком разделении увеличивается активная теплоотдача от входной кромки 3 к охлаждающему воздуху через поверхность радиального канала 6, за счет более интенсивного вихревого течения в нем.

Для более интенсивного охлаждения выходной кромки пера предусмотрены каналы 13, сообщающие центральную полость 5 с отверстием 16 в выходной кромке 4. В этом случае поток охлаждающего воздуха из полости 12 разделяется на две части, одна из которых по каналам 9 идет на охлаждение выпуклой поверхности 1 пера лопатки, а другая - по каналам 13 на охлаждение выходной кромки 4.

Изобретение позволяет уменьшить расход охлаждающего воздуха, используемого для вентиляции данной лопатки и, соответственно, повысить коэффициент полезного действия двигателя, а также повысить ресурс лопатки.

Источник информации

1. Патент RU №2117768 C1, F 01 D 5/18, 1998 г.

Охлаждаемая лопатка турбомашины содержит перо с центральной полостью и радиальным каналом, расположенным в зоне входной кромки и сообщенным чередующимися по высоте входными и выходными каналами соответственно с центральной полостью и внешней поверхностью пера. Входные каналы выполнены вдоль выпуклой поверхности пера. Выходные каналы выполнены вдоль вогнутой поверхности пера и сообщены с внешней поверхностью пера в его выходной кромке. Лопатка снабжена дополнительными выходными каналами, выполненными вдоль выпуклой поверхности пера и соединенными своими входами с центральной полостью, а выходами - с внешней поверхностью пера в его выходной кромке. Все выходные каналы выполнены с наклоном относительно продольной оси пера, и часть из них сообщена с внешней поверхностью пера в выходной кромке посредством общего канала, соединенного своими входами с выходными каналами, а выходом - с выходной кромкой пера. По другому варианту выполнения лопатки часть наклонных выходных каналов непосредственно выведена на торцевую поверхность пера. Изобретение позволяет уменьшить расход охлаждающего воздуха, используемого для вентиляции данной лопатки, и, соответственно, повысить коэффициент полезного действия двигателя, а также повысить ресурс лопатки. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Охлаждаемая лопатка турбомашины, содержащая перо с центральной полостью и радиальным каналом, расположенным в зоне входной кромки и сообщенным чередующимися по высоте входными и выходными каналами соответственно с центральной полостью и внешней поверхностью пера, отличающаяся тем, что входные каналы выполнены вдоль выпуклой поверхности пера, а выходные каналы выполнены вдоль вогнутой поверхности пера и сообщены с внешней поверхностью пера в его выходной кромке, причем лопатка снабжена дополнительными выходными каналами, выполненными вдоль выпуклой поверхности пера и соединенными своими входами с центральной полостью, а выходами - с внешней поверхностью пера в его выходной кромке, при этом все выходные каналы выполнены с наклоном относительно продольной оси пера и часть из них сообщена с внешней поверхностью пера посредством общего канала, соединенного своими входами с выходными каналами, а выходом - с выходной кромкой пера.2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит радиальную перегородку, разделяющую центральную полость на переднюю и заднюю по потоку полости, причем передняя полость сообщена с радиальным каналом, а задняя полость сообщена с внешней поверхностью пера в его выходной кромке.3. Лопатка по п.2, отличающаяся тем, что задняя полость дополнительно сообщена каналами с выходной кромкой пера.4. Охлаждаемая лопатка турбомашины, содержащая перо с центральной полостью и радиальным каналом, расположенным в зоне входной кромки и сообщенным чередующимися по высоте входными и выходными каналами соответственно с центральной полостью и внешней поверхностью пера, отличающаяся тем, что входные каналы выполнены вдоль выпуклой поверхности пера, а выходные каналы выполнены вдоль вогнутой поверхности пера и сообщены с внешней поверхностью пера в его выходной кромке, при этом каналы выполнены с наклоном относительно продольной оси пера, а лопатка снабжена дополнительными выходными каналами, выполненными вдоль выпуклой поверхности пера также с наклоном относительно его продольной оси и соединенными своими входами с центральной полостью, а выходами - с внешней поверхностью пера, причем одна часть этих выходов сообщена с внешней поверхностью пера в его выходной кромке, а другая часть - в радиальном торце пера.5. Лопатка по п.4, отличающаяся тем, что она содержит радиальную перегородку, разделяющую центральную полость на переднюю и заднюю по потоку полости, причем передняя полость сообщена с радиальным каналом, а задняя полость сообщена с внешней поверхностью пера в его выходной кромке.6. Лопатка по п.5, отличающаяся тем, что задняя полость дополнительно сообщена каналами с выходной кромкой пера.