ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ Российский патент 2005 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при охлаждении лопаток высокотемпературных газовых турбин.

Известна полая охлаждаемая лопатка турбины (см., например, патент США №3301527, НКИ 253-39.1), которая содержит наружный корпус и вложенный в него дефлектор. Воздух, используемый в качестве охладителя, подается в полость дефлектора и через отверстия в его носике натекает на внутреннюю поверхность входной кромки профиля. Далее охладитель, обтекая входную кромку, поступает в каналы спинки и корытца лопатки, образованные внутренней ее поверхностью и наружной стенкой дефлектора, проходит их и через отверстия в выходной кромке вытекает в проточную часть турбины. Лопатка не содержит конструктивных элементов, способствующих снижению ее температуры, поэтому получение низких температур металла требует повышенных расходов охладителя.

Известна также другая охлаждаемая лопатка турбины с поперечным течением охладителя, выбранная в качестве прототипа (см., например, книгу Копелева С.3. "Охлаждаемые лопатки газовых турбин (тепловой расчет и профилирование)". - М.: Наука, 1983 г., рис.2.4), Лопатка, как и в первом случае, состоит из наружного корпуса и вложенного в него дефлектора. Охлаждающий воздух поступает внутрь полости дефлектора, через отверстия в его носике выдувается на внутреннюю поверхность входной кромки, обтекает ее и, пройдя каналы спинки и корытца лопатки, через отверстия выходной кромки вытекает в проточную часть турбины. Отличительной ее особенностью является наличие ребер на наиболее ответственных участках тракта охлаждения. Для улучшения охлаждения входной кромки применены ребра, образованные дугой внутреннего радиуса входной кромки лопатки и стягивающей ее хордой. Для повышения эффективности охлаждения спинки и корытца профиля в этих зонах используются ребра на соответствующих внутренних поверхностях. При этом совсем не обязательно, чтобы ребра входной кромки и спинки-корытца лежали в одной плоскости, но если они существуют, то они являются конструктивным мероприятием, которое, увеличивая поверхность теплообмена, тем самым повышает уровень коэффициентов теплоотдачи со стороны воздуха и снижает температуру металла в этой зоне.

При этом, как видно из рис.2.4 книги Копелева С. 3. "Охлаждаемые лопатки газовых турбин (тепловой расчет и профилирование)". - М.: Наука, 1983 г., переходные зоны между концами участка входной кромки лопатки и началом участка спинки или корытца, т.е. переходные зоны, находящиеся в непосредственной близости и к спроектированным на входной кромке и спинке и корытце ребрам, а точнее между ними оказываются без дополнительных конструктивных мероприятий. На этих переходных зонах, как не имеющих специальных конструктивных особенностей, уровень коэффициентов теплоотдачи со стороны охлаждающего воздуха мал, а со стороны рабочего тела - газа - достаточно велик, т.к. по принадлежности распределения локальных коэффициентов теплоотдачи со стороны газа α_г по профилю лопатки эта зона относится к входной кромке, где самые высокие значения коэффициентов теплоотдачи со стороны газа. Поэтому в такой конструкции именно на переходных зонах возможны перегревы стенки лопатки, что может привести к прогару металла.

Задачей предлагаемого изобретения является понижение температуры лопатки турбины при неизменном расходе охлаждающего воздуха или получение заданной температуры металла при меньшем расходе охлаждающего воздуха и, как следствие этого, экономия расхода охлаждающего воздуха, повышение к.п.д турбины, выравнивание температуры металла спинки и корытца профиля, снижение напряжений в пере лопатки и повышение надежности ее работы, и, что самое главное, увеличение ресурса работы всей установки в целом.

Таким образом, техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является понижение температуры лопатки турбины при неизменном расходе охлаждающего воздуха.

Для получения такого технического результата в охлаждаемой лопатке, содержащей спинку и корытце профиля и оребренную входную кромку, оребрение входной кромки продлено на переходные зоны между концами участка входной кромки лопатки и началом участков спинки и корытца, при этом профиль сформированного ребра образован двумя поверхностями, одной из которой является внутренняя поверхность входной кромки с прилегающими к ней зонами спинки и корытца, а другой - поверхность, соединяющая начальные участки: или спинки и корытца лопатки, или ребер, расположенных на спинке и корытце, или спинки и ребра, расположенного на корытце, или корытца и ребра, расположенного на спинке.

Изобретение поясняется следующими чертежами, где на фиг.1 изображен разрез входной кромки охлаждаемой лопатки без ребер на внутренних поверхностях спинки и корытца; на фиг.2 - разрез входной кромки охлаждаемой лопатки с ребрами на внутренних поверхностях спинки и корытца; на фиг.3 - разрез входной кромки охлаждаемой лопатки с ребром на корытце и ребром на входной кромке, расположенными в одной плоскости; на фиг.4 - разрез входной кромки охлаждаемой лопатки с ребром на входной кромке, расположенными в разных плоскостях; на фиг.5 - разрез входной кромки охлаждаемой лопатки с ребром на спинке и с ребром на входной кромке, расположенными в одной плоскости; на фиг.6 - разрез входной кромки охлаждаемой лопатки с ребром на спинке и с ребром на входной кромке, расположенными в разных плоскостях. В охлаждаемой лопатке турбины, содержащей спинку 1 и корытце 2 профиля, на внутренней поверхности входной кромки 3 выполнено ребро 4. В заявляемой конструкции охлаждаемой лопатки предлагается продлить оребрение (т.е. ребро 4 входной кромки 3) на переходные зоны 5, 6 между концами участка входной кромки 3 охлаждаемой лопатки и началом участков спинки 1 и корытца 2 При этом профиль сформированного ребра образован двумя поверхностями, одной из которых является внутренняя поверхность входной кромки 3 с прилегающей к ней зонами спинки 1 и корытца 2, а другой - поверхность, соединяющая начальные участки: или спинки 1 и корытца 2 (сриг.1), или ребер 7 на спинке 1 и 8 на корытце 2 (фиг.2), или спинки 1 и ребра 9, расположенного на корытце 2 (фиг.3), или корытца 2 и ребра 10, расположенного на спинке 1 (фиг.4).

При работе охлаждающий воздух поступает внутрь охлаждаемой лопатки и выдувается во входную кромку 3, проходя вдоль сформированного ребра 4, охлаждая переходные зоны 5, 6 и омывая ребра 9 и 10.

Предлагаемая конструкция увеличивает поверхность теплообмена не только в зоне входной кромки 3 за счет более развитой поверхности ребра 4, но и в переходных зонах, позволяя повысить там уровень коэффициентов теплоотдачи со стороны охлаждающего воздуха также за счет увеличения поверхности теплообмена, что приводит к понижению температуры охлаждаемой лопатки турбины при неизменном расходе охлаждающего воздуха.

Кроме того, применение ребра рекомендуемого профиля дает возможность понизить температуру металла входной кромки 3 и способствует выравниванию как температур, так и напряжений между спинкой 1 и корытцем 2 охлаждаемой лопатки. В результате конструкция получается как с более низкими уровнями температур, так и с меньшими напряжениями по перу охлаждаемой лопатки. Кроме того, рекомендуемый профиль ребра 4 увеличивает жесткость входной кромки 3 охлаждаемой лопатки. Это позволяет повысить коэффициенты запаса прочности детали, надежность работы турбины и газотурбинной установки в целом. Особенно ценным здесь является то, что все эти преимущества можно получить без увеличения расхода охлаждающего воздуха и существенного изменения конструкции лопатки.

Необходимо отметить, что предлагаемая конструкция ребра 4 на входной кромке 3 охлаждаемой лопатки может быть использована как в охлаждаемой лопатке без дефлектора, так с ним.

Охлаждаемая лопатка турбины содержит спинку, корытце профиля и оребренную входную кромку. Оребрение входной кромки продлено на переходные зоны между концами участка входной кромки лопатки и началом участков спинки и корытца. Профиль сформированного ребра образован двумя поверхностями, одной из которых является внутренняя поверхность входной кромки с прилегающими к ней зонами спинки и корытца. Другой поверхностью сформированного ребра является поверхность, соединяющая начальные участки: спинки и корытца лопатки, или спинки и ребра, расположенного на корытце, или корытца и ребра, расположенного на спинке. Изобретение позволяет понизить температуру лопатки турбины при неизменном расходе охлаждающего воздуха, снизить напряжения в ее пере и повысить надежность ее работы. 6 ил.

Охлаждаемая лопатка турбины, содержащая спинку, корытце профиля и оребренную входную кромку, оребрение которой продлено на переходные зоны между концами участка входной кромки лопатки и началом участков спинки и корытца, при этом профиль сформированного ребра образован двумя поверхностями, одной из которых является внутренняя поверхность входной кромки с прилегающими к ней зонами спинки и корытца, отличающаяся тем, что другой поверхностью сформированного ребра является поверхность, соединяющая начальные участки: спинки и корытца лопатки, или спинки и ребра, расположенного на корытце, или корытца и ребра, расположенного на спинке.