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

Изобретение относится к турбостроению, в частности к охлаждаемым лопаткам турбин, и может быть использовано в газовых турбинах авиационных двигателей.

Известна охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая перо с размещенной в его полости перегородкой и каналами охлаждения со стороны спинки и корыта, образованными стенкой перегородки, боковыми поверхностями стенок каналов и внутренней поверхностью спинки и корыта, соответственно, и хвостовик с выполненными со стороны спинки каналами подвода охлаждающего воздуха, при этом каналы охлаждения со стороны корыта расположены между входной и выходной кромками, а каналы охлаждения со стороны спинки сообщены с каналами подвода охлаждающего воздуха и выполнены по высоте пера лопатки с разворотом к входной кромке (см. С.3.Копелев и другие "Тепловые и гидравлические характеристики охлаждаемых лопаток газовых турбин", Москва, Машиностроение, 1993, с.71-72, рис.2.14).

Однако в данной лопатке не достигается равномерность температурного поля, возникает перегрев ее кромок, что не позволяет достичь необходимого уровня интенсивности охлаждения, которое требуется для современных турбин.

Технический результат - повышение эффективности охлаждения.

Указанный технический результат достигается тем, что в охлаждаемой рабочей лопатке турбины, содержащей перо с перегородкой, размещенной в его полости, и каналами охлаждения со стороны спинки и корыта и хвостовик с каналами подвода охлаждающего воздуха, при этом каналы охлаждения со стороны корыта размещены между входной и выходной кромками, а каналы охлаждения со стороны спинки сообщены с каналами подвода охлаждающего воздуха и выполнены по высоте пера лопатки с разворотом к входной кромке, согласно изобретению, в каналах охлаждения размещены ребра, причем ребра со стороны корыта расположены от входной кромки по длине наружного профиля пера на расстоянии L≥0,1b, где

b - хорда профиля пера,

а ребра со стороны спинки выполнены изогнутыми и расположены на расстоянии

H1≥0,25 Н,

где

Н - высота пера лопатки по входной кромке от его корневой части.

Расположение изогнутых ребер со стороны спинки на указанном расстоянии обусловлено следующими причинами: на данном расстоянии ширина каналов охлаждения наибольшая, и расположение изогнутых ребер в наиболее широких участках каналов охлаждения позволяет, снизив температуру стенки лопатки на 50-70°С, выравнивать температурное поле. Располагать изогнутые ребра на расстоянии менее 0,25 высоты пера лопатки нецелесообразно, так как температура газа, омывающего лопатку в этой зоне, ниже, чем на остальной части, и не требует интенсификации охлаждения.

Расположение ребер между каналами охлаждения со стороны корыта на указанном расстоянии позволяет разделить полость пера на две зоны - "неоребренную" и зону с ребрами. Располагать ребра на меньшем расстоянии (т.е. непосредственно у входной кромки) нецелесообразно, так как в этой зоне "работает" заградительное охлаждение воздуха, выдуваемого из входной кромки, и наличие ребер в этой зоне приведет к увеличению температуры охлаждающего воздуха и, соответственно, к снижению интенсивности охлаждения участка корыта ближе к выходной кромке.

Толщина стенки между двумя соседними каналами охлаждения со стороны спинки в заданном сечении может составлять 0,4-1,2 средней толщины стенки спинки пера в месте расположения каналов. Заданный диапазон обусловлен технологией изготовления литой лопатки. При выходе за границы указанного диапазона возможно отклонение наружного профиля от его координат за счет усадки металла при остывании.

Полости между соседними ребрами, расположенными в каналах охлаждения со стороны корыта, могут быть сообщены при помощи отверстий с каналом охлаждения со стороны спинки, ближайшим к выходной кромке, что позволяет снизить температуру стенки лопатки в наиболее горячей зоне вблизи выходной кромки в средней части пера, где температура газа, омывающего лопатку, наибольшая.

Диаметр каждого отверстия может составлять 0,6-1,0 расстояния между соответствующими ребрами, а угол наклона оси отверстия к средней линии профиля пера равен 3-20°, что позволяет снизить температуру стенки лопатки в наиболее горячей зоне на выходной кромке средней части пера. Выбранные диапазоны оптимальны с точки зрения снижения температуры стенок лопаток и позволяют снизить температуру стенок лопатки на 10-20°С.

При выполнении отверстия диаметром меньше 0,6 расстояния между соответствующими ребрами расход газа использует значительную часть своего хладоресурса на начальном участке отверстия, что не позволяет достичь требуемого эффекта охлаждения, а при выполнении отверстия диаметром больше 1,0 расстояния между соответствующими ребрами отверстия врезаются в ребра, что ухудшает съем тепла с ребер.

Выполнять угол наклона оси отверстия меньше 3° в настоящее время технологически невозможно, а при угле больше 20° протяженность каналов уменьшается, и отверстия теряют эффект каналов, снимающих тепло за счет конвекции.

Угол разворота каналов охлаждения со стороны спинки к входной кромке может быть равен 80-90°, что позволяет выполнить натекание охлаждающего воздуха с наибольшей интенсивностью. При выходе за границы указанного диапазона появляется составляющая скорости потока, не используемая в ударном натекании и, следовательно, не участвующая в наиболее интенсивном теплообмене.

Перегородка может быть выполнена литьем вместе с отливкой лопатки, что обусловлено технологией изготовления, так как при существующем состоянии вопроса пайки пайка лопатки из двух половин (корыта и спинки) со вставленной между ними перегородкой не реализуется, а вставка (установление) перегородки со стороны замка невозможна из-за закрученности пера.

На фиг.1 изображен продольный разрез лопатки со стороны спинки;

на фиг.2 - продольный разрез лопатки со стороны корыта;

на фиг.3 - сечение А-А фиг.2;

на фиг.4 - узел I фиг.3 в увеличенном масштабе;

на фиг.5 - лопатка с изображением каналов охлаждения со стороны корыта и отверстий;

на фиг.6 - распределение температур в поперечном сечении на спинке лопатки при отсутствии ребер в каналах охлаждения;

на фиг.7 - распределение температур в поперечном сечении на спинке лопатки при наличии ребер в каналах охлаждения;

на фиг.8 - распределение температур в поперечном сечении на корыте лопатки при отсутствии ребер в каналах охлаждения в "неоребренной" зоне);

на фиг.9 - распределение температур в поперечном сечении на корыте лопатки при наличии ребер в каналах охлаждения в "неоребренной" зоне;

на фиг.10 - распределение температур в поперечном сечении на спинке лопатки при наличии отверстий;

на фиг.11 - распределение температур в поперечном сечении на спинке лопатки при отсутствии отверстий.

Охлаждаемая лопатка турбины содержит перо 1 с размещенной в его полости перегородкой 2, выполненной литьем вместе с отливкой лопатки, каналами 3 охлаждения со стороны спинки 4, образованными боковыми поверхностями стенок 5 каналов 3, перегородкой 2 и внутренней поверхностью спинки 4, и каналами охлаждения 6 со стороны корыта 7, образованными боковыми поверхностями стенок 8 каналов 6, перегородкой 2 и внутренней поверхностью корыта 7, и хвостовик 9 с выполненными со стороны спинки 4 радиальными каналами 10 подвода охлаждающего воздуха. Со стороны корыта 7 каналы 6 охлаждения размещены от входной кромки 11 до выходной кромки 12, в данном случае, горизонтально. В каналах 6 со стороны входной кромки 12 расположены ребра 13, начиная с расстояния L=13 мм (т.е. 0,33b при длине хорды профиля пера 40 мм). Верхняя граница расстояния, с которого возможно начинать располагать ребра, выбирается исходя из конкретного конструктивного выполнения, в частности в зависимости от интенсивности выдува охлаждающего воздуха из входной кромки.

Каналы 3 охлаждения со стороны спинки 4 сообщены с радиальными каналами 10 подвода охлаждающего воздуха в хвостовике 9 и выполнены по высоте пера лопатки, в данном случае, вертикальными (расположены в направлении от хвостовика 9 к торцу 14 пера 1 лопатки, т.е. в направлении продольной оси лопатки), с разворотом (выходными участками) к входной кромке 11 под углом 90°. Между вертикальными каналами 3 охлаждения в зоне поворота каналов, начиная с высоты H1=22 мм (т.е. 0,36Н, при Н=61 мм), расположены изогнутые ребра 15, имеющие тот же знак кривизны, что и каналы 3 охлаждения.

Толщина S стенки 5 между двумя соседними каналами 3 охлаждения со стороны спинки в заданном сечении (см. фиг.3) равна 1 мм (т.е. составляет 1,0 средней толщины стенки спинки пера в месте расположения каналов 3 при средней толщине, равной 1.0 мм). Средняя толщина стенки спинки пера может определяться любыми известными способами.

Полости между соседними ребрами 13 сообщены при помощи отверстий 16 с каналом 3 охлаждения со стороны спинки 4, ближайшим к выходной кромке 12. Отверстия 16 выполнены в месте перехода перегородки 2 в спинку 4, каждое отверстие имеет диаметр d=0,8 мм (при расстоянии h=1,1 мм между ребрами 13) и угол α наклона оси а-а к средней линии в-в профиля пера 1, равный 5°.

В выходной кромке 12 выполнены щели 17.

Работа турбины с данной лопаткой осуществляется следующим образом.

При работе турбины охлаждающий воздух поступает в радиальные каналы 10 хвостовика 9, где разделяется на потоки (в данном случае на восемь потоков), и поступает в вертикальные каналы 3 охлаждения. Воздух, двигаясь по вертикальным каналам 3 охлаждения, поступает к входной кромке 11, где разворачивается на 180°, и, огибая перегородку 2, через щель между перегородкой 2 и входной кромкой 11 поступает в горизонтальные каналы 6 охлаждения со стороны корыта 7. В горизонтальных каналах 6 воздух движется в направлении от входной кромки 11 к выходной кромке 12 вначале по зоне без ребер ("неоребренной зоне"), а затем по зоне с ребрами 13, и выдувается в проточную часть через щели 17 в выходной кромке 12.

Лимитирующая проходная площадь в щелях образована Z-образными перемычками.

Дополнительно воздух выдувается через два ряда отверстий на входной кромке 11 и через четыре отверстия на торцевой поверхности 14 лопатки (на чертежах не показаны).

В каналы 6 дополнительно вдувается более холодный воздух из канала 3, ближайшего к выходной кромке 12, при помощи отверстий 16.

Расположение в вертикальных каналах 3 ребер 15 позволило снизить температуру стенки лопатки на 50-70°С, что видно на фиг.6, 7, и выравнить температурное поле.

Создание "неоребренной зоны" со стороны корыта позволило снизить градиент температуры по обводам профиля на корыте лопатки (в этой зоне температура стенки лопатки выросла на 20-25°С (см. фиг.8, 9), уменьшить подогрев охлаждающего воздуха и уменьшить температуру выходной кромки.

Снижение температуры стенки лопатки в наиболее горячей зоне на выходной кромке средней части лопатки на 10-20°С достигнуто выполнением отверстий 16 (см. фиг.10, 11).

Охлаждаемая рабочая лопатка турбины содержит перо с перегородкой, размещенной в его полости, и каналами охлаждения со стороны спинки и корыта, и хвостовик с каналами подвода охлаждающего воздуха. Каналы охлаждения со стороны корыта размещены между входной и выходной кромками. Каналы охлаждения со стороны спинки сообщены с каналами подвода охлаждающего воздуха и выполнены по высоте пера лопатки с разворотом к входной кромке. В каналах охлаждения размещены ребра. Ребра со стороны корыта расположены от входной кромки по длине наружного профиля пера на расстоянии, равном или большем 0,1 от хорды профиля пера, а ребра со стороны спинки выполнены изогнутыми и расположены на расстоянии, равном или большем 0,25 от высоты пера лопатки по входной кромке от его корневой части. Толщина стенки между двумя соседними каналами охлаждения со стороны спинки в заданном сечении составляет 0,4-1,2 средней толщины стенки спинки пера в месте расположения каналов. Полости между соседними ребрами, расположенными в каналах со стороны корыта, сообщены при помощи отверстий с каналом охлаждения со стороны спинки, ближайшим к выходной кромке. Изобретение позволяет повысить эффективность охлаждения. 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины, содержащая перо с перегородкой, размещенной в его полости, и каналами охлаждения со стороны спинки и корыта, и хвостовик с каналами подвода охлаждающего воздуха, при этом каналы охлаждения со стороны корыта размещены между входной и выходной кромками, а каналы охлаждения со стороны спинки сообщены с каналами подвода охлаждающего воздуха и выполнены по высоте пера лопатки с разворотом к входной кромке, отличающаяся тем, что в каналах охлаждения размещены ребра, причем ребра со стороны корыта расположены от входной кромки по длине наружного профиля пера на расстоянии L≥0,1b, где b - хорда профиля пера, а ребра со стороны спинки выполнены изогнутыми и расположены на расстоянии H1≥0,25 Н, где Н - высота пера лопатки по входной кромке от его корневой части.2. Охлаждаемая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что толщина стенки между двумя соседними каналами охлаждения со стороны спинки в заданном сечении составляет 0,4-1,2 средней толщины стенки спинки пера в месте расположения каналов.3. Охлаждаемая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что полости между соседними ребрами, расположенными в каналах со стороны корыта, сообщены при помощи отверстий с каналом охлаждения со стороны спинки, ближайшим к выходной кромке.4. Охлаждаемая лопатка по п.2, отличающаяся тем, что полости между соседними ребрами, расположенными в каналах со стороны корыта, сообщены при помощи отверстий с каналом охлаждения со стороны спинки, ближайшим к выходной кромке.5. Охлаждаемая лопатка по п.3, отличающаяся тем, что диаметр каждого отверстия составляет 0,6-1,0 расстояния между соответствующими ребрами, а угол наклона оси отверстия к средней линии профиля пера равен 3-20°.6. Охлаждаемая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что угол разворота каналов охлаждения со стороны спинки к входной кромке равен 80-90°.7. Охлаждаемая лопатка по п.2, отличающаяся тем, что угол разворота каналов охлаждения со стороны спинки к входной кромке равен 80-90°.8. Охлаждаемая лопатка по п.3, отличающаяся тем, что угол разворота каналов охлаждения со стороны спинки к входной кромке равен 80-90°.9. Охлаждаемая лопатка по п.5, отличающаяся тем, что угол разворота каналов охлаждения со стороны спинки к входной кромке равен 80-90°.10. Охлаждаемая лопатка по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что перегородка выполнена литьем вместе с отливкой лопатки.