РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2006 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в конструкции газотурбинного двигателя (ГТД) для авиационного, судового и наземного (в составе энергоустановки) применения.

Известна конструкция рабочей лопатки турбомашины, содержащая компланарно пересекающиеся каналы корытной и спинной оболочек во внутренней полости лопатки, ограниченные соответственно корытными и спинными ребрами. Корытные и спинные ребра в такой лопатке разделены дефлектором (пластиной). Воздух в лопатке поступает из входной полости в вихревую матрицу по корытным и спинным каналам, разворачивается у входной кромки и поступает в противоположные каналы соответственно корытные либо спинные из каналов между этими ребрами - в выходную кромку лопатки. (Патент №1404757. Англия. НКИ FIT. МКИ F 01 D 5/18. Заявлено 25 августа 1971 г. Опубликовано 3 сентября 1975 г.).

Также известна наиболее близкая по назначению конструкция, разработанная и применяемая в рабочих лопатках турбомашин, включающая вихревую матрицу во внутренней полости лопатки, на корытной и спинной поверхностях которой выполнены основные ребра, между которыми расположены компланарно пересекающиеся каналы. Разделительный дефлектор (пластины) между корытными и спинными ребрами в такой конструкции лопатки отсутствует. (Патент №1410014. Англия. НКИ FIT. МКИ F 01 D 5/18. 14.12.71. Заявлено 15 октября 1975 г).

Общими недостатками для обеих рабочих лопаток является отсутствие дополнительных мер (турбулизаторов) по интенсификации теплообмена в каналах между основными ребрами, т.к. у дна этих каналов не происходит разрушения пограничного слоя воздушного потока, что ведет к снижению коэффициента теплоотдачи.

В этих лопатках отсутствуют меры по распределению интенсивности теплообмена в соответствии с законом распределения теплового потока от газа в лопатке по ее периметру и высоте, что ведет к неравномерности распределения поля температур в поперечных сечениях лопатки (обычно в лопатках коэффициент теплоотдачи газа со стороны корытца больше, чем со стороны спинки примерно в 1,5 раза, а радиальная эпюра температуры газа перед рабочей лопаткой неравномерна по ее высоте).

Предлагаемое изобретение направлено на увеличение интенсификации теплообмена в каналах между основными ребрами за счет разрушения пограничного слоя потока воздуха на дне этих каналов.

Кроме того, предлагаемое изобретение направлено на получение распределения интенсивности теплообмена в соответствии с законом распределения интенсивности теплового потока от газа в лопатке по ее периметру и высоте.

Поставленная техническая задача достигается тем, что во внутренней полости рабочей лопатки турбомашины на спинных и корытных поверхностях выполнены основные ребра, между которыми расположены компланарно пересекающиеся каналы.

Новым в предлагаемом изобретении является то, что на дне каналов, расположенных, по крайней мере, на корытных поверхностях, выполнены дополнительные ребра, имеющие высоту и ширину меньше, чем у основных ребер.

Дополнительные ребра могут быть выполнены с шагом, определяемым соотношением t/h≥8 и с шириной, определяемой соотношением а/h=0,3...0,8, высотой, определяемой соотношением h_P/h=2...6, где t - шаг дополнительных ребер вдоль оси единичного канала вихревой матрицы (фиг.2), а и h - ширина и высота дополнительного ребра, h_P - высота основного ребра.

Для распределения интенсивности теплообмена в соответствии с законом распределения теплоты от газа в лопатке по ее периметру и высоте, дополнительные ребра выполнены с переменным шагом.

На чертежах изображена предлагаемая лопатка.

Фиг.1 - поперечное сечение рабочей лопатки с дополнительными ребрами на дне каналов корытной оболочки.

Фиг.2 - продольный разрез рабочей лопатки.

Фиг.3 - фрагмент вихревой матрицы с дополнительными ребрами, выполненными с переменным шагом как по высоте, так и по периметру лопатки.

Фиг.4 - фрагмент поперечного сечения с указанием геометрических характеристик основных и дополнительных ребер.

На Фиг.5 приведен график зависимости интенсификации теплообмена Nu/Nu_ГЛ. от относительного шага дополнительных ребер (t/h) при различном соотношении h/d_Г, где d_Г - гидравлический диаметр единичного канала вихревой матрицы, состоящей из компланарно пересекающихся каналов.

Во внутренней полости рабочей лопатки турбомашины на спинных 1 и корытных 2 поверхностях выполнены основные ребра 3, между которыми расположены компланарно пересекающиеся каналы 4 (фиг.2). На дне каналов 4 выполнены дополнительные ребра 5. Дополнительные ребра 5 имеют ширину а и высоту h меньше, чем у основных ребер (фиг.4) и выполняются параллельно друг другу под произвольным углом к оси вихревой матрицы 6.

Дополнительные ребра 5 (фиг.2, 4) выполнены с шагом t, определяемым соотношением t/h≥8, где h - высота дополнительных ребер. Ширина а дополнительного ребра 5 определяется соотношением а/h=0,3...0,8; а высота h - соотношением h_P/h=2...6, где, h_P - высота основного ребра. Дополнительные ребра могут быть выполнены только на корытной оболочке (фиг.1) или на корытной и спинной одновременно.

Шаг дополнительных ребер 5 - t/h может быть выполнен переменным в зависимости от закона подвода теплоты от газа по длине каналов 4 между основными ребрами 3 или по высоте и периметру лопатки, приближаясь к оптимальной величине t/h=10 в местах с наибольшей величиной коэффициентов теплоотдачи от газа и температурой газа (фиг.2). На фиг.3 приведен пример выполнения дополнительных ребер с переменным шагом t/h, дополнительные ребра условно показаны только в одном канале вихревой матрицы на спинке и корытце. На корытной оболочке дополнительные ребра выполнены с изменяющимся по высоте лопатки (по стрелке А) относительным шагом - от корневого к периферийному сечению (в котором температура лопатки обычно принимает наибольшее значение) - в диапазоне от t/h=5 до t/h=10. На спинной оболочке дополнительные ребра выполнены также с изменяющимся по высоте лопатки (по стрелке В) относительным шагом - от корневого к периферийному сечению в диапазоне от t/h=12 до t/h=20. При этом на корытной оболочке шаг дополнительных ребер более близок к оптимальному, чем на спинной, так в периферийном сечении на корытной оболочке (t/h)_opt=10 для обеспечения оптимальной интенсификации теплообмена - (Nu/Nu_гл)_opt, на спинной оболочке - где не требуется столь значительной интенсификации - (t/h=12) (фиг.5).

Рабочая лопатка включает передний канал 7 (Фиг.2) с наклонными к оси потока - 8 в трех петлевых каналах - наклонными полуребрами 9 и винтовыми ребрами 10 на вогнутой поверхности входной кромки, три гладких петлевых канала 7, 11, 12, разделенных перегородками, V-образное ребро - 13, позволяющее "разбить" застойную зону в периферийной части лопатки.

При работе воздух поступает в передний канал 7 (Фиг.2), далее часть воздуха поступает над V-образным ребром - 13 в верхнее сечение вихревой матрицы. Другая часть воздуха поступает во второй петлевой канал 11 и из него - в задний петлевой канал 12. Из петлевого канала 12 воздух раздается по каналам 4 вихревой матрицы, поступая от корневого сечения к периферийному, при этом происходит дополнительная интенсификация теплообмена в каналах 4 вихревой матрицы со стороны корытца и спинки за счет дополнительных ребер 5 на дне каналов 4.

Таким образом, за счет дополнительных ребер на дне каналов вихревой матрицы вблизи теплоотдающих поверхностей происходит непрерывное разрушение пограничного слоя, интенсифицируется массообмен пристенных слоев потока с его ядром, что является причиной увеличения коэффициента теплоотдачи от воздуха.

Для рабочего диапазона расходов охлаждающего воздуха в условиях жидкометаллического термостата в модельных условиях получено, что коэффициент теплоотдачи α_i в лопатке с дополнительными ребрами возрос по сравнению с коэффициентом теплоотдачи α_исх в лопатке, не имеющей дополнительных ребер на дне каналов в 1.1...1,7 раза (таблица) во всех четырех исследуемых поперечных сечениях по высоте лопатки , 25%, 50%, 76% как при постоянном перепаде давления воздуха на лопатке (π), так и при постоянном расходе воздуха (G) через нее:

Значения Вихревая матрица - спинкаВихревая матрица - корытце10%25%50%76%10%25%50%76%При π - idem1,121,111,121.131,381,451,601.48При G - idem1,141,141,181,161,361,521,631,41

Как видно из таблицы, коэффициент теплоотдачи увеличился со стороны корытца в 1,6...1,63 раза по сравнению с вихревой матрицей без дополнительных ребер на дне каналов.

Пропускная способность лопаток при введении дополнительных ребер на дне каналов уменьшилась на незначительную величину - при t/h=10 на 0,02·10^-6, при t/h=15 на 0,04·10^-6.

Таким образом, наличие дополнительных ребер способствует интенсификации теплообмена в вихревой матрице рабочих лопаток со стороны корытца и со стороны спинки, увеличению равномерности охлаждения лопатки в ее поперечных сечениях, ведет к увеличению ее долговечности.

Рабочая лопатка турбомашины содержит выполненные во внутренней полости на спинных и корытных поверхностях основные ребра, между которыми расположены компланарно пересекающиеся каналы. На дне каналов, расположенных, по крайней мере, на корытной поверхности, выполнены дополнительные ребра, имеющие высоту и ширину меньше, чем у основных ребер. Дополнительные ребра выполнены с переменным шагом t/h, где t - шаг дополнительных ребер, h - высота дополнительного ребра. Изобретение направлено на увеличение интенсификации теплообмена в каналах между основными ребрами за счет разрушения пограничного слоя потока воздуха на дне этих каналов. Кроме того, предполагаемое изобретение направлено на получение распределения интенсивности теплообмена в соответствии с законом распределения интенсивности теплового потока от газа в лопатке по ее периметру и высоте. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. Рабочая лопатка турбомашины, во внутренней полости которой на спинных и корытных поверхностях выполнены основные ребра, между которыми расположены компланарно пересекающиеся каналы, отличающаяся тем, что на дне каналов, расположенных, по крайней мере, на корытной поверхности, выполнены дополнительные ребра, имеющие высоту и ширину меньше чем у основных ребер.2. Рабочая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительные ребра выполнены с переменным шагом t/h,

где t - шаг дополнительных ребер,

h - высота дополнительного ребра.