СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТКИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2008 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, турбостроения и может найти применение в охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин.

Системы охлаждения широко используются в современных охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин. В некоторых из известных систем охлаждение лопаток осуществляется воздухом, поступающим в систему каналов, расположенных на противоположных стенках внутренней полости, а именно на спинке и корыте, и наклоненных к оси пера со стороны спинки и корыта в противоположных направлениях. Торцы каналов в местах пересечения контактируют.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является "Охлаждаемая лопатка газовой турбины", авторское свидетельство СССР №1533403 от 04.01.1988 г., которая содержит полое перо, на внутренней поверхности которого выполнены параллельные ребра, наклоненные в стороны спинки и корыта пера в противоположных направлениях, контактирующие между собой.

Основным недостатком данного технического решения является то, что выполненные ребрами каналы - прямолинейные, охлаждение в них осуществляется за счет конвективного теплообмена, и потоки охладителя у спинки и корыта не взаимодействуют друг с другом.

Технической задачей заявляемого технического решения является создание условий для повышения эффективности охлаждения, а следовательно - увеличения ресурса лопатки.

Технический результат достигается в заявляемой системе охлаждения лопатки газовой турбины, содержащей совокупность каналов, образованных полуребрами, расположенными на противоположных стенках внутренней поверхности лопатки - спинке и корыте, наклоненных к оси пера лопатки со стороны спинки и корыта в противоположных направлениях и контактирующими торцами в местах их пересечения, причем полуребра выполнены криволинейными и образуют пересекающиеся каналы с чередующимися диффузор-конфузорными участками, и их расположение подобрано так, что диффузор пересекаемого канала совпадает с конфузором пересекающего канала, а внутренние поверхности спинки и корыта лопатки выполнены волнистыми, при этом впадина на стенке внутренней поверхности совпадает с расширением канала, а выступ на стенке совпадает с сужением канала, что в совокупности образует пространственные диффузор-конфузорные участки, и их расположение подобрано так, что в местах пересечения с криволинейными каналами диффузорные участки совпадают с конфузорными участками. При этом углы стенок криволинейных каналов, а также впадин и выступов на внутренних поверхностях лопатки, образующих чередующиеся диффузор-конфузорные участки, составляют α=3-6 градусов (см. фиг.3, 4), чтобы не вызвать отрыва потока от стенок. Углы меньше 3 градусов - ослабляют эффект натекания, а углы больше 6 градусов - вызывают отрыв потока и рост гидравлического сопротивления

Впадина на спинке лопатки совпадает с выпуклостью на корыте лопатки, и наоборот, то есть криволинейные полуребра пересекающихся каналов с внутренними волнистыми стенками спинки и корыта образуют пространственный диффузор-конфузор, а их расположение подобрано так, что в местах пересечения диффузорные участки совпадают с конфузорными участками.

Благодаря вышеописанной геометрии заявляемой системы охлаждения лопатки газовой турбины в местах пересечения криволинейных каналов, образующих чередующиеся диффузор-конфузорные участки, образуется перепад давления, вызванный различием скоростей (по закону Бернулли). Поперечные течения - перетекание охладителя из одного канала в другой, вызванные перепадом давления, создают дополнительную турбулизацию в потоке охладителя, а следовательно, и интенсификацию теплообмена. Таким образом, интенсификация теплообмена в каналах системы охлаждения лопатки газовой турбины происходит за счет взаимодействия потоков, вызванных пространственным знакопеременным градиентом давления.

На фиг.1 представлен общий вид лопатки.

На фиг.2 показан поперечный разрез пера лопатки фиг.1 по А-А.

На фиг.3 изображен вид на перо лопатки.

На фиг.4 показаны углы (α) стенок криволинейных каналов.

На фиг.5 изображена схема течения охлаждающего воздуха в каналах.

На фиг.6 показаны углы (α) впадин и выступов на внутренних поверхностях лопатки - спинке и корыте.

На фиг.1, 2 и 3 показаны лопатка 1, спинка 2, корыто 3, полуребра 4, образующие пересекающиеся криволинейные каналы 5, направление 6 продольного течения охладителя (воздуха), направление 7 поперечного течения охладителя, перетекания 8 охлаждающего воздуха.

Система охлаждения лопатки газовой турбины работает следующим образом.

При работе турбины охлаждающий воздух поступает в перо лопатки 1, проходя по каналам 5, двигаясь от корня лопатки 1 к ее периферии. При этом одна часть воздуха поступает в каналы 5, прилегающие к спинке 2 лопатки 1, а другая часть - в каналы 5, прилегающие к корыту 3 лопатки 1. Благодаря тому, что каналы 5 выполнены криволинейными, а внутренние поверхности спинки 2 и корыта 3 выполнены волнистыми, т.е. имеют впадины и выступы, воздух в каналах 5 движется с переменной скоростью и давлением в зависимости от площади сечения каналов 5. Как указывалось выше, расположение криволинейных каналов 5 подобрано так, что сужение пересекающего канала 5 совпадает с расширением пересекаемого канала 5, и наоборот, так что создается разница давлений и соответственно перетекание воздуха из одного канала в другой. Эти перетекания 8 охлаждающего воздуха в криволинейных каналах 5 вызывают дополнительную турбулизацию и соответственно увеличивают эффективность охлаждения.

Как показали эксперименты (см. ссылку на литературу [1]-[6]), интенсификация теплообмена в диффузор-конфузорных каналах достигает 2-2,5 (отношение числа Нуссельта в криволинейных каналах к числу Нуссельта в гладких каналах), при этом гидравлическое сопротивление не опережает роста интенсификации теплообмена.

В заявляемой системе охлаждения лопатки газовой турбины к интенсификации теплообмена за счет течения в криволинейных каналах с чередующимися диффузор-конфузорными участками добавляется интенсификация при взаимодействии потоков, т.е. поперечных течениий в местах пересечения каналов.

Таким образом, использование заявляемой системы охлаждения лопатки газовой турбины позволяет за счет лучшего охлаждения лопатки при тех же расходах охлаждающего воздуха, по сравнению с существующими системами охлаждения, повысить температуру газа на входе в турбину и увеличить удельные параметры двигателя или при той же температуре газа продлить ресурс лопатки, а следовательно - двигателя.

Литература

1. Гухман А.А., Кирпиков В.А., Цирельман Н.М., Гутарев В.В. Исследование теплообмена и гидравлического сопротивления канала при турбулентном течении газа в поле продольного знакопеременного градиента давления. ИФЖ., 1969, т.XVI, № 4 (часть I), № 6 (часть II).

2. Кирпиков В.А., Архипов Ю.А. Исследование пластинчатого теплообменника с поверхностью типа "диффузор-конфузор" - в кн.: Химическое машиностроение. Сб. научн. тр. - М.: МИХМ, 1980, вып.12, с.22...26.

3. Кипиков В.А., Гутарев В.В., Цирельман Н.М. Исследование теплообмена и гидравлического сопротивления канала типа "диффузор-конфузор". - "Известия ВУЗов, сер. Энергетика", 1969, № 9, с.79-84.

4. Кирпиков В.А., Цирельман Н.М. Теплообмен и гидравлическое сопротивление при турбулентном течении газа в поле пространственного знакопеременного градиента давления. - "Известия ВУЗов, сер. Энергетика", 1970, № 9, с.79...84.

5. Мигай В.К., Быстров П.Т. Интенсификация теплообмена в волнистых трубах "Теплоэнергетика", 1976, № 11, с.74...76.

6. Романенко П.Н. теплообмен и трение при градиентном течении жидкости. М.-Л.: "Энергетика", 1964, 368 с.

Система охлаждения лопатки газовой турбины содержит совокупность каналов, образованных полуребрами, расположенными на противоположных стенках внутренней поверхности лопатки - спинки и корыте, наклоненными к оси пера со стороны спинки и корыта в противоположных направлениях и контактирующими торцами в местах пересечения. Полуребра выполнены криволинейными, образуют пересекающиеся каналы с чередующимися диффузор-конфузорными участками, и их расположение подобрано так, что диффузор пересекаемого канала совпадает с конфузором пересекающего канала. Внутренние поверхности спинки и корыта лопатки выполнены волнистыми. Впадина на стенке внутренней поверхности совпадает с расширением канала, а выступ на стенке совпадает с сужением канала, что в совокупности образует пространственные диффузор-конфузорные участки, и их расположение подобрано так, что в местах пересечения с криволинейными каналами диффузорные участки совпадают с конфузорными участками. Изобретение повышает эффективность охлаждения и увеличивает ресурс лопатки. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система охлаждения лопатки газовой турбины, содержащая совокупность каналов, образованных полуребрами, расположенными на противоположных стенках внутренней поверхности лопатки - спинки и корыте, наклоненными к оси пера со стороны спинки и корыта в противоположных направлениях и контактирующими торцами в местах пересечения, отличающаяся тем, что полуребра выполнены криволинейными, образуют пересекающиеся каналы с чередующимися диффузор-конфузорными участками, и их расположение подобрано так, что диффузор пересекаемого канала совпадает с конфузором пересекающего канала, а внутренние поверхности спинки и корыта лопатки выполнены волнистыми, причем впадина на стенке внутренней поверхности совпадает с расширением канала, а выступ на стенке совпадает с сужением канала, что в совокупности образует пространственные диффузор-конфузорные участки, и их расположение подобрано так, что в местах пересечения с криволинейными каналами диффузорные участки совпадают с конфузорными участками.2. Система охлаждения лопатки, отличающаяся тем, что углы стенок криволинейных каналов, а также впадин и выступов на внутренних поверхностях лопатки, образующих чередующиеся диффузор-конфузорные участки, составляют α˜3-6°.