ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА 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.

В современных охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин широко используются системы охлаждения. В некоторых из известных систем охлаждение лопаток осуществляется воздухом, поступающим в систему каналов различной конфигурации, расположенных, в том числе, и в стенках охлаждаемой лопатки.

Наиболее близкими техническими решениями к заявляемому являются охлаждаемые лопатки, в стенках которых расположены каналы см., например патенты US 5484258 от 16 января 1996 г., №US 6478535 В1 от 12 ноября 2002 г., №US 5720431 от 24 февраля 1998 г., US 6264428 B1 от 24 июля 2001 г., US 5702232 от 30 сентября 1997 г., US 6379118 B2 от 30 апреля.

Основными недостатками данных технических решений является то, что турбулизация потоков в них отсутствует, и интенсификация охлаждения достигается только за счет увеличения поверхности теплообмена. Турбулизировать поток можно введением в каналы дополнительных средств, например ребер, канавок, выступов и т.п., располагать которые в каналах малого сечения затруднительно с конструктивной и технологической точек зрения.

Основная задача заявляемого технического решения - повышение эффективности охлаждения, а следовательно, - увеличение ресурса лопатки.

Технический результат достигается в заявляемой охлаждаемой лопатке, преимущественно высокотемпературных газовых турбин, которая содержит наружную и внутреннюю стенки, внутри которых расположены группы каналов, при этом каждая группа каналов выполнена наклонной к вертикальной оси пера лопатки в противоположном направлении, причем группы каналов, образующие совокупность элементов охлаждения выполнены взаимно пересекающимися, при этом в местах пересечения каналы каждой группы проходят на разных уровнях так, что потоки охладителя, проходящие через них частично, внедряются друг в друга и величина внедрения составляет 0,1-0,3 высоты канала, а углы пересечения каналов составляют 30 - 60 градусов. Вход охладителя в каналы выполнен во внутренней полости лопатки, а выход охладителя выполнен в ее наружной стенке. Систему охлаждения лопатки представляется как совокупность элементов охлаждения.

На фиг.1 представлена схема элемента охлаждения 1 охлаждаемой лопатки.

На фиг.2 показан поперечный разрез по А-А фиг.1 в местах пересечения каналов.

На фиг.3 показан разрез по В-В фиг.1 вдоль оси одного из каналов.

На фиг.4 схематично показан сложный разрез элемента 1 охлаждения по пересечению каналов в аксонометрии.

На фиг.5 схематично показано перо охлаждаемой лопатки с элементами 1 охлаждения.

На фиг.6 показан разрез пера лопатки по С-С фиг.5.

Предлагаемое охлаждение лопатки можно представить как совокупность элементов охлаждения, расположенных внутри наружной и внутренней стенок лопатки.

На фиг.1 представлена схема элемента 1 охлаждения лопатки, где форма теплообменных поверхностей 2 и 3 определяется требованиями конструкции, т.е. поверхности 2 и 3 элемента 1 охлаждения представляют наружную и внутреннюю стенки пера лопатки, на фиг.1 они условно показаны плоскими. Внутри элемента 1 охлаждения выполнены группы каналов 4 и 5, наклоненных к вертикальной оси пера лопатки в противоположных направлениях. Вход каналов 4 и 5 расположен на нижнем торце элемента 1 охлаждения, где выполнена ниша 6 для подвода охладителя, а выход охладителя расположен на боковых торцах элемента 1 охлаждения в полости 7.

На фиг.2, где изображен разрез элемента 1 охлаждения по А-А, показаны отверстия 8, откуда эвакуируется охладитель, выполненные на наружной стенке пера лопатки.

На фиг.3 показан разрез по В-В элемента вдоль оси одного из каналов. Стрелка указывает направление течения воздуха в канале. Канал имеет криволинейную форму, т.к. он попеременно проходит над и под пересекаемыми каналами, показаны области 10 взаимодействия потоков.

На фиг.4, где показаны каналы 4 и 5, в местах их пересечения, каналы проходят на разных уровнях и потоки охладителя в них частично внедряются друг в друга и, взаимодействуя, потоки вызывают дополнительную турбулизацию, что обеспечивает наиболее эффективное охлаждение лопатки. Диаметры каналов могут быть сколь угодно малыми, ограничиваясь лишь конструктивными и технологическими требованиями. Углы пересечения каналов определяются конструктивными и технологическими требованиями и могут составлять 30-60 градусов.

Технический результат в заявляемой охлаждаемой лопатке достигается именно за счет непосредственного взаимодействия потоков охладителя - рабочего тела, например воздуха. Так как турбулизация определяется степенью внедрения потоков друг в друга и может составлять значительную величину, то наличие дополнительных турбулизаторов не требуется.

Стенку пера охлаждаемой лопатки можно представить в виде совокупности (набора) определенного количества элементов 1 охлаждения, показанных на фиг.5, где в нижних концах элементов охлаждения выполнена ниша 6 для подвода охладителя.

На фиг.6 изображен разрез по С-С фиг.5 стенки пера лопатки, где показаны каанлы 4 и 5, полость 6 для входа охладителя, боковые отверстия 8 для выхода охладителя, центральный канал 9 пера лопатки и стрелки, указывающие течение охладителя.

Охлаждение заявляемой лопатки осуществляется следующим образом.

При работе поступающий в лопатку охладитель (поток рабочего тела, например охлаждающий воздух), проходя по центральному каналу 9 пера лопатки, двигается от корня лопатки к ее периферии. Через ниши 6 элементов 1 охлаждения одна часть воздуха поступает в группу каналов 4 и другая часть - в группу каналов 5, наклоненных в противоположные к оси лопатки стороны. Протекая по каналам 4 и 5, потоки охладителя в местах пересечения каналов взаимодействуют друг с другом и за счет взаимного внедрения турбулизируются, интенсифицируя теплообмен. Далее охладитель из каналов 4 и 5 поступает в полости 7 и выходит через отверстия 8, выполненные в наружной стенке лопатки, образуя защитную пелену.

В заявляемой охлаждаемой лопатке, преимущественно высокотемпературных газовых турбин, к интенсификации теплообмена при течении потока охладителя в пересекающихся каналах, добавляется интенсификация при турбулизации потоков охладителя в местах их пересечения.

Таким образом, использование заявляемой охлаждаемой лопатки высокотемпературной газовой турбины позволяет за счет лучшего охлаждения лопатки при тех же расходах охладителя (потока рабочего тела, например воздуха) по сравнению с существующими аналогами повысить температуру газа на входе в турбину и увеличить удельные параметры двигателя или при той же температуре газа продлить ресурс лопатки, а следовательно, и двигателя.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, турбостроения и может найти применение в охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин. Охлаждаемая лопатка, преимущественно высокотемпературных газовых турбин, содержит наружную и внутреннюю стенки, внутри которых расположены группы каналов. Каждая группа каналов выполнена наклонной к вертикальной оси пера лопатки в противоположном направлении. Группы каналов образуют совокупность элементов охлаждения и выполнены взаимно пересекающимися. В местах пересечения каналы каждой группы проходят на разных уровнях так, что потоки охладителя, проходящие через них частично внедряются друг в друга, величина их внедрения составляет 0,1-0,3 высоты канала. Углы пересечения каналов составляют 30-60 градусов. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения. 6 ил.

Охлаждаемая лопатка преимущественно высокотемпературных газовых турбин, содержащая наружную и внутреннюю стенки, внутри которых расположены группы каналов, при этом каждая группа каналов выполнена наклонной к вертикальной оси пера лопатки в противоположном направлении, отличающаяся тем, что группы каналов образуют совокупность элементов охлаждения и выполнены взаимно пересекающимися, причем в местах пересечения каналы каждой группы проходят на разных уровнях так, что потоки охладителя, проходящие через них частично, внедряются друг в друга, величина их внедрения составляет 0,1-0,3 высоты канала, при этом углы пересечения каналов составляют 30-60°.