РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ Российский патент 2009 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к газовым турбинам газотурбинных двигателей, а точнее - к рабочим охлаждаемым лопаткам турбин газотурбинных двигателей.

Известна рабочая лопатка с канальной системой охлаждения, в которой для прохода охлаждающего воздуха выполнены круглые каналы, проходящие через ножку, перо и бандажную полку лопатки (С.А.Вьюнов. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей, Москва, «Машиностроение», 1981, стр.166, рис.4.27).

Недостатком такой конструкции является ее низкая надежность при повышенной температуре газа перед турбиной из-за низких коэффициентов теплоотдачи при радиальном течении воздуха в круглых каналах.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является лопатка, в которой внутренняя полость пера соединена перфорацией с наружной поверхностью входной кромки лопатки и каналами - с карманом, расположенным на выходной кромке пера со стороны корыта (RU 2224894, F01D 5/18, 2004 г.).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является низкая эффективность охлаждения спинки и корыта лопатки из-за низких скоростей охлаждающего воздуха, протекающего во внутренней полости лопатки.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности лопатки турбины за счет эффективного охлаждения ее спинки и корыта пера рабочей лопатки.

Сущность технического решения заключается в том, что в рабочей лопатке турбины с охлаждаемой внутренней полостью, согласно изобретению в стенках спинки и корыта рабочей лопатки расположены эллипсные в поперечном сечении радиальные каналы, большая ось эллипса которых выполнена параллельной касательной к образующей профиля лопатки в точке, наиболее приближенной к указанной оси, причем эллипсные радиальные каналы соединены с внутренней и наружной полостями рабочей лопатки множеством отверстий, расположенных с возможностью организации кругового воздушного вихря внутри указанного канала и заградительной пленки охлаждающего воздуха вдоль спинки и корыта пера рабочей лопатки, при этом а/b=1,1...3,

где а - большая ось эллипса поперечного сечения радиального канала;

b - малая ось эллипса поперечного сечения радиального канала.

Выполнение в стенках спинки и корыта лопатки эллипсных в поперечном сечении радиальных каналов с большой осью эллипса, выполненной параллельно касательной к образующей профиля лопатки в точке, наиболее приближенной к указанной оси, позволяет выполнять внутреннюю поверхность охлаждаемой внутренней полости лопатки зигзагообразной, увеличивая площадь участка корыта и спинки с интенсивным конвективным охлаждением, что повышает надежность лопатки за счет снижения температуры ее пера.

Такое выполнение позволяет получать стенки пера лопаток между радиальными каналами минимальной толщины, что повышает надежность лопатки за счет снижения массы пера лопатки и центробежных сил, действующих на замок лопатки, уменьшения теплового сопротивления стенок, а также снижения гидравлических потерь охлаждающего воздуха, протекающего во внутренней полости пера лопатки.

Соединение эллипсных радиальных каналов с внутренней и наружной полостями рабочей лопатки множеством отверстий, расположенных с возможностью организации кругового воздушного вихря внутри указанного канала и заградительной пленки охлаждающего воздуха вдоль спинки и корыта пера рабочей лопатки повышает коэффициенты теплоотдачи от воздуха к стенкам канала с соответствующим снижением температуры спинки и корыта лопатки и повышением надежности лопатки. Одновременно это способствует снижению гидравлических потерь при выходе охлаждающего воздуха на внешнюю поверхность спинки или корыта рабочей лопатки.

При а/b<1,1 снижается надежность лопатки за счет загромождения внутренней охлаждаемой полости рабочей лопатки и повышения гидравлических потерь охлаждающего воздуха, а при а/b>3 снижается надежность лопатки за счет увеличения гидравлических потерь при вихревом движении воздуха внутри эллипсных каналов, снижения коэффициентов теплоотдачи от охлаждающего воздуха и повышения температуры стенки и корыта лопатки.

На фиг.1 показан вид сбоку на рабочую охлаждаемую лопатку турбины. На фиг.2 показано сечение А-А на фиг.1.

Рабочая лопатка 1 состоит из пера 2, ножки 3 и замка 4. Перо 2 включает в себя входную кромку 5 с множеством отверстий (перфорацией) 6, выходную кромку 7, а также спинку 8 и корыто 9.

Перо 2 лопатки 1 выполнено с охлаждаемой внутренней полостью 10, которая выполнена зигзагообразной в поперечном сечении относительно средней линии профиля 11.

В стенках 12 и 13 спинки 8 и корыта 9 лопатки 1 выполнены эллипсные в поперечном сечении радиальные каналы 14. Большая ось 15 эллипса параллельна касательной линии 16 к образующей профиля 17 в точке А, наиболее приближенной к оси 15, что позволяет максимально увеличить длину участка l спинки 8 или корыта 9 с повышенным конвективным охлаждением.

Эллипсные в поперечном сечении радиальные каналы 14 соединены на входе с внутренней полостью 10 отверстиями 18, выполненными с возможностью организации внутри канала 14 кругового высокоскоростного воздушного вихря 20, интенсивно и равномерно охлаждающего поверхность лопатки 19 канала 14 за счет формирования заградительной пленки 21 охлаждающего воздуха вдоль спинки 8 и корыта 9 пера 2 рабочей лопатки 1.

На выходе каналы 14 соединены с внешней поверхностью 22 спинки 8 или поверхностью 23 корыта 9 отверстиями 24, выполненными под заданными углами к внутренней поверхности 19 каналов 14, что позволяет обеспечить безударный с минимальным гидравлическим сопротивлением выход охлаждающего воздуха 20 из отверстий 24 на поверхности 22 и 23.

Работает данное устройство следующим образом.

При работе турбины лопатка 1 обтекается потоком высокотемпературного газа, который стремится разогреть поверхности 22 и 23 спинки 8 и корыта 9 до температур, превышающих расчетные значения, что могло бы привести к перегреву и обрыву пера 2 лопатки 1. Однако этого не происходит, так как в эллипсных радиальных каналах 14 спинки 8 и корыта 9 вращается высокоскоростной вихрь 20 охлаждающего воздуха, осуществляя эффективное конвективное охлаждение пера 2 на участках l.

Вытекающий из отверстий 24 охлаждающий воздух 20 образует на последующем участке l₁ заградительную пленку воздуха 21, организуя таким образом пленочное заградительное охлаждение пера 2 лопатки 1. Толщины стенок 12 и 13 между эллипсными радиальными каналами 14 на участке l₁ выполнены минимальными, что снижает вес пера 2 лопатки 1, нагрузку на замок 4 от центробежных сил и повышает надежность лопатки 1. При этом увеличивается проходная площадь внутренней полости 10, что способствует снижению гидравлических потерь охлаждающего воздуха, поступающего в каналы 14, т.е. потенциальная энергия давления воздуха расходуется в основном на вращение вихря 20 в каналах 14, что способствует снижению температуры поверхности 19 каналов 14 и снижению температуры пера 2 лопатки 1.

Рабочая лопатка турбины с охлаждаемой внутренней полостью имеет расположенные в стенках спинки и корыта рабочей лопатки эллипсные в поперечном сечении радиальные каналы, большая ось эллипса которых выполнена параллельной касательной к образующей профиля лопатки в точке, наиболее приближенной к указанной оси. Эллипсные радиальные каналы соединены с внутренней и наружной полостями рабочей лопатки множеством отверстий, расположенных с возможностью организации кругового воздушного вихря внутри указанного канала и заградительной пленки охлаждающего воздуха вдоль спинки и корыта пера рабочей лопатки. Отношение большой оси эллипса поперечного сечения радиального канала к его малой оси равно 1,1...3. Толщины стенок между эллипсными радиальными каналами на участке выполнены минимальными, что снижает вес пера лопатки и нагрузку на замок рабочей лопатки от центробежных сил, что также повышает надежность лопатки. При этом увеличивается проходная площадь внутренней полости, что способствует снижению гидравлических потерь охлаждающего воздуха, поступающего в эллипсные каналы. 2 ил.

Рабочая лопатка турбины с охлаждаемой внутренней полостью, отличающаяся тем, что в стенках спинки и корыта рабочей лопатки расположены эллипсные в поперечном сечении радиальные каналы, большая ось эллипса которых выполнена параллельной касательной к образующей профиля лопатки в точке, наиболее приближенной к указанной оси, причем эллипсные радиальные каналы соединены с внутренней и наружной полостями рабочей лопатки множеством отверстий, расположенных с возможностью организации кругового воздушного вихря внутри указанного канала и заградительной пленки охлаждающего воздуха вдоль спинки и корыта пера рабочей лопатки, при этом а/b=1,1...3, где

а - большая ось эллипса поперечного сечения радиального канала;

b - малая ось эллипса поперечного сечения радиального канала.