ЭКСЦЕНТРИЧЕСКАЯ ФАСКА У ВХОДА ОТВЕТВЛЕНИЙ В ПРОТОЧНОМ КАНАЛЕ Российский патент 2012 года по МПК F01D5/18 F23R3/00 

Данное изобретение относится к проточному каналу с ответвляющимся каналом для эффективного использования поперечного потока с подавлением турбуленций.

Текучие среды, такие как жидкости или газы, необходимо транспортировать через проточные каналы в различных технических применениях. Проточные каналы часто содержат ответвления, которые имеют направление потока, по существу перпендикулярное направлению потока основного проточного канала, с целью разделения потока, где потоки разделяются. У таких ответвлений обычно возникают турбуленции у кромок входа и вызывают нежелательные потери давления. Одним способом уменьшения турбуленций является снабжение фаской кромок входа.

В ЕР 0 365 195 А2 показаны различные конфигурации для сходящихся-расходящихся отверстий пленочного охлаждения с имеющими форму усеченного конуса частями, соединенными у их наиболее узких частей, вместе со способами сверления отверстий, необходимых для обеспечения конфигураций.

В ЕР 1 686 240 А1 показаны охлаждающие отверстия, где зоны острых кромок разрушены вдоль периферии, так что в этой зоне имеется плоская зона.

Компоненты пути прохождения горячего газа являются одним применением поперечных потоков. На эти компоненты воздействуют высокие температуры и их необходимо охлаждать. В частности, компоненты пути прохождения горячего газа газовой турбины, такие как турбинные лопатки или лопасти, часто постоянно охлаждаются, при этом пленочное и принудительное охлаждение играет значительную роль. Для пленочного охлаждения компонент должен быть выполнен полым, и отверстия соединяют внутреннее пространство компонента с наружной поверхностью. Это обеспечивает, что охлаждающий поток из внутреннего пространства входит в отверстия и создает тонкую охлаждающую пленку также на наружной стороне лопатки. Применяемый в данном случае поперечный поток через отверстия связан с уже упомянутой выше нежелательной потерей давления, которая может уменьшать эффективность пленочного охлаждения. То же относится к принудительному охлаждению, где поток выдувается из сквозных отверстий в стенке проточного канала для соударения с задней стороной подлежащей охлаждению стенки.

Поэтому задачей данного изобретения является создание проточного канала с ответвляющимся каналом, имеющим направление потока, по существу перпендикулярное направлению потока основного проточного канала, который преодолевает недостатки уровня техники. Другой задачей данного изобретения является создание предпочтительного турбинного компонента.

Эти задачи решены с помощью проточного канала, согласно пункту 1 формулы изобретения, и турбинного компонента, согласно пункту 4 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения заданы дальнейшие модификации изобретения.

Проточный канал, согласно изобретению, содержит кромку, задающую входное отверстие ответвляющегося канала, характеризующееся фаской у верхней по потоку кромки входного отверстия и острой нижней по потоку кромкой входного отверстия. Обычно в ответвляющемся канале направление потока перпендикулярно или по существу перпендикулярно направлению потока основного проточного канала.

Изобретение основано на следующих соображениях.

Турбуленции обычно возникают у верхних по потоку кромок входного отверстия. Верхняя по потоку кромка входного отверстия является кромкой на стороне входа, откуда приходит текучая среда поперечного потока. Поток должен обтекать очень резкий угол, срывается с этого угла и создает турбуленции. Согласно уровню техники турбуленции уменьшают посредством предусмотрения фаски на кромке входного отверстия. Однако снабженные фаской нижние по потоку кромки уменьшают эффективный поперечный поток через ответвление, что также является нежелательным результатом. При снабженных фаской или изогнутых верхних по потоку кромках входного отверстия и острых нижних по потоку кромках можно уменьшать нежелательные турбуленции при одновременном сохранении эффективности поперечного потока. Это обеспечивает возможность оптимизации поперечного потока через ответвление. Оптимизация поперечного потока может приводить, например, к повышению эффективности принудительного охлаждения за счет увеличения силы струи, что является следствием уменьшения отделения потока и среза в отверстии.

Входное отверстие, согласно изобретению, может быть реализовано с помощью эксцентричной или центральной фаски, соответственно. В целом входное отверстие может иметь любое поперечное сечение, например круглое, эллиптическое, полукруглое, квадратное или прямоугольное поперечное сечение.

Турбинный компонент, согласно изобретению, который может быть компонентом газовой турбины, содержит внутренний проточный канал с кромкой, задающей входное отверстие ответвляющегося канала, которое характеризуется тем, что предусмотрены фаска на верхней по потоку кромке входного отверстия и острая нижняя по потоку кромка входного отверстия.

Ответвляющийся канал может быть сквозным отверстием через стенку компонента газовой турбины. Это сквозное отверстие может быть отверстием для пленочного охлаждения, отверстием для принудительного охлаждения или отверстием для приема потока, например, в роторе турбины. Кроме того, турбинный компонент, содержащий внутренний проточный канал, согласно изобретению, может быть реализован в виде турбинной лопатки, стенки или лопасти.

Кроме того, отверстие, согласно изобретению, можно применять в качестве отверстия принудительного охлаждения для охлаждения сопловых направляющих лопастей или охлаждения роторных лопаток, например, в аэродинамической поверхности или в концевой стенке. Его можно в целом применять для охлаждения стенок газовой турбины в переходном канале камеры сгорания или компонентов промежуточного канала. Отверстие принудительного охлаждения можно выполнять в отбойной трубе или отбойной пластине и устанавливать в сопловую направляющую лопасть или роторную лопатку с образованием узла.

В целом, фаску, согласно изобретению, можно выполнять с помощью электроэрозионной обработки, электрохимической обработки или литья.

Преимущество проточного канала, согласно изобретению, и турбинного компонента, согласно изобретению, состоит в предотвращении потерь давления в проточных каналах посредством подавления турбуленций, в частности, при применении поперечных потоков. Кроме того, увеличенная сила струи, достигаемая за счет уменьшения срыва потока и среза внутри отверстия, увеличивает коэффициент переноса тепла.

Другие признаки, свойства и преимущества данного изобретения следуют из приведенного ниже описания вариантов выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг.1 - роторная лопатка проточного канала, в изометрической проекции;

Фиг.2 - отверстие для пленочного охлаждения, согласно уровню техники, роторной лопатки, на виде сверху;

Фиг.3 - отверстие для пленочного охлаждения, согласно Фиг.2, в разрезе вдоль продольной оси охлаждающего отверстия;

Фиг.4 - первый пример проточного канала, согласно изобретению, отверстие для пленочного охлаждения роторной лопатки с фаской по потоку перед кромкой и острой нижней по потоку кромкой у входа, на виде сверху;

Фиг.5 - разрез охлаждающего отверстия, согласно Фиг.4, вдоль продольной оси охлаждающего отверстия;

Фиг.6 - вход, согласно изобретению, из трубопровода в отдельное ответвление, на виде сверху;

Фиг.7 - разрез входа из трубопровода в отдельное ответвление, согласно Фиг.6, вдоль продольной оси входа.

Фиг.8 - разрез отверстия для принудительного охлаждения вдоль продольной оси входа.

На Фиг.1 показана в изометрической проекции вдоль центральной оси 1 турбинная роторная лопатка. Турбина может быть газовой турбиной самолета или электростанции, паровой турбиной или компрессором. Роторная лопатка состоит из хвостовика 2 в качестве фиксирующего компонента, платформы 3 лопатки и пера 4. В данном случае показан вариант выполнения лопатки газовой турбины. На такую лопатку воздействуют во время работы горячие газы сгорания газовой турбины. Поэтому она является полой для охлаждения. На передней кромке 5 расположены отверстия 6 пленочного охлаждения, которые позволяют охлаждающему воздуху выходить из лопатки и образовывать пленку воздуха над поверхностью лопатки, которая предотвращает непосредственный контакт между газом сгорания и поверхностью. Такие охлаждающие отверстия представляют ответвляющиеся каналы внутреннего проточного канала для охлаждающего воздуха.

Дополнительно к этому лопатка снабжена также внутренними каналами для охлаждающего воздуха и отверстиями принудительного охлаждения, проходящими через стенки охлаждающего канала. Внутренний охлаждающий канал не виден на фигуре. Через отверстия принудительного охлаждения охлаждающий воздух вдувается в пространство между внутренним каналом охлаждающего воздуха и внутренней стороной наружной стенки лопатки для соударения с внутренней стороной наружной стенки. После соударения воздух может проходить через пространство между каналом охлаждающего воздуха и наружной стенкой к отверстиям пленочного охлаждения, через которые затем выпускается охлаждающий воздух. Как канал охлаждающего воздуха с отверстиями принудительного охлаждения, так и пространство между каналом охлаждающего воздуха и наружной стенкой с отверстиями пленочного охлаждения могут осуществляться в виде проточного канала с ответвляющимся каналом, согласно изобретению.

На Фиг.2 показано отверстие 6 для пленочного охлаждения или принудительного охлаждения, согласно уровню техники, называемое в последующем отверстием 6 из внутреннего пространства полой роторной лопатки газовой турбины или канала охлаждающего воздуха. На Фиг.3 показана в разрезе вдоль продольной оси отверстия 6 стенка 8 лопатки в месте расположения отверстия 6. В отверстии 6 направление потока перпендикулярно направлению потока основного проточного канала 7. Стрелками 9 показано направление потока охлаждающей текучей среды. Входящий поперечный поток входит в отверстие у острой верхней по потоку кромки 10, и за этой острой кромкой возникают турбуленции 12. Позицией 11 обозначена нижняя по потоку кромка.

Турбуленции предотвращаются за счет конструкции проточного канала, в частности конструкции входного отверстия охлаждающего отверстия, т.е. за счет входа, согласно изобретению, который имеет эксцентрическую фаску у верхней по потоку кромки входного отверстия. Эксцентрическая фаска выполняется посредством электроэрозионной обработки. На Фиг.4 показано в качестве первого варианта выполнения изобретения на виде сверху снабженное эксцентрической фаской отверстие 6 пленочного охлаждения, проходящее с внутренней стороны полой лопатки ротора газовой турбины. На Фиг.5 показано отверстие 6 пленочного охлаждения, согласно Фиг.4, в разрезе вдоль продольной оси охлаждающего отверстия 6. Элементы, соответствующие элементам на Фиг.2 и 3, обозначены теми же позициями, и их повторное описание не приводится. Эксцентрическая фаска 13 у верхней по потоку кромки вызывает ламинарный или слоистый поток без турбуленций и нежелательных потерь давления. Нижняя по потоку кромка 11 входа остается острой для обеспечения эффективного использования поперечного потока.

Ниже приводится описание второго варианта выполнения входа, согласно изобретению, со ссылками на Фиг.3, 6 и 7. Описание Фиг.3 соответствует описанию первого варианта выполнения. Элементы на Фиг.6 и 7, соответствующие элементам на Фиг.2 и 3, обозначены теми же позициями, и их повторное описание не приводится.

Жидкое топливо, используемое в камере сгорания газовой турбины, может транспортироваться в трубопроводе с отдельным ответвлением 21, перпендикулярным основной ветви 20. Без входа, согласно изобретению, из основной ветви 20 в отдельное ответвление 21 за верхней по потоку кромкой возникают турбуленции, как показано на Фиг.3, и вызывают потери давления. Это явление можно подавлять посредством снабжения фаской верхней по потоку кромки 13, как показано на Фиг.6 и 7. На Фиг.6 показан на виде сверху вход, согласно изобретению, из основной ветви 20 в отдельное ответвление 21. Вход имеет полукруглое поперечное сечение и снабжен фаской 13 у прямолинейной кромки 14. На Фиг.7 показан вход из трубопровода в отдельное ответвление, согласно Фиг.6, вдоль продольной оси входа.

Ниже приводится описание третьего варианта выполнения входа, согласно изобретению, который представляет отверстие принудительного охлаждения, со ссылками на Фиг.4 и 8. Описание Фиг.4 соответствует описанию первого варианта выполнения. Элементы на Фиг.8, соответствующие элементам на Фиг.4, обозначены теми же позициями, и их повторное описание не приводится.

На Фиг.8 показан вход отверстия 16 принудительного охлаждения компонента газовой турбины в разрезе вдоль продольной оси входа. Также показаны на фигуре стенка 18 канала 15 охлаждающей текучей среды, который в данном варианте выполнения является каналом охлаждающего воздуха, и внутренняя сторона наружной стенки 19 компонента турбины. Между стенкой 18 канала 15 охлаждающего воздуха и внутренней стороной наружной стенки 19 компонента турбины образовано пространство 17, через которое охлаждающая текучая среда, т.е. охлаждающий воздух в данном варианте выполнения, можно отводить от отверстия принудительного охлаждения после соударения с внутренней стороной наружной стенки 19 компонента турбины. Пространство может направлять воздух к отверстиям пленочного охлаждения, проходящим через наружную стенку 19, как было показано и описано в первом варианте выполнения.

В отверстиях 6, согласно третьему варианту выполнения, эксцентрическая фаска 13 увеличивает силу струи за счет уменьшенного срыва потока и среза внутри отверстия. Поэтому увеличивается коэффициент переноса тепла. На виде сверху на Фиг.8 отверстие принудительного охлаждения имеет ту же структуру, что и на Фиг.4. Эксцентрическая фаска может быть изготовлена с помощью электроэрозионной обработки, электрохимической обработки или литья.

Отверстие принудительного охлаждения можно применять для охлаждения сопловых направляющих лопастей или охлаждения роторных лопаток, например, в аэродинамической поверхности или в концевой стенке. Кроме того, его можно применять для охлаждения стенки газовой турбины в переходном канале камеры сгорания или компонентов промежуточного канала. Отверстие принудительного охлаждения может быть выполнено в отбойной трубе или отбойной пластине и установлено в сопловой направляющей лопасти или в роторной лопатке с образованием узла.

Хотя было приведено описание различных геометрических форм для отверстий пленочного охлаждения и отверстий принудительного охлаждения, с одной стороны, и входа отдельного ответвления, с другой стороны, геометрические размеры являются в целом взаимозаменяемыми.

Проточный канал содержит основной канал, ответвляющийся канал, в котором направление потока перпендикулярно направлению потока основного канала, и входное отверстие ответвляющегося канала, которое расположено в стенке основного канала и задано кромкой, содержащей верхнюю по потоку кромку и нижнюю по потоку кромку. У верхней по потоку кромки входного отверстия предусмотрена фаска. Нижняя по потоку кромка входного отверстия является острой кромкой, образованной прямым углом между стенкой ответвляющегося канала и стенкой основного канала. Фаска у верхней по потоку кромки имеет форму, которая является эксцентрической относительно продольной оси ответвляющегося канала. Изобретение направлено на уменьшение потерь давления. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Проточный канал, содержащий основной канал (7, 15, 20), ответвляющийся канал (5, 16, 21), в котором направление потока перпендикулярно направлению потока основного канала (7, 15, 20), и входное отверстие ответвляющегося канала (5, 16, 21), которое расположено в стенке основного канала (7, 15, 20) и задано кромкой, содержащей верхнюю по потоку кромку и нижнюю по потоку кромку, отличающийся тем, что предусмотрена фаска (13) у верхней по потоку кромки (10) входного отверстия, и что нижняя по потоку кромка (11) входного отверстия является острой кромкой, образованной прямым углом между стенкой ответвляющегося канала (5, 16, 21) и стенкой основного канала (7, 15, 20).

2. Проточный канал по п.1, отличающийся тем, что фаска (13) у верхней по потоку кромки (10) имеет форму, которая является эксцентрической относительно продольной оси ответвляющегося канала.

3. Проточный канал по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что входное отверстие имеет, в частности, круглое, эллиптическое, полукруглое, квадратное или прямоугольное поперечное сечение.

4. Компонент турбины, в частности компонент газовой турбины, содержащий внутренний проточный канал по любому из пп.1-3.

5. Компонент турбины по п.4, в котором ответвляющийся канал (6, 16) является сквозным отверстием через стенку (8, 18) компонента газовой турбины.

6. Компонент турбины по п.5, в котором сквозное отверстие является отверстием (6) для пленочного охлаждения, отверстием (16) для принудительного охлаждения или принимающим поток отверстием.

7. Компонент турбины по любому из пп.4-6, который реализован в виде лопатки или лопасти газовой турбины, или в виде компонента камеры сгорания.