ЭЛЕМЕНТ ОХЛАЖДАЕМОЙ ЛОПАТКИ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2013 года по МПК F01D5/18 

Настоящее изобретение относится к охлаждению газотурбинного двигателя и, в частности, к усовершенствованию охлаждения лопатки турбины.

Известен элемент охлаждаемой лопатки турбомашины, содержащий канал для охлаждающего воздуха, выполненный внутри лопатки в направлении вдоль входной кромки, соединенный входными каналами через раздаточный коллектор с питающим каналом, а выходными каналами - с внешней поверхностью лопатки, при этом входные и выходные каналы выполнены тангенциально относительно канала для охлаждающего воздуха /RU №2117768 МПК⁸ F01D 5/18, опубл. 1998/ /1/.

Выполнение входного и выходного каналов тангенциально относительно радиального канала позволяет охлаждающему воздуху двигаться вдоль стенки канала, разгоняться до высоких значений скоростей и образовывать вихревое течение (циклонное движение охлаждающего воздуха), что вызывает интенсивный отвод тепла от горячей поверхности лопатки к охлаждающему воздуху, а направление канала на наружную поверхность способствует увеличить располагаемый перепад давления для охлаждающего воздуха и созданию на наружной поверхности лопатки пленочного охлаждения. Такой элемент охлаждаемой лопатки обладает очень высокими характеристиками по охлаждению пера лопатки и успешно применяется даже для охлаждения наиболее горячей входной кромки лопаток.

Следует отметить, что охлаждающий воздух при движении по каналу для охлаждающего воздуха за счет центробежных сил прижимается к поверхности канала, при этом центральная область канала остается незадействованной. В то же время очень часто возникает необходимость транзита через внутренние полости лопатки каких-либо технологических сред, например транзит охлаждающего воздуха от зоны верхней полки сопловой лопатки к нижней для организации ее надежного охлаждения или для подачи этого воздуха на охлаждение рабочей лопатки последующей ступени турбины.

Задача изобретения - использовать центральную область канала для охлаждающего воздуха для транзита через нее различных технологических сред, например охлаждающего воздуха от зоны верхней полки сопловой лопатки к нижней.

Технический результат от использования изобретения - повышение экономичности турбомашины, расширение возможностей эксплуатации и проектирования лопаток за счет установки в центральной области канала для охлаждающего воздуха транзитного трубопровода, отделяющего воздух, поступающий в циклонную область по входным каналам от транзитного потока среды, и движущегося по транзитному трубопроводу в перпендикулярных к друг другу направлениях.

Технический результат достигается тем, что известный элемент лопатки турбомашины, содержащий канал для охлаждающего воздуха, выполненный внутри лопатки в направлении вдоль входной кромки, соединенный входными каналами через раздаточный коллектор с питающим каналом, а выходными каналами - с внешней поверхностью лопатки, при этом входные и выходные каналы выполнены тангенциально относительно канала для охлаждающего воздуха, по предложению элемент снабжен транзитным трубопроводом, установленным внутри канала для охлаждающего воздуха с зазором относительно внутренней стенки последнего.

Элемент охлаждаемой лопатки турбомашины может быть снабжен подводящим и/или отводящим каналами для технологических сред турбомашины, соединенными с транзитным трубопроводом.

Предусмотрено, что элемент охлаждаемой лопатки турбомашины может иметь отношение площади проходных сечений выходного и входного каналов, выбранное в интервале 4,2>F_выхода/F_входа>1,7, а отношение диаметра выходного канала к величине зазора между внутренней поверхностью радиального канала и наружной поверхностью транзитного трубопровода, выбранное в интервале 1,0…1,4.

Турбореактивный двигатель, имеющий в своей комплектации охлаждаемую лопатку, может содержать, по меньшей мере, один элемент в соответствии с любым из вариантов выполнения элемента охлаждаемой лопатки.

Сущность предложения заключается в том, что в канале для охлаждающего воздуха при тангенциальном выполнении входных и выходных каналов при работе лопатки реализуется вихревое вращательное движение воздуха (циклон), который распределяется по стенке канала. Средняя часть канала практически не принимает участия в процессе движения. По предложению, предусмотрено в этой зоне поместить транзитный трубопровод, с помощью которого и его питающих и отводящих каналов дополнительно направить технологические среды турбомашины на наиболее температурно-напряженные участки охлаждаемой лопатки, например, на охлаждение полок лопаток. Транзитный трубопровод отделяет два движущихся во взаимно перпендикулярных направлениях и не дает возможности им сталкиваться друг с другом, что привело бы к нарушению работы и одного и второго потоков. Транзитный трубопровод может также использоваться для передачи газа, воздуха, жидкостей, масел и других сред. Заявленный элемент лопатки с транзитным трубопроводом, позволяет многократно его использовать, размещая в необходимых участках лопатки для достижения оптимальных температурных напряжений.

На чертеже показан поперечный разрез элемента лопатки турбомашины.

Элемент охлаждаемой лопатки турбомашины 1 с выпуклой 2 и вогнутой 3 внешними поверхностями содержит канал 4 для охлаждающего воздуха, выполненный внутри лопатки 1 в направлении вдоль входной кромки 5, соединенный входными каналами 6 через раздаточный коллектор 7 с питающим каналом (на чертеже не показан), а выходными каналами 8 - с выпуклой 2 внешней поверхностью лопатки 1, при этом входные 6 и выходные 8 каналы выполнены тангенциально относительно канала 4 для охлаждающего воздуха. Элемент снабжен транзитным трубопроводом 9, установленным внутри канала 4 для охлаждающего воздуха с зазором относительно внутренней стенки 10 последнего. Транзитный трубопровод может использоваться составным элементом в системе для охлаждения полок лопаток, рабочих колес турбины охлаждающим воздухом независимо от охлаждения элемента лопатки турбомашины. По этому транзитному трубопроводу можно проводить различные потоки технологических сред турбомашины.

Элемент лопатки турбомашины работает следующим образом. Охлаждающий воздух, двигаясь вдоль стенки канала 4, разгоняется до высоких значений скоростей, образует вихревое течение в зазоре канала 4 и транзитного трубопровода 9, что вызывает интенсивный отвод тепла от горячей поверхности к охлаждающему воздуху. Направление охлаждающего воздуха на наружную поверхность элемента способствует созданию вдоль наружной поверхности элемента пленочного охлаждения, что приведет к уменьшению в элементе лопатки 1, температурных градиентов и термических напряжений соответственно.

Таким образом, использование изобретения позволяет использовать центральную область канала для охлаждающего воздуха для транзита через нее различных технологических сред, например охлаждающего воздуха от зоны верхней полки сопловой лопатки к нижней, позволяет повысить экономичность турбомашины, расширить возможности эксплуатации и проектирования лопаток.

Изобретение относится к охлаждению газотурбинного двигателя и, в частности, к усовершенствованию охлаждения профильной части и полок лопатки турбины высокого давления. Элемент охлаждаемой лопатки турбомашины содержит канал для охлаждающего воздуха, выполненный внутри лопатки в направлении вдоль входной кромки, соединенный входными каналами через раздаточный коллектор с питающим каналом, а выходными каналами - с внешней поверхностью лопатки. Входные и выходные каналы выполнены тангенциально относительно канала для охлаждающего воздуха. Элемент охлаждаемой лопатки снабжен транзитным трубопроводом, установленным внутри канала для охлаждающего воздуха с зазором относительно внутренней стенки последнего. Изобретение позволяет организовать условия охлаждения элементов лопатки на различных ее участках, за счет чего уменьшить локальные температурные градиенты, уменьшить термические напряжения в лопатках, повысить рабочий ресурс турбомашины, в частности турбореактивного двигателя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Элемент охлаждаемой лопатки турбомашины, содержащий канал для охлаждающего воздуха, выполненный внутри лопатки в направлении вдоль входной кромки, соединенный входными каналами через раздаточный коллектор с питающим каналом, а выходными каналами с внешней поверхностью лопатки, при этом входные и выходные каналы выполнены тангенциально относительно канала для охлаждающего воздуха, отличающаяся тем, что он снабжен транзитным трубопроводом, установленным внутри канала для охлаждающего воздуха с зазором относительно внутренней стенки последнего.

2. Элемент охлаждаемой лопатки турбомашины по п.1, отличающийся тем, что он снабжен подводящим и/или отводящим каналами для потоков технологических сред в турбомашине, соединенных с транзитным трубопроводом.

3. Элемент охлаждаемой лопатки турбомашины по п.1, отличающийся тем, что отношение площади проходных сечений выходного и входного каналов выбрано в интервале 4,2>F_выхода/F_входа>1,7, а отношение диаметра выходного канала к величине зазора между внутренней поверхностью радиального канала и наружной поверхностью транзитного трубопровода выбрано в интервале 1,0-1,4.

4. Турбореактивный двигатель, имеющий в своей комплектации охлаждаемую лопатку, содержащую по меньшей мере один элемент по любому из пп.1-3.