ОХЛАЖДАЕМАЯ ПЕРФОРИРОВАННАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ Российский патент 2015 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к области турбостроения, в частности к охлаждаемым лопаткам турбин, применяемым в авиационных двигателях, а также в стационарных газотурбинных установках.

Исследования коэффициентов теплоотдачи в коротких охлаждающих отверстиях малого диаметра [Жестков Б.А. Основы теории и расчет теплового состояния стенок камер сгорания реактивных двигателей. Учебное пособие. - Уфа: Изд. УАИ, 1980. - 95 с. Формула (2.45) на с.46] и исследования в охлаждающих отверстиях типичных по геометрии для перфорации турбинных лопаток [Трушин В.А. Пленочное охлаждение турбинных лопаток // Уфа: Издание УАИ, 1988. - 78 с.] показали, что теплоотдача в коротких охлаждающих отверстиях малого диаметра в 3,5-4 раза выше, чем в длинных трубах. Это объясняется отсутствием возможности быстрого формирования развитого пограничного слоя на коротком участке поверхности отверстия, где вместо пограничного слоя с ламинарным подслоем имеют место вихревые структуры без ламинарного подслоя, интенсивно переносящие теплоту от перфорированной оболочки лопатки к охлаждающему воздуху. В известных охлаждаемых перфорированных лопатках турбин, содержащих перфорированную оболочку с охлаждающими отверстиями малого диаметра, велика относительная длина этих отверстий.

Однако на большой относительной длине охлаждающего отверстия малого диаметра в оболочке образуются и смыкаются пограничные слои с ламинарным подслоем, препятствующие оттоку теплоты от оболочки к потоку охлаждающего воздуху в отверстиях. Чтобы разрушить пограничный слой на стенках отверстия, следует отверстие выполнить прерывистым по длине с малой длиной участков [Трушин В.А. Пленочное охлаждение турбинных лопаток // Уфа: Издание УАИ, 1988. - 78 с.]. Кроме того, отсутствие дросселирования воздуха в охлаждающем отверстии перфорированной оболочки лопатки, с отсутствием эффекта его охлаждения при дросселировании, обуславливает малый отток теплоты от перфорированной оболочки лопатки к воздуху.

Известны охлаждаемые перфорированные лопатки турбин (Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок: Учебник для вузов. / В.Л. Иванов, А.И. Леонтьев, Э.А. Манушин, М.И. Осипов; Под ред. А.И. Леонтьева. - 2-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 592 с.), содержащие перфорированную оболочку с охлаждающими отверстиями малого диаметра.

Известна охлаждаемая лопатка турбомашины (Авторское свидетельство СССР №565991, М Кл² F01D 5/18, 25.07.1977), содержащая перфорированную оболочку с оребрением на внутренней ее поверхности вблизи отверстий.

Известно ротор высокотемпературной газовой турбины (Патент №2200235 C2, МПК F01D 5/18, 10.03.2003) с охлаждаемыми рабочими лопатками, передняя кромка которых выполнена перфорированной.

Известно техническое решение (Патент №2286463 C2, МПК F01D 5/18, 27.10.2006), в котором представлена охлаждаемая перфорированная лопатка турбины, пронизанная отверстиями большой относительной длины, проходящими через оребрение, перфорированную оболочку и термобарьерное покрытие.

Известна охлаждаемая турбинная лопатка (Патент №2076928 C1, МПК F01D 5/18, 10.04.1997) с продольными пазами внутри стенки лопатки, закрытыми со стороны газа керамической оболочкой, соединенными отверстиями с внутренней полостью лопатки, но не выходящими на поверхность, контактирующую с газом.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является охлаждаемая лопатка турбомашины (Патент №2476681 C1, МПК F01D 5/18, 27.02.2013) петлевой схемы охлаждения.

Представлена охлаждаемая перфорированная лопатка турбины, содержащая перфорированную оболочку с охлаждающими отверстиями малого диаметра большой относительной длины.

Недостатками известных охлаждаемых перфорированных лопаток турбин является большая относительная длина охлаждающих отверстий малого диаметра в оболочке, что приводит к образованию и смыканию пограничных слоев с ламинарным подслоем, препятствующих оттоку теплоты от оболочки к потоку охлаждающего воздуха в отверстиях.

Задача изобретения - увеличение надежности и ресурса работы лопатки.

Технический результат - повышение эффективности охлаждения лопатки за счет выполнения в перфорированной оболочке лопатки в месте расположения отверстия разделительной полости овальной формы.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что у охлаждаемой лопатки турбины, содержащей перфорированную оболочку с охлаждающими отверстиями малого диаметра, в отличие от прототипа, в перфорированной оболочке лопатки, в месте расположения отверстия, выполнены разделительные полости овальной формы с шириной овала, равной диаметру отверстия, и высотой, несколько большей диаметра отверстия, расположенные с ориентацией высоты овала в радиальном направлении.

Использование отличительных признаков в заявляемой охлаждаемой перфорированной лопатке турбины, содержащей перфорированную оболочку с охлаждающими отверстиями малого диаметра, позволяют повысить эффективность ее охлаждения. Тем самым повышается ресурс и надежность ее работы в системе газотурбинного двигателя за счет интенсификации теплоотдачи от оболочки лопатки к потоку охлаждающего воздуху в отверстиях.

Существо изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 схематически изображено поперечное сечение участка перфорированной оболочки с охлаждающими отверстиями малого диаметра с разделительными полостями овальной формы с шириной овала, равной диаметру отверстия; на фиг.2 - элемент - вид по сечению А-А на фиг.1 в сечении обвода оболочки; на фиг.3 - элемент - вид по сечению В-В на фиг.2 в радиальном сечении на отверстие с разделительной полостью овальной формы.

Охлаждаемая перфорированная лопатка турбины, содержащая перфорированную оболочку 1 (фиг.1), внутри которой выполнены охлаждающие отверстия малого диаметра 2 с разделительными полостями 3 овальной формы с шириной овала, равной диаметру отверстия, что исключает подрезание поперечного сечения перфорированной оболочки сверх того подрезания, которое неизбежно происходит при выполнении отверстий перфорации, с ослаблением сопротивления поперечного сечения оболочки воздействию центробежных сил, сил от неизотермичности по сечению, сил газовых и вибрационных, и высотой овала, несколько большей диаметра отверстия, расположенные с ориентацией высоты овала в радиальном направлении.

При работе охлаждаемой перфорированной лопатки турбины воздух проходит через охлаждающее отверстие малого диаметра 2 с разделительной полостью 3, где теплоотдача от перфорированной оболочки 1 к воздуху через несформировавшийся в коротком охлаждающем отверстии пограничный слой выше, чем через сомкнувшиеся пограничные слои в относительно длинном охлаждающем отверстии, если разделительная полость 3 отсутствует. Кроме того, дросселирование воздуха при прохождении его через чередующиеся короткие охлаждающие отверстия в перфорированной оболочке 1 обеспечивает его охлаждение как в разделительной полости 3, увеличивая хладоресурс воздуха, так и на выходе из перфорированной оболочки 1, увеличивая хладоресурс теплозащитной пленки воздуха между потоком газа и перфорированной оболочкой 1 лопатки турбины.

Выполнение в перфорированной оболочке лопатки турбины, в месте расположения отверстия разделительной полости овальной формы с шириной овала, равной диаметру отверстия, и высотой, несколько большей диаметра отверстия, расположенного с ориентацией высоты овала в радиальном направлении, способствует интенсификации теплоотвода от перфорированной оболочки лопатки к охлаждающему воздуху за счет малой толщины несформировавшегося пограничного слоя в коротких охлаждающих отверстиях и за счет понижения температуры при дросселировании воздуха при прохождении его через чередующиеся короткие охлаждающие отверстия.

Охлаждаемая перфорированная лопатка турбины содержит перфорированную оболочку с охлаждающими отверстиями малого диаметра. В перфорированной оболочке лопатки в местах расположения отверстий выполнены разделительные полости овальной формы с шириной овала, равной диаметру отверстия, и высотой овала, несколько большей диаметра отверстия, расположенные с ориентацией высоты овала в радиальном направлении. Изобретение повышает эффективность охлаждения лопатки турбины. 3 ил.

Охлаждаемая перфорированная лопатка турбины, содержащая перфорированную оболочку с охлаждающими отверстиями малого диаметра, отличающаяся тем, что в перфорированной оболочке лопатки в местах расположения отверстий выполнены разделительные полости овальной формы с шириной овала, равной диаметру отверстия, и высотой овала, несколько большей диаметра отверстия, расположенные с ориентацией высоты овала в радиальном направлении.