ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2016 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к охлаждаемым лопаткам высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения.

Известна охлаждаемая лопатка высокотемпературной турбины, во внутренней полости пера которой в шахматном порядке расположены выполненные за одно целое со стенками цилиндрические перемычки-интенсификаторы охлаждения. (С.А. Вьюнов «Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей», Москва, «Машиностроение», 1981 г., стр. 166, рис. 4.26).

Недостатком известной конструкции является ее низкая надежность из-за повышенной температуры пера лопатки, особенно входной кромки, в связи с недостаточной эффективностью системы охлаждения.

Наиболее близкой к заявляемой является охлаждаемая лопатка высокотемпературной турбины с расположенными во внутренней полости пера цилиндрическими перемычками-турбулизаторами и радиальным ребром, разделяющим внутреннюю полость лопатки на переднюю и заднюю полости. (патент RU №1625078, МПК: F01D 5/08).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность из-за недостаточной эффективности конвективной системы охлаждения пера лопатки, в том числе ее входной кромки.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении надежности охлаждаемой лопатки высокотемпературного двигателя путем повышения эффективности конвективного охлаждения пера лопатки.

Указанный технический результат достигается тем, что в охлаждаемой лопатке высокотемпературной турбины, во внутренней полости пера которой расположены цилиндрические перемычки-турбулизаторы и радиальные ребра, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ на поверхностях внутренней полости пера лопатки, включая входную кромку и радиальные ребра, на выходе из перемычек-турбулизаторов по потоку охлаждающего воздуха и преимущественно перпендикулярно к направлению этого потока выполнены цилиндрические выступы, соединяющие между собой внутреннюю поверхность входной кромки, перемычки и ребра, при этом отношение D/d=1,5…10 и d/h=1,5…2,5, где:

D - диаметр цилиндрической перемычки-турбулизатора,

d - диаметр цилиндрического выступа,

h - высота цилиндрического выступа.

Выполнение на поверхностях внутренней полости, включая входную кромку и радиальные ребра, цилиндрических выступов, установленных преимущественно перпендикулярно направлению потока охлаждающего воздуха, способствует турбулизации пограничного слоя охлаждающего воздуха при минимальных гидравлических потерях этого воздуха, что повышает эффективность конвективного охлаждения рабочей лопатки.

Выполнение цилиндрических выступов на выходе из перемычек-турбулизаторов по потоку охлаждающего воздуха позволяет максимально турбулизировать пограничный слой за счет повышенной скорости охлаждающего воздуха на выходе из перемычек-турбулизаторов при минимальных гидравлических потерях.

При D/d<1,5 - снижается надежность охлаждаемой лопатки из-за повышения гидравлических потерь охлаждающего воздуха, снижения его расхода и повышения температуры пера лопатки.

При D/d>10 - снижается надежность охлаждаемой лопатки из-за повышения температуры пера лопатки вследствие снижения турбулизации пограничного слоя охлаждающего воздуха.

При d/h<1,5 - снижается надежность и увеличивается стоимость изготовления охлаждаемой лопатки из-за снижения технологичности конструкции лопатки и повышения напряжений в цилиндрических выступах.

При d/h>2,5 - снижается надежность охлаждаемой лопатки из-за уменьшения турбулизации пограничного слоя, повышения гидравлических потерь на прокачку охлаждающего воздуха и повышения температуры пера лопатки.

На фиг. 1 - изображен общий вид охлаждаемой лопатки высокотемпературной турбины.

На фиг. 2 - элемент I на фиг. 1 в увеличенном виде.

На фиг. 3 - элемент II на фиг. 2 в увеличенном виде.

На фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 3.

Охлаждаемая лопатка 1 высокотемпературной турбины состоит из пера 2 и хвостовика 3. Перо выполнено с внутренней полостью 4, в которой расположены цилиндрические перемычки-турбулизаторы 5, а также радиальные ребра 6 и 7. На внутренних поверхностях 8, 9 и 10 входной кромки 11, спинки 12 и корыта 13, соответственно, а также на ребрах 6 и 7 во внутренней полости 4 пера 2 выполнены цилиндрические выступы 14, установленные на выходе из перемычек-турбулизаторов 5 по потоку охлаждающего воздуха 15, преимущественно перпендикулярно к направлению этого потока, и соединяющие между собой внутреннюю поверхность 8 входной кромки 11, перемычки 5 и ребра 6 и 7. Охлаждающий воздух 15 подается в охлаждаемую лопатку 1 со стороны подошвы 16 замковой части 17 хвостовика 3 лопатки 1. Цилиндрические выступы 14 предназначены для турбулизации пограничного слоя 18 потока охлаждающего воздуха 15 во внутренней полости 4 с целью интенсификации процессов теплоотдачи от стенок 19 лопатки 1 в поток охлаждающего воздуха 15 при минимальных гидравлических потерях этого потока воздуха, поэтому высота h цилиндрических выступов 14 выбирается в соответствии с толщиной пограничного слоя 18 и технологическими возможностями при изготовлении лопатки литьем.

При работе охлаждаемой лопатки 1 высокотемпературной турбины поток охлаждающего воздуха 15, протекая между цилиндрическими перемычками-турбулизаторами 5, увеличивает свою скорость и турбулизируется, натекая на расположенные на выходе из перемычек 5 цилиндрические выступы 14, что приводит к дополнительной турбулизации пограничного пристеночного слоя 18 охлаждающего воздуха 15, интенсификации процессов теплоотдачи от поверхностей 8, 9 и 10 внутренней полости 4 и от радиальных ребер 6 и 7 при минимальных гидравлических потерях потока воздуха 15. Крупномасштабная турбулентность, создаваемая перемычками 5, способствует перемешиванию подогретого пограничного слоя 18 с основным потоком охлаждающего воздуха 15, что приводит к интенсификации конвективного процесса теплообмена во внутренней полости 4 пера лопатки 1, снижению его температуры и повышению надежности лопатки.

Охлаждаемая лопатка высокотемпературной турбины газотурбинного двигателя содержит во внутренней полости пера цилиндрические перемычки-турбулизаторы и радиальные ребра. На поверхностях внутренней полости пера лопатки, включая входную кромку и радиальные ребра, на выходе из перемычек-турбулизаторов по потоку охлаждающего воздуха и преимущественно перпендикулярно к направлению этого потока выполнены цилиндрические выступы, соединяющие между собой внутреннюю поверхность входной кромки, перемычки и ребра. Отношение диаметра D цилиндрической перемычки-турбулизатора к диаметру d цилиндрического выступа находится в пределах 1,5…10. Отношение диаметра d цилиндрического выступа к высоте h цилиндрического выступа находится в пределах 1,5…2,5. Изобретение повышает надежность охлаждаемой лопатки путем повышения эффективности конвективного охлаждения пера лопатки. 4 ил.

Охлаждаемая лопатка высокотемпературной турбины, во внутренней полости пера которой расположены цилиндрические перемычки-турбулизаторы и радиальные ребра, отличающаяся тем, что на поверхностях внутренней полости пера лопатки, включая входную кромку и радиальные ребра, на выходе из перемычек-турбулизаторов по потоку охлаждающего воздуха и преимущественно перпендикулярно к направлению этого потока выполнены цилиндрические выступы, соединяющие между собой внутреннюю поверхность входной кромки, перемычки и ребра, при этом отношение D/d=1,5…10 и d/h=1,5…2,5, где:
D - диаметр цилиндрической перемычки-турбулизатора,
d - диаметр цилиндрического выступа,
h - высота цилиндрического выступа.