АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОФИЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК F01D5/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Объектом данного изобретения является аэродинамический профиль и способ его изготовления.

Уровень техники

Аэродинамический профиль, как правило, используется в виде лопасти и/или лопатки турбомашины, такой как газовая турбина или паровая турбина, которые используются в энергетических силовых установках. Турбомашина работает в течение продолжительных периодов времени, и во время работы аэродинамический профиль контактирует с газами, температура которых очень высока (свыше 1000°С), т.е. с рабочей средой турбомашины. При этом температура внешней поверхности аэродинамического профиля чрезвычайно возрастает. Воздействие таких высоких рабочих температур в течение таких продолжительных периодов времени приводит к сокращению срока службы аэродинамического профиля. Таким образом, для увеличения срока службы аэродинамического профиля его необходимо охлаждать.

Для охлаждения аэродинамических профилей широко применяется технология инжекционного охлаждения. При инжекционном охлаждении охлаждающая текучая среда направляется под высоким давлением в определенные области (на горячие точки) аэродинамического профиля, которые требуют охлаждения. Это требует направления охлаждающей текучей среды под высоким давлением для обеспечения столкновения, что, в свою очередь, требует дополнительных средств для повышения давления. Таким образом, данная технология инжекционного охлаждения аэродинамического профиля является недостаточно эффективной и дорогостоящей.

В патенте US 5704763 раскрывается аэродинамический профиль с подразделенным каналом охлаждения, содержащим устройства для создания турбулентности охлаждающей текучей среды, проходящей по данному каналу. Турбулентность охлаждающей жидкости повышает эффективность охлаждения.

В патенте US 7722327 предлагается альтернативная технология охлаждения аэродинамического профиля и описывается составная система вихревого охлаждения тонкого аэродинамического профиля, в которой стенка аэродинамического профиля содержит несколько отдельных вихревых каналов охлаждения, соединенных с каналом подачи охлаждающего воздуха передней кромки. Однако это очень дорогое решение, поскольку при его применении значительно возрастает сложность конструкции аэродинамического профиля.

Раскрытие изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в предложении более простой и усовершенствованной конструкции аэродинамического профиля для повышения эффективности его охлаждения.

Вышеупомянутая цель достигается с помощью аэродинамического профиля по п. 1 формулы изобретения и способа изготовления данного профиля по п. 12.

Базовой задачей настоящего изобретения является создание конструкции аэродинамического профиля с усовершенствованной системой охлаждения, в частности, при работе аэродинамического профиля. Аэродинамический профиль согласно настоящему изобретению содержит внешнюю стенку, внутреннюю стенку и охлаждающий канал, расположенный между вышеуказанными стенками. Охлаждающий канал предназначен для прохождения по нему охлаждающей текучей среды при работе аэродинамического профиля. На внутренней стенке имеется выступ, который выступает с поверхности внутренней стенки внутрь охлаждающего канала. Этот выступ спрофилирован таким образом, чтобы направлять, по меньшей мере, часть охлаждающей текучей среды, проходящей по охлаждающему каналу, и, в частности, над выступом, таким образом, чтобы поток охлаждающей текучей среды сталкивался с первой областью внешней стенки. Далее, на внутренней стенке имеется выступ, который выдается с поверхности внутренней стенки внутрь охлаждающего канала. Выступ на внешней стенке также спрофилирован так, чтобы направлять, по меньшей мере, часть охлаждающей текучей среды, проходящей по охлаждающему каналу, и, в частности, над выступом на внешней стенке, таким образом, чтобы поток охлаждающей текучей среды сталкивался со второй областью на внутренней стенке.

Выступ помогает направлять охлаждающую текучую среду таким образом, чтобы она сталкивалась с внешней стенкой.

В результате столкновения потока охлаждающей текучей среды с внешней стенкой происходит отвод большего количества тепла от внешней стенки, чем при обычных способах конвективного охлаждения. Кроме того, при использовании выступа увеличивается эффективная площадь поверхности стенки, что способствует отбору тепла от внешней стенки охлаждающей текучей средой. Это дает возможность при циркуляции охлаждающей текучей среды по охлаждающему каналу перенаправлять поток охлаждающей текучей среды, ударяющей во внешнюю стенку, обратно на внутреннюю стенку, подготавливая, таким образом, охлаждающую текучую среду к повторному повороту на внешнюю стенку, чтобы создать столкновение потока охлаждающей текучей среды с другой областью внешней стенки.

За счет этого достигается более эффективное охлаждение внешней стенки, особенно вышеуказанной первой области.

В соответствии с описанным здесь возможным вариантом осуществления данного изобретения, выступ на внутренней стенке направлен как по потоку охлаждающей текучей среды, так и по направлению к внешней стенке.

Согласно еще одному описанному здесь возможному варианту исполнения, выступ включает в себя подъем, спуск и вершину, если смотреть, в целом, в направлении прохождения потока охлаждающей текучей среды. В области подъема выступ поднимается по направлению к внешней стенке, а в области спуска выступ снижается в сторону к внутренней стенке. Между подъемом и спуском расположена вершина. Кроме того, абсолютное значение градиента угла наклона спуска больше, чем абсолютное значение градиента угла наклона подъема.

Такой профиль выступа, согласно предыдущим вариантам исполнения, обладает преимуществом, поскольку обеспечивает плавное направление охлаждающей текучей среды на первую область внешней стенки. Градиент подъема обеспечивает плавное направление охлаждающей текучей среды вдоль подъема, повышая при этом эффективность столкновения охлаждающей текучей среды с первой областью внешней стенки. Таким образом, при этом достигается как эффективное столкновение, так и беспрепятственная циркуляция охлаждающей текучей среды по охлаждающему каналу.

Согласно еще одному раскрываемому здесь варианту осуществления настоящего изобретения, выступ в аэродинамическом профиле расположен рядом с передней кромкой аэродинамического профиля. При работе передняя кромка аэродинамического профиля подвергается более сильному нагреву, чем его задняя кромка. Таким образом, при расположении выступа ближе к передней кромке, он способствует лучшему охлаждению той части аэродинамического профиля, которая подвергается более сильному нагреву, тем самым, увеличивая срок службы аэродинамического профиля.

Согласно еще одному раскрываемому здесь варианту осуществления настоящего изобретения, выступ на внешней стенке направлен как по потоку охлаждающей текучей среды, так и по направлению к внутренней стенке.

Согласно еще одному раскрываемому здесь возможному варианту исполнения, выступ на внешней стенке также включает в себя подъем, спуск и вершину, если смотреть, в целом, в направлении прохождения потока охлаждающей текучей среды. В области подъема выступ поднимается по направлению к внутренней стенке, а в области спуска выступ снижается в сторону к внешней стенке. Между подъемом и спуском расположена вершина. Кроме того, абсолютное значение градиента угла наклона спуска больше, чем абсолютное значение градиента угла наклона подъема.

Такой профиль выступа на внешней стенке, согласно предыдущим вариантам исполнения, обладает преимуществом, поскольку обеспечивает плавное направление потока охлаждающей текучей среды с первой области внешней стенки обратно на вторую область на внутренней стенке. Градиент подъема обеспечивает плавное направление потока охлаждающей текучей среды вдоль подъема, повышая при этом эффективность столкновения охлаждающей текучей среды со второй областью внутренней стенки. Таким образом, при этом достигается как эффективное столкновение, так и беспрепятственная циркуляция охлаждающей текучей среды по охлаждающему каналу. Кроме того, такая конструкция выгодно обеспечивает возможность создания целого ряда столкновений потока охлаждающей текучей среды с внешней стенкой, повышая, тем самым, эффективность охлаждения внешней стенки.

Согласно еще одному раскрываемому здесь варианту осуществления настоящего изобретения, если смотреть, в целом, в направлении прохождения потока охлаждающей текучей среды, выступ на внешней стенке и выступ на внутренней стенке расположены таким образом, что часть потока охлаждающей текучей среды, направляемая к первой области выступом на внутренней стенке, ударяет в подъем выступа на внешней стенке. Это дает возможность создания более эффективного и непрерывного потока охлаждающей текучей среды в охлаждающем канале.

Согласно еще одному раскрываемому здесь варианту осуществления настоящего изобретения, при взгляде, в целом, в направлении прохождения потока охлаждающей текучей среды, вершина выступа на внутренней стенке и вершина выступа на внешней стенке смещены относительно друг друга. Это обеспечивает плавное прохождение потока и повышает эффективность ударений потока охлаждающей текучей среды во внешнюю и внутреннюю стенки аэродинамического профиля.

Согласно еще одному раскрываемому здесь варианту осуществления настоящего изобретения, выступ на внешней стенке расположен рядом с передней кромкой аэродинамического профиля. Это повышает эффективность охлаждения частей аэродинамического профиля, расположенных рядом с передней кромкой, поскольку передняя кромка аэродинамического профиля подвергается максимальному нагреву при работе аэродинамического профиля. Это сделано с целью увеличения срока службы аэродинамического профиля.

Согласно способу изготовления аэродинамического профиля в соответствии со всеми вышеупомянутыми вариантами осуществления, внешняя стенка и внутренняя стенка выполнены таким образом, что охлаждающий канал их разделяет. Выступ (70) на внутренней стенке выполнен таким образом, что он отходит от поверхности внутренней стенки внутрь охлаждающего канала. Кроме того, выступ (70) на внешней стенке выполнен таким образом, что он отходит от поверхности внешней стенки внутрь охлаждающего канала. Это дает возможность направлять, по меньшей мере, часть охлаждающей текучей среды по охлаждающему каналу, а также поверх выступа на внешней стенке, чтобы он соударялся со второй областью внутренней стенки.

Таким образом, данный выступ обеспечивает направление потока охлаждающей текучей среды таким образом, чтобы он сталкивался с первой областью на внешней стенке.

Ниже будут подробно рассмотрены вышеупомянутые и другие варианты осуществления настоящего изобретения, касающегося аэродинамического профиля и способа его охлаждения, со ссылками на прилагаемые чертежи. Рассматриваемые варианты осуществления приводятся с целью иллюстрации настоящего изобретения, но никоим образом не ограничивают его. Одинаковые и аналогичные детали на прилагаемых чертежах обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи являются схематичными иллюстрациями вариантов осуществления настоящего изобретения. На данных чертежах:

Фиг. 1 - вид в разрезе аэродинамического профиля согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 2 - увеличенное изображение (вид в разрезе) части аэродинамического профиля, показанной на Фиг. 1; и

Фиг. 3 – блок-схема способа изготовления аэродинамического профиля, изображенного на Фиг. 1.

Осуществление изобретения

На Фиг. 1 представлен вид в разрезе аэродинамического профиля 10 в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения.

Аэродинамический профиль 10 может представлять собой лопасть или лопатку турбомашины (не показана), такой как газовая или паровая турбина, которые используются для генерирования электроэнергии.

Аэродинамический профиль 10 содержит первую стенку 20, вторую стенку 30 и охлаждающий канал 40. Охлаждающий канал 40 расположен между первой стенкой 20 и второй стенкой 30, и предназначен для охлаждения первой стенки 20 аэродинамического профиля 10. Первая стенка 20 является внешней стенкой, а вторая стенка 30 является внутренней стенкой аэродинамического профиля 10, в котором внешняя стенка 20 расположена вокруг внутренней стенки 30. Кроме того, охлаждающий канал 40 отделяет внутреннюю стенку 30 от внешней стенки 20. В рассматриваемом в качестве примера варианте исполнения охлаждающий канал 40, предпочтительно, полностью окружает всю внутреннюю стенку 30. Однако в показанном примере внутренняя стенка 30 представляет собой сердечник аэродинамического профиля 10.

При работе турбомашины внешняя стенка 20 подвергается воздействию горячих газов 50, вследствие чего происходит ее нагревание, и температура внешней стенки 20 возрастает. Охлаждающая текучая среда 60, подаваемая внутрь охлаждающего канала 40, протекает по данному охлаждающему каналу 40. Однако подача охлаждающей текучей среды 60 в охлаждающий канал 40 аэродинамического профиля 10 является хорошо известной технологией и в целях краткости не рассматривается в настоящем описании.

При прохождении охлаждающей текучей среды 60 по охлаждающему каналу 40 она находится в тепловом контакте как с внешней стенкой 20, так и с внутренней стенкой 30. Температура внутренней стенки 30 ниже температуры внешней стенки 20. Взаимодействие охлаждающей текучей среды 60 с внешней стенкой 20 приводит к значительному переносу тепла от внешней стенки 20 к охлаждающей текучей среде 60, в результате чего происходит охлаждение внешней стенки 20. Большая часть тепла будет удалена из аэродинамического профиля 10 вместе с охлаждаемой текучей средой 60, как будет показано ниже. Кроме того, поскольку охлаждающая текучая среда 60 контактирует не только с внешней стенкой 20, но и с внутренней стенкой 30, также возможна передача незначительного количества тепла через охлаждающий канал 40 на внутреннюю стенку 40. Однако большая часть тепла от внешней стенки 20 все же остается в охлаждающей текучей среде 60. Таким образом, обеспечивается охлаждение внешней стенки 20 в соответствии с описанным выше принципом.

Подача охлаждающей текучей среды 60 внутрь охлаждающего канала может производиться посредством хорошо известных технологий, например, с помощью канала подачи охлаждающей текучей среды (не показан), соединенного с входным отверстием 45, расположенным в основании или замке аэродинамического профиля 10 (не показан). Затем охлаждающая текучая среда 60 проходит по охлаждающему каналу 40, и, наконец, выходит через выходное отверстие 165, которое, как правило, расположено на задней кромке 160 аэродинамического профиля 10. Таким образом, охлаждающая текучая среда 60 циркулирует внутри охлаждающего канала 40, входя в аэродинамический профиль 10 через входное отверстие 45 и выходя из него через выходное отверстие 165. При этом, большая часть тепла отводится от аэродинамического профиля 10 охлаждающей текучей средой 60, циркулирующей в охлаждающем канале 40 аэродинамического профиля 10.

В верхней половине 110 аэродинамического профиля 10, показанного в качестве примера на Фиг. 1, которая находится над средней линией 100 профиля рядом со стороной пониженного давления (спинкой) 130 аэродинамического профиля 10, охлаждающая текучая среда 60, в целом, движется к передней кромке 150 аэродинамического профиля 10. На противоположной стороне, в нижней половине 120 аэродинамического профиля 10, которая находится под средней линией профиля рядом со стороной повышенного давления (корытом) 140 аэродинамического профиля 10, охлаждающая текучая среда 60, в целом, движется к задней кромке 160 аэродинамического профиля 10.

Для повышения эффективности теплообмена между внешней стенкой 20 и охлаждающей текучей средой 60 для охлаждения внешней стенки 20, участок 35 внутренней стенки 30 содержит несколько выступов 70, 75. Выступы 70, 75 на внутренней стенке 30, предпочтительно, выполнены заодно с внутренней стенкой 30. Каждый из выступов 70, 75 на внутренней стенке 30 отходит от поверхности 37 внутренней стенки 30 внутрь охлаждающего канала 40, в целом, к внешней стенке 20. Данные выступы 70, 75 на внутренней стенке оказывают влияние на прохождение потока охлаждающей текучей среды 60 в охлаждающем канале 40. Каждый из выступов 70, 75 на внутренней стенке 30 устроен и спрофилирован таким образом, что он направляет охлаждающую текучую среду 60 к расположенной напротив первой области 64 на внешней стенке 20, чтобы обеспечить столкновение потока охлаждающей текучей среды 60 с данной первой областью 64 на внешней стенке 20. Таким образом, в противоположной первой области 64 происходит эффект инжекционного охлаждения, поскольку охлаждающая текучая среда 60 с повышенным давлением ударяет в первую область 64. Это соударение охлаждающей текучей среды 60 с первой областью 64 способствует отводу тепла от первой области 64 на внешней стенке 20 охлаждающей текучей средой 60. Участок 35 внутренней стенки 30, на котором расположены выступы 70, 75, предпочтительно, расположен рядом с передней кромкой 150 аэродинамического профиля 10, так как передняя кромка 150 аэродинамического профиля 10 подвергается наибольшему нагреву при работе.

Аналогичным образом, на участке 25 внешней стенки 20 также расположены несколько выступов 80, 85, причем каждый из выступов 80, 85 на внешней стенке 20 отходит от поверхности 27 на внешней стенке 20 внутрь охлаждающего канала 40, в целом, в направлении внутренней стенки 30. Выступы 80, 85 на внешней стенке 20, предпочтительно, выполнены заодно с внешней стенкой 20. Каждый из выступов 80, 85 на внешней стенке 20 устроен и спрофилирован таким образом, что он направляет, по меньшей мере, часть охлаждающей текучей среды 60, которая ударяется в первую область 64 на внешней стенке 20, к расположенной напротив второй области 66 на внутренней стенке 30, создавая, тем самым, эффект инжекционного охлаждения второй области 66 на внутренней стенке 30, что обеспечивает наиважнейшую передачу тепла от охлаждающей текучей среды 60 к внутренней стенке 30. Однако большая часть тепла все еще остается в потоке охлаждающей текучей среды 60.

Предпочтительно, чтобы внутренняя стенка 30 и внешняя стенка 20 содержали, соответственно, несколько выступов 70, 75, 80, 85, таким образом, чтобы на внешней стенке 20 и на внутренней стенке 30 имелось несколько соответствующих первых областей 64 и вторых областей 66, на которые направлялся бы поток охлаждающей текучей среды с целью обеспечения эффекта инжекционного охлаждения данных областей.

При наличии нескольких выступов 70, 75, 80, 85 как на внутренней стенке 30, так и на внешней стенке 20, ударяющийся поток охлаждающей текучей среды несколько раз перенаправляется от внешней стенки 20 к внутренней стенке 30 и обратно, а поток охлаждающей текучей среды 60 в целом совершает движение в направлении прохождения потока в охлаждающем канале 40. Например, если первый выступ 70, 75 расположен на внутренней стенке 30, как видно на чертеже при взгляде в общем направлении потока, охлаждающая текучая среда 60 направляется для соударения с первой областью 64 на внешней стенке 20. После этого поток охлаждающей текучей среды 60 перенаправляется в сторону противоположной второй области 66 на внутренней стенке 30 для столкновения охлаждающей текучей среды 60 с внутренней стенкой 30. Затем поток охлаждающей текучей среды 60 снова перенаправляется к первой области 64 внешней стенки, и т.д. Именно такая последовательность столкновений потока охлаждающей текучей среды 60 с внешней стенкой 20 аэродинамического профиля 10 обеспечивает повышение эффективности охлаждения аэродинамического профиля 10. Кроме того, вышеупомянутый участок 25 внешней стенки 20, содержащий выступы 70, 75, предпочтительно, также расположен рядом с передней кромкой 150 аэродинамического профиля 10.

В рассматриваемом примере, в верхней половине 110 аэродинамического профиля 10, поток охлаждающей текучей среды 60 в охлаждающем канале 40 аэродинамического профиля 10 движется в целом, предпочтительно, от задней кромки к передней кромке 150. Однако локальное направление движения потока охлаждающей текучей среды 60 определяется профилем каждого из выступов 70, 75, 80, 85, над которым проходит данный поток охлаждающей текучей среды 60.

На Фиг. 2 представлена взятая в качестве примера область 65 аэродинамического профиля 10, на которой включающая в себя вышеупомянутые участки 25, 35 внешней стенки 20 и внутренней стенки 30 и участок охлаждающего канала 40, находящийся между данными двумя участками 25, 35, а также стенки 20, 30, В области 65 происходит несколько столкновений потока охлаждающей текучей среды 60 с внешней стенкой 20 вследствие обтекания потоком выступов 70, 75 на внутренней стенке 30 области 65. Аналогичным образом, в области 65 происходит несколько столкновений потока охлаждающей текучей среды 60 с внутренней стенкой 30 вследствие обтекания потоком выступов 80, 85 на внешней стенке 20. Ниже будет объяснена геометрия выступов 70, 75, прохождение потока охлаждающей текучей среды 60, и механизм отклонения выступами 70, 75 потока охлаждающей текучей среды 60 с целью создания его столкновения с первыми областями 64 и вторыми областями 66 соответственно на внешней стенке 20 и на внутренней стенке 30 для охлаждения внешней стенки 20.

На Фиг. 2 показано увеличенное изображение в разрезе рассматриваемой в качестве примера области 65, содержащей участок 25 внешней стенки 20 и участок 35 внутренней стенки 30 аэродинамического профиля 10.

Рассматриваемая в качестве примера область 65 расположена в верхней половине 110 аэродинамического профиля 10, ближе к передней кромке 150 аэродинамического профиля 10, чем к его задней кромке 160. В рассматриваемой области 65, поток охлаждающей текучей среды 60 в охлаждающем канале 40 аэродинамического профиля 10 движется, в целом, от задней кромки 160 к передней кромке 150.

В целях пояснения, в приведенной в качестве примера области 65 рассматриваются два выступа 80, 85 на участке 25 внешней стенки 20 и два выступа 70, 75 на участке 35 внутренней стенки 30 аэродинамического профиля 10. При рассмотрении в общем направлении движения потока охлаждающей текучей среды 60 в области 65, мы видим, что каждый из вышеупомянутых выступов 70, 75, 80, 85 содержит:

1. подъем 170;

2. вершину 175; и

3. спуск 180.

При взгляде в общем направлении движения потока охлаждающей текучей среды 60, подъемы 170 соответствующих выступов 70, 75 на внутренней стенке 30 отходят от поверхности 37 на внутренней стенке 30 по направлению к внешней стенке 20, а подъемы 170 выступов 80, 85 на внешней стенке 20 отходят от поверхности 27 на внешней стенке 20 по направлению к внутренней стенке 30. Подъемы 170, предпочтительно, выполнены непрерывными и плавными, и каждый из подъемов 170 выступов 70, 75, 80, 85 заканчивается соответствующей вершиной 175 данных выступов 70, 75, 80, 85. Поток охлаждающей текучей среды 60, обтекая подъем 170 каждого выступа 80, 85, направляется в сторону подъема 170 расположенного напротив выступа 70, 75 на противоположной стенке 30. Это приводит к тому, что поток охлаждающей текучей среды 60 ударяется в противоположную вторую область 64 противоположной стенки 20, увеличивая теплопередачу от противоположной стенки 20 к охлаждающей текучей среде 60.

Кроме того, при обтекании подъема 170 выступа 70, 75, поток охлаждающей текучей среды 60 ускоряется. Скорость потока охлаждающей текучей среды 60 возрастает. Сила столкновения потока охлаждающей текучей среды 60 на подъеме 170 выступа 80, 85 на противоположной стенке 20 увеличивается, что приводит к повышению теплоотдачи от стенки 20 к охлаждающей текучей среде 60.

При взгляде в общем направлении движения потока охлаждающей текучей среды 60, участки 170 соответствующих выступов 70, 75 на внутренней стенке 30 снижаются от соответствующих вершин 165 по направлению к внутренней стенке 30, в то время как спуски 180 выступов 80, 85 на внешней стенке 20 снижаются от соответствующих вершин 175 по направлению к внешней стенке 20.

При этом абсолютная величина градиента подъема 170 каждого из соответствующих выступов 70, 75, 80, 85, предпочтительно, больше абсолютных величин градиентов спусков 170 каждого из соответствующих выступов 70, 75, 80, 85, т.е. подъем 170 происходит плавно, а спуск 180 происходит резко.

Профиль подъема 170 может быть линейным, логарифмическим, экспоненциальным, квадратным и т.п. Аналогичным образом, профиль спуска 180 также может быть линейным, логарифмическим, экспоненциальным, квадратным и т.п. Однако, профили всех выступов 70, 75, 80, 85 практически одинаковы.

Между соответствующим подъемом 170 и соответствующим спуском 180 каждого из выступов 70, 75, 80, 85 расположена его вершина 175. Градиент выступа 70, 75, 80, 85 на вершине 175 равен нулю. Локальное направление потока охлаждающей текучей среды 60 по мере прохождения им подъемов 170 соответствующих выступов 70, 75, 80, 85 непрерывно изменяется. При прохождении вершин 175 соответствующих выступов 70, 75, 80, 85 поток направлен к соответствующим противоположным областям 64, 66 противоположных стенок 20, 30, в которые ударяет поток охлаждающей текучей среды 60.

Поток охлаждающей текучей среды 60 при обтекании выступов 70, 75, 80, 85 может также образовывать завихрения, в зависимости от профиля соответствующих выступов 70, 75, 80, 85. Здесь обычно ламинарное течение охлаждающей текучей среды 60 превращается в турбулентное течение вследствие эффекта турбулизации, что приводит к улучшению теплообмена между охлаждающей текучей средой 60, внутренней стенкой 30 и внешней стенкой 20 аэродинамического профиля 10.

Общее направление потока охлаждающей текучей среды 60 происходит по линии 'X' 190, являющейся касательной к участку 25 внешней стенки 20, входящему в состав области 65. Вершины 175 выступов 70, 75, 80, 85, находящихся в области 65, проецируются на касательную 'X' 190 путем проведения перпендикуляров от вершин 175 к касательной 'X' 190, в результате чего мы получаем точки X₁, Х₂, Х₃ и Х₄ расположения вершин 175 на касательной 'X'. Здесь точки X₁ и Х₃ показывают положения вершин 175 соответствующих приведенных в качестве примера выступов 80, 85 на внешней стенке 20, а точки Х₂ и Х₄ показывают положения вершин 175 соответствующих приведенных в качестве примера выступов 70, 75 на внутренней стенке 30.

Соответствующие выступы 70, 75, 80, 85 на любой из стенок 20, 30, предпочтительно, являются равноудаленными друг от друга, т.е. расстояния между соседними вершинами 175 соответствующих выступов 70, 75, 80, 85, в целом, равны друг другу при взгляде по общему направлению потока охлаждающей текучей среды 60. Например, расстояние между точками X₁ и Х₃ вершин 175 выступов 80, 85 равняется расстоянию между двумя соседними вершинами 175 соответствующих выступов 80, 85 на внешней стенке 20 аэродинамического профиля 10. Здесь следует отметить, что расстояние между выступами 70, 75 на внутренней стенке 30 может немного отличаться от расстояния между выступами 80, 85 на внешней стенке 20. Это можно объяснить несколько различной кривизной и радиусами внутренней стенки 30 и внешней стенки 20. Кроме того, расстояние между выступами 70, 75 на внутренней стенке 30 может немного изменяться вследствие изменения кривизны внутренней стенки 30, и то же самое утверждение справедливо также для внешней стенки 20. Однако в разрезе расстояния между соответствующими выступами 70, 75, 80, 85 соответствующих стенок 20,30 являются практически равными.

Кроме того, выступы 70, 75 на стенке 30 и выступы 80, 85 на противоположной стенке 20 смещены относительно друг друга, т.е. расположены не строго напротив друг друга при взгляде в общем направлении потока охлаждающей текучей среды 60. Иными словами, вершина 175 выступа 80, 85 на внешней стенке 20 и вершина 175 выступа 70, 75 на внутренней стенке 30, предпочтительно, расположены не точно напротив друг друга. Например, точки X₁ и Х₂ расположены не точно напротив друг друга, и то же самое относится и к точкам Х₃ и X₄. Кроме того, вершина Х₂ расположена на касательной 'X' 190 между вершинами X₁ и Х₃, предпочтительно, посередине между вершинами X₁ и Х₃. Аналогичным образом, вершина Х₃ расположена на касательной 'X' 190 между вершинами Х₂ и Х₄, предпочтительно, посередине между вершинами Х₂ и Х₄.

Выступы 80, 85 на внешней стенке 20 расположены относительно выступов 70, 75 на внутренней стенке 30 таким образом, что первая и вторая области 64, 66, в которые ударяется поток охлаждающей текучей среды 60, расположены между вершинами 175 соответствующих выступов 70, 75, 80, 85 на соответствующей внешней и внутренней стенках 30, 20. Иными словами, первые области 64 на внешней стенке 20 расположены между вершинами X₁ и Х₃ 170 выступов 80, 85 на внешней стенке 20, а вторые области 66 на внутренней стенке 30 расположены между вершинами Х₂ и Х₄ 170 выступов 70, 75 на внутренней стенке 30.

В настоящем описании под отдельными положениями выступов 70, 75, 80, 85 подразумеваются отдельные места расположения выступов 70, 75, 80, 85 при взгляде в общем направлении потока охлаждающей текучей среды 60.

Предпочтительно, первые и вторые области 64, 66, в которые ударяет поток охлаждающей текучей среды 60, являются соответствующими выступами 70, 75, 80, 85 на противоположных стенках 20, 30. В частности, первая область 64 и вторая область 66 представляют собой подъемы 170 соответствующих выступов 70, 75, 80, 85. Поток охлаждающей текучей среды 60 поднимается по подъему 170 выступа 70, и направление потока при этом изменяется на вершинах 175 выступов 70, 75, 80, 85. Затем поток охлаждающей текучей среды 60 направляется к подъему 170 противоположного выступа 80 на противоположной стенке wall 30, в который он ударяется, в результате чего происходит отбор тепла от противоположной стенки 20 охлаждающей текучей средой 60. При этом, вышеупомянутые первые области 64 и вторые области 66 могут представлять собой соответствующие подъемы соответствующих выступов 70, 75, 80, 85. Итак, столкновение потока охлаждающей текучей среды 60 с внешней стенкой 20 приводит к отбору тепла от внешней стенки 20 охлаждающей текучей средой 60, а столкновение потока охлаждающей текучей среды 60 с внутренней стенкой 30 приводит к переносу тепла от охлаждающей текучей среды 60 к внутренней стенке 30. Основной объем теплопередачи всегда происходит на подъемах 170 выступов 70, 75, 80, 85 при столкновении потока охлаждающей текучей среды 60 с выступами 70, 75, 80, 85.

Выступы 70, 75, 80, 85 на внешней стенке 20 и на внутренней стенке 30 могут быть созданы с помощью прецизионного литья, лазерного спекания, электроэрозионной обработки и т.д.

На Фиг. 3 показана блок-схема способа изготовления аэродинамического профиля 10.

На этапе 200, производится создание внутренней стенки 30 и внешней стенки 20 аэродинамического профиля 10, расположенных напротив друг друга. Стенки 20,30 расположены таким образом, что между внутренней стенкой 30 и внешней стенкой 20 располагается вышеупомянутый охлаждающий канал 40, который разделяет внутреннюю стенку 30 и внешнюю стенку 20.

На этапе 210 на внутренней стенке 30 создаются выступы 70, 75. Выступы 70, 75 на внутренней стенке 30 отходят от поверхности 37 внутрь охлаждающего канала 40 к внешней стенке 20. Кроме того, на внешней стенке 20 также формируются выступы 80, 85. Выступы 80, 85 на внешней стенке 20 также отходят от поверхности 27 внутрь охлаждающего канала 40 к внутренней стенке 30. Внутренняя стенка 30 и внешняя стенка 20 устроены таким образом, что вершины 175 выступов 70, 75 внутренней стенки 30 и вершины 175 выступов 80, 85 внешней стенки 20 смещены относительно друг друга по направлению потока охлаждающей текучей среды 60.

Выступы 70, 75 на конкретной стенке 30 могут располагаться в конкретных заданных местах, в зависимости от расположения областей 64 на противоположной стенке 20, в которые должен точно ударяться поток охлаждающей текучей среды 60 с целью охлаждения данных областей 64 на противоположной стенке. Эти области 64 могут представлять собой горячие точки на внешней стенке 20, которые подвергаются интенсивному нагреву при воздействии горячих газов 50 на аэродинамический профиль 10. Такие горячие точки, в основном, возникают на передней кромки 150 аэродинамического профиля 10. Таким образом, поток охлаждающей текучей среды 60, обтекающий выступы 70, 75, 80, 85 на внутренней стенке 30, направляется точно на горячие точки, обеспечивая их охлаждение.

После этого охлаждающая текучая среда 60 может поступать обратно в охлаждающий канал 40. Таким образом, прохождение потока охлаждающей текучей среды 60 в охлаждающем канале 40 зависит от профиля выступов 70, 75 на внутренней стенке 30 и выступов 80, 85 на внешней стенке 20.

Поток охлаждающей текучей среды 60, обтекающий любой из выступов 70, 75 на внутренней стенке 30, направляется на внешнюю стенку 20, в результате чего происходит столкновение потока охлаждающей текучей среды 60 с областью 64 внешней стенки 20. Столкновение потока охлаждающей текучей среды 60 с внешней стенкой 20 приводит к отбору тепла от внешней стенки 20 охлаждающей текучей средой 60. Таким образом, осуществляется охлаждение внешней стенки 20. Аналогичным образом, поток охлаждающей текучей среды 60, обтекающий любой из выступов 70, 75 на внешней стенке 20, направляется на внутреннюю стенку 30, в результате чего происходит столкновение потока охлаждающей текучей среды 60 с областью 66 внутренней стенки 30. Столкновение потока охлаждающей текучей среды 60 с внутренней стенкой 30 приводит к отдаче тепла от охлаждающей текучей среды 60 к внутренней стенке 30. В результате этого происходит охлаждение охлаждающей текучей среды 60, которую можно снова направлять на внешнюю стенку 20 для ее охлаждения.

Несмотря на то что настоящее изобретение было описано на примере конкретного варианта его осуществления, оно не ограничивается лишь данным вариантом. После ознакомления с описанием специалисту в данной области станут очевидны различные другие варианты осуществления и модификации настоящего изобретения. Предполагается, что такие модификации могут производиться без отхода от сущности настоящего изобретения.

Аэродинамический профиль содержит внешнюю и внутреннюю стенки и расположенный между ними охлаждающий канал, служащий для прохождения по нему охлаждающей текучей среды во время работы аэродинамического профиля. На внутренней стенке имеется выступ, отходящий от поверхности внутренней стенки внутрь охлаждающего канала. Выступ на внутренней стенке устроен и спрофилирован таким образом, что он направляет, по меньшей мере, часть охлаждающей текучей среды, при ее прохождении по охлаждающему каналу и обтекании выступа на внутренней стенке, чтобы поток охлаждающей текучей среды ударялся в первую область внешней стенки. На внешней стенке также выполнен выступ, отходящий от поверхности внешней стенки внутрь охлаждающего канала. Выступ на внешней стенке устроен и спрофилирован таким образом, что он направляет, по меньшей мере, часть потока охлаждающей текучей среды, при его прохождении по охлаждающему каналу и обтекании выступа на внешней стенке, на внутреннюю стенку, чтобы он ударялся во вторую область на внутренней стенке. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Аэродинамический профиль (10), содержащий:

- внешнюю стенку (20) и внутреннюю стенку (30), и

- охлаждающий канал (40), расположенный между внешней стенкой (20) и внутренней стенкой (30), служащий для прохождения по нему охлаждающей текучей среды (60) во время работы аэродинамического профиля (10),

в котором на внутренней стенке (30) имеется выступ (70), отходящий от поверхности (37) внутренней стенки (30) внутрь охлаждающего канала (40);

в котором выступ (70) на внутренней стенке (30) устроен и спрофилирован таким образом, что он направляет, по меньшей мере, часть охлаждающей текучей среды (60), при ее прохождении по охлаждающему каналу (40) и обтекании выступа (70) на внутренней стенке (30), чтобы поток охлаждающей текучей среды (60) ударялся в первую область (64) внешней стенки (20);

отличающийся тем, что

- на внешней стенке (20) также выполнен выступ (80), отходящий от поверхности (27) внешней стенки (20) внутрь охлаждающего канала (40); и

выступ (80) на внешней стенке (20) устроен и спрофилирован таким образом, что он направляет, по меньшей мере, часть потока охлаждающей текучей среды 60, при его прохождении по охлаждающему каналу (40) и обтекании выступа (80) на внешней стенке (20), на внутреннюю стенку (30), чтобы он ударялся во вторую область (66) на внутренней стенке (30).

2. Аэродинамический профиль (10) по п. 1, отличающийся тем, что выступ (70) на внутренней стенке (30) направлен как по потоку охлаждающей текучей среды (60), так и по направлению к внешней стенке (20).

3. Аэродинамический профиль (10) по п. 1, отличающийся тем, что при взгляде в общем направлении потока охлаждающей текучей среды (60) выступ (70) на внутренней стенке (30) содержит:

- подъем (170), поднимающийся по направлению к внешней стенке (20),

- спуск (180), спускающийся по направлению к внутренней стенке (30), и

- вершину (175), которая расположена между подъемом (170) и спуском (180);

причем абсолютное значение градиента наклона спуска (180) больше, чем абсолютное значение градиента наклона подъема (170).

4. Аэродинамический профиль (10) по п. 2, отличающийся тем, что при взгляде в общем направлении потока охлаждающей текучей среды (60) выступ (70) на внутренней стенке (30) содержит:

- подъем (170), поднимающийся по направлению к внешней стенке (20),

- спуск (180), спускающийся по направлению к внутренней стенке (30), и

- вершину (175), которая расположена между подъемом (170) и спуском (180);

причем абсолютное значение градиента наклона спуска (180) больше, чем абсолютное значение градиента наклона подъема (170).

5. Аэродинамический профиль (10) по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что выступ (70) на внутренней стенке (30) расположен ближе к передней кромке (150) аэродинамического профиля (10), чем к задней кромке (160) аэродинамического профиля (10).

6. Аэродинамический профиль (10) по п. 1, отличающийся тем, что выступ (80) на внешней стенке (20) направлен как по потоку охлаждающей текучей среды (60), так и по направлению к внутренней стенке (30).

7. Аэродинамический профиль (10) по п. 1 или 6, отличающийся тем, что при взгляде в общем направлении потока охлаждающей текучей среды (60) выступ (80) на внешней стенке (20) содержит:

- подъем (170), поднимающийся по направлению к внутренней стенке (30),

- спуск (180), спускающийся по направлению к внешней стенке (20), и

- вершину (175), которая расположена между подъемом (170) и спуском (180);

причем для выступа (80) на внешней стенке (20) абсолютное значение градиента наклона спуска (180) больше, чем абсолютное значение градиента наклона подъема (170).

8. Аэродинамический профиль (10) по п. 7, отличающийся тем, что выступ (80) на внешней стенке (20) и выступ (70) на внутренней стенке (30) расположены (при взгляде в общем направлении потока охлаждающей текучей среды (60)) таким образом, что часть потока охлаждающей текучей среды (60), направляемая на первую область (64) внешней стенки (20) выступом (70) на внутренней стенке (80), ударяется в подъем (170) выступа (80) на внешней стенке (20).

9. Аэродинамический профиль (10) по п. 7, отличающийся тем, что, в общем направлении потока охлаждающей текучей среды (60), вершина (175) выступа (80) на внутренней стенке (30) и вершина (170) выступа (70) на внешней стенке (20) смещены относительно друг друга.

10. Аэродинамический профиль (10) по п. 8, отличающийся тем, что, в общем направлении потока охлаждающей текучей среды (60), вершина (175) выступа (80) на внутренней стенке (30) и вершина (170) выступа (70) на внешней стенке (20) смещены относительно друг друга.

11. Аэродинамический профиль (10) по п. 9 или 10, отличающийся тем, что выступ (80) на внешней стенке (20) расположен рядом с передней кромкой (150) аэродинамического профиля (10).

12. Способ изготовления аэродинамического профиля (10), отличающийся тем, что аэродинамический профиль (10) содержит:

- внешнюю стенку (20) и внутреннюю стенку (30), и

- охлаждающий канал (40), расположенный между внешней стенкой (20) и внутренней стенкой (30), таким образом, что данный охлаждающий канал (40) отделяет внешнюю стенку (20) от внутренней стенки (30), и предназначенный для прохождения по нему потока охлаждающей текучей среды во время работы аэродинамического профиля, отличающийся тем, что внутренняя стенка (30) содержит выступ (70), служащий для направления, по меньшей мере, части потока охлаждающей текучей среды (60), при его прохождении по охлаждающему каналу (40), на первую область (64) внешней стенки (20) для соударения с ней;

в котором выступ (70) на внутренней стенке (30) отходит от поверхности (37) внутренней стенки (30) внутрь охлаждающего канала (40);

причем на внешней стенке (20) также выполнен выступ (80), и

в котором выступ (80) на внешней стенке (20) отходит от поверхности (27) внешней стенки (20) внутрь охлаждающего канала (40);

данный способ предполагает выполнение следующих операций:

- операции (200) создания внешней стенки (20) и внутренней стенки (30), разделенных охлаждающим каналом (40);

отличающийся тем, что

- впоследствии выполняется операция (210) создания выступа (70) на внутренней стенке (30), отходящего от поверхности (37) внутренней стенки (30) внутрь охлаждающего канала (40), и создания выступа (80) на внешней стенке (20), спрофилированного таким образом, что он отходит от поверхности (27) внешней стенки (20) внутрь охлаждающего канала (40) и направляет, по меньшей мере, часть потока охлаждающей текучей среды (60), при его прохождении по охлаждающему каналу (40) и обтекании выступа (80) на внешней стенке (20), на внутреннюю стенку (30), для его соударения со второй областью (66) на внутренней стенке (30).