ЭЛЕМЕНТ ОХЛАЖДАЕМОЙ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ Российский патент 2019 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к газотурбостроению, а конкретно к лопаткам турбин и может быть применено в авиадвигателестроении и энергетическом машиностроении.

Известно, что современные авиационные газовые турбины могут работать при температурах, достигающих 1950 К. Как показано в монографии «Авиационный двигатель ПС-90А» / А.А. Иноземцев, Е.А. Коняев, В.В. Медведев, А.В. Нерадько, А.Е. Ряссов; под ред. А.А. Иноземцева. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 320 с, максимальные температурные напряжения возникают на входных кромках и на наружных полках сопловых лопаток и бандажных полках рабочих лопаток, что может привести к возникновению прогаров и выходу их из строя. Поэтому совершенствование системы охлаждения наиболее нагретых элементов лопаток турбин является актуальной проблемой.

Возможным решением данной проблемы является использование интенсификаторов теплообмена различного типа, например, сферических выемок отрывного типа (далее по тексту - сферические выемки), у которых их относительная глубина h/d>0,2, где h - максимальная глубина выемки, а d - гидравлический диаметр выемки в плане, величина которого определяется по формуле d=4F/П, где F - площадь выемки в плане, а П - ее периметр. При обтекании потоком теплоносителя теплообменной поверхности со сферическими выемками в них возникают самоорганизующиеся крупномасштабные вихревые структуры, интенсифицирующие процесс теплообмена (см. монографию «Интенсификация теплообмена сферическими выемками при воздействии возмущающих факторов» / А.В. Щукин, А.П. Козлов, Р.С. Агачев, Я.П.

Чудновский; под ред. акад. В.Е. Алемасова. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2003. - 143 с).

Известна охлаждаемая лопатка газовой турбины (см. Патент РФ №2388915, МПК F01D5/18, опубл. 10.05.2010, Бюл. №13), у которой на внутренней стенке пера лопатки со стороны ее выпуклой и вогнутой внешней поверхностей выполнены углубления в виде сферических выемок, что, по мнению авторов этого патента, позволяет отказаться от дефлектора при внутреннем воздушном конвективном охлаждении лопаток и существенно упростить процесс их изготовления.

Однако в данной конструкции лопатки не предусмотрено использование интенсификаторов теплообмена в виде сферических выемок на внутренней стенке пера лопатки в зоне входной кромки - наиболее нагретого элемента газовой турбины, где возникают максимальные температурные напряжения, которые могут привести к прогару и выходу лопаток из строя.

Современным способом повышения эффективности охлаждения входных кромок лопаток турбин является их циклонное охлаждение.

Известны обобщенные данные по циклонному охлаждению (см. монографию «Теплообмен и гидродинамика при циклонном охлаждении лопаток газовых турбин» / Халатов А.А., Романов В.В., Борисов И.И., Дашевский Ю.Я., Северин С.Д. / Институт технической теплофизики FLAH Украины. - Киев. - 2010. - 317 с), где приведено большое количество схем циклонного охлаждения входных кромок турбинных лопаток. В этой монографии однозначно показано, что циклонный процесс закрутки рабочего тела может возникать только в пустотелом цилиндре (см. в указанной монографии рис. 2.1, 2.6, 2.8, 2.13, 2.23, 2.31 и др.), в котором организуется центральный смерчеобразный вихрь при подводе в него охлаждающего воздуха через тангенциальные каналы, выполненные в теле лопатки. Возникновение циклонного процесса способствует существенному увеличению окружной скорости в радиальном цилиндрическом канале, выполненном во входной кромке лопатки, что позволяет повысить эффективность ее охлаждения. Результаты детальных физических исследований в приведенной выше монографии Халатова А.А. и др. однозначно показывают, что циклонное охлаждение может увеличить теплообмен в цилиндрическом канале в 3…4,9 раза по сравнению с осевым незакрученным потоком при сопутствующем увеличении гидравлического сопротивления в 6,2…13 раз.

Однако применение циклонного охлаждения приводит к снижению хладозапаса охлаждающего воздуха, вовлекаемого в смерчеобразный вихрь, неоднократно проходящего во вращательном движении около охлаждаемой стенки. Следствием этого является недостаточное охлаждение входной кромки, а также наружных полок сопловых и бандажных полок рабочих лопаток турбин.

Известен элемент охлаждаемой лопатки турбомашины, наиболее близкий по технической сущности к заявляемому изобретению и принятый за прототип (см. Патент РФ №2479726, МПК F01D 5/18, опубл. 20.04.2013, Бюл. №11), содержащий канал для охлаждающего воздуха, выполненный внутри лопатки в радиальном 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, который снабжен транзитным трубопроводом, установленным внутри него с зазором относительно его внутренней стенки. В данном изобретении основная новизна состоит в установке транзитного трубопровода в радиальном канале для подвода охлаждающего воздуха к наружной полке сопловой лопатки или к бандажной полке рабочей лопатки.

Однако в известном техническом решении авторы принимают кольцевой канал между внутренней стенкой радиального канала для охлаждающего воздуха, выполненного внутри лопатки в радиальном направлении вдоль входной кромки, и наружной стенкой транзитного трубопровода за цилиндрический пустотелый канал, в котором возникает смерчеобразный вихрь, генерирующий циклонное охлаждение входной кромки турбинной лопатки, который позволяет увеличить теплоотдачу в этой зоне примерно в 4 раза.

Имеющиеся публикации однозначно указывают на то, что установка центрального тела (транзитного трубопровода) в цилиндрический пустотелый канал переводит течение из вихревого циклонного в течение по короткому криволинейному каналу со снижением теплоотдачи с 4-х кратного увеличения до 1,3…1,35 раза по сравнению с гладким каналом (см. монографию «Теплообмен и гидродинамика около криволинейных поверхностей» / Халатов А.А., Авраменко А.А., Шевчук И.В. / Киев. - Наукова думка, 1992. - 136 с). Причина - отсутствие в коаксиальном (кольцевом) канале условий для организации центрального смерчеобразного вихря, способствующего существенному увеличению окружной скорости в циклоне.

Отсюда следует, что в прототипе транзитный трубопровод, расположенный в охлаждающем канале входной кромки турбинной лопатки, выполняет только одну функцию: перемещение охлаждающего воздуха к другим участкам лопатки (наружные полки у сопловых лопаток или бандажные полки у рабочих лопаток турбин). Тогда как другую функцию - функцию обеспечения 4-х кратного увеличения теплоотдачи на участке входной кромки, в конструкции прототипа реализовать не удастся. Потому что в режиме циклона такой охлаждающий канал не может работать. Он работает лишь в режиме короткого криволинейного канала с превышением теплоотдачи над прямым гладким каналом не более чем в 1,3…1,35 раза.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности системы охлаждения лопаток турбин.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении температуры стенки лопаток турбин и температурных напряжений на участке их входных кромок, что позволит увеличить температуру газа перед турбиной и получить более высокие ее удельные параметры (окружное усилие на рабочих лопатках, удельную мощность на валу), а также увеличить рабочий ресурс лопаток турбин.

Технический результат достигается тем, что в элементе охлаждаемой лопатки турбины, содержащем канал для охлаждающего воздуха, выполненный внутри лопатки в радиальном 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, который снабжен транзитным трубопроводом, установленным внутри него с зазором относительно его внутренней стенки, новым является то, что транзитный трубопровод установлен эксцентрично относительно канала для охлаждающего воздуха, и между ними по направлению движения охлаждающего воздуха образуется два коротких криволинейных канала, один из них, расположенный вдоль внутренней поверхности входной кромки на участке между входными и выходными каналами, выполнен конфузорным, другой короткий криволинейный канал, расположенный между выходными и входными каналами вдоль стенки раздаточного коллектора, выполнен диффузорным, с отношением суммарных площадей поперечного сечения на входе во входные и выходные каналы в интервале а на внутренней стенке короткого криволинейного конфузорного канала в радиальном направлении выполнены сферические выемки, кроме того входные каналы выполнены конфузорными по направлению движения охлаждающего воздуха.

Выходные каналы выполнены цилиндрическими с диффузорными выходными участками, длина которых относительно длины выходных каналов составляет l_Д=0,5L.

Сферические выемки выполнены в шахматном порядке, с плотностью их расположения

Сферические выемки выполнены с относительной их глубиной h/d=0,35…0,5.

Предложенное изобретение представлено на фиг.1-3 где:

Фиг. 1 - поперечный разрез элемента лопатки турбины;

Фиг. 2 - 3D модель элемента лопатки турбины в области входной кромки;

Фиг. 3 - влияние степени конфузорности канала на интенсификацию средней теплоотдачи сферическими выемками.

Где:

1 - элемент охлаждаемой лопатки турбины;

2 - выпуклая внешняя поверхность лопатки;

3 - вогнутая внешняя поверхность лопатки;

4 - канал для охлаждающего воздуха;

5 - входная кромка лопатки;

6 - входные каналы;

7 - раздаточный коллектор;

8 - выходные каналы;

9 - транзитный трубопровод;

10 - внутренняя стенка канала для охлаждающего воздуха;

11 - сферические выемки;

12 - конфузорный короткий криволинейный канал;

13 - диффузорный короткий криволинейный канал;

14 - стенка раздаточного коллектора в средней части профиля

лопатки турбины;

h - глубина сферической выемки;

d - гидравлический диаметр сферической выемки в плане;

L - длина выходных каналов;

l_Д- длина диффузорных выходных участков выходных каналов;

F_{вх.кан.вх.сеч} - суммарная площадь входных каналов 6 во входном поперечном сечении;

F_{вых.кан.вх.сеч} - суммарная площадь выходных каналов 8 во входном поперечном сечении.

- направление движения основной части потока охлаждающего воздуха;

- направление движения меньшей части потока охлаждающего воздуха;

Элемент лопатки турбины 1 с выпуклой 2 и вогнутой 3 внешними поверхностями работает следующим образом. Охлаждающий воздух из раздаточного коллектора 7, выполненного внутри лопатки (см. фиг. 1 и 2) и соединенного с питающим каналом (на чертеже не показан), поступает во входные, конфузорные в тангенциальной плоскости поперечного сечения по направлению движения охлаждающего воздуха, каналы 6 и попадает в цилиндрический кольцевой канал 4 для охлаждающего воздуха, в котором эксцентрично размещен транзитный трубопровод 9, по которому осуществляется подача охлаждающего воздуха к наружным полкам сопловых или бандажным полкам рабочих турбинных лопаток. В результате смещения транзитного трубопровода 9 относительно концентричного положения между внутренней стенкой 10 канала 4 для охлаждающего воздуха и наружной стенкой транзитного трубопровода 9, по ходу движения охлаждающего воздуха образуются два взаимосвязанных коротких криволинейных канала: конфузорный канал 12, расположенный вдоль внутренней поверхности 10 входной кромки 5 между входными каналами 6 и выходными каналами 8, и диффузорный канал 13, расположенный между выходными 8 и входными каналами 6 вдоль стенки 14 раздаточного коллектора 7.

Попадая в конфузорный короткий криволинейный канал 12, охлаждающий воздух двигается вдоль внутренней стенки 10, на которой в зоне входной кромки 5 выполнены сферические выемки 11. Глубина этих выемок h выбирается из условия h=(0,35…0,5)d. При обтекании выемок 11 происходит интенсификация теплоотдачи из-за отрыва и присоединения потока воздуха. После его присоединения в области выходной кромки выемки происходит образование возвратного течения, посредством которого поток воздуха перемещается в обратном внешнему потоку направлении. При этом ускорение возвратного потока после присоединения сначала возрастает, а потом снижается. Авторами предлагаемого изобретения экспериментально показано, что в условиях ускорения внешнего потока возвратное течение в сферической выемке по причине релаксации, становится сначала менее конфузорным по сравнению с обтеканием выемки безградиентным потоком, а при более высоких значениях коэффициента ускорения внешнего потока - диффузорным. В результате этого, а также по причине возникновения возвратного течения на вогнутой поверхности выемки с генерацией микровихрей Тейлора-Гертлера и микроотрывов, интенсивность самоорганизующихся крупномасштабных вихревых структур, и, как следствие этого, массообмен и теплоотдача в выемке значительно возрастают.

Как показали наши эксперименты, при значении коэффициента ускорения внешнего потока К, ровным 5,2⋅10^-6 теплоотдача в сферических выемках возрастает в 2,2 раза по сравнению с обтеканием их безградиентным внешним потоком (см. монографию «Пристенная интенсификация теплообмена при сложных граничных условиях» / Щукин А.В., Ильинков А.В. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2014. - 252 с).

Здесь

где ν - кинематический коэффициент вязкости потока; х - продольная координата; W∞ - скорость внешнего потока, обтекающего выемки.

Из этой же монографии следует, что в безградиентном потоке сферические выемки увеличивают теплоотдачу, по сравнению с гладким каналом, в 1,5…2,5 раз. В этом случае получается, что суммарное увеличение теплоотдачи для матрицы сферических выемок с h/d=0,35 и К=4⋅10^-6 составляет около 4-х раз.

На фиг. 3 показано изменение относительного среднего числа

Стэнтона зависимости от коэффициента ускорения внешнего

потока К, который характеризует дополнительное к нанесенным на поверхность канала выемкам интенсифицирующее воздействие внешнего отрицательного градиента давления на теплоотдачу в этих выемках.

- число Стентона, характеризующее среднюю теплоотдачу в сферической выемке, обтекаемой ускоряющимся внешним потоком; число Стентона, характеризующее среднюю теплоотдачу в сферической выемке, обтекаемой безградиентным внешним потоком. На фиг. 3 светлыми значками показаны результаты исследований теплоотдачи при обтекании одиночной сферической выемки; темными значками - результаты исследований при обтекании матрицы сферических выемок.

Физический процесс увеличения теплоотдачи в полости сферической выемки, обтекаемой ускоряющимся потоком (отрицательный градиент давления) заключается в следующем. По мере нарастания ускорения внешнего потока, в возвратном течении сферической выемки происходит процесс релаксации - процесс снижения ускорения возвратного течения. При более интенсивном ускорении внешнего потока в сферической выемке организуется процесс диффузорного (замедляющегося) возвратного течения. Этот процесс релаксации потока в возвратном течении вызывает увеличение интенсивности самоорганизующихся в выемке крупномасштабных вихревых структур - основного фактора увеличения теплоотдачи в сферической выемке. При этом, как было указано выше, увеличение коэффициента ускорения К внешнего потока (см. фиг. 3) от 0 до 4⋅10^-6 приводит к увеличению теплоотдачи в полусферической выемке, и при К≈4⋅10^-6 теплоотдача удваивается по сравнению с ее безградиентным обтеканием.

Таким образом (см. фиг. 1), последовательное движение охлаждающего воздуха через входные конфузорные каналы 6 и конфузорный короткий криволинейный канал 12, на внутренней стенке 10 которого в зоне входной кромки 5 в радиальном направлении выполнены сферические выемки 11, приводит к увеличению суммарной теплоотдачи в области входной кромки 5 лопатки турбины со стороны охлаждающего воздуха примерно в 4 раза. Оптимальным вариантом интенсификации теплообмена в зоне входной кромки лопатки турбины с помощью сферических выемок 11 является выполнение их в шахматном порядке с плотностью расположения Здесь - суммарная площадь в плане, занимаемая сферическими выемками 11 на внутренней стенке 10 конфузорного короткого криволинейного канала 12 в зоне входной кромки 5, F_гл.пов - площадь гладкой поверхности этого канала свободной от сферических выемок 11.

При этом общий гладкий канал, образованный входными конфузорными каналами 6 и конфузорным коротким криволинейным каналом 12, сужается в направлении движения охлаждающего воздуха с отношением суммарных площадей поперечного сечения на входе во входные 6 и выходные 8 каналы в интервале

Отметим, что конфузорная форма входных каналов 6 обеспечивает перестроение профиля скорости из стандартного в конфузорный в пределах их длины. Только в этом случае конфузорный короткий криволинейный канал 12 будет по всей своей длине полноценно обтекаться конфузорным потоком. Количество входных конфузорных каналов 6 и их основные геометрические параметры определяются теплогидравлическим и прочностным расчетами.

После конфузорного короткого криволинейного канала 12 поток охлаждающего воздуха разделяется на две неравные части. Основная часть потока (на фиг. 1 обозначена стрелками из сплошной линии) поступает через выходные каналы 8, выполненные цилиндрической формы тангенциально относительно канала для охлаждающего воздуха 4, на вогнутую внешнюю поверхность 3 лопатки для организации ее пленочного охлаждения. При этом, для повышения потенциальной энергии струи охлаждающего воздуха и увеличения площади покрытия защитной пленкой, образующейся на внешней поверхности лопатки, выходные участки каналов 8 выполнены диффузорными на расстоянии l_д=0,5L, где L - длина выходных каналов. Количество выходных каналов 8 и их основные геометрические параметры определяются теплогидравлическим и прочностным расчетами.

Меньшая, на порядок, часть потока (на фиг. 1 обозначена стрелкой из штриховой линии) попадает в диффузорный короткий криволинейный канал 13, где замедляется и смешивается с охлаждающим воздухом, выходящим из входных конфузорных каналов 6.

Как указано в приведенной выше монографии (авторы А.В. Щукин, А.В. Ильинков) ускоренный внешний поток приводит к увеличению интенсивности образования пристенных микровихрей и микроотрывов в возвратном течении, позволяет получить в сферических выемках значительно более мощные самоорганизующиеся крупномасштабные вихревые структуры по сравнению со случаем обтекания сферических выемок безградиентным потоком. Поэтому суммарная теплоотдача на внутренней поверхности охлаждающего канала 4 на его внутренней стенке 10, где выполнены сферические выемки 11, в области входной кромки 5 возрастает примерно в 2 раза (коэффициент ускорения внешнего потока К=4) по сравнению со средней теплоотдачей в сферических выемках, обтекаемых безградиентным потоком (коэффициент ускорения внешнего потока К=0). Поскольку в безградиентном потоке сферические выемки с относительной глубиной h/d=0,35…0,5, увеличивают теплоотдачу в 2…2,5 раза, то общий прирост теплоотдачи в выемках составит 4…5 раз. Получаемый суммарный интенсифицирующий эффект, создаваемый собственно сферическими выемками и с помощью наложенного воздействия внешнего продольного ускорения потока, практически совпадает с интенсифицирующим эффектом от циклонного охлаждения (прирост в 3…4,9 раза). Важно, что при этом снижается и гидравлическое сопротивление. Но определяющим фактором здесь является то, что предлагаемое изобретение позволяет при сохранении транзитного трубопровода в охлаждающем канале, предназначенного для выполнения предусмотренных задач, значительно (в 3,0…3,8 раза) повысить теплоотдачу между участком входной кромки и охлаждающим воздухом по сравнению с прототипом.

Элемент охлаждаемой лопатки турбины (1) содержит канал для охлаждающего воздуха (4), выполненный внутри лопатки в радиальном направлении вдоль входной кромки (5), соединенный входными конфузорными по направлению движения охлаждающего воздуха каналами (6) через раздаточный коллектор (7) с питающим каналом, а выходными каналами (8) с внешней поверхностью лопатки (3). Входные конфузорные (6) и выходные каналы (8) выполнены тангенциально относительно канала для охлаждающего воздуха (4), который снабжен транзитным трубопроводом (9), установленным внутри него эксцентрично, с переменным зазором относительно его внутренней стенки (10). По ходу течения потока воздуха в охлаждающем канале (4) образуется конфузорный короткий криволинейный канал (12), на внутренней стенке (10) которого в зоне входной кромки (5) выполнены в радиальном направлении сферические выемки (11), который соединяется с входными конфузорными каналами (6), образуя общий канал с отношением суммарных площадей поперечного сечения на входе во входные (6) и выходные каналы (8) в интервале 1,4<F_{вх.кан.вх}._сеч./F_{вых.кан.вх.сеч}.<1,8. Выходные каналы (8) выполнены цилиндрическими с диффузорными выходными участками, длина которых относительно длины выходных каналов (8) составляет l_д=0,5L. Кроме того, определены геометрические параметры мест расположения и размеры сферических выемок. Изобретение позволяет уменьшить термические напряжения и увеличить рабочий ресурс лопаток. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Элемент охлаждаемой лопатки турбины, содержащий канал для охлаждающего воздуха, выполненный внутри лопатки в радиальном 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, который снабжен транзитным трубопроводом, установленным внутри него с зазором относительно его внутренней стенки, отличающийся тем, что транзитный трубопровод установлен эксцентрично относительно канала для охлаждающего воздуха, и между ними по направлению движения охлаждающего воздуха образуется два коротких криволинейных канала, один из них, расположенный вдоль внутренней поверхности входной кромки на участке между входными и выходными каналами, выполнен конфузорным, другой короткий криволинейный канал, расположенный между выходными и входными каналами вдоль стенки раздаточного коллектора, выполнен диффузорным, с отношением суммарных площадей поперечного сечения на входе во входные и выходные каналы в интервале 1,4<F_вх._{кан.вх.сеч.}/F_вых._{кан.вх.сеч.}<1,8, а на внутренней стенке короткого криволинейного конфузорного канала в радиальном направлении выполнены сферические выемки, кроме того, входные каналы выполнены конфузорными по направлению движения охлаждающего воздуха.

2. Элемент охлаждаемой лопатки турбины по п. 1, отличающийся тем, что выходные каналы выполнены цилиндрическими с диффузорными выходными участками, длина которых относительно длины выходных каналов составляет l_д=0,5L.

3. Элемент охлаждаемой лопатки турбины по п. 1, отличающийся тем, что сферические выемки выполнены в шахматном порядке, с плотностью их расположения

4. Элемент охлаждаемой лопатки турбины по п. 1, отличающийся тем, что сферические выемки выполнены отрывного типа с относительной их глубиной h/d=0,35…0,5.