Охлаждаемая лопатка газовой турбины Российский патент 2020 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано в высокотемпературных газовых турбинах, в частности в охлаждаемых лопатках.

В качестве наиболее близкого аналога выбрана охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо, состоящее по меньшей мере из одной внутренней полости, снабженной дефлектором, образующим с внутренней стенкой пера лопатки дефлекторную полость, сообщенную с раздаточным коллектором и газовоздушным трактом двигателя посредством отверстий. /RU 2238411, МПК F01D5/18, опубликовано: 20.10.2004/

Недостатком известного решения является недостаточный ресурс работы сопловой лопатки за счет неравномерного охлаждения внутренней стенки ее пера, в результате высокой скорости ударного натекания охлаждающего потока через отверстия в дефлекторе.

Техническим эффектом заявленного изобретения является повышение ресурса лопатки турбины, благодаря общему повышению эффективности охлаждения.

Указанный технический эффект достигается тем, что охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо, состоящее из стенки пера лопатки с отверстиями и по меньшей мере одной внутренней полости, снабженной раздаточным коллектором и дефлектором с отверстиями, дефлектор с отверстиями образует с внутренней стенкой пера лопатки дефлекторную полость, сообщенную с раздаточным коллектором посредством отверстий дефлектора, а с газовоздушным трактом двигателя посредством отверстий в стенке пера лопатки согласно изобретению отверстия дефлектора выполнены расширяющимися по направлению к внутренней стенке пера лопатки, причем суммарная входная площадь расширяющихся отверстий дефлектора меньше суммарной площади отверстий в стенке лопатки, кроме того в местах выполнения расширяющихся отверстий на внутренней поверхности дефлектора выполнены наплывы, кроме того дефлекторная полость разделена перегородками на камеры, соотношение суммарной входной площади расширяющихся отверстий дефлектора с суммарной площадью отверстий на спинке лопатки выбирается из условия потребного перепада для каждой из камер.

Сообщение раздаточного коллектора с дефлекторной полостью посредством расширяющихся по направлению к внутренней стенке пера лопатки отверстий дефлектора позволяет снизить скорость ударного натекания охлаждающего потока на внутреннюю стенку пера лопатки за счет характера течения в диффузорном канале, образованном расширяющимся отверстием. Кроме того, за счет течения в диффузорном канале увеличивается площадь напрямую охлаждаемой поверхности, таким образом, сокращается площадь напрямую неохлаждаемой поверхности, вследствие этого более эффективным становится работа механизма теплопроводности между напрямую охлаждаемыми участками стенки пера лопатки. В результате температурная неравномерность стенки снижается. Увеличенная суммарная площадь отверстий в стенке лопатки по отношению к входной площади расширяющихся отверстий в дефлекторе позволяет добиться минимального перепада давления для выхода охлаждающего воздуха, создающего заградительную пленку, это обеспечивает минимальные потери полного давления потока, проходящего через турбину двигателя.

Выполнение наплывов на внутренней стороне дефлектора позволяет сформировать диффузорные каналы, образованные расширяющимися отверстиями, оптимальной геометрической формы, что позволяет достичь безотрывного течения охлаждающего потока, благодаря уменьшению угла раскрытия диффузора при увеличении его длины.

Разделение дефлекторной полсти на камеры позволяет создать оптимальный перепад давлений в каждой камере для каждого участка внешней поверхности лопатки, путем выбора соотношения суммарных площадей отверстий в спинке лопатки к входной площади расширяющихся отверстий дефлектора, так как поле давлений на внешней поверхности лопатки по ходу течения газового потока неоднородно.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, на которых изображена конструкция охлаждаемой лопатки газовой турбины.

На фиг. 1 представлен вид сбоку на охлаждаемую лопатку.

На фиг. 2 представлены сечения А-А различных вариантов охлаждаемой лопатки.

На фиг. 3 представлен увеличенный вид Б различных вариантов охлаждаемой лопатки в сравнении с известной конструкцией, на графике отображена температурная неравномерность охлаждаемой стенки пера лопатки.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо (1), состоящее из стенки (2) пера лопатки с отверстиями (3) и внутреннюю полость, снабженную раздаточным коллектором (4) и дефлектором (5) с отверстиями (6), дефлектор (5) с отверстиями (6) образует с внутренней стенкой пера лопатки дефлекторную полость (7), сообщенную с раздаточным коллектором (4) посредством отверстий (6) дефлектора (5), а с газовоздушным трактом двигателя посредством отверстий (3) в стенке (2) пера лопатки, отверстия (6) дефлектора (5) выполнены расширяющимися по направлению к внутренней стенке (2) пера лопатки, суммарная входная площадь расширяющихся отверстий (6) дефлектора (5) меньше суммарной площади отверстий (3) в стенке лопатки, в местах выполнения расширяющихся отверстий (6) на внутренней поверхности дефлектора (5) выполнены наплывы (8). В контексте заявляемого изобретения под признаком «наплыв» следует понимать локальное утолщение различной формы, обеспечивающее необходимую толщину дефлектора (5) для формирования расширяющихся отверстий (6). В частном случае реализации дефлекторная полость (7) разделена перегородками (9) на камеры (10). В контексте заявляемого изобретения под признаком «перегородка» следует понимать препятствие ограничивающее движение охлаждающего воздуха относительно камер (10), таким образом, что возможные перетечки между камерами (10) не оказывают влияние на общий характер течения охлаждающего воздуха внутри камер (10). Конструктивно перегородки (9) могут являться как частью дефлектора (5), так и частью полого пера (1) лопатки или же являться самостоятельными элементами присоединенными к полому перу (1) или дефлектору (5).

Воздух для охлаждения лопатки газовой турбины поступает в раздаточный коллектор (4), далее через расширяющиеся отверстия (6) в дефлекторе (5) поступает в дефлекторную полость (7), далее через отверстия (3) пера лопатки охлаждающий воздух поступает в газовоздушный тракт двигателя. При прохождении через расширяющиеся отверстия (6) скорость ударного натекания охлаждающего воздуха снижается. При уменьшении скорости ударного натекания, за счет течения в диффузорных каналах (11), образованных расширяющимися отверстиями (6), увеличивается площадь (S₁) напрямую охлаждаемой поверхности, таким образом сокращается площадь (S₂) напрямую неохлаждаемой поверхности, вследствие этого более эффективным становится работа механизма теплопроводности между напрямую охлаждаемыми участками стенки пера лопатки. В результате температурная неравномерность стенки (12) лопатки снижается.

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано в высокотемпературных газовых турбинах, в частности в охлаждаемых лопатках. Изобретение позволяет повысить ресурс работы лопатки турбины, благодаря общему повышению эффективности охлаждения. Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо, состоящее из стенки пера лопатки с отверстиями и по меньшей мере одной внутренней полости, снабженной раздаточным коллектором и дефлектором с отверстиями. Дефлектор с отверстиями образует с внутренней стенкой пера лопатки дефлекторную полость, сообщенную с раздаточным коллектором посредством отверстий дефлектора, а с газовоздушным трактом двигателя посредством отверстий в стенке пера лопатки. Отверстия дефлектора выполнены расширяющимися по направлению к внутренней стенке пера лопатки, причем суммарная входная площадь расширяющихся отверстий дефлектора меньше суммарной площади отверстий в стенке лопатки. В местах выполнения расширяющихся отверстий на внутренней поверхности дефлектора выполнены наплывы. Дефлекторная полость разделена перегородками на камеры. Соотношение суммарной входной площади расширяющихся отверстий дефлектора с суммарной площадью отверстий на спинке лопатки выбирается из условия потребного перепада для каждой из камер. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо, состоящее из стенки пера лопатки с отверстиями и по меньшей мере одной внутренней полости, снабженной раздаточным коллектором и дефлектором с отверстиями, дефлектор с отверстиями образует с внутренней стенкой пера лопатки дефлекторную полость, сообщенную с раздаточным коллектором посредством отверстий дефлектора, а с газовоздушным трактом двигателя посредством отверстий в стенке пера лопатки, отличающаяся тем, что отверстия дефлектора выполнены расширяющимися по направлению к внутренней стенке пера лопатки, причем суммарная входная площадь расширяющихся отверстий дефлектора меньше суммарной площади отверстий в стенке лопатки.

2. Охлаждаемая лопатка газовой турбины по п. 1, отличающаяся тем, что в местах выполнения расширяющихся отверстий на внутренней поверхности дефлектора выполнены наплывы.

3. Охлаждаемая лопатка газовой турбины по п. 1, отличающаяся тем, что дефлекторная полость разделена перегородками на камеры, соотношение суммарной входной площади расширяющихся отверстий дефлектора с суммарной площадью отверстий на спинке лопатки выбирается из условия потребного перепада для каждой из камер.