Охлаждаемая лопатка турбины газотурбинного двигателя Российский патент 2024 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к области турбостроения, в частности к охлаждаемым лопаткам, предназначенным для газотурбинных двигателей.

В качестве наиболее близкого аналога выбрана охлаждаемая лопатка турбины газотурбинного двигателя, содержащая вихревую матрицу, состоящую из взаимно перекрещивающихся ребер с образованием межреберных каналов (патент RU 2686430 С1).

Недостатком известного решения является то, что проходная площадь для протекания охладителя в зоне входного и/или выходного участка по меньшей мере одного межреберного канала вихревой матрицы определяется длиной соответственно входного и/или выходного межреберного участка соответственно передней и/или задней границы вихревой матрицы, которая может быть существенно больше ширины активной зоны этого межреберного канала.

В связи с этим может иметь место избыточная проходная площадь для протекания охладителя соответственно, в зоне входного и/или выходного участка по меньшей мере одного межреберного канала вихревой матрицы. В результате этого скорость протекания охладителя соответственно в зоне входного и/или выходного участка по меньшей мере одного межреберного канала вихревой матрицы может быть существенно меньше скорости протекания охладителя соответственно в начале и/или в конце активной зоны этого межреберного канала вихревой матрицы, следствием этого может быть уменьшение теплоотдачи и эффективности охлаждения соответственно зоны входного и/или выходного участка по меньшей мере одного межреберного канала вихревой матрицы и, в результате, ухудшение охлаждения лопатки, и, как следствие, снижение надежности и ресурса турбины в целом.

Техническим результатом, достигаемым заявленным устройством, является повышение эффективности охлаждения лопаток турбины и, как следствие, повышение надежности и ресурса газотурбинного двигателя в целом.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной охлаждаемой лопатке турбины газотурбинного двигателя, содержащей вихревую матрицу, состоящую из взаимно перекрещивающихся ребер с образованием межреберных каналов, согласно настоящему изобретению, в зоне входного участка по меньшей мере одного межреберного канала установлена по меньшей мере одна перегородка, жестко соединенная с пером лопатки.

Указанная перегородка, установленная в зоне входного и/или выходного участка по меньшей мере одного межреберного канала охлаждения, частично загромождает и, следовательно, уменьшает избыточную проходную площадь для протекания охладителя соответственно в зоне входного и/или выходного участка по меньшей мере одного межреберного канала охлаждения. Вследствие этого увеличивается местная скорость протекания охладителя соответственно, в зоне входного и/или выходного участка по меньшей мере одного межреберного канала охлаждения и, как следствие, повышается эффективность охлаждения лопатки.

В частном случае реализации заявленного изобретения противолежащие концы перегородки жестко закреплены на внутренних поверхностях пера лопатки.

Жесткое закрепление противолежащих концов перегородки на внутренних поверхностях пера лопатки обеспечивает стабильность геометрии соответственно, в зоне входного и/или выходного участка по меньшей мере одного межреберного канала охлаждения и, как следствие, стабильную эффективность охлаждения и, кроме того, конструктивную прочность и надежность лопатки.

В частном случае реализации заявленного изобретения один из противолежащих концов перегородки жестко закреплен на внутренней поверхности пера лопатки, а между другим ее концом и близлежащим к нему ребром вихревой матрицы образован зазор.

Такое выполнение снижает требования к точности изготовления перегородки без существенного ухудшения эффективности охлаждения, в результате снижается трудоемкость изготовления лопатки. Кроме того, такое выполнение позволяет получить все преимущества от наличия перегородки в тех случаях, когда ввиду особенностей конструкции вихревой матрицы жесткое закрепление обоих концов перегородки невозможно.

В частном случае реализации заявленного изобретения в поперечном сечении перегородка выполнена круглой или эллиптической формы.

Такое выполнение снижает местное гидравлическое сопротивление перегородки по сравнению, например, с прямоугольной формой перегородки, сохраняя при этом нужное загромождение проходной площади и, как следствие, увеличенную местную теплоотдачу к охладителю в зоне входного и/или выходного участка по меньшей мере одного межреберного канала. В результате уменьшается гидравлическое сопротивление всей лопатки, появляется возможность уменьшить необходимое давление охладителя на входе в лопатку и, как следствие, повышается экономичность охлаждения лопатки.

Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей.

На фигуре 1 изображен продольный разрез охлаждаемой лопатки, в которой, в зоне входного и выходного участков по меньшей мере одного межреберного канала охлаждения установлено по перегородке, противолежащие концы которой жестко закреплены на внутренних поверхностях пера лопатки.

На фигуре 2 представлено сечение А-А фигуры 1.

На фигуре 3 представлено сечение В-В фигуры 2.

На фигуре 4 представлено сечение С-С фигуры 3.

На фигуре 5 представлено сечение D-D фигуры 3.

На фигуре 6 изображен продольный разрез охлаждаемой лопатки, в которой, в зоне входного и выходного участков по меньшей мере одного межреберного канала охлаждения установлено по перегородке, один из противолежащих концов которой жестко закреплен на внутренней поверхности пера лопатки, а между другим ее концом и ближайшим к нему ребром вихревой матрицы образован зазор.

На фигуре 7 представлено сечение Е-Е фигуры 6.

На фигуре 8 представлено сечение F-F фигуры 7.

На фигуре 9 представлено сечение G-G фигуры 8.

На фигуре 10 представлено сечение Н-Н фигуры 8.

Охлаждаемая лопатка турбины газотурбинного двигателя содержит вихревую матрицу, состоящую из взаимно перекрестных ребер и с образованием межреберных каналов охлаждения.

Вихревая матрица имеет условную переднюю границу 1, которая обеспечивает для каждого межреберного канала 2, выходящего на условную переднюю границу 1 вихревой матрицы, соответствующий входной межреберный участок 3 этого межреберного канала 2. Геометрия входного межреберного участка 3 межреберного канала 2 определяется в значительной степени длиной участка 4 передней границы 1 вихревой матрицы между соседними ребрами 5 и 6, образующими межреберный канал 2, и расстоянием 7 между условной передней границей 1 вихревой матрицы и ближайшим к условной передней границе 1 вихревой матрицы точкой перекрещивания 8 ребер вихревой матрицы.

Вихревая матрица имеет условную заднюю границу 9, которая обеспечивает для каждого межреберного канала 2, выходящего на условную заднюю границу 9 вихревой матрицы, соответствующий выходной межреберный участок 10 этого межреберного канала 2. Геометрия выходного межреберного участка 10 межреберного канала 2 определяется в значительной степени длиной участка 11 задней границы 9 вихревой матрицы между соседними ребрами 5 и 6, образующими межреберный канал 2, и расстоянием 12 между условной задней границей 9 вихревой матрицы и ближайшей к условной задней границе 9 вихревой матрицы точкой перекрещивания 13 ребер вихревой матрицы.

Каждый межреберный канал 2 вихревой матрицы, образованный двумя соседними ребрами 5 и 6 вихревой матрицы, имеет активную зону 14, имеющую постоянную ширину 15 между соседними ребрами 5 и 6. По меньшей мере один межреберный канал 2, непосредственно примыкающий к условной передней границе 1 вихревой матрицы, имеет начало 16 своей активной зоны 14, непосредственно примыкающее к входному межреберному участку 3 этого межреберного канала 2. По меньшей мере один межреберный канал 2, непосредственно примыкающий к условной задней границе 9 вихревой матрицы, имеет конец 17 своей активной зоны 14, непосредственно примыкающий к выходному межреберному участку 10 этого межреберного канала 2.

Каждая лопатка содержит в зоне входного участка 3 по меньшей мере одного межреберного канала 2 охлаждения по меньшей мере одну перегородку 18, жестко соединенную с пером лопатки.

Каждая лопатка содержит в зоне выходного участка 10 по меньшей мере одного межреберного канала 2 охлаждения по меньшей мере одну перегородку 18, жестко соединенную с пером лопатки.

Противолежащие концы этой перегородки 18 в одном из вариантов выполнения (фиг. 3-5) жестко закреплены на внутренних поверхностях 19 и 20 пера лопатки.

В другом варианте выполнения (фиг. 6-10) один из противолежащих концов перегородки 18 жестко закреплен на внутренней поверхности 19 пера лопатки, а между другим ее концом 21 и близлежащим к нему ребром 22 вихревой матрицы образован зазор 23.

Перегородка 18 в поперечном сечении выполнена круглой или эллиптической формы.

Охлаждение лопатки осуществляется следующим образом.

Охладитель, поступивший на вход в вихревую матрицу, протекает последовательно через условную переднюю границу 1 вихревой матрицы, через зону входного участка 3 по меньшей мере одного межреберного канала 2 вихревой матрицы, через активную зону 14 этого канала 2 и далее через зону выходного участка 10 этого канала 2. Благодаря тому, что зона входного участка 3 этого канала 2 загромождена перегородкой 18, существенно увеличивается скорость протекания охладителя (по сравнению с исходным прототипом) в зоне входного участка 3 этого канала 2 без существенного увеличения гидравлического сопротивления и, как следствие, без существенного уменьшения расхода охладителя, в связи с этим увеличивается теплоотдача и эффективность охлаждения зоны входного участка 3. Аналогичным образом зона выходного участка 10 этого межреберного канала 2 загромождена перегородкой 18, благодаря чему существенно увеличивается скорость протекания охладителя (по сравнению с исходным прототипом) в зоне выходного участка 10 этого канала 2 без существенного увеличения гидравлического сопротивления и, как следствие, без существенного уменьшения расхода охладителя, в связи с этим увеличивается теплоотдача и эффективность охлаждения зоны выходного участка 10 канала 2.

Жесткое закрепление противолежащих концов перегородки 18 на внутренних поверхностях 19 и 20 пера лопатки (фиг. 3-5) обеспечивает стабильность геометрии соответственно, в зоне входного 3 и/или выходного 10 участка по меньшей мере одного межреберного канала 2 и, как следствие, стабильную эффективность охлаждения и, кроме того, конструктивную прочность и надежность лопатки.

Выполнение перегородки 18 с односторонним жестким закреплением одного из противолежащих концов перегородки 18 на внутренней поверхности 19 пера лопатки и зазором 23 между другим концом 21 перегородки 18 и близлежащим к нему ребром 22 вихревой матрицы (фиг. 6-10) приводит к тому же положительному результату, что и жесткое закрепление обоих концов перегородки 18, в тех случаях, когда ввиду особенностей конструкции вихревой матрицы жесткое закрепление обоих концов перегородки 18 невозможно.

Выполнение перегородки 18 круглой или эллиптической формы снижает местное гидравлическое сопротивление перегородки 18, сохраняя при этом нужное загромождение проходной площади зоны входного 3 и/или выходного 10 участка по меньшей мере одного межреберного канала 2. В результате уменьшается гидравлическое сопротивление всей вихревой матрицы, всей лопатки и, как следствие, повышается экономичность охлаждения лопатки.

Изобретение относится к области турбостроения, в частности к охлаждаемым лопаткам, предназначенным для газотурбинных двигателей. Указанный технический результат достигается тем, что в известной охлаждаемой лопатке турбины газотурбинного двигателя, содержащей вихревую матрицу, состоящую из взаимно перекрещивающихся ребер с образованием межреберных каналов, согласно настоящему изобретению, в зоне входного и/или выходного участка по меньшей мере одного межреберного канала установлена по меньшей мере одна перегородка, жестко соединенная с пером лопатки. Техническим результатом, достигаемым заявленным устройством, является повышение эффективности охлаждения лопаток турбины и, как следствие, повышение надежности и ресурса газотурбинного двигателя в целом. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Охлаждаемая лопатка турбины газотурбинного двигателя, содержащая вихревую матрицу, состоящую из взаимно перекрещивающихся ребер с образованием межреберных каналов, отличающаяся тем, что в зоне входного участка по меньшей мере одного межреберного канала установлена по меньшей мере одна перегородка, жестко соединенная с пером лопатки.

2. Охлаждаемая лопатка турбины газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что противолежащие концы перегородки жестко закреплены на внутренних поверхностях пера лопатки.

3. Охлаждаемая лопатка турбины газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что один из противолежащих концов перегородки жестко закреплен на внутренней поверхности пера лопатки, а между другим ее концом и близлежащим к нему ребром вихревой матрицы образован зазор.

4. Охлаждаемая лопатка турбины газотурбинного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что в поперечном сечении перегородка выполнена круглой или эллиптической формы.