ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Советский патент 1996 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к области охлаждения элементов конструкции высокотемпературной турбины и может быть использовано в турбостроении для стационарных силовых установок и транспортных турбин.

Известна охлаждаемая лопатка, содержащая полое перо и дефлектор. В пере имеются ряды отверстий, через которые охлаждающий воздух вытекает в проточную часть турбины, образуя завесу на наружной поверхности лопатки. Дефлектор служит для подвода охладителя к рядам отверстий.

Недостатком этой конструкции является то, что охлаждающий воздух почти не участвует в процессе конвективного теплообмена, т.к. основной охлаждающий эффект достигается за счет наружной завесы. Вследствие этого не используется имеющийся хладоресурс воздуха, что приводит к увеличению потребного расхода воздуха.

Известна охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо, на внутренней поверхности которого выполнены полусферические углубления. Охлаждающий воздух протекает в щели между внутренней поверхностью корпуса и дефлектором и вытекает через щель в задней кромке лопатки. Интенсификация теплоотдачи в такой системе охлаждения по сравнению с гладкой щелью происходит за счет срыва пограничного слоя на кромках полусферических углублений и образования вихрей. Однако вихревое течение внутри полусферических углублений неустойчиво и носит периодический характер. После образования вихря в полусферическом углублении он срывается и уносится основным потоком, а на его месте образуется новый вихрь. Это явление снижает возможный эффект интенсификации и приводит к некоторому увеличению гидравлических потерь в системе охлаждения лопатки.

Целью изобретения является повышение эффективности охлаждения лопатки путем стабилизации вихревого течения в полусферических углублениях.

Указанная цель достигается тем, что в охлаждаемой лопатке газовой турбины, содержащей полое перо, на внутренней поверхности которого выполнены полусферические углубления, перо снабжено завихрителями, каждый из которых размещен на внутренней поверхности пера в зоне углубления по направлению движения охлаждающей среды, причем в центре каждого углубления выполнены отверстия. Завихритель выполнен в виде профилированного выступа, продольного ребра или штырька.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг. 1 изображена в разрезе профильная часть лопатки турбины с интенсификаторами теплоотдачами в системе охлаждения; на фиг. 2 сечение по перу лопатки; на фиг. 3-5 виды на полусферические углубления с завихрителями.

Охлаждаемая лопатка содержит полое перо 1 с полусферическими углублениями 2 на внутренней поверхности 3 и дефлектор 4. В центре каждого полусферического углубления 2 выполнено отверстие 5, а перед каждым углублением 2 расположен завихритель, который может быть выполнен в виде профилированного выступа 6, продольного ребра 7 или штырька 8.

Завихрители 6-8 расположены несимметрично относительно центра 9 полусферического углубления 2.

При работе турбины охлаждающий воздух подводится внутрь дефлектора 4, равномерно распределяется по высоте пера 1 лопатки, затем поступает в зазор между дефлектором 4 и стенкой пера 1 лопатки и течет в поперечном направлении от передней кромки к задней. При этом воздух попадает в полусферические углубления 2 и постепенно расходуется, так что в конце канала расход его равен нулю. Это устраняет необходимость щели в задней кромке, которая охлаждается защитной пленкой, образующейся на поверхности лопатки.

Расчет показывает, что предлагаемая система охлаждения обеспечивает более высокую эффективность охлаждения, чем прототип, при одинаковых расходах и начальных параметрах охлаждающего воздуха.

Результаты расчета представлены на фиг. 6. В лопатке, принятой за прототип, на полусферические углубления набегает поток с одинаковой скоростью по всему фронту. Перепад давления по нормали к стенке отсутствует, так что в образующихся вихрях их окружная скорость W может изменяться только по закону твердого тела, т.е. угловая скорость в вихре ω=const.

Величина массовой скорости ρW изменяется в этом случае по радиусу полусферического углубления r почти по линейному закону (ρ и W значения плотности и окружной скорости на расстоянии r от центра полусферичекого углубления). В заявленной охлаждаемой лопатке обеспечены условия образования устойчивого свободного вихря в полусферическом углублении с законом скорости ωr²=const.

На фиг. 6 по оси абсцисс отложено отношение текущего радиуса полусферического углубления r к ее наружному радиусу R, по оси ординат отношение местного значения ρW к значению на наружном радиусе полусферического углубления, равному ее величине в невозмущенном потоке между углублениями.

Схема и кривая II относятся к прототипу, схема и кривая I к предлагаемой лопатке, пунктирная кривая в верхней части графика показывает отношение величины ρW в том и другом случае. Линия р отношение давлений P_z/P_R). Как видно из фиг. 6 средняя величина отношения массовых скоростей с учетом охватываемой площади составляет примерно 2-2,5. Соответственно отношение средних коэффициентов теплоотдачи на поверхности полусферического углубления составит 1,75-2,0.

Если глубину охлаждения θ=Т_r-T_ст/Т_r-T_b на поверхности полусферических углублений в лопатках прототипа принять равной 0,5, то в лопатках заявляемой конструкции она при тех же начальных условиях и расходе воздуха составит 0,65-0,7. Учитывая, что площадь полусферических углублений составляет примерно 50% всей охлаждаемой поверхности пера лопатки, и считая глубину охлаждения на остальной части поверхности одинаковой в обоих случаях, получим в среднем увеличение глубины конвективного охлаждения лопатки на 0,07-0,08.

Если принять во внимание также эффект пленочного охлаждения и оценить его как θ_пл=0,1, то общее увеличение глубины охлаждения лопатки по сравнению с прототипом составит примерно 0,1-0,15.

Технико-экономическая эффективность заявляемого решения по сравнению с прототипом заключается в том, что оно позволяет повысить температуру или давление рабочего газа, не увеличивая расход охлаждающего воздуха, или же сократить расход охлаждающего воздуха при тех же параметрах рабочего газа.

Использование: турбостроение для стационарных силовых установок и транспортных турбин. Сущность изобретения: охлаждаемая лопатка состоит из полого пера 1 с полусферическими углублениями 2 на внутренней поверхности, в центре которых имеются отверстия 5 для слива охладителя в проточную часть турбины. Перед полусферическими углублениями расположены завихрители, которые обеспечивают образование устойчивого вихря на поверхности полусферического углубления. Вихрь приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в полусферическом углублении в 1,5 - 2 раза по сравнению с гладким течением. 3 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ, содержащая полое перо, на внутренней поверхности которого выполнены полусферические углубления, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения, перо снабжено завихрителями, каждый из которых размещен на внутренней поверхности пера в зоне углубления по направлению движения охлаждающей среды, причем в центре каждого углубления выполнены отверстия. 2. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что завихритель выполнен в виде профилированного выступа. 3. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что завихритель выполнен в виде продольного ребра. 4. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что завихритель выполнен в виде штырька.