Способ охлаждения передней кромки обтекаемого тела и устройство для его осуществления

 

Изобретения относятся к области энергетического машиностроения, а в частности к охлаждаемым лопаткам газовых турбин. Способ охлаждения передней кромки обтекаемого тела, преимущественно лопатки газовой турбины, включает в себя подачу потока охлаждающей среды на внутреннюю поверхность кромки, протекание этой среды через поры проволочных переплетений проницаемой оболочки, выполненной по профилю передней кромки, и выход охлаждающей среды на ее наружную поверхность. Охлаждающую среду направляют на внутреннюю поверхность непроницаемой полоски, обеспечивающей течение потока охлаждающей среды вдоль внутренней ее поверхности. Обтекаемое тело, преимущественно лопатка газовой турбины, содержит корпус, выполненный с внутренней полостью и полостью, прилегающей к зоне критической точки кромки, которые соединены между собой каналами. По профилю передней кромки выполнена проницаемая оболочка с парами, образованными проволочными переплетениями. Внутренняя полость корпуса связана с каналами, оси которых проходят через критическую линию кромки, напротив выходных отверстий каналов в зоне критической линии проницаемой оболочки расположена непроницаемая полоска, охватывающая зону критической точки по обе стороны от нее, ширина которой превышает размер отверстий каналов. Изобретения повышают эффективность охлаждения. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к охлаждению обтекаемого тела, преимущественно лопаток газовых турбин, омываемых высокотемпературным потоком рабочей среды при высоких давлениях и скоростях.

Обеспечение надежного охлаждения элементов обтекаемого тела, например лопаток газотурбинных двигателей, является одной из важнейших задач при работе установок в экстремальных условиях. Перегрев лопаток, особенно передней их кромки, которая в процессе эксплуатации максимально воспринимает высокотемпературные нагрузки, может привести к их разрушению, а значит, и остановке работы всего энергетического агрегата.

Существуют различные варианты охлаждения передней кромки лопаток газовых турбин путем подачи охлаждающей среды, в частности проникающее и непроникающее внутреннее охлаждение.

Непроникающее охлаждение внутренней поверхности передней кромки лопаток газовых турбин описано, например, в патентах России 2098638, 2117768, кл. F 01 D 5/18. В них защищен способ охлаждения, при котором струю охлаждающей среды подают под давлением через полость корпуса лопатки на внутреннюю поверхность зоны критической точки ее передней кромки, которая требует максимального охлаждения по сравнению с другими элементами лопатки.

Однако известный способ не обеспечивает надежного охлаждения передней кромки при использовании в качестве рабочей среды высокотемпературных и высокоскоростных газовых потоков.

Метод проникающего охлаждения передней кромки лопаток обеспечивает выход охлаждающей среды на ее поверхность, тем самым способствуя повышению эффективности охлаждения. Такой метод описан, например, в патентах России 1071031, 1799066, кл. F 01 D 5/18, где выход охлаждающей среды достигается за счет выполнения перфорации на передней кромке лопаток. Степень охлаждения зависит от количества отверстий и частоты расположения их по поверхности кромки.

Однако наличие струй, выходящих из отверстий, вызывает газодинамическое нарушение, а большая разность температур между охлаждающей средой и стенкой лопатки приводит к возникновению в ней термических перенапряжений и возможному разрушению кромки лопаток.

Для ликвидации наличия сквозных отверстий предложена технология, по которой оболочку лопаток изготавливают многослойной, где на каждом слое расположены отверстия специального профиля таким образом, чтобы они в слоях не образовывали сквозных отверстий (см. "Тепловая защита лопаток турбин", под редакцией Б.М. Галицейского, МАИ, Москва, 1996, стр. 13).

Однако технологии изготовления этих слоев и их крепления друг к другу являются весьма трудоемкими операциями, особенно при выполнении кромки с малым радиусом кривизны.

В патенте США 4314442, кл. 60-39.05 описан способ проникающего охлаждения передней кромки лопаток газовой турбины, при котором охлаждающую среду подают на кромку, выполненную в виде проницаемой оболочки из пористого материала, изготовленного в виде проволочных переплетений.

Выполнение передней кромки в виде оболочки из указанного материала обеспечивает возможное ее изготовление с малым радиусом кривизны.

Однако при выполнении всей передней кромки из этого материала затрудняется ее теплозащита ввиду малого гидравлического сопротивления проницаемой оболочки, что может привести к возникновению опасности проникновения набегающего на нее горячего газа во внутреннюю полость в зоне критической точки, представляющей собой часть поверхности передней кромки, находящейся вблизи критической точки.

Задача изобретения - создание такого способа охлаждения передней кромки обтекаемого тела, преимущественно лопаток газовой турбины, который обеспечил бы ее защиту от проникновения горячего газа во внутреннюю полость, а значит, и способствовал бы повышению эффективности охлаждения зоны критической точки.

Согласно данному изобретению задача решена за счет того, что поток охлаждающей среды направляют на внутреннюю поверхность непроницаемой полоски, расположенной в зоне критической точки проницаемой оболочки, выполненной по профилю передней кромки с порами, образованными проволочными переплетениями, через которые охлаждающая среда выходит на омываемую горячим газом наружную поверхность кромки. Расположение непроницаемой полоски в зоне критической точки обеспечивает течение потока охладителя вдоль внутренней поверхности оболочки лопатки. Непроницаемая полоска, направляя поток охладителя вдоль внутренней поверхности проницаемой оболочки, обеспечивает его проникновение через поры на горячую внешнюю поверхность части передней кромки. Кроме того, наличие полоски в зоне критической точки обеспечивает ее двойное охлаждение: сначала при подаче охладителя, затем - за счет теплопроводности по каркасу проницаемой оболочки.

Технический результат - повышение эффективности, надежности и ресурса тепловой защиты передней кромки обтекаемого тела, преимущественно лопатки газовой турбины, омываемого высокотемпературным потоком газа при высоких давлениях и скоростях.

Способ осуществляют следующим образом.

Газ-охладитель, поступающий во внутреннюю полость лопатки, выдувается в виде струй в полость, расположенную вблизи зоны критической точки кромки. Эти струи направляются на внутреннюю поверхность непроницаемой полоски, расположенной в этой зоне проницаемой оболочки, которая выполнена по профилю передней кромки. Струи газа, ударяясь о внутреннюю поверхность полоски, охлаждают зону критической точки передней кромки, при этом эффективное охлаждение этой зоны происходит также и за счет интенсивного испарения охлаждающей среды с внутренней поверхности. Далее охладитель, разворачиваясь после торможения от удара о полоску, обтекает с внутренней стороны проницаемую часть оболочки, проникая через ее поры на горячую наружную поверхность лопатки, омываемую высокотемпературным рабочим газом. При этом горячий газ оттесняется от поверхности, создавая надежную теплозащиту ее передней кромки.

Данное изобретение также защищает устройство для осуществления способа, описанного выше. Объектом изобретения на устройство является охлаждаемая передняя кромка обтекаемого тела, преимущественно лопатки газовой турбины.

В патенте России 1071031, кл. F 01 D 5/18 описана охлаждаемая передняя кромка лопатки газовой турбины, включающая корпус с внутренней полостью, через которую подают по каналам охлаждающую среду на внутреннюю поверхность кромки, выполненной со сквозными отверстиями в зоне критической точки. В этой зоне за счет интенсивного расхода газа-охладителя через отверстия перфорации происходит активное охлаждение передней кромки лопаток.

Однако наличие перфорации может привести к возникновению термонапряжений и возможному разрушению лопатки.

В патенте США 4314442, кл. 60-39.05 описана охлаждаемая передняя кромка лопатки газовой турбины, включающая корпус, выполненный с внутренней полостью и полостью, прилегающей к зоне критической точки, которые соединены между собой каналами для прохождения охлаждающей среды, и расположенную по профилю передней кромки проницаемую оболочку, прикрепленную к корпусу и изготовленную из пористого материала, поры которого образованы проволочными переплетениями. Выполнение передней кромки в виде такой проницаемой оболочки позволило выполнить ее с малым радиусом кривизны.

Однако малое гидравлическое сопротивление оболочки не обеспечивает ей надежную теплозащиту от высокотемпературных потоков рабочей среды, а возможное проникновение горячего газа во внутреннюю полость лопатки в зоне критической точки может привести к сильному разогреву кромки и выходу ее из строя.

Устройство, реализующее описанный выше способ охлаждения передней кромки обтекаемого тела, преимущественно лопатки газовой турбины, содержит корпус, выполненный с внутренней полостью и полостью, прилегающей к зоне критической точки кромки, соединенные между собой каналами, оси которых проходят через критическую линию передней кромки, а также выполненную по профилю передней кромки проницаемую оболочку из материала с порами между проволочными переплетениями, в которой в зоне критической точки расположена непроницаемая полоска, ширина которой превышает размер отверстий.

На фиг. 1 представлена охлаждаемая передняя кромка лопатки газовой турбины, на фиг.2 - разрез по А-А.

Кромка представляет собой конструкцию оболочкового типа с проникающим охлаждением, которая включает в себя корпус 1 с внутренней полостью 2 и полостью 2а, прилегающей к зоне критической точки "а" кромки. Обе полости соединены между собой каналами 3, причем эти каналы выполнены таким образом, что их оси проходят через критическую линию а-а кромки, которая включает в себя критическую точку в ее поперечном сечении вдоль направления течения рабочей среды. Передняя кромка выполнена в виде проницаемой оболочки 4, в зоне критической точки которой расположена непроницаемая полоска 5, напротив нее расположены выходные отверстия каналов 3. Проницаемая оболочка 4 с обоих концов закреплена на корпусе 1. Оболочка 4 и непроницаемая полоска 5 могут быть изготовлены из одного и того же пористого материала, поры которого образованы проволочными переплетениями, например, материала, полученного путем горячей прокатки сетчатого полотна по технологии, изложенной, например, в патенте РФ 2089306, кл. В 21 В 1/38. Непроницаемую полоску 5 получают путем закрытия пор на проницаемой оболочке 4 по всей длине пера лопатки или ее части. Одним из возможных вариантов расположения полоски 5 на оболочке 4 является закрепление на ней полоски 5, выполненной в виде металлической вставки заданных размеров. Ширина этой полоски охватывает зону вблизи критической точки "а" по обе стороны от нее и должна превышать размер отверстий каналов 3.

Описанное выше устройство работает следующим образом.

Газ-охладитель подают к передней кромке лопатки из внутренней полости 2 корпуса 1 лопатки через каналы 3 в виде струй. Эти струи газа направляются в полость 2а, прилегающую к зоне критической точки "а" кромки, и ударяются о непроницаемую полоску 5. После торможения в результате удара газ-охладитель растекается в полости 2а вдоль проницаемой оболочки 4 и выходит через ее поры на наружную поверхность лопатки, омываемую высокотемпературным рабочим газом.

Были изготовлены передние кромки лопаток газовых турбин с малым радиусом кривизны (~ 2 мм) из горячекатаного сетчатого материала с квадратными ячейками размером ~ 0,1 мм. Лопатки прошли испытания при подаче на них высокотемпературного рабочего газа с высокой скоростью, Разрушения не обнаружены.

Таким образом, использование предложенного способа охлаждения передней кромки лопаток газовых турбин и устройства для его осуществления позволило обеспечить интенсивный теплоотвод от зоны, прилегающей к критической точке кромки, и исключить возможность проникновения горячего газа во внутреннюю полость, а значит, и повысить эффективность, надежность и ресурс теплозащиты лопаток при использовании их в экстремальных условиях.

Предложенные способ и устройство применимы для охлаждения передней кромки, омываемой горячим рабочим веществом, любого затупленного тела вращения, например головных частей летательных аппаратов.

Формула изобретения

1. Способ охлаждения передней кромки обтекаемого тела, преимущественно лопатки газовой турбины, включающий подачу потока охлаждающей среды на внутреннюю поверхность кромки, протекание этой среды через поры проволочных переплетений проницаемой оболочки, выполненной по профилю передней кромки, и выход охлаждающей среды на омываемую горячим газом ее наружную поверхность, отличающийся тем, что охлаждающую среду направляют на внутреннюю поверхность непроницаемой полоски, расположенной в зоне критической точки проницаемой оболочки и обеспечивающей течение потока охлаждающей среды вдоль внутренней ее поверхности.

2. Охлаждаемая передняя кромка обтекаемого тела, преимущественно лопатки газовой турбины, включающая корпус, выполненный с внутренней полостью и полостью, прилегающей к зоне критической точки кромки, которые соединены между собой каналами, и выполненную по профилю передней кромки проницаемую оболочку с порами, образованными проволочными переплетениями, и закрепленную на корпусе, отличающаяся тем, что внутренняя полость корпуса связана с каналами, оси которых проходят через критическую линию кромки, а напротив выходных отверстий этих каналов в зоне критической линии проницаемой оболочки расположена непроницаемая полоска, охватывающая зону критической точки по обе стороны от нее, и ширина которой превышает размер отверстий каналов.

3. Охлаждаемая передняя кромка по п. 2, отличающаяся тем, что проницаемая оболочка изготовлена из горячекатаного сетчатого материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2