Охлаждаемая рабочая лопатка турбины газотурбинного двигателя
Владельцы патента RU 2374458:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "САЛЮТ" (ФГУП "ММПП "САЛЮТ") (RU)
Охлаждаемая рабочая лопатка турбины газотурбинного двигателя содержит хвостовик, полое перо со спинкой и корытом и перегородки, расположенные с образованием относительно входной и выходной кромок и между собой полостей, в каждую из которых подводится охлаждающая среда. На входной кромке и на корыте выполнены отверстия для выхода охлаждающей среды. В полости, образованной перегородкой и выходной кромкой, и полости, образованной перегородками, на спинке и корыте выполнены ребра, контактирующие между собой с образованием перекрещивающихся каналов для прохода охлаждающего воздуха в виде матрицы. Перегородки расположены относительно общей для двух полостей с образованием, соответственно, раздаточного канала и коллектора. Ребра на спинке наклонены под острым углом к плоскости основания хвостовика против течения внешнего потока. Ребра на корыте наклонены под острым углом к плоскости основания хвостовика по направлению течения внешнего потока. На спинке выполнены отверстия, площадь входного сечения которых меньше площади выходного сечения, и ось каждого отверстия наклонена по направлению течения внешнего потока под острым углом к касательной, проведенной к профилю спинки в точке его пересечения с осью отверстия. Отверстия на спинке и на корыте сообщают коллектор с проточной частью. Ось каждого отверстия на корыте наклонена по направлению течения внешнего потока под острым углом к касательной, проведенной к профилю корыта в точке его пересечения с осью отверстия. Изобретение позволяет повысить эффективность охлаждения. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к газотурбинным двигателям, в частности к охлаждаемым рабочим лопаткам газовых турбин, и может найти применение в авиадвигателестроении и других областях техники, где используются газотурбинные двигатели.
Известна охлаждаемая рабочая лопатка турбины газотурбинного двигателя, содержащая хвостовик и полое перо со спинкой и корытом и перегородки, расположенные с образованием относительно входной и выходной кромок и между собой каналов, в каждый из которых подводится охлаждающий воздух, при этом на входной кромке и на корыте выполнены отверстия для выхода охлаждающей среды (см. заявку США №2006/0153680, кл. F01D 5/18, опубл. 13.07.2006).
Недостаток известной лопатки - охлаждение стенок пера лопатки реализуется за счет завесной составляющей охлаждения, при этом доля конвективной составляющей охлаждения, реализованная в конструкции, не велика. Такой метод характеризуется более низкой интенсивностью охлаждения, чем в предлагаемой лопатке, из-за недостаточного уровня конвективной составляющей охлаждения.
Технический результат заявленного изобретения - повышение эффективности охлаждения рабочей лопатки турбины газотурбинного двигателя.
Указанный технический результат достигается тем, что в охлаждаемой рабочей лопатке турбины газотурбинного двигателя, содержащей хвостовик, полое перо со спинкой и корытом и перегородки, расположенные с образованием относительно входной и выходной кромок и между собой полостей, в каждую из которых подводится охлаждающая среда, при этом на входной кромке и на корыте выполнены отверстия для выхода охлаждающей среды, согласно изобретению в полости, образованной перегородкой и выходной кромкой, и полости, образованной перегородками, на спинке и корыте выполнены ребра, контактирующие между собой с образованием перекрещивающихся каналов для прохода охлаждающей среды в виде матрицы и расположенные относительно общей для двух полостей перегородки с образованием коллектора и раздаточного канала, причем ребра на спинке наклонены под острым углом к плоскости основания хвостовика против течения внешнего потока, а ребра на корыте наклонены под острым углом к плоскости основания хвостовика по направлению течения внешнего потока, на спинке выполнены отверстия, площадь входного сечения которых меньше площади выходного сечения, и ось каждого отверстия наклонена по направлению течения внешнего потока под острым углом к касательной, проведенной к профилю спинки в точке его пересечения с осью отверстия, при этом отверстия на спинке и корыте сообщают коллектор с проточной частью, и ось каждого отверстия на корыте наклонена по направлению течения внешнего потока под острым углом к касательной, проведенной к профилю корыта в точке его пересечения с осью отверстия.
Отношение шага ребер одной матрицы к шагу ребер другой матрицы может находиться в диапазоне 1,2-1,3, а отношение ширины каналов одной матрицы к другой может находиться в диапазоне 1,22-1,32.
Выбор отношения шага ребер одной матрицы к шагу ребер другой матрицы позволяет дополнительно обеспечить равномерное поле распределения температур по перу лопатки. Отношение шагов матрицы в отмеченном диапазоне позволяет более рационально использовать конвективную и завесную составляющие охлаждения, при выходе за пределы диапазона оптимальное соотношение между конвективной и завесной составляющей охлаждения нарушается.
Выбор отношения ширины каналов одной матрицы к другой в диапазоне 1,22-1,32 позволяет дополнительно обеспечить равномерное поле распределения температур по перу лопатки. Отношение ширины каналов одной матрицы к ширине каналов другой матрицы в отмеченном диапазоне позволяет более рационально использовать конвективную и завесную составляющие охлаждения, при выходе за пределы диапазона соотношение между конвективной и завесной составляющей охлаждения нарушается.
Угол наклона ребер может находиться в диапазоне от 45 до 75°. Ребра с углом наклона, находящимся в данном диапазоне, дополнительно обеспечивают несущую способность пера лопатки и, как следствие, повышают ресурс работы лопатки.
Перо лопатки на участке расположения отверстий на спинке может быть выполнено большей толщины. Утолщение стенки позволяет легче выполнить отверстие под необходимым углом к поверхности пера лопатки.
Соотношение площадей входного и выходного сечений отверстий на спинке находится в диапазоне от 0,3 до 0,45. Это позволяет дополнительно обеспечить необходимое соотношение количества движения между внешним потоком и выдуваемой струей охлаждающей среды.
Точка пересечения оси каждого отверстия на спинке с профилем спинки может находиться на расстоянии от 0,32 до 0,46 длины профиля спинки, считая вдоль профиля спинки от точки пересечения средней линии профиля пера с профилем входной кромки, что позволяет дополнительно обеспечить равномерное распределение температур на поверхности спинки в районе коллектора и на поверхности спинки в районе раздаточного канала.
Ось каждого отверстия на спинке может быть наклонена под углом 25-45°. Это позволяет дополнительно при выдуве охлаждающей струи из отверстия обеспечить прилипание защитной пелены к внешней поверхности пера лопатки.
Точка пересечения оси каждого отверстия на корыте может быть расположена на расстоянии от 0,3 до 0,45 длины профиля корыта, считая от точки пересечения средней линии профиля пера с профилем входной кромки. Это позволяет дополнительно организовать защитную низкотемпературную пелену на корыте лопатки в районе раздаточного канала.
Ось каждого отверстия на корыте может быть наклонена под углом 30-50°. Это позволяет при выдуве охлаждающей струи из отверстия дополнительно обеспечить надежное прилипание защитной пелены к внешней поверхности пера лопатки.
В перегородке, расположенной с образованием полости относительно входной кромки, могут быть выполнены, по меньшей мере, три технологических канала, перетекание через эти каналы охлаждающей среды мало, однако каналы повышают технологичность изготовления и повышают жесткость стержня, используемого при изготовлении лопатки для формирования внутренней полости пера.
На фиг.1 изображен продольный разрез лопатки;
на фиг.2 - сечение А-А фиг.1;
на фиг.3 - сечение А-А фиг.1 с обозначением размеров;
на фиг.4 - узел I фиг.1 в увеличенном масштабе;
на фиг.5 - узел II фиг.1 в увеличенном масштабе.
Охлаждаемая рабочая лопатка турбины газотурбинного двигателя содержит хвостовик 1, полое перо со спинкой 2, корытом 3, входной кромкой 4 и выходной кромкой 5. В полости пера и хвостовике 1 расположены две перегородки 6, 7. Перегородка 6 образует относительно входной кромки 4 полость 8. Перегородка 7 образует относительно выходной кромки 5 полость 10. Перегородки 6 и 7 образуют между собой полость 9. На входной кромке 4 выполнены отверстия 11 для отвода охлаждающего воздуха из полости 8 в проточную часть. В полости 9 выполнены ребра 12 на спинке 2 и ребра 13 на корыте 3, контактирующие между собой с образованием перекрещивающихся каналов в виде матрицы. В полости 10 выполнены ребра 14 на спинке 2 и ребра 15 на корыте 3, контактирующие между собой с образованием перекрещивающихся каналов в виде матрицы. Ребра 12 и 13 расположены относительно перегородки 7 с образованием коллектора 16. Ребра 14 и 15 расположены относительно перегородки 7 с образованием раздаточного канала 17.
В каждую полость 8, 9 и 10 подводится охлаждающая среда. На спинке 2 выполнены отверстия 18, на корыте 3 выполнены отверстия 19. Через отверстия 18 и 19 коллектор 16 сообщается с проточной частью. В перегородке 6 выполнены, например, три технологических канала 20. На выходной кромке 5 выполнена щель 21 для выхода охлаждающей среды из матрицы, образованной ребрами 14 и 15, в проточную часть.
Ребра 12 и 14 на спинке 2 наклонены под острым углом α, например 45°, к плоскости основания хвостовика 1 в направлении, противоположном течению внешнего потока. Ребра 13 и 15 на корыте 3 наклонены под острым углом β, например 45°, к плоскости основания хвостовика в направлении течения внешнего потока.
Отношение шага Н ребер 12 и 13 одной матрицы к шагу h ребер 14 и 15 другой матрицы находится в диапазоне 1,2-1,3, например 1,25.
Отношение ширины J каналов одной матрицы к ширине j другой матрицы находится в диапазоне 1,22-1,32, например 1,27.
Отверстия 18 на спинке имеют площадь входного сечения меньше площади выходного сечения, и соотношение площадей находится в диапазоне 0,3-0,45, например 0,4.
Ось А каждого отверстия 18 наклонена в направлении течения внешнего потока под острым углом γ, например 30°, к касательной Е, проведенной к профилю спинки 2 в точке его пересечения с осью А отверстия 18. Точка пересечения оси А каждого отверстия 18 на спинке 2 с профилем спинки 2 находится на расстоянии lсn=0,32-0,46 Lcn (Lcn - длина профиля спинки), считая вдоль профиля спинки от точки пересечения средней линии S профиля пера с профилем входной кромки 4, например lсn=0,4 Lcn.
Ось В каждого отверстия 19 на корыте 3 наклонена в направлении течения внешнего потока под острым углом φ, например 40°, к касательной F, проведенной к профилю корыта 3 в точке его пересечения с осью В отверстия 19. Точка пересечения оси В каждого отверстия на корыте 3 расположена на расстоянии lкор=0,3-0,45 Lкор (Lкор - длина профиля корыта), считая от точки пересечения средней линии профиля пера с профилем входной кромки 4, например lкор=0,37 Lкор.
Положительное направление оси Х совпадает с направлением течения основного (внешнего) потока.
Работа осуществляется следующим образом.
При работе турбины охлаждающий воздух подается в полости 8, 9 и 10 разными потоками, причем источник (на чертеже не показан) потоков может быть один или источников может быть 2 или 3, причем один из потоков (как правило, поток, питающий полость 8) может иметь отличный от двух других источник.
Поток, поступающий в полость 8, отводится в проточную часть через отверстия 11 входной кромки 4, охлаждая тем самым входную кромку.
Поток охлаждающей среды, поступающий в полость 9, далее движется по каналам матрицы, тем самым охлаждая ее, пройдя через пересекающиеся каналы матрицы поток охлаждающей среды - воздуха - в значительной степени, потеряв свой хладоресурс, направляется в коллектор 16 и выдувается на спинку 2 и корыто 3 через, соответственно, отверстия 18 и 19, при выходе охлаждающей среды - воздуха - из отверстий на внешнем профиле лопатки образуется низкотемпературная защитная пелена, необходимая для защиты поверхности внешнего профиля лопатки, расположенного в зоне раздаточного канала матрицы.
Поток охлаждающей среды, поступающий в полость 10, попадает в раздаточный канал 17, из которого поступает в пересекающиеся каналы матрицы и по ним движется к выходной кромке 5, охлаждая матрицу, и через щель 21 вытекает в проточную часть.
Таким образом, повышение эффективности охлаждения лопатки турбины газотурбинного двигателя, достигнутое путем реализации оптимального соотношения между заградительной составляющей охлаждения и конвективной составляющей охлаждения, рациональным распределением потоков воздуха по охлаждаемым каналам лопатки и выбором мест на профиле лопатки для реализации дополнительного заградительного охлаждения, позволяет выровнять температурное поле и снизить термические напряжения.
1. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины газотурбинного двигателя, содержащая хвостовик, полое перо со спинкой и корытом, и перегородки, расположенные с образованием относительно входной и выходной кромок и между собой полостей, в каждую из которых подводится охлаждающая среда, при этом на входной кромке и на корыте выполнены отверстия для выхода охлаждающей среды, отличающаяся тем, что в полости, образованной перегородкой и выходной кромкой, и полости, образованной перегородками, на спинке и корыте выполнены ребра, контактирующие между собой с образованием перекрещивающихся каналов для прохода охлаждающего воздуха в виде матрицы и расположенные относительно общей для двух полостей перегородки с образованием, соответственно, раздаточного канала и коллектора, причем ребра на спинке наклонены под острым углом к плоскости основания хвостовика против течения внешнего потока, а ребра на корыте наклонены под острым углом к плоскости основания хвостовика по направлению течения внешнего потока, на спинке выполнены отверстия, площадь входного сечения которых меньше площади выходного сечения, и ось каждого отверстия наклонена по направлению течения внешнего потока под острым углом к касательной, проведенной к профилю спинки в точке его пересечения с осью отверстия, при этом отверстия на спинке и на корыте сообщают коллектор с проточной частью, и ось каждого отверстия на корыте наклонена по направлению течения внешнего потока под острым углом к касательной, проведенной к профилю корыта в точке его пересечения с осью отверстия.
2. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины по п.1, отличающаяся тем, что отношение шага ребер одной матрицы к шагу ребер другой матрицы находится в диапазоне 1,2-1,3, а отношение ширины каналов одной матрицы к ширине каналов другой матрицы находится в диапазоне 1,22-1,32.
3. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что угол наклона ребер находится в диапазоне от 45 до 75°.
4. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины по п.1, отличающаяся тем, что перо лопатки на участке расположения отверстий на спинке выполнено большей толщины.
5. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины по п.1, отличающаяся тем, что соотношение площадей входного и выходного сечений отверстий на спинке находится в диапазоне от 0,3 до 0,45.
6. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины по п.1, отличающаяся тем, что точка пересечения оси каждого отверстия на спинке с профилем спинки находится на расстоянии от 0,32 до 0,46 длины профиля спинки, считая вдоль профиля спинки от точки пересечения средней линии профиля пера с профилем входной кромки.
7. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины по п.1, или 4, или 5, или 6, отличающаяся тем, что ось каждого отверстия на спинке наклонена под углом 25-45°.
8. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины по п.1, отличающаяся тем, что точка пересечения оси каждого отверстия на корыте расположена на расстоянии от 0,3 до 0,45 длины профиля корыта считая от точки пересечения средней линии профиля пера с профилем входной кромки.
9. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины по п.1 или 8, отличающаяся тем, что ось каждого отверстия на корыте наклонена под углом 30-50°.
10. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины по п.1, отличающаяся тем, что в перегородке, расположенной с образованием канала относительно входной кромки, выполнены, по меньшей мере, три технологических канала.
