Охлаждаемая лопатка газовой турбины

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо, выполненное в виде передней и задней полости, разделенных радиальной перегородкой. В передней полости установлен передний дефлектор, в задней полости - задний дефлектор. В переднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения входной кромки и стенок передней полости. В заднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения стенок задней полости . В передней полости 2 в стенках полого пера 1 выполнены отверстия пленочного охлаждения 11. В щелевом канале выходной кромки по высоте стенок полого пера со стороны спинки и корыта выполнены продольные канавки постоянного поперечного сечения, имеющего форму кругового сегмента, глубиной Нк и шириной Вк. В противолежащие со стороны спинки и корыта продольные канавки установлены в шахматном порядке ряды штырьков диаметром Dшт. Отношение поперечного S1 и продольного S2 шага их установки к диаметру Dшт штырьков составляет 2,5. Отношение глубины Нк продольных канавок к диаметру Dшт штырьков находится в диапазоне от 0,25 до 0,75, а отношение ширины Вк продольной канавки к диаметру Dшт штырьков находится в диапазоне от 1,5 до 2. При этом поперечные сечения продольных канавок со стороны спинки, образованы окружностями, центры O1 которых лежат на осях штырьков. Поперечные сечения продольных канавок со стороны корыта, образованы окружностями, центры O2 которых лежат на нормали ко внутренней поверхности корыта. Изобретение направлено на снижение температуры стенки лопатки путем интенсификации теплоотдачи в щелевом канале выходной кромки. 7 ил.

 

Изобретение относится к турбостроению, а именно к охлаждаемой лопатке газовой турбины, предназначенной преимущественно для работы в области высоких температур.

Известна лопатка газовой турбины (публ. US №2015016973, публ. 15.01.2015, МПК F01D 5/18), содержащая полое перо с входной и выходной кромками, переднюю и заднюю полости пера, в которых установлены дефлекторы с отверстиями для подачи охлаждающего воздуха. Дефлекторами сформированы каналы для поперечного относительно пера течения охлаждающего воздуха от входной кромки в сторону выходной кромки. В выходной кромке выполнен щелевой канал со штырьками для выпуска воздуха в проточную часть турбины.

Недостатком данного технического решения является низкая эффективность охлаждения щелевого канала выходной кромки лопатки из-за образования застойных зон за штырьками и значительная толщина пограничного слоя со стороны спинки и корыта при их воздушном обтекании.

Известна другая лопатка с каналами охлаждения (патент US №6742991, публ. 15.01.2004, МПК F01D 5/18), содержащая входную и выходную кромки, радиальную перегородку, формирующую переднюю и заднюю полости, в которые установлены дефлекторы с отверстиями для струйного охлаждения стенок. В выходной кромке выполнен щелевой канал со штырьками для выпуска воздуха в проточную часть турбины.

Недостатком данного технического решения является низкая эффективность охлаждения щелевого канала выходной кромки лопатки из-за образования застойных зон за штырьками и значительная толщина пограничного слоя со стороны спинки и корыта при их воздушном обтекании.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является охлаждаемая лопатка соплового аппарата газовой турбины (патент РФ №2663966, публ. 13.08.2018, МПК F01D 5/18, F01D 9/02), содержащая полое перо, выполненное в виде передней полости и задней полости, разделенных радиальной перегородкой, передний дефлектор, установленный в передней полости и закрепленный первыми поперечными ребрами на стенках полого пера со стороны спинки и корыта, задний дефлектор, установленный в задней полости и закрепленный вторыми поперечными ребрами на стенках полого пера со стороны спинки и корыта, щелевой канал выходной кромки с установленными в нем штырьками, при этом в переднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения входной кромки и стенок передней полости, в заднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения стенок задней полости, в передней полости в стенках полого пера выполнены отверстия пленочного охлаждения.

Недостатком данного технического решения является низкая эффективность охлаждения щелевого канала выходной кромки лопатки из-за образования застойных зон за штырьками и значительной толщины пограничного слоя со стороны спинки и корыта при их воздушном обтекании.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение температуры стенки лопатки путем интенсификации теплоотдачи в щелевом канале выходной кромки.

Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждения лопаток, что ведет к повышению их ресурса и, соответственно, ресурса газовой турбины в целом.

Это достигается тем, что в известной охлаждаемой лопатке газовой турбины, содержащей полое перо, выполненное в виде передней полости и задней полости, разделенных радиальной перегородкой, передний дефлектор, установленный в передней полости и закрепленный первыми поперечными ребрами на стенках полого пера со стороны спинки и корыта, задний дефлектор, установленный в задней полости и закрепленный вторыми поперечными ребрами на стенках полого пера со стороны спинки и корыта, щелевой канал выходной кромки, при этом в переднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения входной кромки и стенок передней полости, в заднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения стенок задней полости, в передней полости в стенках полого пера выполнены отверстия пленочного охлаждения, в щелевом канале выходной кромки по высоте стенок полого пера со стороны спинки и корыта выполнены продольные канавки постоянного поперечного сечения, имеющего форму кругового сегмента, глубиной Нк и шириной Вк, при этом в противолежащие со стороны спинки и корыта продольные канавки установлены ряды штырьков диаметром Dшт, причем штырьки размещены в шахматном порядке, отношение поперечного S1 и продольного S2 шага их установки к диаметру Dшт штырьков составляет 2,5, отношение глубины Нк продольных канавок к диаметру Dшт штырьков находится в диапазоне от 0,25 до 0,75, а отношение ширины Вк продольной канавки к диаметру Dшт штырьков находится в диапазоне от 1,5 до 2, при этом поперечные сечения продольных канавок, выполненных со стороны спинки, образованы окружностями, центры O1 которых лежат на осях штырьков, поперечные сечения продольных канавок, выполненных со стороны корыта, образованы окружностями, центры O2 которых лежат на нормали ко внутренней поверхности корыта.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена охлаждаемая лопатка газовой турбины (продольный разрез), на фиг. 2 представлено поперечное сечение А-А пера охлаждаемой лопатки, на фиг. 3 показан щелевой канал лопатки газовой турбины, на фиг. 4 изображены продольный и поперечный разрезы экспериментальной модели канала прямоугольного поперечного сечения со штырьками в канавках, на фиг. 5 представлена численная эпюра плотности теплового потока q на внутренней поверхности экспериментальной модели канала прямоугольного поперечного сечения по прототипу, на фиг. 6 представлена эпюра плотности теплового потока q на внутренней поверхности экспериментальной модели канала прямоугольного поперечного сечения по предлагаемому изобретению, на фиг. 7 приведены графики зависимости среднего числа Нуссельта от числа Рейнольдса для экспериментальных моделей каналов по прототипу и согласно предлагаемому изобретению.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо 1, выполненное в виде передней полости 2 и задней полости 3, разделенных радиальной перегородкой 4. В передней полости 2 установлен передний дефлектор 5, закрепленный первыми поперечными ребрами 6 на стенках полого пера 1 со стороны спинки и корыта. В задней полости 3 установлен задний дефлектор 7, закрепленный вторыми поперечными ребрами 8 на стенках полого пера 1 со стороны спинки и корыта. В переднем дефлекторе 5 выполнены отверстия струйного охлаждения входной кромки и стенок передней полости 9. В заднем дефлекторе 7 выполнены отверстия струйного охлаждения стенок задней полости 10. В передней полости 2 в стенках полого пера 1 выполнены отверстия пленочного охлаждения 11.

В щелевом канале выходной кромки 12 по высоте стенок полого пера 1 со стороны спинки и корыта выполнены продольные канавки 13 постоянного поперечного сечения, имеющего форму кругового сегмента, глубиной Нк и шириной Вк. В противолежащие со стороны спинки и корыта продольные канавки 13 установлены ряды штырьков 14 диаметром Dшт. Штырьки 14 размещены в шахматном порядке, при этом отношение поперечного S1 и продольного S2 шага их установки к диаметру Dшт штырьков 14 составляет 2,5. Отношение глубины Нк продольных канавок 13 к диаметру Dшт штырьков 14 находится в диапазоне от 0,25 до 0,75, а отношение ширины Вк продольной канавки 13 к диаметру Dшт штырьков 14 находится в диапазоне от 1,5 до 2.

При этом поперечные сечения продольных канавок 13, выполненных со стороны спинки, образованы окружностями, центры О1 которых лежат на осях штырьков 14. Поперечные сечения продольных канавок 13, выполненных со стороны корыта, образованы окружностями, центры O2 которых лежат на нормали ко внутренней поверхности корыта.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины работает следующим образом.

Воздух поступает в передний 5 и задний 7 дефлекторы. Через отверстия струйного охлаждения входной кромки и стенок передней полости 9 воздух струями натекает на внутреннюю поверхность стенок полого пера 1, охлаждает их, движется между стенками переднего дефлектора 5 и полого пера 1, и вытекает в проточную часть турбины через отверстия пленочного охлаждения 11.

В задней полости 3 воздух через отверстия струйного охлаждения стенок задней полости 10 поступает в каналы между задним дефлектором 7 и стенками полого пера 1. После чего воздух попадет в щелевой канал выходной кромки 12, где при натекании на штырьки 14, размещенные в продольных канавках 13, реализуется сложное трехмерное течение с перемешиванием пристеночных слоев в объеме продольных канавок 13, что значительно повышает теплоотдачу в щелевом канале выходной кромки 12. Геометрические параметры продольных канавок 13, выбранные экспериментально, обеспечивают гарантированную интенсификацию теплообмена в щелевом канале выходной кромки 12.

Проведенное численное моделирование течения воздуха в щелевых каналах выходной кромки 12 показало, что установка продольных канавок 13 предотвращает образование застойных зон за штырьками 14 и способствует интенсивному перемешиванию пристеночных слоев потока (фиг. 6). На данном рисунке видно, что установка продольных канавок 13 в канал со штырьками 14 привела к ликвидации участков с низкой плотностью теплового потока за штырьками 14 (фиг. 5) и способствовала повышению интенсивности теплообмена в канале. Это обусловило уменьшение температуры стенки полого пера 1 на участке установки продольных канавок 13 при обтекании потоком горячего газа и уменьшение разности температуры полого пера 1 в поперечном сечении. Снижение неравномерности температурного ноля полого пера 1 лопатки уменьшает величину термических напряжений и, как следствие, суммарных напряжений в стенках полого пера 1 лопатки. Это обеспечивает, без изменения суммарного расхода воздуха через лопатку, увеличение запасов прочности и повышения ресурса работы лопатки.

Для подтверждения решения поставленной задачи с использованием технологии селективного лазерного плавления были изготовлены две модели M1 и М2 щелевых каналов выходной кромки 12 с установленными в них в шахматном порядке штырьками 14 диаметром 2 мм. При этом поперечный и продольный шаг установки штырьков 14 равнялся 5 мм. Модель М2 отличалась от модели M1 наличием трех продольных канавок глубиной 1 мм, шириной 4 мм, в которых расположены штырьки 14.

Испытания проводились методом калориметрирования в жидкометаллическом термостате, позволяющим определять распределение плотности теплового потока по наружной поверхности пера лопатки (Копелев, С.З. Тепловые и гидравлические характеристики охлаждаемых лопаток газовых турбин [Текст] / С.З. Копелев, М.Н. Галкин, А.А. Харин, И.В. Шевченко. -М.: Машиностроение, 1993. - 176 с.).

На фиг. 7 приведен график распределения осредненного в канале числа Нуссельта Nucp модели M1, соответствующей конструкции каналов лопатки - прототипа, и модели М2, соответствующей каналам лопатки, согласно предлагаемому изобретению.

Испытания проводились для рабочего перепада давления Р/Po=1,8, где Р - давление воздуха на входе в модель, Po - давление на срезе щелевого канала выходной кромки 12.

Как видно, коэффициент теплоотдачи а на участке установки продольных канавок 13 в модели М2 увеличился на 36% по сравнению с моделью M1. Таким образом, достигнуто значительное увеличение интенсивности теплоотдачи и, соответственно, эффективности охлаждения на участке выходной кромки лопатки.

Использование изобретения позволяет повысить ресурс лопаток и, соответственно, газовой турбины в целом за счет повышения эффективности охлаждения выходной кромки.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо, выполненное в виде передней полости и задней полости, разделенных радиальной перегородкой, передний дефлектор, установленный в передней полости и закрепленный первыми поперечными ребрами на стенках полого пера со стороны спинки и корыта, задний дефлектор, установленный в задней полости и закрепленный вторыми поперечными ребрами на стенках полого пера со стороны спинки и корыта, щелевой канал выходной кромки, при этом в переднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения входной кромки и стенок передней полости, в заднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения стенок задней полости, в передней полости в стенках полого пера выполнены отверстия пленочного охлаждения, отличающаяся тем, что в щелевом канале выходной кромки по высоте стенок полого пера со стороны спинки и корыта выполнены продольные канавки постоянного поперечного сечения, имеющего форму кругового сегмента, глубиной Нк и шириной Вк, при этом в противолежащие со стороны спинки и корыта продольные канавки установлены ряды штырьков диаметром Dшт, причем штырьки размещены в шахматном порядке, отношение поперечного S1 и продольного S2 шага их установки к диаметру Dшт штырьков составляет 2,5, отношение глубины Нк продольных канавок к диаметру Dшт штырьков находится в диапазоне от 0,25 до 0,75, а отношение ширины Вк продольной канавки к диаметру Dшт штырьков находится в диапазоне от 1,5 до 2, при этом поперечные сечения продольных канавок, выполненных со стороны спинки, образованы окружностями, центры O1 которых лежат на осях штырьков, поперечные сечения продольных канавок, выполненных со стороны корыта, образованы окружностями, центры O2 которых лежат на нормали ко внутренней поверхности корыта.



 

Похожие патенты:

Турбинная лопатка содержит первую и вторую стеночные поверхности, соединительный канал и выступ. Первая стеночная поверхность обращена к охлаждающему каналу, по которому течет охлаждающий воздух.

Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения. Ротор ТНД двигателя содержит вал РНД с цапфой и рабочее колесо ТНД, включающее диск и лопаточный венец с системой рабочих лопаток.

Способ охлаждения ротора турбины высокого давления газотурбинного двигателя осуществляют путем того, что ротор охлаждают вторичным потоком воздуха из камеры сгорания газогенератора двигателя, имеющим температуру более низкую, чем температура первичного потока рабочего тела из жаровой трубы камеры сгорания.

Группа изобретений относится к авиадвигателестроению, а именно к конструкциям сопловых аппаратов ТВД и трактам воздушного охлаждения сопловых лопаток авиационных газотурбинных двигателей ГПА.

Элемент охлаждаемой лопатки турбомашины (1) содержит канал для охлаждающего воздуха (4), выполненный внутри лопатки в радиальном направлении вдоль входной кромки (5), соединенный входными диффузорными по направлению движения охлаждающего воздуха каналами (6) через раздаточный коллектор (7) с питающим каналом, а выходными каналами (8) с внешней поверхностью лопатки (2), при этом входные диффузорные (6) и выходные каналы (8) выполнены тангенциально относительно канала для охлаждающего воздуха (4), который снабжен транзитным трубопроводом (9), установленным внутри него эксцентрично, с переменным зазором относительно его внутренней стенки (10).

Направляющая лопатка содержит полку и перо, продолжающееся от указанной полки и соединенное с полкой посредством галтели. Инжекционная трубка вставляется в перо, ограничивая охлаждающий канал между инжекционной трубкой и боковыми стенками пера.

Лопатка турбины авиационного газотурбинного двигателя содержит контур охлаждения своего пера, в котором последовательно соединенные между собой полости выполнены так, что воздушный поток проходит радиально наружу вдоль стенки корытца внутри полостей корытца и радиально внутрь вдоль стенки спинки внутри полости спинки, отделенной от полостей корытца внутренней стенкой пера.

Узел турбины содержит полое перо, имеющее, по меньшей мере, основную полость, по меньшей мере, с трубой для охлаждения натеканием, с полкой и с камерой охлаждения. Труба является вставляемой в основную полость полого пера и используется для охлаждения натеканием, по меньшей мере, внутренней поверхности основной полости.

Лопатка газотурбинного двигателя содержит аэродинамический профиль, имеющий внешнюю и внутреннюю поверхности корыта и спинки лопатки, а также первое и второе ребра, проходящие между внутренней поверхностью корыта лопатки и внутренней поверхностью спинки лопатки.

Элемент турбомашины включает аэродинамический профиль с задней кромкой и полку. Полка включает область задней кромки для поддержания указанной задней кромки, переднюю краевую поверхность, заднюю краевую поверхность, две окружные фронтальные поверхности, паз для уплотнительной полосы и разгрузочную полость.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо с входной и выходной кромками, замковую часть и торцевую стенку. В полом пере установлена перегородка. Между стенкой входной кромки и перегородкой расположен канал охлаждения входной кромки, а между торцевой стенкой и перегородкой расположен осевой канал. В периферийной части выходной кромки расположен щелевой канал. В серединной части полого пера установлены первая, вторая и третья радиальные перегородки, которыми сформированы, соответственно, первый, второй и третий радиальные каналы. В третьей радиальной перегородке выполнены раздающие отверстия. За третьей радиальной перегородкой в щелевом канале выходной кромки установлена матрица компланарных каналов. В замковой части установлен жиклер. На стенках канала охлаждения входной кромки, осевого, первого, второго и третьего радиальных каналов установлены ребра-интенсификаторы. В канале охлаждения входной кромки установлена волнообразная перегородка с отверстиями. Отверстия в волнообразной перегородке выполнены непосредственно у внутренней поверхности стенки входной кромки. Шаг отверстий равен шагу волны волнообразной перегородки и составляет (1,5-2,2) h, где h - высота волны волнообразной перегородки на участке ее соединения с перегородкой. При этом отверстия расположены в сечениях минимального сужения первого и второго соседних каналов, образованных волнообразной перегородкой. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения входной кромки. 4 ил.

Тракт воздушного охлаждения сопловой лопатки выполнен трехканальным. Сопловая лопатка выполнена полой, с аэродинамическим профилем и наделена радиальной перегородкой, разделяющей внутренний объем пера на переднюю и заднюю полости, снабженные дефлекторами. Входной участок первого канала тракта включает полость большой полки, сообщенную с передней полостью и входной кромкой каждой лопатки блока для съема избыточной теплоты пера лопатки. Входной участок второго канала тракта сообщен через наружное кольцо с задней полостью лопатки с выходом нагретого теплосъемом воздуха в проточную часть ТВД. Входной участок третьего канала тракта охлаждения лопатки выполнен в виде общей щели в стенке малой полки блока, сообщенной с передней полостью каждой лопатки блока для съема избытков теплоты с передней части стенок спинки и корыта пера лопатки. Дефлектор передней полости выполнен в виде пластинки, открытой к входной кромке, наделенной семью рядами отверстий с осями, разнонаклоненными к потоку рабочего тела, и диагонально разделяет спинкой переднюю полость для встречного охлаждения стенок диагональных частей полости воздухом из первого и третьего каналов тракта. Спинка и корыто в передней полости наделены двумя и четырьмя рядами отверстий. Задняя полость лопатки снабжена дефлектором, наделенным перфорационными отверстиями до вихревой матрицы и предназначенным для охлаждения меньшей частью потока задней части лопатки и большей частью потока охлаждения ротора ТВД. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения лопаток и ресурса соплового аппарата ТВД. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо, выполненное в виде передней и задней полости, разделенных радиальной перегородкой. В передней полости установлен передний дефлектор, в задней полости - задний дефлектор. В переднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения входной кромки и стенок передней полости. В заднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения стенок задней полости. В передней полости 2 в стенках полого пера 1 выполнены отверстия пленочного охлаждения 11. В щелевом канале выходной кромки по высоте стенок полого пера со стороны спинки и корыта выполнены продольные канавки постоянного поперечного сечения, имеющего форму кругового сегмента, глубиной Нк и шириной Вк. В противолежащие со стороны спинки и корыта продольные канавки установлены в шахматном порядке ряды штырьков диаметром Dшт. Отношение поперечного S1 и продольного S2 шага их установки к диаметру Dшт штырьков составляет 2,5. Отношение глубины Нк продольных канавок к диаметру Dшт штырьков находится в диапазоне от 0,25 до 0,75, а отношение ширины Вк продольной канавки к диаметру Dшт штырьков находится в диапазоне от 1,5 до 2. При этом поперечные сечения продольных канавок со стороны спинки, образованы окружностями, центры O1 которых лежат на осях штырьков. Поперечные сечения продольных канавок со стороны корыта, образованы окружностями, центры O2 которых лежат на нормали ко внутренней поверхности корыта. Изобретение направлено на снижение температуры стенки лопатки путем интенсификации теплоотдачи в щелевом канале выходной кромки. 7 ил.

Наверх