Охлаждаемая лопатка газовой турбины

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.

 

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

Известны охлаждаемые лопатки газовых турбин с тонкостенным полым пером, через которое организуют пропускание охлаждающего воздуха для обеспечения конвективного теплообмена. Такие лопатки имеют наиболее широкое распространение из-за простоты достижения охлаждающего эффекта. Однако они могут применяться для работы в диапазоне температур газа на входе в газовую турбину, не превышающем 1500-1800 К. В области более высоких температур необходимо использовать дополнительные средства, обеспечивающие интенсификацию теплообмена при относительно небольшом расходе охлаждающей среды, особенно для участка входной кромки.

Известна лопатка газовой турбины с петлевой системой охлаждения (патент US №7967563, МПК F01D 5/08, публ. 28.06.2011), содержащая полое перо с входной и выходной кромками, перегородки, формирующие три радиальных канала, которые расположены вдоль входной кромки, в серединной части пера и вдоль выходной кромки. На стенках радиальных каналов выполнены наклонные ребра для интенсификации теплоотдачи к охлаждающему воздуху. Воздух в соседних радиальных каналах течет в противоположных направлениях. В выходной кромке выполнены щелевые каналы для выпуска воздуха в проточную часть турбины.

Недостатком данного технического решения является низкая эффективность охлаждения участка входной кромки, что обусловлено небольшим перепадом давления в канале расположенном вдоль входной кромки и, соответственно, низкой скоростью течения охладителя.

Известна другая лопатка с внутренними каналами охлаждения (патент US №7988419, МПК F01D 5/08, публ. 02.08.2011), содержащая входную и выходную кромки, радиальный канал, расположенный вдоль входной кромки для ее охлаждения. Перо разделено поперечным ребром на верхнюю и нижнюю полости. В верхней полости установлено продольное ребро, формирующее два радиальных канала, в которые воздух последовательно поступает из канала входной кромки. В нижней полости установлены три ребра, которые формируют четыре канала для петлевого течения охлаждающего воздуха. На стенках всех каналов охлаждения выполнены наклонные ребра для интенсификации теплоотдачи к охлаждающему воздуху. В выходной кромке лопатки выполнены щелевые каналы для выпуска воздуха в проточную часть турбины.

Основным недостатком данного технического решения является низкая эффективность охлаждения входной кромки, обусловленная интенсификацией теплоотдачи только за счет турбулизации потока наклонными ребрами, а также уменьшением эффективности охлаждения по его длине канала из-за увеличения температуры охладителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является охлаждаемая лопатка газовой турбины (патент US №8083486, МПК F01D 5/08, публ. 27.12.2011), содержащая полое перо с входной и выходной кромками и продольными перегородками, образующими радиальные каналы охлаждения вдоль входной кромки и на серединном участке пера, на стенках которых со стороны спинки и корыта установлены наклонные ребра для интенсификации теплоотдачи, вдоль торцевой стенки пера установлено поперечное ребро, формирующее осевой канал, соединяющий радиальный канал, расположенный вдоль входной кромки с проточной частью турбины для выпуска охлаждающего воздуха.

Недостатком настоящего технического решения является монотонное снижение эффективности охлаждения входной кромки, что не соответствует внешней тепловой нагрузке. В соответствии с радиальной эпюрой температур газового потока максимальная температура газа расположена на участке 2/3 высоты пера. Использование только наклонных ребер не позволяет увеличить эффективность охлаждения на наиболее теплонапряженных участках входной кромки - корневых и средних сечениях.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности охлаждения входной кромки путем дополнительной интенсификации охлаждения в радиальном канале входной кромки.

Технический результат заключается в повышении ресурса рабочих лопаток и, соответственно, газовой турбины в целом.

Это достигается тем, что охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо с входной и выходной кромками, замковую часть и торцевую стенку, при этом 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, снабжена волнообразной перегородкой с отверстиями, установленной в канале охлаждения входной кромки так, что он разделен волнообразной перегородкой на первый и второй соседние каналы с переменной площадью поперечного сечения по их длине, при этом отверстия в волнообразной перегородке выполнены непосредственно у внутренней поверхности стенки входной кромки, шаг этих 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 волнообразной перегородкой.

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 газовой турбины; на фиг. 3 показана волнообразная перегородка в канале охлаждения входной кромки; на фиг. 4 представлен график распределения отношения плотности теплового потока по длине радиального канала входной кромки предлагаемой конструкции к плотности теплового потока в канале устройства по прототипу.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо 1 с входной 2 и выходной 3 кромками, замковую часть 4 и торцевую стенку 5. В полом пере 1 установлена перегородка 6. Между стенкой входной кромки 2 и перегородкой 6 расположен канал охлаждения входной кромки 7, а между торцевой стенкой 5 и перегородкой 6 расположен осевой канал 8. В периферийной части выходной кромки 3 расположен щелевой канал 9. В серединной части полого пера 1 установлены первая 10, вторая 11 и третья 12 радиальные перегородки, которыми сформированы, соответственно, первый 13, второй 14 и третий 15 радиальные каналы.

В третьей радиальной перегородке 12 выполнены раздающие отверстия 16. За третьей радиальной перегородкой 12 в щелевом канале 9 выходной кромки 3 установлена матрица компланарных каналов 17. В замковой части 4 установлен жиклер 18 для дополнительной подачи охлаждающего воздуха в корневые сечения третьего радиального канала 15. На стенках канала охлаждения входной кромки 7, осевого 8, первого 13, второго 14 и третьего 15 радиальных каналов установлены ребра-интенсификаторы 19. В канале охлаждения входной кромки 7 установлена волнообразная перегородка 20 с отверстиями 21. Канал охлаждения входной кромки 7 разделен волнообразной перегородкой 20 на первый 22 и второй 23 соседние каналы с переменной площадью поперечного сечения по их длине.

Отверстия 21 в волнообразной перегородке 20 выполнены непосредственно у внутренней поверхности стенки входной кромки 2. Шаг отверстий 21 равен шагу волны волнообразной перегородки 20 и составляет (1,5-2,2)h, где h - высота волны волнообразной перегородки 20 на участке ее соединения с перегородкой 6. При этом отверстия 21 расположены в сечениях минимального сужения первого 22 и второго 23 соседних каналов волнообразной перегородкой 20.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины работает следующим образом.

Охлаждающий воздух поступает в канал охлаждения входной кромки 7, а также в первый 13 и второй 14 радиальные каналы через замковую часть 4. Воздух движется по каналу охлаждения входной кромки 7 и волнообразной перегородкой 20 разделяется на два потока, которые движутся по первому 22 и второму 23 соседним каналам.

Периодическое сужение одного из соседних каналов 22 или 23 с одновременным расширением другого волнообразной перегородкой 20 формирует перетекание охлаждающего воздуха через отверстия 21 из первого соседнего канала 22 на участке его сужения во второй соседний канал 23, и из второго соседнего канала 23 на участке его сужения в первый соседний канал 22. Такое перетекание воздуха через отверстия 21 обеспечивает закручивание потока поток непосредственно у стенки входной кромки 2. Струйная турбулизация потока отверстиями 21 позволяет существенно увеличить интенсивность теплоотдачи к охлаждающему воздуху на участке установки волнообразной перегородки 20 и, соответственно повысить эффективность охлаждения. Шаг отверстий 21, равный (1,5-2,2)h, где h - высота волны волнообразной перегородки 20 на участке ее соединения с перегородкой 6, обеспечивает непрерывную интенсификацию теплоотдачи по длине входной кромки 2. Далее, охладив входную кромку 2, воздух из канала охлаждения входной кромки 7 поворачивает на 90° в осевой канал 8, охлаждает его стенки и вытекает через щелевой канал 9 в проточную часть турбины.

Воздух, который течет по первому 13 и второму 14 радиальным каналам, охладив среднюю часть пера 1 поворачивает на 180 градусов в третий радиальный канал 15. В третьем радиальном канале 15 реализуется центростремительное течение охладителя с дозированной его раздачей через раздающие отверстия 16 в компланарные каналы 17. В третий радиальный канал 15 в замковой части 4 подмешивается холодный воздух, поступающий через жиклер 18.

Для подтверждения достижения поставленной цели, с использованием технологии селективного лазерного плавления, были изготовлены две модели радиального канала охлаждения входной кромки исходной конструкции: M1 - канал постоянного сечения с ребрами на стенках; М2 -канал такого же поперечного сечения, с ребрами на стенках и волнообразной перегородкой (как показано на фиг. 3). Ширина отверстий 2 мм, шаг отверстий 6 мм. 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 / С.З. Копелев, М.Н. Галкин, А.А. Харин, И.В. Шевченко. - М.: Машиностроение, 1993. - 176 с.).

Испытания проводились для одинакового расхода воздуха 3,8⋅10-3 кг/с, температура воздуха на входе в модели 40°С. Волнообразная перегородка расположена на участке модели М2 с координатами X (20…60) мм (фиг. 4), Qм1 - плотность теплового потока по наружной поверхности модели M1 вдоль центральной линии входной кромки; Qм2 - плотность теплового потока по наружной поверхности модели M1 вдоль центральной линии входной кромки. Как видно, плотность теплового потока к модели М2 на участке установки волнового ребра выше чем у модели M1 в 1,6 раза. Полученные результаты подтверждают достижение заявленного технического результата при использовании предлагаемого технического решения.

Использование изобретения с предлагаемой конструкцией канала охлаждения входной кромки позволяет в 1,6 раза увеличить интенсивность теплоотдачи к охлаждающему воздуху и уменьшает температуру стенки входной кромки в зоне максимальной температуры газового потока. Это обеспечивает без изменения суммарного расхода воздуха через лопатку увеличение запасов длительной прочности и повышения ресурса работы лопатки и, соответственно, газовой турбины в целом.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо с входной и выходной кромками, замковую часть и торцевую стенку, при этом 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, отличающаяся тем, что она снабжена волнообразной перегородкой с отверстиями, установленной в канале охлаждения входной кромки так, что он разделен волнообразной перегородкой на первый и второй соседние каналы с переменной площадью поперечного сечения по их длине, при этом отверстия в волнообразной перегородке выполнены непосредственно у внутренней поверхности стенки входной кромки, шаг этих 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 волнообразной перегородкой.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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 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 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.

Наверх