ЭЛЕМЕНТ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ С ПЛЕНОЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Полезная модель относится к элементу газовой турбины с пленочным охлаждением, имеющему подвергаемую воздействию горячего газа поверхность, в которой выполнены отверстия для пленочного охлаждения.
Известны конструктивные методы совершенствования системы пленочного охлаждения рабочих лопаток турбин ВРД. Конструктивно пленочное охлаждение осуществляется вдувом холодного воздуха в пристенную область горячего потока газа через систему дискретных отверстий под разными углами. При вдуве под углом к защищаемой стенке даже относительно слабая струя охладителя уходит от стенки в сносящий ее горячий поток. При этом образующаяся в сечении струи вихревая пара (kidney shaped vortex) подкачивает газ из горячего потока в образующуюся у стенки под струей область разрежения. Это ослабляет изоляцию стенки от горячего потока защитной пеленой и способствует ее неравномерности в поперечном направлении. Борьба с неравномерностью пленочного охлаждения составляет цель конструктивных методов ее совершенствования. В значительной степени эти методы систематизированы в работе «Конструктивные методы совершенствования системы пленочного охлаждения рабочих лопаток турбин ВРД» (В.Г. Нестеренко, А.Л. Матушкин. Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск №39 - С. 1-19).
Они сводятся к оптимизации формы канала отверстия и его выхода на стенке (отверстия конические, веерные, консольные, в форме полумесяца, гантели, выдув охладителя в траншею, в кратеры, в полусферические углубления), оптимизации углов наклона каналов, взаимного расположения каналов отверстий (дополнительные боковые отверстия, парные отверстия) и так далее.
К недостаткам перечисленных конструктивных методов можно отнести трудоемкость реализации каналов отверстий сложной формы в относительно тонкой стенке (обычно толщина стенки составляет несколько диаметров отверстия). Кроме того, для обеспечения формирования достаточного пленочного охлаждения вниз по потоку приходится использовать многорядный вдув - располагать отверстия в несколько рядов друг за другом, что ослабляет конструкцию.
Прототипом предлагаемой полезной модели является устройство стенки газовой турбины ГТД с пленочным охлаждением, описанное в документе WO 2013/188645 (дата приоритета 12.06.2012 года). Здесь представлены, по крайней мере, одно отверстие или ряд из нескольких отверстий с наклонными цилиндрическими каналами для вдува охлаждающего воздуха для охлаждения стенки, омываемой горячим газом. От выхода отверстия на стенке, в боковых направлениях расходятся два канала. Эти каналы имеют практически одинаковую ширину и разделены гребнем, образующим форму поперечного сечения бумеранга. Полезное действие состоит в следующем: возникающие на расходящихся каналах (выемках) вихри противоположного направления вращения должны противодействовать вихревой паре в сечении струи и тем самым ослабить подкачивание горячего газа к стенке под струю, что способствует повышению эффективности пленочного охлаждения и его равномерности в поперечном направлении.
Недостатком этого устройства является малая протяженность положительного эффекта вниз по потоку от отверстий, так как ниже по потоку от области воздействия на струи охладителя неравномерность пелены восстанавливается. Кроме того, предлагаемое устройство, даже при расположении отверстий в ряд, не перекрывает область пленочного охлаждения в поперечном направлении по шагу отверстий.
Технический результат предполагаемой полезной модели выражается в уменьшении необходимого количества отверстий в трактовой поверхности, что в свою очередь уменьшает трудоемкость их изготовления и увеличении прочности основной конструкции, что позволит применить отверстия вдува большего диаметра, что благотворно скажется в отсутствии их засорения относительно применяемых сегодня многорядных схем из более мелких отверстий.
Технический результат достигается тем, что в элементе газовой турбины с пленочным охлаждением, имеющим подвергаемую воздействию горячего газа поверхность, в котором выполнены отверстия с наклонными цилиндрическими каналами для подачи охлаждающего воздуха, поверх отверстий на поверхности, омываемой горячим газом, выполнены сплошные зигзагообразные выемки, имеющие размеры по ширине равные одному, по длине зигзага от 3 до 5 диаметров отверстий и образующие углы 90 градусов, следом за первым рядом зигзагообразных выемок на расстоянии 5-10 диаметров отверстий вниз по потоку установлен следующий ряд зигзагообразных выемок того же размера, без отверстий; второй ряд параллельно смещен относительно первого ряда зигзагообразных выемок в поперечном направлении на половину шага отверстий в ряду.
Пленочное охлаждение - чрезвычайно распространенный способ тепловой защиты элементов поверхности, в частности сопловых лопаток современных высокотемпературных газовых турбин. Он позволяет конструктивно просто устранять локальные перегревы на поверхности, обтекаемой горячим газом, создавая на ней защитную пелену из относительно холодного воздуха, обладающую достаточным хладоресурсом.
Предполагаемая полезная модель поясняется фигурами где:
фиг. 1 элемент газовой турбины с пленочным охлаждением с зигзагообразной выемкой с отверстиями;
фиг. 2 элемент газовой турбины с пленочным охлаждением с зигзагообразной выемкой без отверстий, в том числе со смещением в поперечном направлении.
Конструкция представляет собой единую выемку зигзагообразной формы 2, примыкающую к выходам отверстий 1 на стене, омываемой горячим газом, как показано на Фиг. 1. На поверхности 1, омываемой горячим газом, выполнены расходящиеся в боковых направлениях каналы, образующие сплошные зигзагообразные выемки 2, имеющие размеры по ширине равные одному, по длине зигзага от 3 до 5 диаметров отверстий и образующие углы 90 градусов, следом за первым рядом зигзагообразных выемок на расстоянии 5-10 диаметров отверстий вниз по потоку установлен следующий ряд зигзагообразных выемок 3 того же размера, без отверстий. Второй ряд параллельно смещен относительно первого ряда зигзагообразных выемок в поперечном направлении на половину шага отверстий в ряду (Фиг. 2).
На выемке зигзагообразной формы происходит концентрация охладителя, из него формируются вихри, противодействующие парам вихрей в сечениях струй. При этом создается зона пониженного давления у стенки, которая не дает охлаждающему воздуху оторваться от трактовой поверхности, что приводит к более равномерному распределению охлаждающего воздуха по обтекаемой поверхности, создавая защитную пелену от потока горячего газа; для пролонгации полезного эффекта предлагается вторая единая зигзагообразная выемка 3 точно такая же, как и первая, только без отверстий для вдува, располагающаяся ниже по потоку. Это приводит к созданию дополнительной области пониженного давления для последующего привлечения к стенке потока охлаждающего воздуха, который с прохождением вдоль трактовой поверхности повторно пытается оторваться от экранируемой поверхности; далее по тракту при необходимости, возможно, повторять такую же схему (зигзагообразная выемка с отверстиями, зигзагообразная выемка без отверстий), в том числе со смещением в поперечном направлении.
Применение предлагаемой конструкции позволит сэкономить объем охлаждающего воздуха, уменьшит необходимое количество отверстий в трактовой поверхности, что в свою очередь уменьшит трудоемкость их изготовления и увеличит прочность основной конструкции, позволит применить отверстия вдува большего диаметра, что благотворно скажется в отсутствии их засорения относительно применяемых сегодня многорядных схем из более мелких отверстий.