Блок охлаждаемых лопаток турбины ГТД с охлаждаемой несимметричной торцевой полкой

Полезная модель относится к области турбостроения, в частности, к устройству турбины высокого давления газотурбинного двигателя, обеспечивающему охлаждение отдельных частей ее сопловых лопаток, и может быть использовано в транспортном и энергетическом машиностроении.
При проектировании перспективных турбин газотурбинных двигателей особенное внимание уделяется вопросам повышения эффективности их охлаждения и увеличения ресурса. Для повышения надежности лопаточных венцов, снижения их эксплуатационной повреждаемости применяется охлаждение перьевой части лопаток и охлаждение торцевых полок.
При организации системы охлаждения лопаток проектировщик сталкивается с проблемами необходимости повышения КПД, снижения расхода охладителя для уменьшения потерь на смешение и с необходимостью предотвращения прогара передней части торцевой полки, что в совокупности влияет на ресурс как лопаточного венца, так и турбины в целом.
Известны конструкции лопаток, в которых наряду с эффективным охлаждением пера лопатки применено и эффективное охлаждение торцевых полок.
Аналогом предполагаемой модели может служить блок сопловых лопаток, описанный на сайте (http://aeromodelbasic.blogspot.com/2012/01/turbine-coolingnozzle-guide-vane-and.html).
Данный блок лопаток ГТД с охлаждаемой торцевой полкой представляет собой пустотелые перьевые части лопаток, соединенные с торцевой полкой, имеющей внутренний ресивер для организации поступления охлаждающего воздуха. Блок характеризуется тем, что охладитель сперва поступает в ресивер под нижней торцевой полкой лопатки, откуда одна его часть попадает непосредственно в перо лопатки, другая, охладив передний край торцевой полки, выдувается в проточную часть.
Недостаток - аналог не предполагает интенсификации теплообмена, т.е. возможности хладоресурса охлаждающего воздуха используются не полностью.
В качестве прототипа предполагаемой полезной модели следует рассматривать сопловую лопатку для блока, представленного в работе Dailey G. Design and Calculation Issues. Aero-thermal Performance of Internal Cooling Systems in Turbomachinery. 2000. VKI. Belgium
Данная охлаждаемая лопатка также представляет собой пустотелое перо, соединенное с торцевой полкой, имеющей внутренний ресивер для организации поступления охлаждающего воздуха, также предполагает поступление охладителя в ресивер под лопаткой и последующую его подачу во внутренние полости пера. Для интенсификации теплообмена на внутренней поверхности ресивера (торцевой полки) установлены штырьки-турбулизаторы. При обтекании штырьков повышается степень турбулизации потока, а, значит, и повышается интенсивность теплообмена. После теплосъема с внутренней поверхности торцевой полки охладитель поступает во внутренние полости лопатки, охлаждает ее и выдуватся через отверстия в пере в проточную часть.
Недостатки - конструкция прототипа характеризуется тем, что охладитель, поступающий в перо лопатки, уже частично выработал свой хладоре-сурс при охлаждении торцевой полки с ее внутренней стороны. А для охлаждения передней части торцевой полки необходим дополнительный расход охлажающего воздуха. При этом распределение штырьков-турбулизаторов на внутренней поверхности торцевой полки прототипа выполнено равномерным, что не позволяет получить оптимальное поле температуры торцевой полки СА из-за неравномерного распределения коэффициентов теплоотдачи по торцевой полке. Вместе с тем, приведенные в качестве прототипа и аналога конструкции не позволяют получить более высокий уровень КПД, т.к. не содержат элементов и особенностей, снижающих негативное влияние вторичных течений в межлопаточном канале.
Целью разработки блока охлаждаемых сопловых лопаток с охлаждаемой несимметричной торцевой полкой является необходимость интенсификации охлаждения торцевой полки, организации пленочного охлаждения ее внешней (со стороны горячего газа) поверхности и применение для охлаждения воздуха с высоким хладоресурсом при снижении расхода охладителя и повышении КПД.
Технический результат при этом выражается в повышении ресурса, КПД, эффективности охлаждения, как пера лопатки, так и торцевой полки, без увеличения расхода охладителя.
Технический результат достигается тем, что в блоке охлаждаемых лопаток турбины ГТД с охлаждаемой несимметричной торцевой полкой, в котором каждая лопатка представляет собой пустотелое перо с тремя внутренними контурами, соединенное с ресивером торцевой полки для организации поступления охлаждающего воздуха, с внутренней стороны ресивера располагаются штырьки-турбулизаторы для интенсификации теплообмена, а в торцевой полке выполнены отверстия для выдува охладителя и организации заградительного (пленочного) охлаждения.
Для устранения указанных недостатков предлагается полезная модель блока охлаждаемых сопловых лопаток, каждая лопатка в составе которого имеет следующие особенности конструкции.
Схема предполагаемой полезной модели показана на фигуре.
Лопатка содержит полое перо 1 и две торцевые полки 2 (верхнюю и нижнюю) с несимметричными (имеющими впадины 3 и выпуклости 4) наружными (со стороны горячего газа) поверхностями. Внутренний объем полого пера разделен на три контура - передний 5, средний 6 и задний 7 - что позволяет более эффективно охлаждать более горячую переднюю кромку, применяя для ее охлаждения отдельную ветвь потока охладителя. В переднем контуре охлаждения пера расположена пластина с отверстиями для душирования стенок, а во втором контуре - дефлектор.
С внутренней поверхности обеих торцевых полок находятся ресиверы для подачи охлаждающего воздуха, также разделенные на 3 контура - для подачи воздуха в отдельные контуры пера. Охладитель для переднего контура пера и торцевой полки поступает из одного ресивера 8, а затем выдувается в выполненные в пере и полке ряды отверстий. Из контура ресивера 9 воздух подается в средний канал, а из контура ресивера 10 - в задний. Для интенсификации теплообмена на внутренних поверхностях ресивера установлены штырьки-турбулизаторы 11, которые расположены преимущественно под выпуклыми участками поверхности торцевой полки.
При применении предлагаемой конструкции блока сопловых лопаток:
1) охладитель, попадая в ресивер под торцевой полкой, турбулизируется за счет штырьков-турбулизаторов и выдувается на наружную поверхность торцевой полки в передней части, дополнительно создавая защитную пленку - т.е. т.о. реализуется заградительное охлаждение;
2) часть охладителя, не выработав хладоресурс, поступает непосредственно в перо лопатки, эффективно охлаждая его входную кромку и среднюю часть пера; При этом снижается расход охладителя, а, значит, и потери на смешение, в результате его растет КПД решетки
3) с учетом несимметричности поверхности торцевой полки повышается эффективность работы СА за счет снижения интенсивности вторичных течений, т.е. увеличивается КПД;
4) неравномерное по поверхности торцевой полки распределение штырьков-турбулизаторов позволяет получить равномерное распределение температуры поверхности торцевой полки, предотвратить прогары, снизить термические напряжения, т.о. повышая ресурс лопатки.
Преимущество предполагаемой полезной модели заключается в том, что на охлаждение пера лопатки поступает воздух, не выработавший свой хладоресурс, торцевая полка получает не только интенсификацию охлаждения с внутренней стороны, но и пленочное охлаждение с наружной поверхности, а охлаждение всей лопатки в целом не нуждается в увеличении расхода охлаждающего воздуха, а, значит, и не ведет к росту потерь на смешение потоков и позволяет получить высокий КПД турбины.