БЛОК СОПЛОВЫХ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК 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.
В последние годы при проектировании турбин газотурбинных двигателей особенное внимание уделяется вопросам повышения их надежности и эффективности. Для повышения надежности лопаточных венцов применяется охлаждение не только пера лопаток, но и торцевых полок. Для повышения КПД лопаточных венцов применяются несимметричные поверхности торцевых полок межлопаточных каналов, способствующие снижению уровня интенсивности вторичных течений в межлопаточном канале.
Известен сопловой аппарат турбины газотурбинного двигателя (патент RU №163785, F01D 9/04, 10.08.2016 г.), включающий в себя блок турбинных лопаток и охлаждаемые нижние торцевые полки. В торцевых полках выполнены перфорации для выдува охладителя с целью организации завесного охлаждения торцевой полки. Для интенсификации охлаждения в этой полезной модели применены разделительные перегородки с системой каналов. Охладитель продувается через полость разделительной перегородки к полости под нижней полкой, пройдя систему каналов, в которой выводится в проточную часть через перфорацию в нижней полке.
Недостатки:
1) Данная конструкция, во-первых, приводит к снижению полного напора охладителя, т.к. примененные для интенсификации теплообмена разделительные перегородки обладают большим гидродинамическим сопротивлением.
2) Во-вторых, данная конструкция не позволяет минимизировать вторичные течения, распространяющиеся в межлопаточном канале и вызывающие резкое снижение КПД лопаточного венца.
Прототипом предлагаемой полезной модели может служить блок турбинных лопаток с несимметричной торцевой полкой, описанный в работе Klinger, Holger THE ENGINE 3E CORE ENGINE/ HolgerKlinger, WaldemarLazik, ThomasWunderlich // ASME GT, 2008 - 50679.
http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/proceeding.aspx?articleid =1623171;
https://www.researchgate.net/publication/266214299_The_Engine_3E_Core_Engine.
Для нивелирования негативного влияния вторичных течений торцевая полка выполнена несимметричной, т.е. имеющей сложную, неодинаковую по отношению к средней линии канала, форму. Потери в решетке во многом зависят от формы торцевых поверхностей - снижается составляющая вторичных потерь за счет снижения степени взаимодействия канальных вихрей с торцевой поверхностью.
Вместе с тем, эта конструкция не обеспечивает эффективное охлаждение торцевой полки, а у современных высокотемпературных турбин по большей части температура материала лопаток и торцевых полок определяет ее ресурс.
Недостатком прототипа является невозможность осуществления эффективного охлаждения торцевой полки, которая при воздействии вторичных течений подвергается сильному нагреву, особенно сильно растет температура выпуклых частей поверхности. Неуклонный рост температуры рабочего тела турбин ставит проблему эффективного охлаждения на первый план по степени важности - именно от снижения температуры элементов блока лопаток зависит его надежность.
Таким образом, существующие конструкции симметричных и несимметричных торцевых полок блоков турбинных лопаток не могут обеспечить необходимый уровень надежности из-за недостаточного охлаждения и негативного влияния вторичных течений. Охладитель подается в ресиверы под торцевыми полками, осуществляя теплосъем лишь с внутренней поверхности полки. Для устранения вышеуказанных недостатков предлагается блок сопловых турбинных лопаток с охлаждаемой несимметричной торцевой полкой, у которого для выдува охладителя для организации завесного охлаждения организуются перфорации в торцевой полке в области вогнутых частей поверхности, а для интенсификации теплообмена на выпуклых частях поверхности на внутренней поверхности полки в зонах между рядами перфораций установлены ребра.
Преимущество предполагаемой полезной модели заключается достижении более высокой степени охлаждения торцевой полки, более высокого снижения ее температуры при уменьшении расхода охладителя, а значит, и повышении надежности всего блока лопаток в целом.
Целью разработки блока сопловых турбинных лопаток с несимметричной торцевой полкой, выдувом охладителя через ряды перфораций и оребрением внутренней поверхности полки в области бугров является достижение более низких температур материала торцевой полки, следствием чего будет ощутимое увеличение надежности блока лопаток и увеличение ресурса.
Технический результат предлагаемой полезной модели выражается в достижении наиболее низких температур материала торцевой полки, а также в увеличении надежности блока лопаток и увеличении ресурса.
Технический результат достигается тем, что в блоке сопловых турбинных лопаток с охлаждаемой несимметричной торцевой полкой, содержащий несимметричную торцевую полку, при этом в торцевой полке в области вогнутых частей ее поверхности выполнены ряды перфораций для выдува охладителя для завесного охлаждения наружной поверхности полки, а для интенсификации теплообмена на внутренней поверхности полки в зонах между рядами перфорации установлены ребра.
Схема предлагаемой полезной модели представлена на фигуре.
Блок содержит лопатки (1) и торцевую полку (2) с ресивером (3), поверхность которой выполнена несимметричной, т.е. содержащей выпуклые (4) и вогнутые части (5). В вогнутых частях поверхности организованы ряды перфораций (6) для выдува охладителя. На внутренней поверхности полки в области выпуклых частей поверхности установлены ребра (7) для интенсификации теплообмена.
Принцип работы предлагаемой полезной модели заключается в следующем. В ресивер (3), расположенный под несимметричной торцевой полкой (2), подается охлаждающий воздух, который выдувается на наружную поверхность торцевой полки через ряды перфораций (6), организуя завесу на полке. Выпуклые и вогнутые части наружной поверхности полки формируют равномерную структуру потока, обтекающего полку, тем самым повышая КПД венца из таких блоков лопаток.
Оребрение внутренней поверхности торцевой полки увеличивает площадь теплообмена и позволяет получить более высокий теплосъем.
При разработке предлагаемой полезной модели учтены результаты проведенного авторами численного исследования охлаждения несимметричной полки с выдувом охладителя через ряды перфораций. Выдув охладителя в перфорации в области выпуклых частей поверхности позволяет на 20-40% снизить температуру полки.
Таким образом, охлаждающий воздух, протекающий в ресивере с оребренной поверхностью, позволяет получить более высокую эффективность охлаждения полки без значительного снижения полного напора охладителя.