Охлаждаемая полая лопатка турбины

Полезная модель относится к авиадвигателестроению, а именно к охлаждаемым полым лопаткам турбины, и может найти применение при изготовлении высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей.
В высокотемпературных турбинах существует необходимость охлаждения периферийной части лопатки: реборды и торца. Это связано с высокой температурой газового потока, высокой интенсивностью течений в этой области, а также с трудностями создания эффективной системы охлаждения для этих мест.
Лопатки с проникающим охлаждением, или как их определяют двухсменные лопатки, имеют контуры охлаждения в стенках с питанием из центральной (раздаточной) полости с выпуском воздуха после его использования в охлаждающих контурах стенок через отверстия перфорации. Каналы охлаждающих контуров (щелевые каналы) ориентированы в пере лопатки по радиальному направлению. В щелевых каналах могут быть расположены при необходимости интенсификации теплообмена штыри, лунки или интенсификация может быть получена путем измельчения основного канала перегородками, расположенными вдоль оси канала или под углом к ней. Центральную полость используют также как ресивер для питания каналов выходной кромки. Выпуск воздуха из канала входной кромки выполняется через отверстия перфорации и через отверстие в торце, а выходной кромки - через щель в ней или на корыто вблизи выходной кромки. При этом каналы контура охлаждения могут быть соединены последовательно.
Известна охлаждаемая лопатка турбины, содержащая хвостовик с каналами, сообщенными по крайней мере с одной магистралью подвода охлаждающего воздуха и перо, включающее входную и выходную кромки, соединенные корытом и спинкой, перекрытое в торце поперечной стенкой с выступающей над ней по обводу пера ребордой, и охлаждающие каналы, расположенные в радиальном направлении и содержащие выходные отверстия, выполненные в поперечной стенке (RU 100134, 2010 г.). В известном техническом решении охлаждающие каналы расположены попарно, причем оси соседних каналов пересекаются и направлены в сторону реборды, что создает струйный поток охлаждающего воздуха, направленного на охлаждение реборды. Кроме того, вблизи выходной кромки со стороны корыта реборда выполнена с разрывом. Это снижает эффективность охлаждения торца лопатки, поскольку давление газа со стороны корыта значительно выше давления со стороны спинки, что препятствует удалению воздуха в торце лопатки.
Известна охлаждаемая полая лопатка турбины, содержащая хвостовик с каналами, сообщенными по крайней мере с одной магистралью подвода охлаждающего воздуха и перо, включающее входную и выходную кромки, соединенные корытом и спинкой, перекрытое в торце поперечной стенкой с выступающей над ней по обводу пера ребордой, расположенные в радиальном направлении канал входной кромки, по крайней мере один центральный канал, и по крайней мере по одному щелевому каналу на спинке и корыте, причем центральный канал и щелевые каналы сообщены между собой и содержат выходные отверстия, выполненные в поперечной стенке (US 7699583, 2010 г.). В известном техническом решении движение охлаждающего воздуха по каналам в стенках лопатки формируется по многоходовой петлевой схеме, в результате чего повышается его температура, а удаление воздуха в торце лопатки осуществляется через канал, расположенный в выходной кромке.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемой полезной модели является техническое решение, где охлаждаемая полая лопатка турбины содержит хвостовик с каналами, сообщенными по крайней мере с одной магистралью подвода охлаждающего воздуха и перо, включающее входную и выходную кромки, соединенные корытом и спинкой, перекрытое в торце поперечной стенкой с выступающей над ней по обводу пера ребордой, расположенные в радиальном направлении канал входной кромки, по крайней мере один центральный канал, и по крайней мере по одному щелевому каналу на спинке и корыте, причем выходные отверстия канала входной кромки и центрального канала выполнены в поперечной стенке, а центральный и щелевые каналы сообщены между собой (RU 2296225, 2007 г.). В известном техническом решении щелевые каналы содержат перемычки, соединяющие боковые стенки пера лопатки, что создает струйный поток охлаждающего воздуха, направленного на охлаждение реборды. Центральный канал сообщен со щелевыми каналами в верхней части лопатки в районе торца лопатки, что обеспечивает охлаждение торца лопатки обратным током воздуха, нагретого при прохождении щелевых каналов. При этом реборда выполнена замкнутой по периметру, что препятствует удалению воздуха в торце лопатки.
Таким образом, общим недостатком указанных выше известных технических решений является недостаточная эффективность охлаждения торцевой части лопатки.
Техническая проблема, решаемая созданием заявляемой полезной модели, заключается в повышении эффективности охлаждения торца лопатки.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью, заключается в формировании сплошной воздушной завесы над торцом лопатки, которая обеспечивает заградительное охлаждение реборды и торца лопатки.
Заявленный технический результат достигается тем, что в охлаждаемой полой лопатке турбины, содержащей хвостовик с каналами, сообщенными по крайней мере с одной магистралью подвода охлаждающего воздуха и перо, включающее входную и выходную кромки, соединенные корытом и спинкой, перекрытое в торце поперечной стенкой с выступающей над ней по обводу пера ребордой, расположенные в радиальном направлении канал входной кромки, по крайней мере один центральный канал, и по крайней мере по одному щелевому каналу, выполненному соответственно со стороны спинки и корыта, причем выходные отверстия канала входной кромки и центрального канала выполнены в поперечной стенке, а центральный и щелевые каналы сообщены между собой, центральный канал, канал входной кромки и щелевые каналы сообщены с соответствующими каналами хвостовика, причем щелевые каналы выполнены сквозными и обводы их внешней стороны выполнены вблизи обвода внутренней стороны реборды, а реборда со стороны спинки выполнена с разрывом вблизи выходной кромки.
Совокупность существенных признаков достаточна для решения указанной технической проблемы и достижения заявленного технического результата.
Выполнение центрального канала, канала входной кромки и щелевых каналов сообщенными с соответствующими каналами хвостовика обеспечивает формирование сплошной воздушной завесы над торцом лопатки.
Выполнение щелевых каналов сквозными, а обводов их внешней стороны вблизи обвода внутренней стороны реборды обеспечивает организацию высокоскоростного потока охлаждающего воздуха, что приводит к формированию заградительного охлаждения реборды и торца лопатки.
Выполнение реборды со стороны спинки с разрывом вблизи выходной кромки обеспечивает перепад давления между спинкой и корытом пера лопатки, что поддерживает высокоскоростной поток охлаждающего воздуха, что в свою очередь приводит к формированию заградительного охлаждения реборды и торца лопатки.
Предложенное техническое решение поясняется последующим подробным описанием конструкции разрезного пустотелого диска и его работы со ссылкой на фиг. 1-4, где:
- на фиг. 1 изображено продольное сечение полой лопатки;
- на фиг. 2 изображено поперечное сечение полой лопатки;
- на фиг. 3 изображено среднее сечение пера лопатки;
- на фиг. 4 изображен торец лопатки.
На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - хвостовик;
2 - каналы хвостовика;
3 - перо лопатки;
4 - входная кромка лопатки;
5 - выходная кромка лопатки;
6 - корыто;
7 - спинка;
8 - поперечная стенка;
9 - реборда;
10 - канал входной кромки;
11 - центральный канал;
12 - щелевые каналы;
13 - выходные отверстия центрального канала;
14 - выходное отверстие канала входной кромки;
15 - выходные отверстия щелевых каналов;
16 - входные отверстия щелевых каналов;
17 - перфорация канала входной кромки;
18 - перфорация центрального канала;
19 - выпускной канал выходной кромки;
20 - перфорация щелевых каналов.
Охлаждаемая полая лопатка турбины содержит хвостовик 1 с каналами 2, сообщенными по крайней мере с одной магистралью (на чертеже не показана) подвода охлаждающего воздуха, и перо 3 (см. фиг. 1, 2). Последнее включает соответственно входную и выходную кромки 4, 5 соединенные корытом 6 и спинкой 7 (см. фиг. 3). Перо 3 перекрыто в торце поперечной стенкой 8 с выступающей над ней по обводу пера 3 ребордой 9 с формированием торцевой части лопатки. В пере 3 выполнены в радиальном направлении канал 10 входной кромки 4, по крайней мере один центральный канал 11, и по крайней мере по одному щелевому каналу 12, выполненному соответственно со стороны корыта 6 и спинки 7. В поперечной стенке 8 выполнены выходные отверстия 13 центрального канала 11 и выходное отверстие 14 канала 10 входной кромки 4. Центральный канал 11 и щелевые каналы 12 сообщены между собой через входные отверстия 16 щелевых каналов 12, причем центральный канал 11, канал 10 входной кромки 4 и щелевые каналы 12 сообщены с соответствующими каналами 2 хвостовика 1. При этом щелевые каналы 12 выполнены сквозными с выходными отверстиями 15 (см. фиг. 4). Обводы внешней стороны щелевых каналов 12 выполнены вблизи с обводами внутренней стороны реборды 9, а последняя со стороны спинки 7 выполнена с разрывом, расположенным вблизи выходной кромки 5. Кроме того, для охлаждения внешней поверхности лопатки канал 10 входной кромки 4 и центральный канал 11 содержат соответственно перфорацию 17 и 18, а центральный канал 11 сообщен с выходной кромкой 5 при помощи выпускного канала 19.
Лопатка используется следующим образом.
Отбор воздуха для центрального канала 11 и щелевых каналов 12 осуществляется из соответствующих каналов 2 хвостовика 1, причем воздух для щелевых каналов 12 подается через входные отверстия 16. Необходимая интенсификация теплообмена в отдельных частях центрального канала 11 может быть получена путем измельчения его перегородками, расположенными вдоль его оси или под углом к ней. Также можно использовать перфорацию 18. При этом центральный канал 11 используется как ресивер для питания канала 10 входной кромки 4 и выпускного канала 19 выходной кромки 5. Выпуск воздуха из канала 10 входной кромки 4 осуществляется через выходное отверстие 14, а из выходной кромки 5 - через выпускной канал 19. В щелевых каналах 12 при необходимости также можно использовать интенсификаторы теплообмена типа штырей, лунок или измельчения размеров канала, а также использовать перфорацию 20 для охлаждения поверхности лопатки. В канале 10 входной кромки 4 при необходимости могут быть расположены ряды отверстий перфорации 17 или интенсификаторы охлаждения в виде штырей и полуребер. Наличие выходных отверстий 15 щелевых каналов 12, расположенных вдоль реборды 9, создают завесу в передней части поперечной стенки 8 лопатки. При этом вся поперечная стенка 8 лопатки оказывается в воздушном кольце, что позволяет отсечь большую его часть от прямого воздействия газа и снизить перетекание его через зазор над ней. На переднюю часть поперечной стенки 8 лопатки воздействует смесь воздуха с газом. При этом отсутствие реборды 9 на спинке 7 вблизи выходной кромки 5 позволяет улучшить защиту выходной части поперечной стенки 8 и реборды 9 за счет перепада давлений между спинкой 7 и корытом 6, что способствует процессу протекания по поверхности поперечной стенки 8 смеси воздуха с газом, образовавшейся над передней частью поперечной стенки 8.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить эффективность охлаждения торца лопатки за счет формирования сплошной воздушной завесы над торцом лопатки, которая обеспечивает заградительное охлаждение реборды и торца лопатки.