ОХЛАЖДАЕМАЯ РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области авиастроения, в частности к производству высокотемпературных газовых турбин, и может быть использована в конструкции лопатки турбины компрессора.
Известна охлаждаемая лопатка газовой турбины [патент РФ №2251622, опубл. 10.10.2004], содержащая полое перо с тремя радиальными перегородками, передней, расположенной у входной кромки, разделительной, расположенной между передней и задней полостями пера, и задней. Между передней и разделительной перегородками на стенках пера выполнены наклонные ребра. В передней перегородке выполнены отверстия. В канале, расположенном вдоль входной кромки, на внутренней поверхности стенки со стороны корыта установлены поперечные ребра с шагом, равным шагу отверстий в передней перегородке. В каналах выходной кромки расположены четыре ряда цилиндрических штырей и поперечные ребра выходной кромки. Поперечные ребра выполнены с продолжением по цилиндрической поверхности входной кромки и имеют высоту не менее диаметра отверстий. Задняя перегородка выполнена в виде двух полуребер, установленных на стенках со стороны спинки и корыта и соединенных между собой цилиндрическими штырями. Изобретение повышает эффективность охлаждения входной кромки и выравнивает температурное поле в задней полости пера. Недостатком является сложная система ребер, отверстий и штырей, что делает конструкцию нетехнологичной при изготовлении малоразмерных лопаток.
Известна рабочая лопатка турбины, [патент РФ №2224894, опубл. 27.02.2004], включающая перо с входной и выходной кромками, с корытом и спинкой, с охлаждаемой внутренней полостью. Внутренняя полость пера соединена каналами с карманом, расположенным на выходной кромке пера со стороны корыта, причем отношение величины хорды профиля лопатки к ширине кармана вдоль средней линии профиля лопатки B/L=6-20.
Недостатком является конструкция внутренних каналов, которые являются концентраторами напряжений и повышают среднюю по площади температуру сечений на выходе.
Известна охлаждаемая лопатка турбомашины [патент РФ №2323343, опубл. 27.04.2008], выбранная в качестве прототипа. Лопатка содержит полое перо с последовательно соединенными каналом охлаждения входной кромки пера лопатки и центральным каналом, каналом сброса, сообщенным с выпускными отверстиями выходной кромки пера лопатки, хвостовик с полкой, которая снабжена выпускными отверстиями, а также канал подвода охлаждающей среды, соединенный с каналом охлаждения входной кромки пера лопатки. В хвостовике лопатки выполнена полость, которая сообщена с выходом центрального канала и с входом канала сброса, а также с выпускными отверстиями полки хвостовика лопатки. В описываемом примере конкретного выполнения охлаждаемой лопатки центральный канал, связывая выход канала охлаждения входной кромки пера лопатки с входом канала сброса, проходит по всей длине пера лопатки, что дает ему возможность выполнять не только функцию связующего звена между каналами, но и функцию охлаждающего канала. В одной из частных форм выполнения канал сброса может быть образован системой каналов охлаждения, входы которых объединены и образуют вход канала сброса, а выходы сообщены с входами выпускных отверстий выходной кромки пера лопатки. В качестве примера в описании приводится ссылка на фиг. 2 в патенте РФ №2146766.
Заявителю полезной модели известны и другие конструкции каналов охлаждения рабочей лопатки, в частности рабочей лопатки, применяемой в двигателе АИ-450-МС, разработанном ГП «Ивченко-Прогресс», которая является наиболее близкой по существенным признакам, но не описана в общедоступных источниках. Однако общим их недостатком является наличие перегородок между выпускными отверстиями выходной кромки профиля пера, которые по существу являются неохлаждаемыми элементами и повышают среднюю по площади температуру выходной кромки по сечениям. Кроме того, они являются концентраторами напряжений, уменьшают ресурс, а также являются нетехнологичными при изготовлении малоразмерных лопаток. Недостатком конструкции прототипа, на устранение которого направлена полезная модель, является сравнительно невысокая эффективность охлаждения выходной кромки лопатки.
Задачей полезной модели является усовершенствование конструкции малоразмерной охлаждаемой рабочей лопатки. Техническим результатом является повышение эффективности охлаждения выходной кромки лопатки и выравнивание температурного поля задней полости профиля пера. Кроме того, заявляемая конструкция является технологичной.
Задача решается тем, что в охлаждаемой рабочей лопатке газовой турбины, содержащей полое перо, в котором выполнены последовательно соединенные радиальные каналы: канал охлаждения входной кромки профиля пера лопатки, центральный канал, канал сброса, который сообщается с выпускным элементом выходной кромки, а также канал подвода охлаждающего воздуха, соединенный с каналом охлаждения входной кромки, согласно полезной модели, выпускной элемент выходной кромки пера лопатки выполнен в виде сплошной щели (прямоугольной щели), а профиль пера имеет скос со стороны корыта в районе выходной кромки на всей высоте профиля пера, внутренняя полость канала сброса снабжена ребрами и перемычками, при этом перемычки образуют щелевые каналы для направления воздуха в выпускную щель и расположены с наклоном, а верхняя и нижняя перемычки имеют профилированную форму, причем, три верхних перемычки неразрывно соединены с ребрами, а нижняя перемычка имеет разрыв с нижними ребрами.
В конкретном случае реализации полезной модели угол наклона перемычек выполнен 30°, но его величина может быть изменена в зависимости от изменения параметров потока для исключения радиального перетекания воздуха на выходе из щели из лопатки.
Профилированная форма верхней и нижней перемычек ориентирует проходящий поток в направлении выходной щели, для этого в конкретном варианте выполнения на их концах могут быть выполнены горизонтальные участки.
Отличительными признаками предлагаемой лопатки от прототипа является наличие единого сплошной щещи, скоса на корыте профиля пера лопатки в районе выходной кромки и ребер с перемычками, спрофилированными в канале сброса. Элемент для выпуска охлаждающего воздуха выполненный в виде сплошной щели без перегородок позволяет снизить напряжения и увеличить площадь выходного сечения, что при сохранении системы подвода охлаждающего воздуха увеличит его расход примерно на 0,3% Gк и снизит среднюю температуру по сечению на 25°С. Кроме того, щель является технологичным решением для использования в малоразмерных лопатках, где невозможно изготовить тонкую выходную кромку с равной длиной по спинке и корыту. Для выравнивания температурного поля в канале сброса выполнены ребра для интенсификации теплообмена, и перемычки, образующие щели для направления выхода потока в общую щель. Скос на корыте пера лопатки смещает «горло» лопаточного венца в сечение перед слотом для снижения давления газа у слота, что снижает сопротивление выходу охлаждающего воздуха при сохранении его газодинамических параметров на входе (в месте подвода). Таким образом, все отличительные признаки полезной модели в совокупности направлены на получение технического результата.
Суть полезной модели иллюстрируется следующими чертежами и изображениями:
фиг. 1 - вид профиля пера лопатки с открытой спинкой;
фиг. 2 - геометрия перемычек, канал сброса пера лопатки;
фиг. 3 - А-А, поперечный разрез лопатки;
фиг. 4 - вид Б, иллюстрирующий выполнение скоса на корыте лопатки;
фиг. 5 - общий вид рабочей лопатки, рентгенологическое изображение.
В конкретном варианте выполнения полезной модели лопатка содержит полое перо 1 (фиг. 1), в котором сформированы последовательно соединенные радиальные каналы с поворотом потока на 180°: канал 2 охлаждения входной кромки пера лопатки, центральный канал 3, канал сброса 4. Канал 2 соединен с каналом 12 подвода охлаждающего воздуха. Центральный канал 3 образован двумя радиальными перегородками - передней 11 и задней 10 (фиг. 3).
В полости канала сброса 4 расположены ребра 5 (фиг. 1, 2), выполненные на внутренних стенках спинки и корыта, и перемычки 6 - между стенками спинки и корыта. Перемычки 6 образуют щелевые каналы 9 для выхода воздуха в щель 7 на выходной кромке 8. Три верхние перемычки соединены с ребрами. Нижняя перемычка с нижними ребрами имеют разрыв в зоне перегиба для снижения концентрации напряжений. Перемычки 6 и ребра 5 выполнены со скругленными краями и с плавными переходами.
На чертеже (фиг. 2) показана общая образующая для 3-х перемычек, угол ее наклона к вертикальной оси Z лопатки - ϕ=7°. Перемычки 6 расположены с наклоном. Угол между ребрами и перемычками α=30° (фиг. 2).
Верхняя и нижняя перемычки имеют специально профилированную форму - наклонная перемычка заканчивается горизонтальным участком, расположенным параллельно горизонтальной оси лопатки для придания нужного направления потоку охлаждающего воздуха, выходящего из лопатки. Наглядно расположение ребер и перемычек можно увидеть на рентгенологическом изображении (фиг. 5).
На корыте в районе выходной кромки 8 выполнен скос 22 (фиг. 4), благодаря чему «горло» лопаточного венца перемещается в сечение перед щелью 7, что способствует снижению давления газа у щели и улучшает выведение охлаждающего воздуха при сохранении его газодинамических параметров в месте подвода.
Для фиксации лопатки в осевом направлении используется паз 18 (фиг 1).
На торце лопатки (фиг. 1, 4) имеется колодец 21, в который установлена крышка 15. В крышке 15 выполнено радиальное отверстие 20 для выброса пыли и мелких частиц. Для увеличения прочности хвостовика 14 рабочей лопатки в смежной полости центрального канала 3 и канала сброса 4 выполнено ребро 19.
Система охлаждения лопатки работает следующим образом. Воздух через прямоугольный паз 17 (фиг. 1) в дроссельной накладке 16 поступает в канал 12 подвода охлаждающего воздуха и затем в канал 2 охлаждения входной кромки 13. После поворота на 180 градусов воздух попадает в центральный канал 3 и затем после второго поворота на 180° градусов попадает в канал 4 сброса. Из канала 4 воздух через выпускные щелевые каналы 9, образованные перемычками 6, выбрасывается через щель 7 на выходной кромке 8 в проточную часть турбины.
Ребра 5 турбулизируют поток воздуха, увеличивая интенсивность охлаждения лопатки в задней части профиля пера 1. Наклонные поперечные перемычки 6 обеспечивают течение воздуха параллельно оси лопатки, исключая его радиальное перетекание.
По полученным расчетным данным предложенная конструкция позволяет повысить эффективность охлаждения задней полости профиля пера рабочих лопаток на 20%.