Охлаждаемая лопатка турбины

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, турбостроения и может найти применение при изготовлении высокотемпературных газовых турбин.
Форсирование удельных параметров турбин авиационных газотурбинных двигателей и стационарных установок идет, главным образом, по пути повышения температуры и давления газа на входе в ступень турбины, что создает определенные проблемы в части работоспособности лопаток турбин. Эта тенденция пока опережает создание новых жаропрочных материалов, что вызывает повышенные требования к системе охлаждения (СО) турбинных лопаток и, как следствие - дальнейшее усложнение СО. В современных охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин широко используются СО, где рабочим телом служит воздух, отбираемый из-за компрессора и поступающий в систему каналов различной конфигурации, расположенных в пере лопатки. Наиболее теплонагруженными элементами пера лопатки являются входная и выходная кромки, где коэффициент теплоотдачи от газа в 2-3 раза больше, чем на средней части профиля и поэтому на организацию их охлаждения направлено повышенное внимание проектировщиков. Особенно проблематична организация охлаждения выходной кромки, т.к. геометрические особенности (малая площадь проходных сечений охлаждающих каналов) ограничивают возможности конвективного охлаждения, а пленочное охлаждение нежелательно, т.к. выпуск охладителя за «горлом» проходного сечения снижает к.п.д турбины. Эффективность охлаждения определяется скоростью потока охладителя, его турбулизацией, размерами теплообменной поверхности. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что вихревое течение потока увеличивает теплообмен.
Известна охлаждаемая лопатка турбины, содержащая хвостовик для крепления и полое перо с внутренним контуром охлаждения, расположенные со стороны хвостовика каналы для входа воздуха, каналы для выхода воздуха с отверстиями, выполненными в области выходной кромки пера и внутренние промежуточные каналы, сообщенные с каналами входа и выхода воздуха и расположенными в направлении от входной кромки пера к выходной кромке последнего (авт. св-во СССР №779590, кл. F01D 5/18, 1980 г.). В известном техническом решении промежуточные каналы выполнены зигзагообразными в поперечном направлении с образованием зон пересечения, сообщенных между собой, что позволяет увеличить поверхность теплоообмена между охладителем и лопаткой и создать дополнительную турбулизацию за счет взаимодействия потоков. Недостатком известного технического решения является торможение потока в зонах пересечения зигзагообразных каналов, что приводит к уменьшению скорости потока охлаждающего воздуха и снижению эффективности охлаждения выходной кромки пера лопатки.
Известна охлаждаемая лопатка турбины, содержащая хвостовик для крепления лопатки и полое перо с внутренним контуром охлаждения, включающим каналы для входа воздуха, расположенные со стороны хвостовика, каналы для выхода воздуха с отверстиями, выполненными в области выходной кромки пера, внутренние промежуточные каналы, сообщенные с каналами входа и выхода воздуха и расположенные в промежуточных каналах осевые завихрители (авт. св-во СССР №902541, кл. F01D 5/18, 1995 г.). В известном техническом решении внутренний контур охлаждения образован профилированной пустотелой вставкой с каналами для подвода охлаждающего воздуха, а промежуточные каналы образованы установленными над вставкой дугообразными ребрами с размещенными между ними турбулизаторами потока. Недостатком известного технического решения является сложность конструкции внутреннего контура охлаждения.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемой полезной модели является охлаждаемая лопатка турбины, состоящая из хвостовика для крепления лопатки и полого пера с внутренним контуром охлаждения, включающим каналы для входа воздуха, расположенные со стороны хвостовика, каналы для выхода воздуха с отверстиями, выполненными в области выходной кромки пера, и внутренние промежуточные каналы, сообщенные с каналами входа и выхода воздуха, выполненные в виде осевых завихрителей (патент РФ №2146766, кл. F01D 5/18, 2000 г.). В известном техническом решении промежуточные каналы образованы деталью с винтовой поверхностью и осевыми завихрителями, выполненными в виде выступов, расположенных на детали с винтовой направляющей поверхностью. В случае необходимости регулирования величины коэффициента теплообмена деталь с винтовой поверхностью может иметь переменное поперечное сечение, а также она может быть размещена в различных местах полости пера лопатки. Недостатком известного технического решения является расположение детали с винтовой направляющей в направлении от хвостовика лопатки к ее головке, поскольку в результате поворота охлаждающего потока воздуха в направлении каналов выхода снижается тубулизация потока воздуха, что приводит к торможению потока в зоне изменения направления движения потока и уменьшению скорости последнего. Таким образом, недостатком известного технического решения также является низкая эффективность охлаждения выходной кромки пера лопатки.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью заключается в необходимости эффективности охлаждения выходной кромки пера лопатки.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого технического решения, заключается в повышении коэффициента теплоотдачи от стенок выходной кромки лопатки за счет интенсификации вихревого течения, обеспечивающего воздействие на пограничный слой потока центробежными силами в выходных каналах внутреннего контура охлаждения.
Результат, обеспечиваемый заявленной полезной моделью, достигается тем, что охлаждаемая лопатка турбины состоит из хвостовика для крепления лопатки и полого пера с внутренним контуром охлаждения, включающего каналы для входа воздуха, расположенные со стороны хвостовика, каналы для выхода воздуха с отверстиями, выполненными в области выходной кромки пера, и внутренние промежуточные каналы, сообщенные с каналами входа и выхода воздуха, выполненные в виде осевых завихрителей. Согласно полезной модели осевые завихрители сформированы выступами, образующими винтовую поверхность, расположены в направлении от входной кромки пера к выходной кромке последнего и выполнены сужающимися по направлению к выходной кромке пера, причем соседние осевые завихрители выполнены с противоположным направлением закрутки.
Совокупность существенных признаков достаточна для решения указанной технической проблемы, поскольку формирование осевых завихрителей при помощи выступов, образующих винтовую поверхность, расположенных в направлении от входной кромки пера к выходной кромке последнего и выполненных сужающимися по направлению к выходной кромке пера, причем с противоположным направлением закрутки соседних осевых завихрителей, обеспечивает создание и интенсификацию вихревого течения и воздействие на пограничный слой потока центробежных сил в каналах внутреннего контура охлаждения.
Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на чертежах, где:
- на фиг. 1 изображена схема охлаждаемой лопатки;
- на фиг. 2 охлаждаемая лопатка (изометрия) с входными каналами;
- на фиг. 3 охлаждаемая лопатка (изометрия) с выходными каналами;
- на фиг. 4 изображена схема движения вихревого потока воздуха в поперечном сечении выходной кромки лопатки;
- на фиг. 5 изображена схема выполнения системы завихрителей.
Охлаждаемая лопатка турбины выполнена следующим образом. Лопатка состоит из хвостовика 1 и полого пера 2 с внутренним контуром охлаждения. Последний выполнен в виде каналов 3, расположенных со стороны хвостовика 1 и предназначенных для входа потока охлаждающего воздуха, каналов для выхода охлаждающего воздуха, выполненных в виде отверстий 4, расположенных в области выходной кромки пера 2, и промежуточных каналов, которые выполнены в виде осевых завихрителей 5. Последние сформированы выступами 6, образующими винтовую поверхность. Завихрители 5 расположены в направлении от входной кромки пера 2 к его выходной кромке, выполнены сужающимися по направлению к выходной кромке пера 2 и сообщены с каналами 3 и отверстиями 4. При этом высота ребер зависит от размеров конкретной охлаждаемой лопатки, и для существующих типовых лопаток высокотемпературных газовых турбин может лежать в пределах 0,3-0,8 мм, а количество ребер также определяется размерами охлаждаемой лопатки и может быть, например, в пределах от 6-ти до 12-ти. Оптимальные размеры геометрии завихрителей могут быть получены в результате экспериментальных исследований. При этом расположение выступов 6 соседних завихрителей 5 обеспечивает противоположное направление закрутки.
Охлаждение выходной кромки лопатки турбины осуществляется следующим образом. Воздух, проходя через завихрители 5, сообщенные со входом в отверстия 4 выходной кромки, закручивается, и далее движется в виде системы вихревых жгутов. При этом соседние вихри вращаются в противоположных направлениях, чтобы исключить возможность торможения потоков, а сужение сечения завихрителей 5 и их расположение в направлении от входной кромки пера 2 к выходной кромке позволяет исключить необходимость изменения направления потока в сторону отверстий 4 и соответственно интенсифицировать вихревое течение потока на выходе. Далее воздух выходит из лопатки через отверстия 4 в выходной кромке, например, в виде «косого среза».
Таким образом, расположение осевых завихрителей в направлении от входной кромки пера к выходной кромке, формирование винтовой поверхности завихрителей выступами с противоположным направлением закрутки обеспечивает эффективность охлаждения выходной кромки пера лопатки за счет повышения коэффициента теплоотдачи путем интенсификации вихревого течения в выходных каналах внутреннего контура охлаждения.