ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА
COOLED BLADE

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, турбостроения и может найти применение в охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин.
В современных охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин широко используются системы охлаждения. Наибольшее применение нашла «конвективно-пленочная» система охлаждения, где сочетается теплоотвод от внутренних стенок лопатки в охлаждающий воздух с созданием заградительной пелены от воздействия газа проточной части за счет выпуска воздуха через отверстия перфорации на пере лопатки. Конвективное охлаждение составляет значительную долю снимаемого теплового потока и поэтому большое значение придается его интенсификации, которая определяется следующими параметрами: расходом воздуха через каналы системы охлаждения, турбулизацией охлаждающего потока (увеличение коэффициента теплоотдачи), увеличением площади охлаждающей поверхности (введением ребер и т.п.), теплопроводностью материала, от которого осуществляется теплоотвод.
При этом возможности конвективного охлаждения ограничены допустимым расходом охладителя, геометрическими размерами внутренних полостей пера лопатки и теплофизическими характеристиками жаропрочного материала со сравнительно невысокой теплопроводностью, и поэтому одного конвективного охлаждения в существующих конструкциях систем охлаждения пера недостаточно для обеспечения требуемого теплонапряженного состояния лопатки. Введение дополнительного заградительного охлаждения, помимо увеличения расхода охлаждающего воздуха, усложнения технологического процесса (прожиг отверстий перфорации), создает еще и концентраторы напряжений в местах отверстий перфорации.
Известна охлаждаемая лопатка по патенту РФ №2321754, МПК F01D 5/18, опубл. 10.04.2008 г., которая содержит наружную и внутреннюю стенки, внутри которых расположены группы каналов, выполненных взаимно пересекающимися на разных уровнях, вызывая увеличение степени турбулентности.
Основным недостатком данного технического решения является отсутствие возможности формирования заданной конфигурации температурного поля пера лопатки за счет изменения расходов охладителя и дополнительной турбулизации при обтекании полуребер.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является охлаждаемая лопатка с развитой системой интенсификации конвективного теплообмена в виде полуребер (например, US 6139269 от 31.10.2000 г., МКИ F01D 5/18).
Техническим недостатком подобных систем охлаждения является еще и заградительное охлаждение ввиду недостаточной эффективности конвективного. Это увеличивает расход охлаждающего воздуха, усложняет технологический процесс (прожиг отверстий перфорации), создает еще и концентраторы напряжений в местах отверстий перфорации.
Технической задачей в заявляемом изобретении является повышение эффективности конвективного охлаждения, что снизит температуру лопатки при том же расходе охладителя, позволит отказаться частично от заградительного охлаждения.
Технический результат в заявляемой охлаждаемой лопатке, преимущественно высокотемпературных газовых турбин, содержащей покрытую снаружи теплозащитным слоем низкой теплопроводности оболочку и внутреннюю силовую часть, выполненные из жаропрочного материала, и внутри которой расположены вставки из материала высокой теплопроводности, которые контактируют с внутренними стенками жаропрочной оболочки лопатки. Вставки из материала высокой теплопроводности выполнены в виде развитой поверхности охлаждения, содержащие каналы и ребра, при этом толщина вставки лежит в пределах 0,2÷0,4 мм, длина ребер соответственно в пределах 2÷10 мм, толщина ребер 0,2÷0,5 мм, ширина каналов 0,6÷1 мм. Вставки выполнены, из меди.
На фиг.1 представлена расчетная схема многослойной цилиндрической стенки с оребренной вставкой.
На фиг.2 представлена расчетная схема многослойной плоской стенки с оребренной вставкой.
На фигурах 3 и 4 представлены схемы теплового расчета сечений рабочей лопатки с выбранными участками для задания граничных условий согласно данным таблицы 3.
На фиг.5 приведено температурное поле сечения лопатки, где интенсификаторы охлаждения в районе входной кромки выполнены из обычного жаропрочного материала.
На фиг.6 приведено температурное поле сечения лопатки, где интенсификаторы охлаждения (вставки) в районе входной кромки выполнены из материала высокой теплопроводности.
На фиг.7 приведено поперечное сечение лопатки, где интенсификаторы охлаждения (вставки), выполненные из материала высокой теплопроводности, расположены в районе всего профиля лопатки.
Расчеты теплопередачи через многослойную стенку проведены как через цилиндрическую стенку (расчетная схема на фиг.1), так и через плоскую стенку (расчетная схема на фиг.2), которые имитируют части профиля пера лопатки. Для удобства сравнения длина плоской стенки соответствует длине окружности наружной цилиндрической стенки. Принятая геометрия находится в пределах размеров современных охлаждаемых лопаток высокотемпературных турбин. Так, например, диаметр цилиндрической стенки принят равным 8 мм, а ее толщина - 0,8 мм, длина плоской стенки - 20,16 мм, длина ребер вставки - 2 мм, толщина ребер в средней части - 0,35 мм.
Рассчитываемая многослойная стенка состоит из наружной гладкой стенки 1 и внутренней оребренной вставки 2 (см. фиг.1 и 2). Тепловой поток через многослойную стенку для случая оребренной вставки определяется следующими зависимостями.
ц
1
2
q=k·(T-T); Вт/м - для цилиндрической стенки и
n
1
2
1
q=k·(Т-Т); Вт/м - для плоской стенки при ее длине l=π·D,
где коэффициент теплопередачи
- для цилиндрической стенки  - для плоской стенки, где
1
D - наружный диаметр,
1
δ - толщина наружной стенки,
2
δ - толщина подложки вставки,
1
λ - коэффициент теплопроводности стенки,
2
λ - коэффициент теплопроводности вставки,
приведенный коэффициент теплоотдачи определяется как
прив
w
r
p
2
α=α·[1+E·(ε-1)], Вт/мК,
w
α - коэффициент теплоотдачи в межреберных каналах,
r
E - эффективность ребра - определяется как
p
δ - средняя толщина ребра,
p
l - длина ребра
p
оребр.
глад.
ε=F/F - коэффициент оребрения - отношение площади оребрения поверхности к гладкой.
Исходные данные для расчетов соответствуют типичным условиям работы лопаток современных высоконагруженных газовых турбин приведены в нижеследующей таблице 1.
таблица 1
параметр
размерность
величина
наименование
T<sub>1</sub>
К
2000
Наружная температура (газа)
T<sub>2</sub>
К
800
Температура охладителя (воздуха)
Д<sub>1</sub>
мм
8
Наружный диаметр
δ<sub>1</sub>
мм
0,8
Толщина стенки
δ<sub>2</sub>
мм
0,2
Толщина подошвы вставки
l<sub>p</sub>
мм
2
Длина ребра
δ<sub>p</sub>
мм
0,25
Ширина ребра
λ<sub>1</sub>
Вт/мК
20
Коэффициент теплопроводности стенки
λ<sub>2</sub>
Вт/мК
355
Коэффициент теплопроводности вставки
α<sub>1</sub>
Вт/м<sup>2</sup>К
8000
Коэффициент теплоотдачи от газа
G<sub>охл.</sub>
кг/с
0,01
Расход охладителя
В результате расчетов по вышеприведенным зависимостям получены следующие результаты, приведенные в нижеследующей таблице 2.
таблица 2
плоская
цилиндрическая
вставка из
вставка из материала
вставка из
вставка из материала
параметр
размерность
обычного материала
высокой теплопроводности
обычного материала
высокой теплопроводности
ε<sub>оребр.</sub>
4,87
α<sub>w</sub>
Вт/м<sup>2</sup>К
4046
α<sub>прив.</sub>
Вт/м<sup>2</sup>К
10129
18052,5
10129
18052,5
k<sub>тепл.</sub>
Вт/мК
91,82
113,74
80,0
102,9
Q
Вт/м
110180
136493
95996
123495,5
T<sub>c1</sub>
К
1452,5
1321,1
1522,
1385,8
т<sub>с2</sub>
К
1276,6
1103,9
1200,6
972,6
Видно, что снижение температуры наружной стенки при наличии вставки из материала высокой теплопроводности составляет 130÷140К.
Основываясь на вышеприведенных результатах выполненный расчет рабочей лопатки турбины для сравнения ее температурного состояния со вставкой из обычного материала и со вставкой из материала высокой теплопроводности показан в таблице 3 и соответственно на фиг.3 и 4 выбранных участков сечений рабочей лопатки для граничных условий.
таблица 3
№ участка
α, Вт/м<sup>2</sup>К
Т, К
№ участка
α, Вт/м<sup>2</sup>К
Т, К
1
4000
1400
23
2000
730
2
3600
1400
24
2000
730
3
3000
1350
25
2000
730
4
3200
1400
26
5000
710
5
8000
1600
27
2000
710
6
3800
1400
28
5000
710
7
3600
1400
29
2000
710
8
2500
1400
30
5000
710
9
3800
1300
31
2000
720
10
4000
1400
32
6000
720
11
2000
1440
33
5555
720
12
6000
1480
34
6000
720
13
2000
1060
35
5555
720
14
6000
780
36
6000
715
15
2000
780
37
6000
715
16
4000
780
38
6000
715
17
2000
780
39
6000
715
18
4000
780
40
6000
715
19
2000
780
41
6000
715
20
4500
750
42
6000
715
21
2000
750
43
6000
715
22
5000
730
С этими принятыми исходными данными выполнен теплогидравлический расчет лопатки, и результаты расчета в виде температурных полей среднего сечения пера лопатки представлены на фиг.5и 6. Символом «*» указана максимальная температура - в случае интенсификатора охлаждения из обычного жаропрочного материала (фиг.5) она составляет 1230°С, а в случае интенсификатора охлаждения (вставки) из материала высокой теплопроводности (фиг.6) соответственно 1110°С. Сравнение расчетных температурных полей сечений (фиг.5 и 6) показывает снижение температуры стенки входной кромки (там где вставка) примерно на 120°С.
С увеличением размеров ребер разница температур также возрастает. Геометрия вставок определяется конкретными размерами лопаток, так толщина вставки (толщина подошвы вставки) лежит в пределах 0,2÷0,4 мм, длина ребер соответственно в пределах 2÷10 мм, толщина ребер 0,2÷0,5 мм, ширина каналов 0,6÷1 мм.
Ниже приведены дополнительные расчеты, которые показывают возможность получения технического результата при различных сочетаниях геометрических размеров ребер и каналов.
Данные расчетов на границах интервалов значений и внутри интервалов приведены ниже. Обозначения в таблице использованы те же, что и в первичных материалах заявки. Расчеты проведены по трем различным сочетаниям параметров, которые приведены в таблицах 4, 6, 8. Результаты расчетов приведены в таблицах 5, 7, 9, соответственно.
Таблица 4
параметр
размерность
величина
наименование
<b>T</b><sub>1</sub>
К
2000
Наружная температура (газа)
<b>T</b><sub>2</sub>
К
800
Температура охладителя (воздуха)
<b>D</b><sub>1</sub>
мм
8
Наружный диаметр
<b>δ</b><sub>1</sub>
мм
0,8
Толщина стенки
<b>δ</b><sub>2</sub>
мм
0,2
Толщина подошвы вставки
<b>l</b><sub>p</sub>
мм
2
Длина ребра
<b>δ</b><sub>p</sub>
мм
0,2
Средняя толщина ребра
<b>λ</b><sub>1</sub>
Вт/мК
20
Коэффициент теплопроводности стенки
<b>λ</b><sub>2</sub>
Вт/мК
20
Коэффициент теплопроводности вставки
<b>α</b><sub>1</sub>
Вт/м<sup>2</sup>К
8000
Коэффициент теплоотдачи от газа
<b>Gох</b>
кг/с
0,01
Расход охладителя
В результате расчетов по вышеприведенным зависимостям получены следующие результаты, приведенные в таблице 5.
Таблица 5
параметр
размерность
плоская
цилиндрическая
Вставка из обычного материала
Вставка из материала высокой теплопроводности
Вставка из обычного материала
Вставка из материала высокой теплопроводности
<b>ε</b><sub>оребр</sub>
5,03
<b>α</b><sub>w</sub>
Вт/м<sup>2</sup>К
3714,57
<b>α</b><sub>прив</sub>
Вт/м<sup>2</sup>К
8455,66
3714,57
8455,66
3714,57
<b>k</b><sub>тепл</sub>
Вт/мК
85,7
110,96
73,87
99,89
<b>Q</b>
Вт/м
102840,13
133158,62
88646,04
119873,16
<b>T</b><sub>c1</sub>
K
1488,51
1337,72
1559,11
1403,8
<b>T</b><sub>c2</sub>
K
1324,84
1125,79
1261,81
1001,77
Видно снижение температуры наружной стенки при наличии вставки из материала высокой теплопроводности.
Таблица 6
параметр
размерность
величина
наименование
<b>T</b><sub>1</sub>
К
2000
Наружная температура (газа)
<b>Т</b><sub>2</sub>
К
800
Температура охладителя (воздуха)
<b>D</b><sub>1</sub>
мм
12
Наружный диаметр
<b>δ</b><sub>1</sub>
мм
0,8
Толщина стенки
<b>δ</b><sub>2</sub>
мм
0,3
Толщина подошвы вставки
<b>l</b><sub>p</sub>
мм
6
Длина ребра
<b>δ</b><sub>p</sub>
мм
0,35
Средняя толщина ребра
<b>λ</b><sub>1</sub>
Вт/мК
20
Коэффициент теплопроводности стенки
<b>λ</b><sub>2</sub>
Вт/мК
20
Коэффициент теплопроводности вставки
<b>α</b><sub>1</sub>
Вт/м<sup>2</sup>К
8000
Коэффициент теплоотдачи от газа
<b>Gох</b>
кг/с
0,01
Расход охладителя
В результате расчетов по вышеприведенным зависимостям получены следующие результаты, приведенные в таблице 7.
Таблица 7
параметр
размерность
плоская
цилиндрическая
Вставка из обычного материала
Вставка из материала высокой теплопроводности
Вставка из обычного материала
Вставка из материала высокой теплопроводности
<b>ε</b><sub>оребр</sub>
13,11
<b>α</b><sub>W</sub>
Вт/м<sup>2</sup>К
2832,79
<b>α</b><sub>прив</sub>
Вт/м<sup>2</sup>К
8203,4
23377,83
8203,4
23377,83
<b>k</b><sub>тепл</sub>
Вт/мК
124,87
180,71
112,52
170,34
<b>Q</b>
Вт/м
149847,07
216847,87
135032,15
204411,72
<b>T</b><sub>c1</sub>
К
1503,14
1280,99
1552,27
1322,23
<b>Т</b><sub>с2</sub>
К
1344,15
1050,91
1255,72
873,32
Видно снижение температуры наружной стенки лопатки при наличии вставки из материала высокой теплопроводности.
Таблица 8
параметр
размерность
величина
наименование
<b>T</b><sub>1</sub>
К
2000
Наружная температура (газа)
<b>T</b><sub>2</sub>
К
800
Температура охладителя (воздуха)
<b>D</b><sub>1</sub>
мм
20
Наружный диаметр
<b>δ</b><sub>1</sub>
мм
0,8
Толщина стенки
<b>δ</b><sub>2</sub>
мм
0,4
Толщина подошвы вставки
<b>l</b><sub>p</sub>
мм
10
Длина ребра
<b>δ</b><sub>p</sub>
мм
0,5
Средняя толщина ребра
<b>λ</b><sub>1</sub>
Вт/мК
20
Коэффициент теплопроводности стенки
<b>λ</b><sub>2</sub>
Вт/мК
20
Коэффициент теплопроводности вставки
<b>α</b><sub>1</sub>
Вт/м<sup>2</sup>К
8000
Коэффициент теплоотдачи от газа
<b>Gох</b>
кг/с
0,01
Расход охладителя
В результате расчетов по вышеприведенным зависимостям получены следующие результаты, приведенные в таблице 9.
Таблица 9
параметр
размерность
плоская
цилиндрическая
Вставка из обычного материала
Вставка из материала высокой теплопроводности
Вставка из обычного материала
Вставка из материала высокой теплопроводности
<b>ε</b><sub>оребр</sub>
21,46
<b>α</b><sub>W</sub>
Вт/м<sup>2</sup>К
1901,11
<b>α</b><sub>прив</sub>
Вт/м<sup>2</sup>К
7177,51
22826,05
7177,51
22826,05
<b>k</b><sub>тепл</sub>
Вт/мК
193,73
299,29
180,95
288,58
<b>Q</b>
Вт/м
232477,95
359148,0
217136,0
346297,72
<b>Т</b><sub>с1</sub>
К
1537,5
1285,49
1568,02
1311,06
<b>Т</b><sub>с2</sub>
К
1389,5
1056,85
1285,87
861,08
Видно снижение температуры наружной стенки лопатки при наличии вставки из материала высокой теплопроводности.
Как следует из данных, приведенных в вышеуказанных таблицах, заявленный технический результат достигается во всем диапазоне геометрических размеров толщин вставок, ребер и каналов.
Подобные интенсификаторы охлаждения (вставки) из материала высокой теплопроводности располагаются по всему профилю пера лопатки в необходимых местах, как представлено на фиг.7 и 8. Охлаждаемая лопатка содержит оболочку 1, определяющую газодинамический профиль, выполненную из обычного жаропрочного лопаточного материала и сочленную с замком лопатки. Оболочка 1 покрыта слоем теплозащитного покрытия 2, выполненного из материала низкой теплопроводности. Внутри оболочки 1 размещены вставки 3 (интенсификаторы охлаждения), выполненные из материала высокой теплопроводности. Вставки 3 контактируют с внутренней поверхностью оболочки 1. Силовая (несущая) часть 4 пера лопатки выполнена из того же жаропрочного материала, что и оболочка 1. Между ребрами вставок 3 сформированы каналы 5.
Устройство работает следующим образом. Охлаждающий воздух (направление движения воздуха обозначено стрелками) подается в лопатку через отверстия в замке (не обозначено) лопатки, как показано на фиг.7 и 8. При этом часть его движется по каналам (не обозначено) вставки 3 в передней кромке, отводя тепловой поток за счет конвективного охлаждения и выбрасывается через отверстия в торце пера лопатки. Другая часть охлаждающего воздуха через боковые отверстия проходит в межреберные каналы 5 вдоль стенок пера, далее поступает в штырьковую матрицу (не обозначено), расположенную в задней стенке лопатки и выбрасывается через щель в выходной кромке. Оставшаяся часть охлаждающего воздуха поступает непосредственно в полость штырьковой матрицы, подпитывая ее, и также выбрасывается через щель в выходной кромке.
Таким образом, использование заявляемой охлаждаемой лопатки высокотемпературной газовой турбины позволяет за счет лучшего охлаждения лопатки при тех же расходах охладителя (потока рабочего тела, например, воздуха) по сравнению с существующими аналогами получить значительное снижение температуры ее пера, что увеличит ресурс лопатки и в некоторых случаях позволит обойтись без заградительного охлаждения, что также способствует повышению ее работоспособности и увеличению ресурса.