Охлаждаемая лопатка газовой турбины
COOLED BLADE OF GAS TURBINE

Изобретение относится к турбостроению, в частности, к охлаждаемой лопатке газовой турбины, предназначенной преимущественно для работы в области высоких температур.
Известны охлаждаемые лопатки газовых турбин с тонкостенным полым пером, через которое организуют пропускание охлаждающего воздуха для обеспечения конвективного теплообмена. Такие лопатки имеют наиболее широкое распространение из-за простоты достижения охлаждающего эффекта. Однако они могут применяться для работы в диапазоне температур газа на входе в газовую турбину, не превышающем 1500-1800 К. В области более высоких температур необходимо использовать дополнительные средства, обеспечивающие интенсификацию теплообмена при относительно небольшом расходе охлаждающей среды, особенно для участка входной кромки.
Известна лопатка газовой турбины с петлевой системой охлаждения (патент US №7967563, МПК F01D 5/08, публ. 28.06.2011), содержащая полое перо с входной и выходной кромками, перегородки, формирующие три радиальных канала, которые расположены вдоль входной кромки, в серединной части пера и вдоль выходной кромки. На стенках радиальных каналов выполнены наклонные ребра для интенсификации теплоотдачи к охлаждающему воздуху. Воздух в соседних радиальных каналах течет в противоположных направлениях. В выходной кромке выполнены щелевые каналы для выпуска воздуха в проточную часть турбины.
Недостатком данного технического решения является низкая эффективность охлаждения участка входной кромки, что обусловлено небольшим перепадом давления в канале расположенном вдоль входной кромки и, соответственно, низкой скоростью течения охладителя.
Известна другая лопатка с внутренними каналами охлаждения (патент US №7988419, МПК F01D 5/08, публ. 02.08.2011), содержащая входную и выходную кромки, радиальный канал, расположенный вдоль входной кромки для ее охлаждения. Перо разделено поперечным ребром на верхнюю и нижнюю полости. В верхней полости установлено продольное ребро, формирующее два радиальных канала, в которые воздух последовательно поступает из канала входной кромки. В нижней полости установлены три ребра, которые формируют четыре канала для петлевого течения охлаждающего воздуха. На стенках всех каналов охлаждения выполнены наклонные ребра для интенсификации теплоотдачи к охлаждающему воздуху. В выходной кромке лопатки выполнены щелевые каналы для выпуска воздуха в проточную часть турбины.
Основным недостатком данного технического решения является низкая эффективность охлаждения входной кромки, обусловленная интенсификацией теплоотдачи только за счет турбулизации потока наклонными ребрами, а также уменьшением эффективности охлаждения по его длине канала из-за увеличения температуры охладителя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является охлаждаемая лопатка газовой турбины (патент US №8083486, МПК F01D 5/08, публ. 27.12.2011), содержащая полое перо с входной и выходной кромками и продольными перегородками, образующими радиальные каналы охлаждения вдоль входной кромки и на серединном участке пера, на стенках которых со стороны спинки и корыта установлены наклонные ребра для интенсификации теплоотдачи, вдоль торцевой стенки пера установлено поперечное ребро, формирующее осевой канал, соединяющий радиальный канал, расположенный вдоль входной кромки с проточной частью турбины для выпуска охлаждающего воздуха.
Недостатком настоящего технического решения является монотонное снижение эффективности охлаждения входной кромки, что не соответствует внешней тепловой нагрузке. В соответствии с радиальной эпюрой температур газового потока максимальная температура газа расположена на участке 2/3 высоты пера. Использование только наклонных ребер не позволяет увеличить эффективность охлаждения на наиболее теплонапряженных участках входной кромки - корневых и средних сечениях.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности охлаждения входной кромки путем дополнительной интенсификации охлаждения в радиальном канале входной кромки.
Технический результат заключается в повышении ресурса рабочих лопаток и, соответственно, газовой турбины в целом.
Это достигается тем, что охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо с входной и выходной кромками, замковую часть и торцевую стенку, при этом в полом пере установлена перегородка, между стенкой входной кромки и перегородкой расположен канал охлаждения входной кромки, а между торцевой стенкой и перегородкой расположен осевой канал, в периферийной части выходной кромки расположен щелевой канал, в серединной части полого пера установлены первая, вторая и третья радиальные перегородки, которыми сформированы, соответственно, первый, второй и третий радиальные каналы, в третьей радиальной перегородке выполнены раздающие отверстия, за третьей радиальной перегородкой в щелевом канале выходной кромки установлена матрица компланарных каналов, в замковой части установлен жиклер, на стенках канала охлаждения входной кромки, осевого, первого, второго и третьего радиальных каналов установлены ребра - интенсификаторы, снабжена волнообразной перегородкой с отверстиями, установленной в канале охлаждения входной кромки так, что он разделен волнообразной перегородкой на первый и второй соседние каналы с переменной площадью поперечного сечения по их длине, при этом отверстия в волнообразной перегородке выполнены непосредственно у внутренней поверхности стенки входной кромки, шаг этих отверстий равен шагу волны волнообразной перегородки и составляет (1,5-2,2)h, где h - высота волны волнообразной перегородки на участке ее соединения с перегородкой, при этом отверстия расположены в сечениях минимального сужения первого и второго соседних каналов волнообразной перегородкой.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена охлаждаемая лопатка газовой турбины, продольный разрез; на фиг. 2 представлено поперечное сечение А-А пера охлаждаемой лопатки газовой турбины; на фиг. 3 показана волнообразная перегородка в канале охлаждения входной кромки; на фиг. 4 представлен график распределения отношения плотности теплового потока по длине радиального канала входной кромки предлагаемой конструкции к плотности теплового потока в канале устройства по прототипу.
Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо 1 с входной 2 и выходной 3 кромками, замковую часть 4 и торцевую стенку 5. В полом пере 1 установлена перегородка 6. Между стенкой входной кромки 2 и перегородкой 6 расположен канал охлаждения входной кромки 7, а между торцевой стенкой 5 и перегородкой 6 расположен осевой канал 8. В периферийной части выходной кромки 3 расположен щелевой канал 9. В серединной части полого пера 1 установлены первая 10, вторая 11 и третья 12 радиальные перегородки, которыми сформированы, соответственно, первый 13, второй 14 и третий 15 радиальные каналы.
В третьей радиальной перегородке 12 выполнены раздающие отверстия 16. За третьей радиальной перегородкой 12 в щелевом канале 9 выходной кромки 3 установлена матрица компланарных каналов 17. В замковой части 4 установлен жиклер 18 для дополнительной подачи охлаждающего воздуха в корневые сечения третьего радиального канала 15. На стенках канала охлаждения входной кромки 7, осевого 8, первого 13, второго 14 и третьего 15 радиальных каналов установлены ребра-интенсификаторы 19. В канале охлаждения входной кромки 7 установлена волнообразная перегородка 20 с отверстиями 21. Канал охлаждения входной кромки 7 разделен волнообразной перегородкой 20 на первый 22 и второй 23 соседние каналы с переменной площадью поперечного сечения по их длине.
Отверстия 21 в волнообразной перегородке 20 выполнены непосредственно у внутренней поверхности стенки входной кромки 2. Шаг отверстий 21 равен шагу волны волнообразной перегородки 20 и составляет (1,5-2,2)h, где h - высота волны волнообразной перегородки 20 на участке ее соединения с перегородкой 6. При этом отверстия 21 расположены в сечениях минимального сужения первого 22 и второго 23 соседних каналов волнообразной перегородкой 20.
Охлаждаемая лопатка газовой турбины работает следующим образом.
Охлаждающий воздух поступает в канал охлаждения входной кромки 7, а также в первый 13 и второй 14 радиальные каналы через замковую часть 4. Воздух движется по каналу охлаждения входной кромки 7 и волнообразной перегородкой 20 разделяется на два потока, которые движутся по первому 22 и второму 23 соседним каналам.
Периодическое сужение одного из соседних каналов 22 или 23 с одновременным расширением другого волнообразной перегородкой 20 формирует перетекание охлаждающего воздуха через отверстия 21 из первого соседнего канала 22 на участке его сужения во второй соседний канал 23, и из второго соседнего канала 23 на участке его сужения в первый соседний канал 22. Такое перетекание воздуха через отверстия 21 обеспечивает закручивание потока поток непосредственно у стенки входной кромки 2. Струйная турбулизация потока отверстиями 21 позволяет существенно увеличить интенсивность теплоотдачи к охлаждающему воздуху на участке установки волнообразной перегородки 20 и, соответственно повысить эффективность охлаждения. Шаг отверстий 21, равный (1,5-2,2)h, где h - высота волны волнообразной перегородки 20 на участке ее соединения с перегородкой 6, обеспечивает непрерывную интенсификацию теплоотдачи по длине входной кромки 2. Далее, охладив входную кромку 2, воздух из канала охлаждения входной кромки 7 поворачивает на 90° в осевой канал 8, охлаждает его стенки и вытекает через щелевой канал 9 в проточную часть турбины.
Воздух, который течет по первому 13 и второму 14 радиальным каналам, охладив среднюю часть пера 1 поворачивает на 180 градусов в третий радиальный канал 15. В третьем радиальном канале 15 реализуется центростремительное течение охладителя с дозированной его раздачей через раздающие отверстия 16 в компланарные каналы 17. В третий радиальный канал 15 в замковой части 4 подмешивается холодный воздух, поступающий через жиклер 18.
Для подтверждения достижения поставленной цели, с использованием технологии селективного лазерного плавления, были изготовлены две модели радиального канала охлаждения входной кромки исходной конструкции: M1 - канал постоянного сечения с ребрами на стенках; М2 -канал такого же поперечного сечения, с ребрами на стенках и волнообразной перегородкой (как показано на фиг. 3). Ширина отверстий 2 мм, шаг отверстий 6 мм. Испытания проводились методом калориметрирования в жидкометаллическом термостате, позволяющим определять распределение плотности теплового потока по наружной поверхности пера лопатки (Копелев, С.З. Тепловые и гидравлические характеристики охлаждаемых лопаток газовых турбин / С.З. Копелев, М.Н. Галкин, А.А. Харин, И.В. Шевченко. - М.: Машиностроение, 1993. - 176 с.).
-3
м1
м2
Испытания проводились для одинакового расхода воздуха 3,8⋅10 кг/с, температура воздуха на входе в модели 40°С. Волнообразная перегородка расположена на участке модели М2 с координатами X (20…60) мм (фиг. 4), Q - плотность теплового потока по наружной поверхности модели M1 вдоль центральной линии входной кромки; Q - плотность теплового потока по наружной поверхности модели M1 вдоль центральной линии входной кромки. Как видно, плотность теплового потока к модели М2 на участке установки волнового ребра выше чем у модели M1 в 1,6 раза. Полученные результаты подтверждают достижение заявленного технического результата при использовании предлагаемого технического решения.
Использование изобретения с предлагаемой конструкцией канала охлаждения входной кромки позволяет в 1,6 раза увеличить интенсивность теплоотдачи к охлаждающему воздуху и уменьшает температуру стенки входной кромки в зоне максимальной температуры газового потока. Это обеспечивает без изменения суммарного расхода воздуха через лопатку увеличение запасов длительной прочности и повышения ресурса работы лопатки и, соответственно, газовой турбины в целом.