ОХЛАЖДАЕМАЯ РАБОЧАЯ ПЕРФОРИРОВАННАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ
COOLED ROTOR PERFORATED TURBINE BLADE

Изобретение относится к области турбостроения, в частности к охлаждаемым рабочим лопаткам турбин, применяемым в авиационных двигателях, а также в стационарных газотурбинных установках.
Исследования коэффициентов теплоотдачи в коротких охлаждающих отверстиях малого диаметра [Жестков Б.А. Основы теории и расчет теплового состояния стенок камер сгорания реактивных двигателей. Учебное пособие. - Уфа: изд. УАИ, 1980. - 95 с. Формула (2.45) на с. 46] и исследования в охлаждающих отверстиях типичных по геометрии для перфорации турбинных лопаток [Трушин В.А. Пленочное охлаждение турбинных лопаток // Уфа: издание УАИ, 1988. - 78 с.] показали, что теплоотдача в коротких охлаждающих отверстиях малого диаметра в 3,5-4 раза выше, чем в длинных трубах. Это объясняется отсутствием возможности быстрого формирования развитого пограничного слоя на коротком участке поверхности отверстия, где вместо пограничного слоя с ламинарным подслоем имеют место вихревые структуры без ламинарного подслоя, интенсивно переносящие теплоту от перфорированной оболочки лопатки к охлаждающему воздуху. В известных охлаждаемых перфорированных лопатках турбин, содержащих перфорированную оболочку с прямыми охлаждающими отверстиями малого диаметра, велика относительная длина этих отверстий.
Однако на большой относительной длине охлаждающего отверстия малого диаметра в оболочке образуются и смыкаются пограничные слои с ламинарным подслоем, препятствующие оттоку теплоты от оболочки к потоку охлаждающего воздуху в отверстиях. Чтобы препятствовать образованию ламинарного пограничного подслоя на стенках отверстия, следует отверстие выполнить изогнутой формы, что приведет к образованию парных вихрей в поле массовых сил в отверстии из-за разности плотностей нагретого у стенок воздуха и менее нагретого в средине отверстия, срыву ламинарного подслоя этими вихрями и дополнительной турбулизации потока охлаждающего воздуха.
Известны охлаждаемые перфорированные лопатки турбин, в стенках которых прямые отверстия перфорации выполнены с наклоном в радиальном направлении в сторону внешнего радиуса (Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок: Учебник для вузов / В. Л. Иванов, А.И. Леонтьев, Э.А. Манушин, М.И. Осипов; под ред. А.И. Леонтьева. - 2-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 592 с. (рис. 5.15 на с. 290)), содержащие перфорированную оболочку с охлаждающими отверстиями малого диаметра.
Известно техническое решение (патент РФ №2286463 С2, МПК F01D 5/18, 27.10.2006), в котором представлена охлаждаемая перфорированная лопатка турбины, пронизанная прямыми отверстиями большой относительной длины, проходящими через оребрение, перфорированную оболочку и термобарьерное покрытие.
2
Известна охлаждаемая лопатка турбомашины (Авторское свидетельство СССР №565991, М. кл. F01D 5/18, 25.07.1977), содержащая перфорированную оболочку с оребрением на внутренней ее поверхности вблизи отверстий.
Известен ротор высокотемпературной газовой турбины (патент РФ №2200235 С2, МПК F01D 5/18, 10.03.2003) с охлаждаемыми рабочими лопатками, передняя кромка которых выполнена перфорированной.
Известна охлаждаемая турбинная лопатка (патент РФ №2076928 C1, МПК F01D 5/18, 10.04.1997) с продольными пазами внутри стенки лопатки, закрытыми со стороны газа керамической оболочкой, соединенными отверстиями с внутренней полостью лопатки, но не выходящими на поверхность, контактирующую с газом.
Известна охлаждаемая лопатка турбомашины петлевой схемы охлаждения (патент РФ №2476681 С1, МПК F01D 5/18, 27.02.2013), содержащая отверстия перфорации.
Известна охлаждаемая лопатка турбины (патент РФ №2544916 С1, МПК F01D 5/18, 20.03.2015), содержащая отверстия перфорации с разделительными полостями овальной формы.
Известна охлаждаемая перфорированная лопатка турбомашины с термобарьерным покрытием (патент РФ №2286463 С2, МПК F01D 5/18, 27.10.2006), содержащая отверстия, пронизывающие оребрение внутри лопатки, оболочку лопатки и термобарьерное покрытие.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является компонент газотурбинного двигателя, в частности камера сгорания или выходное устройство, содержащее изогнутые или извилистые каналы охлаждающего воздуха (патент RU 2005128150, МПК F23R 30/00, 2007, фиг. 4, 5) с произвольной ориентацией.
Недостатками известных охлаждаемых перфорированных лопаток турбин и других компонентов газотурбинного двигателя являются либо большая относительная длина прямых охлаждающих отверстий малого диаметра в оболочке, что приводит к образованию и смыканию пограничных слоев с ламинарным подслоем, препятствующих оттоку теплоты от оболочки к потоку охлаждающего воздуха в отверстиях, а если отверстия изогнуты и расположены произвольно, то такое их произвольное расположение неприменимо для охлаждаемых рабочих лопаток турбин, так как может вызвать подрезку металла в поперечном сечении пера лопатки на ширине, большей, чем диаметр отверстия в направлении обвода профиля, нагруженного радиальными центробежными силами.
Задача изобретения - увеличение надежности и ресурса работы охлаждаемой рабочей лопатки турбины.
Технический результат - повышение эффективности охлаждения рабочей лопатки турбины и увеличение надежности и ресурса ее работы.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что у охлаждаемой рабочей лопатки турбины, содержащей перфорированную оболочку с охлаждающими отверстиями малого диаметра, в отличие от прототипа, в перфорированной оболочке лопатки выполнены отверстия малого диаметра изогнутой формы, средняя линия каждой из которых расположена в плоскости вдоль пера лопатки и нормальной к поверхности обвода профиля, так как не может вызвать подрезку металла в поперечном сечении пера лопатки на ширине, большей, чем диаметр отверстия в направлении обвода профиля, нагруженного радиальными центробежными силами.
Использование отличительных признаков в заявляемой охлаждаемой рабочей перфорированной лопатке турбины, содержащей перфорированную оболочку с охлаждающими отверстиями малого диаметра изогнутой формы, средняя линия каждой из которых расположена в плоскости вдоль пера лопатки и нормальной к поверхности обвода профиля, позволяет повысить эффективность ее охлаждения и увеличить надежность и ресурс ее работы. Тем самым повышается ресурс работы и надежность рабочей перфорированной лопатки турбины в системе газотурбинного двигателя за счет интенсификации теплоотдачи от оболочки лопатки к потоку охлаждающего воздуха в отверстиях, средняя линия каждой из которых расположена в плоскости вдоль пера лопатки и нормальной к поверхности обвода профиля, так как не может вызвать подрезку металла в поперечном сечении пера лопатки на ширине, большей, чем диаметр отверстия в направлении обвода профиля лопатки, нагруженного радиальными центробежными силами.
Существо изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематически изображено поперечное сечение участка перфорированной оболочки с охлаждающими отверстиями изогнутой формы малого диаметра, средняя линия каждой из которых расположена в плоскости вдоль пера лопатки и нормальной к поверхности обвода профиля лопатки; на фиг. 2 - элемент - вид по сечению А-А на фиг. 1 в сечении обвода оболочки; на фиг. 3 - вид по сечению В-В на фиг. 2 на парный вихрь; на фиг. 4 - вид по стрелке С на фиг. 2 на выход отверстия на газовую поверхность, а пунктиром здесь отмечено расположение отверстия в металле стенки рабочей лопатки с осью в плоскости вдоль ее пера, нормальной к поверхности обвода профиля
Охлаждаемая перфорированная лопатка турбины, содержащая перфорированную оболочку 1 (фиг. 1), внутри которой выполнены охлаждающие отверстия изогнутой формы малого диаметра 2, что исключает образование ламинарного подслоя в потоке воздуха в отверстии за счет образования в изогнутых отверстиях (фиг. 2) парного вихря (фиг. 3), турбулизирующего ламинарный подслой, а расположение средней линии каждого из отверстий в плоскости вдоль пера лопатки и нормальной к поверхности обвода профиля не может вызвать подрезку металла в поперечном сечении пера лопатки на ширине, большей, чем диаметр отверстия в направлении обвода профиля, нагруженного радиальными центробежными силами.
При работе охлаждаемой перфорированной лопатки турбины, воздух проходит через охлаждающее отверстие изогнутой формы малого диаметра 2, где теплоотдача от перфорированной оболочки 1 к воздуху через несформировавшийся в охлаждающем отверстии изогнутой формы ламинарный пограничный подслой выше, чем через сомкнувшиеся пограничные слои в относительно длинном прямом охлаждающем отверстии. Кроме того, отверстие изогнутой формы имеет большую поверхность, чем прямое, что обеспечивает больший теплоотвод от лопатки к воздуху.
Выполнение в перфорированной оболочке лопатки турбины отверстий изогнутой формы способствует интенсификации теплоотвода от перфорированной оболочки лопатки к охлаждающему воздуху за счет малой толщины несформировавшегося ламинарного пограничного подслоя в длинных охлаждающих отверстиях, вызванной парными вихрями и за счет увеличения площади поверхности отверстия за счет его изогнутости.
Расположение средней линии каждого из охлаждающих отверстий в плоскости вдоль пера рабочей лопатки турбины и нормальной к поверхности обвода профиля лопатки не может вызвать подрезку металла в поперечном сечении пера лопатки на ширине, большей, чем диаметр отверстия в направлении обвода профиля лопатки, нагруженного радиальными центробежными силами.
Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить эффективность охлаждения рабочей лопатки турбины и увеличить надежность и ресурс ее работы.