ОХЛАЖДАЕМАЯ СОПЛОВАЯ ЛОПАТКА С ВИХРЕВОЙ МАТРИЦЕЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может использоваться в турбинах, работающих при высоких температурах.
В сопловых лопатках наиболее теплонапряженными участками являются выходные кромки лопаток, где обычно появляются термоусталостные трещины. Трещины на выходных кромках лопаток вырезаются и лопатки пропускают на следующие сборки двигателя, что приводит к уменьшению коэффициента полезного действия (КПД) двигателя. Канал между сопловыми лопатками имеет определенную проходную площадь для пропуска рабочего тела - газа. Как правило, минимальное значение проходной площади межлопаточного канала - «горло», расположено в зоне выходной кромки лопатки; вырезка трещин приводит к изменению пропускной способности и нарушает углы выхода потока, что и приводит к уменьшению КПД двигателя.
Для охлаждаемых лопаток с целью увеличения КПД выпуск охлаждающего воздуха из внутренней полости лопаток необходимо производить до «горла», так как охлаждающий воздух будет участвовать в термодинамическом процессе.
Наиболее близкой к заявляемой конструкции является охлаждаемая сопловая лопатка с вихревой матрицей высокотемпературной турбины (патент №2122123, опубл. 20.11.1998, МПК F01D 5/18), содержащая наружную и верхнюю полки, между которыми расположено полое перо лопатки со спинкой и корытом, при этом вихревая матрица лопатки выполнена в виде ребер, которые расположены под углом относительно высоты пера лопатки на спинной и корытной части пера лопатки, и соединенных с одной стороны с ребрами в дефлекторной зоне лопатки, а с другой стороны - с ребрами в зоне выходной кромки лопатки, причем, ребра вихревой матрицы на спинной части лопатки расположены относительно ребер на корытной части лопатки под углом 90 градусов, а ребра в дефлекторной зоне и в зоне выходной кромки лопатки расположены поперечно относительно высоты пера лопатки. Выпуск охлаждающего воздуха производится в выходную кромку лопатки. Для уменьшения толщины выходной кромки часть корытной стенки по высоте канала срезан. Опыт испытаний таких сопловых лопаток в составе двигателя показал, что выступающая часть спинки выходной кромки перегревается с образованием термоусталостных трещин, что является недостатком данной конструкции. Также недостатком данной конструкции является отсутствие возможности организации выпуска охлаждающего воздуха до «горла».
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, является увеличение долговечности, работоспособности сопловой лопатки и повышение КПД двигателя, за счет улучшения охлаждения лопатки в зоне выходной кромки.
Технический результат достигается тем, что в охлаждаемой сопловой лопатке с вихревой матрицей высокотемпературной турбины, содержащей наружную и верхнюю полки, между которыми расположено полое перо лопатки со спинкой и корытом, при этом вихревая матрица лопатки выполнена в виде ребер, которые расположены под углом относительно высоты пера лопатки на спинной и корытной части пера лопатки, и соединенных с одной стороны с ребрами в дефлекторной зоне лопатки, а с другой стороны - с ребрами в зоне выходной кромки лопатки, причем, ребра вихревой матрицы на спинной части лопатки расположены относительно ребер на корытной части лопатки под углом 90 градусов, а ребра в дефлекторной зоне и в зоне выходной кромки лопатки расположены поперечно относительно высоты пера лопатки, в отличие от известной на выходной кромке пера лопатки со стороны корыта расположены окна, разделенные ребрами, наружные поверхности которых являются поверхностью пера корыта, при этом внутренняя поверхность спинки лопатки в зоне выходных кромок плавно сопряжена с корытной поверхностью выходной кромки лопатки с таким расчетом, чтобы минимальная проходная площадь межлопаточного канала проходила через поверхность выходной кромки лопатки.
Данное техническое решение поясняется чертежами, на которых представлены: фиг. 1 - общий вид лопатки; фиг. 2 - вид расположения ребер вихревой матрицы во внутренней полости лопатки; фиг. 3 - вид лопатки в зоне выходной кромки, фиг. 4 - вид керамического стержня, фиг. 5 - вид А.
Рассматриваемая охлаждаемая сопловая лопатка турбины состоит из наружной и внутренней полок, между которыми расположено одно перо, которое образовано корытным и спинным сплайнами, сопряженными с радиусами входной и выходной кромками (фиг. 3). Заготовка лопатки - двух полостная отливка по выплавляемым моделям. При этом перо содержит переднюю полость 1, отделенную литой перегородкой - стенкой 2, полость для постановки дефлектора 3 переходящая в вихревую матрицу 4 и зону выходной кромки 5 лопатки (фиг. 1). Ребра 6 вихревой матрицы 4 на спинной части лопатки расположены относительно ребер на корытной части лопатки под углом ~ 90 градусов. В зоне выходной кромки 5 лопатки ребра 6 вихревой матрицы 4, расположенные на спинной и корытной части пера лопатки, имеют общую точку встречи и переходят под углом в поперечные задние ребра 7. В полости для постановки дефлектора ребра вихревой матрицы переходят под углом в поперечные передние ребра 8. Поперечные передние ребра 8 соединены с перегородкой - стенкой 2.
Выбранные шаги между ребрами и их толщина обеспечивают необходимые проходные площади - каналы охлаждения 9 для охлаждающего воздуха. Каналы охлаждения в лопатке образуют керамическими стержнями. Керамический стержень (фиг. 4, фиг. 5), формирующий внутренние каналы охлаждения 9, имеет следующие особенности: поверхность 10 вместе с чередующими выступами 11 в зоне выходной кромки корыта лопаток образуют окна 12 для выпуска охлаждающего воздуха; выходная кромка от точки встречи с ребрами корыта и спинки в поперечном направлении насквозь перерезана, образуя тем самым ребра 13; поверхность спинки в зоне выходных кромок плавно сопряжена с корытной поверхностью выходной кромки лопатки с таким расчетом, чтобы минимальная проходная площадь 14 межлопаточного канала проходила через поверхностью выходной кромки лопатки. После удаления стержневой массы (фиг. 5) на выходной кромке корыта образуются чередующиеся окна 15 разделенные ребрами 13, наружные поверхности которых являются поверхностью корыта. Наличие ребер 13 позволяет увеличить поверхность охлаждения выходной кромки ~ на 30…35 процентов; направить охлаждающий воздух в осевом направлении по потоку газа; интенсифицировать процесс охлаждения за счет изменения направления охлаждающего воздуха, т.е. наблюдается эффект лобового натекания. При этом каждое ребро 13 испытывает двух сторонний обдув воздуха, поступающих с корытных и спинных каналов вихревой матрицы. Также ребра 13 являются подкрепляющими укосинами для пластины выходной кромки.
Охлаждающий воздух, поступивший в окно, постепенно выдавливается поверхностью спинки в зоне выходных кромок плавно сопряженной с корытной поверхностью выходной кромки лопатки и для ребер 13 создает заградительное охлаждение.
вых. кромок
средняя вых. кромок корыта
средняя вых. кромок спинки
Данная конструкция сопловой лопатки прошла испытания в составе соплового блока 1 ступени высокотемпературной турбины. Сопловые блоки имели препарирование, т.е. позволяли измерить температуру материала лопаток при испытании. По измеренным значениям температур определены эффективности охлаждения (Q) в зоне выходных кромок лопаток. Результаты испытания показали: Q ~ 0.71 и Q ~ 0.67, что на 15…20 процентов выше чем у известных конструкций лопаток.
Таким образом, за счет организации выпуска охлаждающего воздуха до минимальной проходной площади межлопаточного канала в основной поток, образования подкрепляющих укосин для пластины выходной кромки, увеличения площади задних ребер и двух стороннего лобового обдува воздухом задних ребер, данная конструкция лопатки обеспечивает долговечность и работоспособность выходных кромок лопаток и способствует повышению КПД двигателя.