Лопатка газовой турбины с конвективной системой охлаждения
GAS TURBINE BLADE WITH CONVECTIVE COOLING SYSTEM

Изобретение относится к газовым турбинам газотурбинных двигателей, а именно к рабочим охлаждаемым лопаткам турбин газотурбинных двигателей, используемым на приводах газоперекачивающих установок, в частности лопаткам, оснащенным развитой системой внутреннего конвективного охлаждения.
Наиболее близкой охлаждаемой лопаткой турбины того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является лопатка газовой турбины с конвективной системой охлаждения, содержащая перо, ограниченное входной кромкой и выходной кромкой со щелевым отверстием и профилированным участком с выпуклой и вогнутой стенками, ограничивающими охлаждаемую полость пера, отверстия в торцевой поверхности пера и реборду, профилированные ребра, образующие систему раздаточных и циклонных радиальных каналов в охлаждаемой полости пера, интенсификаторы охлаждения, выполненные в охлаждаемой полости, каналы в ее замковой части для подачи воздуха, каналы в замковой части сообщены с охлаждаемой полостью, с отверстиями в торцевой поверхности пера и со щелевым отверстием в выходной кромке.
/US 6932573 МПК F01D 5/08 Опубликовано: 23.08.2005 г./
Недостатком известной лопатки является то, что в ней применяется эффективное конвективное охлаждение с вихревым течением воздуха в узкой зоне вблизи выходной кромки, там, где проще организовать эвакуацию отработанного воздуха через перфорацию в хвостовике лопатки. К тому же охлаждение этой зоны не является чисто конвективным, вследствие расположенных вблизи нее рядов отверстий перфорации и наличия пелены охлаждающего воздуха от них.
Задача изобретения - разработка рабочей лопатки для турбин газотурбинных двигателей для газоперекачивающих установок с эффективным чисто конвективным охлаждением.
Ожидаемый технический результат - уменьшение расхода охлаждающего воздуха, упрощение и снижение затрат на технологию изготовления, повышение механической прочности и стойкости к загрязнениям, повышение ресурса лопатки и КПД двигателя в целом.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что известная лопатка газовой турбины с конвективной системой охлаждения, содержащая перо, ограниченное входной кромкой и выходной кромкой со щелевым отверстием и профилированным участком с выпуклой и вогнутой стенками, ограничивающими охлаждаемую полость пера, отверстия в торцевой поверхности пера и реборду, профилированные ребра, образующие систему раздаточных и циклонных радиальных каналов в охлаждаемой полости пера, интенсификаторы охлаждения, выполненные в охлаждаемой полости, и каналы в ее замковой части для подачи воздуха, каналы в замковой части сообщены с охлаждаемой полостью, с отверстиями в торцевой поверхности пера и со щелевым отверстием в выходной кромке, по предложению, профилированные ребра, образующие систему радиальных каналов, выполнены попарно одной длины, а расстояние от периферийных окончаний радиальных каналов до торцевой поверхности для каждой последующей пары в направлении от входной кромки к выходной кромке больше предыдущего. Реборда торца пера лопатки может быть расположена по образующей профиля выпуклой стенки и входной кромки.
При комбинированной конвективно-заградительной системе охлаждения расход охлаждающего воздуха, по сравнению с чисто конвективной схемой, вдвое выше, так как воздух забирается из тракта компрессора от ступеней с более высоким давлением, чтобы предотвратить возможное втекание газа в полость лопатки через отверстия перфорации, что ухудшает характеристики двигателя в целом. Наличие перфорации в выпуклой и вогнутой стенках лопатки, которая, как правило, выполняется под набольшими углами к образующей поверхности, усложняет и удорожает технологии изготовления, особенно при наличии термостойких или термобарьерных покрытий на внешней поверхности лопатки.
Перфорация пера лопатки является концентратором напряжений и чувствительна к засорам отверстий перфорации пылью, попадающей в систему охлаждения с охлаждающим воздухом, что существенно снижает ресурс детали и двигателя в целом.
В лопатках турбин газотурбинных двигателей, используемых на приводах газоперекачивающих установок, уровень температур газа позволяет применить чисто конвективную схему, без выдува воздуха на поверхность в районе входной кромки, выпуклой и вогнутой стенках лопатки.
На чертежах представлено:
Фиг. 1 - конструктивная схема охлаждаемой лопатки турбины; Фиг. 2 - вид торцевой части; Фиг. 3 - сечение пера лопатки.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного результата, заключаются в следующем.
Охлаждаемая лопатка турбины содержит перо, ограниченное входной кромкой 1 и выходной кромкой 2, со щелевыми отверстиями 3, выпуклой стенкой 4 и вогнутой стенкой 5, ограничивающими охлаждаемую полость 6 пера, профилированные ребра 7, образующие систему раздаточных 11 и циклонных 10 радиальных каналов в охлаждаемой полости 5, отверстия 8 в торцевой поверхности пера и реборду 9, интенсификаторы охлаждения 12, выполненные в охлаждаемой полости 6, и каналы 13 в ее замковой части для подачи воздуха. Каналы в замковой части 13 сообщены с охлаждаемой полостью 6, с отверстиями 8 в торцевой поверхности пера и со щелевым отверстием 3 в выходной кромке 2.
1
2
3
1
2
3
Профилированные ребра 7, образующие систему радиальных каналов 10, 11 выполнены попарно одной длины, расстояния n, п, и п от периферийных окончаний радиальных каналов до торцевой поверхности для каждой последующей пары в направлении от входной кромки к выходной кромке больше предыдущего (то есть n<n<n).
Реборда 9 торца пера лопатки может быть расположена по образующей профиля выпуклой стенки 4 и входной кромки 1.
Система охлаждения лопатки работает следующим образом. Воздух поступает в каналы 13 и в сообщенные с ними в раздаточные 11 и циклонные 10 каналы. Далее воздух поступает в охлаждаемую полость 6 пера и выходит через сообщенные с ней отверстия 8 в торцевой поверхности и щелевые отверстия 3 в выходной кромке 2. Система интенсификаторов охлаждения в виде ребер 12 турбулизирует поток воздуха. После поворота поток движется от торцевой стенки к корневым сечениям лопатки. Поперечное течение воздуха относительно пера лопатки исключает его радиальное перетекание и дополнительно турбулизируется поперечными ребрами 12, увеличивая интенсивность охлаждения лопатки и обеспечивая повышение эффективности охлаждения выходной кромки.
1
2
3
1
2
3
Радиальные каналы, выполненные попарно одной длины, с нарастающим расстоянием n<n<n до торцевой поверхности в охлаждаемой полости 6 лопатки, каждой последующей пары в направлении от входной кромки 1 к выходной кромке 2, что обеспечивает оптимальное распределение расхода охлаждающего воздуха по каналам с достаточным перепадом давлений в каждой паре каналов для организации устойчивого образования вихревого течения воздуха с высокими значениями коэффициентов теплоотдачи. Изменение численных значений расстояний при соблюдении соотношения n<n<n обеспечивает регулирование расхода воздуха, проходящего через отверстия 8 в торце и в и отверстия 3 в выходной кромке 2.
Реборда торца пера лопатки, расположенная по образующей профиля выпуклой стенки и входной кромки, вместе с выдувом через торец части охлаждающего воздуха, уменьшает потери от перетекания газа через радиальный зазор между торцом лопатки и корпусами, оптимизирует обтекание периферийных сечений лопатки газом, что служит выравниванию температурного поля в задней полости пера.
Приведенная схема охлаждения лопатки, с чисто конвективным охлаждением, то есть позволяющая обойтись без перфорации в выпуклой и вогнутой стенках, ограничивающих охлаждаемую полость пера, не является единственно возможной и специалисту в данной области ясно, что в рамках данного предложения могут быть составлены иные схемы чисто конвективного охлаждения лопатки с использованием отличительных признаков.
Применение изобретения позволяет уменьшить расход охлаждающего воздуха, упрощение и снижение технологических затрат на изготовление, повышение механической прочности и стойкости к загрязнениям, повышение КПД на 1,1% и ресурса лопатки и двигателя в целом на 5-10%.