ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ

Изобретение относится к турбостроению, а именно, к охлаждаемым лопаткам высокотемпературных газотурбинных двигателей.
Известна охлаждаемая лопатка турбины, содержащая полое перо с полостью для охлаждающего воздуха и воздушным каналом, расположенным вдоль входной кромки и сообщенным чередующимися по высоте входными и выходными каналами с полостью для охлаждающего воздуха и внешней поверхностью выпуклой части пера, причем входные и выходные каналы выполнены тангенциальными относительно воздушного канала а в полости для охлаждающего воздуха установлены штырьки для турбулизации охлаждающего воздуха (см. патент РФ №2117796, МПК F01D 5/18, опубл. 1996 г.).
Охлаждающий воздух, поступая из полости для охлаждающего воздуха в воздушный канал, разгоняется до высоких значений скоростей во входных тангенциальных каналах и далее вращаясь вокруг оси воздушного канала, образует интенсивные вихревые течения. В результате происходит интенсивный отвод тепла от горячей входной кромки к охлаждающему воздуху и более холодным частям лопатки. Затем подогретый охлаждающий воздух через тангенциальные выходные каналы вытекает на внешнюю поверхность выпуклой части пера. Вихревое течение охлаждающего воздуха значительно повышает охлаждающую способность воздуха. Кроме того, направление входного канала вдоль внутренней поверхности вогнутой части пера позволяет направить холодный воздух в самое теплонапряженное место лопатки. К положительным моментам такого решения следует отнести более малый расход охлаждающего воздуха и возможность работать с охлаждающим воздухом, имеющим низкое давление.
Однако эффективность охлаждения зоны входной кромки такой лопатки недостаточна и при более высоких температурах газа перед турбиной это может приводить к перегреву зоны входной кромки лопатки и даже к ее прогару. Кроме того недостатком такой лопатки является и малоэффективное «штырьковое» охлаждение центральной и выходной частей пера лопатки.
Задача изобретения увеличить эффективность охлаждения входной кромки лопатки и лопатки в целом при минимальном увеличении расхода охлаждающего воздуха для достижения более высоких температур газа перед турбиной.
Указанная задача достигается тем, что охлаждаемая лопатка турбины, содержащая перо с полостью для охлаждающего воздуха и воздушным каналом, расположенным вдоль входной кромки и сообщенным чередующимися по высоте входными и выходными каналами с полостью для охлаждающего воздуха и внешней поверхностью выпуклой части пера, причем входные и выходные каналы выполнены тангенциальными относительно воздушного канала, снабжена дополнительным воздушным каналом, расположенным вдоль зоны входной кромки, непосредственно примыкающим к последней и соединенным с внешней поверхностью зоны входной кромки, по меньшей мере, одним рядом каналов, в центральной и выходной частях полости для охлаждающего воздуха на внутренних противоположных поверхностях стенок пера лопатки выполнены полуребра, наклоненные к оси пера со стороны спинки и корыта в противоположные стороны и соединенные друг с другом торцами в местах пересечения.
Кроме того, полость для охлаждающего воздуха может быть сообщена с внешней поверхностью пера, по меньшей мере, одним рядом каналов, выполненных в стенке пера.
Новым в изобретении является то, что лопатка снабжена дополнительным воздушным каналом, расположенным вдоль зоны входной кромки, непосредственно примыкающим к последней и соединенным с внешней поверхностью зоны входной кромки, по меньшей мере, одним рядом каналов, в центральной и выходной частях полости для охлаждающего воздуха на внутренних противоположных поверхностях стенок пера лопатки выполнены полуребра, наклоненные к оси пера со стороны спинки и корыта в противоположные стороны и соединенные друг с другом торцами в местах пересечения.
Новым в лопатке является и то, что полость для охлаждающего воздуха может быть сообщена с внешней поверхностью пера, по меньшей мере, одним рядом каналов, выполненных в стенке пера.
Следует иметь в виду, что при высоком уровне температуры газового потока, омывающего лопатку, проблемным является охлаждение именно входной кромки лопатки и зачастую альтернативы пленочному охлаждению просто не находится. В то же время пленочное охлаждение лопатки требует для своей реализации повышенных расходов охлаждающего воздуха, так как пленка охлаждающего воздуха в газовом тракте быстро размывается. Помимо этого «впрыск» охлаждающего воздуха в газовый тракт увеличивает потери полного давления потока. Все это в совокупности ухудшает экономичность турбомашины.
Суть изобретения состоит в том, чтобы использовать пленочное охлаждение только той зоны лопатки, где без него не обойтись и переходить на внутреннее охлаждение, как наиболее экономичное, в тех зонах, где можно обеспечить удовлетворительное охлаждение за счет регенеративного (внутреннего) типа охлаждения.
Это обеспечивается: организацией дополнительного воздушного канала, расположенного вдоль зоны входной кромки, непосредственно примыкающим к последней и соединенным с внешней поверхностью зоны входной кромки, по меньшей мере, одним рядом каналов, что позволяет минимальным расходом охлаждающего воздуха обеспечить очень эффективный тип внешнего охлаждения - пленочного. Последнее позволяет понизить температуру газовоздушной смеси в пристеночном слое, уменьшить тепловой поток в лопатку и, таким образом, снизить температуру в самом теплонапряженном месте лопатки - в зоне ее входной кромки.
2) организацией непосредственно примыкающей к входной кромке зоны внутреннего охлаждения «циклонно-вихревого» типа, которая с одной стороны обеспечивает интенсивное охлаждение этой зоны, а с другой стороны обеспечивает тем же расходом охлаждающего воздуха защиту поверхности лопатки со стороны спинки лопатки за счет поступления воздуха из циклона.
3) организацией непосредственно примыкающей к зоне «циклонно-вихревого» типа зоны с «матричным» типом охлаждения. Выполнение в центральной и выходной частях полости для охлаждающего воздуха на внутренних противоположных поверхностях стенок пера лопатки полуребер, наклоненных к оси пера со стороны спинки и корыта в противоположные стороны и соединенных друг с другом торцами в местах пересечения позволяет, с одной стороны, иметь исключительно высокую эффективность охлаждения пера лопатки соизмеримую с пленочным охлаждением а, с другой стороны, высокая экономичность - малый расход воздуха на охлаждение и гидравлически чистое взаимодействие наружной поверхности пера лопатки и газового потока.
Таким образом, интегрирование двух типов охлаждения -высокоэффективного-пленочного, но с минимальной поверхностью защиты входной кромки и высокоэкономичного внутреннего охлаждения циклонно-вихревого и матричного типа с минимальным расходом для большей части поверхности лопатки обеспечивает высокую экономичность и высокую надежность турбомашины.
Сообщение полости для охлаждающего воздуха с внешней поверхностью пера, по меньшей мере, одним рядом каналов, выполненных в стенке пера позволяет еще более повысить уровень температур газа перед турбиной.
На фиг.1 показан продольный разрез охлаждаемой лопатки газовой турбины;
На фиг.2 показан поперечный разрез охлаждаемой лопатки с дополнительным воздушным каналом, соединенным с внешней поверхностью зоны входной кромки рядом каналов;
На фиг.3 показан поперечный разрез охлаждаемой лопатки, у которой полость для охлаждающего воздуха сообщена с внешней поверхностью пера двумя рядами каналов, выполненных в стенке пера.
Охлаждаемая лопатка турбины содержит перо 1 с полостью для охлаждающего воздуха 2, с воздушным 3 и дополнительным 4 воздушными каналами, расположенными вдоль зоны входной кромки 5. Дополнительный канал 4 непосредственно примыкает к зоне входной кромки 5 и соединен с внешней поверхностью зоны входной кромки 5 каналами 6. Воздушная полость 3 сообщена чередующимися по высоте входными 7 и выходными 8 каналами с полостью для охлаждающего воздуха 2 и внешней поверхностью 9 выпуклой части 10 пера 1, причем входные 7 и выходные 8 каналы выполнены тангенциальными относительно воздушного канала 3. В центральной 11 и выходной 12 частях полости для охлаждающего воздуха 2 на внутренних противоположных поверхностях стенок 13 и 14 пера 1 лопатки выполнены полуребра 15 и 16, наклоненные к оси 17 пера 1 со стороны спинки 9 и корыта 18 в противоположные стороны и соединенные друг с другом торцами 19 и 20 в местах пересечения. Полость для охлаждающего воздуха 2 сообщена с внешней поверхностью 18 корыта двумя рядом каналов 21, выполненных в стенке пера 1. В выходной кромке 22 пера имеется имеются каналы 23 для выхода охлаждающего воздуха в проточную часть турбины.
Охлаждаемая лопатка турбины работает следующим образом. Охлаждаемый воздух поступает одновременно в полость для охлаждающего воздуха 2 и в дополнительный воздушный канал 4. Из дополнительного воздушного канала 4 воздух поступает через каналы 6 на внешнюю поверхность зоны входной кромки 5 и далее, перемешиваясь с газом, обтекает внешнюю поверхность спинки 9 и корыта 18. Воздух, поступивший в полость для охлаждающего воздуха 2 разветвляется на два воздушных потока: один через входные каналы 7 поступает в воздушный канал 3, где закрутившись вокруг оси канала 3 поступает через выходные каналы 8 на внешнюю поверхность спинки 9 пера 1; второй поток воздуха поступает в каналы, образованные полуребрами 15 и 16 на внутренних поверхностях спинки 9 и корыта 18 и далее через каналы 23 в выходной кромке 22 пера 1 выбрасывается в проточную часть турбины. Для обеспечения дополнительного охлаждения корыта лопатки имеются каналы 21, обеспечивающие надежное пленочное охлаждения корыта лопатки.