РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области газотурбиностроения, а именно к охлаждаемым рабочим лопаткам турбин, применяемым в газотурбинных двигателях, а также в стационарных энергетических газотурбинных установках.
Известна рабочая лопатка газовой турбины, направленная на повышение надежности путем снижения действующих в ней напряжений, сформированных полем центробежных сил. Лопатка состоит из хвостовика, рабочей профильной части, состоящей из полого профиля с выпуклой и вогнутой тонкими стенками, между которыми расположен силовой стержень, выполненный за одно целое с хвостовиком, и интенсификаторов охлаждения. Рабочая профильная часть лопатки выполнена разделенной на две части, одна из которых, прикорневая часть, выполнена за одно целое с хвостовиком, а другая часть, периферийная - за одно целое с силовым стержнем (см. патент РФ №2656052, F01D 5/18).
Указанная рабочая лопатка выбрана в качестве прототипа.
Прототип обладает существенными конструктивными недостатками, снижающими его надежность. Охлаждающая среда, подаваемая через хвостовик, направляется в полость между стенками рабочей профильной части и силовым стержнем, откуда отводится через зазор, имеющийся между прикорневой и периферийной частями. При этом отвод охлаждающей среды из полости, ограниченной периферийной частью и силовым стержнем, осуществляется через тот же зазор между прикорневой и периферийной частями, что затрудняет движение охлаждающей среды, так как навстречу потоку среды, получившей тепло от периферийной части лопатки, на пути к зазору движется более холодный поток охлаждающей среды, который преимущественно и отводится через зазор. При этом в периферийной части профильной части лопатки охлаждающая среда «застаивается», что приводит к ее пересыщению теплом и перегреву, как профильной части, так и силового стержня на участке периферийной части. Указанный фактор снижает прочностные характеристики лопатки и ее надежность.
Другим негативным фактором, снижающим прочностные характеристики и надежность лопатки, является локальный перегрев участка на поверхности силового стержня, расположенного напротив зазора между прикорневой и периферийной частями профильной части лопатки, тепловым излучением рабочего тела, поступающего из камеры сгорания. Перегрев узкого участка силового стержня, ограниченного проекцией зазора, является источником напряжений, которые в поле центробежных сил могут стать причиной разрушения лопатки.
Задача полезной модели заключается в повышении прочности и надежности рабочей лопатки газовой турбины.
Поставленная задача решается тем, что охлаждаемая рабочая лопатка турбины, состоящая из хвостовика, рабочей профильной части в виде полого профиля с выпуклой и вогнутой тонкими стенками, между которыми расположен силовой стержень, выполненный за одно целое с хвостовиком, и интенсификаторов охлаждения, с рабочей профильной частью, разделенной на две части, одна из которых, прикорневая, выполнена за одно целое с хвостовиком, а другая, периферийная - за одно целое с силовым стержнем, выполнена с прикорневой частью, содержащей со стороны, обращенной к периферийной части, участок, располагающийся внутри периферийной части так, что между внешней поверхностью участка и внутренней поверхностью периферийной части и между внутренней поверхностью участка и силовым стержнем имеются зазоры для прохождения охлаждающей среды, а рабочая профильная часть выполнена с отверстиями для выхода охлаждающей среды.
Технический результат полезной модели - повышение прочности и надежности рабочей лопатки газовой турбины.
Полезная модель работает следующим образом. При обтекании рабочей профильной части лопатки рабочим телом создается аэродинамическая сила, создающая крутящий момент на валу турбины. При этом тепловой поток от рабочего тела разогревает конструктивные элементы лопатки, одновременно на них действуют значительные центробежные силы. Прочностные свойства материала лопатки существенно снижаются с повышением ее температуры, что является препятствием для наращивания эффективности термодинамического цикла газотурбинного двигателя, зависящего от возможности повышения температуры рабочего тела перед турбиной, препятствием для наращивания скорости вращения турбины ввиду нарастающей вероятности разрушения ее лопаток.
Охлаждающая среда, подаваемая через хвостовик и направляемая в охлаждающую полость между стенками прикорневой части и силовым стержнем, контактирует с внутренней поверхностью прикорневой части и силовым стержнем, отбирает у них тепловую энергию и частично выводится на внешнюю поверхность прикорневой части через отверстия для выхода охлаждающей среды, частично поступает в охлаждающую полость между стенками периферийной части и силовым стержнем, откуда через зазор между прикорневой и периферийной частями выводится на внешние поверхности прикорневой и периферийной частей, а также насыщенная теплом отводится через отверстия в периферийной части. Кроме того, участок прикорневой части, расположенный внутри периферийной части, распространяющийся от прикорневой части, также затеняет поверхность силового стержня, расположенную напротив зазора между частями, от излучения рабочего тела, предотвращая локальный перегрев этой поверхности. Воспринимаемое участком излучение трансформируется в тепловую энергию, эффективно отводимую охлаждающей средой, обтекающей участок по его обеим поверхностям - внутренней и внешней.
Указанные конструктивные особенности обеспечивают более эффективный отвод тепла, получаемого рабочей лопаткой, и тем самым улучшают ее прочностные свойства и надежность.