ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ
TURBOMACHINE COOLED BLADE

Изобретение относится к области газотурбостроения, а более конкретно, к конструкциям полых охлаждаемых рабочих и сопловых лопаток газовых турбин. Изобретение может быть использовано также в лопатках других типов турбомашин, использующих для охлаждения поток текучей среды, пропускаемой по внутренним каналам и полостям лопатки.
Известна охлаждаемая лопатка турбомашины, содержащая перо с полостью и каналом охлаждения входной кромки пера, сообщенным чередующимися по высоте пера входными и выходными каналами соответственно с полостью пера и с окружающим пространством со стороны спинки профиля пера (патент США №4507051, кл. 416/97R, опубл. 26.03.1985 г.).
Известная лопатка характеризуется тем, что подвод воздуха в канал охлаждения передней кромки лопатки осуществляется через входные каналы, выходные срезы которых отстоят (при измерении вдоль продольной оси входного канала) от противолежащих им участков стенки канала охлаждения входной кромки на расстояние, равное диаметру канала охлаждения входной кромки. При указанном взаимном положении выходных срезов входных каналов и противолежащих участков канала охлаждения входной кромки имеет место безударное натекание охлаждающего воздуха на внутреннюю стенку канала охлаждения входной кромки, что не позволяет достичь требуемой в современных лопатках газовых турбин эффективности конвективного охлаждения входной кромки и прилегающей к ней зоны пера лопатки. В дальнейшем для краткости, характеризуя предлагаемое и известные технические решения, будем говорить об эффективности охлаждения входной кромки пера лопатки как наиболее теплонапряженной части пера.
При этом здесь и далее эффективность охлаждения входной кромки лопатки численно характеризуется безразмерной глубиной охлаждения:
*
*
*
θ=(Тг-Тл)/(Тг-Тв),
*
где: Тг - средняя по длине входной кромки температура газа, омывающего входную кромку пера лопатки;
Тл - средняя температура поверхности входной кромки;
*
Тв - средняя температура воздуха, поступающего по входным каналам в канал охлаждения входной кромки пера лопатки.
В описанной лопатке наиболее вероятно достижение значений параметра θ, ограниченных диапазоном от 0,22 и до 0,3.
Наиболее близкой к заявляемой является охлаждаемая лопатка турбомашины, содержащая перо с полостью и каналом охлаждения входной кромки пера, сообщенным чередующимися по высоте пера входными и выходными каналами соответственно с полостью пера и с окружающим пространством со стороны спинки профиля пера, причем выходные каналы выполнены тангенциальными относительно канала охлаждения входной кромки пера (патент РФ №2117768, кл. F01D 5/18, опубл. 20.08.1998 г.). В описанной лопатке входные каналы также выполнены тангенциальными по отношению к каналу охлаждения входной кромки пера лопатки.
При такой конструкции входных каналов в известной лопатке не может быть достигнута достаточно высокая эффективность охлаждения входной кромки пера. Это обусловлено тем, что при тангенциальном натекании охлаждающего воздуха на внутреннюю поверхность канала охлаждения входной кромки пера лопатки в сочетании с тангенциальным отводом воздуха из указанного канала удается достичь значений параметра θ, лежащих в диапазоне от 0,25 и до 0,31.
Современные конструкции авиационных газотурбинных двигателей с полыми охлаждаемыми лопатками газовой турбины требуют достижения более высокой эффективности охлаждения входной кромки пера лопатки, т.е. получения более высоких значений параметра θ.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, - повышение эффективности охлаждения входной кромки пера лопатки.
ср.
вх.канала
вх.канала
Указанный технический результат достигается тем, что в лопатке, содержащей перо с полостью и каналом охлаждения входной кромки пера, сообщенным чередующимися по его длине входными и выходными каналами соответственно с полостью пера и с окружающим пространством со стороны спинки профиля пера, причем выходные каналы выполнены тангенциальными относительно канала охлаждения входной кромки пера, продольные оси входных каналов направлены по касательным к средним линиям плоских профилей пера лопатки в пределах канала охлаждения входной кромки, выходные срезы входных каналов вынесены в канал охлаждения входной кромки так, что измеренное вдоль продольной оси входного канала расстояние L от выходного среза входного канала до противолежащего ему участка стенки канала охлаждения входной кромки составляет 0,85-1,65 от среднего радиуса кривизны R указанного участка стенки канала и связано с эквивалентным диаметром входного канала d следующим выражением: 2,5>L/d>0,9.
вых.канала
вх.канала
Указанный технический результат достигается также тем, что отношение площадей поперечных сечений выходных и входных каналов выбрано из соотношения: 4,5>F/F>1,7. При таком соотношении площадей поперечных сечений указанных каналов достигается наиболее высокое значение параметра θ, определяющего эффективность охлаждения входной кромки пера лопатки.
Осуществление изобретения рассмотрим на примере конструкции охлаждаемой рабочей лопатки газовой турбины. На фиг.1 показан продольный разрез охлаждаемой рабочей лопатки газовой турбины. На фиг.2 показано плоское поперечное сечение по А-А охлаждаемой рабочей лопатки газовой турбины.
При характеристике элементов лопатки использована терминология, рекомендованная Отраслевым стандартом «ОСТ 1 02639-87. Лопатки авиационных осевых компрессоров и турбин».
Охлаждаемая лопатка турбомашины содержит перо 1 с полостью 2 и каналом 3 охлаждения входной кромки 4 пера. Контур поперечного сечения канала 3, в частном случае, представляет собой окружность или, в более общем случае, гладкую кривую, отдельные точки которой отстоят от вписанной в эту кривую окружности не более чем на 5% радиуса вписанной окружности. Канал 3 расположен в непосредственной близости от входной кромки 4 лопатки (т.е. он проходит в теле пера 1 лопатки вдоль ее входной кромки 4, например, эквидистантно ей) и сообщен входными каналами 5 с полостью 2 пера и выходными каналами 6 с окружающим лопатку пространством со стороны спинки 7 профиля ее пера.
Входные и выходные каналы имеют преимущественно цилиндрическую форму и чередуются вдоль канала 3. При этом может иметь место как чередование одиночных каналов разного типа (в данном случае за первый тип каналов могут быть приняты входные каналы 5, а за второй - выходные каналы 6), так и чередование групп однотипных каналов. Это означает, что не столь важно, сообщается ли канал 3 на каком-то локальном отрезке своей длины с каналами только одного типа или с каналами разного типа. Важно, чтобы на разных участках своей длины канал 3 поочередно сообщался то с каналами одного типа, то с каналами другого типа, а на всей длине канала 3 было не менее двух таких чередований.
Выходные каналы 6 выполнены тангенциальными относительно канала 3 охлаждения входной кромки пера лопатки. Для каждого такого канала это означает, что, по меньшей мере, одна из его образующих является касательной к окружности, вписанной в контур поперечного сечения канала 3. Продольные оси 8 входных каналов 5 направлены по касательным (т.е. совмещены с касательными) к средним линиям 9 плоских профилей пера лопатки в пределах канала 3 охлаждения входной кромки 4.
ср.
Выходные срезы 10 входных каналов 5 (т.е. их поперечные сечения, совпадающие с торцами указанных каналов) вынесены в канал 3 охлаждения входной кромки пера так, что измеренное вдоль продольной оси 8 входного канала расстояние L от выходного среза 10 входного канала до противолежащего ему участка 11 стенки канала 3 охлаждения входной кромки составляет 0,85-1,65 от среднего радиуса кривизны R указанного участка стенки канала.
Под продольной осью входного канала в рамках настоящей заявки понимается следующее. Для осесимметричных каналов (включая канал, имеющий форму кругового цилиндра) продольной осью является ось симметрии канала. Для каналов, не являющихся осесимметричными, за продольную ось принимается прямая, аппроксимирующая линию, соединяющую центры масс поперечных сечений канала на последней (при движения по ходу воздуха в канале) четверти его длины.
ср.
ср.
вх.канала
вх.канала
вх.канала
При этом R определяется как среднее арифметическое, по меньшей мере, трех, наиболее отличающихся друг от друга значений радиуса кривизны участка 11 стенки канала 3 охлаждения входной кромки пера 1. Для упрощенного случая, когда участок 11 стенки канала 3 имеет цилиндрическую форму, R будет равно радиусу канала 3 на указанном участке. При этом указанное расстояние L связано с эквивалентным диаметром входного канала d следующим выражением: 2,5>L/d>0,9. Причем в тех случаях когда данный входной канал не является цилиндрическим каналом с круговым поперечным сечением, под его эквивалентным диаметром d понимается диаметр условного цилиндрического канала с круговым поперечным сечением, пропускная способность которого во всем рабочем диапазоне изменения перепада давлений на нем отличается от пропускной способности данного канала несущественно, т.е. не более чем на 3%.
вых.канала
вх.канала
Для получения наиболее высоких значений заявленного технического результата в предлагаемой охлаждаемой лопатке турбомашины отношение площадей поперечных сечений выходных и входных каналов выбрано из соотношения: 4,5>F/F>1,7. При выполнении указанного соотношения обеспечивается максимальная интенсификация конвективного теплообмена между стенкой канала 3 охлаждения входной кромки и охлаждающим воздухом.
Полость 2 пера лопатки через промежутки между ребрами компланарной теплообменной матрицы 13 сообщается с отверстиями 12 сброса охлаждающего воздуха.
Охлаждаемая лопатка турбомашины работает в условиях ее обтекания высокоскоростным, высокотемпературным газовым потоком, вызывающим разогрев, в первую очередь, входной кромки 4 пера 1 лопатки.
При работе турбомашины от ее системы подачи охлаждающего воздуха (на фигурах не показана) воздух с заданными температурой и давлением подается в полость 2 пера лопатки. Одна часть охлаждающего воздуха по теплообменной матрице 13 проходит к отверстиям 12, охлаждая в процессе своего движения заднюю часть пера 1 лопатки, и сбрасывается в проточную часть турбомашины (не показана). Другая часть охлаждающего воздуха из полости 2 поступает во входные каналы 5 пера 1 лопатки.
Разгоняясь во входном канале 5, охлаждающий воздух истекает из выходного отверстия канала 5 и ударяется в противолежащий ему участок 11 стенки канала 3 охлаждения входной кромки. Происходит охлаждение участков 11 стенки канала 3, и благодаря активной теплопередаче по перегородке, разделяющей канал 3 и входную кромку 4 пера 1 лопатки, происходит активное охлаждение указанной входной кромки пера (а также прилегающей к ней зоны пера). Натекание воздуха на участок 11 стенки канала 3 носит преимущественно характер «ударного натекания», которое характеризуется возникновением сложного вихревого течения, возникающего в областях лобового столкновения струй охлаждающего воздуха, истекающих из каналов 5, с вогнутой внутренней стенкой канала 3.
ср.
вх.канала
вх.канала
Такой характер натекания воздуха на стенку канала 3 достигается благодаря тому, что выходные срезы 10 входных каналов 5 вынесены в канал охлаждения входной кромки так, что измеренное вдоль продольной оси 8 входного канала 5 расстояние L от выходного среза 10 входного канала 5 до противолежащего ему участка 11 стенки канала 3 охлаждения входной кромки составляет 0,85-1,65 от среднего радиуса кривизны R указанного участка стенки канала и связано с эквивалентным диаметром входного канала d следующим выражением: 2,5>L /d>0,9. При реализации описанного характера натекания воздуха на стенку канала 3 достигается увеличение значений параметра θ на 20…25% по сравнению с известным решением, что соответствует увеличению эффективности охлаждения входной кромки 4 пера 1 лопатки.
Указанное сложное вихревое течение охлаждающего воздуха от выходов каналов 5 распространяется по каналу 3 в направлении к тангенциальным выходным каналам 6 и под их непосредственным влиянием. Далее охлаждающий воздух движется вдоль канала 3, достигая входов в выходные каналы 6, тангенциальные по отношению к каналу 3. По каналам 6 воздух поступает на внешнюю поверхность спинки 7 профиля пера лопатки, создавая защитное заграждение этой поверхности воздействия потока обтекающего ее горячего газа.
вых.канала
вх.канала
При выполнении лопатки с отношением площадей поперечных сечений выходных и входных каналов, выбранным из соотношения: 4,5>F/F>1,7, достигается дополнительное увеличение значения параметра θ, характеризующего эффективность охлаждения входной кромки пера лопатки.