ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, турбостроения и может найти применение в охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин.
В современных охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин широко используются системы охлаждения. В некоторых из них охлаждение лопаток осуществляется воздухом, поступающим в систему каналов различной конфигурации, расположенных, в том числе, и в стенках охлаждаемой лопатки.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является охлаждаемая лопатка по патенту №2321754, класс МПК F01D 5/18, публикация от 10.04.2008 г., которая содержит наружную и внутреннюю стенки, внутри которых расположены группы каналов, выполненных взаимно пересекающимися на разных уровнях, вызывая увеличение степени турбулентности.
Основным недостатком данного технического решения является отсутствие возможности формирования заданной конфигурации температурного поля пера лопатки за счет изменения расходов охладителя и дополнительной турбулизации при обтекании полуребер.
Основная задача заявляемого технического решения это повышение теплоотдачи со стороны охладителя, а также формирование заданного температурного поля и, как следствие, увеличение ресурса работы лопатки.
Технический результат достигается в заявляемой охлаждаемой лопатке, преимущественно высокотемпературных газовых турбин, которая содержит наружную и внутреннюю стенки, внутри которых расположены группы каналов охлаждения, выполненных взаимно пересекающимися на разных уровнях, при этом в углублениях мест пересечения каналов установлены перпендикулярные направлению потока полуребра высотой 0,2-0,4 и толщиной 0,5-0,8 от диаметра канала, причем в каждом канале на выходе и на входе установлены жиклеры регулирования расхода охладителя. Оси группы каналов охлаждения в каждом уровне смещены относительно друг друга на величину 0,3-0,5 от диаметра..
На фиг.1 представлен вертикальный разрез заявляемой лопатки.
На фиг.2 показан поперечный разрез по С-С фигуры 1.
На фиг.3 показан разрез по А-А фиг.2 по средней линии пера лопатки.
На фиг.4 схематично показано течение охладителя в одном из каналов (поперечном).
На фиг.5 изображен фрагмент литьевого стержня.
На фиг.6 изображен увеличенный фрагмент литьевого стержня в месте пересечения каналов.
Предлагаемое охлаждение лопатки можно представить как совокупность элементов охлаждения, расположенных внутри наружной и внутренней стенок лопатки.
На фиг.1 представлена схема охлаждения лопатки по сечению В-В фиг.2, где видны продольные каналы 2 (в виде окружностей) и поперечные каналы 1, оси которых смещены относительно друг друга на величину ε - как показано на фиг.4.
На фиг.2 показан поперечный разрез по С-С фигуры 1, где также видны продольные 2 и поперечные 1 (в виде окружностей) каналы.
На фиг.3 показан разрез по А-А фиг.2 по средней линии пера лопатки. Здесь 3 и 4 жиклеры на входе и на выходе из каналов, 5 и 6 каналы в замке лопатки подвода охлаждающего воздуха, стрелки 7 и 8 показывают подвод охлаждающего воздуха, стрелки 9 и 10 показывают вход охлаждающего воздуха в каналы пера лопатки, а стрелки 12 и 13 показывают выход охлаждающего воздуха из каналов, 11 показывает канал во входной кромке лопатки.
k
На фиг.4 схематично показано течение охладителя в одном из каналов (поперечном). Оси каналов смещены (ε) на 0,3-0,5 от диаметра канала (d) друг относительно друга, а также в местах пересечения установлены полуребра 16 на стенке канала высотой 0,2-0,4 и толщиной 0,5-0,8 от диаметра канала, перпендикулярно направлению потока. Стрелки 17 показывают течение охлаждающего воздуха в местах пересечения каналов при наличии (условно показано знаком «+»), расхода охлаждающего воздуха в продольном канале 2 а стрелки 18 показывают отсутствие (условно показано знаком «-»), воздуха в продольном канале 2. Видно, что там, где нет расхода (или он очень мал) в продольном канале поток в поперечном канале 1 течет свободно, не отклоняясь к стенкам с полуребрами 16. В тех же случаях, когда по каналам текут потоки достаточной величины расходов, потоки взаимодействуют друг с другом, закручиваются и отклоняются к стенкам с полуребрами 16, где формируются дополнительные вихри турбулентности.
На фиг.5 показан для наглядности фрагмент литьевого стержня для формирования охлаждающих каналов. Здесь 19 стержни для формирования поперечных каналов, а 20 стержни для формирования продольных каналов.
На фиг.6 приведен увеличенный фрагмент литьевого стержня в месте пересечения каналов 19 и 20. Видны углубления 21 для формирования полуребер на стенках каналов.
Предлагаемое охлаждение лопатки можно представить как совокупность элементов охлаждения, расположенных внутри наружной и внутренней стенок лопатки. Из предварительного расчета теплового состояния пера известно, в каких местах требуется уменьшение (или увеличение) коэффициентов теплоотдачи со стороны охладителя. Желаемое уменьшение (или увеличение) расходов охладителя в каналах подбирается с помощью жиклеров, а степень взаимодействия (интенсификации коэффициента теплоотдачи) потоков решается путем задания соответствующей величины смещения осей каналов.
Охлаждение заявляемой лопатки осуществляется следующим образом. При работе поступающий охлаждающий воздух 7, 8 проходя через каналы 5, 6 в замке лопатки входит через отверстия в нижнем сечении пера, движется в поперечных каналах 1, и далее выбрасывается через отверстия в донышке на конце пера лопатки. В продольные каналы 2 пера охлаждающий воздух проходит через канал 8 в замке лопатки, движется вдоль входной кромки 11, и через отверстия 14 в перегородке, отделяющей входную кромку, проникает в продольные каналы 2 и выходит через отверстия 15 в перегородке, отделяющей выходную кромку. В местах пересечения каналов - продольного 2 и поперечного 1 - потоки охлаждающего воздуха, движующиеся в них, взаимодействуют друг с другом непосредственным трением друг с другом, при этом степень взаимодействия тем больше, чем большие расходы охладителя проходят через эти каналы, а также чем больше каналы внедряются друг в друга (чем меньше величина ε). Кроме того, в местах пересечения потоки охлаждающего воздуха в каналах взаимно оттесняются друг с другом к противоположным стенкам, обтекая полуребра 16, как показано на фиг.4, и оба эти явления вызывают дополнительную турбулизацию потоков, соответственно увеличивая коэффициент теплоотдачи α. Таким образом, в соответствующих местах спинки и корытца пера лопатки, в которых располагаются взаимнопересекающиеся каналы, можно в определенных пределах регулировать величину теплоотдачи α и, подбирая величины жиклеров 3 и 4 на входе и на выходе из каналов, а также величину s взаимного внедрения поперечных 1 и продольных 2 каналов, можно формировать требуемую конфигурацию температурного поля пера лопатки.