Охлаждаемая рабочая лопатка турбины
1. Объект технического решения: Охлаждаемая рабочая лопатка турбины.
2. Область применения: Газотурбинная энергетика.
3. Сущность технического решения: Рабочая лопатка турбины включает взаимосвязанные между собой замковую установочную и газодинамическую рабочую части. Последняя имеет внутренние полости охлаждения, окруженные поверхностями входной и выходной кромок, а между ними вдоль лопатки выполнены автономные группы рядов отдльных продольных полостей.
Полости каждой из групп расположены поперечными рядами от поверхности разрежения к поверхности давления и сообщены отвестиями и между собой и с поверхностью газодинамической части лопатки.
Полости автономных групп, которые размещены у поверхности разрежения, сообщены с получением охладителя для его подачи к газодинамической части лопатки.
В то же время полости каждой из автономных групп сообщены выходными отверстиями с поверхностью давления газодинамической части лопатки.
5. Технический результат: Заявляемое техническое решение позволило увеличить рабочий ресурс лопаток и, в целом, всего узла ротора высокотемпературной турбины за счет повышения эффективности охлаждения и его интенсивности на разных участках лопатки при оптимальном расходе охладителя.
1 н.п. ф-лы; 1 з.п. ф-лы; 5 ил.; 1 пр.
Заявляемое техническое решение относится к рабочим лопаткам роторов высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей, в частности, к пустотелым лопаткам, форма и конструкция элементов которых в их полостях обеспечивает их эффективное охлаждение.
В известных устройствах таких лопаток турбины в поперечом сечении их пера, можно выделить полости охлаждения как в центральной части лопатки, так и у ее стенок со стороны корыта, т.е. со стороны давления, а также со стороны спинки, т.е. со стороны разрежения.
Полости у стенок лопатки, тех и других, сообщены отверстиями с ценральной полостью. Все группы полостей размещаются вдоль пера лопатки, при этом одна из полостей может простираться и вдоль хвостовика лопатки, сообщаясь с полостью, куда подводится охлаждающий воздух.
Одно из таких технических решений известно из описания к патенту фирмы United Technologies (US 
5,667,359, кл. US 416-96, МКИ F01D 5/18; F01D 5/20), в котором рабочая лопатка турбины содержит несколько центральных полостей и несколько полостей у стенок лопатки как со стороны корыта, так и со стороны спинки.
Отдельные полости у стенок лопатки соединены с центральными полостями отверстиями для подвода из них охладителя к стенкам лопатки.
В свою очередь в стенках лопатки в отдельных полостях имеются отверстия, выходящие на внешнюю поверхность лопатки, для выпуска охладителя, чтобы обеспечить заградительное (пленочное) охлаждение.
Охладитель, проходя через отверстия, соединяющие центральную полость с полостью, расположенной в стенке корыта, осуществляет охлаждение пера струйным натеканием.
Основной недостаток подобных конструкций в том, что трудно обеспечить необходимые расходы через каждый канал в отдельности и тем самым оптимизировать степень охлаждения различных участков лопатки как конвективным, так и заградительным охлаждением, при этом многие полости сообщены между собой отверстиями.
Прежде всего, это полость в центральной части пера лопатки, сообщенная отверстиями с относительно меньшими полостями, которые могут быть выполнены в стенках лопатки как со стороны корыта, так и со стороны спинки, а также у входной и, возможно, выходной кромок лопатки.
Техническое решение фирмы Rolls-Royce (см. патенты GB 2283538, кл. UK F1V и US 5,562,409, кл. U.S. 415-175) касается охлаждаемой лопатки турбины, как с независимыми, так и взаимосвязанными между собой полостями.
Лопатка имеет отдельную полость вдоль ее входной кромки и, не сообщенные между собой, по меньшей мере, три полости, сужающиеся в направлении выходной кромки, отдельную полость у входной кромки и центральную полость вдоль пера. Центральная полость сообщена с отдельными малыми полостями в стенке лопатки со стороны ее корыта. В стенке лопатки, по крайней мере со стороны корыта, имеются отверстия выпуска охладителя из малых полостей на соответственную поверхность лопатки.
В этом техническое решение достигается невысокая степень охлаждения из-за ограничения площади поверхностей, участвующих в теплообмене, поэтому в высокотемпературных турбинах оно недостаточно эффективно.
Известно техническое решение по патенту RU 2267616, МКИ F01D 5/18, заявленное ЦИАМ имени П.И.Баранова, и касающееся охлаждаемой лопатки турбины, содежащей хвостовик и перо, где образованы продольные полости подачи охладителя ко входной и выходной кромкам.
Между полостями входной и выходной кромок предусмотрены центральные полости, сообщенные со щелевыми полостями переменной ширины у стенок лопатки. Эти полости имеют множество П-образных и U-образных пристеночных каналов с отверстиями, выводящими охладитель на поверхность пера лопатки.
Техническое решение по патенту RU 2267616 могло бы сравнительно эффективно обеспечивать охлажение поверхностей пера рабочей лопатки турбины, однако оно конструктивно и технологически сложно в производстве, а в рабочем режиме изогнутые в обратном направлении каналы не защищены от засорения, и, следовательно, могут со временем потерять свою эффективность.
Тем не менее, ввиду общности известного и заявляемого технических решений и близости решаемой задачи известное решение по патенту RU 2267616 принято в качестве прототипа.
Перед авторами стояла задача повысить эффективность охлаждения рабочих лопаток высокотемпературных турбин за счет его оптимальности и интенсивности на разных участках лопатки, как конвективным, так и заградитльным охлаждением при оптимальном расходе охладителя.
В конечном итоге должен быть достигнут технический результат увеличения ресурса рабочих лопаток, а, следовательно, и всего узла ротора высокотемпературной турбины в целом.
Для достижения указанного выше технического результата за счет решения поставленной задачи, в рабочей лопатке турбины, включающей взаимосвязанные между собой собой хвостовик и перо, содержащие в себе внутренние полости охлаждения, окруженные поверхностями входной и выходной кромок и взаимосвязанными с последними поверхностями спинки и корыта, внутри и вдоль которых выполнены полости получения и подачи охладителя от хвостовика в указанные полости охлаждения пера, произведены усовершенствования.
Усовершенствования состоят в том, что вдоль пера лопатки между полостями корыта и спинки, а также входной и выходной кромок, последовательно размещены автономные группы отдельных продольных полостей,
Эти полости в каждой из упомянутых автономных групп расположены поперечными рядами от поверхности спинки пера к поверхности его корыта.
При этом полости каждой из этих групп сообщены отверстиями, как между собой, так и с поверхностью пера лопатки. Полости каждой из автономных групп, размещенные у поверхности спинки, проведены сквозь хвостовик лопатки в полость получения охладителя.
Поверхность упомянутой спинки лопатки может быть выполнена сплошной
В каждой автономной группе на входе в полость получения охладителя в хвостовике выполнены дроссельные отверстия.
В заявляемой охлаждаемой рабочей лопатке турбины в автономных группах полостей одна из них может быть сообщена выходными отверстиями с поверхностью корыта пера.
Решение поставленной задачи поясняется чертежами, где:
- на Фигуре 1 показана в общем виде рабочая лопатка турбины газотурбинного двигателя;
- на Фигуре 2 дано поперечное сечение А-А (см Фиг.1)пера заявляемой лопатки турбины с выделенными автономными группами полостей охлаждения между полостями передней и задней кромок указанного пера лопатки;
- на Фигуре 3 дан также общий вид заявляемой лопатки, но с частичным продольным вырезом Б-Б полостей, размещеных у поверхности спинки лопатки для получения охладителя через хвостовик ко всем автономным групам полостей;
- на Фигуре 4 показана условно выделенная из сечения А-А Фигуры 2 одна из упомянутых идентичных автономных групп полостей независимо от их размещения;
- на Фигуре 5 дано продольное сечение В-В одной из упомянутых автономных групп полостей от поверхности корыта до поверхности спинки лопатки из полости приема охладителя в замковой части и вдоль пера лопатки.
Охлаждаемая рабочая лопатка турбины 1 газотурбинного двигателя, показанная на Фиг.1, содержит взаимосвязанные между собой перо 2 и хвостовик 3 для установоки в диск ротора.
Геометрия пера 2 лопатки 1 представлена в ее поперечном сечении А-А с передней входной кромкой 4 и задней выходной кромкой 5, которые взаимосвязаны поверхностями спинки 6 и корыта 7 пера 2, образуя в совокупности профилированную часть заявляемой турбинной рабочей лопатки - ее перо 2..
Как в передней входной кромке 4, так и в задней выходной кромке 5, проходят соответственно внутренние (условной конфигурации) полости охлаждения 8 и 9.
Полости входной кромки 4 и выходной кромки 5 вдоль пера 2 лопатки отъединены поперечными перегородками 10 и 11, соединенными с поверхностями 6 и 7.
Между перегородками 10, 11 вдоль пера 2 лопатки 1 выполнены, по меньшей мере, три (12, 13, 14) автономные группы полостей.
Эти группы 12, 13, 14 по конфигурации самих полостей и их размещению для каждой из указанных групп в какой-то степени индивидуальны в соответствии с известными методиками расчета.
Средняя автономная группа 13 полостей по обе стороны отделена от группы полостей 12 перегородкой 15 и от группы полостей 14 пергородкой 16, в направлении, близком к направлению аналогичных перегородок 10, 11.
Как указывалось, общее количество автономных групп может лог и чески варьироваться за счет средних групп от одной и выше в зависимости от геометрии и рабочих параметров турбины, что определяется известными способами расчета.
Поскольку автономные группы полостей в своей основе идентичны, на Фиг.4 выделена из сечения А-А одна из упомянутых автономных групп вне зависимости от ее расположения. Этим использована возможность выделить например, группу 14, как одну из автономных групп идентичных полостей (см. Фиг.4).
В каждой группе (см. Фиг.5, сечение В-В) полость 17 у поверхности спинки 6 выполнена для получения охладителя сквозь хвостовик 3 лопатки 1, а вдоль пера 2 лопатки сообщена множеством отверстий 18 в стенке 19 со средней полостью 20.
В свою очередь полость 20 сообщена множеством отверстий 21 в стенке 22 с полостью 23. Полость 23 каждой из автономных групп за счет отверстий 24 имеет выход на поверхность 7 корыта пера 2 рабочей лопатки 1.
Следует отметить, что для активизации процесса ввода в полость хвостовика охладителя и, следовательно, процесса охлаждения пера заявляемой лопатки как газодинамически нагруженной части, отверстия 25 подачи охладителя на входе в замковую часть 3 выполнены дроссльными. При этом их оптимальные параметры ввода охладителя расчитываются для каждой автономной группы полостей.
Охладитель, например воздух, входит через дроссельные отверстия 25 в идентичные полости 17 каждой из автономных групп (фиг.5), затем через множество отверстий 18 в стенках 19 проходит в следующие полости 20 и, через отверстия 21 в стенках 22, входит в полости 23.
Из полостей 23 всех автономных групп через множество идентичных отверстий 24 охладитель поступает в межлопаточные пространства, при этом, равномерно омывая общую наружную поверхность корыта 7 пера 2 рабочей лопатки 1 турбины.
Повышенная интенсивность и эффективность охлаждения лопатки согласно описанному техническому решению обеспечивается за счет увеличенной площади участвующих в теплообмене внутренних полостей.
Оптимальное охлаждение разных участков лопатки и конвективным, и заградительным охлаждением одновременно, достигается тем, что все группы полостей не зависимы ни между собой, ни от других полостей лопатки.
Кроме того, расход охладителя через каждую автономную группу полостей регулируется различной степенью дросселирования отверстий на входе в каждую отдельную полость приема охладителя.
1. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины, включающая взаимосвязанные между собой хвостовик и перо, содержащие в себе внутренние полости охлаждения, окруженные поверхностями входной и выходной кромок и взаимосвязанными с последними поверхностями спинки и корыта, внутри и вдоль которых выполнены полости получения и подачи охладителя от хвостовика в указанные полости охлаждения пера, отличающаяся тем, что вдоль пера лопатки между полостями корыта и спинки, а также входной и выходной кромок последовательно размещены автономные группы отдельных продольных полостей, расположенных в каждой из этих групп поперечными рядами от поверхности спинки пера к поверхности корыта, при этом полости каждой из автономных групп сообщены отверстиями как между собой, так и с поверхностью пера лопатки, причем полости каждой из автономных групп, размещенные у поверхности спинки, проведены сквозь хвостовик лопатки в полость получения охладителя.
2. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины по п.1, отличающаяся тем, что поверхность упомянутой спинки выполнена сплошной.
3. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что в каждой автономной группе на входе в полость получения охладителя в хвостовике выполнены дроссельные отверстия.
4. Охлаждаемая рабочая лопатка турбины по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что в автономных группах одна из их полостей сообщена выходными отверстиями с поверхностью корыта.
